ДонНТУ   Портал магистров

Смоляков Александр Олегович

Факультет экологии и химеческой технологии

Кафедра химической технологии топлива

Специальность Химическая технология

Обоснование параметров функционирования установки первой стадии технологии получения биотоплива

Научный руководитель: к.х.н., доц. Ошовский Владимир Владимирович

Резюме Биография Реферат Библиотека Ссылки Отчет о поиске Индивидуальный раздел

Реферат по теме выпускной работы

Содержание

• Введение
• 1. Актуальность темы
• 2. Цель и задачи исследования, планируемые результаты
• 3. Обзор литературных источников
• 4. Экспериментальная часть
• Выводы
• Список источников

Введение

Бионефть - это разновидность биотоплива, то есть топлива, полученного из сырья растительного происхождения. Сырьем может быть специально выращенные для этого культуры, например, сахарный тростник, кукуруза. Тогда это топливо принято относить к биотопливам первого поколения. Оно также может быть получено из различных органосодержащих отходов, и тогда его относят к биотопливам второго поколения. Биотопливо третьего поколения получают из микроводорослей.

Преимущество получения биотоплива из микроводорослей заключается в том, что они могут выращиваться на непригодных для сельского хозяйства и растениеводства территориях. Производство такого биотоплива не конкурирует напрямую с производством пищевого сырья. Микроводоросли могут выращиваться как в пресной воде, так и в соленой. Также для производства микроводорослей не требуется использование вредных пестицидов и гербицидов. Одно из основных преимуществ микроводорослей заключается в том, что они эффективно преобразуют энергию солнечного света в биомассу [1].

Приставка «био» в названии говорит, что в процессе получения биотоплива мы использовали углекислый газ. Нужно обратить внимание, что биотопливо - это CO₂-нейтральное топливо: при сжигании биотоплива образуется углекислый газ, но и при его получении столько же углекислого газа снова преобразуется в биомассу.

1. Актуальность темы

Поиск новых альтернативных источников топлива является актуальной темой для всего мира.

В настоящее время существуют топливно-энергетические и экологические проблемы, такие как уголь, нефть и природный газ. Связано это с нехваткой и подорожанием ископаемых энергетических ресурсов. Повышение цен на нефть и нефтепродукты, а также истощение природных источников топлива стали причиной активного развития научных исследований в направлении поиска и разработки альтернативных технологий [2]. На сегодняшний день не вызывает сомнений тот факт, что биотопливо, получаемое из возобновляемого сырья, сельскохозяйственных отходов и отходов промышленности, может стать решением энергетических проблем. Уже в настоящее время во многих ведущих странах мира (США, Бразилия, Германия, Япония, Китай, Франция и др.) освоено промышленное производство экологически чистых биотоплив, сырьем для получения, которых является растительная и микробная биомасса, отходы различных производств [3].

В последнее время энергетическому использованию биомассы уделяется особое внимание, так как при условии ее непрерывного восстановления не происходит увеличения в атмосфере концентрации СО₂. Кроме того, во многих странах мира, при общей насыщенности их продовольственных рынков, имеются огромные излишки обрабатываемых земель, часть из которых уже с успехом используется под возделывание энергокультур. В ближайшем будущем все излишки обрабатываемых земель планируется занять энергоплантациями. Так, например, в Германии выращивание биомассы на различных типах энергоплантаций предполагается осуществлять к 2030 году на площади 2,0–4,3 млн. га, а к 2050-му – на площади  4,2–6,1 млн. га из 17,3 млн. га используемых в настоящее время в сельхозпроизводстве [1].

Начиная с конца прошлого тысячелетия, во всем мире проявляется самый активный интерес к биомассе как к источнику энергии. Есть ряд причин и движущих сил, которые подталкивают промышленность к использованию биомассы в топливной индустрии:

1. устойчивое развитие: источник чистой и возобновляемой энергии;
2. универсальность применения: энергетика, теплоснабжение, транспорт;
3. энергетическая безопасность: диверсификация источников энергии, региональные источники;
4. охрана окружающей среды: снижение выбросов парниковых газов, деградации земли, влияния источников, ведущих к изменению климата.

2. Цель и задачи исследования, планируемые результаты

Целью исследования является поиск путей получения биотоплива на базе растительного сырья и отходов органического происхождения.

Основные задачи исследования:

1. определить основные технологические параметры работы установки по ферментации микроводоросли
2. разработать экспериментальную установку для получения биотоплива на базе растительного сырья и отходов органического происхождения;
3. выбор исходного сырья для проведения процесса получения биотоплива;

Объект исследования: растительное сырье и отходы органического происхождения.

Предмет исследования: возможность получения биотоплива на базе растительного сырья и отходов органического происхождения.

