Текст книги "Биоэнергетика. Мир и Россия. Биогаз. Теория и практика. Монография"

Из 1 кг пеллет можно получить около 0.6 кг «син-газа» (0.28 кг нефтяного эквивалента/кг пеллет).

Сырье для газификации: древесина, солома, стебли кукурузы, багасса, отходы растениеводства, отходы лесоводства, специальные плантации.

Стоимость 1 тонны син-газа 250 евро (500 евро за 1 т нефтяного эквивалента) при условии стоимости исходной биомассы 20 Евро/т (влажность 10 %) и мощности завода 130 т СИН-ГАЗА/ГОД.

Син-газ далее используется для получения водорода, метанола, аммония, электрической энергии и серы.

Для получения син-газа все шире используются твердые бытовые отходы [3-15].

Состав син-газа, получаемого при t-1200 °C из твердых бытовых отходов (ТБО):

Водород – 25–42 %, угарный газ – 25–42 %, углекислый газ – 1035 %, азот – 2–5%, метан >1 %, сероводород – следы.

В Японии, в провинции Чиба работает завод по переработке 300 тонн ТБО/ сутки для производства син-газа, идущего на получение водорода для сталелитейного завода.

Рис. 3-13. Япония, провинция Чиба, завод по производству водородаиз син-газа из ТБО

В провинции Мутсу работает завод мощностью по переработке 140 тонн /сутки ТБО для производства электроэнергии, в провинции Нагасаки – 300 т/сутки ТБО для производства электроэнергии, в провинции Курашики – 555 тонн/сутки ТБО для сталелитейного завода, в провинции Юории – 450 тонн/сутки ТБО для паровых турбин, в провинции Токушима – 120 тонн/сутки ТБО для производства электроэнергии, в провинции Изуши – 95 тонн/сутки для паровых турбин.

В Италии в местечке Фондотоц работает электростанция на сингазе, получаемого при газификации ТБО. Завод, производящий син-газ, имеет мощность по переработке 95 тонн ТБО/сутки.

Рис. 3-14. Италия, местечко Фондотоц, электростанция, использующая син-газ, получаемый из ТБО.

В Германии в местечке Карлсрух работает завод мощностью по переработке 720 тонн/сутки ТБО для производства тепловой энергии для муниципальный целей и эксплуатации паровых турбин.

Массовый баланс при получении син-газа при газификации ТБО. [3-15].

Сырье: Отходы – 1000 кг +кислород, природный газ – 514 кг = 1514 кг

Продукты: син-газ 890 кг, минеральные вещества – 230 кг, металлы – 29 кг, сера – 2 кг, цинковые соединения – 3, смесь солей – 10 кг, чистая вода – 350 кг = 1514 кг.

Пиролиз – процесс переработки лигноцеллюлозного материала без доступа воздуха для получения жидких органических топлив – бионефти.

В Канаде в провинции Онтарио (Зап. Лори) в компании «Дина Мотив энерджи систем» работает завод по получению бионефти пиролизом мощностью по обработке 200 тонн в сутки [3-16].

Для этого процесса можно использовать до 20 видов биомассы, из которых пиролизо получают от 58 до 80 % бионефти на 1 тонну исходного сырья: кукурузная шелуха, еловая и сосновая древесина, древесина листвиницы, багасса, береза, черный тополь, кедр, солома, ТБО. Наилучшим является кукурузная шелуха, которая дает до 80 % бионефти, 12 % активированного угля, 7 % газов на 1 тонну. Сосново-еловая древесина (смесь) дает до 70 % бионефти, 14 %– угля, 13 % газов, солома пшеницы – 58 % бионефти, 18 % уголь, 24 % газы.

Формула С₂ Н₅ ОН. Молекулярный вес 46.1 С-52.1 %, Н₂ -13.1 %, О₂ -34.7 %, С/Н = 4, стехиометрическое отношение (воздух/этанол) = 9.0.

СЫРЬЕ: сахарная свекла, сахарный тростник, кукуруза, пшеница, картофель, сладкое сорго, касава, меласса, багасса. [3-13].

Таблица. 3–8. Производства спирта из разных культур с 1 га и стоимость 1 куб. м [13].

СЫРЬЕ ОБЪЕМ ПР-ВА СТОИМОСТЬ

т ЕтОН/га $ /куб. м

1. Сахарная свекла 2.5 – 3.0 300-400

(15 Евро/т)

2. Сахарный тростник 3.5 – 5.0 160 (best)

3. Кукуруза 2.5 250-400

4. Пшеница 0.5–2.0 380-400

5. Картофель 1.2–2.7 800-900

6. Сладкое сорго 3.0–5.0 200-300

7. Кассава 1.5–6.0 700

8. Синтетический спирт 540 (min)

9. ТБО 20 куб. м/т

Мировой рынок этанола [3-13].

