Технологии получения и применения пиролизного биотоплива

Каким бывает биотопливо

Этим термином обозначают различные вещества, которые производят из сырья биологического происхождения, растительного или животного.

Есть несколько видов такого топлива, среди которых стоит отметить:

  1. Биогаз. Для производства такого топлива используется в буквальном смысле мусор органического происхождения, который разлагается бактериальными культурами.
  2. Биодизель. Для изготовления биодизеля используют растительные жиры, а также некоторые продукты животного происхождения. В качестве производственного ресурса подходят масла рапса, кокоса, пальмы, сои и т.п. Многие растительные и животные компоненты получают из отходов пищевой промышленности. Этот продукт обычно применяется для работы транспорта.
  3. Биоэтанол. Его рассматривают как экологически чистый аналог бензина. Продукт получают в ходе ферментации углеводов, источником которых является сырье с высоким содержанием крахмала, сахара или целлюлозы.

В экокаминах используют денатурированный этанол. Он образуется в результате ферментации пшеницы, тростникового сахара, свеклы, картофеля и т.п. Этанол также производят путем гидролиза древесины, соломы и других ресурсов с высоким содержанием целлюлозы.

Процесс горения такого практически чистого спирта не сопровождается выделением сажи, дыма и других продуктов.

Изготовление биодизеля

При изготовлении биодизеля чаще всего используются масла различных растительных культур, такие составы обычно используют для работы транспортных средств

Это позволяет сжигать это биотопливо в открытом устройстве, дымоход для него не нужен. Поэтому экокамин – удобное небольшие сооружение – можно установить прямо посреди комнаты. Затем нужно заправить его биотопливом, чтобы наслаждаться теплом и уютом.

Стоит отметить, что чистый этанол горит голубоватым, почти бесцветным пламенем. Оно дает много тепла, но наблюдать за ним неинтересно. Поэтому производители такого топлива вводят в его состав специальные добавки, которые придают пламени приятный желтоватый оттенок.

Помимо самого биоэтанола в состав топлива может входить около 4% воды и небольшое количество добавок, таких как метилэтиклетон и битрекс.

Горение биотоплива

Чтобы горение биотоплива было достаточно ярким, в его состав вводят особые присадки. Есть также добавки для придания пламени приятного запаха

Кроме того, смесь дополняют веществами, придающими ему неприятный горький вкус. Денатурированный этанол опасен для здоровья, если его принимать внутрь. Горькие добавки служат защитой от случайного приема состава, хотя в любом случае необходимо соблюдать правила хранения этого опасного состава.

Технологии получения и применения пиролизного биотоплива

Некоторые виды каминного биотоплива дополнены еще одной полезной составляющей – морской солью. Этот компонент придает горящему составу не только приятный цвет, но и характерное потрескивание.

В биотопливо для экокаминов могут вводить также различные ароматизаторы. Очень популярны составы, дополненные хвойными ароматами. Пользуются популярностью и варианты с запахом морской соли.

Этанол считается нейтральным продуктом по отношению к природе, т.е. его производство, хранение и сжигание не приносит вреда. В процессе горения это вещество разлагается на углекислый газ и воду, но никаких неприятных запахов не выделяет.

При сгорании биотоплива, конечно, образуется некоторое количество продуктов сгорания, но оно незначительное. Прибор, который используется для горения, нужно просто иногда протирать.

Промышленный процесс получения биоэтанола

Промышленный процесс получения биоэтанола состоит из множества этапов, повторить его в домашних условиях будет затруднительно и затратно ( )

Денатурированный этанол изготавливается в виде жидкости или геля. Жидкое биотопливо поставляется в канистрах, его нужно заливать в предусмотренную для этого емкость экокамина. Гель выпускается в банках, которые перед использованием нужно просто открыть, установить в экокамин и поджечь.

Иногда используют одновременно две или три банки биогеля, чтобы получить более красивое пламя. Содержимое одной емкости может гореть около трех часов.

Чтобы погасить пламя, достаточно закрыть крышку на банке. Жидкий биоэтанол разливают в канистры емкостью от одного до двадцати литров. На емкости обычно имеется удобная шкала расхода топлива.

Такие составы промышленного производства поставляются из Бразилии, которая считается лидером в изготовлении этого продукта, а также из стран Европы, Канады, США, ЮАР и т.д. Успешно осваивают эту технологию в Индии и Китае.

Биотопливо в канистрах

Жидкое биотопливо поставляется в пластиковых или стеклянных канистрах объемом от одного литра и больше. Хранить такие емкости следует вдали от тепла и воздействия открытого огня

Выбирая биотопливо для экокамина, нужно обратить внимание на его качество и безопасность. Важный показатель – количество тепла, которое выделяется в процессе сжигания. Качественное топливо обычно снабжено сертификатами, подтверждающими его безопасность и эффективность.

Разные составы дают различное пламя по цвету и резкости. Этот момент также необходимо учесть, особенно если камин будет использован в качестве украшения для интерьера.

Биоэтанол для освещения улицы

Биоэтанол и его аналоги успешно используют для освещения улицы, сада и т.п. Смесь не коптит, при соблюдении правил она полностью безопасна

Этот тип биотоплива успешно применяют для организации уличного освещения. В этом случае следует выбрать состав, который дает самое яркое пламя. Не помешает обратить внимание также на количество продуктов сгорания, оно должно быть минимальным.

Для хранения биотоплива необходимо подобрать место, находящееся вдали от огня и тепла. Для розжига следует использовать специальные металлические зажигалки. Применение обычных спичек бумаги и других подобных материалов может быть опасным.

Дополнительная информация о видах и выборе биотоплива представлена в статьях:

  1. Виды биотоплива: сравнение характеристик твердого, жидкого и газообразного топлива
  2. Как выбрать топливо для биокамина: сравнительный обзор видов топлива разбор популярных марок

Жидкое (моторное) биотопливо

Вещество, получаемое в ходе переработки растительного сырья (кукурузы, рапса, сахарной свёклы, сахарного тростника и др.), отходов деревообработки средствами технологий, в основе которых лежит использование естественных биологических процессов (например, брожения). Основное применение жидкого биотоплива – двигатели. Жидкое биотопливо подразделяется на биоэтанол, биометанол, биобутанол,  диметиловый эфир, биодизель.