Планируемые результаты:

1. разработка технологического регламента;
2. создание установки;
3. иссделования работы установки по полученному регламенту

3. Обзор литературных источников

3.1 Твердое биотопливо

Наиболее древний вид топлива у человечества – дрова, которые используется сегодня в основном как побочный продукт лесопользования, объемы специальной заготовки дров для индивидуального отопления жилищ в мире быстро снижаются. Отходы от заготовки и переработки древесины в виде обрезков, сучьев, опилок, щепы, коры составляют значительную массу топлива. С учетом тонкомерной и некондиционной древесины, порубочных остатков при лесозаготовках, отходов лесопиления и деревообработки, объемы такого топлива составляют более 50 % объемов лесозаготовок.

Сегодня ресурсы биомассы, в том числе вторичные, используются не более чем на 5 % [4]. В настоящее время ежегодно в России заготавливается около 140 млн м³ древесины от рубок главного пользования, не считая рубок ухода за лесом. При этом более половины объемов лесозаготовки и деревопереработки приходится на отходы. В ближайшие пять-семь лет объем лесозаготовок может возрасти до 200 млн м³. При проведении рубок ухода за лесом до 60 % древесины является низкокачественной, не имеющей товарной ценности. Общий объем образующихся отходов и низкосортной древесины составляет не менее 40–45 млн м³ в год или не менее 10–12 млн т.у.т. (тонн условного топлива) в год [5]. Практически 80 % древесных отходов лесозаготовок остается на лесосеке неиспользованными. Древесная биомасса в лесу, а также биоотходы перерабатывающих предприятий создают риск возникновения пожаров, размножения вредителей леса, а также являются источником парниковых газов при гниении биомассы. Ежегодно эмиссия метана от отходов биомассы составляет 7–8 млн т и сопоставима с мощностью основных наземных биогенных источников [6].

3.2 Жидкое биотопливо

Вещество, получаемое в ходе переработки растительного сырья (кукурузы, рапса, сахарной свёклы, сахарного тростника и др.), отходов деревообработки средствами технологий, в основе которых лежит использование естественных биологических процессов (например, брожения) называется жидким биотопливом. Основное применение жидкого биотоплива – двигатели. Жидкое биотопливо подразделяется на биоэтанол, биодизель, биобутанол и др. [7].

К этому виду биотоплива относится в первую очередь биоэтанол С₂Н₅ОН – этиловый спирт. Наиболее распространенными видами сырья для производства этанола являются отходы сахарного производства: багасса или меласса (сахарная свекла), а также крахмал кукурузы, сорго, картофеля, пшеницы и риса [4].

Топливный биоэтанол получают сбраживанием сахаров с применением технологии производства пищевого этанола, но без дополнительных стадий очистки. Мировое производство биоэтанола составляет около 40 млрд литров, из которых 45 % приходится на Бразилию и 44,7 % – на США [1]. На сегодняшний день биоэтанол не является полноценным заменителем бензина. В основном используется смесевое топливо, содержащее 10 % этанола и 90 % бензина (стандарт Е10) [6]. Значительно реже встречается топливо с более высоким содержанием этанола – Е85. Основными недостатками этанола как топлива является его невысокая теплотворная способность (на 37 % меньше, чем у бензина), что приводит к более высокому расходу. Второй недостаток – высокая способность к поглощению воды.

Биодизель – биотопливо на основе растительных или животных жиров (масел), а также продуктов их этерификации. Сырьём для производства биодизеля служат жирные, реже – эфирные масла различных растений или водорослей: в Европе – рапс; США – соя; Канаде – канола (разновидность рапса); в Индонезии, на Филиппинах – пальмовое и кокосовое масло; в Индии – ятрофа; Бразилии – касторовое масло; Африке – соя, ятрофа. Также применяются отработанное растительное масло, животные жиры, рыбий жир [2].

Биодизельное топливо имеет те же характеристики, что и обычные дизельные масла. Служит источником топлива в дизельных двигателях внутреннего сгорания. Быстрый пиролиз позволяет превратить биомассу в жидкость, которую легче и дешевле транспортировать, хранить и использовать.

