Содержание:
Введение……………………………………………………………………..3
Глава 1. Использование биотоплива……………………………………….6
- Классификация биотоплива…………………………………..8
- Распространенные виды биотоплива………………………..10
Глава 2. Технология производства биотоплива………………………………………………………………….15
2.1. Этапы производства биотоплив………………………………..17
2.2. Оборудование для сжигания биотоплива………………………20
Вывод…………………………………………………………………………25
Список литературы………………………………………………………….26
Введение
На примере биотоплива любопытно проследить, как мировая конъюнктура влияет на изменение тональности экспертных оценок.
Мир стоит на пороге энергетического кризиса, отмечается в исследовании британского исследовательского центра Chatham House. Есть все основания полагать, что в 2013 году разразится топливный кризис. Скорее всего, на рынке появится дефицит нефти, вызванный резким ростом спроса, даже несмотря на постепенное наращивание объемов производства, — отмечается в докладе исследователя Chatham House П.Стивенса. Эта тема преобладала до июля 2008 года, когда цены на нефть достигли рекордного уровня $147,5 за баррель. Параллельно с ней развивалась тема целесообразности производства биотоплива, как нового пути решения энергетических проблем — в полном соответствии с фактом тесной корреляции цен на нефть, биоэтанол и биодизель.
Развитию рынка биотоплива способствовали как беспрецедентный рост цен на нефть, так и стремление развитых стран уменьшить свою зависимость от поставщиков энергоносителей. В основе развития биотоплива — политика некоторых государств, прежде всего США, Бразилии, стран Евросоюза. В результате мировой рынок биотоплива ежегодно растет на 20-25%.
В Бразилии исследованиями в области биотоплива занимаются с 70-х годов. Производить биоэтанол из сахарного тростника экономически выгодно даже без стартовых преференций: его себестоимость — менее 20 центов за литр. В Бразилии весь бензин продается с добавкой топливного этанола от 20 до 26%, а 4 млн машин ездит на чистом биоэтаноле.
США являются одним из главных производителей и потребителей биотоплива в мире. Ежегодно увеличивая на 2% долю этанола в составе бензина, США за десять лет намерены довести содержание биотоплива в бензине до 20%. Налоговые льготы, которые предоставляют США отечественным производителям, делают биотопливо из кукурузы намного дешевле, чем топливо, выработанное из нефти.
Европа занимает одну из лидирующих позиций по потреблению биодизеля. К 2010 году потребность Европы в минеральном топливе превысит 300 млн т, а в биотопливе с учетом ввода к 2010 году обязательной минимальной добавки его в минеральное топливо на уровне 5,75%, — около 17 млн т. Причем сама Европа будет производить всего 5,7 млн т. Похожая ситуация с соотношением производства и потребления — в Китае и Японии: Китай, активно применяющий альтернативные виды топлива, производит биоэтанола в объеме 50% от потребности, а Япония — только 5%.
В последнее время широко обсуждаемой является тема мирового продовольственного кризиса. По мнению экспертов, именно производство биотоплива является важнейшим фактором резкого роста глобальных цен на продовольствие. Мировой банк назвал биотопливо главным виновником продовольственного кризиса и роста цен на продовольственные товары. Организация экономического сотрудничества и развития (ОЭСР) в своем исследовании отметила высокую роль биотоплива в росте цен на сельскохозяйственную продукцию, в основном на зерновые и масличные культуры.
Если в период активной пропаганды и принятия программ по созданию и развитию биотопливной промышленности больше говорили о положительных аспектах биотоплива, но с началом финансового кризиса и падения цен на нефть мнения круто поменялись. Стали слышны высказывания, что ради получения биотоплива происходит уничтожение тропических лесов и превращение их в сельскохозяйственные угодья. Производство биотоплива может способствовать резкому ускорению изменения климата, поскольку в результате выращивания кукурузы, рапса или же получения пальмового масла парникового газа выделяется больше, чем экономится за счет получения из этих растений биологического топлива. К такому выводу пришли авторы исследований, опубликованных в специализированных журналах Science и Atmospheric Chemistry and Physics.
Международный исследовательский институт продовольственной политики (IFPRI) обнародовал оценки потенциальных глобальных последствий растущего спроса на биогорючее: при условии сохранения высоких цен на нефть быстрое увеличение мирового производства биотоплива вызовет к 2010 повышение мировых цен на кукурузу на 20%, а к 2020 году — на 41%. Цены на семена масличных культур, в том числе сои, рапса и подсолнечника, по прогнозам, должны подняться на 26% к 2010 и на 76% к 2020 году, а цены на пшеницу — соответственно на 11% и 30%. По оценкам ОЭСР, в перспективе на производство биотоплива может пойти до 12% всего производимого в мире зерна и 14% масличных, тогда как в 2007 году эти показатели составляли соответственно 8% и 9%.
Казахстан проявляет интерес к развитию биотопливных технологий. В Тайыншинском районе СКО реализован проект «Производственный комплекс «Биохим». Технология производства топливного биоэтанола базируется на основе современных методов переработки пшеницы 5 класса с минимальным выходом отходов производства и получением сопутствующей продукции — клейковины (19,2 тыс. тонн в год), углекислого газа (5,6 тыс. тонн в год), кормовых дрожжей (24 тыс. тонн в год).
АО «Национальный холдинг «КазАгро» считает, что Казахстан имеет возможность построить порядка 25-30 заводов, подобных комплексу «Биохим». С учетом наличия у нас порядка 1 млн тонн в год зерна низкого качества (5 класса), свыше 5 млн га залежных земель, благодаря которым возможно производить около 2,5 млн тонн биотоплива в год,Казахстан может войти в пятерку мировых лидеров производства этого альтернативного вида топлива, полагают в «КазАгро».