1. БРАЗИЛИЯ – 160 Евро/1куб. м

2. БРАЗИЛИЯ (безводный спирт) – 220 Евро/1 куб. м

3. США (Безводный спирт) – 250 Евро/1 куб.м

4. ЕВРОПА (безводный спирт из сах. св.) – 350–450 Евро/1 куб. м

Импорт спирта в Европу– 190 Евро/1 куб. м

Мировая потенциальная потребность в этаноле два миллиарда тонн в год.[17].

Современное мировое производство 32 миллион тонн в год: пищевой этанол 4 млн. куб. м, для химической промышленности – 8 млн. куб. м, топливный этаноли – 20 млн куб. м)

7% этанола производят химическим синтезом, 93 % – брожением; 60 % получают из сахара, 40 % – из зерна.

Бразилия в 1999 г. производила 6.5 млн. куб. м в год, что обеспечивало 13 % ее общих потребностей в энергоресурсах и 19 % потребности в жидком топливе, что позволило сэкономить 35.6 млрд. $ US. Для ДВС используется 26 % этанола в смеси с бензином, для дизельных двигателей – 3 %.

Современное (2004) производство этанола в Бразилии составляет 13 млн. куб. м (сахарный тростник) при потреблении 12.6 млн. куб. м в год.

1 баррель спирта – 25 $ US; 1 баррель бензина – 35 $ US.

США – 2-я страна по производству этанола – 5.5 млн. куб. м в год (2003).

В США– 90 % этанола получают из кукурузы, 8 % – из сорго.[18].

В 2004 году производство этанола в США составило 10.5 млн. т. На эти цели было использовано 13 % урожая кукурузы.

В 2008 г. в США было произведено 37.8 млн. т/год [3-19].

В 2013 г. совокупное недельное производство составило 6,337 млн. т, что представляет собой рекордный объем, произведенный за неделю с июня 2013 года – то есть рекордный, по меньшей мере, с начала текущего сезона.(В год может составить 330 млн. т)[3-20]

В штате Калифорния введен запрет на использование метилтрет-бутилового эфира. 70 % бензина, используемого на Юге штата и 57 % – на Севере штата, смешиваются с этанолом.

Добавление 1 части этанола в бензин ведет к экономии 3 частей нефти. Спирт является единственным возобновляемым жидким источником топлива, использование которого в качестве добавок к бензину не требует изменения конструкции двигателей.

К 2012–2015 годам потребление этанола в США составит 15.8 млн. т.

Кроме кукурузы необходимо искать другие сырьевые источники, например, древесная целлюлоза-полимер глюкозы., или традиционные источники сахарозы и крахмала: сахарная свекла (меласса, свекольный жом), сахарный тростник (багасса), сладкое сорго, картофель, и. т. д.

В этом плане представляет интерес Европейский проект «Сладкое сорго».

С 1 гектара из сладкого сорго можно получить:

1. Багассы (сухой) – 15 тонн

2. Зерна 5 тонн

3. Сахара 7 тонн

4. Листьев 1.88 тонны

5. Корней 2.3 тонны

6. Этанола 3–5 куб. м

Прогноз по производству и потреблению спирта к 2020 году: Мир – производство 233.6 млн. т, потребление – 250 млн. т; 120 млн. тонн/год, США потребление – 92.5 млн. т; Бразилия, потребление – 44.8 млн. т; ЕС – 8.3 млн. т; Китай– 6.15 млн. т./год.

В Таблице 10 нами приведены расчеты, показывающие уменьшение использования бензина в США и Европе за счет потребления топливного этанола. Расчеты показывают, что США в 2009 году уменьшилось потребление бензина на 10 %, в ЕС – на 3 %, а в Германии – на 4.4 %.

Бензин и этанол – мировые перспективы.

Таблица. 3-10

Уменьшение использования бензина за счет потребления этанола в США, странах ЕС, в том числе Германии в 2009 году (млн. тонн) [3-57]

Как видно из Таблицы 11, в странах ЕС-27 не выполняется Директива ЕС 2003/30 относительно потребления топливного этанола. Исполнительная власть Евросоюза предложила членам этой региональной организации довести к 2020 году до 20 % долю возобновляемых источников энергии, сократить на 20 % к уровню 1990 года объемы вредных выбросов в атмосферу и снизить на 20 % общие энергетические затраты. Так называемый план «20-20-20» предусматривает также постепенный переход стран ЕС с 2013 года на систему продажи квот на выбросы CO₂, что, к сожалению, в ЕС не выполняется.

