Получение моторных топлив из газов газификации растительной биомассы (стр. 1 из 3)
Я. М. Паушкин, Г. С. Головин, А. Л. Лапидус, А. Ю. Крылова, Е. Г. Горлов, В. С. Ковач
Институт горючих ископаемых
Рассмотрен новый метод получения экологически чистых жидких моторных топлив из растительной биомассы. Топлива не содержат серу, а выделяющийся при их горении диоксид углерода вновь участвует в образовании растений. Топлива получаются из газов газификации биомассы воздухом при невысоком давлении и температуре. Обсуждаются проблемы ресурсов горючих ископаемых и растительной биомассы в мире и в нашей стране.
В настоящее время энергетические потребности мира составляют ~ 11—12 млрд. т условного топлива (у. т.) и удовлетворяются за счет нефти и газа на 58—60%, угля - на 30%, гидро- и атомной энергии - на 10—12% [1]. Разведанные запасы нефти, угля и газа приведены в табл. 1 и 2 [2—5].
Таблица 1
| Мировые запасы горючих ископаемых, пригодные для индустриальной добычи, млрд. т н. э. Нефть + газ | Уголь | Соотношение | Литература |
| 226 | 687 | 1:3,0 | [4] |
| 230 | 741 | 1:3,2 | [3] |
Таблица 2
| Извлекаемые запасы горючих ископаемых и прирост биомасссы [2, 5, 7], млрд. т н. э. Наименование | В СНГ | В мире |
| Нефть | 8—10 | 145 |
| Уголь | ~ 200 | 720 |
| Газ | ~ 40 | 104 |
| Образование растительной биомассы в год | ~ 15—20 | 80 |
В качестве источника энергии используется также растительная биомасса [6] (дрова и др.) - порядка 1 млрд. т у.т., или 0,7 млрд. т нефтяного эквивалента (н. э.), что составляет почти четвертую часть из добычи и потребления нефти
в мире (~3 млрд. т). Потребность в нефти и других видах современной энергии, вероятно, будет увеличиваться и одновременно будут усовершенствоваться методы энергетического использования растительной биомассы (помимо прямого сжигания).В настоящей работе рассматриваются возможности получения компонентов жидких топлив главным образом из растительной биомассы, посредством ее газификации и синтеза из газа жидких углеводородов. В общем виде эти процессы представлены на рис. 1.
Применение возобновляемой растительной биомассы для производства моторных топлив целесообразно и даже необходимо в связи с ограниченностью запасов нефти. По данным XIII Нефтяного конгресса (1991 г.) [7], разведанные запасы нефти в мире оцениваются в 140—145 млрд. т (160 млрд. м3), которых при современном потреблении нефти в мире может хватить на 35—45 лет.
По отдельным регионам проблемы с запасами нефти стоят более остро: 76% запасов находится на Ближнем и Среднем Востоке, в Латинской Америке. На остальные регионы остается 24%, из которых 6—7% приходится на СНГ. Учитывая уровень добычи нефти в 1990 г., этих запасов может хватить на 15—18 лет.
Потребность нефти в Российской Федерации — 270—300 млн. т, в целом по СНГ — 450 млн. т (для сравнения — США потребляют около 800 млн. т нефти). В дальнейшем потребление нефти в мире будет возрастать, поэтому, учитывая дефицит нефти, необходимо развивать новые пути получения жидких моторных топлив. Производство моторных топлив из твердых горючих ископаемых не слишком обширно. Так, в ЮАР получают 5 млн. т моторных топлив, для чего затрачивается 27—30 млн. т бурого угля. Эта технология основана на парокислородной газификации угля и получении моторных топлив из синтез-газа на железном катализаторе. Производство синтетических топлив в крупных масштабах с целью замены нефти представляет трудную задачу. Для производства 150 млн. т синтетических топлив (1/2 потребности России) понадобилось бы около 1 млрд. т бурого угля (добыча угля в 1990 г. в Советском Союзе составила около 700 млн. т, в США — 800 млн. т).