Некоторые эксперты утверждают, что ставка мирового сообщества на биотопливо чрезмерна. Кроме Бразилии, практически везде оно неконкурентоспособно и существует только за счет различных мер поддержки. Снижение цен на нефть ведет к соответствующему снижению цен на биотопливо.
Депутаты Европарламента призвали ограничить производство и использование биотоплива первого поколения, так как это ведет к значительным энергетическим затратам, а также создает угрозу продовольственной безопасности во всем мире. Евродепутаты предложили форсировать усилия по разработке эффективных электродвигателей и моторов для автомобилей, работающих на водороде, и биотоплива так называемого «второго поколения», получаемого из древесины, соломы и водорослей.
Оценка перспектив развития отрасли биотоплива в Казахстане дает противоречивые результаты. Ресурсный потенциал, безусловно, имеется. Спрос со стороны Европы, Китая и Японии присутствует. Однако сильное влияние оказывают нестабильность цен на нефть, узкий круг стран, проявляющих интерес к новому топливу, высокий уровень обеспокоенности общественности относительно будущей нехватки продуктов питания в связи с быстро растущим населением, вероятность снижения интереса Европы к использованию биотоплива в пользу других альтернатив.
Глава 1. Использование биотоплива
В 2005 году в странах Европейского союза 4% энергии получали, используя биотопливо. Лидерами в этом были Финляндия и Швеция: 16 и 20% энергии соответственно. Проекты по использованию биоотходов развиваются в Азии, чтобы заменить до сих пор широко используемое дерево Биотопливные проекты так же развиваются в Африке.
В 2002 году в США объем биоэнергии составлял 9733 мегаватта. Большинство видов биотоплива попутно сжигается вместе с углем для достижения базовой мощности — устойчивого электроснабжения (энергии, необходимой для обеспечения повышенного спроса во время пиковых нагрузок). Биоэнергия обеспечивает более 3% общего энергопотребления США. В США биотопливо превзошло гидроэлектростанции как возобновляемый источник энергии.
Очень часто биотопливо используется промышленностью, которая его и создает. К примеру, деревообрабатывающая промышленность сжигает собственные древесные отходы, чтобы получать пар и электроэнергию, необходимые для работы фабрики. К отходам относится древесные опилки, неиспользуемые ветки и щепки. Лесопромышленность получает более 50% необходимого ей электричества, используя собственные отходы. То же самое касается бумажной промышленности.
Другой вариант использования биомассы — получения биотоплива. Крахмал или сахаросодержащие злаковые превращаются в этиловый спирт: этанол. В Бразилии большая часть транспорта заправляется этанолом. Перевод транспорта на этанол начался в середине 1970-х, когда впервые повысились цены на бензин. Лидеры бразильской промышленности решили снизить зависимость страны от нефти. Этаноловая промышленность развивалась медленно, год за годом. В Бразилии выращивается сахарный тросник, он ферментируется и превращается в этанол. Бразильские автомобили должны быть универсальными, то есть работать и на этаноле, и на бензине. Потребители делали выбор сами, основываясь на цене топлива.
Вскоре опыт Бразилии стали перенимать другие страны. Производство этанола увеличивается в Китае и Европейском союзе. В США в 2004 году производилось 12,9 млрд. литров этанола, что почти в два раза больше показателя 2002 года. Производимый этанол добавляется в бензин для увеличения октанового числа и снижения выбросов. В США источником этанола является кукуруза. Альтернативой кукурузе как источнику этанола в США может быть прутьевидное просо. Родина этого растения — Северная Америка, просо является более эффективным источником этанола, нежели кукуруза. Использование этого злака находится в стадии опробации.
В США для экспериментальной заправки городских автобусов используется смесь бензина и этанола, называемая E-дизельным топливом.
Потребление биодизельного топлива так же растет и в Европе. Биодизельное топливо получается из растительного масла, прошедшего так называемую трансэфиризации. Животный жир и ресторанные отходы так же могут быть превращены в биотопливо. Это биотопливо в ближайшие дни может полностью заменить дизельного топливо или использоваться в виде смеси: 20% биотоплива и 80% дизельного. В 2005 году в Европейских странах произведено более 3 миллионов метрических тонн биотоплива. Самым крупным потребителем и производителем является Германия. В мире начинают появляться специальные программы по популяризации использования биотоплива. [2]
1.1. Классификация биотоплива
В зависимости от агрегатного состояния, поколения, способа получения и сфер применения выделяют несколько видов биотоплива. По агрегатному состоянию выделяют твердое, жидкое и газообразное биотопливо.
Виды биотоплива:
1 Твердое биотопливо
1.1Топливные гранулы
2 Жидкое биотопливо
2.1 Биоэтанол
2.2 Биометанол
2.3 Биобутанол
2.4 Диметиловый эфир
2.5 Биодизель
2.6 Биотоплива второго поколения
3 Газообразное топливо
3.1 Биогаз
3.2 Биоводород
1.1 Твердое биотопливо — это дрова, древесные топливные гранулы и топливные брикеты. Основным источником дров являются энергетические леса, в которых можно найти травы, кустарники и быстрорастущие породы древесины. Древесные топливные гранулы получают при прессовании древесных отходов, и они являются экологически чистым видом биотоплива.
Для отопления помещений также применяют топливные брикеты. Это высушенные энергоносители, изготовленные из веществ биологического происхождения. Такие вещества обязательно высушиваются, чтобы при сжигании можно было получить энергию.
