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.