1.1 Классификация биотоплива

В зависимости от агрегатного состояния, поколения, способа получения и сфер применения выделяют несколько видов биотоплива. По агрегатному состоянию выделяют твердое, жидкое и газообразное биотопливо.

Виды биотоплива:

1 Твердое биотопливо

1.1Топливные гранулы

2 Жидкое биотопливо

2.1 Биоэтанол

2.2 Биометанол

2.3 Биобутанол

2.4 Диметиловый эфир

2.5 Биодизель

2.6 Биотоплива второго поколения

3 Газообразное топливо

3.1 Биогаз

3.2 Биоводород

1.1 Твердое биотопливо - это дрова, древесные топливные гранулы и топливные брикеты. Основным источником дров являются энергетические леса, в которых можно найти травы, кустарники и быстрорастущие породы древесины. Древесные топливные гранулы получают при прессовании древесных отходов, и они являются экологически чистым видом биотоплива.

Для отопления помещений также применяют топливные брикеты. Это высушенные энергоносители, изготовленные из веществ биологического происхождения. Такие вещества обязательно высушиваются, чтобы при сжигании можно было получить энергию.

Достаточно перспективным считается жидкое биотопливо. Его в основном применяют для работы двигателей. Получить такое топливо можно при переработке растительного сырья: сахарного тростника, сахарной свеклы, рапса и кукурузы. К жидкому относят такие виды биотоплива: биоэтанол, биометанол и биодизель. Биоэтанол является самым популярным видом топлива, благодаря экономической эффективности производства. Благодаря тому, что такое топливо получают из растений, снижается уровень выбросов при его использовании. Биоэтанол может применяться для разных видов автотранспорта.

Биометанол получают при переработке фитопланктона. При высоком уровне энергоотдачи нет серьезных требований к производственной площадке. Биодизель производят из растительных масел. Его можно использовать в сочетании с обычным дизельным топливом. Такое топливо безвредно при попадании в воду или почву, поскольку практически полностью распадается за короткий промежуток времени.

К газообразному относят такие виды биотоплива, как биоводород и биогаз. Эти вещества получают при обработке в ходе брожения или других биохимических или термических процессов. Биогаз получают из органических отходов, травы и фикальных осадков. Процесс производства позволяет предотвращать выбросы метана в атмосферу. Применяться такое топливо может в тех сферах, где используется природный газ. [3]

1.2 Распространенные виды биотоплива

Древесный уголь. Древесный уголь, это нелетучая часть продуктов термического распада древесины. Под этим названием для разных целей предлагаются продукты, различающиеся по составу и свойствам.

Исторически - древесный уголь один из самых первых продуктов целенаправленно изготавливавшихся людьми. Особенность древесного угля, несвойственная никакому другому топливу, это отсутствие в продуктах горения угарного газа. Поэтому, древесный уголь начали сперва собирать на пожарищах, а потом и изготавливать еще пещерные люди. Примитивные способы приготовления угля, состоящие в разогреве по особому сложенных дров, накрытых дерном за счет сжигания части дров в разных вариантах просуществовали до конца 19 века как единственная технология. Они продолжают существовать, как кустарный метод, особенно широко в развивающихся странах Африки и Латинской Америки. В других странах, не озабоченных экологической чистотой процессов, эту технологию модернизировали путем замены дерна на металл, кирпич и т.п. Достаточно много таких аппаратов до сих пор существует и в России. Общий их недостатки - выброс ядовитых паров и газов в окружающую среду, низкий выход товарного продукта и неэффективное использование объема аппаратов.