Читать далее:  Какой теплый пол выбрать под ламинат лучше электрический или водяной

Биоэтанол – обычный этанол, получаемый в процессе переработки растительного сырья для использования в качестве биотоплива; биотопливный заменитель бензина. Этанол в Бразилии производится преимущественно из сахарного тростника, в США – из кукурузы. Производство этанола из тростника на сегодняшний день экономически более выгодно, чем из кукурузы. Сырьём для производства биоэтанола также могут быть различные сельскохозяйственные культуры с большим содержанием крахмала или сахара: маниок, картофель, сахарная свёкла, батат, сорго, ячмень и т. д. Существует 2 основных способа получения биоэтанола – микробиологический (спиртовое брожение) и синтетический (гидратация этилена). Следствием брожения является раствор, содержащий не более 15% биоэтанола, поскольку в более концентрированных растворах дрожжи обычно гибнут. Полученный таким образом биоэтанол нуждается в очистке и концентрировании, обычно путём дистилляции. В промышленных масштабах этиловый спирт получают из сырья, содержащего целлюлозу (различные отходы сельского и лесного хозяйства – пшеничная солома, рисовая солома, древесные опилки и т. п.), которую предварительно подвергают гидролизу (см. Гидролиз растительных материалов). Смесь, образовавшаяся при этом, подвергают спиртовому брожению. С учётом того, что ежегодно на нашей планете образуется ок. 200 млрд. т растительной целлюлозосодержащей биомассы, биосинтез целлюлозы – самый крупномасштабный синтез в настоящем и будущем. Глобальное производство этанола на 2009 составило 73,9 млрд. литров, в 2010 – 85,9 млрд. литров (на 16,2% больше, чем в 2009). В 2014 производство этанола (91,4 млрд. литров) заместило потребность, эквивалентную 430 млн. баррелей нефти. Мировым лидером в области производства биоэтанола (2014) являются США – 53,2 млрд. литров (14 млрд. галлонов).

Биометанол – обычный метанол, первый представитель гомологического ряда одноатомных спиртов, который используется в качестве биотоплива. Промышленное культивирование и биотехнологическая конверсия морского фитопланктона рассматривается как одно из наиболее перспективных направлений в области получения биотоплива. Производство биомассы для получения биометанола осуществляется путём обработки фитопланктона в специально созданных водоёмах на морском побережье. Вторичные процессы представляют собой метановое брожение биомассы и последующее гидроксилирование метана с получением метанола. Основными доводами в пользу использования микроскопических водорослей являются: высокая продуктивность фитопланктона (до 100 т/га в год); в производстве не используются плодородные почвы, пресная вода; процесс не конкурирует с сельскохозяйственным производством и др. Метанол может использоваться как в классических двигателях внутреннего сгорания, так и в специальных топливных элементах для получения электричества. Достоинства биометанола: низкий объём выбросов углекислого газа; возможность организовать переработку (рециклинг) отходов животноводства и сельского хозяйства. Недостатки: низкий энергетический кпд (максимум 68%); бесцветное пламя, что может привести к аварийным ситуациям; срок окупаемости проекта (до 20 лет); метанол травит алюминий (проблемным становится использование алюминиевых карбюраторов и инжекторных систем подачи топлива в двигателях внутреннего сгорания). На долю транспортных средств приходится 20% совокупного потребления метилового спирта (как в чистом виде, так и в виде его производных). Помимо применения метанола в качестве альтернативы бензина, существует технология применения метанола для создания на его базе угольной суспензии, которая в США имеет коммерческое наименование «метакол» (methacoal). Такое топливо предлагается как альтернатива мазута, широко используемого для отопления зданий (топочный мазут). Такая суспензия, в отличие от водоуглеродного топлива, не требует специальных котлов и имеет более высокую энергоёмкость.

Биобутанол (бутиловый спирт, бутанол) – бесцветная жидкость, получаемая из растительного сырья, с характерным запахом сивушного масла. Энергия бутанола близка к энергии бензина. Бутанол может использоваться в топливе и также как сырьё для производства водорода. Сырьём для производства биобутанола могут быть сахарный тростник, маниока, свёкла, а в будущем и целлюлоза. В 1950-х гг. бутанол производили из нефтепродуктов. Бутанол, произведённый из биомассы, принято называть биобутанолом, хотя он имеет абсолютно те же характеристики, что и бутанол, полученный из нефти (химического сырья). Бутанол применяют как растворитель в лакокрасочной промышленности, в производстве смол и пластификаторов, в синтезе многих органических соединений, в качестве компонента к традиционным топливам или как самостоятельное топливо для транспортных средств. Но прежде всего его используют в качестве промышленного растворителя.

Диметиловый эфир – топливо, производимое из природного газа, угля, отходов целлюлозно-бумажного производства; экологически чистый продукт. Диметиловый эфир применяют очень широко, так как его использование не требует каких-то специальных очисток, но необходима переделка систем питания и зажигания двигателя внутреннего сгорания (например, возможно применение этого биотоплива на автомобилях с LPG-двигателями). Автомобили с двигателями, работающими на диметиловом эфире, разрабатывают КАМАЗ, «Volvo»«Nissan» и китайская компания «SAIC Motor».

Биодизель – биотопливо на основе растительных или животных жиров (масел), а также продуктов их этерификации (моноалкиловые эфиры жирных кислот). Сырьём для производства биодизеля служат жирные, реже – эфирные масла различных растений или водорослей: в Европе – рапс; США – соя; Канаде – канола (разновидность рапса); в Индонезии, на Филиппинах – пальмовое и кокосовое масло; в Индии – ятрофа; Африке – соя, ятрофа; Бразилии – касторовое масло. Также применяются отработанное растительное масло, животные жиры, рыбий жир и т. п.

