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 ресурсам, а переработка сельскохозяйственных, лесных и бытовых отходов способствует охране окружающей среды от загрязнений и получение нефтеподобных веществ.
Растительная биомасса (например, стебли хлопчатника – гуза – паи) представляет собой сложную смесь различных соединений. В расчете на сухое вещество в ней содержится 5 – 30% водорастворимых соединений (сахара, крахмал, мочевина, соли), 5 – 10 % протеинов, 25 – 90% целлюлозы и гемицеллюлозы, 5–30% лигнина, 1–13% нерастворимых в воде неорганических соединений. Гуза–пая характеризуется высоким содержанием кислорода, достигающим 40%, пренебрежимо малым содержанием такого не желательного элемента, как сера.
К недостаткам гуза – паи как сырья для получения моторных топлив относятся рассредоточенность ее запасов и необходимость поддержания экологического равновесия. Сырая гуза–пая отличается высокой влажностью (30-90) %. Энергоплотность сырой гуза – паи колеблется в пределах 1 – 15 ГДж/м3, и после сушки ее теплота сгорания 16 – 24 ГДж/Т.
Превращение гуза – паи в топливо пригодные для непосредственного использования, осуществляется светотермохимическими и светобиохимическими процессами. К светотермохимическим процессам переработки относятся прямое солнечно - электрическое сжигание, солнечно – электрический пиролиз, солнечно – электрическая газификация и солнечно – электрическая экстракция масел, к светобиохимическим ферментация и анаэробное разложение. Перед переработкой гуза – паи обычно проходят стадии подготовки, включающие измельчение, сушку и другие.
Разработан и исследован солнечно – электрический способ переработки биомассы (гуза-паи) в условиях юга Республики [1]. Результаты расчетов и проведенных исследований приведены в таблицах 1 и 2.
Расчеты площадей складов при кучевом методе складирования гуза – паи
таблица -1.
|
Мощность предприятия по перерабатываемому сырью, тыс. м3 |
Максимальный объем кучи, тыс. м3 |
Необходимый объем гуза – паи, тыс. м3 При запасе, мес. |
Необходимая площадь склада, м2, при запасе, мес. |
||
|
3 |
12 |
3 |
12 |
||
|
70 |
50 |
17,5 |
70 |
16400 |
38300 |
|
140 |
50 |
35,0 |
140 |
24400 |
65600 |
|
350 |
50 |
87,5 |
350 |
44200 |
148400 |
Измельчения гуза – паи являются основными операциями в цикле подготовки сырья для солнечного электрического пиролиза и производятся с целью получения необходимых по длине и толщине размеров щепы для измельчения гуза – паи применяют двух щнековые измельчители или КДУ. Оптимальная длина составляет (3,2 – 6,3) 10-2м, оптимальная влажность щепы гуза – паи 15 – 25%.
Влияние кусков гуза – паи на выход продуктов
таблица -2.
|
Продукт |
Выход, % от массы аб. сухой гуза – паи, при длин кусков, 10-2 м |
||||
|
3,2 |
6,3 |
12,5 |
25,0 |
50,0 |
|
|
Уксусная кислота Метанол Смола: Отстойная Растворимая |
5,20 1,60
7,00 4,30 |
5,90 1,67
6,02 4,83 |
5,32 1,42
6,90 4,09 |
4,53 1,30
6,90 3,03 |
4,23 1,20
2,52 - |
Солнечный электрический пиролиз – процесс светотермические деструкции высокомолекулярных компонентов гуза–паи с образованием низкомолекулярных продуктов сопровождающийся вторичными реакциями фотодиссосации, конденсации и т.п. реакциями усложнения молекул с образованием нелетучего остатка, под действием высоко концентрированного солнечного светового потока и тепла в среде, практически не содержащий кислорода. Солнечный электрический пиролиз гуза – паи можно разделить на четыре стадии:
1. Солнечная и электрическая сушка гуза – паи с оптимальной влажностью 15 – 25%, заканчивающийся примерно при 150°С. На этой стадии из гуза – паи удаляется содержащаяся в ней влага, химический состав гуза – паи почти не изменяется и летучих продуктов практически не образуется. Сушка гуза–паи осуществляется в реакторе солнечного параболоцилиндрического концентратора с термоэлектрическим нагревателем.