Современное углевыжигательное оборудование исключает загрязнение окружающей среды. Первоначально использовались аппараты с внутренним вводом теплоносителя и улавливанием жидких и газообразных продуктов. К концу 20 века спрос на жидкие продукты термического разложения упал до нуля. Появились аппараты, в которых все парогазы без конденсации сжигаются, а тепло используется на технологию. Лучшие из них позволяют вести процесс исключительно на собственном тепле большую часть года, кроме самых суровых месяцев зимы. Как правило, это аппараты с внешним подводом тепла. Современные технологии позволяют получать уголь с разной степенью прокалки - более богатый летучими веществами для быта и более прокаленный для промышленности. Прочность угля зависит не только от технологии изготовления, но и от породы. Из твердолиственных пород древесины уголь получается более прочный, чем из других. Существуют особые виды угля. Из очень плотного «каменного» дуба изготавливают т.н. «белый» уголь, особо ценимый в восточной Азии. Сравнительно недавно освоено производство угля из экструдерных опилочных брикетов. В Азии и Южной Европе его предпочитают обычному углю. В России действует ГОСТ на древесный уголь (ГОСТ 7657-84).

Щепа. В основе технологии получения щепы лежит измельчение древесины на специальной технике. Различают топливную и технологическую щепу. Технологическая щепа используется на ЦБК. Она вырабатывается из окорённой стволовой древесины хвойных и лиственных пород, а также из окорённых горбылей, реек, кусковых отходов древесины на ножевых рубильных машинах дискового типа. Топливная щепа может вырабатываться из неокоренных стволов, из низкокачественной тонкомерной древесины от рубок ухода за лесом, вершин и сучьев различных древесных пород на рубильных машинах дискового и барабанного типов. Насчитывается несколько десятков производителей оборудования для производства щепы, наиболее известные Morbark, Brucks, Peterson, Farmi и другие.

Дрова. Технология производства дров связана с лесозаготовкой. Низкокачественную древесину, которая не может быть использована в качестве деловой (фанкряж, пиловочник, балансы) превращают в дрова путем распиловки и расколки.

Торрефикация древесины. Торрефикация древесины - низкотемпературный пиролиз, улучшающий свойства древесины. Температура процесса 200 - 300 ОС, давление - атмосферное, скорость нагрева <50 °C/мин., отсутствие кислорода, время пребывания - 6 - 30 мин., размер частиц < 4 см, теплотворная способность -19 - 22 MJ/kg. При температуре 230…300 оС гемицеллюлоза расщепляется и образуется торрефицированная древесина в виде гидрофобного, гомогенного порошка и летучие вещества.

Биогаз. Биогаз образуется с помощью бактерий в процессе разложения органического материала при анаэробных (без доступа воздуха) условиях и представляет собой смесь метана и других газов в следующих пропорциях:

Газ	Химическая формула	Объемная доля
Метан	CH4	40 - 70%
Углекислый газ	CO2	30 - 60%
Другие газы		1 - 5%
Водород	H2	0 - 1%
Сероводород	Н2S	0 - 3%

Состав биогаза. Теплотворная способность одного кубометра биогаза составляет в зависимости от содержания метана 20-25 МДЖ/ м3, что эквивалентно сгоранию 0,6 - 0,8 литра бензина, 1.3 - 1.7 кг дров или использованию 5 - 7 кВт электроэнергии.

Технология производства биогаза заключается в следующем. Биомасса (отходы или зеленая масса) периодически подаются с помощью насосной станции или загрузчика в реактор. Реактор представляет собой подогреваемый и утепленный резервуар, оборудованный миксерами. Стройматериалом для промышленного резервуара чаще всего служит железобетон или сталь с покрытием. В малых установках иногда используются композиционные материалы. В реакторе живут полезные бактерии, питающиеся биомассой. Продуктом жизнедеятельности бактерий является биогаз. Для поддержания жизни бактерий требуется подача корма, подогрев до 35-38 °С и периодическое перемешивание. Образующийся биогаз скапливается в хранилище (газгольдере), затем проходит систему очистки и подается к потребителям (котел или электрогенератор). Реактор работает без доступа воздуха, герметичен и неопасен.

