Жидкое биотопливо

Виды биотоплива

Выделяют 3 вида биотоплива в зависимости от агрегатного состояния и природы вещества: твердое, жидкое и газообразное. Твердое биотопливо представляют традиционные дрова (чаще всего в виде отходов деревопереработки), а также топливные пеллеты из различных видов биомассы. Жидкое топливо — это спирты (метанол, этанол, бутанол), эфиры, биодизель и биомазут. Газообразное — газовые смеси с угарным газом, метаном, водородом получаемые при термическом разложении сырья в присутствии кислорода (газификация), без кислорода (пиролиз) или при сбраживании под воздействием бактерий.

Выделяют четыре поколения биотоплива

Еще один вид классификации — это его классификация по поколениям биотоплива:

1. Первое поколение биотоплива — это сырье растительного происхождения, содержащее жиры, крахмал, сахара. Жиры и масла перерабатываются в биодизель, а крахмалы и сахара — в спирты. Технологии получения продуктов из такого сырья известны давно и используются повсеместно. Главным недостатком и причиной ухода от биосырья первого поколения является конкуренция за посевные площади, которые могут быть использованы под выращивание пищевых продуктов, а также переработка этих продуктов в топливо, а не продукты питания. Поскольку актуальность проблемы мирового голода имеет тенденцию роста со временем.

2. Вторым поколением сырья называют непищевые остатки растений, траву, древесину, отходы пищевой и деревообрабатывающей промышленности. Это сырье содержит целлюлозу и лигнин, которые позволяют получать синтез-газ при подвергании термохимическим процессам сжигания, газификации и пиролиза. Синтез-газ является продуктом в случае сжигания для получения электричества, тепла и пара, либо сырьем для последующей переработки в спирты, моторные топлива.

3. Третье поколение сырья — водоросли, которые в процессе роста выделяют масла. Собранное сырье подвергают переработке в конечный продукт. Такой вид биотоплива не требует земельных ресурсов, может иметь большую концентрацию биомассы и высокую скорость воспроизводства.

4. Биотопливо четвертого поколения — это быстрорастущие фотосинтезирующие микроорганизмы, которые способны производить жидкое топливо напрямую из углекислого газа. Пока эта технология находится в стадии разработки.

Одним из наиболее перспективных и доступных по применению технологий является биотопливо второго поколения. Широкодоступность сырья, его дешевизна и актуальность утилизации дают стимул для развития и применения технологий получения жидкого топлива, либо сырья для последующей переработки, из биомассы. Биотопливо второго поколения имеет очень важное преимущество перед топливом первого поколения — оно не является пищевым сырьем, а наоборот, побочным продуктом фермерских хозяйств, пищевых производств и деревообработки, что дает дополнительную экономическую выгоду при решении вопроса утилизации отходов.

В качестве сырья для получения жидкого топлива из биотоплива второго поколения часто используются отходы деревообрабатывающей промышленности, а также всевозможные отходы сельскохозяйственной, пищевой промышленности и фермерства — остатки растительной биомассы и побочные продукты переработки сырья в пищевые продукты. Начальной стадией процесса получения жидких углеводородов из растительной биомассы является процесс получения синтез газа.

Способы получения синтез-газа

Синтез-газ — это смесь газов монооксида углерода и водорода с примесями углеводородов. Получение синтез газа осуществляется тремя способами:

1. Газификация угля, биомассы. Основная реакция процесса — это взаимодействие угля с водяным паром (воздуха, либо насыщенным паром):

C + H2O = H2 + CO

Реакция является эндотермической. Также используется парокислородное дутье, при котором наряду с упомянутой реакцией протекает экзотермическая реакция сгорания угля, обеспечивающая нужный тепловой баланс:

C + 1/2O2 = CO

2. Конверсия метана. Реакция взаимодействия метана с водяным паром проводится в присутствии никелевых катализаторов (Ni-Al2O3) при повышенных температурах (800-900 ºС) и давлении:

CH4 + H2O = CO + 3H2

В качестве сырья вместо метана может быть использовано любое углеводородное сырье.

3. Частичное окисление углеводородов. Процесс основывается на неполном термическом окислении углеводородов при температурах выше 1300 ºС:

CnH2n + 2 + 1/2nO2 = nCO + (n + 1)H2

Способ применим к любому углеводородному сырью, но наиболее часто в промышленности используют высококипящую фракцию нефти — мазут.

Наиболее интересным способом получения синтез-газа является первый, поскольку решает сразу 2 проблемы — замещение традиционных энергоносителей (газ, нефть), а также утилизацию сельскохозяйственных остатков и отходов пищевых производств.

