Очистка и обогащение биомассы.

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СХЕМЫ ОЧИЩЕНИЯ И ПОЛУЧЕНИЯ БИОМАССЫ

Сухая перегонка, газификация и сжижение

Термическое повышение качества биомассы

Основной целью всех процессов повышения качества биомассы является превращение её в стабильное транспортабельное топливо, способное заменить ископаемые виды топлива без использования специального оборудования для погрузочно-разгрузочных работ. Путем сочетания нагрева и частичного сжигания биологических материалов можно получить твердые, жидкие и газообразные соединения, обладающие, по крайней мере, некоторыми свойствами угля, нефти и природного газа. В Интернете описано много процессов, широко использовавшихся в прошлом; производство газа для использования его в качестве топлива путем сухой перегонки и газификации угля и биомассы было начато почти 200 лет назад. Различные термические процессы повышения качества биомассы, предлагаемые в настоящее время и использовавшиеся в прошлом, имеёт много общих черт. Схематически используемые процессы представлены на рисунке 3.1.

Рисунок 3.1 - Термическое обогащение биомассы

При нагревании биомассы происходит распад углеродсодержащих молекул с образованием ряда газообразных, жидких и твердых продуктов. Специфические продукты реакции определяются температурой реакции, тепловой мощностью, степенью измельчения и типом биомассы, а также присутствием неорганических примесей и катализатора. Тепло, необходимое для осуществления этих изменений, носящих эндотермический характер, подводится или из внешнего источника, или путём введения воздуха или кислорода в реактор и сжигания части биологического материала.

Термины "сухая перегонка","газификация" и "сжижение" не имеют точного значения в литературе. Газификация и сжижение биомассы происходят как в присутствии, так и в отсутствие окислительных (O2,(Воздух) и восстановительных (CO, H2) газов, обычно связанных с этими процессами. В настоящем исследовании сухая перегонка рассматривается отдельно как анаэробный процесс. Превращение биомасса в газы при сжигании на месте рассматривается как газификация. Понятие "сжижение" охватывает восстановление биомассы до масел под действием восстановительных газов, полученных также из биомассы.

Подготовка биомассы

Высокая влажность биомассы представляет собой непосредственную проблему при осуществлении всех процессов повышения качества биотоплива вследствие затрат энергии на испарение воды и разбавления продуктов реакции не прореагировавшим паром. Большинство методов включают стадию высушивания при использовании уже частично высушенных материалов; однако в материале допускается определенное количество воды, которое необходимо для образования синтез газа (паровая газификация). Биомасса, содержащая более 30% воды, потребует, очевидно, сушки перед осуществлением любых процессов.

Для облегчения процесса сушки, а также достижения требуемой скорости реакции в процессе тепловой обработки биомасса должно быть измельчена с получением соответствующих размеров частиц. Технологическая схема включает дробильные, измельчительные и размалывающие установки. Если биологический материал представляет часть общих отходов, необходим предварительный отсев негорючих и других примесей. "Уплотненная биомасса", о которой говорилось выше, может быть использована для процессов обогащения без дальнейших обработок.

Сухая перегонка

Нагрев биомассы приводит к удалению влаги (ярко выраженный эндотермический процесс). При температуре выше 100^оС биомасса начинает разлагаться, а между 250 и 600^оС основными продуктами являются уголь и маслянистая кислая смесь дегтя и различных количеств метанола, уксусной кислоты, ацетона и следы других органических веществ. До развития нефтехимической промышленности источником этих соединений была перегонка древесины.

Рисунок 3.2 - Пиролиз целлюлёзы

На рисунке выше показан в качестве примера пиролиз целлюлозы. При температуре свыше 600^оС жидкие продукты пиролиза могут быть газифицированы, а свыше 800^oС газифицируется также и уголь в результате эндотермической реакции углеродсодержащих молекул с водой с образованием синтез газа, смеси оксида углерода и водорода.

Какие химические реакции протекают в процессе тепловой обработки биомассы, точно определить трудно вследствие очень сложной химической природы биомассы. Правда, основными компонентами многих типов растительного материала являются целлюлоза и крахмал, и нам известны некоторые реакции сухой перегонки этих продуктов и их термодинамика. Сначала происходит карбонизация или обугливание:

[C₆H₁₀O₅]n 6nC+5nH₂O(Изменение энтальпии=-2,9 ГДж/т).

Реакция является в некоторой степени экзотермической, т. е. такой же, как и получение пиролитического масла (в качестве средней молекулярной формулы пиролитического масла принимается формула C6H8O):

[C₆H₁₀O₅]n 0,8nC₆H₈O+1,8H₂O+1,2nCO₂ (энтальпия=2,1 ГДж/т).

Образование синтез газа является в высшей степени эндотермической реакцией:

С+H₂O CO+H₂(энтальпия=+14,6ГДж/т углерода).

При быстром нагревании целлюлозы, как при "мгновенном" пиролизе, может образоваться некоторое количество олефинов в ходе другой эндотермической реакции:

[C₆H₁₀O₅]n 2nC₂H₄+nH₂O+2nCO₂(энтальпия=+0,24ГДж/т)

Несмотря на некоторые утверждения относительно авто термального характера (или близкого к авто термальному) процесса сухой перегонки биомассы, термическое обогащение биомассы обычно требует затрат теплоты, составляющих до 10% теплоты сжигания сухой биомассы (примерно до 2ГДж/т). Эта доля может быть значительно выше, например, при производстве угля, где происходит потеря летучих продуктов.