Получение газообразного высококалорийного топлива из биомассы древесины методом сверхкритических флюидных технологий

«Получения газообразного высококалорийного топлива из биомассы древесины методом сверхкритических флюидных технологий»

Иванова М.А., Пашкин С. В., Щелоков В. М., Воскобойников И.В.

Получения газообразного высококалорийного топлива из биомассы древесины методом сверхкритических флюидных технологий — базовая технология моделируемого термического крекинга биомассы отходов, в том числе низкотоварной древесины и отходов лесопромышленного комплекса.

Разработка технологии моделируемого термохимического крекинга растительного сырья является ключевым моментом в создании энергосберегающего непрерывного производственного процесса замкнутого цикла, экологически безопасного для окружающей среды и максимального использования модульного принципа исполнения.

Биомасса отходов лесного, агропромышленного, металлургического комплексов представляет собой масштабный источник загрязнения окружающей среды. Непрерывное образование и накапливание этих отходов на ограниченных территориях — это серьезнейшая экологическая проблема. В России общее количество таких отходов достигает 1 млрд. м3. Эти отходы относятся к 4 классу опасности и отличаются высокой влажностью, что затрудняет их транспортировку и хранение, и наносят большой вред, загрязняя воздух, почвы, наземные источники и подземные воды.

Исследования, проведенные Институтом энергетической стратегии по качественному и количественному анализу этой сырьевой базы по 20 номинантам, показали, что в настоящее время ежегодный объем производимых органических отходов АПК и городов по всем регионам России в сумме составляет почти 700 млн. тонн (260 млн. т по сухому веществу): 350 млн. т (53 млн. т с.в.) — животноводство, 23 млн. т (5,75 млн. с.в.) — птицеводство, 220 млн. т (150 млн. т с.в.) — растениеводство, 30 млн. т (14 млн. т с.в.) — отходы перерабатывающей промышленности, ТБО — 56 млн. т (28 млн. т с.в.), 12 млн. т (2 млн. т с.в.) с валовым энергосодержанием 92−93 млн. ту.т. (технический потенциал составляет 90.4 млн. ту.т., экономический потенциал — 53,3 млн. ту.т.).

20% потенциальной энергии приходится на отходы животноводства и птицеводства, 58% - на растениеводство, 7,9% - на отходы перерабатывающей промышленности, 11,9% - на ТБО и 1,2% - на осадки сточных вод.

Из этого количество отходов можно ежегодно получать до 58 млрд. куб. м биогаза (46 млн. ту.т.), до 90 млн. тонн пеллет или 75 млн. т «синтез-газа», который можно конвертировать в 160 млрд. куб. м водорода, а также получить до 330 тысяч тонн этанола, или до 88 млн. куб. м водорода и до 165 тысяч тонн растворителей (бутанола и ацетона) Использование биомассы отходов в России только в качестве сырья для производства биотоплив может помочь в решении проблем энергоснабжения малых городов и поселков, предприятий лесопромышленного комплекса, целлюлозно-бумажных комбинатов. В удалённых районах введение новых цепочек производства как лесного, так и сельскохозяйственного сырья для биоэнергетики, безусловно, окажет положительное влияние на устойчивое развитие регионов.

Применение биотоплива позволяет, как снизить уровень парниковых газов, так и утилизировать отходы, в частности древесные, получив одновременно экологический и экономический эффект. Экологический эффект связан с тем, что свалка техногенных отходов перестает выделять в атмосферу опасный метан и другие вредные газы. Экономический эффект — получение денег из отходов, которые становятся сырьем и за которые могут заплатить деньги вместо взимания пени за утилизацию.

Истощение природных запасов и глобальный характер загрязнения окружающей среды обострили необходимость рационального сочетания гибкости рыночного хозяйства, способного на быструю сырьевую переориентацию, с дальновидной государственной политикой природопользования, стимулирующей использование отходов, тем самым, уменьшая их негативное воздействие на окружающую среду.

Одно из перспективных направлений использования древесных отходов — производство газообразного высококалорийного топлива методом сверхкритических флюидных технологий близкого или идентичного природному газу или синтез-газу. С недавних пор сверхкритическая флюидная технология стала очень популярной, так как предоставляет многочисленные выгодные условия технологических процессов, таких как увеличение скорости масс-преобразования материалов, уменьшение числа операций в технологическом процессе и снижение стоимости продукции.

Одно из наиболее важных свойств сверхкритического состояния вещества — это способность к растворению. Изменяя температуру или давление флюида можно менять его свойства в широком диапазоне. Газообразное топливо, которое может быть получено методом сверхкритической флюидной технологии не потребует дополнительного оборудования для его последующего компремирования. Это создает условия для успешной конкуренции природному газу.

Возрастающий интерес к этой области исследований обусловлен тем, что растительная биомасса является возобновляемым источником, а в регионах с большими запасами такого сырья, особенно в отдаленных районах, где использование собственного сырья вместо нефтяного топлива может быть экономически целесообразным уже в настоящее время.

Так же в свете экологических проблем во всем мире остро стоит необходимость перевода автомобильного транспорта на альтернативные виды моторного топлива, в частности на газомоторное топливо. Работы по газификации автотранспорта начались в СССР еще в 20-х годах ХХ века. Развивалась эта работа в двух основных направлениях: газобаллонные и газогенераторные автомобили («ГазГены»). Двигатели первых работали на природном газе, хранящемся в сосудах высокого давления, а двигатели вторых использовали газ, генерируемый прямо на борту машины из дров, угольных брикетов, торфа. Но в основном это были так называемые «чурочки» .