Наиболее перспективным источником сырья для производства биодизеля являются микроводоросли. По оценкам экспертов, с одного акра (4047 м² ~ 0,4 га) земли можно получить 255 литров соевого масла или 2400 литров пальмового масла [8]. С такой же площади водной поверхности можно производить до 3570 баррелей бионефти (1 баррель = 159 литров) [9]. Основные преимущества: биодизель характеризуется хорошими смазочными свойствами, что продлевает срок жизни двигателя (это вызвано его химическим составом и содержанием в нём кислорода); при работе двигателя на биодизеле одновременно производится смазка его подвижных частей, в результате которой, как показывают испытания, достигается увеличение срока службы самого двигателя и топливного насоса в среднем на 60 %; нет необходимости модернизировать двигатель; биодизель при попадании в почву не причиняет вреда растениям и животным, подвергается практически полному биологическому распаду; в сравнении с обычным дизельным топливом почти не содержит серы; производство биодизеля способствует вводу в оборот низкокачественных неиспользуемых сельскохозяйственных земель; полученный 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 подогревать топливо, идущее из топливного бака в топливный насос, или применять смеси 20 % биодизеля и 80 % минерального дизельного топлива; хранить технику, заправленную биодизелем более 3 месяцев, не рекомендуется – он склонен к окислению и чувствителен к воде, конденсирующейся на стенках топливных баков [4].

3.3 Газооборазное биотопливо

Биогаз – продукт сбраживания органических отходов (биомассы), представляющий собой смесь метана и углекислого газа [1]. Продукт метанового брожения органических веществ растительного и животного происхождения, осуществляемого специфическим природным биоценозом анаэробных бактерий. Содержание метана в биогазе варьируется в зависимости от химических свойств сырья и может составлять от 50 до 90 %. В зависимости от природы исходного сырья изменяется и выход биогаза: от 200 до 600 л на 1 т абсолютно сухого вещества [6].

Метан синтезируется после очистки от всевозможных примесей так называемого синтетического природного газа из углеродосодержащего твердого топлива, такого как уголь или древесина. В мире уже имеется несколько введенных в эксплуатацию установок получения метана из древесных отходов.

Биоводород – водород, полученный из биомассы термохимическим, электрохимическим, биохимическим или другим способом. При термохимическом методе биомассу нагревают без доступа кислорода до температуры 500–800 ^оC (для отходов древесины), что намного ниже температуры процесса газификации угля [4]. В результате процесса выделяется H₂, CO и CH₄. Биоводород можно получать термомеханическим способом из отходов древесины, однако себестоимость данного метода пока слишком высока. В биохимическом процессе водород вырабатывают различные бактерии.

3.4 Типы биотоплива

Биотоплива также подразделяются на три типа: первого, второго и третьего поколений.

Биотопливо первого поколения производится из традиционных сельскохозяйственных культур с высоким содержанием жиров, крахмала, сахаров посредством применения технологий, близких к естественным биологическим и термохимическим процессам (например, брожение). Однако это сырьё используется в пище людей и животных. Помимо затратного землепользования (необходимость использования качественных пахотных земель) с истощением почв и высокими потребностями в их обработке, изъятие этого сырья с рынка прямо повлияет на цену пищевых продуктов (основной недостаток производства биотоплива первого поколения). Условная эффективность производства биотоплива из биомассы первого поколения составляет примерно 35–45 % [7].

Биотопливо второго поколения получают из непищевого сырья (отработанные жиры и растительные масла, биомасса деревьев и растений) разными методами. Такое сырьё содержит целлюлозу и лигнин. Технологически производство биотоплива второго поколения представляет собой процесс получения топлива посредством переработки целлюлозы и лигнина, содержащихся в древесной или волокнистой биомассе, что менее затратно, чем получение биотоплива у культур первого поколения [2]. Его можно прямо сжигать (как это традиционно делали с дровами), газифицировать (получая горючие газы), осуществлять пиролиз, который позволяет превратить биомассу в жидкость. Из жидкости можно сделать автомобильное топливо или топливо для электростанций. Сырьём для подобного производства может быть любая биомасса, включая отходы деревообрабатывающего производства и остатки пищи. Условная эффективность производства биотоплива из биомассы второго поколения составляет примерно 50 % [4]. Производство биотоплива второго поколения в настоящий момент является очень капиталоёмким процессом, т. к. соответствующие технологии весьма дороги.

Биотопливо третьего поколения – топлива, полученные из непищевого сырья, в частности, микроводорослей. За счет быстрого роста и размножения микроводорослей можно получить топлива от 15 до 200 раз больше, чем из лучшей сельскохозяйственной масличной культуры [8]. Первичное производство биомассы может осуществляться путем культивирования фитопланктона в искусственных водоемах. С точки зрения получения энергии эта биосистема имеет существенные экономические преимущества по сравнению с другими способами преобразования солнечной энергии. Кроме выращивания водорослей в открытых прудах существуют технологии выращивания водорослей в малых биореакторах, расположенных вблизи электростанций. Перспективность этого направления развития связана со спецификой состава водорослей (в штамме водорослей содержание жиров составляет от 75 до 85 % сухого веса) [9]. Водоросли рассматривают как наиболее перспективное сырьё для производства топлива из возобновляемых источников.

