ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Топлива из биомассы из "Моторные топлива из альтернативных сырьевых ресурсов" Использование биомассы в энергетических целях — комплексный процесс, включающий выращивание и сбор биологических веществ, различные методы их подготовки и переработки в жидкие, газообразные и твердые топлива. Биомасса является возобновляемым ресурсом, а переработка сельскохозяйственных, лесных и бытовых отходов способствует охране окружающей среды от загрязнений. [c.121] Растительная биомасса представляет собой сложную смесь различных соединений. В расчете на сухое вещество в ней содержится 5—30% водорастворимых соединений (сахара, крахмал, мочевина, соли), 5—40% протеинов, 25—90% целлюлозы и гемицеллюлозы, 5—30% лигнина, 1—13% нерастворимых в воде неорганических соединений (золы). Растительная биомасса характеризуется высоким содержанием кислорода, достигающим 40%, пренебрежимо малым содержанием такого нежелательного элемента, как сера. [c.121] К недостаткам биомассы как сырья для получения моторных топлив относятся рассредоточенность ее запасов и необходимость поддержания экологического равновесия. Сырая биомасса отличается высокой влажностью (30—90%). Энергоилот-ность сырой биомассы колеблется в пределах 1—15 ГДж/м и даже после сущки ее теплота сгорания остается относительно низкой—16—24 ГДж/т. [c.121] Крахмал и гемицеллюлоза гидролизуются в сравнительно мягких условиях с использованием сильно разбавленных кислот, тогда как для разложения целлюлозы требуются более концентрированные кислоты и повышенные температуры. [c.122] Кислотный гидролиз обычно осуществляется в вертикальных цилиндрических аппаратах, которые заполняют древесиной и через нее пропускают разбавленную серную или соляную кислоту. Температура в аппарате медленно повышается до 185 °С. Продолжительность реакции составляет 2,5—3,0 ч. Средняя концентрация сахара в растворе, выходящем из реактора, составляет около 57о. Последующие технологические стадии — нейтрализация и фильтрование. Применение концентрированных кислот позволяет ускорить гидролиз, но требует использования специальных конструкционных материалов [132]. Кислотному гидролизу свойствен ряд недостатков, из которых следует отметить малый выход конечного продукта, возможность разрушения гемицеллюлозы до неферментируемых продуктов и низкое качество побочного продукта — лигнина, который трудно утилизировать. [c.122] Технология дрожжевой ферментации сахаров достаточно проста. Наибольшее распространение получили периодические процессы. Микробная культура и субстрат, содержащий сахара, загружаются в реактор, и процесс образования спирта продолжается от 4 до 10 сут. Содержимое реактора постоянно перемешивается механическим способом или за счет естественного барботажа выделяющегося диоксида углерода. По мере роста микробной культуры в аппарат периодически добавляют субстрат с постепенно уменьшающимися интервалами подачи. Скорость роста микроорганизмов и выход этанола зависят от температуры, которая обычно не должна превышать 30—38 С. По мере повышения концентрации этанола оптимальная температура роста клеток микробной культуры снижается и требуется охлаждение реактора. Важным условием роста клеток является pH среды для дрожжевых культур — не более 4,5. Высокая концентрация спирта в реакторе вызывает снижение скорости роста дрожжевой культуры и ее способности превращать сахара в этанол, поэтому содержание спирта в ферментационной среде не должно превышать 11 —14% [133]. [c.123] Повышение производительности установок получения этанола из биомассы достигается применением непрерывных способов ферментации. Для этих процессов могут использоваться такие же или модифицированные реакторы. Подача субстрата осуществляется непрерывно, а высокая концентрация дрожжевых культур обеспечивается за счет их выделения из отходящего потока и возврата в реактор. Концентрация спирта поддерживается в пределах 4,5—7,0%. Для получения 95%)-го спирта выходящий из аппарата продукт проходит несколько ступеней разделения. На первой жидкость отгоняется от твердых остатков. Затем жидкость фракционируется и получается 50— 70%)-й этанол. На следующей ступени разгонки концентрация его повышается до 90—95%. Более высокая концентрация спирта может быть достигнута только азеотропной перегонкой. Дистилляция спирта — самая энергоемкая и технологически сложная стадия всего процесса получения этанола ферментацией. [c.123] Помимо спирта при ферментации и дистилляции образуются остатки и отгоны, по объему превосходящие объем спирта в 10—15 раз. Утилизация их затруднительна, и они оказывают вредное влияние на окружающую среду. [c.123] Определенный интерес представляет использование в качестве моторного топлива для дизельных двигателей растительных масел. Масла, содержащиеся в семенах и плодах подсолнечника, хлопчатника, сои, клещевины, кокоса и ряда других масличных культур, представляют собой окисленные углеводороды, в основном триглицериды, близкие по теплоте сгорания к дизельному топливу. Масло выделяется из масличных культур путем выжимки и экстрагирования (трихлорэтиленом или гексаном) и очищается методами нейтрализации, вымораживания или фильтрования. [c.124] Однако растительные масла нестабильны и имеют повыщен-ную вязкость и коксуемость. Эти недостатки могут быть частично устранены, если применять их в смеси с дизельным топливом или перевести в метиловые и этиловые эфиры. Мировое производство растительных масел не превышает 35 млн. т в год, и все они практически целиком потребляются пищевой и химической промышленностью. Стоимость растительных масел в несколько раз превышает стоимость дизельного топлива, получаемого из нефти. [c.124] Таким образом, хотя сырьевых источников для производства биотоплив много, на практике круг их сужается вследствие географических, климатических, экономических и других факторов. Пищевые культуры исключаются из баланса, поскольку являются не менее дефицитными сегодня для производства продуктов питания. Сельскохозяйственные культуры — сезонное сырье и их выращивание требует больших земельных площадей. Например, для производства в США 3,8 млрд. л в год этанола нужно собрать урожай с 2 млн. га. В то же время ежегодный объем производства бензина в США — 380 млрд. л., а под весь урожай кукурузы отводится около 28 млн. га [134]. [c.124] Таким образом, при производстве этанола потребляется столько же (или даже больше) энергии, сколько ее содержится в получаемом спирте, теплота сгорания которого составляет 27 ГДж/т. Несмотря на отмеченные недостатки, по мнению ряда специалистов, биомасса может стать в будущем значительным источником для получения моторных топлив и, прежде всего, в странах с ограниченными ресурсами горючих природных ископаемых, но расположенных в теплых климатических зонах и обладающих площадями свободных земель. Примером таких стран может служить Бразилия, где уже широко применяется производство и использование на транспорте этанола. [c.125] Вернуться к основной статье