Технологии получения и применения пиролизного биотоплива

Каким бывает биологическое горючее

Этим термином обозначают различные вещества, которые производят из сырья биологического происхождения, растительного или животного.
Есть несколько видов такого топлива, среди них хотелось бы выделить:

1. Биогаз . Для производства такого топлива применяется в буквальном смысле мусор органического происхождения, который разлагается бактериальными культурами.
2. Биодизель . Для изготовления биодизеля используют растительные жиры, и вдобавок некоторые продукты животного происхождения. В качестве производственного ресурса подходят масла рапса, кокоса, пальмы, сои и т.п. Многие растительные и животные детали получают из отходов пищевой промышленности. Этот продукт во многих случаях применяется для работы транспорта.
3. Биоэтанол . Его рассматривают как чистый в экологичном и природном проекте аналог бензина. Продукт получают в ходе ферментации углеводов, источником которых является сырье с высоким содержанием крахмала, сахара или целлюлозы.

В экокаминах используют денатурированный этанол. Он образуется в результате ферментации пшеницы, тростникового сахара, свеклы, картофеля и т.п. Этанол также выполняют путем гидролиза древесины, соломы и других ресурсов с высоким содержанием целлюлозы.
Процесс горения такого практически чистого спирта не сопровождается выделением сажи, дыма и других продуктов.

При производстве биодизеля чаще используются масла различных растительности, такие составы во многих случаях используют для работы ТС
Это позволяет сжигать это биологическое горючее в открытом устройстве, дымоход для него не потребуется. По этому экокамин – удобное небольшие сооружение – можно поставить прямо посреди комнаты. После нужно заправить его биологическим топливом, чтобы наслаждаться теплом и уютом.
Подчеркнем, что чистый этанол горит голубым, фактически бесцветным пламенем. Оно даёт много тепла, но наблюдать за ним неинтересно. По этому производители такого топлива вводят в его состав особенные добавки, которые придают пламени приятный оттенок желтого.
Не считая самого биоэтанола в состав топлива входит около 4% воды и немного добавок, к примеру как метилэтиклетон и битрекс.

Чтобы горение биотоплива было довольно ярким, в его состав вводят необыкновенные присадки. Есть еще добавки чтобы дать пламени отличного аромата
Кроме того, смесь дополняют веществами, придающими ему неприятный горький вкус. Денатурированный этанол опасен для здоровья, если его принимать внутрь. Горькие добавки служат защитой от нечаянного приема состава, хотя в любом случае необходимо соблюдать правила хранения этого опасного состава.

Конкретные виды каминного биотоплива дополнены еще одной полезной составляющей – морской солью. Этот компонент добавляет горящему составу не только приятный цвет, но и характерное потрескивание.
В биологическое горючее для экокаминов могут вводить также различные ароматизирующие вещества. Очень популярны составы, восполненные хвойными запахами. Наиболее популярны и варианты с запахом морской соли.
Этанол считается нейтральным продуктом в отношении к природе, т.е. его изготовление, хранение и сжигание не приносит ущерба. В процессе горения это вещество разлагается на углекислый газ и воду, но никаких неприятных запахов не выделяет.
При возгорании биотоплива, конечно, образуется некоторое количество продуктов згорания, но оно маленькое. Прибор, использующийся для горения, нужно просто иногда протирать.

Заводской процесс получения биоэтанола складывается из большого числа этапов, повторить его дома будет не легко и расходно ( )
Денатурированный этанол изготавливается в виде жидкости или геля. Жидкое биологическое горючее поставляется в канистрах, его стоит заливать в предусмотренную для этого емкость экокамина. Гель выпускается в банках, которые перед использованием нужно просто открыть, установить в экокамин и поджечь.
Иногда используют одновременно две или три банки биогеля, дабы получить более великолепное пламя. Содержание одной емкости может гореть около трех часов.
Чтобы погасить пламя, достаточно закрыть крышку на банке. Жидкий биоэтанол разливают в канистры емкостью от одного до двадцати литров. На емкости во многих случаях имеется комфортная шкала топливного расхода.
Такие составы промышленного производства поставляются из Бразилии, которая считается лидером в изготовлении такого изделия, и вдобавок из Государств-членов Евросоюза, Канады, США, ЮАР и т.д. Хорошо осваивают эту технологию в Индии и Китае.

Жидкое биологическое горючее поставляется в пластиковых или стеклянных канистрах объемом от одного литра и больше. Хранить такие емкости следует вдалеке от тепла и воздействия открытого огня
Выбирая биологическое горючее для экокамина, необходимо обратить внимание на его качество и безопасность. Весомый признак – кол-во тепла, которое выделяется в процессе сжигания. Прекрасное горючее во многих случаях снабжено сертификатами, подтверждающими его безопасность и результативность.
Разные составы дают различное пламя по цвету и резкости. Этот момент также необходимо учесть, особенно если камин будет применен как украшение для интерьера.

Биоэтанол и его аналоги хорошо используют для освещения улицы, сада и т.п. Смесь не коптит, при воплощении правил она полностью неопасна

Этот тип биотоплива хорошо применяют для организации освещения улицы. В подобном случае следует подбирать состав, который даёт самое яркое пламя. Не помешает обратить внимание также на кол-во продуктов згорания, оно обязано быть маленьким.
Для хранения биотоплива необходимо выбрать место, которое находится вдалеке от огня и тепла. Для розжига стоит использовать особенные металлические зажигалки. Применение обычных спичек бумаги и других подобных материалов может быть опасным.