Достаточно перспективным считается жидкое биотопливо. Его в основном применяют для работы двигателей. Получить такое топливо можно при переработке растительного сырья: сахарного тростника, сахарной свеклы, рапса и кукурузы. К жидкому относят такие виды биотоплива: биоэтанол, биометанол и биодизель. Биоэтанол является самым популярным видом топлива, благодаря экономической эффективности производства. Благодаря тому, что такое топливо получают из растений, снижается уровень выбросов при его использовании. Биоэтанол может применяться для разных видов автотранспорта.
Биометанол получают при переработке фитопланктона. При высоком уровне энергоотдачи нет серьезных требований к производственной площадке. Биодизель производят из растительных масел. Его можно использовать в сочетании с обычным дизельным топливом. Такое топливо безвредно при попадании в воду или почву, поскольку практически полностью распадается за короткий промежуток времени.
К газообразному относят такие виды биотоплива, как биоводород и биогаз. Эти вещества получают при обработке в ходе брожения или других биохимических или термических процессов. Биогаз получают из органических отходов, травы и фикальных осадков. Процесс производства позволяет предотвращать выбросы метана в атмосферу. Применяться такое топливо может в тех сферах, где используется природный газ. [3]
1.2. Распространенные виды биотоплива
Древесный уголь
Древесный уголь, это нелетучая часть продуктов термического распада древесины. Под этим названием для разных целей предлагаются продукты, различающиеся по составу и свойствам.
Исторически — древесный уголь один из самых первых продуктов целенаправленно изготавливавшихся людьми. Особенность древесного угля, несвойственная никакому другому топливу, это отсутствие в продуктах горения угарного газа. Поэтому, древесный уголь начали сперва собирать на пожарищах, а потом и изготавливать еще пещерные люди. Примитивные способы приготовления угля, состоящие в разогреве по особому сложенных дров, накрытых дерном за счет сжигания части дров в разных вариантах просуществовали до конца 19 века как единственная технология. Они продолжают существовать, как кустарный метод, особенно широко в развивающихся странах Африки и Латинской Америки. В других странах, не озабоченных экологической чистотой процессов, эту технологию модернизировали путем замены дерна на металл, кирпич и т.п. Достаточно много таких аппаратов до сих пор существует и в России. Общий их недостатки — выброс ядовитых паров и газов в окружающую среду, низкий выход товарного продукта и неэффективное использование объема аппаратов.
Современное углевыжигательное оборудование исключает загрязнение окружающей среды. Первоначально использовались аппараты с внутренним вводом теплоносителя и улавливанием жидких и газообразных продуктов. К концу 20 века спрос на жидкие продукты термического разложения упал до нуля. Появились аппараты, в которых все парогазы без конденсации сжигаются, а тепло используется на технологию. Лучшие из них позволяют вести процесс исключительно на собственном тепле большую часть года, кроме самых суровых месяцев зимы. Как правило, это аппараты с внешним подводом тепла. Современные технологии позволяют получать уголь с разной степенью прокалки — более богатый летучими веществами для быта и более прокаленный для промышленности. Прочность угля зависит не только от технологии изготовления, но и от породы. Из твердолиственных пород древесины уголь получается более прочный, чем из других. Существуют особые виды угля. Из очень плотного «каменного» дуба изготавливают т.н. «белый» уголь, особо ценимый в восточной Азии. Сравнительно недавно освоено производство угля из экструдерных опилочных брикетов. В Азии и Южной Европе его предпочитают обычному углю.
В России действует ГОСТ на древесный уголь (ГОСТ 7657-84).
Щепа
В основе технологии получения щепы лежит измельчение древесины на специальной технике. Различают топливную и технологическую щепу. Технологическая щепа используется на ЦБК. Она вырабатывается из окорённой стволовой древесины хвойных и лиственных пород, а также из окорённых горбылей, реек, кусковых отходов древесины на ножевых рубильных машинах дискового типа. Топливная щепа может вырабатываться из неокоренных стволов, из низкокачественной тонкомерной древесины от рубок ухода за лесом, вершин и сучьев различных древесных пород на рубильных машинах дискового и барабанного типов. Насчитывается несколько десятков производителей оборудования для производства щепы, наиболее известные Morbark, Brucks, Peterson, Farmi и другие.
Дрова
Технология производства дров связана с лесозаготовкой. Низкокачественную древесину, которая не может быть использована в качестве деловой (фанкряж, пиловочник, балансы) превращают в дрова путем распиловки и расколки.
Торрефикация древесины
Торрефикация древесины — низкотемпературный пиролиз, улучшающий свойства древесины. Температура процесса 200 — 300 ОС, давление — атмосферное, скорость нагрева <50 °C/мин., отсутствие кислорода, время пребывания — 6 — 30 мин., размер частиц < 4 см, теплотворная способность -19 — 22 MJ/kg. При температуре 230…300 оС гемицеллюлоза расщепляется и образуется торрефицированная древесина в виде гидрофобного, гомогенного порошка и летучие вещества.
Биогаз
Биогаз образуется с помощью бактерий в процессе разложения органического материала при анаэробных (без доступа воздуха) условиях и представляет собой смесь метана и других газов в следующих пропорциях:
|
Газ |
Химическая формула |
Объемная доля |
|
|
Метан |
CH4 |
40 — 70% |
|
|
Углекислый газ |
CO2 |
30 — 60% |
|
|
Другие газы |
1 — 5% |
||
|
Водород |
H2 |
0 — 1% |
|
|
Сероводород |
Н2S |
0 — 3% |
|
Состав биогаза
Теплотворная способность одного кубометра биогаза составляет в зависимости от содержания метана 20-25 МДЖ/ м3, что эквивалентно сгоранию 0,6 — 0,8 литра бензина, 1.3 — 1.7 кг дров или использованию 5 — 7 кВт электроэнергии.