Для сбраживания некоторых видов сырья в чистом виде требуется особая двухстадийная технология. Например, птичий помет, спиртовая барда не перерабатываются в биогаз в обычном реакторе. Для переработки такого сырья необходим дополнительно реактор гидролиза. Такой реактор позволяет контролировать уровень кислотности, таким образом бактерии не погибают из-за повышения содержания кислот или щелочей. Возможна переработка этих же субстратов по одностадийной технологии, но при коферментации (смешивании) с другими видами сырья, например, с навозом или силосом.

Существуют промышленные и кустарные установки. Промышленные установки отличаются от кустарных наличием механизации, систем подогрева, гомогенизации, автоматики. Наиболее распространённый промышленный метод -- анаэробное сбраживание в метантенках.

Биоэтанол. Биоэтанол - это обычный этанол, получаемый в процессе переработки растительного сырья для использования в качестве биотоплива. Его производство схоже с производством пищевого спирта.

Современная промышленная технология получения спирта этилового из пищевого сырья включает следующие стадии:

- подготовка и измельчение крахмалистого сырья -- зерна (ржи, пшеницы и т.п.)

- ферментация. На подавляющем большинстве спиртовых производств мира ферментативное расщепление крахмала до спирта при помощи дрожжей оставлено. Для этих целей применяются рекомбинантные препараты альфа-амилазы, полученные биоинженерным путем -- глюкамилаза, амилосубтилин.

-брагоректификация. Осуществляется на разгонных колоннах (например, «Комсомолец»). Отходами бродильного производства являются барда и сивушны масла. Барда используется для производства кормов.

Реальной альтернативой этанолу в наши дни становится биобутанол, так как он обладает более высоким энергетическим потенциалом, менее летуч и может использоваться в автомобилях без каких-либо изменений в конструкции их двигателей. Так, гибридное топливо БИО100 представляет собой смесь 65% биоэтанола с добавлением третбутилового эфира. Такое моторное топливо снижает на 1/3 тепловую нагрузку на двигатель, повышая тем самым сроки его эксплуатации.

Биодизель. В основе технологии получения биодизельного топлива лежит реакция переэтерификации любого растительного масла, или животного жира, в присутствии катализатора в метиловые эфиры жирных кислот. В качестве сырья используют масла рапса и ряда других культур. Себестоимость биодизельного топлива заведомо выше, чем аналогичных нефтепродуктов, но в регионах с теплым климатом, обеспечивающим успешное выращивание масличных культур, и не имеющих своего минерального сырья, такое производство может существовать и занимать ограниченный сектор рынка.

Есть технологии, позволяющие получить жидкое топливо (т.н. био-ойл) из древесины путем пиролиза. Однако многие фирмы, представляющие эту технологию, в качестве дизельного топлива предлагают пеструю смесь воды, кислот, тяжелых и легких смол и других продуктов пиролиза. При этом вводится понятие «скоростной пиролиз». Пиролиз - это химическая реакция, подчиняющаяся законам кинетики. Скоростного или замедленного пиролиза не существует. В технологии описанной выше имеют место иные явления. Скорость самого процесса пиролиза исчисляется секундами. Замедление или ускорение процесса связано со скоростью подвода тепла и доведения температуры до начала пиролиза. Естественно, что опилки прогреваются в падающем или взвешенном потоке быстрее, чем толстый кусок. Поскольку, древесный уголь является продуктом вторичных реакций, его получается меньше, а жидких продуктов больше. Достичь полного ожижения древесины удается только под глубоким вакуумом, но продукты распада лабильны и, при соприкосновении с воздухом окисляются с саморазогревом и обугливаются. Успешные опыты по ожижению древесины гидрированием были осуществлены в Германии в 1943 году. Там были потрачены значительные силы и средства, связанные с дефицитом жидкого топлива в условиях войны. Но, несмотря на острую потребность в дизельном топливе, эти опыты не получили промышленной реализации из-за чрезмерной дороговизны такого топлива.