Таблица. 3-11

Потребление этанола и бензина в ЕС-27 (млн. тонн в год) [3-57]

3.13.5.1. Биоэтил-три-бутиловый эфир (BIO-ETBE)

Получается смешиванием биоэтанола – 48 % по объему и третичного бутанола с последующим нагреванием в присутствии катализаторов (октановое число – 112), используется в смеси с бензином для любых двигателей.

3.13.5.2. Биодизельное топливо. – продукт эритрификации растительных масел.

Мировое потребление дизельных топлив – 145 л/человека в год.

Современное производство биодизельного топлива [3-21]: Мировое – 1.7 млн. тонн/год, Европейский Союз -1.5 млн. тонн/год, Восточная Европа – 0.1 млн. тонн/год, США – 0.07 млн. тонн/год.

Прогноз – к 2020 году мировое производство биодизельного топлива может составить 23 млн. тонн.

В Европе для получения биодизельного топлива используется рапсовое масло (1–1.5 т/га).

Растительное масло эритрифицируется метанолом (1 тонна масла + 100 кг метанола + 100 кг глицерина), добавляется в количестве 5 % к дизельному топливу.

СОВРЕМЕННЫЕ ДИЗЕЛЬНЫЕ ДВИГАТЕЛИ МОГУТ РАБОТАТЬ НА 100 % БИОДИЗЕЛЬНОМ ТОПЛИВЕ.

3.13.5.3. Биометанол – может стать предпочтительным топливом для топливных элементов.

БИОМЕТАНОЛ получают из син– газа, или смеси Н₂ и СО, получаемых из биомассы в присутствии О₂. (Производство синтетического метанола составляет 27 млн. т/год)

3.13.5.4. Биометил-три-бутиловый эфир (BIO-MTBE) – аналогичен BIO-ETBE), получают смешивание биометанола (36 % по объема) и третичного бутанола при нагревании и катализаторах.

3.13.5.5. Биодиметил эфир (BIO-DME) – добавляется к дизельному топливу (2 %) для улучшения его качеств. Может получаться из син-газа или чистого метанола в присутствии алюмосодержащих катализаторов.

Биосинтетические топлива: широкий ряд чистых биосинтетических топлив может быть получен из «БИОСИНГАЗА», получаемого из биомассы, или из Водорода и Угарного газа по реакции Фишера-Тропша.

3.13.5.6. Биоводород.

Продукт переработки биомассы. Это превосходное чистое топливо, очень энергоёмкое (в 3 раза выше, чем нефть на единицу веса) и не дает углекислого газа в атмосферу в процессе сгорания, как все углеросодержащие топлива.

Известно несколько путей его получения:

1. Брожение сахаросодержащего или крахмалистого сырья (багассы, мелассы и т. д.)

2. Электролиз воды при использовании биоэлектричества. Это очень эффективный процесс, но стоимость инвестиций и стоимость получаемого водорода относительно высока (2000–3000 Евро/тонну водорода с 4,5 кВт час/куб. м водорода).

3. Каталитическим изменением биосингаза – смеси угарного газа/водорода, получаемых из твердой биомассы. Стоимость 1700 Евро/тонна через паровое преобразование угля/ пеллет, получаемых из биомассы (30 Евро/dT).

4. Разделением сингаза на мембранах.

5. Из водного раствора биоэтанола (99 % превращения – 75 % конверсии энергии).

6. Из биометанола через паровое реформирование.

3.13.5.6. Производство биогаза (см. подробнее во 2-й части).

Ежегодное количество органических отходов по разным отраслям народного хозяйства России составляет более 270 млн. т. Сельскохозяйственное производство дает 200 млн. т, из них 66.5 млн. т приходится на животноводство и птицеводство, 126 млн. т – на растениеводство. Лесо– и деревопереработка дают 70 млн. т, твердые бытовые отходы городов – 16 млн. т, осадки коммунальных стоков – 4.9 млн. т (все приведенные значения даются на абсолютно сухое вещество по итогам исследований по заказу Института энергетической стратегии РФ. 2006 г. Панцхава Е.С.).

Приведенные ниже потенциальные возможности производства биотоплив в России рассчитаны на основании запасов того или иного вида сырья, мощности существующих или существовавших относительно недавно производств, а так-же современных достижений отечественной науки и техники.

Россия может стать крупным экспортером древесной щепы и пеллет для Европы и других стран.

