Рефераты. Альтернативные топлива из биомассы

Одним из методов получения жидких моторных топлив является термическое растворение древесины в нефтяных фракциях при 380--450°С под давлением 10,0 МПа. При этом происходит ожижение древесины.

В США имеется экспериментальная установка, где из 1000 кг древесной щепы получается 300 кг топлива типа сырой нефти. Процесс ведут при давлении 28 МПа и температуре 350--375°С. В качестве катализатора применяют карбонат натрия.

В ряде стран (Италия, ФРГ, Аргентина и др.) созданы специальные энергетические плантации быстрорастущих пород древесины и других пород на землях, не пригодных для сельского хозяйства.

Плантации ивы в Швеции на заболоченных землях дают 25 т древесины с 1 га в год. Сбор древесины осуществляется через 2 года специальными комбайнами в зимнее время года, когда заболоченная земля замерзает. С 1 млн. га получается 15 млн. т древесины в виде сухого древесного топлива, что эквивалентно 20% энергии, необходимой для этой страны.

В рамках Западноевропейской программы развития возобновляемых энергоресурсов в Италии пущен крупный биоэнергетический комплекс, рассчитанный на ежегодную переработку 300 тыс. т быстрорастущей биомассы и органических отходов. Помимо газа и тяжелых остатков будет получено 20 тыс. т жидкого топлива. В Германии имеются большие плантации рапса, из которого получают смазочные масла и дизельное топливо.

В Латинской Америке, США и Франции из биомассы (отходов сахарного тростника, кукурузы и др.) получают этанол, используя обычно процессы брожения. В Бразилии получается более 10 млн. т этанола, который применяют как основное топливо для автомобилей (96%-ный этанол) или в смеси с бензином -- топливо “Газохол” (22 % этанола с 78 % бензина). В США из кукурузы получают более 3 млн. т этанола, который применяют в качестве добавки к бензину (5--10%) для повышения октанового числа и улучшения процессов сгорания.

Для использования в моторных топливах предложены производные метанола и этанола, которые не корродируют аппаратуру, безвредны, хорошо смешиваются и имеют высокие антидетонационные свойства:

В настоящее время в качестве добавки для повышения октанового числа используют метил-трет-бутиловый эфир.

Разработан новый процесс синтеза нормальных парафинов и изопарафинов, а также олефинов из нового типа исходного сырья -- растительной биомассы. Биомасса превращается газификацией воздухом в генераторный газ, содержащий оксид углерода и водород. В газе содержится около 50% азота, поэтому синтез из такого газа компонентов моторных топлив состава С5 --С22 является принципиально новым. Ранее во всех технологических процессах (Фишера -- Тропша, Сасол, Мобил) применяли концентрированный газ, состоящий только из СО и Н2.

Парафиновые углеводороды неразветвленного строения являются хорошими компонентами дизельных топлив. Для производства высокоцетановых моторных топлив желательно смешение фракций синтетических парафинов с цетановым числом 77--90, полученных по методу Фишера -- Тропша с дизельными фракциями нефти или продуктов гидрогенизации угля, которые имеют цетановое число 40--50.

Продукты синтеза, полученные посредством газификации биомассы, мог заменить нефтехимическое сырье.

Жидкие олефиновые углеводороды, которые получаются при синтезе, мог найти применение, помимо топливного назначения, для производства синтетических моющих средств. Из фракции углеводородов С2--С22, полученной биомассы, в процессе пиролиза на ванадиевом катализаторе могут быть получены этилен, пропилен и бутилены. При каталитическом пиролизе образует до 40--50% этилена и 60--65% суммы газообразных олефинов на исходи сырье. Проверка этого процесса в опытно-промышленных условиях показал что в зависимости от применяемого сырья этилен образуется с выходом от до 40% и олефины 60--65%. При термическом пиролизе выход этилена обычно не превышает 25--26%.

Таким образом, в результате переработки растительного сырья могут бы получены жидкие углеводороды -- компоненты моторных топлив и олефины, частности этилен для процессов нефтехимического синтеза.

Цель настоящего исследования -- разработка процесса получения компонентов жидких топлив (бензина, дизельного топлива) из продуктов газификации растительной биомассы СхНуОг при 900--1500° С. При этом образуется газ, содержащий оксид углерода, водород, диоксид углерода и азот:

CxHyOz + O2 + N2 = CO, H2, CO2, H2O, N2

Состав продуктов газификации зависит от исходного сырья (древесная щеп солома, отходы технических культур и др.). Обычно состав газа находится пределах, %: СО 15--25, Н2 12--15, СO2 7--12, N2--50. Может присутствовать небольшое количество других примесей, например СН4.