Синтез-газ является перспективным продуктом в качестве сырья для получения различных углеводородов, которые могут быть использованы для последующей переработки, либо являться товарным продуктом для реализации. Одним из вариантов последующей стадии переработки синтез-газа является получение метанола:

СО + 2Н2 = СН3ОН

Метанол является продуктом сам по себе и используется в качестве вспомогательного продукта, реагента, ингибитора и др. в различных производствах химической, нефтегазовой промышленности. Также он является сырьем для получения товарных продуктов для реализации, либо для последующего использования в других областях народного хозяйства, например, диметилового эфира, аммиака, пропилена, концентрата ароматики или высокооктанового бензина и пр.

Таким образом, синтез-газ является промежуточным продуктом при последовательных превращениях в цепочке получения топлива и различных сырьевых жидких и газообразных веществ. Для преобразования синтез-газа (и других газообразных углеводородов, в том числе природного газа) в топливо, смазочные материалы и другие синтетические углеводороды используется так называемая технология Gas-to-Liquid (газ в жидкость). Технология, как правило, предусматривает термохимические реакции на катализаторах с получением длинноцепочных углеводородов. Используются такие 3 основные процесса получения жидкого топлива из синтез-газа: (1) Фишера-Тропша; (2) MTG (Methanol to gasoline или метанол в бензин); (3) STG+ (Syngas to gasoline plus или синтез-газ в бензин).

Процесс Фишера-Тропша

Процесс Фишера-Тропша основан на прохождении химических реакций в присутствии катализатора с получением жидких углеводородов из синтез-газа. В качестве катализатора используются металлы VIII группы, чаще всего железо и кобальт. В общем виде химическая формула процесса выглядит:

nCO + (2n+1)H2 = CnH2n+2 + nH2O

nCO + 2nH2 = CnH2n + nH2O

Процесс проводят при положительном давлении от 1 до 30 атм и температуре 190-240 ºС, либо 320-350 ºС, в зависимости от типа катализатора: Fe и Co соответственно.

Также присутствуют нежелательные реакции, в следствие которых образуются примеси в основном продукте, такие как гидрирование оксида углерода в метан, разложение оксида углерода и окисление металла катализатора. Основные продукты этих реакций — насыщенные и ненасыщенные углеводороды алифатического ряда, а побочные продукты — спирты, альдегиды и кетоны. Главной технической проблемой синтеза Фишера-Тропша является необходимость съема большого количества теплоты, выделяющейся в результате сильно экзотермических химических реакций.

Метанол в бензин (MTG)

Метанол в бензин (Methanol to gasoline, MTG) — это процесс полимеризации метанола с получением насыщенных углеводородов (алканов). Метанол производится из метана (природного газа) посредством трех реакций: парового риформинга, конверсии водяного газа и синтеза, затем он преобразуется в бензин.

Образование углеводородов из метанола проходит в несколько стадий. Вначале протекает обратимая реакция дегидратации метанола в диметиловый эфир, который в дальнейшем дегидратируется с получением олефинов. Последние вступают в реакции полимеризации и циклизации, приводящие к образованию парафиновых, циклопарафиновых и ароматических углеводородов. Процесс проводят на базе специального цеолитного катализатора ZSM-5, разработанного компанией Mobil. Результатом процесса является получение бензина. Катализатор поддается регенерации, количество циклов которой ограничено, после чего катализатор заменяется на свежий, а отработанный утилизируется.

Синтез-газ в бензин плюс (STG+)

Синтез-газ в бензин плюс (Syngas to gasoline plus, STG+) — этот процесс содержит в основе технологию MTG и включает в себя 4 этапа. Каждый из этапов проходит в отдельных аппаратах со слоем катализатора, соединенными последовательно один за другим. Первым из них является получение метанола из синтез-газа — метанол синтезируется из газа при прохождении через неподвижный слой катализатора. Далее производят синтез диметилэфира, который представляет собой дегидратацию метанола в присутствии катализатора. В третьем реакторе диметилэфир преобразуется в углеводороды с 6-10 атомов углерода в молекуле: парафины (алканы), ароматические углеводороды, нафтены (циклоалканы), олефины (алкены). В четвертом реакторе проходит процесс получения высокооктанового бензина посредством трансалкилирования и гидрогенизации. На последней стадии смесь поступает в сепаратор, где конденсируется и разделается на готовый бензин и несконденсированный газ. Бензин направляется в товарную емкость, а газ — в первый реактор для переработки совместно с поступающим свежим сырьем.

