Газообразное биотопливо


Альтернативой традиционным энергоресурсам являются различные виды биотоплива, для изготовления которых используется растительное либо животное сырье, отходы промышленности и результаты жизнедеятельности организмов.

Предлагаем разобраться в достоинствах и недостатках применения такого горючего, узнать особенности производства, функциональные характеристики, а также оценить эффективность использования разных типов биологического топлива. Приведенная информация поможет сориентироваться в выборе альтернативных источников энергоресурсов.

Что такое биологическое топливо

Наиболее перспективным направлением в энергетике являются технологии, предусматривающие использование возобновляемых ресурсов, к числу которых относится и биологическое топливо.

В качестве сырья для его производства можно брать биомассу растительного/животного происхождения, включая отходы промышленных производств либо остатки жизнедеятельности животных.

Обработка таких веществ производится термохимическим или биологическим методом, в последнем случае топливо получают при помощи различных видов микроорганизмов.

Во многих странах действуют специальные программы по расширению доли биотоплива в национальном и региональном энергопотреблении. В ряде государств имеются также обязательные нормы использования этого источника энергии.

Достоинства и недостатки биотоплива


У биологических видов горючего есть свои положительные и отрицательные стороны. Интерес к использованию этого вида сырья вызван его несомненными достоинствами.

К ним относятся:

  • Бюджетная стоимость. Хотя на данный момент цены на биотопливо практически совпадают со стоимостью бензина, биологические вещества считаются более выгодным видом горючего, поскольку при сжигании дают меньше выбросов. Биотопливо пригодно к применению в различных условиях, при этом его можно адаптировать к двигателям разных конструкции. Еще одним плюсом является оптимизация работы мотора, который дольше остается чистым из-за малого количества сажи и выхлопным газов.
  • Мобильность. Биологическое топливо отличается от других вариантов альтернативных источников энергии своей мобильностью. В конструкции солярных и ветряных установок обычно входят тяжелые аккумуляторные батареи, поэтому они чаще всего используются стационарно, тогда как биогорючее можно без особых хлопот перевозить из одного региона в другой.
  • Возобновляемый источник энергии. Хотя, по мнению исследователей, существующих залежей сырой нефти хватит как минимум на несколько сотен лет, ископаемые запасы все-таки конечны. Биотопливо, изготавливаемое из растений и отходов жизнедеятельности животных, относится к числу возобновляемых ресурсов, которым в обозримом будущем не грозит исчезновение.

  • Охрана атмосферы земли. Крупным недостатком традиционных углеводородов является большой процент CO2, который выделяется при сжигании. Этот газ создает в атмосфере нашей планеты парниковый эффект, создавая условия для глобального потепления. При сгорании же биологических веществ количество  углекислого газа снижается до 65%. Помимо этого культуры, используемые в производстве биотоплива, потребляют оксид углерода, уменьшая его долю в воздухе.
  • Экономическая безопасность. Запасы углеводородов распределены неравномерно, поэтому часть государств вынуждена закупать нефть или природный газ, тратя на приобретение, транспортировку, складирование большие средства. Различные виды биологического горючего можно получать практически в любой стране. Поскольку для его изготовления и переработки понадобится создание новых предприятий и, соответственно, рабочих мест, это принесет пользу народному хозяйству и положительно скажется на благосостоянии людей.

Совершенствование технологий и развитие новых методов сможет усилить положительный эффект биотоплива. Так, разработка технологий с использованием планктона и водорослей позволит значительно снизить его цену.

В то же время на современном этапе развития наук и технологий производство биотопливо связано с рядом сложностей и неудобств. Прежде всего, это природные ограничения в выращивании растений.

Для произрастания культур, используемых для выработки биомассы, требуется учитывать ряд факторов, а именно:


  • Водопользование. Сельскохозяйственные растения потребляют много воды, являющейся ограниченным ресурсом, особенно в засушливых местах.
  • Инвазивность. Выращиваемые на топливо культуры часто бывают агрессивны. Они заглушают аутентичную флору из-за чего может пострадать биоразнообразие и экосистема региона.
  • Удобрения. Для произрастания многих растений требуется дополнительное внесение питательных веществ, которые могут нанести вред другим культурам или общей экосистеме.
  • Климат. Отдельные климатические зоны (например, пустыня или тундра) не подходят для выращивания биотопливных культур.

Активное выращивание сельскохозяйственных растений связано и с истощением земледельческих ресурсов,  Несоблюдение правил агротехники может привести к снижению содержания полезных компонентов почв и, как следствие, к их истощению, что вызовет обострение продовольственной проблемы.

Происходит нарушение экосистемы. Для производства биомассы  обычно требуется расширение территорий, задействованных в сельском хозяйстве.


Нередко с этой целью проводится зачистка территории, что приводит к разрушению микроэкосистемы (например, леса), гибели растений и животных.

Возникают проблемы с выращиваем монокультур. Для получения большего урожая биомассы производители часто засеивают земли определенным растением. Подобная практика не слишком хорошо отражается на состоянии сельскохозяйственных угодий, поскольку монокультура ведет к изменению окружающей среды.

На полях, занятых одним видом растений, обычно паразитируют особые разновидности вредителей. Попытка борьбы с ними при помощи инсектицидов и пестицидов приводит лишь к выработке устойчивости к данным средствам.

Чтобы избежать описанных выше проблем, ученые советуют не пренебрегать биоразнообразием культур, совмещая на полях несколько растений, а также использовать местные сорта флоры.

Поколения альтернативного горючего

Широкий ассортимент растительного сырья, используемого для биомассы, принято разделять на несколько поколений.

Первое поколение. К этой категории относятся сельскохозяйственные культуры, в которых содержится высокий процент крахмала, сахаров, жиров. Это такие популярные растения, как кукуруза, сахарная свекла, рапс, соя.

Поскольку выращивание этих культур наносит ущерб климату, а их изъятие с рынка влияет на ценообразование продуктов, ученые пытаются заменить их на другие виды биомассы.

Второе поколение. В группу биомассы входит древесина, трава, сельскохозяйственные отходы (скорлупа, шелуха). Получение биотоплива из такого сырья требует больших затрат, однако позволяет решить вопрос утилизации не пищевых остатков с одновременным производством горючих материалов.