Дополнительная информация о видах и выборе биотоплива представлена в статьях:

1. Виды биотоплива: сравнение показателей твёрдого, жидкого и газообразного топлива
2. Как выбрать горючее для биокамина: сравнительный обзор видов топлива разбор марок которые наиболее популярны

Жидкое (моторное) биологическое горючее

Вещество, получаемое в ходе переработки сырья на основе растительности (кукурузы, рапса, сахарной свёклы, сахарного тростника и др.), отходов деревообработки средствами технологий, в их основе лежит использование природных биологических процессов (например, брожения). Основное применение жидкого биотоплива – двигатели. Жидкое биологическое горючее разделяется на биоэтанол, биометанол, биобутанол, диметиловый эфир, биодизель.
Биоэтанол – обычный этанол, получаемый в процессе переработки сырья на основе растительности для использования в качестве биотоплива; биотопливный заменитель бензина. Этанол в Бразилии делается преимущественно из сахарного тростника, в Америке – из кукурузы. Производство этанола из тростника на сегодняшний день экономически более выгодно, чем из кукурузы. Сырьём для производства биоэтанола также могут быть различные сельскохозяйственные культуры с большим содержанием крахмала или сахара: маниок, картофель, сахарная свёкла, батат, сорго, ячмень и т. д. Есть 2 основных способа получения биоэтанола – микробиологический (спиртовое брожение) и ненастоящий (гидратация этилена). Следствием брожения считается раствор, содержащий не более 15% биоэтанола, так как в гораздо концентрированных растворах дрожжи во многих случаях гибнут. Получившийся таким образом биоэтанол нуждается в очистке и концентрировании, во многих случаях путём дистилляции. В промышленных масштабов этиловый спирт получают из сырья, содержащего целлюлозу (различные отходы сельского и лесного хозяйства – пшеничная солома, рисовая солома, опилки дерева и т. п.), которую заблаговременно подвергают гидролизу (см. Гидролиз материалов из растений ). Смесь, появившаяся при этом, подвергают спиртовому брожению. Если учесть, что каждый год на нашей планете образуется ок. 200 млрд. т растительной целлюлозосодержащей биомассы, биосинтез целлюлозы – самый крупномасштабный синтез в настоящем и будущем. Массовое изготовление этанола на 2009 составило 73,9 млрд. литров, в 2010 – 85,9 млрд. литров (на 16,2% больше, чем в 2009). В 2014 производство этанола (91,4 млрд. литров) заместило необходимость, эквивалентную 430 млн. баррелей нефти. Всемирным лидером в области изготовления биоэтанола (2014) являются США – 53,2 млрд. литров (14 млрд. галлонов).
Биометанол – обычный метанол, первый представитель гомологического ряда одноатомных спиртов, который используется в виде биотоплива. Промышленное культивирование и биотехнологическая конверсия морского фитопланктона рассматривается как одно из наиболее перспективных направленностей в области получения биотоплива. Производство биомассы для получения биометанола делается путём обработки фитопланктона в специально созданных водоёмах на морском берегу. Вторичные процессы собой представляют метановое брожение биомассы и последующее гидроксилирование метана с получением метанола. Основными доводами в пользу использования микроскопических водорослей являются: высокая эфективность фитопланктона (до 100 т/га на протяжении года); в изготовлении не используются плодородные почвы, чистая вода; процесс не конкурирует с сельскохозяйственным производством и др. Метанол может использоваться как в обычных двигателях внутреннего сгорания, так и в специальных топливных элементах для получения электричества. Достоинства биометанола: низкий объём выбросов углекислого газа; возможность организовать переработку (рециклинг) отходов животноводства и сельского хозяйства. Минусы: низкий энергетический кпд (максимум 68%); бесцветное пламя, что может привести к травматическим ситуациям; срок окупаемости проекта (до 20 лет); метанол травит алюминий (проблемным становится использование металлических карбюраторов и инжекторных систем подачи топлива в двигателях внутреннего сгорания ). На долю ТС приходится 20% совокупного употребления метилового спирта (как в чистом виде, так и в виде его производных). Не считая применения метанола в виде замены бензина, есть технология применения метанола для создания на его базе угольной суспензии, какая в Америке имеет коммерческое наименование «метакол» (methacoal). Такое горючее предлагается как замена мазута, широко используемого для отапливания зданий (топочный мазут). Такая суспензия, в отличие от водоуглеродного топлива, не требует специальных котлов и имеет очень высокую энергоёмкость.
Биобутанол (бутиловый спирт, бутанол) – бесцветная жидкость, получаемая из сырья на основе растительности, с характерным запахом сивушного масла. Энергия бутанола близка к энергии бензина. Бутанол может использоваться в топливе и также как сырьё для производства водорода. Сырьём для производства биобутанола могут быть сахарный тростник, маниока, свёкла, а в будущем и целлюлоза. В 1950-х гг. бутанол делали из нефтепродуктов. Бутанол, произведённый из биомассы, именуют биобутанолом, хотя он имеет полностью те же характеристики, что и бутанол, получившийся из нефти (сырья на основе химии). Бутанол применяют как растворитель в лакокрасочной промышленности, в изготовлении смол и пластификаторов, в синтезе многих органических соединений, в качестве компонента к простым топливам или как самостоятельное горючее для ТС. Но прежде всего его используют в качестве промышленного растворителя.
Диметиловый эфир – горючее, производимое из природного газа, угля, отходов целлюлозно-бумажного производства; продукт чистый в экологическом плане. Диметиловый эфир применяют очень широко, так как его использование не требует каких-то специальных очисток, но необходима перестройка систем питания и зажигания мотора внутреннего сгорания (например, имеется возможность использование этого биотоплива на автомобилях с LPG-двигателями). Машины с двигателями, работающими на диметиловом эфире, формируют КАМАЗ, « Volvo » , « Nissan » и китайская компания « SAIC Motor » .
Биодизель – биологическое горючее на основе растительных или зверей жиров (масел), и вдобавок продуктов их этерификации (моноалкиловые эфиры жирных кислот). Сырьём для производства биодизеля служат жирные, реже – эфирные масла различных растений или водорослей: в Европейских государствах – рапс; США – соя; Канаде – канола (разновидность рапса); в Индонезии, на Филиппинах – пальмовое и масло кокоса; в Индии – ятрофа; Африке – соя, ятрофа; Бразилии – касторовое масло. Также применяются отработанное растительное масло, животные жиры, рыбий жир и т. п.
В Российской Федерации (Северо-Кавказский НИИ механизации и электрификации сельского хозяйства, СКНИИМЭСХ) разработана технология и модульная установка «БИОДОН-1М» для производства жидкого биотоплива из растительных масел непищевого назначения с большим значением кислотного числа (8–13 мг КОН/г). Оборудование, необходимое для выполнения тех. процесса получения биодизеля из растительных масел, размещается в стандартном 20-футовом контейнере, оборудованном приточно-вытяжной вентиляцией. Благодаря этому, установка легко транспортируется. Для монтажа и запуска установки в работу необходимы ровная площадка, подвод воды и трёхфазного тока напряжением 380 В. Установка состоит из реактора, промывочной ёмкости, ёмкости для приготовления катализатора, узла смешивания, конденсатора для охлаждения паров метанола, системы трубо-проводов, шкафа управления. Реактор служит для получения из растительного масла метилового эфира жирных кислот (биодизеля) и технического глицерина методом этерификации. После биодизель-сырец перекачивают в промывочную ёмкость, где происходит его отмывка от омылённого продукта. Дальше готовый биодизель поступает в накопительную ёмкость.
Установка позволяет перерабатывать растительные масла с будущим использованием в качестве самостоятельного топлива, и еще в виде добавки к дизельному топливу нефтяного происхождения независимо, непосредственно в условиях различных сельхозпредприятий. Для получения жидкого биотоплива в качестве начального компонента могут быть использованы рапсовое, подсолнечное, льняное, горчичное и др. растительные масла с кислотным числом для 13 мг КОН/г. При большом значении кислотного числа 13 мг КОН/г растительного масла получение биотоплива, соответствующего ГОСТ Р 53605-2009, на установке «БИОДОН-1М» с применением непрерывного способа дозирования компонентов обеспечивается с предварительным подогревом масла до 50 о C. Для получения биотоплива из растительных масел с кислотным числом до 8,6 мг КОН/г предварительный нагрев растительных масел не понадобится. Также разработана технология углекислой промывки для нейтрализации остатков катализатора КОН при производстве жидкого биотоплива, которая исключает вероятность проникновения воды в готовое биологическое горючее, что обеспечивает его гарантированно замечательное качество для работы с двигателями внутреннего сгорания. Установка не имеет отечественных заменителей и в корне отличается от небольших зарубежных установок (компоновкой, новыми техническими решениями, как-то: использованием разнообразных видов начального сырья, применением гидродинамического смесителя и вакуумного дозатора непрерывного действия, углекислотной промывки готового продукта и др.).
Наиболее многообещающим источником сырья для производства биодизеля являются водоросли. По оценкам экспертов, с одного акра (4047 м 2
0,4 га) земли можно получить 255 литров соевого масла или 2400 литров пальмового масла. С аналогичной же поверхностной площади воды разрешено делать до 3570 баррелей бионефти (1 баррель = 159 литров). Основные преимущества: биодизель отличается хорошими смазочными качествами, что продолжает срок жизни мотора (это вызвано его химическим составом и содержанием в нём кислорода); в ходе работы мотора на биодизеле одновременно делается смазка его подвижных частей, благодаря которой, как показывают проверки, достигается увеличение срока службы самого мотора и топливного насоса ориентировочно на 60% (например, грузовик из Германии попал в Книгу рекордов Гиннесса, проехав более 1,25 млн. километров на биодизельном топливе со своим оригинальным двигателем); нет необходимости улучшить мотор; биодизель при попадании в почву не оказывает ущерба растениям и животным, подвергается практически полному биологическому распаду (в почве или в воде микроорганизмы за 28 дней перерабатывают 99% биодизеля, что позволяет говорить о минимизации загрязнения окружающей среды); в сравнении с простым дизельным топливом почти что не содержит серы; температура вспыхивания для биодизеля превышает 100 °С, что позволяет считать биологическое горючее относительно неопасным веществом; производство биодизеля способствует вводу в оборот низкокачественных неприменяемых сельскохозяйственных земель; получившийся в ходе производства биодизеля жмых можно использовать в качестве компонентов корма для скота, что позволяет наиболее полно использовать сырьевую биомассу. Основной недостаток: в холодное время года необходимо обогревать горючее, идущее из топливного бака в топливный насос, или применять смеси 20% биодизеля и 80% минерального ДТ; хранить технику, заправленную биодизелем более 3 месяцев, не рекомендуется – он склонен к окислению и нежный к воде, конденсирующейся на стенках топливных баков. Кроме того, минусом биодизеля для климатических условий России является то, что он по личным физико-химическим свойствам отвечает летнему дизельному топливу.

