Газификация древесины и сельскохозяйственных отходов

Исторически лесохимия возникла задолго до появления нефтехимии. Углежогное дело, например, имеет тысячелетнюю историю, а угольщик (англ. charcoal-burner или collier, нем. Köhler ) является персонажем многих народных сказок. В старину выделку древесного угля осуществляли в буртах или ямах, сейчас для этого используют специальное оборудование. Европа потребляет большое количество древесного угля и сейчас. В России лесохимические производства начали интенсивно развиваться в петровскую эпоху.

Вопросами лесохимии занимались известные отечественные химики Д.И. Менделеев, В.Е.Тищенко, Е.И.Орлов и др.

В советский период многочисленные лесохимические (биохимические) фабрики имелись едва ли не в каждой области и республике СССР. С развитием нефтехимии лесохимические предприятия несколько утратили свое значение и некоторые из них были перепрофилированы на выпуск другой продукции. Например, известная московская фабрика мягкой мебели "Кузьминки" в 50-е годы прошлого века была лесохимическим заводом. В период "перестройки" многие отечественные лесобиохимические заводы по ряду объективных и субъективных причин обанкротились, как впрочем, и многие другие высоко технологические предприятия. Поэтому уксусную кислоту и др. продукты лесохимии наша страна сейчас импортирует.

За рубежом дело обстоит иначе. Интерес к использованию биологических возобновляемых ресурсов (биомассе) постоянно возрастает. Биома́сса (биоматерия, биота)— совокупная масса растительных и животных организмов, присутствующих в биогеоценозе планеты составляет примерно 2,4 ∙ 10¹² т, 97 % из этого количества занимают растения и 3 % – животные организмы. Техническая переработка биоресурсов (biorafinery) является одной из наиболее быстрорастущих отраслей науки, техники и бизнеса.

Ресурсы биомассы для газификации

В нашей стране экономически доступного биологического сырья очень много - дрова, кора, ветви, пни и др. лесосечные отходы, отходы деревообрабатывающих и мебельных производств, лигнин, отходы зерноочистительных производств, различные виды соломы и стеблей растений (пшеница, рис, лен, кукуруза, подсолнечник, хлопчатник и пр.), тростник, плодовые косточки и ореховая скорлупа, различные промышленные и бытовые отходы. Во многих местах сырье для газификации буквально валяется под ногами. По разным оценкам в Россия ежегодно накапливается до 300 млн. тонн различных органических отходов, в т.ч. до 50 млн. т. бытового мусора.

Некоторые свойства различных лигносодержащих отходов в сравнении с каменным углем:

Сырье	Теплотворная способность мДж/кг	Влажность %	Зола %
каменный уголь	25-32	1-10	0,5-6
древесина	10-20	10-60	0,2-1,7
солома	14-16	4-5	4-5
рисовая шелуха	13-14	9-15	15-20
хлопчатник	14	9	12
кукуруза	13-15	10-20	2-7

Существует шесть основных направлений использования энергетического потенциала биологического сырья и отходов:

Газификация биомассы является одним из наиболее дешевых и экологически безопасных способов получения электрической и тепловой энергии. Существует два прямых способа получения газа из биомассы - микробиологический и термический (пиролитический). Древесина содержит мало воды и довольно медленно поддается биоразложению. Поэтому для нее и большинства целлюлоза- и лигниносодержащих отходов наиболее простым и эффективным способом газификации является термическая (пиролитическая) газификация.

Что такое пиролиз ?

Пиролиз (от греч. pyr — огонь и lysis — разложение) — представляет собой процесс термического разложения органических соединений под действием высокой температуры. Простейшим видом пиролиза является обычное горение материалов (дров, угля, торфа и пр.) в костре, на пожаре или в печи, а процессы пиролиза органики играют важную роль в кулинарии. Пиролиз иногда называют еще сухой перегонкой (dry distillation).

Пиролиз является одним из важнейших химических процессов, используемых в энергетике и различных промышленных производствах - металлургии, нефтехимии и пр. Например, методом пиролиза получают такие экономически и технически важные вещества как древесный уголь, кокс, дивинил, этилен, пропилен, бензол и др. В промышленности пиролизу подвергают нефть, уголь, торф, древесину, сельскохозяйственные отходы, промышленные отходы, бытовой мусор и пр.

Пиролиз является одним из важных направлений в лесохимии и используется для выработки древесного угля, скипидара, дегтя, уксусной кислоты, метилового спирта, ацетона и др. веществ.

Промышленный пиролиз древесины и др. видов биомассы - это сложный химический процесс, происходящий в виде разнообразных реакций и превращений и осуществляется в ограниченном (регулируемом) присутствии кислорода воздуха. Универсального описания процессов, происходящих при пиролизе биомассы не существует, т.к. эти процессы многокомпонентные и многофакторные.