Особенностью культур, входящих в эту разновидность, является присутствие в них лигнина и целлюлозы. Благодаря им биомассу можно сжигать и газифицировать, а также подвергать пиролизу, получая жидкое топливо.

Главным недостатком биомассы второго поколения считается недостаточная отдача с единицы площади, из-за чего под такие культуры приходится отводить значительные земельные ресурсы.

Третье поколение. Сырьем для производства биотоплива служат водоросли, которые выращиваются в промышленных масштабах, например, в открытых водоемах.

Подобная практика имеет большие перспективы, однако в настоящее время такие технологии только разрабатываются. Ученые также ведут исследования по созданию методик, позволяющих получить биотопливо четвертого и даже пятого поколения.

Три разновидности биотоплива

В зависимости от того, в каком агрегатном состоянии находится вещество, различают три основных типа биотоплива:

  1. Твердое: дрова, торф, отходы жизнедеятельности животных и сельскохозяйственного производства.
  2. Жидкое: биодизель, диметиловый эфир, биоэтанол, биобутанол.
  3. Газообразные: биогаз, метан, биоводород.

Каждый тип веществ имеет свою специфику, речь о которой пойдет ниже.


Тип #1: твердое

К числу наиболее популярных твердых разновидностей биологического топлива относятся древесина, торф, отходы жизнедеятельности животных.

Древесина (дрова, щепа, опилки)

Древним видом биотоплива являются хорошо знакомые всем дрова, которые издавна применяются для обогрева домов и приготовления еды. До сих пор их активно используют в разных странах для получения тепло/электроэнергии, в частности, на дровах работает крупная Австрийская теплоэлектростанция, мощность которой составляет 66 мегаватт.

В то же время у подобного сырья имеются недостатки. Энергетическая ценность дров относительно невелика: при сжигании часть вещества оседает в виде сажи, из-за чего камины и печи необходимо регулярно прочищать. Кроме того, для восполнения запасов древесины требуется определенное время – новые деревья вырастут лишь через 15-20 лет.

Отличной альтернативой обычным дровам являются пеллеты (гранулы), для производства которых используется некондиционная древесина: кора, щепа, прессованные опилки, сучья.

Для производства топливных пеллет сырье измельчается в пыль, которая затем высушивается и прессуется при высокой температуре. Благодаря содержащемуся в древесине лигнину образуется клейкая масса, из которой формируются небольшие цилиндрики длиной 5-70 мм и диаметром 6-10 мм.

Наладить производство пеллет можно самостоятельно, изготовив пресс для топливных брикетов.


К числу популярных видов биотоплива причисляется древесная щепа, которая часто служит источником энергии на европейских ТЭЦ. Выработка этого сырья производится на лесозаготовках либо на специальных производственных линиях, оснащенных машинами-шредерами.

Болотный и лесной топливный торф

Это распространенная разновидность биотоплива, применяемая в бытовых и промышленных целях на протяжении веков. Торф представляет собой не полностью разложившийся в условиях болота слой мха, добыча которого осуществляется во многих странах мира: России, Белоруссии, Канаде, Швеции, Индонезии и других.

Для удобства производственного процесса биомассу обычно перерабатывают на месте добычи. Процесс состоит в очистке (просеивании) сырья от посторонних выключений с последующей сушкой и формовкой в виде брикетов или гранул.

Топливо из сельскохозяйственных отходов

В сельскохозяйственном производстве, как правило, накапливается большое число разнообразных растительных отходов: внешние оболочки растений, ореховая скорлупа, солома.

Подобное сырье также можно подвергать прессовке и гранулированию, получая топливные пеллеты, характеристики которых практически не отличаются от гранул, изготовленных из древесной биомассы.

Биотопливо животного происхождения

Наряду с дровами еще в старину люди начали применять топливо животного происхождения, а именно кизяки – высохший навоз домашних животных. Современные технологии сушки и переработки подобного сырья позволяют получать твердые разновидности биотоплива, совершенно лишенные неприятного запаха.


Поскольку в настоящее время отходы животноводства накапливаются в промышленных масштабах, изготовление из них топлива одновременно решает вопрос об их утилизации.

Тип #2: жидкое

Жидкие варианты биотоплива, отличающиеся безопасностью и экологичностью, большей частью применяются в качестве замены бензина и других подобных средств. К числу наиболее распространенных вариантов относятся биоэтанол, биометанол, биобутанол, биодизель, диметиловый эфир.

Биоэтанол из растительных культур

Это распространенное жидкое биотопливо, которое используется для заправки автомобилей. Хотя чистое вещество не применяется в качестве горючего, его добавка в бензин способствует улучшению работы двигателя, увеличению его мощности, осуществлению контроля за нагревом мотора, снижению выбросов выхлопных газов.

Биоэтанол оценили также любители каминов. Это вещество имеет хорошую теплоотдачу, к тому же при его горении не образуется сажа или дым, а количество выделяемого углекислого газа сводится к минимуму.

Благодаря таким особенностям горючее можно применять даже для топки очага в многоквартирных дома. Подробнее о биотопливе для каминов написано в этой статье.

Выработка биоэтанола осуществляется из сырья первого поколения, содержащего крахмал либо сахар. Зерновые, кукуруза, сахарный тростник, свекла перерабатываются  по технологии спиртового брожения.


Биобутанол для заправки автомобилей

Биобутанол – полученный биологическим путем аналог бутанола. Бесцветная жидкость, обладающая характерным запахом, широко применяется в качестве химического сырья в промышленности, а также может использоваться как транспортное горючее.

Показатель энергоемкости бутанола близок к бензину, что позволяет частично заменять последний в топливных элементах. В отличие от биоэтанола, биобутанол может применяться самостоятельно, без добавления традиционных видов горючего.

Сырьем для производства этого биовещества служат самые разнообразные растения: свекла, маниока, пшеница, кукуруза.

Диметиловый эфир (C2H6O)

Это также экологически чистое топливо. При его сжигании в выхлопных газах отсутствуют соединения серы, а содержание соединений азота на 90% ниже, чем при сгорании бензина.