Виды жидкого биотоплива

Основными видами жидкого биотоплива, производимого из биомассы путем ее газификации, являются биометанол, биоэтанол, биобутанол, биодизель, бионефть, биобензин.

Биометанол, или метиловый спирт, является первым представителем в гомологическом ряду одноатомных спиртов, имеет химическую формулу СН3ОН и производится одним из вышеописанных способов из синтез-газа, либо брожением сельхоз культур, содержащих сахарозу или крахмал. Используется во многих сферах народного хозяйства, в том числе в качестве растворителей, антифризов, ингибитора гидратообразования, при получении высокооктановых топливных добавок, формальдегида и пр. веществ. Биометанол не используется как самостоятельная добавка к моторному топливу, поскольку имеет нежелательные свойства, такие как гигроскопичность, токсичность, коррозионную активность. Для повышения октанового числа бензина чаще используется биоэтанол и биобутанол.

Биоэтанол — это этиловый спирт, химическая формула С2Н5ОН. Производится несколькими способами: (1) ферметацией или брожением биосырья, содержащего крахмал или сахар в составе; (2) газификацией биомассы с последующим сбраживанием синтез-газа бактериями в этанол; (3) газификацией биомассы с последующим получением метанола и получением этанола методом каталитической конверсии.

Биоэтанол получил применение в качестве добавки к автомобильному топливу, что позволяет увеличить октановое число и снизить уровень токсичности отработанных газов. Биоэтанол смешивают с автомобильным бензином. Наиболее распространенные: 90% бензина + 10% этанола, либо 15% бензина + 85% этанола. Бензин со спиртовой добавкой обозначают буквой Е — Е10 и Е85, соответственно объемному содержанию биоэтанола в топливной смеси. Также производят высококонцентрированные топливные смеси Е95, где биоэтанол занимает 95% объема. Топливные смеси Е85 и Е95 считаются альтернативными топливами, тогда как Е10 таковым не считается. Высокая концентрация биоэтанола в бензиновой смеси позволяет значительно уменьшить использование природных ископаемых углеводородов при производстве бензина и достигает экономии нефтепродуктов 73-75 и 85-88% соответственно для марок Е85 и Е95.

Биобутанол, или бутиловый спирт, четвертый по счету в ряду одноатомных спиртов, химическая формула C4H9OH. Может быть получен теми же способами, что и биоэтанол. Используется в качестве компонента моторного топлива. Имеет более высокую энергетическую плотность, чем этанол, он менее летучий и агрессивный, что позволяет транспортировать его по трубопроводам. Помимо использования биобутанола в качестве добавки к топливным смесям, его используют как растворитель, сырье для получения гликолей и проведения синтеза различных органических соединений.

Биодизель — это многокомпонентное жидкое топливо, которое состоит из спиртовых эфиров (метиловых, этиловых) высших ненасыщенных и жирных кислот, произведенное путем процесса этерификации жиров (масел). Сырьем для производства биодизеля может служить как свежее масло, полученное при переработке масличных сельхоз культур, так и отработанное моторное и даже переработанное пищевое масло, собранное в общепитах после приготовления еды. Получают биодизель чаще всего путем этерификации масла, реже — переэтерификации жиров. Этерификация — это процесс получения сложных эфиров путем взаимодействия спиртов и кислот. Для получения биодизеля растительное масло (это смесь триглицеридов (эфиров), соединенных с глицерином, с трехатомным спиртом С3Н8О3) поддают этерификации, то есть процессу замещения глицерина спиртом в молекуле эфира.

Исходное сырье подают в блок этерификации, куда одновременно поступают метанол и раствор катализатора (гидроксиды натрия или калия, либо метилат натрия, составляющие от 0,3 до 1,5% объема перерабатываемого сырья). По окончании процесса в результате отстаивания смесь, полученная в блоке этерификации, разделяется на два слоя: верхний — смесь метиловых эфиров и метанола, нижний — глицерин (с небольшим количеством метанола). Верхний слой направляется в блок отгонки метанола, из которого метанол возвращается в блок этерификации, а оставшийся сырой продукт — метиловый эфир (биодизель) — поступает последовательно в блок промывки и сушильную камеру.

Преимущество биодизеля перед обычным дизелем в том, что он на 99% биологически разлагается в течение короткого времени (около месяца) и не приносит вреда окружающей среде. Таким образом, он полностью безвреден для флоры и фауны и может использоваться в качестве топлива на водоплавных судах. При сжигании биодизеля образуется меньшее количество СО2, а также он содержит значительно меньше серы в составе. Недостатком биодизеля является более низкая температура замерзания, поэтому в него часто подмешивают традиционное дизельное топливо, а также биодизель имеет меньший срок хранения, поскольку разлагается через 3 месяца.