В зависимости от условий процесса (вида сырья, степени его измельчения, температуры, давления, концентрации кислорода, воды, присутствия катализаторов) и конструкции реактора (печи, колонны, реторты и т.п.) пиролиз происходит по разному с выходом различных твердых, жидких и газообразных веществ. Типов пиролитических реакторов (печей, реторт, колонн и пр.) существует несколько десятков. Следует иметь ввиду, что разные виды целлюлозосодержащего сырья имеют различающийся химический состав, что в определенной степени влияет на выход получаемых продуктов пиролиза.

Термическое разложение сложных органических соединений биологического происхождения начинается при температурах близких к 100°С. Разложение основных веществ древесины в ходе пиролиза начинается при температуре около 200 °С, однако главные процессы происходят при температурах 400-800°С. В некоторых случаях пиролиз органики проводят при еще более высоких температурах 1300-1800°С, в т.ч. с использованием электрических плазмогенераторов.

В состав древесины входит 45–60% целлюлозы, 15–35% лигнина и 15–25% гемицеллюлоз, а также пектаты кальция и магния, смолы, камеди, жиры, танины, пигменты и минеральные вещества. Сухое вещество древесины содержит около 50% углерода, 6% водорода, 44% кислорода, около 0,2 % азота и не более 1 % серы. Содержание минеральных веществ (зольность) древесины 0,2 - 1%. В древесных сучьях золы может быть до 2%, в корнях до 5%. От 10 до 25% процентов древесной золы (Na2CO3 и K2CO3) растворимы в воде, из нерастворимых веществ золы важнейшими являются известь, углекислые, кремнекислые и фосфорнокислые соли магния, железа и марганца. Температура плавления древесной золы 1400 °С.

Существуют различные виды пиролизных систем, ориентированные на получение различных твердых, жидких и газообразных продуктов - древесного угля, спирта, кислоты, жидкого синтетического топлива и генераторного газа и др.

При пиролизе на древесный уголь полезный выход составляет примерно до 1 т угля из 8 - 12 плотных кубометров дров. Энергия, выделяющаяся в этом процессе, используется в главным образом на его обеспечение. При газификации биомассы, напротив, подавляющая часть сырья превращается в горючий высококалорийный газ, обеспечивающий выработку электроэнергии (примерно 1000 кВт/ч из 1,4 - 1,8 тонны сырья).

В последнее время связи с необходимостью экономии углеводородных топлив интерес к газификации твердых топлив возрос. К достоинствам газификации древесины и др. видов биомассы, в отличие от обычного сжигания в топках, следует отнести незначительное количество веществ, загрязняющих окружающую среду т.е. благоприятные экологические показатели по сравнению с другими энергетическими технологиями.

Получение генераторного газа и выработка электроэнергии

Сейчас на промышленных предприятиях отходы древесины и др. биопродукты в лучшем случае сжигаются в печах и топках котлов, которые загружают измельченной щепой или топливными гранулами. Однако, стандартные топки имеют низкий КПД, требуют регулярной очистки и ремонтов, а в атмосферу в виде дыма выбрасываются не сгоревшие сложные и вредные углеводородные соединения и зольная пыль.

Генераторный газ, как топливо, имеет несомненные преимущества перед прямым сжиганием древесины и др. видов биомассы. Генераторный газ, подобно природному газу, может быть передан на большое расстояние по трубопроводам и в баллонах; его удобно использовать в быту для приготовлении пищи, для отопления и нагревания воды, а также в технологических и силовых установках. Сжигание газа легко автоматизировать; продукты сгорания менее токсичны, чем продукты прямого сжигания древесины и др. видов биомассы.

Генераторный газ используется как сырье для дальнейшей химической переработки и в качестве удобного и эффективного топлива для горелок сушилок, печей, котлоагрегатов, газовых турбин, но чаще, - газопоршневых установок. Таким образом по свойствам он похож на природный газ и может использоваться взамен последнего.

Получение
газа из древесины - старинная газовая лампа

Получение
газа из древесины - старинная газовая лампа

Технология газификации твердых топлив для получения горючего газа не является новой. Пионерами газификации были британцы, немцы и французы (прибл. 1805 - 1815 г.г.). Сначала газ использовался для только для освещения улиц и жилищ при помощи фонарей и ламп, а затем и как топливо. В Москве оборудование для получения искусственного газа появилось на полвека позднее (1865 г.). Тогда английские подрядчики получили монопольное право на освещение города, а также на беспошлинный ввоз оборудования для строительства завода по производству искусственного газа, газопроводов, фонарей, горелок, счетчиков и пр. Уголь для газификации также ввозился из Англии. К 1905 г. Москва располагала 215 верстами газовых сетей, 8735 газовыми фонарями и 3720 частными потребителями газа (историческая справка Мосгаза). Природный газ в Москве появился только в 1946 г. (магистральный газопровод Саратов-Москва). До нач. 60-х годов в СССР газификация твердых топлив была распространена достаточно широко: более 350 газогенераторных установок вырабатывали из разл. типов твердых топлив около 35 млрд. м3/год генераторных газов разного назначения.