Полезная информация по экокаминам

Устройство представляет собой укрупненный вариант обычной спиртовки с практичным дизайном. Здесь есть емкость для загрузки горючего вещества, и вдобавок заслонка, чтобы настраивать интенсивность пламени. Для оформления экокамина используют детали из керамики, металлической детали и жаростойкое стекло.

Биоэтанол горит без копоти и сажи, по этому экокаминам не нужны дымоходные конструкции, это делает легче их эксплуатацию и добавляет им мобильность
Стеклянной панели не только украшают это устройство, но и служат чтобы оберегать от жара. Не все устройства имеют такую защиту, но стеклянные экраны различных модификаций реализовываются отдельно.
Лучше приобрести защитный элемент, особенно если предполагается использовать мобильную модель, которую будут устанавливать в разных местах. Часто такой камин декорируют искусственными дровами, чтобы дать конструкции традиционный вид, но это не один вариант.
Экокамины бывают напольными, настольными, настенными и даже настольными, они выделяются по размерам, но работают одинаково.

Нельзя добавлять горючее в экокамин во время его работы. Если биоэтанол был пролит, загрязненную поверхность следует сразу же очистить

Эти устройства можно использовать для обогрева помещения или в качестве интерьерного украшения. Прибор не нуждается в проводах, по этому его можно очень просто переставить. Например, летним прохладным вечерами экокамин можно поставить на открытой веранде. Имеются устройства очень разной формы.

Любопытным вариантом для стильного кабинета может стать небольшая модель, камеру которой встраивают в столешницу, над поверхностью выступает только крышка. Есть комичные варианты в виде корзины, вытянутого цилиндра и т.п.
Так как для экокамина, в котором сжигают такое биологическое горючее, не нужно оборудовать систему отведения продуктов горения, тепло, полученное во время сгорания, не теряется на обогрев дополнительных конструкций.

Принципиальная конструкция экокамина почти не отличается от обычной спиртовки, по этому аналогичный прибор легко сделать своими руками
По этому считается, что КПД такого устройства будет ориентировочно 95%, довольно высокий показатель для любой системы. Для работы обычного экокамина в течение часа во многих случаях достаточно половины литра биоэтанола. При этом из литра топлива можно получить 6-7 кВт/ч энергии.
Считается, что обычный экокамин может хорошо заменить обогреватель работающий от сети около трех киловатт.