2. Начальная стадия свето–термораспада гуза – паи, протекающая при температуре от 150 до 270°С. В этот период начинается свето–терморазложение менее термостойких компонентов гуза – паи с выделением реакционной воды, углекислоты, окиси углерода, уксусной кислоты и некоторых других пирогенетических продуктов. Изменяется химический и элементный состав 1 и 2 стадии эндотермический, и идут лишь при подводе тепла от солнечного параболоцилиндрического концентратора и термоэлектрического нагревателя.
3. Стадия собственно солнечного и электрического пиролиза – бурного светотермораспада гуза–паи с выделением тепла (экзотермический процесс) и образованием основной массы продуктов разложения. Начинается она при 270-275°С и заканчивается примерно при 400 °С. Подвод тепла извне отсутствует.
4. Стадия прокали угля (не считая охлаждения угля) заканчивается в зависимости от вида реактора и способа солнечного и электрического пиролиза при температуре 450-600 °С. При этом выделяется небольшой объем жидких продуктов и значительных газов. Осуществляется снова за счет подвода тепла из солнечного параболоцилиндрического концентратора и термоэлектрического нагревателя.
Общая характеристика процесса солнечного и электрического пиролиза гуза-паи в реакторе периодического и электрического пиролиза гуза-паи в реакторе периодического действия с внешним нагревом показана на рис. 1.
Рис.1. Солнечный параболоцилиндрический концентратор с реактором.
1-вращающий механизм; 2-поршень; 3-бункер для загрузки сырья; 4-реактор; 5-сырье; 6-солнечный параболоцилиндрический концентратор; 7-термоэлектрический нагреватель; 8-термопары; 9-солнечные лучи; 10-трансформатор тока; 11-расходомер; 12-конденсатор-холодильник; 13-газгольдер; 14-емкость для хранения нефтеподобного вещества; 15-емкость для древесного угля.
Процесс светотермического распада заключается, с одной стороны в деструкции макромолекул компонентов гуза-паи с образованием низкомолекулярных летучих продуктов и с другой в образовании нелетучего твердого «полимерного» остатка – древесного угля. Изучены зависимости элементного состава древесного угля от температуры солнечного и электрического пиролиза (табл. 3).
Зависимость элементного состава угля от температуры солнечного и электрического пиролиза.
таблица -3
|
Температура солнечного и электрического пиролиза |
Элементный состав, % на абс. сухой гуза – паевой уголь |
||
|
Углерод |
Водород |
Кислород + азот |
|
|
400 |
78,82 |
4,04 |
17,14 |
|
500 |
87,22 |
3,74 |
9,04 |
|
600 |
90,47 |
3,05 |
6,48 |
|
700 |
92,23 |
1,63 |
6,14 |
Выход продуктов солнечного и электрического пиролиза гуза –паи, состав жидких продуктов и теплотехнические характеристики газов получаемые в реакторах приведены в таблицах 4, 5 и 6. При этом выход древесного угля из 1 м3 гуза-паи составляет 142 -154 кг [2].
Выход продуктов солнечного и электрического пиролиза из древесины березы, сосны гуза-паи
таблица-4
|
Продукт |
Выход, % от массы а.с.д. |
Продукт |
Выход % от массы а.с.д. |
||||
|
Березы |
Сосны |
гуза–паи |
Березы |
Сосны |
гуза–паи |
||
|
Уголь смолы: отстойная растворимая |
31,8 7,9 8,2 |
37,8 11,7 8,0 |
28,7 8,5 7,9 |
Газы углекислот |
10,0 |
10,1 |
9,9 |
|
уксусная кислота |
7,1 |
3,5 |
4,5 |
окись углерода |
3,3 |
3,7 |
3,0 |
|
метанол |
1,6 |
0,9 |
1,4 |
метан |
0,5 |
0,6 |
0,4 |
|
вода |
27,8 |
22,3 |
26,2 |
непредельные углероды |
0,2
|
0,2
|
0,2
|
|
потери |
1,6 |
1,2 |
1,50 |
||||
Состав жидких продуктов солнечного электрического пиролиза гуза-паи
таблица-5
|
Реактор |
Жижка |
Кислоты |
Спирты |
Альдегиды |
Смолы |
|
||
|
Общие |
Летучие |
Отстойная |
Растворимая |
|||||
|
Вертикальная непрерывно действующая |
42,0-48,8 |
5,7-8,6 |
5,4-7,4 |
0,8-3,0 |
0,6-1,6 |
6,8-8,6 |
5,0-10,2 |
|
|
горизонтальная периодически |
68,5-70,7 |
6,5-7,0 |
5,6-6,4 |
1,1-2,2 |
до 0,7 |
4,9-5,5 |
2,9-32 |
|
Характеристика газов, получаемых в реакторах с различными способами и нагрева
таблица-6.