В России (Северо-Кавказский научно-исследовательский институт механизации и электрификации сельского хозяйства, СКНИИМЭСХ) разработана технология и модульная установка «БИОДОН-1М» для производства жидкого биотоплива из растительных масел непищевого назначения с высоким значением кислотного числа (8–13 мг КОН/г). Оборудование, необходимое для выполнения технологического процесса получения биодизеля из растительных масел, размещается в стандартном 20-футовом контейнере, оборудованном приточно-вытяжной вентиляцией. Благодаря этому, установка легко транспортируется. Для монтажа и запуска установки в работу необходимы ровная площадка, подвод воды и трёхфазного тока напряжением 380 В. Установка состоит из реактора, промывочной ёмкости, ёмкости для приготовления катализатора, узла смешивания, конденсатора для охлаждения паров метанола, системы трубопроводов, шкафа управления. Реактор служит для получения из растительного масла метилового эфира жирных кислот (биодизеля) и технического глицерина методом этерификации. Затем биодизель-сырец перекачивают в промывочную ёмкость, где происходит его отмывка от омылённого продукта. Далее готовый биодизель поступает в накопительную ёмкость.

Установка позволяет перерабатывать растительные масла с последующим использованием в качестве самостоятельного топлива, а также в качестве добавки к дизельному топливу нефтяного происхождения автономно, непосредственно в условиях различных сельхозпредприятий. Для получения жидкого биотоплива в качестве исходного компонента могут быть использованы рапсовое, подсолнечное, льняное, горчичное и др. растительные масла с кислотным числом для 13 мг КОН/г. При максимальном значении кислотного числа 13 мг КОН/г растительного масла получение биотоплива, соответствующего ГОСТ Р 53605-2009, на установке «БИОДОН-1М» с применением непрерывного способа дозирования компонентов обеспечивается с предварительным подогревом масла до 50о C. Для получения биотоплива из растительных масел с кислотным числом до 8,6 мг КОН/г предварительный нагрев растительных масел не требуется. Также разработана технология углекислой промывки для нейтрализации остатков катализатора КОН при производстве жидкого биотоплива, которая исключает возможность попадания воды в готовое биотопливо, что обеспечивает его гарантированно высокое качество для работы с двигателями внутреннего сгорания. Установка не имеет отечественных аналогов и существенно отличается от малогабаритных зарубежных установок (компоновкой, новыми техническими решениями, как-то: использованием различных видов исходного сырья, применением гидродинамического смесителя и вакуумного дозатора непрерывного действия, углекислотной промывки готового продукта и др.).

Читать далее:  Биотопливо своими руками в домашних условиях, учимся делать биогаз и биодизель

Наиболее перспективным источником сырья для производства биодизеля являются водоросли. По оценкам экспертов, с одного акра (4047 м2 ~ 0,4 га) земли можно получить 255 литров соевого масла или 2400 литров пальмового масла. С такой же площади водной поверхности можно производить до 3570 баррелей бионефти (1 баррель = 159 литров). Основные преимущества: биодизель характеризуется хорошими смазочными свойствами, что продлевает срок жизни двигателя (это вызвано его химическим составом и содержанием в нём кислорода); при работе двигателя на биодизеле одновременно производится смазка его подвижных частей, в результате которой, как показывают испытания, достигается увеличение срока службы самого двигателя и топливного насоса в среднем на 60% (например, грузовик из Германии попал в Книгу рекордов Гиннесса, проехав более 1,25 млн. километров на биодизельном топливе со своим оригинальным двигателем); нет необходимости модернизировать двигатель; биодизель при попадании в почву не причиняет вреда растениям и животным, подвергается практически полному биологическому распаду (в почве или в воде микроорганизмы за 28 дней перерабатывают 99% биодизеля, что позволяет говорить о минимизации загрязнения окружающей среды); в сравнении с обычным дизельным топливом почти не содержит серы; температура вспышки для биодизеля превышает 100 °С, что позволяет считать биотопливо относительно безопасным веществом; производство биодизеля способствует вводу в оборот низкокачественных неиспользуемых сельскохозяйственных земель; полученный в ходе производства биодизеля жмых можно использовать в качестве компонентов корма для скота, что позволяет наиболее полно использовать сырьевую биомассу. Основной недостаток: в холодное время года необходимо подогревать топливо, идущее из топливного бака в топливный насос, или применять смеси 20% биодизеля и 80% минерального дизельного топлива; хранить технику, заправленную биодизелем более 3 месяцев, не рекомендуется – он склонен к окислению и чувствителен к воде, конденсирующейся на стенках топливных баков. Кроме того, недостатком биодизеля для климатических условий России является то, что он по своим физико-химическим свойствам соответствует летнему дизельному топливу.

Полезная информация по экокаминам

Устройство представляет собой укрупненный вариант обычной спиртовки с эффектным дизайном. Здесь имеется емкость для загрузки горючего вещества, а также заслонка, чтобы регулировать интенсивность пламени. Для оформления экокамина используют керамические элементы, металлические детали и жаростойкое стекло.

Экокамин в работе

Биоэтанол горит без копоти и сажи, поэтому экокаминам не нужны дымоходные конструкции, это упрощает их эксплуатацию и придает им мобильность

Стеклянные панели не только украшают такое устройство, но и служат для защиты от жара. Не все устройства имеют такую защиту, но стеклянные экраны различных модификаций продаются отдельно.

Имеет смысл приобрести защитный элемент, особенно если предполагается использовать мобильную модель, которую будут устанавливать в разных местах. Часто такой камин декорируют искусственными дровами, чтобы придать конструкции традиционный вид, но это не единственный вариант.

Экокамины бывают напольными, настольными, настенными и даже настольными, они различаются по размерам, но работают одинаково.

Топливо для экокамина

Нельзя добавлять топливо в экокамин во время его работы. Если биоэтанол был пролит, загрязненную поверхность следует сразу же очистить

image description

Такие устройства можно использовать для обогрева помещения или в качестве интерьерного украшения. Прибор не нуждается в проводах, поэтому его можно легко переместить. Например, прохладным летним вечером экокамин можно установить на открытой веранде. Существуют устройства самой разной формы.

Интересным вариантом для стильного кабинета может стать миниатюрная модель, камеру которой встраивают в столешницу, над поверхностью выступает только крышка. Есть интересные варианты в виде корзины, вытянутого цилиндра и т.п.

Поскольку для экокамина, в котором сжигают такое биотопливо, не нужно оборудовать систему отведения продуктов горения, тепло, полученное во время сгорания, не теряется на обогрев дополнительных конструкций.

Самодельный экокамин

Принципиальная конструкция экокамина почти не отличается от обычной спиртовки, поэтому такой прибор не сложно изготовить своими руками

Поэтому считается, что КПД такого устройства составляет около 95%, довольно высокий показатель для любой системы. Для работы обычного экокамина в течение часа обычно достаточно половины литра биоэтанола. При этом из литра топлива можно получить 6-7 кВт/ч энергии.