Технология производства биогаза заключается в следующем. Биомасса (отходы или зеленая масса) периодически подаются с помощью насосной станции или загрузчика в реактор. Реактор представляет собой подогреваемый и утепленный резервуар, оборудованный миксерами. Стройматериалом для промышленного резервуара чаще всего служит железобетон или сталь с покрытием. В малых установках иногда используются композиционные материалы. В реакторе живут полезные бактерии, питающиеся биомассой. Продуктом жизнедеятельности бактерий является биогаз. 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 подается к потребителям (котел или электрогенератор). Реактор работает без доступа воздуха, герметичен и неопасен.
Для сбраживания некоторых видов сырья в чистом виде требуется особая двухстадийная технология. Например, птичий помет, спиртовая барда не перерабатываются в биогаз в обычном реакторе. Для переработки такого сырья необходим дополнительно реактор гидролиза. Такой реактор позволяет контролировать уровень кислотности, таким образом бактерии не погибают из-за повышения содержания кислот или щелочей. Возможна переработка этих же субстратов по одностадийной технологии, но при коферментации (смешивании) с другими видами сырья, например, с навозом или силосом.
Существуют промышленные и кустарные установки. Промышленные установки отличаются от кустарных наличием механизации, систем подогрева, гомогенизации, автоматики. Наиболее распространённый промышленный метод — анаэробное сбраживание в метантенках.
Биоэтанол
Биоэтанол — это обычный этанол, получаемый в процессе переработки растительного сырья для использования в качестве биотоплива. Его производство схоже с производством пищевого спирта.
Современная промышленная технология получения спирта этилового из пищевого сырья включает следующие стадии:
— подготовка и измельчение крахмалистого сырья — зерна (ржи, пшеницы и т.п.)
— ферментация. На подавляющем большинстве спиртовых производств мира ферментативное расщепление крахмала до спирта при помощи дрожжей оставлено. Для этих целей применяются рекомбинантные препараты альфа-амилазы, полученные биоинженерным путем — глюкамилаза, амилосубтилин.
-брагоректификация. Осуществляется на разгонных колоннах (например, «Комсомолец»). Отходами бродильного производства являются барда и сивушны масла. Барда используется для производства кормов.
Реальной альтернативой этанолу в наши дни становится биобутанол, так как он обладает более высоким энергетическим потенциалом, менее летуч и может использоваться в автомобилях без каких-либо изменений в конструкции их двигателей. Так, гибридное топливо БИО100 представляет собой смесь 65% биоэтанола с добавлением третбутилового эфира. Такое моторное топливо снижает на 1/3 тепловую нагрузку на двигатель, повышая тем самым сроки его эксплуатации.
Биодизель
В основе технологии получения биодизельного топлива лежит реакция переэтерификации любого растительного масла, или животного жира, в присутствии катализатора в метиловые эфиры жирных кислот. В качестве сырья используют масла рапса и ряда других культур. Себестоимость биодизельного топлива заведомо выше, чем аналогичных нефтепродуктов, но в регионах с теплым климатом, обеспечивающим успешное выращивание масличных культур, и не имеющих своего минерального сырья, такое производство может существовать и занимать ограниченный сектор рынка.
Есть технологии, позволяющие получить жидкое топливо (т.н. био-ойл) из древесины путем пиролиза. Однако многие фирмы, представляющие эту технологию, в качестве дизельного топлива предлагают пеструю смесь воды, кислот, тяжелых и легких смол и других продуктов пиролиза. При этом вводится понятие «скоростной пиролиз». Пиролиз — это химическая реакция, подчиняющаяся законам кинетики. Скоростного или замедленного пиролиза не существует. В технологии описанной выше имеют место иные явления. Скорость самого процесса пиролиза исчисляется секундами. Замедление или ускорение процесса связано со скоростью подвода тепла и доведения температуры до начала пиролиза. Естественно, что опилки прогреваются в падающем или взвешенном потоке быстрее, чем толстый кусок. Поскольку, древесный уголь является продуктом вторичных реакций, его получается меньше, а жидких продуктов больше. Достичь полного ожижения древесины удается только под глубоким вакуумом, но продукты распада лабильны и, при соприкосновении с воздухом окисляются с саморазогревом и обугливаются. Успешные опыты по ожижению древесины гидрированием были осуществлены в Германии в 1943 году. Там были потрачены значительные силы и средства, связанные с дефицитом жидкого топлива в условиях войны. Но, несмотря на острую потребность в дизельном топливе, эти опыты не получили промышленной реализации из-за чрезмерной дороговизны такого топлива.
Liquid-to-biofuel (биотопливо второго поколения)
Различные виды топлива, получаемые различными методами пиролиза биомассы. Быстрый пиролиз позволяет превратить биомассу в жидкость, которую легче и дешевле транспортировать, хранить и использовать. Из жидкости можно произвести автомобильное топливо, или топливо для электростанций. Из биотоплив второго поколения, продающихся на рынке, наиболее известны BioOil производства канадской компании Dynamotive и SunDiesel германской компании CHOREN Industries GmbH. Однако пока эти проекты оказались финансово неустойчивыми.
Ряд специалистов считает, что смеси фирмы Dynamotive никак не могут рассматриваться как дизельное топливо. Их высокая кислотность и содержание тяжелых смол приводит к быстрому разрушению двигателей. Фирма SunDiesel (Германия) предпринимает попытки изготавливать дизельное топливо из растительных материалов через синтез Фишера-Тропша. Технически это осуществимо, но экономически не может конкурировать с минеральными аналогами.