|
Реактор |
Состав газа, % по объема |
Теплотворная способность Дж/м3, при нормальных условиях |
||||||
|
СО2 |
СО |
СН1 |
Сn Нm |
H2 |
U2 |
N2 |
||
|
Вертикальная непрерывно действующая |
28,1-28,8 |
14,0-17,0 |
2,0-6,0 |
0,4-0,9 |
6,8-8,3 |
0,3-0,4 |
44,2 |
(3,9-4,9)×106 |
|
горизонтальная периодически действующая |
47,7 |
16,9 |
9,7 |
1,9 |
17,0 |
0,4 |
6,8 |
8,3×106 |
Влияние давления на выход продуктов солнечного и электрического пиролиза
таблица-7.
|
Давление, Па |
Выход, % от массы а.с.д. |
|||
|
Угля |
Летучих кислот |
Метанол |
Смол |
|
|
6,7 ×102 9,8 ×104 8,2 ×105 8,8 ×106 |
19,5 36,6 40,9 44,0 |
9,4 6,3 5,4 4,2 |
1,2 1,4 1,5 2,5 |
37,2 17,1 9,1 - |
Расход тепла при солнечном и электрическом пиролизе гуза-паи определяется следующим образом. Удельный расход условного топлива непосредственно в опыте составляет 300 – 600 кг/т (9-18 ГДж/т), кроме того, на переработку жидких продуктов солнечного и электрического пиролиза расходуется технологический пар с удельным расходом энергии 8-16 ГДж/т.
Удельный расход тепла для солнечного электрического пиролиза в вертикальной реакторе выражен приближенно уравнением
, 
Выход с 1 т абсолютно сухого гуза-паи: древесного угля до 28,7%, пирогаза- 18-20%, нефтеподобной жидкости – 22-25% и пирогенетические воды 20-26,3%. Для солнечного и электрического переработки применяют преимущественно отстойную смолу, из которой получают три основных фракции: легкие масла до 170 °С, а креозотные масла 170-230 °С, тяжелые масла до 300 °С. Легкие масла применяются как топливо тут же на производстве, креозотные масла сбываются на деревопропиточные заводы, тяжелые масла идут в производство для выделения уксусной кислоты.
Выход легких масел из сухоперегонной смолы составляет 8 – 9%, выделенная в лабораторном реакторе легких масел имела удельный вес (при 20 °С), 0,933 и кислотность (считая на СН3 СООН)-5,9%.
До 100 °С перегонялось 5% до 200 °С -75%. Конец кипения наступал при 228 °С [2,3].
Разработан метод получения из легких масел горючего для двигателей внутреннего сгорания – древесносмоляного бензина (бензина ДС) и древесносмоляного лигроина (лигроин). Метод заключается в перегонке масел из куба с отгонкой всех фракций до 190°С последующей двукратной обработкой дистиллята водой (в отношении 1:1), обработкой 10 % раствором NaOH (в отношении 0,25:1) и вторичной перегонкой. Выход очищенного бензина ДС составлял 60% от сырой фракции с пределами кипения 150-200 °С.
По этому направлению получены 5 патентов: 3 патента Российской Федерации и 2 патента Республики Узбекистан.
Литература:
1. Патент РФ. № 2005 406913. Способ и солнечная установка для получения исскуственного жидкого топлива из углеродсодержащих материалов. Иванчевская Э.С., Раббимов Р.Т., Стребков Д.С., Трушевский С.Н. опубликовано 27.05.2006. Бюллетень №15.
2. Раббимов Р.Т., Сафаров И.Э. Разработка и солнечная технология для получения синтетической нефти на основе с/х растительного сырья. Научные труды Самаркандского ВВАКИУ. Г. Самарканд., с.4-7.
3. Раббимов Р.Т., Орипов М.К. Разработка и солнечная технология для получения моторного топлива и других химических продуктов на основе хлопковой шелухи и лигнина с использованием концентраторов солнечной энергии. Научные труды Самаркандского ВВАКИУ. Г. Самарканд., с.10-13.