Характерной особенностью газов газификации биомассы воздухом является большое содержание азота -- 45--55%. Ранее полагали, что азот будет препятствовать синтезу жидких углеводородов из СО и Н2.

Каталитическую газификацию биомассы древесной пульпы проводят с помощью водяного пара с подводом тепла извне в трубчатых печах на никелевых катализаторах. В этом случае из 1 т биомассы получается 150--160 кг водород диоксид углерода отделяется. В процессе пиролиза расходуется 103,0 кД тепла на 1 молекулу водорода, а при сжигании 1 молекулы выделяете 285 кДж.

В промышленности для процесса Фишера -- Тропша синтез-газ получают каталитической конверсией метана с водяным паром при высоких температурах.

Газификация биомассы с водяным паром несколько сложней, чем газификация с применением воздуха, так как газогенераторы такого типа не разработаны.

Рассмотрим синтез углеводородов из генераторных газов газификации воздухе растительного сырья. Газификация воздухом (при неполном сгорании) -- известный технологический процесс переработки твердого органического сырья -биомассы, торфа, бурого угля.

Газы газификации воздухом в зависимости от исходного сырья имеют следующий состав, об.%:

СО

Н2

СO2

O2

N2

Древесная щепа

28,1

15,4

6,8

0,5

46,3

Солома

15,4

14,8

13,2

0,2

53,0

Бурый уголь

25,5

14,0

6,2

0,2

51,7

Газогенераторные установки, где в качестве топлива применяли биомассу -- древесину, отходы хлопка, кукурузы и др., а также уголь, ранее широко использовались. В 40-х и 50-х годах имелось более 200 тыс. различных стационарных и передвижных машин [9] и были сэкономлены миллионы тонн нефти. В 1980--1990 гг. газогенераторную технику использовали только в Канаде и США на лесозаготовках.

В Западной Европе в 1980--1990 гг. при уничтожении городского мусора применяли процессы газификации, получая генераторный газ, содержащий СО -- 22, Н2 12--15, N2 45--50. Установки такого типа фирмы “Фест-Альпине” (Австрия) экологически чистые, а газ может применяться для получения жидкого топлива.

В качестве аналогов газа газификации в настоящей работе использовали смесь газов следующих составов (об.%): СО -- 30, Н2 -- 15, С02 -- 5, N2 -- 50; СО -- 15, Н2 -- 20, С02 -- 15, N2 -- 50; СО -- 28, Н2 -- 15, СО2 -- 7, N2 -- 45.

Опыты проводили при давлениях 0,1 и 1 МПа и температурах от 180 до 230° С. Применяли промышленный Co-содержащий катализатор и катализатор, который готовили смешением основного карбоната кобальта с носителем. Все катализаторы восстанавливали в потоке водорода при 450° С. Схема установки показана на рис. 2. Опыты проводили при объемной скорости (о. с.) от 50 до 200 ч-1.

Для проведения большей части опытов был выбран Co-катализатор, активный в процессе синтеза углеводородов из водяного газа (СО--Н2) по Фишеру -- Тропшу. Результаты опытов, проведенных при атмосферном давлении и разном

Основные показатели процесса синтеза углеводородов из продуктов воздушной газификации биомассы (Р-0,1 МПа, Т-190--210 °С, о. с. 100 ч-1, катализатор 32% Со--3% MgO--ЦВМ*) Исходный газ, об.%

Выход углеводородов**, г/м3

Состав жидких углеводородов, %

СО

Н2

С02

N2

C1

С2-С4

>С5

общий

Олефи

ны

парафины

разветвленные

Нормальные

33

67

-

-

20

37

80

137

8

16

76

10

20

20

50

11/37

7/23

28/98

46/158

10

21

69

15

20

15

50

11/30

7/18

31/90

49/138

11

26

63

30

15

5

50

2/4

Следы

19/64

21/68

16

26

58

* ЦВМ -- цеолитсодержащий носитель

** В числителе дроби указан выход в расчете на пропущенный газ, в знаменателе -- в пересчете на СО + Н2.

В составе взятого для опыта газа, представлены в табл. 3. В табл. 4 приведен результаты опытов под давлением 1 МПа.

При увеличении давления с 0,1 до 1,0 МПа в присутствии Со - содержащего катализатора выход жидких углеводородов (>С5) в отдельных опытах достигал 52 г/м3 (без избыточного давления не превышал 31 г/м3). Если отнести этот выход к 1 кг использованных для газификации отходов древесины, то при 20%-ной влажности выход газа составляет 2,6--3 м3/кг. Если принять выход 2,6 м3/кг, то из 1 т отходов можно получить от 80 до 135 кг жидкого топлив Стабильность работы катализатора на газе воздушной газификации при 1,0 МГ характеризуется кривыми на рис. 3.