Биотопливо второго поколения (Liquid-to-biofuel).Различные виды топлива, получаемые различными методами пиролиза биомассы. Быстрый пиролиз позволяет превратить биомассу в жидкость, которую легче и дешевле транспортировать, хранить и использовать. Из жидкости можно произвести автомобильное топливо, или топливо для электростанций. Из биотоплив второго поколения, продающихся на рынке, наиболее известны BioOil производства канадской компании Dynamotive и SunDiesel германской компании CHOREN Industries GmbH. Однако пока эти проекты оказались финансово неустойчивыми.

Ряд специалистов считает, что смеси фирмы Dynamotive никак не могут рассматриваться как дизельное топливо. Их высокая кислотность и содержание тяжелых смол приводит к быстрому разрушению двигателей. Фирма SunDiesel (Германия) предпринимает попытки изготавливать дизельное топливо из растительных материалов через синтез Фишера-Тропша. Технически это осуществимо, но экономически не может конкурировать с минеральными аналогами.

Технология производства SunDiesel компании CHOREN Industries GmbH. Через двухступенчатый процесс газификации очищенный газ охлаждается, затем в процессе последующего очищения и кондиционирования очищенный синтетический газ (в основном CO и H2 ) подается в реактор Fischer-Tropsch, производящий углеводородные цепочки, которые в конце превращаются в SunDiesel. Выход холодного газа - 80%.

2. Технология производства биотоплива

Топливные гранулы. В основе технологии производства топливных гранул, как и топливных брикетов лежит процесс прессования измельченных отходов древесины, соломы, лузги и др.

Сырьё (опилки, солома и т.д.) поступает в дробилку, где измельчаются до состояния муки. Полученная масса поступает в сушилку, из неё -- в пресс-гранулятор, где древесную муку прессуют в гранулы. Сжатие во время прессовки повышает температуру материала, лигнин, содержащийся в древесине размягчается и склеивает частицы в плотные цилиндрики.

На производство одной тонны гранул уходит 3--5 кубометров древесных отходов естественной влажности. Готовые гранулы охлаждают, пакуют в большие биг-бэги (по несколько тонн) или мелкую упаковку от нескольких кг до нескольких десятков кг. Различают промышленные (доставляются насыпью без упаковски или в биг-бэгах) и потребительские гранулы (в мелкой расфасовке, ориентированные на частных и небольших промышленных потребителей).

Древесные топливные гранулы (пеллеты, ДТГ) - это небольшие цилиндрические прессованные древесные изделия диаметром 4-12 мм, длиной 20-50 мм, переработанные из высушенных остатков деревообрабатывающего и лесопильного производства: опилки, стружка, древесная мука, щепа, древесная пыль и т.д. Гранулы используются в котлах для получения тепловой и электрической энергии путем сжигания. Преимуществом использования древесных гранул перед другими видами топлива является:

- снижение вредных выбросов в атмосферу: древесное биотопливо признано СО2 - нейтральным, т.е. при его сжигании количество выделяемого углекислого газа в атмосферу не превышает объем выбросов, который бы образовался путем естественного разложения древесины;

- бoльшая теплотворная способность: по сравнению со щепой и с кусковыми отходами древесины. Энергосодержание одного килограмма древесных гранул соответствует 0,5 литра жидкого дизельного топлива; древесные гранулы не уступают по теплотворной способности ни углю, ни мазуту;

- низкая стоимость по сравнению и дизтопливом и отоплением электричеством, 

- чистота помещения, в котором установлен котел, 

- возможность автоматизации котельных.

Технология производства древесных топливных гранул. Расстановка оборудования на каждом предприятии может быть разная. Однако принципы - общие с момента возникновения технология производства пеллет в 1947 году. Сам по себе процесс гранулирования - пеллетизации происходит в специальных кольцевых штампах (пресс-формах) вращающимися роторными вальцами, которые впрессовывают в многочисленные отверстия - фильеры пресс-формы, активизированное паром измельченное древесное сырье, после чего, срезанные с наружной стороны штампа специальным ножом гранулы, должны быть охлаждены и отделены от мелких частиц.