Технология сухой перегонки

За исключением производства высокоценного древесного угля, используемого как в качестве топлива, так и для других целей, сухая перегонка биомассы в промышленном масштабе не используется в развитых странах. Древесный уголь обычно получают путём нагревания древесины до 350^oC в перолитическом реакторе. Выход составляет около 35% топлива с энергоёмкостью примерно 29ГДж/т, то есть сохраняется около 50% энергии древесины.

Ниже даются комментарии по другим предложенным процессам. В одном из процессов используется пиролиз при 500-600^оС и давлении 20 бар с получением синтез газа. Наконец, быстрый пиролиз сухой биомассы при 800оС ведет к образованию олефинов, которые могут быть полимеризованы в автомобильный бензин (его заменитель).

В "западном" процессе (ранее процесс Гаррота) сырье должно быть высушено и тонко размолото. Теплота, необходимая для осуществления пиролиза, получается в результате реакции. Газы удаляются из угля в циклонном сепараторе до очистки от жидкостей и остающихся твердых частиц, а затем уголь и газы возвращаются в пиролизатор. Схематическая диаграмма этого процесса показана на рисунке 3.3.

Рисунок 3.3 - Пиролиз биомассы

В целях максимизации выхода жидкости время пиролиза сокращается до нескольких секунд. Типичные свойства пиролитического масла, выход которого составляет около 40% в расчете на сухое сырье, показаны в таблице 1. Пиролитическое масло не смешивается с топливной нефтью, имеет коррозионные свойства, аналогичные свойствам уксусной кислоты, и может храниться только в течении примерно двух недель вследствие продолжающихся химических реакций. Для использования этого масла в качестве топлива необходимо специальное оборудование. Теплотворная способность пиролитического масла составляет около 53% теплотворной способности топливной нефти (по массе). Выход угля составляет от 20 до 50%,содержание золы в угле до 50%. Газы имеют низкую теплотворную способность и содержат до 65% двуокиси углерода и до 8% сероводорода.

Таблица 3.1 - Свойства пиролитического масла.

В ходе процесса, древесные стружки проходят через печь с продуктами реакции. В качестве катализатора добавляется древесная зола. Газы, жидкости и уголь газифицируются с помощью пара, присутствующего в древесине. Этот процесс считается авто термическим вследствие экзотермического характера разложения древесины и переноса тепла от горячих продуктов в систему.

Третий процесс, разработанный в Центре военно-морского вооружения, включает быструю паровую газификацию биомассы с образованием смеси олефиновых углеводородов. Высушенную биомассу размалывают в муку, насыщают паром и остаточными газами полимеризационного реактора и нагревают до 800^оС. Эндотермическая реакция поддерживается путем сжигания пиролитического угля (Побочного продукта) и отходящих газов. Образовавшиеся газы содержат около 4% по массе этилена, полимеризующегося до высших углеводородов при давлении около 56 кг/см³ и температуре 500^оС. однако побочные продукты не обеспечивают достаточного количества теплоты для протекания процесса, что вызывает необходимость сжигания дополнительного количества древесины. Выход автомобильного бензина и масла определяется термической эффективностью 11,9% в расчете на сухое древесное сырье.

Окислительная газификация

Газификация биомассы кислородом дает газ средней энергоемкости, содержащий в основном оксид углерода и водород. Аналогичная реакция происходит на воздухе, но образующиеся газы разбавляются азотом, снижающим теплотворную способность. Химические процесс газификации представляет собой сочетание химического процесса сжигания с некоторыми реакциями пиролиза, описанными в предыдущем разделе. Уголь, полученный в результате пиролиза, реагирует с паром или диоксидом углерода с образованием синтез газа:

С+Н₂О СО+Н₂;

С+СО₂ 2СО

Пиролитеческие масла претерпевают аналогичные реакции. При температуре выше 1000оС единственно стабильными молекулами топливного газа являются молекулы СО и Н2. При более низких температурах стабильны молекулы этилена, метана и другие молекулы с небольшим весом.

Газификаторы классифицируют следующим образом: газификаторы восходящего тока, нисходящего тока, кипящего слоя и взвешенного потока. Схематические диаграммы газификаторов восходящего и нисходящего токов показаны на рисунке 3.4.

Рисунок 3.4 - Газификация способом нисходящего и восходящего токов

Последний тип широко использовался в период второй мировой войны на транспортных средствах, трейлерах и небольших силовых установках. Недавно газификаторы, работающие на угле, использовались на Филиппинах для различных форм транспорта. Такие газификаторы нуждаются в постоянном уходе и внимательном отношении при запуске, регулировании и техническом обслуживании. Воздушные газификаторы нуждаются в постоянном уходе и внимательном отношении при запуске, регулировании и техническом обслуживании. Воздушные газификаторы представляются как первые биотопливные системы будущего для замены существующих бойлеров и для обеспечения процессов необходимой теплотой с использованием отходов отраслей промышленности, перерабатывающих биомассу, например продовольствие и бумагу. Состав типичных газов, полученных с использованием кислородного газификатора, дает возможность химического их превращения, например в метанол и аммиак.

3.1.6 Сжижение/восстановление

Были разработаны предложения по превращению биомассы в жидкость, напоминающую тяжелую топливную нефть, путем реакции ее с восстановительными газами (оксид углерода и водород) в присутствии катализатора. Обычно необходимо давление 250 бар и температура 600-700оС. Процессы сжижения обычно предполагают подготовку восстановительных газов путем пиролиза или окислительной газификации большего количества биомассы. В редких случаях можно получить дешевый водород из других источников, например при электролизе воды на гидроэлектрических установках

По данным Питтсбургского энергетического центра, типичный процесс сжижения древесины выражается следующей реакцией:

0,61(С₆Н_9,13О_4,33)+0,23СО+0,08Н₂ Н₂О+0,64СО₂+0,53(С₆Н_6,93О_1,22)

Биомасса Сжиженная нефть

Древесину высушивают до влажности 4%, размалывают в муку и смешивают с частью продуцированной нефти. В качестве катализатора добавляют карбонат натрия в количестве 5% по массе. Смесь древесины, нефти, пара и катализатора подвергают первоначальному давлению 29 бар и нагревают до 300оС в течении часа для обеспечения 99%-ного превращения древесины и выхода нефти 56%. Схематически процесс показан на рисунке 3.5,

Рисунок 3.5 - Сжижение древесины

а состав сжиженной нефти дан в таблице 3.2. Нефть рекомендована для использования в качестве бойлерного топлива.

Таблица 2. Состав и свойства сжиженной нефти