Диметиловый эфир можно применять без специальных фильтров, но в конструкцию автомобиля (система питания, зажигание двигателя) приходится вносить кардинальные изменения.

Без каких-либо переделок можно использовать комбинированное топливо, содержащее 30% диметилового эфира в машинах, которые оснащены LPG-двигателями.

Жидкое горючее может производиться из различного сырья: природного газа, угольной пыли, биомассы и прежде всего из остатков целлюлозно-бумажного производства, трансформирующихся в жидкость при небольшом давлении.

Биометанол из одноклеточных водорослей

Подобное вещество является аналогом обычного метанола, который широко применяется для производства ряда химических соединений (уксусная кислота, формальдегид), а также используется в качестве антифриза и растворителя.


Впервые вопрос о производстве этого вида биотоплива был поднят в 1980-х годах, когда группа ученых предложила получать жидкую субстанцию путем биохимической трансформации морского фитопланктона, культивирование которого будет производится в специальных водоемах.

Биометанол имеет ряд потенциальных преимуществ:

  • высокую энергоотдачу – 14 при получении метана, 7 при выработке метанола;
  • отличную продуктивность фитопланктона – до 100 тонн с гектара в год;
  • нетребовательность одноклеточных организмов, для культивирования которых не нужна пресная вода, плодородные почвы;
  • сохранение земледельческих ресурсов, поскольку фитопланктон выращивается в прудах или морских заливах.

Хотя промышленное изготовление биометанола до сих пор не налажено, в настоящее время ведутся упорные исследования и разработка технологий для развития производства этого вида альтернативного горючего.

Биодизель как альтернатива транспортному горючему

Это жидкое моторное биотопливо, состоящее из смеси эфиров жирных кислот. Вещество безопасно для людей и животных, практически полностью разлагается в земле за 28 дней, а также имеет относительно высокую (<100) температуру возгорания.

Биодизель снижает процент выхлопов вредных газов, а также продлевает срок эксплуатации мотора, поскольку имеет в своем составе смазочные компоненты.

Горючее применяется для заправки автодвигателей как самостоятельно, так и в комбинации с обычным топливом. Следует учитывать лишь небольшой срок хранения биологического вещества: через три месяца начинается распад биологического вещества с полной потерей свойств.

Для биодизеля в странах ЕС был принят специальный стандарт EN14214. В ряде стран действует также стандарт EN590, допускающий добавку 5% биодизеля в другое топливо.

Тип #3: газообразное

К основным разновидностям газообразного биологического топлива относятся биогаз и биоводород.

Биогаз как замена природного газа

Биогаз представляет собой практически полный аналог природного газа: в нем содержится 13-50% CO2, 49-87% метана, а также примеси H2 и H2S. Если это вещество очистить от углекислого газа, можно получить биометан.

Газообразное биотопливо изготовляется из биомассы методом водородного или метанового брожения. Последнее вызывается тремя видами микроорганизмов: сначала сырье подвергается воздействию гидролизных бактерий, которые затем сменяются кислотообразующими и метанообразующими микробами.

В качестве сырья могут применяться разнообразные материалы: силос, навоз, водоросли, сточные воды, помет, фекальные остатки, бытовые отходы. Исходное вещество приводится в гомогенное состояние, после чего его при помощи погрузчика его помещают в реактор.

Там поддерживается комфортная температура в +35-38°С, необходимая для осуществления процесса метанового брожения.

Сырье постоянно перемешивается, при этом образующийся газообразный продукт отводится в газгольдер (блок для хранения), откуда он попадает в электрогенератор.

Подробнее о получении биогаза из навоза и обустройстве биогазовой установки написано в статьях:

  1. Как сделать биотопливо своими руками из навоза в домашних условиях
  2. Биогазовая установка для частного дома своими руками: рекомендации по устройству и пример обустройства самоделки

Биоводород, полученный химическим методом

Разновидность газообразного биотоплива, представляющую собой аналог обычного водорода, получают из биомассы с помощью биохимического либо термохимического методов.

При термохимическом способе подготовленное сырье (например, отходы древесины) нагревают до температуры 500—800°C без доступа кислорода, при этом выделяются газы H2, CO, CH4.

При биохимическом способе сырье выдерживается в комфортных условиях при нормальном давлении и температуре примерно в 30°C.

В биомассу вносятся специальные микроорганизмы Enterobacter cloacae, Rodobacter speriodes, которые разлагают исходный продукт, выделяя водород. Для ускорения производства с использованием полисахаридов допускается внесение энзимов.

Выводы и полезное видео по теме

На представленном ниже ролике можно увидеть процесс изготовления популярного вида биотоплива – древесных брикетов:

Виды биологического топлива различаются не только агрегатным состоянием, но и характеристиками. При выборе подобных материал необходимо принимать во внимание их планируемое использование, эффективность, функциональные свойства и стоимость.

Есть опыт использования альтернативного горючего? Или хотите задать вопросы по теме биотоплива? Пожалуйста, комментируйте публикацию и участвуйте в обсуждениях. Блок обратной связи расположен ниже.

Источник: sovet-ingenera.com

Сегодня для всех агропредприятий приоритетом является поиск дешевой биосырья, новых технологических решений и создание необходимой инфраструктуры для выращивания и переработки биомассы с помощью химических и биологических процессов, термоконверсии, биоконверсии в различные виды биотоплива: жидкие, газообразные и твердые. Для этого в нашем государстве есть все необходимые предпосылки, особенно почвенно-климатические, обеспечивающие выращивание энергетических культур с высокой урожайностью биомассы.

Топливные гранулы или брикеты?

Общеизвестно, что использование растительной биомассы на энергетические цели с экономической точки зрения способствует сбережению сырьевых и энергетических ресурсов, экономической — снижает загрязнение окружающей среды, социальной — создает новые предприятия с дополнительными рабочими местами, способствует повышению уровня занятости населения.