Считается, что стандартный экокамин может успешно заменить электрический обогреватель около трех киловатт.

Настенные модели экокаминов

Настенные модели экокаминов могут имитировать традиционные устройства, они разнообразны и предоставляют много вариантов для дизайна интерьера квартиры или офиса

Преимущество применения биокамина по сравнению с другими обогревателями состоит в том, что этот прибор несколько повышает влажность воздуха в помещении. Практически любой традиционный способ обогрева напротив, удаляет влагу, что может плохо отразиться на здоровье людей.

И экокамин, и биоэтанол очень просты в применении, а это топливо не опаснее других горючих веществ, используемых в быту. Горение биоэтанола можно регулировать, если в конструкции экокаминов предусмотрена такая возможность.

Устройство может давать больше или меньше тепла и света, соответственно, будет изменяться и время расходования топлива.

Имеются у этого способа отопления и некоторые недостатки. Например, при всем удобстве использования биоэтанол нельзя доливать в емкость камина. Нужно не только дождаться, чтобы состав прогорел, но и дать устройству остыть. Этот момент придется учитывать, планируя время использования камина.

Хотя камины для биоэтанола и не нуждаются в дымоходе, все же нельзя использовать такие устройства бесконтрольно.

Стеклянный экран для экокамина

Открытое пламя всегда представляет опасность возгорания, поэтому его лучше скрыть за экраном из жаростойкого стекла. Такой элемент можно купить отдельно

Помещение, которое обогревается таким образом, нужно регулярно проветривать, чтобы уравновесить количество кислорода и углекислого газа. Если в процессе заправки камина было пролито немного топлива, его нужно немедленно стереть, даже если речь идет о паре капель горючего вещества.

Читать далее:  Как клеить плинтусы на потолок в углах

Для этого под рукой лучше держать ветошь с хорошими впитывающими свойствами. Для розжига допускается использовать особые длинные спички, но чаще применяют длинные металлические зажигалки. Некоторые камины на биотопливе снабжены функцией электророзжига, что очень удобно, но повышает стоимость модели.

Самостоятельно сделать состав этого типа не сложно. Для этого можно просто купить чистый спирт, например, в аптеке. Если залить его в чистом виде, пламя будет практически бесцветным. Чтобы придать ему желтую окраску, нужно добавить к спирту немного бензина.

Технологии получения и применения пиролизного биотоплива

Пропорция составляет примерно 20:1 или 20:2, т.е. на один литр спирта нужно взять 50-100 мл бензина.

Самодельное топливо для экокамина

Самодельное топливо для экокамина можно сделать из аптечного спирта или очищенного крепкого самогона. Чтобы пламя было красивым, добавляют немного бензина

Вместо спирта некоторые используют самогон, но он должен быть очень хорошо очищен. Смешивание спирта с бензином нужно выполнять непосредственно перед заливкой состава в камин.

Длительное хранение смеси бесполезно и опасно, поскольку в спокойном состоянии элементы распадаются на отдельные жидкости. Перемешивать компоненты следует очень тщательно.

Самодельное экотопливо может гореть с характерным запахом спирта, что доставляет неприятные ощущения. Чтобы исправить ситуацию, можно добавить в камин (но не в состав) несколько капель эфирного масла с приятным запахом. Обычно для этого подходят ароматы хвои, которые создают иллюзию горения настоящих дров.

Такую же смесь можно использовать для керосиновых ламп, вместо керосина. Состав не дает копоти и пахнет гораздо лучше, чем керосин.

Биотопливо – довольно широкое понятие. Вариант состава подбирают в зависимости от того, какой тип камина предполагается использовать. Но это всегда горючее вещество, при использовании которого следует четко придерживаться требований безопасности.

Изготовление биодизеля

Рассмотреть варианты использования биотоплива следует хотя бы потому, что оно производится из возобновляемых ресурсов.

Твёрдое биотопливо

Самый распространённый представитель вида – дрова. В настоящее время для производства дров или биомассы используются энергетические леса – быстрорастущих пород древесины, кустарников и трав (ива, тополь, эвкалипт, акация, сахарный тростник, кукуруза и др.). Посадку производят квадратно-гнездовым способом или в шахматном порядке. В междурядьях из деревьев часто высаживают сельскохозяйственные культуры (так называемые комбинированные посадки). Период ротации энергетического леса (от срезания до срезания) составляет 4–6 лет. В ряде стран, таких как Италия, Германия, Аргентина, Польша и др., широко практикуется создание специальных плантаций быстрорастущих пород древесины тополя и ивы. В Северной Индии посадки быстрорастущего тополя и эвкалипта занимают примерно от 50 до 60 тыс. га. Ежегодно на таких плантациях заготавливается ок. 3,7 млн. тонн древесины. Щепа и другие виды древесных отходов, топливные гранулы и брикеты и прочие виды биомассы могут представлять собой высокоэффективное, экологически чистое, возобновляемое и экономичное топливо.

Топливные гранулы – прессованные изделия из древесных отходов (опилок, щепы, коры, тонкомерной и некондиционной древесины, порубочные остатки при лесозаготовках), соломы, отходов сельского хозяйства (лузги подсолнечника, ореховой скорлупы, навоза, куриного помёта) и другой биомассы. Древесные топливные гранулы называются пеллеты, они имеют форму цилиндрических или сферических гранул диаметром 8–23 мм и длиной 10–30 мм. В настоящее время в России производство топливных гранул и брикетов экономически выгодно только при больших объёмах.

Технологический  процесс производства гранул. Сырьё (опилки, кора и т. д.) поступает в дробилку, где измельчается до состояния муки. Полученная масса поступает в сушилку, из неё – в пресс-гранулятор, где древесную муку сжимают в гранулы. Сжатие во время прессовки повышает температуру материала, лигнин, содержащийся в древесине, размягчается и склеивает частицы в плотные цилиндрики. На производство одной тонны гранул уходит 4–5 м3 древесных отходов. Готовые гранулы охлаждают, пакуют в стандартную упаковку 12–40 кг или доставляют приобретателю россыпью. Гранулы менее подвержены самовоспламенению, так как не содержат пыли и спор, которые также могут вызывать аллергическую реакцию у людей. Отличаются от обычной древесины высокой сухостью (8–12% влаги против 30–50% в дровах) и большей (примерно в полтора раза) плотностью. Эти качества обеспечивают высокую теплотворную способность по сравнению со щепой или дровами (при сгорании тонны гранул выделяется приблизительно 5 тыс. кВт·ч тепла, что в полтора раза больше, чем у обычных дров). Топливные гранулы – экологически чистое топливо с содержанием золы не более 3%.

