Що таке біовугілля або гідротермальних карбонізує біомаси, biowatt
В останні роки все більшого поширення набуває тверде паливо, створене на основі відновлюваних джерел енергії. Один з його найбільш популярних видів - біовугілля (biocoal). вугілля, вироблений з біомаси і зовні схожий на викопного побратима.
І перед біомасою, і перед копалиною вугіллям у біовугілля є цілий ряд переваг:
Крім того, біовугілля є CO2 -нейтральним джерелом енергії.
У ФРН, наприклад, згідно із законами про поновлювані джерела енергії (EEG) та їх використанні для опалення (EEWarmeG), біовугілля відповідає всім нормативним вимогам, при спалюванні 1 т біовугілля редукується 2,5 т викидів CO2.
Для виробництва біовугілля застосовується технологія, заснована на процесі гідротермальної карбонізації.
Процес гідротермальної карбонізації (Hydrothermal carbonization - НТС) в 1913 році вперше описав німецький вчений Фрідріх Бергиус (він відомий також тим, що відкрив спосіб отримання з вугілля синтетичних рідких моторних палив, завдяки чому фашистська Німеччина під час Другої світової війни покривала значну частину своєї потреби в бензині і літакової паливі).
У 1931 році за заслуги в області відкриття і розробки хімічних процесів високого тиску, в тому числі і гідротермальної карбонізації, Бергиус був удостоєний Нобелівської премії з хімії.
В процесі HTC біомаса вологістю до 80% з низькою теплотворною перетворюється в біовугілля, який можна порівняти за властивостями з викопним вугіллям.
Гідротермальна карбонізує схожа з природним процесом освіти викопного вугілля, тільки те, що в природі тривало мільйони років, можна здійснити протягом лічених годин. При температурі 180-220 ° C, тиску 10-25 бар, без доступу повітря і з додаванням каталізатора біомаса зневоднюється і карбонізується протягом 6-12 годин до CO2 -нейтрального біовугілля. Такий біовугілля можна або спалювати для генерації теплової енергії, або використовувати в різних технологічних процесах у промисловості замість викопного вугілля.
Процес НТС з метою отримання паливного біовугілля не застосовувався довгі роки з однієї простої причини: низькі світові ціни на енергоносії.
гідротермальна карбонізує
Процес починається з підготовки біомаси: з неї видаляють механічні домішки (пісок, каміння і т. П.), Потім подрібнюють і змочують. Далі біомасу відправляють в реактор (реторту) HTC, в якому за допомогою пари створюється тиск 10-25 бар і температура 180-220 ° C.
В ході реакції утворюються Гидроксоній (Гидроксоній, оксония, гідронім) Нз Про + (комплексний іон, з'єднання протона з молекулою води), які знижують pH маси до 5 і нижче. Цей процес можна прискорити, додавши в реактор лимонну кислоту. Причому потрібно врахувати, що при низьких pH більшу кількість вуглецю переходить в рідку фазу. Реакція екзотермічна. тобто протікає з вивільненням енергії. Через 12 год 90-99% вуглецю переходить в рідку суспензію у вигляді пористих зерен вугілля (C6 H2 O) з розміром пір від 8 до 20 нм.
Інша частина вуглецю (від 1 до 10%) частково залишається в рідкій фазі у вигляді водної суспензії, частково викидається в атмосферу у вигляді вуглекислоти. Рівняння реакції в спрощеному вигляді можна записати в такій формі:
Реакцію можна зупинити і раніше з отриманням при цьому інших проміжних продуктів. Наприклад, через 8 ч можна отримати продукт, схожий за складом з торфом, а протягом першої години - гідрофобні проміжні продукти (ліпіди).
Охолоджена вугільна суспензія за допомогою механічного пресування зневоднюється до такого стану, коли в ній залишається 50-60% результат-ного вмісту води. Велика частина сепарований води використовується в наступних циклах виробництва. Після механічного зневоднення продукт підлягає подальшій сушці до вологості, необхідної замовником; зазвичай це 5-25%.
В ході екзотермічної реакції в процесі гідротермальної карбонізації вивільняється теплова енергія, еквівалентна приблизно 3/8 теплотворної здатності біомаси в перерахунку на сухий стан, а при високому вмісті в рослинній біомасі лігніну або різних масел - до 1/4 теплотворної здатності біомаси.
При грамотному регулюванні процесу карбонізації вивільняється тепло можна використовувати для сушки отриманого вугілля або для вироблення електроенергії. Так як отримане вугілля можна зневоднювати механічним способом, для його кінцевої підсушування потрібно менше теплової енергії в порівнянні з класичним процесом сушіння.