Однако для получения максимальной экономической отдачи при использовании растительной биомассы необходимо обеспечить повышение теплотворной способности (удельной теплоты сгорания) твердого биотоплива и удобство транспортировки (подачи) до тепловых установок (котлов), управляемость процессом горения. Поэтому переработку растительной биомассы осуществляют путем гранулирования или брикетирования, в результате получают конечный продукт переработки в соответствии топливные гранулы или брикеты:

топливные гранулы — это спрессованные частицы растительного происхождения, имеющие форму цилиндров максимального диаметра до 25 мм и длиной от 10 до 50 мм, топливные гранулы могут быть изготовлены из древесины, торфа, травы, лузги, соломы, угольной пыли и многих других видов растительного сырья, а также их смесей

топливные брикеты — спрессованные изделия цилиндрической, прямоугольной или любой другой формы, длиной 100-300 мм, которая не должна превышать пять раз их диаметр, который больше, чем 25 мм, и обычно составляет в пределах от 60 до 75 мм.

Преимущества очевидны

Топливные гранулы имеют значительные преимущества по сравнению с традиционными видами топлива, так для их производства расходуется около 3% энергии, при этом при производстве нефти эти энергозатраты составляют около 10%, а при производстве электроэнергии — 60%, их теплотворная способность составляет в пределах от 4 , 5 до 5,0 кВт / кг, что в 1,5 раза больше, чем в обычной древесины и угля. При сжигании 2000 кг топливных гранул выделяется столько же тепловой энергии, как и при сжигании: 3200 кг древесины, 957 м3 газа, 1000 л дизельного топлива, 1370 л мазута. Горение топливных гранул в топке котла происходит более эффективно — количество остатков (золы) не превышает между от 0,5 до 1,0% от общего объема использованного топлива. При сжигании топливные гранулы не влияют на окружающую среду.

Рассмотрим сравнительную характеристику различных видов топлива и продуктов их переработки по содержанию основных элементов, (серы, золы, углекислого газа) приведенную в таблице 1.

biotoplivo_1.jpg
Таблица 1. Сравнительная характеристика различных видов топлива

Благодаря преимуществам биотоплива, а также анализируя значения, представленные в таблице 1, следует отметить, что топливные гранулы (брикеты) имеют высокую конкурентоспособность по сравнению с другими видами традиционного топлива. Цены на биотоплива не зависят от скачков цен на ископаемые виды топлива и на экологические налоги, увеличиваются.

Сырье для гранул и их хранения

Для получения качественных топливных гранул необходимо использовать качественное оборудование, четко придерживаться технологии производства и использовать качественное сырье. По сырья, то она не должна быть старой (лежалой), так как она хуже дробленый, и топливные гранулы выходят с меньшей энергетической ценностью; не содержать остатков почвы, камней и других неорганических включений, поскольку получим, кроме ухудшения качества исходного продукта, еще и выход из строя оборудования; а также влажность сырья перед прессованием должно быть в пределах 12-14%, так как при большей влажности топливные гранулы получаются менее прочными, и остаточная влажность после охлаждения может быть выше нормы, в таких гранул меньше энергетическая ценность и, соответственно, цена.

После изготовления качество топливных гранул необходимо сохранить, с этой целью необходимо: исключить возможность попадания в них влаги; свести к минимуму деформирующие нагрузки.

Лучше топливные гранулы хранить в закрытых мешках. Внешний вид топливных гранул с высокими показателями качества должно быть: поверхность блестящей, гладкой, без трещин и вздутий; цвет не должен быть серым; запах — легкий сладковатый запах клея.

Стандарты на твердое биотопливо на экспорт

Топливные гранулы являются стандартизированным видом биотоплива, однако в разных странах приняты различные стандарты производства топливных гранул. Однако до настоящего времени не установлена ??украинского стандарта на топливные гранулы, кроме проекта ДСТУ «Брикеты и гранулы топливные. Технические условия. Часть 1. Брикеты и гранулы топливные из древесного сырья », разработанного в Национальном университете биоресурсов и природопользования Украины в 2011
 
Единого Европейского стандарта на топливные гранулы пока не существует, поэтому ниже приводятся названия некоторых существующих национальных стандартов: Австрия — ONORM M 7 135 Austrian Association pellets (briquettes and pellets) Англия — The British BioGen Code of Practice for biofuel (pellets) Германия — DIN 51731 (briquettes and pellets) США — Standard Regulations & Standards for Pellets in the US: The PFI (pellet) Швейцария — SN 166000 (briquettes and pellets) Швеция — SS 187120 (pellets). В таблице 2 приводим показатели качества топливных гранул по требованиям сертификатов стран Европы. Кстати, все действующие стандарты к твердому биотопливу регламентируют такой параметр, как зольность, на который основное влияние оказывает наличие в исходном сырье коры, веток и других включений.
 
biotoplivo_4.jpg
Примечание: «не» — значит: сведения отсутствуют, значение не определено или отсутствует их величина и др., твердое биотопливо должно соответствовать вышеуказанным требованиям.
 
Топливные гранулы высокого качества (белые и серые) используют для отопления жилых домов путем сжигания в небольших котлах, печах и каминах. Они, как правило, бывают диаметром 6-8 мм и длиной менее 50 мм. В Европе их чаще упаковывают в мешки весом от 16 до 20 кг.
 
Однако на сегодня в Украине не существует стандартов на топливные гранулы, поэтому большинство производителей ориентируются на западноевропейские стандарты, которые отличаются от страны к стране или изобретают свои ТУ. Кроме того, существующие западноевропейские стандарты время включают в себя не только стандарт на сами топливные гранулы, а также стандарты на их производство, хранение и транспортировку.
 
С целью создания конкурентоспособной энергетической продукции отечественного производства и выхода на Европейский рынок необходимо ввести производство твердого биотоплива в соответствии с требованиями тех стран, где эта продукция будет реализовываться. Однако, учитывая диапазон изменения значений показателей качества твердотопливной продукции, необходимо соблюдать «жестких» требований по указанной продукции, разработанных на основе сертификатов стран Европы, поэтому в таблице 2 разработаны и предложены к использованию проект нормативных значений требований к твердотопливной продукции (топливных гранул), использование которых позволит реализовывать продукцию в любой из стран Европы, поскольку они учитывают минимальные нормативные значения действующих требований к твердого биотоплива.
 