Топливные брикеты – высушенные и брикетированные энергоносители биологического происхождения (различных отходов деревообработки, торфа, отходов сельского хозяйства и др.), экологически чистый материал, с высокой теплоотдачей. Используется как топливо, как заготовка при выработке древесного угля или кокса. В основе технологии производства топливных брикетов лежит процесс прессования шнеком отходов (шелухи подсолнечника, гречихи и т. п.) и мелко измельчённых отходов древесины (опилок) под высоким давлением при нагревании от 250 до 350 °C. Получаемые топливные брикеты не включают в себя никаких связующих веществ, кроме одного натурального – лигнина, содержащегося в клетках растительных отходов. Температура, присутствующая при прессовании, способствует оплавлению поверхности брикетов, которая благодаря этому становится более прочной, что немаловажно для транспортировки брикета. Различают 3 основных типа брикетов: прямоугольные, 4- или 6-гранные брикеты (за счёт термической обработки имеют характерный чёрный или тёмно-коричневый цвет наружной поверхности). Брикеты отличаются стойкостью к механическим повреждениям, высокой влагостойкостью и калорийностью, длительным временем горения.

Биоуголь обычно получают в процессе нагревания древесины, стеблей растений или других органических материалов без доступа кислорода. Наиболее распространённый способ получения биоугля – пиролиз. В последние годы возрастает интерес к применению технологии отжига биомассы (торрефакция), которая позволяет получать биотопливные гранулы с высоким объёмным теплосодержанием. В США такая технология была применена впервые в 2008 компанией «Integro Earth Fuels».

Навоз  вид твёрдого биотоплива животного производства. Благодаря сбраживанию определённых бактерий с навозом и сушке, получают товар горения, который прессуется в блоки и используется как топливо для тепловых электростанций. Высушенный навоз – кизяк (название происходит от тюркского, казахского тезек) использовался и иногда используется теперь в качестве топлива (например, для сжигания в печи у тюркских народов для обогрева или приготовления пищи), а также для построения жилищ.

Категории и виды биотоплив

В мировой практике существуют два совершенно разных подхода к выбору конкретного вида биотопливного сырья. В то время как первый из них предусматривает подбор аналогов, способных заменить ископаемое углеводородное сырье в тех или иных применениях, в основу второго положена задача поиска энергетического применения углеродсодержащим отходам. До настоящего времени не разработаны универсальные технологии, оптимально сочетающие оба принципа.

В таблице 2.1 представлены характеристики основных технологий энергетического использования биотопливного сырья. Все виды биотоплива можно условно разделить на две категории качества. В первую категорию выделены биотоплива, пригодные для применения в двигателях внутреннего сгорания (ДВС), т. е. биотоплива «моторного качества».

Основные технологии получения биотоплива
Таблица 2.1
Основные технологии получения биотоплива

К биотопливам второй группы относятся продукты переработки органического сырья, которые не могут заменять моторные топлива, но по своим характеристикам соответствуют требованиям, предъявляемым к котельному и печному топливу. При необходимости, биотоплива первой категории могут использоваться в тепловых установках вместо котельного или печного горючего, хотя это и не целесообразно с экономической точки зрения.

Биотоплива второй группы могут находиться в любом из трех возможных исходных агрегатных состояний (твердое, жидкое, газообразное), в то время как моторные биотоплива, в силу специфики принципа работы ДВС, могут быть только в жидком или газообразном состоянии. Это объясняется тем, что перед подачей в камеру сгорания ДВС топливо распыляется и смешивается с воздухом, образуя топливовоздушную смесь, способную воспламениться и практически полностью окислиться за очень короткое время соответствующего такта рабочего цикла.

Подавляющее большинство ДВС для современного автотранспорта автомобилей рассчитано на использование жидкого (бензинового или дизельного) топлива. Поэтому развитие биотопливной энергетики происходит по пути поиска аналогов бензина и дизельного топлива, произведенных с использованием возобновляемого органического сырья.

Значительно реже применяется природный или сжиженный газ. В этом случае осуществляют доработку двигателя в заводских условиях или на специальных станциях технического обслуживания. Такие двигатели могут работать как на биогазе, так и на пиролизном газе после соответствующей очистки от нежелательных примесей.

Биотопливными аналогами бензина и дизельного топлива являются, соответственно, спирт (биоэтанол, биопропанол) и биодизельное топливо, в качестве базового компонента которого используют метиловые эфиры жирных кислот (МЭЖК). В чистом виде спирты и МЭЖК обычно не применяют, а добавляют их, соответственно, к бензину или обычному дизельному топливу в разных нормируемых стандартами количествах.

Как следует из данных, приведенных в таблице 2.1, в технологиях приготовления жидких биотоплив моторного качества либо используется дорогое сельскохозяйственное сырье традиционно пищевого назначения, либо эти технологии предполагают применение сложного производственного цикла, как это имеет место в случае получения гидролизного биоэтанола из лигноцеллюлозы, или синтетических биотоплив из газообразных продуктов ее пиролиза.

Процессы, применяемые в технологиях производства различных видов биотоплива, можно условно разделить на две группы: «неглубокая» и «глубокая» переработка.

Неглубокая переработка включает в себя механические и тепловые низкотемпературные процессы, не приводящие к заметным изменениям химического состава компонентов органического сырья. Обычно она применяется при производстве печного топлива, предназначенного для прямого сжигания в твердом виде. К таким топливам относятся, в частности, топливная щепа, топливные гранулы (пеллеты) и брикеты (торфяные брикеты, «евродрова»).

Целью такой переработки является приведение основных физико-химических свойств биотоплива (размеры, влажность, калорийность и т. п.) в соответствие с требованиями существующих стандартов. Наиболее энергозатратной стадией такой обработки является удаление влаги. Тем не менее, такие затраты оказываются оправданными, поскольку конечный энергетический продукт обладает более высокими потребительскими свойствами по сравнению с исходным сырьем, и его производство оправдано даже при транспортировке на значительные расстояния для реализации на внешних рынках.