В России сосредоточена четвертая часть мировых запасов леса -82 миллиарда куб. метров или 41 млрд. тонн древесины. В мире таких ресурсов нет. Лес в России занимает 2/3 территории – 1,2 млрд га.

Для переработки без нанесения ущерба для лесных плантаций можно в целях энергетики использовать, как минимум, до 0.16 % ежегодно, или 130 млн. куб. м = 65 млн. тонн. Стоимость экспорта такого количества может составить 3.9 млрд. Евро в год. Энергоемкость такого объема древесины составляет 1.1 ЕДж (10¹⁸)

Но для этого нужны очень крупные инвестиции для создания производственных мощностей и инфраструктуры.

Существующие промышленно используемые технологии переработки лесной древесины и других видов лигноцеллюлезного и гемицеллюлезных материалов для получения топлива можно в ХХI веке высоких технологий отнести к «варварским» способам, так как древесина – это прекрасное сырье для химической промышленности и производств широкого профиля товаров промышленного и бытового применения.

Для производства пеллет можно использовать солому злаковых и крупяных культур, масса накопления которой ежегодно составляет 80-100 млн. тонн. При использовании для производства пеллет только половины этой массы можно получить за счет экспорта до 1.2 млрд Евро.

Таким образом, потенциальные возможности от производства и экспорта пеллет в год для России могут составить 5.1 млрд. Евро.

Проведенные исследования и имевшийся в стране опыт строительства газогенераторных установок в 30 – 40 – х годах позволили создать газогенераторы нового поколения, реализующие обращенный процесс слоевой газификации при атмосферно-воздушном дутье, что повышает КПД таких систем..

Наиболее активно ведется разработка и создание оборудования для газификации твердой биомассы с целью создания автономных тепло– и электростанций, работающих на генераторном газе.

Ведущей организацией по этому направлению является АО "Энерготехнологии" (г. Санкт-Петербург), научный руководитель проблемы профессор, доктор техн. наук Л.В.Зысин.

При отработке технологий и освоении производства термических газогенераторов для переработки биомассы в газообразное топливо с 1987 по 1995 гг. были проведены комплексные исследования по кинетике процессов термической газификации различных видов растительной биомассы: отходов деревообработки, лесосечных отходов, рисовой лузги, лигнина, твердых бытовых отходов, торфа и т. д.

Газогенераторы, объединенные в один энергетический комплекс с водяными котлами или дизельными электрогенераторами, используются для получения тепловой и электрической энергии.

Разработан типоразмерный ряд газогенераторов с тепловой мощностью 100, 200, 600, 3000 и 5000 кВт. Освоено производство опытных серий газогенераторов тепловой мощностью 100 и 200 кВт. Успешно прошли испытания газогенераторы на 600 и 3000 кВт и осуществляется подготовка к их серийному производству. Созданы и испытаны горелочные устройства для сжигания генераторного газа, топочные устройства.

По техническим характеристикам созданные газогенераторы отвечают современному мировому уровню, что подтверждается интересом к ним фирм Швеции, Финляндии и Израиля.

Реализация обращенного процесса газификации позволила в 8-10 раз снизить смолосодержание генераторного газа, что позволяет использовать его в дизельном двигателе при минимальной очистке. При переходе на генераторный газ мощность двигателя практически не меняется, существенно улучшаются экологические показатели энергетических установок, на 40–50 % повышается их моторесурс.

На базе таких газогенераторов могут создаваться автономные, не зависящие от централизованного энергоснабжения установки или станции для тепло– и электроснабжения потребителей в любых регионах страны, имеющих сырье и лишенных энергоснабжения. К этим регионам прежде всего относятся районы Сибири, Крайнего Севера, а также большинство сельских районов, располагающих отходами лесопроизводства (опилки, кора, щепа, хлысты, пни) и растениеводства (солома любая, стебли подсолнечника, кукурузы и т. д. – всего до 360 млн. куб. м).

АО "Энерготехнология" в рамках ГНТП России "Экологически чистая энергетика" создало две газогенераторных станции.

1. Газогенераторную станцию теплоснабжения мощностью 200 кВт (т), включающую слоевой генератор прямого процесса, теплогенератор с горелочным устройством для горячего водоснабжения. Станция предназначена для обеспечения горячей водой 20 коттеджей с площадью отапливаемых помещений по 150 м2 каждый. В качестве сырья для газификации будут использоваться твердые бытовые отходы или их смесь с иловыми осадками очистных сооружений при интегральной влажности до 60 %.