Модели для стен экокаминов копируют традиционные устройства, они разнообразны и представляют много вариантов для дизайна интерьера квартиры или офиса
Преимущество применения биокамина если сравнивать с другими приборами обогрева состоит в том, что подобный прибор несколько повышает влажность воздуха в помещении. Практически любой традиционный способ обогрева напротив, убирает влагу, что может плохо отобразиться на человеческое здоровье.

И экокамин, и биоэтанол очень просты в применении, а это горючее не опаснее других горючих веществ, используемых в быту. Горение биоэтанола можно настраивать, если в конструкции экокаминов предусматривается такая возможность.
Устройство может давать меньше либо больше тепла и света, если из этого исходить, будет изменяться и время расходования топлива.
Имеются у этого варианта отопления и некоторые недостатки. Например, при всем удобстве использования биоэтанол нельзя доливать в емкость камина. Нужно не только обождать, чтобы состав прогорел, но и дать устройству остынуть. Этот момент придется учитывать, планируя время использования камина.

Хотя камины для биоэтанола и не нуждаются в дымоходе, все же нельзя использовать эти устройства бесконтрольно.

Открытое пламя всегда представляет опасность загорания, по этому его лучше скрыть за экраном из жаропрочного стекла. Такой элемент можно выбрать отдельно
Помещение, которое отапливается таким образом, нужно регулярно проветривать, чтобы уравнять кол-во кислорода и углекислого газа. Если в процессе заправки камина было пролито немного топлива, его стоит немедленно стереть, даже к примеру, если говорится о паре капель горючего вещества.
Для этого рядом великолепнее всего держать ветошь с хорошими впитывающими качествами. Для розжига позволяется использовать необыкновенные длинные спички, но очень часто применяют длинные металлические зажигалки. Некоторые камины на биологическом топливе снабжены функцией электророзжига, что очень удобно, но поднимает цену модели.
Выполнить своими руками состав этого типа легко. Чтобы это сделать нужно просто приобрести чистый спирт, например, в аптеке. Если залить его в чистом виде, пламя будет практически бесцветным. Чтобы дать ему жёлтую окраску, следует прибавить к спирту немного бензина.

Соотношение составляет примерно 20:1 или 20:2, т.е. на один литр спирта нужно взять 50-100 мл бензина.

Рукодельное горючее для экокамина можно сделать из аптечного спирта или чистого крепкого самогона. Чтобы пламя было привлекательным, добавляют немного бензина
Вместо спирта некоторые используют самогон, но он должен быть очень хорошо очищен. Смешивание спирта с бензином нужно выполнять непосредственно перед заливкой состава в камин.
Длительное хранение смеси бесполезно и страшно, так как в спокойном состоянии детали распадаются на отдельные жидкости. Перемешивать детали следует очень тщательно.

Рукодельное экотопливо может гореть с характерным запахом спирта, что доставляет неприятные чувства. Чтобы исправить ситуацию, можно дополнить в камин (однако не в состав) пару капель эфирные масла с приятным запахом. В основном для этого подходят ароматы хвои, которые создают иллюзию горения настоящих дров.
Подобную смесь можно использовать для керосиновых ламп, вместо керосина. Состав не даёт копоти и пахнет гораздо лучше, чем керосин.
Биологическое горючее – очень обширное понятие. Вариант состава подбирают в зависимости от того, какой вид камина предполагается использовать. Но это всегда горючее вещество, при эксплуатировании которого нужно четко держаться условий безопасности.

Рассмотреть способы использования биотоплива следует хотя бы за счет того, что оно делается из возобновляемых ресурсов.

Твёрдое биологическое горючее

Наиболее популярный представитель вида – дрова. Сейчас для производства дров или биомассы используются энергетические леса – быстрорастущих древесных пород, кустарников и трав (ива, тополь, эвкалипт, акация, сахарный тростник, кукуруза и др.). Посадку выполняют квадратно-гнездовым способом или как в шахматах. В междурядьях из деревьев часто высаживают сельскохозяйственные культуры (Другими словами комбинированные посадки). Период ротации энергетического леса (от срезания до срезания) составляет 4–6 лет. Не во всех государствах, к примеру как Италия, Германия, Аргентина, Польша и др., широко практикуется создание специальных плантаций быстрорастущих древесных пород тополя и ивы. В Северной Индии посадки быстрорастущего тополя и эвкалипта занимают примерно от 50 до 60 тыс. га. Ежегодно на аналогичных плантациях заготавливается ок. 3,7 млн. тонн древесины. Щепа и другие виды древесных отходов, прессованные топливные гранулы и брикеты и остальные виды биомассы собой представляют очень эффективное, чистое в экологичном и природном проекте, возобновляемое и экономичное горючее.
Прессованные топливные гранулы – прессованные изделия из древесных отходов (опилок, щепы, коры, тонкомерной и некондиционной древесины, порубочные остатки при заготовках леса), соломы, отходов сельского хозяйства (лузги подсолнечника, ореховой скорлупы, навоза, куриного помёта) и другой биомассы. Древесные прессованные топливные гранулы называются пеллеты, они имеют форму цилиндрических или сферических гранул диаметром 8–23 мм и длиной 10–30 мм. Сейчас в Российской Федерации производство топливных гранул и брикетов выгодно с точки зрения экономии только при больших объёмах.
Технологический производственный процесс грану л. Сырьё (опилки, кора и т. д.) поступает в дробилку, где измельчается до состояния муки. Получившаяся масса поступает в сушилку, из неё – в пресс-гранулятор, где древесную муку сжимают в гранулы. Сжатие во время прессовки повышает температуру материала, лигнин, имеющийся в древесине, размягчается и склеивает частицы в плотные цилиндрики. На производство одной тонны гранул уходит 4–5 м 3 древесных отходов. Готовые гранулы охлаждают, пакуют в стандартную упаковку 12–40 кг или доставляют приобретателю россыпью. Гранулы менее склонны самовоспламенению, так как не имеют пыли и спор, которые также в основном вызывают аллергическую реакцию у людей. Выделяются от обычной древесины высокой сухостью (8–12% влаги против 30–50% в дровах) и большей (примерно в 1,5 раза) плотностью. Эти качества представляют высокую теплотворную способность В сравнении со щепой или дровами (при возгорании тонны гранул выделяется ориентировочно 5 тыс. кВт·ч тепла, что в 1,5 раза больше, чем у обычных дров). Прессованные топливные гранулы – чистое в экологичном и природном проекте горючее с содержанием золы не более 3%.
Брикеты в виде топлива – высушенные и брикетированные источники энергии биологического происхождения (различных отходов деревообработки, торфа, отходов сельского хозяйства и др.), экологически чистый материал, с высокой теплоотдачей. Используется как горючее, как заготовка при выработке древесного угля или кокса. В основе технологии производства брикетов для топлива лежит процесс прессования шнеком отходов (шелухи подсолнечника, гречихи и т. п.) и мелко измельчённых деревянных отходов (опилок) под высоким давлением при нагревании от 250 до 350 °C. Получаемые брикеты в виде топлива в себя не включают никаких связующих веществ, не считая одного настоящего – лигнина, содержащегося в клетках растительных отходов. Температура, присутствующая при прессовании, способствует оплавлению поверхности брикетов, которая благодаря этому становится достаточно прочной, что особенно актуально для перевозки брикета. Выделяют 3 основных типа брикетов: с прямыми углами, 4- или 6-гранные брикеты (за счёт термические обработки имеют характерный чёрный или тёмно-коричневый цвет самой поверхности снаружи). Брикеты выделяются удароустойчивостью царапинам и так дальше, высокой влагостойкостью и калорийностью, длительным временем горения.
Биоуголь во многих случаях получают в процессе нагревания древесины, стеблей растений или других органических материалов без доступа кислорода. Наиболее популярный способ получения биоугля – пиролиз. В настоящий момент возрастает интерес к применению технологии отжига биомассы (торрефакция), которая позволяет получать биотопливные гранулы с высоким объёмным теплосодержанием. В Америке такая технология была задействована первый раз в 2008 компанией «Integro Earth Fuels».
Наво з – вид твёрдого биотоплива животного производства. Благодаря сбраживанию определенных бактерий с навозом и сушке, получают товар горения, который прессуется в блоки и используется как горючее для тепловых электростанций. Высушенный навоз – кизяк (название происходит от тюркского, казахского тезек) применялся и нечасто используется теперь в качестве топлива (например, для сжигания в печи у тюркских народов для обогрева или приготовления пищи), и вдобавок для построения жилищ.