Эти виды печного биотоплива обладают строго нормированными физико-химическими параметрами, что обеспечивает стабильность и горения и возможность автоматизированного дистанционного контроля в процессе сжигания. В настоящее время на рынке широко представлены котлы с микропроцессорным управлением для муниципального и индивидуального теплоснабжения, работающие на топливных брикетах в автономном цикле. Такие котлы способны в течение достаточно продолжительного времени поддерживать заданный температурный режим в помещениях в отсутствии оператора.

Глубокая переработка биотопливного сырья предусматривает конверсию исходного органического сырья в продукты, существенно отличающиеся от него по своему компонентному и химическому составу. Для этого могут быть использованы любые факторы внешнего воздействия, вызывающие физикохимические процессы, приводящие к изменению химического состава и агрегатного состояния продуктов переработки исходного биотопливного сырья.

Пиролиз

Пиролизом называется термическое воздействие на исходное органическое сырье в безвоздушной среде. В результате нагрева при температуре выше 300 °С высокомолекулярные компоненты разлагаются с образованием парогазовой смеси, состоящей из соединений, молекулярные массы которых находятся в очень широком диапазоне.

После охлаждения наиболее легкие фракции продуктов разложения, такие как водород, окислы углерода азота и серы, низшие углеводороды и т. п., остаются в газообразном состоянии. Более тяжелые соединения конденсируются, образуя жидкую фракцию, известную под названиями «пиролизная жидкость», «бионефть».

Пиролизная жидкость состоит из большого числа разнородных компонентов, в силу чего является нестабильной, и со временем деградирует и расслаивается. Такой продукт не может использоваться в качестве моторного топлива, но может найти применение в качестве компонента печного или котельного биотоплива.

image description

Максимальная рабочая температура в реакторе ограничена термохимической стойкостью материалов, из которых он изготовлен, и обычно не превышает 1000 °С. Даже при этой температуре не удается полностью перевести исходное сырье в низкомолекулярные соединения. Поэтому определенная часть общей массы продуктов пиролиза остается в твердом состоянии.

Массовые соотношения газообразного, жидкого и твердого продуктов пиролиза в значительной степени зависят от технологических условий. Этот факт используется на практике в целях достижения максимально возможного выхода требуемого продукта. Так при производстве древесного угля процесс пиролиза проводят при относительно низких температурах (300-400 °С) в течение достаточно продолжительного времени (несколько часов).

В целях получения пиролизной жидкости обработку проводят при средних температурах (500-600 °С). При этом обеспечивают условия для максимально быстрого вывода парогазовой смеси из горячей зоны в конденсатор, чтобы минимизировать эффект дальнейшего разложения первичных продуктов с образованием неконденсирующихся компонентов.

Переэтерификация

Переэтерификацию в биотопливной индустрии применяют при переработке растительного масла в метиловый эфир жирных кислот (МЭЖК), применяемый в качестве заменителя дизельного топлива. В ходе этого процесса остатки жирных кислот отщепляются от связывающего их глицерольного стержня и присоединяют к себе радикалы спирта.

Продуктом реакции переэтерификации является смесь метиловых эфиров различных жирных кислот, состав которой определяется выбором конкретного вида растительного масла. В серийных дизельных двигателях применение МЭЖК в чистом виде не предусмотрено. Как правило, их добавляют в стандартное дизельное топливо в количестве от 5 до 15-20 %.

Биоэтанол (биобутанол) является альтернативным видом моторного топлива для бензиновых двигателей. При производстве топливного биоэтанола применяют традиционную технологию анаэробного (т. е. без доступа воздуха) сбраживания сахаров. Под действием ферментов, производимых специальными микрокультурами (дрожжами), сахара разлагаются с выделением метилового спирта и углекислого газа.

(Чтобы получить биоэтанол, используют другие штаммы микроорганизмов, в результате жизнедеятельности которых образуется не этиловый, а бутиловый спирт.) Так же как и в случае МЭЖК, биоэтанол в чистом виде применяется только на доработанных двигателях внутреннего сгорания. В обычных ДВС производителями разрешается использовать только этанольно-бензиновые смеси с относительно небольшим (10-15 %) содержанием спирта.

Кислотный гидролиз

Сырьём для производства биогаза могут служить навоз, птичий помёт, зерновая и мелассная послеспиртовая барда, пивная дробина, свекольный жом, фекальные осадки, отходы рыбного и забойного цеха (кровь, жир, кишки, каныга), трава, бытовые отходы, отходы молокозаводов (солёная и сладкая молочная сыворотка), отходы производства биодизеля (технический глицерин от производства биодизеля из рапса), отходы от производства соков (жом фруктовый, ягодный, овощной, виноградная выжимка, водоросли), отходы производства крахмала и патоки (мезга и сироп), отходы переработки картофеля, производства чипсов (очистки, шкурки, гнилые клубни, кофейная пульпа). Кроме этого, биогаз можно производить из специально выращенных энергетических культур, например из силосной кукурузы или сильфия, а также из водорослей.

Свалочный газ – одна из разновидностей биогаза. Получается на свалках из муниципальных бытовых отходов, что позволяет эффективно решить проблему замусоренности крупных городов и существенно улучшить экологическую обстановку.

Одной из главных задач биогазовых станций (помимо получения электрической и тепловой энергии) является переработка отходов, получение удобрений, улучшение экологической обстановки окружающей среды. Технология производства биогаза (метанового брожения) осуществляется в аппарате (метантенк), включающем загрузчик сырья, реактор, мешалки, газгольдер, систему смешивания воды, систему отопления, газовую систему, насосную станцию, сепаратор, приборы контроля. Биомасса (отходы или зелёная масса) периодически подаётся с помощью насосной станции или загрузчика в реактор. Реактор представляет собой подогреваемый и утеплённый резервуар (железобетон или сталь с покрытием), оборудованный мешалками. В реакторе живут полезные бактерии, питающиеся биомассой. Для поддержания жизни бактерий требуется подача корма, подогрев до 35–38 °С и периодическое перемешивание. Образующийся биогаз скапливается в хранилище (газгольдере), затем проходит систему очистки и подаётся к потребителям (котёл или электрогенератор). Реактор работает без доступа воздуха, герметичен и неопасен. Для сбраживания некоторых видов сырья в чистом виде требуется особая технология, например переработка по одностадийной технологии без химических добавок, но при коферментации (смешивании) с другими видами сырья, например с навозом или силосом.