Рис 4. Типичная хроматограмма жидких продуктов синтеза углеводородов из продуктов газификации биомассы. Газ-носитель азот, капиллярная колонка длиной 50 м, жидкая фаза OV-101, 20--220°С, 8° С/мин

С учетом возможных потерь можно принять, что 1 г жидкого топлива будет получаться из 8--10 т сырья. На рис. 4 приведена типичная хроматограмма получаемой углеводородной фракции. Полученная углеводородная смесь содержит бензиновую фракцию С5--С, , и дизельную фракцию С,,--С18.

На этих примерах показано, что из газов газификации растительного сырья воздухом можно получить компоненты жидкого топлива, бензиновые и дизельные фракции, хотя в газах синтеза содержится до 50% азота.

Выход жидких углеводородов из 1 м3 газа (состав, об.%: СО 33, С02 33, Н2 33) достигает 114--117 г/м3, общий -- 160 г/м3. Общий выход (с учетом газообразных продуктов) достигает 170--190 г/м3, аналогично процессу Фишера -- Тропша из СО--Н2. Однако газ каталитической газификации биомассы с водяным паром содержит до 20--30% С02, который, вероятно, также частично входит в реакцию.

Была рассмотрена возможность создания передвижных опытных установок по переработке растительной биомассы в компоненты моторного топлива. Они включают газификацию биомассы воздухом при 900--1500° С, очистку газа и синтез жидких углеводородов. Принципиальная схема установки показана на рис. 5. Установки находятся в стадии проектирования.

Для синтеза можно использовать также газ, полученный газификацией растительной биомассы паром.

Таким образом, представлен процесс получения жидких моторных топлив из растительного сырья -- отходов сельского хозяйства, лесодобычи и лесопереработки, который можно осуществить на передвижных или стационарных установках.

Процесс состоит из газификации органического сырья (неполного сгорания) воздухом при 900--1500°С, в результате чего образуется газ, содержащий СО, Н2, СО2, Н2О, N2. В результате каталитической конверсии газа при 200--250°С и 1,0 МПа получается смесь жидких углеводородов. Азот воздуха в реакцию не вступает. При этих процессах 1 т компонентов моторного топлива получается из 8 т исходного сырья. Общий КПД синтез жидкого топлива из исходного сырья (биомассы) составляет около 40%. Из лесосечных или сельскохозяйственных отходов с 1 кв. км на передвижных установках можно получить от 100 до 200 т жидкого топлива.

Моторные топлива, полученные из растительной биомассы, экологически чистые, так как не содержат серу, а образующийся при их сгорании диоксид углерода вновь вовлекается в образование растений и не накапливается в атмосфере. Утилизация растительных отходов и отходов пластмасс оздоровляет экологическую обстановку. Это делает возможным получить дополнительное количество моторного топлива из отходов растительного и вторичного сырья, пластмасс. Помимо переработки отходов в ряде стран (Бразилия, Швеция, Италия, Германия и др.) практикуется создание специальных энергетических плантаций из быстро растущих пород древесины и других растений с целью последующей переработки для энергетических целей.

Рис. 5. Схема установки для получения жидкого топлива из растительной биомассы: 1 -- газогенератор; 2 -- воздушный компрессор; 3 -- адсорбер; 4 -- холодильник; 5 -- фильтр тонкой очистки; 6 -- компрессор; 7 -- реактор; 8 -- теплообменник; 9 -- сепаратор; 10 -- приемник жидкого топлива. Линии: I -- биомасса, II -- воздух, III -- отработанный газ, IV -- синтетическое жидкое топливо

Выводы

АЛЬТЕРНАТИВНЫЕ ТОПЛИВА, получают в основном из сырья не нефтяного происхождения, применяют для сокращения потребления нефти. Главные виды альтернативного топлива: сжиженные и сжатые горючие газы (напр., метан); спирты, продукты их переработки и смеси с бензином (напр., метанол, метил-третбутиловый эфир); топливные смеси (напр., водно-угольные); синтетическое жидкое топливо; водород.

Биотопливо производится из органических материалов, типа пшеницы, канола и сои.

Использование альтернативных видов топлива, значительно экологичнее, а его стоимость в объеме, эквивалентном 1 литру бензина, составляет намного меньше.

Использованная литература:

1. www.podrobnosti.ua

2. www.zn.ua

3. www.intellect.org.ua

4. e-news.com.ua

5. Аделъсон С. В., Мухина Т. Н. // Нефтепереработка и нефтехимия. Информ сб 1991. № 7 С 30.

Страницы: 1, 2, 3



2012 © Все права защищены
При использовании материалов активная ссылка на источник обязательна.