Технология производства SunDiesel компании CHOREN Industries GmbH
Через двухступенчатый процесс газификации очищенный газ охлаждается, затем в процессе последующего очищения и кондиционирования очищенный синтетический газ (в основном CO и H2 ) подается в реактор Fischer-Tropsch, производящий углеводородные цепочки, которые в конце превращаются в SunDiesel. Выход холодного газа — 80%.
Двухступенчатый процесс газификации Очистка газа и кондиционирование Fischer-Tropsch синтез
2.Технология производства биотоплива
Топливные гранулы
В основе технологии производства топливных гранул, как и топливных брикетов лежит процесс прессования измельченных отходов древесины, соломы, лузги и др.
Сырьё (опилки, солома и т.д.) поступает в дробилку, где измельчаются до состояния муки. Полученная масса поступает в сушилку, из неё — в пресс-гранулятор, где древесную муку прессуют 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 3—5 кубометров древесных отходов естественной влажности. Готовые гранулы охлаждают, пакуют в большие биг-бэги (по несколько тонн) или мелкую упаковку от нескольких кг до нескольких десятков кг. Различают промышленные (доставляются насыпью без упаковски или в биг-бэгах) и потребительские гранулы (в мелкой расфасовке, ориентированные на частных и небольших промышленных потребителей).
Древесные топливные гранулы (пеллеты, ДТГ) — это небольшие цилиндрические прессованные древесные изделия диаметром 4-12 мм, длиной 20-50 мм, переработанные из высушенных остатков деревообрабатывающего и лесопильного производства: опилки, стружка, древесная мука, щепа, древесная пыль и т.д. Гранулы используются в котлах для получения тепловой и электрической энергии путем сжигания. Преимуществом использования древесных гранул перед другими видами топлива является:
— снижение вредных выбросов в атмосферу: древесное биотопливо признано СО2 — нейтральным, т.е. при его сжигании количество выделяемого углекислого газа в атмосферу не превышает объем выбросов, который бы образовался путем естественного разложения древесины;
— бoльшая теплотворная способность: по сравнению со щепой и с кусковыми отходами древесины. Энергосодержание одного килограмма древесных гранул соответствует 0,5 литра жидкого дизельного топлива; древесные гранулы не уступают по теплотворной способности ни углю, ни мазуту;
— низкая стоимость по сравнению и дизтопливом и отоплением электричеством,
— чистота помещения, в котором установлен котел,
— возможность автоматизации котельных.
Технология производства древесных топливных гранул
Расстановка оборудования на каждом предприятии может быть разная. Однако принципы — общие с момента возникновения технология производства пеллет в 1947 году. Сам по себе процесс гранулирования — пеллетизации происходит в специальных кольцевых штампах (пресс-формах) вращающимися роторными вальцами, которые впрессовывают в многочисленные отверстия — фильеры пресс-формы, активизированное паром измельченное древесное сырье, после чего, срезанные с наружной стороны штампа специальным ножом гранулы, должны быть охлаждены и отделены от мелких частиц.
2.1. Этапы процесса производства биотоплив
Весь процесс производства условно можно разделить на несколько этапов:
- Измельчение
- Сушка
- Доизмельчение
- Водоподготовка
- Прессование
- Охлаждение
- Фасовка и упаковка
Рассмотрим подробнее каждый этап производства:
Измельчение древесного сырья. Рубительные машины (Дробилки) измельчают древесное сырьё до фракции с размерами не более 25х25х2 мм для дальнейшей сушки. Лучше всего для снижения энергозатрат на сушку измельчать до более мелкой фракции.
Сушка. Древесное сырье перед прессованием должно иметь влажность 10 % ± 2 %. Сырье с большей или меньшей влажностью требует дополнительного увлажнения или дополнительной сушки. Сушилки делятся на два типа: барабанного и ленточного. Ленточного типа: дороже, но безопасней. По типу применяемого сушильного агента они подразделяются на сушилки на топочных газах, горячем воздухе и водяном паре. По типу применяемого вида топлива для производства ДТГ: газовые и на древесных отходах.
Доизмельчение сухого сырья. Для устойчивой работы пресса входная фракция должна быть не более 4 мм. Такую фракцию может обеспечить молотковая мельница, стружечный станок или дезинтегратор.
Водоподготовка. Сырье с влажностью менее 8% плохо поддается прессованию, поэтому требуется, устройство дополнительного увлажнения сырья. Лучший вариант — это шнековые смесители, имеющие возможность подачи воды или пара. Пар применяют для снижения прочности и увеличения пластичности древесного сырья твердых пород. Прессы некоторых производителей из-за конструктивных особенностей не требуют добавления пара. Некоторые применяют пар для старого, слежавшегося сырья, но таким сырьем сложно получить гранулы хорошего качества.
В основе всего процесса гранулирования или в сердце его находится пресс. Сегодня существует несколько десятков производителей прессов из разных стран мира (CPM, Andritz, Salmatec, Amandus Kahl, Buhler, Munch и многие другие).
Многие прессы конструктивно различаются по видам матриц:
— пресс с круглой матрицей
— пресс с плоской матрицей.
Пресс с круглой матрицей разрабатывался для комбикормовой, пищевой и химической промышленности. А пресс с плоской матрицей изначально для утилизации промышленных и бытовых твердых отходов. На сегодняшний день прессы обеих модификаций, используемые в гранулировании, работают по одинаковому принципу. Бегущие катки создают контактное напряжение смятия сырья на матрице, и через отверстия в матрице продавливают сырье, которое обрезается ножами. Прессы выполнены из особо прочных материалов с жесткими мощными корпусами. Матрица и катки изготовлены из специальных закаленных износостойких сплавов. Гранулирование древесины, как материала имеющего высокую плотность, требует повышенного усилия для прессования. При прессовании происходит уплотнение древесного сырья до 3 раз. Удельное потребление электроэнергии составляет от 30 до 50 кВт в час на тонну. Из-за сил трения и адиабатических процессов, происходящих при резком сжатии сырья, температура в рабочей зоне пресса достигает 100°С.