Состав и качество биогаза: 50–87% метана, 13–50% CO2, незначительные примеси H2 и H2S. После очистки биогаза от СО2 получается биометан – полный аналог природного газа, отличие только в происхождении. Выход биогаза зависит от содержания сухого вещества и вида используемого сырья. Из тонны навоза крупного рогатого скота получается 50–65 м³ биогаза с содержанием метана 60%, из различных видов растений 150–500 м3 биогаза с содержанием метана до 70%. Максимальное количество биогаза можно получить из жира – 1300 м³ с содержанием метана до 87%. Основная задача биогазовых станций – переработка отходов, получение удобрений, улучшение экологической обстановки окружающей среды и только потом  получение электрической и тепловой энергии.

Биогаз используют в качестве топлива для производства электричества, тепла или пара или в качестве автомобильного топлива (например, фирмы «Volvo» и «Scania» производят автобусы с двигателями, работающими на биогазе). Биогазовые установки могут устанавливаться как очистные сооружения на фермах, птицефабриках, спиртовых заводах, сахарных заводах, мясокомбинатах. Биогазовая установка может заменить ветеринарно-санитарный завод, т. е. падаль может утилизироваться в биогаз вместо производства мясокостной муки. Среди промышленно развитых стран ведущее место в производстве и использовании биогаза по относительным показателям принадлежит Дании (до 18% в её общем энергобалансе). По абсолютным показателям по количеству средних и крупных установок ведущее место занимает Германия (8000 тыс. штук). В Западной Европе не менее половины всех птицеферм отапливаются биогазом. В Индии, Вьетнаме, Непале и других странах строят малые (односемейные) биогазовые установки. Получаемый в них газ используется для приготовления пищи. Китай на сегодняшний день является мировым лидером по внедрению технологии производства биогаза. Суммарный выпуск биогаза в стране составляет 14 млрд. м3/год. По мнению экспертов, при сохранении текущих темпов роста биогазовой индустрии (а это практически ежегодное удвоение рынка) Китай выйдет в мировые лидеры по производству биогаза уже к 2020 году.

Биоводород – водород, полученный из биомассы термохимическим, биохимическим или другим способом. При термохимическом методе биомассу нагревают без доступа кислорода до температуры 500–800о C (для отходов древесины), что намного ниже температуры процесса газификации угля. В результате процесса выделяется H2, CO и CH4. Биоводород можно получать термомеханическим способом из отходов древесины, однако себестоимость данного метода пока слишком высока. В биохимическом процессе водород вырабатывают различные бактерии, например Rhodobacter sphaeroides, Enterobacter cloacae. Возможно применение различных ферментов или энзимов [от лат. fermentum – закваска; обычно белковые молекулы или их комплексы, ускоряющие (катализирующие) химические реакции в живых системах] для ускорения производства водорода из полисахаридов (крахмал, целлюлоза), содержащихся в биомассе. Процесс проходит при температуре 30 °C и нормальном давлении. Водород может производить группа зелёных водорослей, например Chlamydomonas reinhardtii. Водоросли могут производить водород из морской воды или канализационных стоков.

Разрабатывается проект получения биоводорода микробиологическим путём с использованием принципов, аналогичных тем, которые используются для получения биогаза. Методом бутилового брожения сахарозы или крахмала с 1 т мелассы можно получить до 140 м3 водорода, 1 т стеблей сладкого сорго – 50 м3, 1 т картофеля  42 м3.

Применение водорода на транспорте и в энергетике в настоящее время обусловлено отсутствием развитой инфраструктуры, ограничиваясь созданием концептуальных моделей водородных автомобилей и техники, работающей на топливных водородных элементах. Усложняют возможность использования водорода в качестве топлива и проблемы безопасности: водород может создавать с воздухом взрывоопасную смесь – гремучий газ; сжиженный водород обладает исключительными проникающими свойствами, требуя применения особых материалов.

Синтез газ (сигаз) – смесь газов, главными компонентами которой являются СО и Н2; используется для синтеза разных химических соединений.  В настоящее время синтез-газ производят конверсией природного газа либо нефтепродуктов (от лёгкого бензина – нафты до нефтяных остатков) и лишь в небольших масштабах химической переработкой древесины, а также газификацией углей. В зависимости от применяемого сырья и вида конверсии (водяным паром или нестехиометрическим количеством О2) соотношение компонентов в газовой смеси изменяется в широких пределах. Синтез-газ получают также наряду с целевым продуктом ацетиленом при окислительном пиролизе природного газа.

Движущими факторами для распространения биотоплива являются угрозы, связанные с энергетической безопасностью, изменением климата и экономическим спадом. Распространение производства биотоплива по всему миру нацелено на увеличение доли потребления экологически чистого топлива, особенно на транспорте; снижение зависимости от импортируемой нефти для многих стран; снижение выбросов парниковых газов; развитие экономики. Биотопливо является альтернативой традиционным видам топлива, получаемым из нефти. Мировыми центрами производства биотоплива в 2014 являются США, Бразилия и Европейский Союз. Самый распространённый вид биотоплива – биоэтанол, его доля составляет 82% всего производимого в мире топлива из биологического сырья. Ведущими его производителями являются США и Бразилия. На 2-м месте находится биодизель. В Европейском Союзе сосредоточено 49% производства биодизеля. В долгосрочной перспективе постоянно растущий спрос на биотопливо со стороны наземного, воздушного и морского транспорта может сильно изменить сложившуюся ситуацию на мировом рынке энергоносителей. Использование сельскохозяйственного сырья для производства жидкого биотоплива и рост объёмов его производства обусловили спрос на сельскохозяйственную продукцию, что повлияло на цены продовольственных культур, используемых при производстве биотоплива. Объём производства биотоплива второго поколения продолжает расти, и к 2017 мировое производство биотоплива второго поколения должно составить 10 млрд. литров. Мировое производство биотоплива к 2017 должно увеличиться на 25% и составить ок. 140 млрд. литров. В Европейском Союзе основная часть производства биотоплива приходится на биодизель, производимый из семян масличных культур (рапса). По прогнозам, в странах Евросоюза будет расширяться производство биоэтанола из пшеницы и кукурузы, а также сахарной свёклы. В Бразилии, как ожидается, производство биоэтанола будет продолжать расти ускоренными темпами и достигнет к 2017 примерно 41 млрд. литров. В целом производство биоэтанола и биодизеля, согласно прогнозу, к 2017 будет возрастать быстрыми темпами и составит 125 и 25 млрд. литров соответственно. Начался быстрый рост производства биотоплива в Азии. По данным на 2014, Китай находится на третьем месте по производству биоэтанола, и ожидается, что это производство будет расти в течение следующих десяти лет более чем на 4% в год. В Индии производство биоэтанола из мелассы, согласно прогнозам, будет увеличиваться более чем на 7% в год. При этом расширяется производство биодизеля из новых культур, таких как ятрофа.