Доступным и возобновляемым сырьем для производства синтетических моторных топлив является биомасса растений. Например, в Канаде лесная и лесоперерабатывающая промышленность более 70% необходимой энергии получает из отходов древесины (газификацией и другими методами). В Советском Союзе в период 1940—1950 гг. были созданы установки, работавшие на лесных и сельскохозяйственных отходах при их газификации воздухом с получением газообразного моторного топлива. Ежегодный прирост биомассы растений на Земле составляет от 170 до 200 млрд. т, считая на сухое вещество, что в пересчете на нефтяной эквивалент соответствует примерно 70—80 млрд. т [5, 6].
До середины XIX в. человечество использовало в качестве теплоносителя для бытовых и промышленных целей (металлургия, паровые машины и др.) почти исключительно биомассу растений и продукты ее переработки (древесный уголь).
При использовании в качестве энергоносителя газа, нефти и угля возникает ряд проблем, связанных с ограниченными запасами горючих ископаемых, в особенности нефти. Помимо истощения запасов нефти важными проблемами являются перевозка на большие расстояния и хранение всех видов топлив.
В связи с дефицитом нефти целесообразно использовать местные виды топлив — растительную биомассу, бурый уголь, торф, сланцы, различные твердые органические отходы (мусор в городах) при переработке в жидкое топливо. Общее количество различных твердых органических отходов (лесодобыча и лесопереработка, сельское хозяйство, промышленность, бытовой мусор в городах) может быть очень велико. Например, в США оно достигает 1—1,2 млрд. т в год. Из этого количества можно получить около 1/4 моторных топлив, т. е. более 100 млн. т. Однако большая часть отходов не используется, некоторую часть применяют для получения биогаза (смесь СН4 с СО2), другая часть сжигается.
Например, фирма “Боинг” сжигает биомассу (отходы древесины и городской мусор) для получения примерно 60% тепла, необходимого для обогрева завода “Боинг” площадью 550 тыс. м2 являющегося крупнейшим в мире производственным комплексом [8].
Ресурсы ежегодно возобновляемой растительной биомассы энергетически в 25 раз превышают добычу нефти. В настоящее время сжигание растительной биомассы составляет ~10% от потребляемых энергоресурсов (примерно 1 млрд. т у. т.), в будущем ожидается существенное расширение использования биомассы в виде продуктов ее переработки (жидких, твердых топлив и др.), и в первую очередь отходов, которые скапливаются и разлагаются, загрязняя окружающую среду [9].
Биомасса перерабатывается в топливные и химические продукты различными методами: пиролизом, гидролизом, газификацией, гидрогенизацией и др. Эти процессы осуществляются на передвижных или стационарных установках.
В Норвегии применяются передвижные установки на лесосеках, где перерабатываются растительные отходы методом пиролиза. Производительность отдельной установки от 10 до 30 т древесного угля в сутки [10]. При пиролизе из 1 т отходов (щепа) получается 280 кг угля, 200 кг смолы пиролиза и около 222 кг газообразного топлива. Газообразное топливо используется для поддержания процесса пиролиза. Смола пиролиза применяется как котельное топливо или подвергается гидрооблагораживанию под давлением водорода для получения бензина и дизельного топлива. Стационарные установки пиролиза могут иметь до 40 печей и рассчитаны на переработку 300—350 тыс. т органических отходов в год [11].
Разработан процесс ожижения растительной биомассы методом гидрогенизации при 350° С под давлением водорода при 6,4 МПа. Из 1 т биомассы получают 24 кг синтетической нефти и 160 кг остатка типа асфальта [12].
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 [13].
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 [14].
В рамках Западно-Европейской 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 [15]:
В настоящее время в качестве добавки для повышения октанового числа используют метил-трет-бутиловый эфир.
В [16, 17] 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.