Основные характеристики топливных гранул

Как уже отмечалось ранее, в соответствии с требованиями топливные гранулы — это прессованные цилиндры из растительной биомассы, диаметром до 25 мм, однако наибольшее распространение получили топливные гранулы диаметром в пределах от 6 до 10 мм. Приобретенная цилиндрическая форма топливных гранул обеспечивает им сыпучесть и позволяет использовать все известные способы автоматизации в подающих устройствах котельных. Именно благодаря этим геометрическим характеристикам топливные гранулы стали основным видом прессованного топлива в Европе.
 
Если физико-геометрические характеристики топливных гранул определяются параметрами оборудования по их производству, то химические зависят от свойств исходного сырья. В процессе прессования не допускается использование посторонних материалов, таких как клей и пластмассы.
 
Обычно топливные гранулы бело-желтого цвета изготавливаются из отходов мебельного производства, топливные гранулы с добавлением коричневых вкраплений изготавливают из сырья с добавлением коры, черную — шелуха подсолнечника, коричневые — шелуха из гречки, желтые — соломы злаковых культур и др. (рис. 1).
 
Однако цвет топливных гранул не является критерием качества. По их цвету можно определить, какое сырье использовалось, как происходил процесс гранулирования и как топливные гранулы хранились, но о качестве самих топливных гранул цвет скажет мало.
 
Еще одной характеристикой топливных гранул является количество выделенной тепловой энергии. Часто такой показатель является основным при формировании стоимости на этот вид топлива.
 
Топливные гранулы всегда тонут в воде, и хорошие, и плохие, поскольку плотность топливных гранул более 1 кг / дм3. Не является критерием оценки запах топливных гранул, за исключением посторонних запахов, указывающие на применение химических связующих или неправильного хранения.
 
Проведя анализ литературных источников и критерии оценки продукции твердотопливного производства, было установлено, что наиболее важными параметрами, которые характеризуют, а следовательно, и устанавливают параметры топливных гранул являются: габаритные размеры (диаметр и средняя длина), теплотворная способность (теплота сгорания), зольность, содержание влаги, удельная плотность, насыпная плотность, содержание химических элементов (хлор, азот, сера и др.), содержание других компонентов и примесей. Рассмотрим каждый параметр, которых характеризует твердое биотопливо, отдельно.

Диаметр и средняя длина
Поскольку топливные брикеты имеют более широкое применение и не требуют специальных установок для их сжигания (является альтернативой дровам), то соответственно их диаметр и длина зависят от требований конечного потребителя (длина, как правило, принимается равной пятикратному значению диаметра).
biotoplivo_5.jpg
Для топливных гранул приняты жесткие требования к размерам, чем в топливных брикетов. Это связано с применением их в топливных котлах с автоматизированной системой подачи (шнеками, транспортерами и др.), А потому наиболее распространены есть диаметры топливных гранул в пределах от 6 до 8 мм.
 
Теплота сгорания
Теплотой сгорания биомассы называется количество тепла, выделяемого при сгорании 1 кг вещества. Различают высшую и низшую теплоту сгорания.
 
Высшая теплота сгорания — это количество тепла, выделившееся при сгорании 1 кг биомассы при полной конденсации всех паров воды, образовавшихся при горении, с отдачей ними тепла, затраченного на их испарения (так называемой скрытой теплоты парообразования).
 
Низшая теплота сгорания — количество тепла, выделившееся при сгорании 1 кг биомассы, без учета тепла, затраченного на испарение влаги, образовавшейся при сгорании этого топлива.
 
Процесс измерения теплоты сгорания биотоплива проводится в так называемой «калориметрической бомбе» в специализированных лабораториях. Теплоту сгорания измеряют обычно в МДж / кг или кДж / кг, причем за основу может быть принята масса влажного, сухого или сухого беззольного топлива. Обусловлена ??большинством стандартов теплота сгорания топливных гранул составляет в пределах 18 ± 1 МДж / кг, в зависимости от сырья, из которого они изготовлены.
 
Зола (зольность)
Зольностью называют содержание минеральных веществ в топливе, которые остаются после полного сгорания всей горючей массы. Зола является нежелательной частью топлива, так как снижает содержание горючих элементов и затрудняет эксплуатацию топочных устройств. При проведении анализов содержание золы подсчитывается на сухую массу топлива.
 
Содержание золы в топливных гранулах составляет, согласно стандарту европейских стран, менее 1,5%. Следует отметить, что при сжигании в промышленных установках с автоматическим золоудаления, зольность топливных гранул не имеет большого значения.
 
Содержание влаги
Влажность биомассы — это количественная характеристика, показывающая содержание в биомассе влаги. Различают абсолютную и относительную влажность биомассы.
 
Абсолютной влажностью называют отношение массы влаги к массе сухого сырья.
 
Относительной или рабочей влажностью называют отношение массы влаги к массе влажного сырья.
 
Влажность влияет на теплотворность биотоплива. Низкое содержание влаги гарантирует постоянную эффективность сжигания.
 
Влажность существенно влияет на качество топливных гранул, так, при влажности сырья более 14% уменьшается плотность гранул и в результате испарения влаги в них возникают трещины, снижающие их прочность.
 
Удельная плотность
Удельная плотность качественных топливных гранул составляет в пределах от 1 до 1,4 кг / дм3, и меняется в зависимости от вида сырья, из которого изготовлен конечный продукт.
 
Насыпная плотность
Насыпная плотность — это соотношение между весом топливных гранул и количеством занимаемого пространства. При гранулировании биомассы насыпная плотность продукции увеличивается с 100 до 650 кг / м3.
 
Например, качественные брикеты имеют насыпную плотность не менее 650 кг / м3. Плотность является основным фактором, определяющим механическую прочность, водостойкость и калорийность топливных гранул. Чем плотнее топливные гранулы, тем выше показатели их качества. Например, при плотности гранул в пределах от 650 до 750 кг / м3 калорийность их составляет от 12 до 14 МДж / кг, а при плотности от 1200 до 1300 кг / м3-25-31 МДж / кг.
 