Виробничий процес характеризується майже 100% -ної вуглецевої ефективністю (вуглецева ефективність - це перехід наявного в біомасі вуглецю в кінцевий продукт): майже весь вуглець з органічної біомаси трансформується в біовугілля.
У всіх відомих процесах переробки біомаси в біопаливо вуглецева ефективність незначна. Наприклад, при виробництві деревного вугілля (углежжением) вуглецева ефективність становить 30%, при анаеробному бродінні рослинної біомаси в біогазових установках - 50%, при бродінні біомаси - 67%, а при отриманням гумусу компостування - всього 5-10%. Інша частина вуглецю, що міститься в біомасі, при виробництві біопалива викидається в атмосферу у вигляді вуглекислого газу або метану в біогазових установках, що негативно впливає на навколишнє середовище. При НТС-процесі метан не утворюється і лише в незначних кількостях виділяється двоокис вуглецю. Процес HTC є екзотермічним - в ході трансформації біомаси в біовугілля звільняється енергія, що створює позитивний енергобаланс.
Після сушіння на виході виходить дрібнофракційний Пиловидний біовугілля, який можна складувати в силос з Автодозатор для завантаження насипом в залізничні вагони або автотранспорт, а можна і пресувати в пелети або брикети.
Переваги НТС-технології перед іншими технологіями переробки біомаси:
- висока ефективність;
- відсутність необхідності попередньої сушки біомаси, що дозволяє значно знизити вартість обладнання;
- можливість використання самих різних видів біомаси, включаючи низькоякісну, яка придатна тільки для утилізації;
- простота обслуговування обладнання і низькі експлуатаційні витрати;
- висока екологічність технології, що виключає забруднення навколишнього середовища;
- можливість використання суміші, що складається з різних видів біомаси.
Крім того, теплова енергія, що отримується в ході екзотермічної процесу, використовується для підсушування кінцевої продукції до необхідної вологості.
За допомогою гідротермальної карбонізації можна отримувати і інший якісний продукт - біочар (biochar). Сhar - це твердий продукт розкладання натуральних або синтетичних органічних матеріалів. А будь-який продукт, отриманий в процесі гідротермальної карбонізації (НТС), в англомовній науковій літературі називають hydrochar.
Європейські виробники біовугілля
AVA-CO2 використовує технологію періодичного (порційного) НТС-процесу. в порівнянні з безперервним способом це більш простий і надійний процес. Устаткування скомплектовано за модульним принципом, що дозволяє його легко монтувати і інтегрувати в наявну інфраструктуру. AVA-CO2 запатентувала свої продукти під марками AVA cleancoal і AVA biochar.
У компанії є дочірня фірма в м Карлсруе (ФРН, Федеральна земля Баден - Вюртемберг), де за допомогою співробітників місцевого Технологічного інституту і був реалізований перший проект AVA-CO2 - установка НТС продуктивністю 8400 т біовугілля в рік.
Компанія Carbon Solutions Deutschland GmbH з Телтова (південне передмістя Берліна) заявила про своє ноу-хау - НТС-технології для отримання біовугілля з листя, трави та пивної дробини за 90 хв. при тиску 20 бар і температурі близько 200 ° C.
Ключовим вузлом лінії для виготовлення біовугілля є два реактора, що дозволяє використовувати мінімальні виробничі площі та зменшити втрати теплової енергії. Carbon Solutions запатентувала під маркою carbonPure спеціальний фільтр. конструкція якого створена з композитних матеріалів для очищення відпрацьованої води. Після карбонізації кожної тонни біомаси з кількох сотень літрів води, використаних в процесі, тільки невелика частина може бути задіяна в наступному циклі, при цьому решту воду не можна було зливати безпосередньо в сточно-каналізаційну систему в зв'язку з високою концентрацією вуглецевих сполук.
За словами пана Антоніетті, потрібно всього лише 6,7% світового обсягу біомаси, для того щоб повністю відмовитися від викопних видів палива. А потенційний обсяг ринку біовугілля професор оцінює в 200 млрд євро на рік, беручи до уваги, що вартість біовугілля, який може використовуватися як добавка до бетонних розчинів в будівництві і як сорбційний матеріал в багатьох галузях, досягає 2 тис. Євро за тонну. Технології НТС є альтернативою іншим способам переробки біомаси, які вимагають великих витрат на попереднє зневоднення та сушіння.