Охлаждение. Чем выше усилия прессования и выше температура сырья, тем лучше гранулы по качеству. При увеличении температуры прессования свыше 120°С происходят необратимые процессы в гранулируемом сырье, которые приводят к ухудшению качества гранул. Охлаждение необходимо для кондиционирования гранул после прессования. У хороших производителей оборудования в технологическом процессе, после охладителя существуют системы для очистки готовых гранул от пыли, что существенно улучшает качество выпускаемой продукции.
Фасовка и упаковка. Фасовка и упаковка топливных гранул зависит от того, какая система хранения существует у потребителя.
— в свободном виде — насыпью.
— в мешках биг-бэг, от 500 до 1200 кг.
— в мелкой расфасовке по 10…20 кг.
Способы расфасофки топливных гранул
В свободном виде — насыпью
Подразделяется на две группы:
— Первая идет на крупные ТЭЦ, требования по качеству невысокие, цена также небольшая: промышленные пеллеты.
— Вторая — высокого качества для котлов небольшой мощности и дальнейшей фасовки в мелкую упаковку, требования высокие, цена также достаточно высокая.
Фасовка в биг-бэги
Фасовка в биг-бэги применяется для индустриальной транспортировки сыпучих продуктов. Биг-бжги изготавливаются из прочного полимера, имеют петли для механизации погрузо-разгрузочных работ, а также позволяют сохранять постоянную требуемую влажность ДТГ при открытом складировании. Цена ДТГ в биг-бэгах выше, чем при доставке насыпью.
Мелкая расфасовка
Самая дорогая группа. Цены на гранулы в мелкой расфасовке наиболее высокие, и превышают 200 Евро за тонну. К данной группе ДТГ предъявляются повышенные требования по качеству. Очень удобна для тех заказчиков, кто не может иметь склада для хранения в насыпном виде. Перевозится на паллетах (поддонах). Массой до одной тонны. На снимках показаны варианты транспортного пакета и мешка 20 кг. [6]
2.2. Оборудование для сжигания биотоплива
Для каждого вида топлива существует своя технология сжигания, обоснованная, как технически, так и экономически. Топливную гранулу можно сжигать на различном оборудовании. Однако максимальной эффективности можно добиться лишь с помощью котлов и горелок, специально для этого предназначенных.
Процесс получения тепловой энергии из гранул можно назвать горением только с большой натяжкой, т.к. гранулы не горят в прямом смысле этого слова, а тлеют. При этом котел, исчерпав топливо в контейнере, может продолжать снабжение теплом в течение 24 часов за счет малой скорости протекания процесса.
В Европе больше половины котлов на древесных гранулах имеют среднюю мощность от 100 кВт до 1 МВт. Обычно такие печи устанавливаются в больших частных домах, школах, на небольших предприятиях.
Кроме котельных на пеллетах, существуют также камины на гранулах и брикетах. Подобные камины работают не как котлы, а как воздухонагреватели, поэтому не требуют системы трубопроводов. Чаще они используются (как и традиционные камины) в качестве дополнительного средства обогрева.
На сегодняшний день на рынках стран СНГ представлены и горелки для переоборудования жидкотопливных котлов под гранулу, и котельное оборудование большой мощности, и промышленные парогенераторы на биотопливе, и маломощные автоматизированные котлы для частных домов, и комнатные камины для сжигания топливной гранулы. Большая часть оборудования импортируется. Однако и целый ряд отечественных предприятий предлагает оборудование, предназначенное для сжигания пеллет.
Кстати, первые котлы на биотопливе появились вообще в России. До 60-х годов ХХ века в СССР было разработано и смонтировано немало таких котлов. Однако задача тогда ставилась иная: «утилизировать отходы». На Западе была другая цель: добиться максимального КПД для того, чтобы снизить себестоимость производимой энергии, поэтому европейцы пошли дальше россиян в изучении нюансов сжигания биотоплива. Например, при сжигании хвои и ряда других элементов образуется едкий натр или гидрат окиси натрия. Минеральные соли, которые образуются в результате этой реакции губительно влияют на стальные котлы, но сегодня уже есть технологии, позволяющие нейтрализовать подобные вредные эффекты.
Для каждого вида биотоплива существует своя специальная и специфическая технология. Котельные, предназначенные для биомассы влажностью менее 30%, не будут эффективны ни для сжигания влажного биотоплива с содержание воды около 50%, ни для рафинированного биотоплива. Влажное сырье не будет гореть из-за того, что ему необходима очень высокая температура внутри котла. Древесные гранулы (рафинированное биотопливо) будут сгорать в таком котел, но при этом потеряют экономическую целесообразность, поскольку стоимость котла на гранулах ниже, чем на влажной или сухой (до 35%) биомассе — опилках, щепе и т.д.
В настоящее время в Европе разработан достаточно широкий ряд типов котлов на биотопливе:
— котлы на прессованом биотопливе — гранулах и брикетах,
— котлы на сухом биотопливе (влажность до 30%),
— котлы на влажном биотопливе (влажность до 55%),
— котлы для сжигания торфа и смесей из торфа,
— котлы для сжигания коры и смесей из коры,
— котлы для сжигания другого органического сырья.
В зависимости от характеристик котлы ориентируются на разные сегменты рынка: от частных потребителей до крупных предприятиях и муниципальных котельных.