Категории и виды биотоплив

В мировой практике существует два очень различных подхода к выбору конкретного вида биотопливного сырья. В то время как первый из них предусматривает выбор заменителей, способных заменить ископаемое углеводородное сырье в тех или иных применениях, в основу второго положена задача поиска энергетического применения углеродсодержащим отходам. В настоящий момент не разработаны универсальные технологии, допустимо сочетающие оба принципа.
В таблице 2.1 представлены характеристики основных технологий энергетического использования биотопливного сырья. Все разновидности биотоплива условно можно разделить на две категории качества. В первые категорию выделены биотоплива, пригодные для применения в двигателях внутреннего сгорания (ДВС), т. е. биотоплива «моторного качества».

Таблица 2.1
Основные технологии получения биотоплива
К биотопливам второй группы относятся продукты переработки органического сырья, которые не могут менять моторные топлива, однако по собственным особенностям соответствуют требованиям, предъявляемым к котельному и печному топливу. При необходимости, биотоплива первой категории могут использоваться в тепловых установках вместо котельного или печного горючего, хотя это и нет смысла с точки зрения экономики.
Биотоплива второй группы в основном быть в любом из трех допустимых начальных агрегатных состояний (твёрдое, жидкое, газообразное), в то время как моторные биотоплива, в силу характерности принципа работы ДВС, могут быть только в жидком или газообразном состоянии. Это объясняется тем, что перед подачей в топочную камеру ДВС горючее распыляется и смешивается с воздухом, образовывая топливовоздушную смесь, способную воспламениться и практически полностью окислиться за очень короткое время соответствующего такта рабочего цикла.
Подавляющее большинство ДВС для современного автотранспорта автомобилей рассчитано на использование жидкого (бензинового или дизельного) топлива. По этому развитие биотопливной энергетики делается по пути поиска заменителей бензина и ДТ, сделанных с использованием возобновляемого органического сырья.
Достаточно редко применяется настоящий или сжиженный газ. В подобном случае выполняют доработку мотора на производстве или на специальных станциях технического обслуживания. Такие двигатели в основном будут работать как на биогазе, так и на пиролизном газе после соответствующей чистки от лишних примесей.
Биотопливными аналогами бензина и ДТ являются, если из этого исходить, спирт (биоэтанол, биопропанол) и биодизельное горючее, в качестве базового компонента которого используют метиловые эфиры жирных кислот (МЭЖК). В чистом виде спирты и МЭЖК обычно не применяют, а добавляют их, если из этого исходить, к бензину или обычному дизельному топливу в самых разных нормируемых стандартами количествах.
Как следует из данных, приведенных в таблице 2.1, в технологиях приготовления жидких биотоплив моторного качества либо применяется дорогое сельскохозяйственное сырье традиционно пищевого назначения, либо эти технологии предполагают применение сложного цикла производства, как это имеет место в случае получения гидролизного биоэтанола из лигноцеллюлозы, или искусственных биотоплив из газообразных продуктов ее пиролиза.
Процессы, применяемые в технологиях производства разнообразных видов биотоплива, условно можно разделить на две группы: «неглубокая» и «глубокая» переработка.
Неглубокая переработка включает в себя механичные и тепловые низкотемпературные процессы, не приводят которые к заметным изменениям химического состава компонентов органического сырья. Во многих случаях она используется при производстве печного топлива, предназначенного для прямого сжигания в твёрдом виде. К аналогичным топливам относятся, к примеру, топливная щепа, прессованные топливные гранулы (пеллеты) и брикеты (торфяные брикеты, «евродрова»).
Целью такой переработки считается приведение основных физико-химических показателей биотоплива (размеры, влажность, питательность и т. п.) в соответствие с требованиями существующих стандартов. Наиболее энергозатратной стадией аналогичной отделки считается убирание влаги. Но все таки, такие затраты оказываются оправданными, так как конечный энергетический продукт обладает гораздо высокими покупательскими качествами по сравнению с исходным сырьем, и его изготовление резонно даже во время перевозки на длинные расстояния для реализации на внешних рынках.
Подобные варианты печного биотоплива обладают строго нормированными физико-химическими параметрами, что обеспечивает стабильность и горения и возможность автоматизированного дистанционного контроля в процессе сжигания. Сейчас на рынке широко представлены котлы с микропроцессорным управлением для городского и индивидуальные теплоснабжения, которые работают на топливных брикетах в независимом цикле. Такие котлы способны в течение очень длительного времени поддерживать установленый температурный режим в помещениях в отсутствии оператора.
Глубокая переработка биотопливного сырья предусматривает конверсию начального органического сырья в продукты, существенно выделяющиеся от него по своему компонентному и химическому составу. Для этого используют любые факторы влияния окружающей среды, вызывающие физикохимические процессы, приводят которые к изменению химического состава и агрегатного состояния продуктов переработки начального биотопливного сырья.