То есть первоначально газовая промышленность занималась изготовлением и распределением генераторного газа и только в середине 20 века стала переходить к газу натуральному.

Газификация
древесных отходов - газогенератор

Газификация
древесных отходов - газогенератор

В 20-50 г.г. прошлого века дровяные газогенераторы устанавливались на автомобили, автобусы, трактора и другую технику, которая изготавливалась серийно (напр. отечественные автомобили ГАЗ-42, ЗИС-21). В лесной промышленности газогенераторными установками оборудовались лесовозные машины и трелёвочные тракторы. На фото показан немецкий мотоцикл, оборудованный весьма компактным газогенератором. После войны транспортные газогенераторы еще долго хранились в мобилизационном резерве.

Связанная с развитием нефтехимии дешевизна электроэнергии и моторных топлив не стимулировала развития малой и альтернативной электроэнергетики. Сейчас ситуация в нашей стране быстро меняется в пользу применения альтернативных источников энергии т.к. даже простое подключение предприятия или хозяйства к электрической или газовой сети часто становится серьезной проблемой.

Разработкой газификационных установок для древесины и др. твердых топлив сейчас занимаются многие зарубежные и отечественные институты и компании. На отечественном рынке уже есть предложения малогабаритных газификационных установок для фермеров и т.п., но промышленным предприятиям и лесным поселкам нужны более мощные энергетические установки. Газогенераторные установки различаются по мощности: малой – до 100 кВт; средней – от 100 до 1000 кВт; большой мощности – свыше 1000 кВт. Существуют много типов и десятки конструкций газогенераторов, используемых для газификации отходов древесины и др. видов биомассы. Наиболее популярные из них генераторы прямого и обратного горения, а также генераторы с кипящим слоем.

В газогенераторных установках происходит не только пиролиз; правильнее это процесс называют частичным
(т.е. неполным) окислением углерода (partial oxidation). В газогенераторе сырье проходит четыре этапа преобразования в газ:

Первый этап - быстрое высыхание материала под действием высокой температуры; второй - термическое разложение (пиролиз) биомассы с образованием угля и дегтя, с последующим его испарением и преобразованием в смоляной газ; третий - сгорание органических соединений смоляного газа и части угля; и четвертый, - восстановление на поверхности раскаленного угля двуокиси углерода СО₂ до ее моноокиси CO, а воды Н₂O - до водорода Н₂.

Большая часть реакций происходящих в газогенераторах является экзотермическими, т.е. происходят с выделением энергии. Основными химическими элементами, участвующими в процессе превращения биомассы в газ являются углерод, кислород воздуха и вода. Окислителями являются кислород, двуокись углерода и водяной пар (реакции 1-3). Основными химическими реакциями происходящими при газификации древесины считают:

С + 0,5 О₂ → СО₂ - 109,4 кДж/моль (1)
С + СО₂ → 2СО + 172,5 кДж/моль (2)
С + Н₂O → СО + Н₂ + 131,2 кДж/моль (3)

С + О₂ →2СО₂ - 284,3 кДж/моль (4)

СО + H₂О ↔СО₂+Н₂ ± 131,4 кДж/моль (5)

С + 2Н₂ → СН₄ + 74,8 кДж/моль (6)
СО+ 3Н₂→ СН₄ + H₂О - 206,2 кДж/моль (7)
СО+ Н₂→ 0,5СН₄ + 0,5 СО₂ - 123,8 кДж/моль (8)

Прямой продукт газификации твердых топлив (т. н. сырой газ) всегда содержит некоторые количества углекислого газа СО2, воды H2О, метана СН4 и, кроме того, иногда и высших углеводородов, а при использовании воздуха - еще и NО2. Вследствие наличия в биомассе небольшого количества серы образуется H2S. Скорость газификации твердых топлив существенно зависит от температуры. С повышением давления увеличивается концентрация СН4. Состав получаемого газа зависит от схемы газогенератора и режима процесса.

Выходящий из газогенератора газ имеет высокую температуру и содержит большое количество примесей (золу и смолы), поэтому газогенераторные установки комплектуются специальными системами охлаждения и очистки газа.