Топливные брикеты
В основе технологии производства топливных брикетов лежит процесс прессования шнеком агро-отходов (шелухи подсолнечника, гречихи и др.) и мелко измельченных отходов древесины (опилок) под высоким давлением, а в ряде случаев и при нагревании от 250 до 350 С°. Получаемые топливные брикеты не включают в себя никаких связующих веществ, кроме одного натурального — лигнина, содержащегося в клетках растительных отходов. При использовании агросырья возможно добавление связующих элементов. Температура, присутствующая при прессовании, способствует оплавлению поверхности брикетов, которая благодаря этому становится более прочной, что немаловажно для транспортировки брикет.
Сырьем для производства брикетов является тот же материал, что и для изготовления гранул — опилки различных пород древесины, щепа, лузга подсолнечника, гречихи, солома и многие другие растительные отходы. Технология производства брикетов схожа с технологией гранулирования, но более простая.Брикеты бывают разных форм — в виде кирпича, цилиндра или шестигранника с отверстием внутри. Стандартных размеров у данной продукции нет.
Основным фактором, определяющим механическую прочность, водостойкость и калорийность брикета, являются его плотность. Чем плотнее брикет, тем выше показатели его качества. Чем ниже плотность брикетов, тем меньше их калорийность. Например, при плотности брикета 650-750 кг/м3 калорийность брикетов равна 12-14 МДж/кг; при плотности 1200-1300 кг/м3 — 25-31 МДж/кг.
Качество брикетов в значительной мере зависит от влажности исходной смеси. Различают оптимальную и критическую влажности. Оптимальная влажность составляет 4-10 %, при ней достигаются наилучшие механические характеристики брикетов (следует учитывать, что для некоторых видов сырья верхним пределом влажности является 6-8%). Критической называется влажность, при которой возможно образование брикетов, но в нем появляются трещины — таким образом, брикет товарного вида не имеет. Критическая влажность находится в пределах 10-15 %. При более высокой влажности полученный брикет будет «разорван» внутренним давлением влаги, возникающем при сжатии измельченной массы.
Существует 3 основных типа топливных брикетов. Они отличаются по форме, которая зависит от метода производства. «В народе» прижилось три названия, которые произошли из имен компаний, выпускающих оборудование для производства того или иного брикета. Таким образом, выделяют брикеты RUF, брикеты NESTRO и брикеты Pini-Kay. Однако, кроме упомянутых производителей брикетирующего оборудования, существуют и другие фирмы — например C.F.Nielsen (Дания), UPM (Литва), Bogma (Швеция), Pawert-SPM AG (Швейцария), DI-PIU (Италия).
Брикеты подразделяются по двум принципам:
Первое — по сырью, из которого они изготовлены. Здесь выделяют: брикеты из древесных отходов (стружка и опил без коры, отходы с корой, кора, отходы производства МДФ, шлифпыль, отходы фанерных производств, лигнин, брикеты из сельскохозяйственных отходов); брикеты из агробиомассы (солома , шелуха подсолнечника, шелуха злаковых, отходы хлопка, сено, камыш); брикеты из прочих материалов (бумага, картон, целлюлоза, полимеры, торф).
Второе — по способу прессования и форме. Брикеты бывают трех видов: цилиндрические, экструдерные и в виде кирпичика.
Цилиндрические брикеты
Этот вид брикетов получается путём прессования на оборудовании ударно-механического типа. Они имеют бесконечную длину, и могут быть разделены как на шайбы, так и на поленья. Имеют очень высокую плотность, пользуются большой популярностью в Европе.
Такие брикеты могут иметь не только круглую, но и квадратную или восьмиугольную форму, иметь или не иметь отверстие. Вид брикета заказывает покупатель, он зависит от того, какие формы больше популярны в каждой отдельно взятой стране. Данные брикеты охотно покупают такие страны, как Германия, Дания, Великобритания, Норвегия, Швеция, Италия. На внутреннем рынке, чаще всего используют кусковые брикеты, изготовленные по данной технологии, в качестве топлива для твёрдотопливных котлов.
Экструдерные брикеты
Эти брикеты обязательно имеют отверстие внутри и обожженную верхнюю поверхность.
В основе экструзивной технологии производства брикетов лежит процесс прессования шнеком под высоким давлением при нагревании от 250 до 350 С°. Температура, присутствующая при прессовании, способствует оплавлению поверхности брикетов, которая благодаря этому становится прочной, что немаловажно для транспортировки брикета.
Такие брикеты закладываются вручную в топку котла или в печку, они пользуются спросом в Прибалтике и на внутреннем рынке России.
Брикеты в виде кирпичика
Эта продукция имеет вид прямоугольного параллелепипеда со скошенными углами. Такой брикет получается путём гидравлического прессования, и его размеры зависят от рыхлости сырья, из которого он произведён и давления, которое на него оказано. Они хорошо используются на внутреннем рынке, и также отлично покупаются во все европейские страны.
Технология
Процесс брикетирования — это процесс сжатия материала под высоким давлением, с выделением температуры от силы трения. За счет данного воздействия в древесине происходит выделение лигнина, который является связующим веществом для формирования брикета. Для брикетов не из древесного сырья, могут применяться экологически чистые добавки (не более 2%). При производстве данной продукции следует обратить особое внимание на влагу — очень важный параметр, влияющий на плотность брикета. В случае превышения 14% влажности сырья брикет разваливается на произвольные куски из-за избытка влаги.
Объем брикета составляет 1/10 от объёма затраченного на его производство сырья, что дает значительную экономию при транспортировке и хранении биотоплива.
Для производства древесных брикетов применяют поршневые и шнековые прессы, сырье — опилки и стружки. Перед прессованием материалдополнительно измельчают и подсушивают (влажность не должна превышать 12 — 14%).