Пиролиз

Пиролизом называется термическое влияние на исходное органическое сырье в безвоздушной обстановке. В результате нагрева при температуре больше 300 °С высокомолекулярные детали разлагаются с образованием парогазовой смеси, состоящей из соединений, молекулярные массы которых находятся в огромном диапазоне.
После охлаждения наиболее легкие фракции продуктов разложения, к примеру водород, окислы углерода азота и серы, низшие углеводороды и т. п., остаются в газообразном состоянии. Намного тяжелее соединения конденсируются, образовывая жидкую фракцию, известную под наименованиями «пиролизная жидкость», «бионефть».
Пиролизная жидкость состоит из большого числа разнородных компонентов, в силу чего считается нестабильной, и со временем деградирует и расслаивается. Такой продукт не может использоваться в качестве моторного топлива, но может найти применение в виде компонента печного или котельного биотоплива.

Самая высокая температура работы в реакторе ограничена термохимической стойкостью материалов, из которых он выполнен, и обычно не превышает 1000 °С. Даже при этой температуре не выходит полностью перевести исходное сырье в низкомолекулярные соединения. По этому определенная часть общей массы продуктов пиролиза остается в твёрдом состоянии.
Массовые соотношения газообразного, жидкого и твёрдого продуктов пиролиза в большинстве случаев зависят от технологических условий. Этот факт используется в реальности в целях достижения максимально потенциального выхода нужного продукта. Так при производстве древесного угля процесс пиролиза проводят при относительно низких температурах (300-400 °С) в течение очень длительного времени (несколько часов).
В целях получения пиролизной жидкости обработку проводят при средних температурах (500-600 °С). При этом представляют условия для максимально быстрого вывода парогазовой смеси из горячей зоны в конденсатор, чтобы сделать меньше эффект будущего разложения первичных продуктов с образованием неконденсирующихся компонентов.

Переэтерификация

Переэтерификацию в биотопливной индустрии применяют при переработке растительного масла в метиловый эфир жирных кислот (МЭЖК), который применяется в виде заменителя ДТ. В ходе этого процесса остатки жирных кислот отщепляются от связывающего их глицерольного стержня и присоединяют к себе радикалы спирта.
Продуктом реакции переэтерификации считается смесь метиловых эфиров различных жирных кислот, состав которой определяется выбором конкретного вида растительного масла. В серийных двигателях на дизеле применение МЭЖК в чистом виде не рассчитано. Как правило, их добавляют в стандартное дизельное топливо в количестве от 5 до 15-20 %.
Биоэтанол (биобутанол) считается альтернативным видом моторного топлива для бензиновых двигателей. При производстве топливного биоэтанола применяют традиционную технологию анаэробного (т. е. без доступа воздуха) сбраживания сахаров. Под действием ферментов, производимых специальными микрокультурами (дрожжами), сахара разлагаются с выделением метилового спирта и углекислого газа.
(Дабы получить биоэтанол, используют другие штаммы микроорганизмов, в результате деятельности которых образуется не этиловый, а бутиловый спирт.) Также как и в случае МЭЖК, биоэтанол в чистом виде применяется только на доработанных двигателях внутреннего сгорания. В обычных ДВС производителями разрешается использовать только этанольно-бензиновые смеси с относительно небольшим (10-15 %) содержанием спирта.