Хлор
Хлор является в древесине лишь в небольших количествах. Низкое содержание хлора свидетельствует о том, что брикеты изготовлены из чистого сырья. Высокое содержание хлора в дымовых газах может привести к коррозии металлических поверхностей топливных систем.
 
Азот
Низкое содержание азота свидетельствует о том, что топливные брикеты были сделаны из экологически чистого сырья. Высокий уровень азота в дымовых газах может привести к коррозии металлических поверхностей топливных систем.
 
Сера
Низкое содержание серы говорит о том, что топливные брикеты были сделаны из чистого сырья. Высокий уровень серы в дымовых газах может привести к коррозии топливного оборудования.
 
Добавки (примеси)
Добавки используются как связующие элементы. При использовании качественной технологии и качественного сырья с достаточно низким содержанием влаги в прессованное топливо не добавляется никаких добавок.
 
Как отмечалось ранее, процесс производства твердого биотоплива, в т.ч. топливных гранул, требует постоянного и своевременного контроля параметров выходной продукции. В производственных условиях не всегда возможно соблюдение необходимых параметров конечной продукции из-за ряда факторов: неоднородность свойств исходного сырья, нестабильность процесса производства продукции и др. Однако именно благодаря соответствию конечной продукции, в этом случае топливных гранул, заданным параметрам качества и определяет их стоимость и конечного потребителя.
 
В таблице 3 рассмотрим характеристики топливных гранул отечественного производства и соответствие их нормативным значениям сертификатов стран Европы.
 
Таблица 3. Характеристика качества образцов твердотопливных производств Украины
biotoplivo_3.jpg
 
На качество топливных гранул существенно влияют влажность, степень измельчения и физико-химические свойства сырья. При влажности сырья более 14% уменьшается плотность гранул и в результате испарения влаги в гранулах возникают трещины, снижающие их прочность. С уменьшением размеров частиц биомассы до 2 мм качество топливных изделий растет. Однако существует спорная мысль, что мелкая биомасса способствует износу матриц.
 
Как свидетельствуют результаты производственной проверки, приведенные в таблице 3, во всех приведенных пробах содержание влаги не превышает 10%, что является фактором отсутствия разрушения топливных гранул в процессе их погрузки и транспортировки.
 
Темные топливные гранулы с большим содержанием коры или других примесей сжигают в котлах большей мощности с целью получения тепла и электроэнергии для населенных пунктов и промышленных предприятий. Темные топливные гранулы могут быть большего диаметра.
 
По содержанию общей серы в товарной продукции отечественные производители выдерживают требования (менее 0,04%). Теплота сгорания твердого биотоплива также превышает нормативные значения европейских стандартов на уровне не ниже 18 МДж / кг.
 
Нормированная европейским стандартам величина зольности (0,5%) практически недостижима для отечественных производителей, только пробы топливных гранул, изготовленные из опилок хвойных пород, дуба, бука, осины и др. выдерживают требования стандартов DIN 51731 и DIN plus, и имеют значение в пределах от 0,33 до 0,9%. К сожалению, топливные гранулы, изготовленные из лузги подсолнечника и соломы, имеют сверхурочные значение зольности, соответственно до 2,6 и до 8%, что и снижает их показатели качества и использования для котельных (тепло- и электростанций).
 
Технология производства топливных гранул из растительной биомассы сельхозкультур
На основе аналитического обзора литературных источников и изучение элементов технологии производства твердого биотоплива из соломы сельскохозяйственных культур были определены основные технологические операции по производству твердого биотоплива (топливных гранул) из растительной биомассы сельскохозяйственных культур по следующей схеме: большое измельчения, сушки, мелкое измельчение, увлажнение, прессование , охлаждения, фасовки. Розлянемо подробно основные элементы технологии производства твердого биотоплива (топливных гранул):
 
    большое измельчения:

с целью дальнейшего использования (переработки) тюки или рулоны соломы укладывают на планчасти подвижные транспортеры и подают их по мере загрузки в дробилки. Большие дробилки измельчают сырье для дальнейшего сушки. Процесс измельчения должен дойти до размеров частиц не более 10 мм. Большое измельчения позволяет быстро и качественно подготовить сырье для сушки и к дальнейшему измельчения в мелкой дробилке.
 
    сушка:

обычно солому хранят в виде тюков или рулонов на открытых площадках, однако под действием атмосферного влияния начальные значеня влажности соломы могут меняться, что будет негативно влиять на процесс ее измельчения. Отходы с влажностью более 15% плохо прессуются особенно прессами с круглыми матрицами. Кроме этого, изготовленные топливные гранулы с повышенной влажностью не имеют соответствующих параметров качества. Поэтому сырье перед прессованием должна иметь влажность в пределах вд 8 до 12%. Для получения качественного продукта влажность должна составлять 10 ± 1%.
 
Для доказательства влажности сырья до нормативных значений используют сушилки барабанного или ленточного типа. Выбор типа сушилки определяется видом сырья, требованиями к качеству продукции и источником получаемой тепловой энергии. В технологическом процессе производства твердого биотоплива сушка является наиболее энергоемким процессом.
 
    мелкое измельчения:

согласно технологическим требованиям для прессования сырье должно поступать фракциями с размерами частиц до 4 мм. Поэтому с использованием дробилок достигают измельчения сырья до необходимых размеров. Для качественного продукта насыпной вес после измельчения должна составлять 150 кг / м3 ± 5%, а основной размер частиц не повиннен превышать 1,5 мм.
 
В подавляющем большинстве для измельчения сырья используют молотковые дробилки, поскольку они наиболее соответствуют требованиям процесса измельчения соломистого массы сельскохозяйственных культур.
 
    увлажнения:

сырье с влажностью менее 8% плохо поддается «склеиванию» во время прессования, а готовая продукция (топливные гранулы) в процессе дальнейшего механического воздействия (фасовка, погрузка, транспортировка и др.) теряет первоначальные габаритные размеры, измельчается и образуются пылевидные части, негативно влияет на ее качество. Именно поэтому слишком сухое сырье должно быть увлажнена до нормативных значений влажности необходимых для прессования. Для проведения увлажнения сырья используют установку дозирования воды. Для проведения процесса увлажнения сырья используют шнековые смесители, в которых встроены входы для подачи воды или пара.
 