Бионефтью принято называть смесь углеводородов, полученную из растительного сырья. Бионефть — название условное, так как состоит из углеводородов только на малую часть (5-15%), остальное составляют спирты, альдегиды, ароматика и др. Бионефть получают в следствие термохимического преобразования биомассы в процессах газификации, пиролиза, парокрекинга, гидрокрекинга. Один из наиболее продуктивных способов получения является быстрый пиролиз — термический процесс разложения органических и неорганических соединений при недостатке кислорода при высоких температурах (до 1000 ºС). В результате быстрого пиролиза получают до 80% жидких углеводородов на выходе, а также газообразные и твердые побочные продукты. Бионефть также называют «пиролизной жидкостью» и «биомазутом».

Биобензин из твердого биотоплива получают посредством синтеза Фишера-Тропша. Его преимущество перед бензином из традиционных углеводородов в том, что он не содержит серы, азота и тяжелых металлов. Но стоимость производства биобензина высокая, поэтому сегодня он практически не производится.

Заключение

Постоянно изменяющийся рынок традиционных углеводородов, политические и экономические мировые кризисы обуславливают потребность в поиске альтернативных источников получения энергии. Одной из глобальных нерешенных проблем остается производство синтетического моторного топлива, которое будет более экологичным, достаточно энергоемким и доступным для использования. Достойным вариантом решения является получение жидкого биотоплива путем переработки твердой биомассы. Это позволяет решить сразу несколько проблем: (1) замещение углеводородов природного происхождения более экологичными видами; (2) утилизацию непищевых остатков сельхоз сектора; (3) нецелевое использование пахотных земель.

Такое решение имеет также и недостатки. Среди которых несовершенство технологий, что влечет за собой значительные затраты на единицу продукции, по сравнению с жидкими топливами традиционного происхождения. Немаловажную роль играет нестабильность некоторых биотоплив (биобензин, бионефть), а также использование дорогостоящих и иногда редких катализаторов. К вызовам также относится вопрос хранения, подготовки и логистики сырья, поскольку оно требует определенных условий и сроков реализации.

Несмотря на перечисленные недостатки биотоплива, поиск оптимальных решений продолжается и актуальность данной темы будет только возрастать в связи с нарастанием нестабильности мирового рынка природных энергоносителей.

 


 

Avenston — украинская группа компаний, специализирующихся на внедрении возобновляемых источников энергии и энергоэффективных технологий. Мы работаем на повышение эффективности наших проектов, тщательно разрабатывая и внедряя современные инженерные решения. Ключевые сферы деятельности группы Авенстон: солнечная энергетика, ветровая энергетика, биоэнергетика, гидроэнергетика, геотермальная энергетика, агросектор, промышленность, коммерческая недвижимость.

Одна из ключевых компетенций Авенстон заключается в проектировании, строительстве и сервисном обслуживании солнечных электростанций средней и большой мощности. Наша группа компаний с 2010 года осуществляет комплекс работ по разработке проектов, строительству и обслуживанию фотоэлектрических солнечных электростанций всех типов, накопив огромный практический опыт реализации солнечных проектов. Солнечные электростанции от Авенстон — это полная профессиональная поддержка и экспертиза на всех этапах для достижения максимального результата.

 

Ключевые направления деятельности Авенстон

Промышленные солнечные электростанции

Строим сетевые промышленные солнечные электростанции для работы по "зеленому" тарифу или продажи электроэнергии через систему аукционов. Наземные солнечные электростанции "под ключ" - проект, генподряд, подключение к сетям.
Узнать больше

Коммерческие солнечные электростанции

С 2010 года выполняем полный комплекс работ по разработке проектов, строительству и сервисному обслуживанию солнечных фотоэлектрических электростанций всех типов. Огромный практический опыт строительства солнечных электростанций для бизнеса. 
Узнать больше

Плавучие солнечные электростанции

Мы предлагаем все необходимые услуги и инновационные решения по внедрению плавучих солнечных электростанций (FPV) в Европе и на Ближнем Востоке. Технические консультации, проектирование и услуги EPC под ключ.
Узнать больше

Системы накопления электроэнергии

Полный спектр услуг по внедрению технологий хранения энергии (BESS) для солнечных электростанций и других объектов ВИЭ, промышленности и коммерческого сектора. Девелопмент, проектирование, строительство, ввод в эксплуатацию.
Узнать больше