Кислотный гидролиз

Сырьём для производства биогаза служат навоз, птичий помёт, зерновая и мелассная послеспиртовая барда, пивная дробина, свекольный жом, фекальные осадки, отходы рыбного и забойного цеха (кровь, жир, кишки, каныга), трава, бытовые отходы, отходы молокозаводов (солёная и сладкая молочная сыворотка), отходы производства биодизеля (технический глицерин от производства биодизеля из рапса), отходы от производства соков (жом фруктовый, ягодный, овощной, виноградная выжимка, водоросли), отходы производства крахмала и патоки (мезга и сироп), отходы переработки картофеля, производства чипсов (чистки, шкурки, ставшие гнилыми клубни, кофейная пульпа). Вдобавок к этому, биогаз разрешено делать из специально выращенных энергетических культур, например из силосной кукурузы или сильфия, и вдобавок из водорослей.
Свалочный газ – одна из разновидностей биогаза. Выходит на свалках из муниципальных отходов быта, что позволяет эффективно избавится от проблемы замусоренности шумных городов и существенно намного улучшить обстановку в экологичном и природном проекте.
Одной из главных задач биогазовых станций (не считая получения электрической и энергии тепла) считается переработка отходов, получение удобрений, улучшение экологической обстановки окружающей среды. Технология изготовления биогаза (метанового брожения) делается в аппарате (метантенк), включающем загрузчик сырья, реактор, мешалки, газгольдер, систему смешивания воды, систему отопления, газовую систему, станцию насосную, сепаратор, приборы контроля. Биологическая масса (отходы или зелёная масса) иногда подаётся с помощью насосной станции или загрузчика в реактор. Реактор представляет собой подогреваемый и утеплённый резервуар (железобетон или сталь с покрытием), оборудованный мешалками. В реакторе живут полезные бактерии, питающиеся биомассой. Для поддержки жизни бактерий требуется подача корма, подогрев до 35–38 ° С и периодичное перемешивание. Возникающийся биогаз скапливается в хранилище (газгольдере), после проходит систему очистки и подаётся к потребителям (котёл или электрогенератор). Реактор работает без доступа воздуха, герметичен и неопасен. Для сбраживания некоторых видов сырья в чистом виде требуется специальная технология, например переработка по одностадийной технологии без химических добавок, но при коферментации (смешивании) с другими видами сырья, например с навозом или силосом.
Состав и качество биогаза: 50–87% метана, 13–50% CO2, маленькие примеси H2 и H2S. После чистки биогаза от СО2 выходит биометан – полный аналог природного газ а, отличие только в происхождении. Выход биогаза зависит от содержания сухого вещества и вида сырья которое используется. Из тонны навоза крупного рогатого скота выходит 50–65 м? биогаза с содержанием метана 60%, из разнообразных видов растений 150–500 м 3 биогаза с содержанием метана до 70%. Слишком много биогаза можно получить из жира – 1300 м? с содержанием метана до 87%. Важная задача биогазовых станций – переработка отходов, получение удобрений, улучшение экологической обстановки окружающей среды и только затем – получение электрической и энергии тепла.
Биогаз используют в качестве топлива для производства электричества, тепла или пара или в качестве автомобильного топлива (например, фирмы « Volvo » и « Scania » выполняют автобусы с двигателями, работающими на биогазе). Биогазовые установки в основном устанавливаются как очистные сооружения на фермах, птицефабриках, спиртовых заводах, сахарных заводах, мясокомбинатах. Биогазовая установка может заменить ветеринарно-санитарный завод, т. е. падаль может утилизироваться в биогаз вместо производства мясокостной муки. Среди промышленно развитых стран позицию лидера в изготовлении и использовании биогаза по относительным показателям принадлежит Дании (до 18% в её общем энергобалансе). По полным показателям по количеству средних и больших установок позицию лидера занимает Германия (8000 тыс. штук). В Странах Европы не менее половины всех птицеферм отапливаются биогазом. В Индии, Вьетнаме, Непале и других государствах строят малые (односемейные) биогазовые установки. Получаемый в них газ применяется для готовки пищи. КНР на сегодняшний день является всемирным лидером по внедрению технологии производства биогаза. Суммарный выпуск биогаза в стране составляет 14 млрд. м 3 /год. По мнению экспертов, при сохранении текущих темпов роста биогазовой индустрии (а это практически ежегодное удвоение рынка) КНР выйдет в ведущие страны мира по изготовлению биогаза уже к 2020 году.
Биоводород – водород, получившийся из биомассы термохимическим, химическим или другим способом. При термохимическом методе биомассу греют без доступа кислорода до температуры 500–800 о C (для деревянных отходов), что намного ниже температуры процесса газификации угля. В результате процесса выделяется H2, CO и CH4. Биоводород можно получать термомеханическим способом из деревянных отходов, однако отпускная стоимость такого способа пока слишком высока. В химическом процессе водород вырабатывают различные бактерии, например Rhodobacter sphaeroides, Enterobacter cloacae. Имеется возможность использование различных ферментов или энзимов [от лат. fermentum – закваска; во многих случаях протеиновые молекулы или их комплексы, ускоряющие (катализирующие) химические реакции в живых системах] для ускорения производства водорода из полисахаридов (крахмал, целлюлоза), присутствующих в биомассе. Процесс идет при температуре 30 ° C и нормальном давлении. Водород может делать группа зелёных водорослей, например Chlamydomonas reinhardtii. Водоросли способны делать водород из морской воды или канализационных стоков.
Разрабатывается проект получения биоводорода микробиологическим путём с использованием принципов, аналогичных тем, которые используются для получения биогаза. Методом бутилового брожения сахарозы или крахмала с 1 т мелассы можно получить до 140 м 3 водорода, 1 т стеблей сладкого сорго – 50 м 3 , 1 т картофеля – 42 м 3 .
Применение водорода на транспорте и в энергетике сейчас вызвано отсутствием хорошей сферы услуг, ограничиваясь разработкой отвлеченных моделей водородных автомобилей и техники, работающей на топливных водородных элементах. Осложняют возможность использования водорода в качестве топлива и проблемы безопасности: водород может создавать с воздухом взрывоопасную смесь – гремучий газ; сжиженный водород обладает исключительными проникающими качествами, требуя применения специальных материалов.
Синтез – газ (сигаз) – смесь газов, главными элементами которой являются СО и Н2; используется для синтеза разных химических соединений. Сейчас синтез-газ выполняют конверсией природного газа либо нефтепродуктов (от лёгкого бензина – нафты до нефтяных остатков) и лишь в небольших масштабах химической переработкой древесины, и вдобавок газификацией углей. Все зависит от применяемого сырья и вида конверсии (паром или нестехиометрическим количеством О2) соотношение компонентов в смеси газа меняется в широких пределах. Синтез-газ получают также одновременно с целевым продуктом ацетиленом при окислительном пиролизе природного газа.
Движущими факторами для распространения биотоплива являются угрозы, которые связаны с энергетической безопасностью, изменением климата и экономическим спадом. Распространение производства биотоплива по всему миру нацелено на увеличение доли употребления экологично чистого топлива, особенно на транспорте; снижение зависимости от импортируемой нефти для многих стран; снижение выбросов тепличных газов; развитие экономики. Биологическое горючее является альтернативой простым видам топлива, получаемым из нефти. Мировыми центрами производства биотоплива в 2014 являются США, Бразилия и Европейский Союз. Наиболее популярный вид биотоплива – биоэтанол, его доля составляет 82% всего производимого в мире топлива из биологического сырья. Ведущими его производителями являются США и Бразилия. На 2-м месте находится биодизель. В Европейском Союзе сосредоточено 49% производства биодизеля. В долгосрочной перспективе всевозрастающий интерес на биологическое горючее со стороны наземного, воздушного и морского транспорта может сильно заменить сложившуюся ситуацию на мировом рынке источников энергии. Использование сельскохозяйственного сырья для производства жидкого биотоплива и рост объёмов его производства установили интерес на сельскохозяйственную продукцию, что повлияло на цены продуктовых культур, используемых в процессе изготовления биотоплива. Объём производства биотоплива второго поколения продолжает расти, и к 2017 крупное производство биотоплива второго поколения должно составить 10 млрд. литров. Крупное производство биотоплива к 2017 должно увеличиться на 25% и составить ок. 140 млрд. литров. В Европейском Союзе основная часть производства биотоплива приходится на биодизель, производимый из семян масличных культур (рапса). Согласно расчетам, в странах Европы будет становиться больше производство биоэтанола из пшеницы и кукурузы, и вдобавок сахарной свёклы. В Бразилии, как ожидается, производство биоэтанола будет продолжать расти стремительными темпами и достигнет к 2017 примерно 41 млрд. литров. В общем производство биоэтанола и биодизеля, согласно расчетам, к 2017 будет вырастать быстрыми темпами и как правило составит 125 и 25 млрд. литров если из этого исходить. Начался быстрый рост производства биотоплива в Азии. По данным на 2014, КНР находится на третьем месте по изготовлению биоэтанола, и ожидается, что это производство будет расти в течение следующих десяти лет более чем на 4% на протяжении года. В Индии производство биоэтанола из мелассы, согласно расчетам, будет становиться больше более чем на 7% на протяжении года. При этом расширяется производство биодизеля из новых культур, к примеру как ятрофа.
Согласно расчетам Мирового энергетического агентства (МЭА), нехватка нефти в 2025 будет цениться в 14%. По данным МЭА, если даже общий объём производства биотоплива (в том числе биоэтанола и биодизеля) к 2021 как правило составит 220 млрд. литров, то его изготовление покроет лишь 7% мировой потребности в топливе. Скорость увеличения производства биотоплива намного отстают от темпов роста потребности в них. Происходит это из-за наличия дешёвого сырья и недостаточного финансирования. Групповое коммерческое использование биотоплива будет определяться достижением ценового равновесия с традиционными видами топлива, получаемыми из нефти. Согласно расчетам учёных, доля возобновляемых источников энергии к 2040 достигнет 47,7%, а биомассы – 23,8%.
При существующем уровне развития технологий производство биотоплива в основном будет составлять небольшую часть глобальных доставок энергии, расценки на энергию будут оказывать влияние на стоимость сельскохозяйственного сырья. Биологическое горючее может по-разному оказывать влияние на продуктовую безопасность – рост расценок на сырьевые товары, обусловленный производством биотоплива, может нанести ущерб импортёрам продовольствия, с другой стороны, активизировать внутреннее сельскохозяйственное производство мелкими фермерскими хозяйствами.