    прессования:

процесс прессования (гранулирования) дийснюватися на прессах различных конструкций с плоской или цилиндрической матрицей. При этом диаметр матрицы может быть больше метра, а мощность пресса до 500 кВт, в зависимости от заданной производительности оборудования. Так же на производительность пресса в пределах 20% влияет размер получаемых топливных гранул. Топливные гранулы диаметром до 6 мм изготавливают для для частного потребления, до 10 мм — для промышленного.
 
Связующим веществом измельченный материал в топливных изделиях, является лигнин — аморфный полимер, который выделяется под действием давления и температуры и содержится в клетках биомассы.
 
Важно выдерживать прессованную сырье в формирующей полости под давлением в течение определенного времени, чтобы произошла релаксация напряжения, а также прочная пленка на поверхности топливных гранул. Наибольшей прочности приобретает биомасса, прессуется при температуре выше 150 ° C. Верхней границей температуры прессования является 250 ° C, когда начинается реакция пиролиза, то есть происходит частичное разложение биомассы. По данным компании California Pellet Mill оптимальная температура гранулирования должно быть 88-102 ° C, так как обеспечивается плавления лигнина при 90 ° C и отсутствует образования водяного пара, разрывает топливные гранулы.
 
    охлаждения:

процесс охлаждения готовой продукции обеспечивает получение качественного конечного продукта. Во время охолоджнення топливные гранулы, нагретые после прессования до 70-90 ° C, теряют излишнюю влагу. После охлаждения топливных гранул, с целью удаления пылевидных частей сырья, их просеивают, а образованный пыль направляют на повторное гранулирование.
 
    фасовки:

после охлаждения топливные гранулы сохраняются в бункерах и транспортируются насыпью. Однако для исключения потери в качестве рекомендуется проводить их фасовки в большие мешки (биг бэги) вместимостью 1000 кг. Для частного потребления топливные гранулы фасуют в полиэтиленовые мешки вместимость 15-35 кг.
 
Следует отметить, что в зависимости от состояния исходного сырья, ее технологических параметров и физико-механических свойств, количество технологических операций и последовательность их выполнения может быть изменена в любом отдельно взятом случае.
 
На основе результатов исследований установлено, что для получения максимальной экономической эффективности при использовании растительной биомассы на энергетические цели, необходимо обеспечить повышение удельной теплоты сгорания (теплотворной способности) твердого биотоплива и обеспечить удобство транспортировки (подачи) до тепловых установок (котлов), управляемость процессом горения . Для этого необходимо соблюдать требования технологии производства продукции и использовать качественное сырье, которое должно отвечать установленным основным требованиям по качеству.
 
Топливные гранулы являются стандартизированным видом биотоплива, однако в разных странах приняты различные стандарты производства топливных гранул. Учитывая, что сейчас в Украине не существует стандартов на твердое биотопливо, большинство производителей ориентируются на западноевропейские стандарты, а потому с целью создания конкурентоспособной энергетической продукции отечественного производства и выхода на Европейский рынок необходимо ввести производство твердого биотоплива в соответствии с требованиями тех стран, где данная продукция будет реализована.
 
На основе результатов аналитических исследований определены основные технологические операции по производству твердого биотоплива (топливных гранул) из растительной биомассы сельскохозяйственных культур. Установлено, что в зависимости от состояния исходного сырья, ее технологических параметров и физико-механических свойств, количество технологических операций и последовательность их выполнения может быть изменена в любом конкретно взятом случае. Также процесс производства твердого биотоплива, в т.ч. топливных гранул, требует постоянного и своевременного контроля параметров выходной продукции. В то же время на качество топливных гранул существенно влияют влажность, степень измельчения и физико-химические свойства сырья, однако благодаря соответствию конечной продукции заданным параметрам качества и определяется их стоимость и направление использования.

  

Источник: bio.ukr.bio

Что это такое биотопливо и его виды

Само слово биотопливо у многих людей на слуху, но что это конкретно, мало кто знает, тем более мало кто сможет объяснить, как и из чего его производят.

Биотопливо – это источник альтернативной энергии, который производится из биологического сырья.

Существует несколько видов подобного топлива, которые отличаются по своему физическому состоянию, это:

  1. Жидкое биотопливо;
  2. Твердое биотопливо;
  3. Газообразное биотопливо.

Твердое биотопливодрова

Более широкое распространение в жизни человека получило твердое биотопливо. Этот вид топлива известен людям с древних времен – это обыкновенные дрова. В связи с развитием технологий и совершенствованием процессов обработки древесины, в данном сегменте твердого биотоплива появились новые участники, это топливные брикеты и топливные гранулы (паллеты), которые, по сути своей, похожи, отличаются лишь в технологии производства и способам использования.

Кроме древесных отходов, для изготовления брикетов и гранул используют отходы сельского хозяйства (солому, шелухи ветки и т.д.) и продукты жизнедеятельности животных (навоз, помет и т.д.).

Жидкое биотопливожидкое

Данный вид биотоплива менее распространен, из-за малого производимого количества и необходимости конструктивных изменений в агрегатах, привычно работающих на бензине и дизельном топливе.

Существует несколько видов жидкого биотоплива, полученных путем переработки растительного сырья, это:

  • Биоэтанол – этиловый спирт;
  • Биометанол – метиловый спирт;
  • Биобутанол – бутиловый спирт;
  • Диметиловый эфир – простой эфир;
  • Дизельное биотопливо — жидкое моторное топливо для дизельных двигателей, состоит из смеси эфиров жирных кислот.

Газообразное биотопливогаз

Оно также пока не получило широкого распространения, к данному виду относятся:

  • Биогаз – газ, получаемый в результате брожения веществ растительного или животного происхождения. Процесс брожения, в этом случае, происходит под воздействием бактерий;
  • Биоводород – это водород, полученный из биомассы;
  • Метан – газ из семейства углеводородов.