Для решения задачи обеспечения автономного энергоснабжения удаленных потребителей с тепловой нагрузкой до нескольких мегаватт и утилизации отходов растительной биомассы наиболее эффективно использование технологии термохимической газификации в аппаратах слоевого типа с воздушным дутьем. Данные установки наиболее просты в конструктивном оформлении и при эксплуатации. Получаемый газ имеет теплоту сгорания 3,5–5,0 мДж/м3 и пригоден для использования в ДВС и топочных устройствах.

В США и странах Евросоюза большое внимание уделяется вопросам утилизации и газификации биомассы, но лидерами в этом направлении становятся Китай и Индия.

В России многие районы недоступны для обеспечения их природным газом, а завоз туда жидкого топлива или угля связан с большими затратами. Оптимальный выход - использование установок по генерированию электроэнергии из биотоплива.

Серийные промышленные электроэнергетические газификационные системы "под ключ" на основе газогенераторов с кипящим слоем для сельскохозяйственных, зерноперерабатывающих, лесных и деревообрабатывающих предприятий производит, например, китайская компания Chongqing Fengyu Electric Equipment.

По предлагаемой компанией технологии измельченные и подсушенные отходы древесины, гидролизный лигнин, солома, рисовая и подсолнечная шелуха, стебли хлопчатника и т.п. из бункера подаются в газификационную колонну. Полученный синтетический газ охлаждается и очищается от пыли и дегтя и поступает в накопитель. Очистка и охлаждение газа осуществляется при помощи циркулирующей в системе оборотной воды. Газификационная установка принципиально проста по конструкции и относительно компактна. Охлаждение воды осуществляется в пруду или бассейне - охладителе. Полученный горючий синтетический газ направляется в газопоршневую установку (газогенератор) или используется на другие цели.

Газификационные установки имеют высокую энергоэффективность. Так на выработку 1 кВт электроэнергии требуется примерно 1,3-1,8 кг рисовой шелухи (соломы) или 1,1 - 1,6 опилок или лигнина. Затраты на комплектное оборудование составляют менее 1000 долларов США на 1 кВт получаемой электрической мощности.

Состав генераторного газа

Состав генераторного газа получаемых из древесных и др. отходов в этих установках приведен в таблице:

компоненты газа	CO	H₂	CH₄	CmHn	H₂S	CO₂	O₂	N₂
количество,%	17.2	4.05	6.82	1.24	---	15.1	0.8	54.7

Горючими компонентами генераторного газа являются окись углерода (СО), водород ( H2 ), метан (CH4) и другие углеводороды (CmHn). Калорийность получаемого синтетического газа зависит от вида используемого сырья и составляет 1100-1500 ккал/м³ (4.6~6.3 мДж). Например калорийность газа получаемого при переработке рисовой шелухи 1393 ккал/м³ (5.83 мДж/м³);

Содержание смол в полученном газе менее 50мг/Нм³, что соответствует международным нормам, предъявляемым к топливу для двигателей внутреннего сгорания. Синтетический газ не содержит вредных сернистых примесей и соединений.

Газогенерационные установки имеют различную единичную мощность в пределах от 200 до 1200 кВт и проверены во многих странах. В условиях КНР срок окупаемости этих энергоблоков составляет менее 2 лет.

Газификационные установки могут успешно применяться как при организации новых лесных и деревообрабатывающих предприятий, так и для модернизации действующих, в том числе в районах, удаленных от электрических и газовых сетей. Они могут быть интересны также для муниципалитетов, зерноочистительных и сельскохозяйственных предприятий.

Литература по газификации древесины и биомассы

По газификации древесины и биоресурсов написано много книг и статей, в т.ч. доступных в россисйкой и мировой сети. Ниже приведен небольшой перечень для начинающих:

Теплоэнергетические основы промышленной слоевой газификации растительной биомассы, Сергеев В.В., автореф. докторской диссертации, СПб, 2009 г., 32 с.

Биоэнергия: технология, термодинамика. Издержки. Д.Бойлз, М., Агропромиздат, 1987 г.,187 с.

Benchmarking Biomass Gasification Technologies for Fuels, Chemicals and Hydrogen Production, J.P. Ciferno,J.J. Marano, U.S. Department of Energy National Energy Technology Laboratory, 2002 г., 65 с.

Wood gas as engine fuel, FAO Forestry Department, 1986 г., 136 с.

автор Абушенко А.В., май 2010

Мир деревянной игрушки - информационная система

Технологии мебельного и
деревообрабатывающих производств

Оборудование для
деревообработки и производства мебели

Материалы и комплектующие изделия
для мебели

Сетевая Академия Мебели - на
гланую страницу

хл