Как выполняют биогаз

Такая разновидность топлива в корне отличается от вышесказанного биоэтанола по составу, способу производства и применения. При желании такое горючее вещество разрешено делать на собственном участке. Для экокамина этот газ не подойдет, но его вполне хорошо применяют для обычных каминов, оборудованных специальными горелками.

Установка для изготовления биогаза – это непроницаемую емкость, в которую загружается сырье, преобразующееся в горючую смесь для обогрева жилья или помещений нежилого фонда
Через них в топочную камеру поступает не только биогаз, но и дополнительный поток кислорода. Так можно обеспечить эффективное горение биотоплива. Камин, предназначенного для использования биогаза, обязан иметь дымоход. Это позволяет использовать его не только для сжигания газа, но и для более традиционных видов топлива: дров, угля и т.п.
Если же в доме есть уже камин, переделывать его под биогаз будет не достаточно не легко. Если есть наличие нужного количества дров можно сделать древесный уголь самостоятельно, чтобы немного сэкономить. Можно произвести биогаз из навоза.
Его обязательно перемешивают с продуктами растительного происхождения: соломой, торфом, листами деревьев, ботвой овощных культур, опилками и т.п. Данную смесь помещают в плотно закрытую емкость, где она бродит под воздействием бактериальных культур.
В результате выходит горючий газ, который состоит, как правило, из метана. Его можно сжигать для обогрева жилищных помещений, теплиц, помещений нежилого фонда.

Одно из обязательных требований к биогазовой установке – абсолютная герметичность. Так как процесс сопровождается выделением характерного зловония, емкость для брожения устанавливают под землёй.

Наружу выводят шланг, по которому поступает возникающийся газ. Нужен еще 1 шланг, чтобы подавать внутрь материал для переработки. Генератор биогаза можно сделать самостоятельно, однако есть и промышленные модели, более безопасные и производительные.

Историческая справка

Первые шаги к созданию биотоплива предпринимались с появления бутанола (бутилового спирта). Тогда применялся процесс ферментации с участием бактерии Clostridium acetobutylicum, именуемый также ABE-процессом по наименованию трёх конечных продуктов брожения – ацетона, бутанола и этанола. Большое значение в развитии биотоплива сыграла автопромышленность. Уже в 1826 американский изобретатель С. Мори создал мотор, топливом для которого служили спирт и скипидар. Подтвердили, что растительное масло вполне можно принимать в качестве горючего для паровых машин и пароходов. В 1876 немецкий изобретатель Н. Отто создал первый в мире четырёхтактный мотор внутреннего сгорания, работавший на этаноле. Различными модификациями этого мотора мы применяем даже в настоящее время. Возводились и ещё очень необычные проекты. Например, в 1895 Р. Дизель предложил вид дизельного мотора, основанного на использовании арахисового масла. Г. Форд был настолько уверен в будущем спиртовых автомобилей, что даже выстроил на Среднем Западе США спиртоперегонный завод, куда вложил немалые средства. Во время 1-й мировой войны машины большинства стран мира применяли этанол в качестве топлива одновременно с бензином.
В 17 в. Я. Б. ван Гельмонт обнаружил, что разлагающаяся биологическая масса выделяет воспламеняющиеся газы. А. Вольта в 1776 заключил о существовании зависимости между количеством разлагающейся биомассы и количеством выделяемого газа. В 1808 хозяин Г. Дэви обнаружил метан в биогазе. Первая биогазовая установка была построена в Бомбее в 1859. В 1895 биогаз применялся в Англии для освещения улицы. В 1930, с возникновением микробиологии, были обнаружены бактерии, участвующие в процессе производства биогаза. Во времена СССР исследования проводились в 1940-х гг.; в 1948–54 была разработана и построена первая лабораторная установка. Встречается устойчивая тенденция использовать биогаз для решения очень разных вопросов энергетики: отопления жилья, получения электричества, производства надёжного автомобильного топлива. В то же время механизмы его производства постоянно совершенствуются, разрабатываются новые, намного удобнее и экономные способы получения отличного топлива.