По прогнозам Мирового энергетического агентства (МЭА), нехватка нефти в 2025 будет оцениваться в 14%. По данным МЭА, если даже общий объём производства биотоплива (в том числе биоэтанола и биодизеля) к 2021 составит 220 млрд. литров, то его производство покроет лишь 7% мировой потребности в топливе. Темпы роста производства биотоплива намного отстают от темпов роста потребности в них. Происходит это из-за наличия дешёвого сырья и недостаточного финансирования. Массовое коммерческое использование биотоплива будет определяться достижением ценового равновесия с традиционными видами топлива, получаемыми из нефти. По прогнозам учёных, доля возобновляемых источников энергии к 2040 достигнет 47,7%, а биомассы – 23,8%.

При существующем уровне развития технологий производство биотоплива будет составлять небольшую часть глобальных поставок энергии, цены на энергию будут оказывать влияние на стоимость сельскохозяйственного сырья. Биотопливо может по-разному воздействовать на продовольственную безопасность – рост цен на сырьевые товары, обусловленный производством биотоплива, может нанести ущерб импортёрам продовольствия, с другой стороны, стимулировать внутреннее сельскохозяйственное производство мелкими фермерскими хозяйствами.

Как производят биогаз

Эта разновидность топлива существенно отличается от описанного выше биоэтанола по составу, способу производства и применения. При желании такое горючее вещество можно изготавливать на собственном участке. Для экокамина этот газ не подойдет, но его вполне успешно применяют для обычных каминов, оборудованных специальными горелками.

Установка для изготовления биогаза

Установка для изготовления биогаза – это герметичную емкость, в которую загружается сырье, преобразующееся в горючую смесь для обогрева жилья или подсобных помещений

Через них в топочную камеру поступает не только биогаз, но и дополнительный поток кислорода. Так можно обеспечить эффективное горение биотоплива. Камин, предназначенный для использования биогаза, должен иметь дымоход. Это позволяет использовать его не только для сжигания газа, но и для более традиционных видов топлива: дров, угля и т.п.

Если же в доме уже имеется камин, переоборудовать его под биогаз будет не особенно сложно. При наличии достаточного количества дров можно сделать древесный уголь самостоятельно, чтобы немного сэкономить. Можно произвести биогаз из навоза.

Его обязательно смешивают с продуктами растительного происхождения: соломой, торфом, листьями деревьев, ботвой овощных культур, опилками и т.п. Такую смесь помещают в плотно закрытую емкость, где она бродит под воздействием бактериальных культур.

В результате получается горючий газ, который состоит, главным образом, из метана. Его можно сжигать для обогрева жилых помещений, теплиц, подсобных помещений.

рубрика

Одно из обязательных требований к биогазовой установке – абсолютная герметичность. Поскольку процесс сопровождается выделением характерного зловония, емкость для брожения устанавливают под землей.

Наружу выводят шланг, по которому поступает образующийся газ. Нужен еще один шланг, чтобы подавать внутрь материал для переработки. Генератор биогаза можно сделать самостоятельно, но существуют и промышленные модели, более безопасные и производительные.

Историческая справка

Первые шаги к созданию биотоплива предпринимались с появления бутанола (бутилового спирта). Тогда использовался процесс ферментации с участием бактерии Clostridium acetobutylicum, называемый также ABE-процессом по названию трёх конечных продуктов брожения – ацетона, бутанола и этанола. Огромное значение в развитии биотоплива сыграла автопромышленность. Уже в 1826 американский изобретатель С. Мори создал двигатель, топливом для которого служили спирт и скипидар. Было доказано, что растительное масло вполне можно употреблять в качестве горючего для паровых машин и пароходов. В 1876 немецкий изобретатель Н. Отто создал первый в мире четырёхтактный двигатель внутреннего сгорания, работавший на этаноле. Различными модификациями этого двигателя мы пользуемся до сих пор. Создавались и ещё более необычные проекты. Например, в 1895 Р. Дизель предложил тип дизельного мотора, основанного на использовании арахисового масла. Г. Форд был настолько уверен в будущем спиртовых автомобилей, что даже построил на Среднем Западе США спиртоперегонный завод, куда вложил немалые средства. Во время 1-й мировой войны автомобили большинства стран мира использовали этанол в качестве топлива наряду с бензином.

В 17 в. Я. Б. ван Гельмонт обнаружил, что разлагающаяся биомасса выделяет воспламеняющиеся газы. А. Вольта в 1776 пришёл к выводу о существовании зависимости между количеством разлагающейся биомассы и количеством выделяемого газа. В 1808 сэр Г. Дэви  обнаружил метан в биогазе. Первая биогазовая установка была построена в Бомбее в 1859. В 1895 биогаз применялся в Великобритании для уличного освещения. В 1930, с развитием микробиологии, были обнаружены бактерии, участвующие в процессе производства биогаза. В СССР исследования проводились в 1940-х гг.; в 1948–54 была разработана и построена первая лабораторная установка. Наблюдается устойчивая тенденция использовать биогаз для решения самых разнообразных энергетических вопросов: отопления жилья, получения электричества, производства надёжного автомобильного топлива. В то же время механизмы его производства постоянно совершенствуются, разрабатываются новые, более практичные и экономные способы получения качественного топлива.

Рейтинг
( Пока оценок нет )
Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
ManRem
Adblock
detector