Поршневой пресс работает циклически — при каждом ходе поршня продавливают определенное количество материала через коническое сопло, на брикетах четко различимы соответствующие цик-лам слои. В приводе всегда применя-ется маховик, позволяющий выровнять нагрузку двигателя. Износ поршня неве-лик, поскольку относительное переме-щение между прессуемым материалом и поршнем мало, быстро изнашивается сопло. Поршневые прессы относительно дешевы и поэтому широко распространены.
Шнековый пресс легче поршневого, поскольку отсутствуют массивные поршни и маховики. Продукция выходит непрерывно, поэтому ее можно разрезать на нужные куски. Плотность выше, чем у поршневых прессов. Шнековые прессы менее шумные, благодаря отсутствию ударных нагрузок. К недостаткам можно отнести больший расход энергии и быстрый износ шнека.
Топливные брикеты имеют широкое применение и могут использоваться для всех видов топок, котлов центрального отопления и пр. Большим достоинством брикетов является постоянство температуры при горении на протяжении 4 и более часов.
Вывод
У использования биомассы в качестве топлива есть свои преграды. Как и в случае с ископаемым топливом, сжигание вызывает образование CO2. Однако ископаемое топливо выделяет CO2 миллионы лет, создавая избыток CO2 в атмосфере. В противоположность CO2, выделяемый биомассой при сжигании, поглощается растениями. Биотопливо считается «углеродно нейтральным».
В биологическом уравнении ископаемые виды топлива все еще играют ключевую роль. Они используются на всех этапах получения биомассы: выращивании растений, их сборе, доставке и обработке. Биомасса не станет углеродно нейтральной до тех пор, пока на всех этапах не будет использоваться возобновляемое топливо. Когда это произойдет — загадка для всех. Пока биотопливо позволяет сократить выбросы CO2, так как в процессе использования биомассы в атмосферу выбрасывается меньше СО2. Однако в будущем биомассы могут заменить нефть, газ и уголь во многих областях. Правительства различных стран будут финансировать исследования в области разивития биотоплива. Среди вещей, которые предстоит усовершенствовать, — фабрики по очистке биомассы. Такие фабрики будут принимать различные виды биотоплива и создавать постоянный запас для использования в различных областяж промышленности. На одной из рафинадных фабрик в качестве основы для ферментации используются сахар в виде целлюлозы и лигнин из растений, в результате получается этанол. В качестве биотоплива может использоваться дерево и различные виды трав. На других рафинадных заводах для стандартизации биомассы используется термохимический подход, превращающий массу в более эффективные жидкость или газ.Исследователи видят будущее биомассы в замене нефти, как источника многих химикатов, используемых в современном мире. Вещи из пластика, краски и клеи можно производить не из нефтепродуктов, а из биомассы.
Список литературы
- ГОСТ 12.1.007-76. ССТБ. Вредные вещества. Классификация и общие требования безопасности.
- ГОСТ 12.1.005-88. ССТБ. Общие санитарно-гигиенические требования к воздуху рабочей зоны.
- Грачева И. М., Кривова А. Ю. Технология ферментних препаратов. – 3-е изд., пре раб. и доп. М.: Изд-во „Элеватор“, 2000, — 512 с.
- Губський Ю. І. Біологічна хімія: Підручник. – Київ-Тернопіль: Укрмедкнига, 2000. – 508 с.
- Домарецький В. А., Остапчук М. В., Українець А. І. Технологія харчових продуктів: Підручник / За ред. д-ра техн. наук, проф. А. І. Українця. – К.: НУХТ, 2003. – 572 с.
- Егорова Т. А. Основы биотехнологии: Учеб. Пособия для выш. пед. учеб. заведений / Т. А. Егорова, С. М. Клунова, Е. Л. Живухина. – М.: Издательский центр „Академия“, 2003. – 208 с.
- Економіка підприємства / Навч. посібник / За ред. А. В. Шегди: К.: Знання. – 2005. – 431 с.
- Економіка підприємства: Підручник / За аг. ред. С. Ф. Покропивного. – Вид. 2-ге, перероб. та доп. – К.: КНЕУ,2000. – 258 с.
- Желєзна Т. А. Стан розвитку та перспективи виробництва і застосування рідких палив з біомаси. Частина 1 // Экотехнологии и ресурсосбережение. – 2004. — №2. – с. 3-8
- Желєзна Т. А. Стан розвитку та перспективи виробництва і застосування рідких палив з біомаси. Частина 2 // Экотехнологии и ресурсосбережение. – 2004. — №3. – с. 3-8
- Жеребцов Н. А. и др. Ферменты: их роль в технологии пищевых продуктов / Н. А. Жеребцов, О. С. Корнеева, Е. Д. Фараджева: Учеб. пос. – Воронеж: изд-во Воронежского гос. ун-та, 1999. – 120 с.
- Зайцев Н. Л. – Экономика промышленного предприятия. – М.: Инфа, 1996. – 284 с.
- Закгейм А.Ю. Введение в моделирование химико-технологических процессов. – 2-е изд., перераб. И доп. – М.: Химия, 1982. – (серия „Химическая кибернетика“) 288 с.
- Захаров Л. Н. Техника безопасности в химической лаборатории. – Л.: Химия, 1991. – 336 с.
- Каминский С. Л., Смирнов К. М., Жуков В. Ч.,Краснощеков В. А. Средства индивидуальной защиты. Справ. изд. – Л.: Химия, 1989. – 400 с.
- Кафаров В.В., Винаров А.Ю., Гордеев Л.С. Моделирование и системный анализ биохимических производств. – М.: Лесн. пром-сть, 1985. – 280 с.