Характеристики станции следующие: диапазон регулирования мощности 80-250 кВт; расход топлива (по сухому веществу) на номинальном режиме 80 кг/ч; низшая, теплота сгорания генераторного 4 МДж/м (при нормальных условиях); держание влаги в генераторном газе до 25 % об.; потребляемая электрическая мощность не более Вт.

2. Газогенераторную станцию тепло– и электроснабжения тепловой мощностью 600 кВт, включающую слоевой газогенератор обращенного процесса, систему очистки генераторного газа, водогрейный котел и дизельгенератор мощностью 299 кВт. Станция предназначена для автономного обеспечения теплом и электроэнергией,200-квартирного дома. Сырье для газогенерации – все виды органосодержащих отходов при влажности не более 60 %.

Характеристики станции:

• номинальная мощность при электрической нагрузке 180 кВт; номинальная мощность при тепловой нагрузке 450 кВт; диапазон регулирования электрической мощности от 0 до 220 кВт; расход биотоплива (сухое вещество) на номинальной нагрузке 240 кг/ч; расход дизельного топлива для "подсветки" на номинальной нагрузке 5 г/кВт;

• низшая теплота сгорания генераторного газа 4,5 МДж/м³ (при нормальных условиях);

• содержание влаги в генераторном газе до 30 % об.;

• потребляемая электрическая мощность на собственные нужды станции не более 30 кВт (15 %).

Коэффициент использования теплоты генераторного газа при выработке тепловой энергии 85 %, при комбинированной выработке тепловой и электрической энергии 80–84 %.

Благодаря применению обращенного процесса газификации на 20 % снижается металоемкость теплоэлектрической установки.

В этой области биоэнергетики Россия имеет определенные реальные успех в создании современного оборудования для газификации твердой биомассы (древесины, лузги, ТБО).

Компанией «ЭНЕРГОТЕХНИКА» (Санкт-Петербург) создано несколько типов газогенераторов.

Газогенератор Г-3М. Мощность 4 МВт, Топливо лузга подсолнечника, расход топлива – 30 т/час, к.п.д. – 86 %, место установки – г. Пологи Запорожской области Украины.

Газогенератор Г-50. Мощность – 100 кВт, расход топлива 40 кг/час, к.п.д. – 76 %, выход сухого газа – 70 куб. м/час.

2.3. Газогенератор УТГ-600. Мощность 600 кВт, к.п.д. – 83 %, выход сухого газа – 500 куб. м/час, расход топлива – 380 кг/час.

Рис. 3-15. Газогенератор УТГ-600.

При переработке вышеуказанных потенциальных объемов древесины и соломы методами газификации в «синтез-газ» можно получать в год до 85 млрд куб. м «синтез-газа» на сумму 15 млрд. Евро [3-33].

Экспорт транспортного этанола также может стать в перспективе серьезным источником валюты и экологически чистым энергетическим товаром России на международном топливном рынке.

В 2002 году в России произведено из пищевого сырья 1.31 млн. куб. м этанола, производство синтетического этанола – 0.15 млн. куб. м, технического гидролизного этанола составило 0.044 млн. куб. м.

Россия располагает мощностями, использующими гидролизные технологии, позволяющими производить до 0.2 млн. т гидролизного спирта.

Однако, гидролизные технологии, основанные на использовании серной кислоты, являются экологически вредными.

Необходимо разрабатывать современные экологические чистые экологии эффективного разложения древесины на целлюлозу (полимер глюкозы) и лигнин.

Другими видами сырья, обеспечивающими производство этанола в России могут быть:

• меласса (отходы сахарного производства),

• картофельный крахмал,

• сладкое сорго.

Объемы производства мелассы в 2013 году составил 1.56 млн. тонн. Из 100 кг мелассы можно получить 30 л этанола, или из 1.56 млн. тонн – 468 млн. л = 468 тыс. м³ или 390 тыс. т.

Рис. 3-16. Сахарная свекла.

Стоимостью 309 млн. $ US. (Средняя стоимость 1 литра = 0.66 $US [3-34]).

Сырьем для производства этанола может быть также использован свекловичный жом. Объемы его производства в 2013 году составили 31.2 млн. тонн. Выход этанола может составить 681 тысяч куб. м или 565 тыс. т на сумму 450 млн. $ US.

Итого общий выход этанола из отходов производства сахара может составить 1149 тысяч куб. м на общую сумму – 759 млн. $ US.

Для производства этанола можно использовать непосредственно сахарную свёклу, урожай которой в 2013 голу в России составил 39 млн. тонн, при содержании сахара в ней 16 %, выход этанола мог бы составить 3.99 млн. куб. м на сумму 2.6 млрд. $ US.