Альтернативные источники энергии и энергосбережение

Газификаторы классифицируют следующим образом: газификаторы восходящего тока, нисходящего тока, кипящего слоя и взвешенного потока. Схематические диаграммы газификаторов восходящего и нисходящего токов показаны на рис. 7.5.

Рис. 7.5.Газификация способом нисходящего и восходящего токов

Последний тип широко использовался в период второй мировой войны на транспортных средствах, трейлерах и небольших силовых установках. Недавно газификаторы, работающие на угле, использовались на Филиппинах для различных форм транспорта. Такие газификаторы нуждаются в постоянном уходе и внимательном отношении при запуске, регулировании и техническом обслуживании.

Воздушные газификаторы нуждаются в постоянном уходе и внимательном отношении при запуске, регулировании и техническом обслуживании. Воздушные газификаторы представляются как первые биотопливные системы будущего для замены существующих бойлеров и для обеспечения процессов необходимой теплотой с использованием отходов отраслей промышленности, перерабатывающих биомассу, например продовольствие и бумагу. Состав типичных газов, полученных с использованием кислородного газификатора, дает возможность химического их превращения, например в метанол и аммиак.

Сжижение/восстановление

Были разработаны предложения по превращению биомассы в жидкость, напоминающую тяжелую топливную нефть, путем реакции ее с восстановительными газами (оксид углерода и водород) в присутствии катализатора. Обычно необходимо давление 250 бар и температура 600–700 °C. Процессы сжижения обычно предполагают подготовку восстановительных газов путем пиролиза или окислительной газификации большего количества биомассы. В редких случаях можно получить дешевый водород из других источников, например при электролизе воды на гидроэлектрических установках.

Биомасса и сжиженная нефть

Древесину высушивают до влажности 4 %, размалывают в муку и смешивают с частью продуцированной нефти. В качестве катализатора добавляют карбонат натрия в количестве 5 % по массе. Смесь древесины, нефти, пара и катализатора подвергают первоначальному давлению 29 бар и нагревают до 300 °C в течение часа для обеспечения 99 %-ного превращения древесины и выхода нефти 56 %. Схематически процесс показан на рис. 7.6. Нефть рекомендована для использования в качестве бойлерного топлива.

Состав и свойства сжиженной нефти. Углерод — 76,1 %. Водород — 7,3 %. Кислород — 16,6. Плотность — 1,1 г/см³. Энергоемкость — 31,4 ГДж/т.

Рис. 7.6.Сжижение древесины

7.4. Гидролиз и ферментация

Сахара биомассы

Все виды растительной биомассы содержат моно- и полисахариды, служащие как для аккумулирования энергии и углерода, так и в качестве структурного компонента. Хотя простые сахара встречаются в соке всех растений, только экстрагирование их из сахарного тростника и сахарной свеклы носит промышленный характер.

Тем не менее, эти растения являются основным источником производства сахара в мире. Полимерные сахара являются основными компонентами растительной биомассы и служат главными продуктами питания человека, животных, используются в качестве материалов для строительства, производства одежды, а также в целом ряде других отраслей экономики.

Углеводы можно экстрагировать из сырой биомассы путем использования целого ряда химических и механических методов от применения простого давления при переработке сахарного тростника до химического экстрагирования с высокими затратами энергии и сульфатной варки древесины. В табл. 7.1 представлены некоторые виды сахаров (мономеры, олигомеры и полимеры), полученные из различных видов растений и отходов биомасс.

Выход углеводов колеблется в широком диапазоне (в расчете на сухую биомассу) и может составлять до 60 % (целлюлоза) в древесине и около 15–20 % (сахароза) в сахарном тростнике и сахарной свекле.

Гидролиз

Перед ферментацией олигосахариды и полисахариды обычно следует гидролизовать до моносахаридов в отдельном реакторе.

Гидролизуемость материалов (легкость с которой происходит гидролиз) в значительной степени варьирует. Крахмал и пентозаны (гемицеллюлозы) требуют относительно мягких условий. При их гидролизе используют разбавленные кислоты и невысокие температуры; гидролиз целлюлозы происходит при более высоких температурах, с использованием более сильных кислот и реакторов под давлением.

Все полисахариды также разлагаются до некоторой степени под действием ферментов. Крахмал гидролизуется относительно легко под действием как кислоты, так и ферментов, в то время как целлюлоза обычно требует предварительной обработки для высвобождения связанного лигнина перед тем, как она будет повреждена ферментативному гидролизу.

Скорость гидролиза целлюлозы при участии ферментов низкая. Наиболее часто встречающиеся моносахариды в гидролизованой растительной биомассе — это глюкоза, фруктоза и ксилоза.