18 — 20 января 2011 года в Женеве, Швейцария была проведена 21-я сессия Рабочей группы по газу Комитета по устойчивой энергетике ЕЭК ООН. Участники сессии отметили, что тенденция расширения использования природного газа на транспорте носит устойчивый характер. Европейский парк автомобилей, использующих данный вид топлива в 2000 — 2010 годах вырос в 3,4 раза и составляет 1,2 млн. единиц, а численность метановых заправочных станций — в 4,5 раза и превысила порог 3200 единиц. Потребление природного газа транспортными средствами в 2010 году составило 3 млрд. куб. м. По численности газовых автомобилей и потреблению природного газа на транспорте в 2010 году Россия заняла третье место в Европе после Италии и Украины: 100 тыс. машин и 320 млн. куб. м. метана.

За первые десять лет изолированные национальные рынки сформировались в единый глобальный газомоторный рынок, объединяющий более 80 стран мира и все ключевые отрасли мировой экономики. Годовой оборот газа вырос за последние десять лет с 2,4 млрд. м3 в 2000 году до примерно 30 млрд. м3 в 2010 году, а суммарная установленная производительность АГНКС достигла 40 млрд. м3 в год.

Отработанная технология получения газообразного высококалорийного топлива для дизельных и газотурбинных двигателей из биомассы древесины методом сверхкритических флюидных технологий при надлежащей поддержке позволит отвоевать не менее 10% растущего рынка газомоторных топлив.

Это возможно при изменении непоследовательной позиции государства в отношении газомоторного топлива. С одной стороны принимаются концепции и стратегии, всячески приветствующие расширение использования природного газа в качестве моторного топлива, а с другой стороны, технический регламент «О безопасности колесных транспортных средств» усложняет процесс перевода автотранспорта на газовое топливо, чем дестимулирует владельцев автотранспорта, желающих перейти на использование метана.

Быстрое развитие данного направления связано с исключительной экономической эффективностью и экологической чистотой, соответствующей требованиям, сформулированным в концепции «зеленой химии». Особые физико-химические свойства веществ проявляются в области сверхкритических температур и давлений. Вещества в сверхкритическом состоянии обладают аномально большой проникающей способностью. Можно сказать, что сверхкритические среды — это газы, сжатые до плотностей, приближающихся к плотностям жидкостей. Этим и объясняется тот факт, что сверхкритическое вещество являются хорошими растворителями. Важным аспектом СКТ технологий применительно к переработке растительного сырья является возможность их использования для углубленного обезвоживания, что создает значительные преимущества их энергетического использования. Известно, что граница целесообразности сжигания биомассы твердого топлива в энергетических целях проходит на уровне 30−35% влажности. При более высоком уровне влажности твердого топлива необходимо искать средства дополнительной переработки отходов для улучшения их энергетических показателей.

На зарубежном рынке ближайшими конкурентами по созданию компактного модульного оборудования газификации твердых топлив (ГТТ) из растительной биомассы, в том числе древесины, являются: Wamsler Umwelttechnik GmbH, Германия; фирма «Solarfocus», Австрия; фирма Flex Technologies, Inc. (Индия); Shanghai Chenchang Power Technology Co., Ltd (Китай); Hindustan Motors (Индия); FG Wilson (Великобритания).

Таблица № 1. Сравнительная характеристика газообразного энергоносителя (целевой продукт) и зарубежных аналогов

Из данных Таблицы № 1 видно, что предлагаемая по проекту технология высокоэффективной энергетической утилизации твердых отходов методом СКТ превосходит зарубежные аналоги по всем основным показателям.

Газообразное топливо, которое может быть получено методом сверхкритической технологии не потребует дополнительного оборудования для его последующего компремирования. Это создает условия для его успешной конкуренции природному газу, в частности в области его использования в виде газообразного моторного топлива и для его преобразование в высокооктановые топлива методом каталитического синтеза.

Внедрение СКТ технологий для нужд ЖКХ позволит:

— Оперативно утилизировать бытовые отходы;

— Сократить затраты городского хозяйства на транспортировку мусора за счет уменьшения транспортного плеча;

— Сократить, а в перспективе ликвидировать полигоны бытовых отходов; - Снизить расходы населения на оплату тепла и электроэнергии;

Базовые характеристики опытной установки

Таблица № 2

В простейшей комплектации установка может служить для получения тепловой энергии (пар, вода, нагретые газы и т. п.) например, для коммунальных нужд, для пропаривания бетона, отопления теплиц и т. п.

В случаях значительного удаления от потребителей тепловой и/или электрической энергии возможно расширение технологии до получения высокооктановых моторных топлив методом каталитического синтеза.

энергетический утилизация древесный флюидный

1. Обоснование и разработка технологических процессов производства тепловой и электрической энергии с использованием древесного топлива, включающей технологию и оборудование для сжигания древесного топлива: отчет о НИР (промежуточный) ЗАО «Технопарк Кременки»; рук. Иванова М. А. — г. Кременки Калужской обл., — 2007 — 89 с. — №

2. Разработка инновационной, экологически чистой технологии термической деструкции низкосортной древесины с получением пиротоплив широкого спектра применения. Выбор и обоснование принятого направления исследований и способов решения поставленных задач: отчет о НИР (промежуточный) ЗАО «Технопарк Кременки»; рук. Иванова М. А. — г. Кременки Калужской обл, -2010 — 216 с. — №

3.В. Я. Лоренц, А. И. Гриценко и др. Концепция развития новых производств в газохимической промышленности. Газовая промышленность, 2003. № 12. 80−85.;

4. US 7,241,401 Process for the production of synthesis gas, 2007 Haldor Topsoe;

5. US 7,094,363 Process for the preparation of a synthesis gas, 2006 Haldor Topsoe