Распространение данного вида энергоресурсовбио 3

В настоящее время биотопливо, во всех своих состояниях, разве лишь за исключением твердых видов, не нашло широкого распространения в повседневной жизни. Но в связи с тем, что запасы привычных видов энергии постоянно сокращаются, а запасы биомассы, которая может послужить сырьем для получения жидкого и газообразного видов биотоплива, колоссальны, то и работы по применению в повседневной жизни этих видов топлива, продолжаются.

Биотопливо, кроме различия по физическим свойствам, различаются еще по двум типам, это:

  1. Биотопливо первого поколения – производится из сельскохозяйственных культур (кукуруза, сахарный тростник, рапс, соя и т.д.),что создает конкуренцию прочим сельскохозяйственным культурам, используемых для пищи человека.
  2. Биотопливо второго поколения – в этом случае используется сырье, которое не используется человеком в качестве пищи. Это отработанные жиры и масла, деревья, трава.

Распространение данных видов топлива напрямую связано с использованием биодизеля и биоэтанола, который является хоть иканистра не в полной мере, но все же заменителем бензина.

В настоящее время объемы биомассы, которые могут быть переработаны, используются лишь на 5 – 6%, это обусловлено

финансовыми тратами для внедрения существующих технологий, инвестиций в эти исследования и технологии.

Разработчики проекта «Стратегии развития топливно-энергетического комплекса России до 2020 года» учли существующий потенциал нашей страны, который состоит из двух составляющих, это:

  • Технический потенциал, который характеризуется приростом биомассы;
  • Экономический потенциал, целесообразный объем сбора биомассы.

В рамках стратегии развития страны, разработки новых технологий и способах их внедрения, роста цен на традиционные кукуэнергоносители, привлекательность биотоплива неукоснительно растет и процесс внедрения этих технологий будет продолжаться.

Применение биотоплива для автомобилей

Как уже выше писалось, для современного топлива автомобилей есть замена в виде биотоплива, это:

  • Для дизельных двигателей – биодизель;
  • Для двигателей внутреннего сгорания – биоэтанол.

Биодизель получают из растительных масел (рапсовое, соевое, пальмовое) и метанола.биодизель
Биодизель второго поколения производят из микроводорослей и масленичных культур. Отдельный вид биодизеля – грин-дизель, который является смесью углеводородов и представляется на рынке, как улучшающая добавка к обычному топливу.
Как правило, биодизель для заправки автомобилей используют в смеси с обычным дизельным топливом (соляркой) в соотношении 20/80%, где биодизеля 20%. Недостаток такого смешивания – повышенный расход топлива и снижение мощности.
Биоэтанол в чистом виде для заправки автомобиля использовать нельзя, т.к. это окислитель и растворитель. Для его колонкаиспользования требуется реконструкция авто с заменой элементов топливной системы на узлы, изготовленные из нержавеющей стали и стойкого пластика.

В мире созданы автомобили с двигателями внутреннего сгорания, которые работают на смеси биоэтанола и бензина в соотношении:

  • 85/15% — в США;
  • 10/90% — в странах Европы;
  • 20/80% — в Бразилии,

Считается, что при данных пропорциях (кроме США, там автомобили были реконструированы), такое соотношение топлива не вредит системам автомобиля, что позволяет использовать биоэтанол уже при существующих технологиях.

Биотопливо для каминадля камина

По общепринятому мнению – лучшим топливом для камина являются спиртосодержащие жидкости. В связи с этим можно с уверенность сказать, что в качестве биотоплива для камина можно использовать:

  • Биоэтанол – этиловый спирт;
  • Биометанол – метиловый спирт;
  • Биобутанол – бутиловый спирт;
  • Демитиловый эфир – простой эфир;
  • Дизельное биотопливо.

Эти вещества можно использовать как в чистом виде, так и в составе с прочими составляющими.камин

Биотопливо для каминов производят в разных странах, это США, Канада, ЮАР и страны Европы. Наиболее известные в России польские компании «Kratki» и «Planika».

В России биотопливо для каминов производят: компания «БИОТЕПЛО», Мастерская биокаминов BioKer и еще ряд компаний.

Цены на биотопливо для каминов находятся в диапазоне от 500 («Planika») до 2000 рублей (BioKer) за 5 литров топлива.

Биотопливо из водорослейводоросли

Разработана и успешно используется технология получения биотоплива из водорослей.

Плюсом использования водорослей для промышленного применения, является то, что для их выращивания не требуется занимать части суши, они растут в любой воде и не требуют особого ухода, с одной стороны, а с другой – способны осуществлять значительный прирост биомассы за малые промежутки времени.

Имея в своем составе простые химические элементы, водоросли легко перерабатываются.

Как сделать своими рукамисвоими 1

Человек в повседневной жизни периодически пользуется биотопливом, это с полной уверенностью можно отнести к твердым видам топлива – дрова, опилки, солома и т. д. Для изготовления топливных брикетов не нужно специальных приспособлений и механизмов, это может сделать каждый, у кого есть продукты переработки дерева и желание.

Более сложный процесс, это получение биотоплива из навоза, являющимся продуктом жизнедеятельности сельскохозяйственных животных. В этом случае получается биогаз, который можно использовать для сжигания, тем самым нагревать воду в системах горячего водоснабжения или теплоноситель, в системах обогрева зданий и сооружений.

Вначале следует определиться с местом, где будет располагаться установка. Выбранный участок должен быть удален от жилых сам 2строений, дабы не создавать неудобства запахами, выделяющимися в процессе брожения биомассы.

На выбранном участке выкапывается яма, в которой делается гидроизоляция и сооружается емкость накопитель. Емкость может быть из железобетонных колец с герметизацией стыков, кирпичной с оклейкой гидроизоляцией, металлической. В верхней части устраивается люк и крышка. Монтируются трубопроводы для отвода образовавшегося газа.

В построенную емкость загружается навоз, картофельная ботва и прочие растительные отходы, после чего все заливается водой. В емкости начнется процесс брожения, и как следствие, начнет выделяться биогаз.

В состав получаемого таким образом газа будет входить — метан, углекислый газ и примеси других газов.

С 1 кг органического вещества можно получить около 0,5 кг биогаза.

Источник: alter220.ru


Leave a Comment

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Этот сайт использует Akismet для борьбы со спамом. Узнайте как обрабатываются ваши данные комментариев.