3.5 Микроводоросли для биодизельного топлива

Наиболее перспективным источником растительного сырья для производства биотоплива являются микроводоросли, в которых содержатся липиды (в том числе триацилглицерины (ТАГ), необходимые для синтеза биодизельного топлива). Использование микроводорослей позволит сократить потребление водных ресурсов, так как для их выращивания можно использовать сточные воды.

Идея использования микроводорослей в качестве энергетического сырья не нова, но лишь в настоящее время стала актуальной из-за прогнозируемого дефицита и высокой стоимости нефтепродуктов, а также проблемы глобального потепления в результате сжигания ископаемых видов топлива [9].

В настоящее время биодизельное топливо производят из растительных и животных масел. Это проверенный вид топлива, технология его производства и использования известна уже около 60 лет. В США биодизельное топливо производят главным образом из соевых бобов. Другими источниками биодизельного топлива являются масло канола, животный жир, пальмовое и кукурузное масло.

По оценкам для замены всего моторного топлива в США потребуется 0,53 млрд м³ биодизельного топлива ежегодно. Перечисленные виды сырья не могут обеспечить такой объем производства. Во всяком случае для выращивания биомассы на их основе потребуются нереально большие земельные площади [10].

Вместе с тем из данных следует, что микроводоросли являются единственным источником биодизельного топлива, обладающим потенциалом полной замены ископаемых видов топлива в США. В отличие от прочих культур микроводоросли растут чрезвычайно быстро и удваивают биомассу за 24 часа. Содержание масла в пределах 20–50 % характерно для многих видов водорослей.

Некоторые их виды содержат до 80 % масла. В зависимости от вида микроводоросли содержат различные типы липидов, углеводородов и сложных масел [10].

В искусственных условиях для культивирования водорослей используют специальные емкости культиваторы. Различают культиваторы открытого и закрытого типа. В первых водорослевая суспензия не изолирована от атмосферы. Они, как правило, просты по конструкции, дешевы, удобны в эксплуатации, но обычно дают низкую плотность суспензии микроводорослей [8]. Конструкции культиваторов закрытого типа обеспечивают полное регулирование параметров выращивания вне зависимости от внешних условий.

Существуют различные конструкции культиваторов, но в общей схеме содержат: реактор – резервуар, в котором происходит рост и размножение культуры; блок освещения, питания культуры, отбора урожая, контроля и управления.

На рис. 4 представлена общая cхема системы культивирования микроводорослей.

Биореактор имеет встроенные трубы сбоку для притока и оттока. Приток конечных стоков непрерывно закачивается в биореактор, который управляется насосом. Отток неограничен для поддержания постоянного объема в биореакторе. Подача течет снизу вверх, здесь стоки вытекают через выпускную трубу в отстойник. Очищенные сточные воды разливаются в виде стоков, а водоросли собираются на дне и перерабатываются обратно в биореактор. Водоросли и сточные воды в биореакторе смешиваются с помощью механической мешалки, чтобы сохранить перемещение и суспензию клеток водорослей.

Условия культивирования микроводорослей

Для создания технологии производства биодизельного топлива из такого возобновляемого энергетического ресурса, как микроводоросли, требуется:

1. выбрать штамм микроводорослей – гиперпродуцентов липидов с высокой скоростью роста;
2. подобрать условия культивирования (температуру, освещенность, питательную среду, конструкцию фотобиореактора и др.) обеспечивающие активацию так называемого липидного триггера – комплекса факторов, обеспечивающих максимальный выход биомассы, обогащённой липидами [8]. Для накопления биомассы микроводоросль необходимо культивировать на питательных средах, содержащих азотный компонент, необходимо обеспечить освещением и подачей углекислого газа, а создание стрессовых условий, позволит накапливать липиды;
3. разработать установку для получения высокой продуктивности. Для интенсивного роста культуры необходимо, что бы все условия культивирования строго соблюдались и поддерживались на определенном уровне. В связи с этим, микроводоросли необходимо культивировать в закрытых фотобиореаторах, что дает возможность добиться более высокой продуктивности. Одна из проблем эффективного функционирования фотобиореактора – обеспечение равномерного освещения биомассы путём перемешивания суспензии микроводорослей [7].

4. Экспериментальная часть

Первая стадия процесса культивирования микроводоросли Chlorella vulgaris может проходить в фотобиореаторах закрытого типа. На рис.5 приведена принципиальная схема установки биореактора для культивирования микроводорослей.

1 – емкости с макроэлементами; 2 – емкости микроэлементами; 3 – реактор с мешалкой; 4 – сборник питательно среды; 5 – теплообменник; 6 – сборник штамма; 7 – фитобиореактор; 8 – фильтр; 9 – сборник пасты;