Carbon Solutions щорічно використовує в якості сировини для виробництва біовугілля опале листя, що залишаються після ландшафтних робіт гілки і обрізки дерев, загальна вага яких становить 41 тис. Т. І це тільки в одному передмісті Берліна, а всього в столиці ФРН і її передмістях збирається близько 1 , 2 млн т таких відходів в рік, і майже вся ця біомаса використовується зараз тільки як компост при відкритому складуванні на спеціальних полігонах.
Carbon Solutions бере участь в європейській програмі EU-Projekt Eurochar. У цій програмі беруть участь також компанії та інститути Франції, Великобританії та Італії. Зараз Carbon Solutions виконує замовлення на монтаж устаткування для отримання біовугілля продуктивністю 10 тис. Т на годину для одного з німецьких промислових підприємств.
Biocoal і biochar: в чому різниця?
«Biocoal і biochar - це продукти для різних цілей і не завжди одне і те ж за походженням, - каже головний спеціаліст ЗАТ« Лонос-технологія », канд. техн. наук Юрій Юдкевич. - В основі технології виробництва biocoal лежить ідея заміни мінерального палива відновлюваним, при цьому biocoal не повинен поступатися кам'яного вугілля за характеристиками: теплотворної здатності, спроможності подібно кам'яного вугілля подрібнюватись в пил для спалювання в вихрових топках, гідрофобності, підвищеної щільності. Всі ці характеристики можна забезпечити при торрефікаціі деревини, м'якому піролізі.
Biochar - так в англомовних країнах назвали деревне вугілля, внесений в грунт для підвищення родючості. Тепер це стало дуже модним і дуже розвиненим напрямом в агрономії не тільки в розвинених країнах, але і в Китаї, інших країнах Азії та Латинської Америки. Збираються конгреси, світові і регіональні, пишуться дисертації і статті, виробляються концепції ... »
ВУкаіни, за словами фахівця, великого інтересу до виробництва та використання продукту biochar немає. Хоча на ряді українських підприємств, які виробляють деревне вугілля, є продукція, яка повністю відповідає biochar.
А тепер інформація для роздумів. У випущеному в 1987 році видавництвом «Лісова промисловість» підручнику для студентів лісотехнічні вузів «Технологія лісохімічних виробництв», в розділі 6 "Характеристика термічних методів переробки деревини» Новомосковського:
«... У підручниках і науковій літературі застосовується кілька термінів для позначення поняття« піроліз деревини », що вкрай ускладнює використання автоматизованих систем науково-технічної інформації. Термін «карбонізує» хоча і розкриває сутність процесу піролізу, в літературі зустрічається рідко, і тому з метою уніфікації термінології від його застосування слід відмовитися. У цьому підручнику прийнятий термін «піроліз деревини«, повно відображає сутність процесу і завоював останнім часом широке визнання ЛІСОХІМІК ... Процес піролізу деревини при температурах нижче початку інтенсивного розпаду з виділенням тепла, наприклад, в середовищі рідкого теплоносія, прийнято називати предпіролізом ».
Цією цитатою можна підтвердити слова пана Юдкевич і назвати процес гідротермальної карбонізації (НТС) різновидом піролізу, враховуючи що в англомовних країнах процес часто називають гідропіролізом або рідким пиролизом.
Виходячи з вищесказаного, можна вважати, що до сьогоднішнього дня так і не уніфікована термінологія для вугілля, вироблених із біомаси. У західноєвропейських наукових колах, наприклад в середовищі ґрунтознавців, прийнято називати продукт, отриманий шляхом НТС, гідроуглем (hydrocoal). а шляхом класичного піролізу - піроуглем (pyrocjal). Часто біовугілля називають тільки той продукт, який виходить шляхом піролізу, хоча таке вугілля може вноситися і в грунт як добриво. Багато хто називає біовугілля (biocoal) все вугілля, отримані з біомаси.
Однак є одна обставина, яке не можна не враховувати: відповідно до заяв європейських розробників, при процесі НТС, на відміну від піролізу, за рахунок високого тиску руйнується первісна клітинна структура біомаси. Тому у гідро-вугілля більш гомогенна і щільна структура, а також велика - до 25 МДж / кг теплотворність (для порівняння: теплотворність деревного вугілля 17 МДж / кг, бурого - 21 МДж / кг). У гідроуглей нижче зольність і емісія NOx при згорянні. Тому гідроуглі оптимально підходять для вироблення тепла та генерації електроенергії.