Производство древесного угля - пиролиз

Производство древесного угля охватывает широкий диапазон технологий от простых и рудиментарных земляных устройств до сложных, обладающих большой мощностью реторт. Использование различных технологий приводит к получению древесного угля разного качества. Улучшение технологии производства древесного угля направлено на относительное увеличение угля на выходе и улучшение его качественных характеристик.

Типичные параметры качественного древесного угля:
Содержание золы - 5%.
Содержание углерода - 75%.
Содержание летучих компонентов - 20%.
Плотность - 250-300 кг/м³.
Физические параметры - Умеренно рыхлый.

Усилия по оптимизации производства древесного угля направлены на оптимизацию приведенных выше параметров при минимальных инвестициях и затратах на обслуживающий персонал и максимальном выходе угля по отношению к количеству древесины на входе.

Производство древесного угля состоит из шести главных этапов:

1. 
   Подготовка древесины.
   
2. 
   Сушка или уменьшение влажности.
   
3. 
   Предварительная карбонизация - уменьшение количества летучих компонентов.
   
4. 
   Карбонизация - дальнейшее уменьшение количества летучих компонентов.
   
5. 
   Завершение карбонизации - увеличение содержания углерода.
   
6. 
   Охлаждение и стабилизация древесного угля.
   

Второй этап получения древесного угля выполняется при температурах от 110 до 220^оC. Этот этап заключается преимущественно в уменьшении количества воды в древесных порах, воды, содержащейся в клетках и химически связанной воды.

Третий этап проводится при температурах от 170 до 300°C и часто называется этапом предварительной карбонизации. На этом этапе выделяются пиролизные жидкости в форме метанола и уксусной кислоты, а также малое количество окиси и двуокиси углерода.

Четвертый этап выполняется при температурах от 200 до 300°C, когда образуется основная часть легких смол и пиролизных кислот. В конце этого этапа образуется древесный уголь, являющийся результатом карбонизации древесных остатков. На пятом этапе при температурах от 300 до максимальной 500°C завершается выделение летучих компонентов и увеличивается содержание углерода в угле.

На шестом этапе полученный уголь охлаждают в течение, по крайней мере 24 часов, чтобы увеличить его устойчивость и снизить риск самопроизвольного возгорания.

Наконец, финальный этап заключается в извлечении угля, упаковке, транспортировке, оптовой и розничной продаже потребителям. Выполнение этого этапа может значительно повлиять на качество поставляемого потребителям угля. Уголь хрупок, поэтому подготовка и транспортировка на большие расстояния может увеличить содержание мелкой фракции в нем до 40%. Это значительно уменьшает ценность угля. Упаковка в мешках позволяет существенно уменьшить измельчение

Газификация древесины называется также газогенерацией или сухой перегонкой. Суть процесса заключается в производстве горючего газа посредством нагрева древесины. Монооксид углерода, метиловый газ, метан, водород, газообразные углеводороды и другие компоненты в различных пропорциях могут быть получены с помощью нагрева или сжигания древесины в условиях отсутствия или недостатка кислорода. Эта цель может быть достигнута в топочных устройствах, ограничивающих поступление воздуха извне, в результате чего сжигание происходит не полностью. Сходным процессом является нагрев древесины в закрытой емкости с использованием внешнего источника тепла. В разных процессах получаются разные продукты. Если при сжигании древесины обеспечить необходимое количество кислорода, то в процессе такого сжигания образуются двуокись углерода, вода, небольшое количество золы (соответствующее содержанию неорганических веществ) и тепло. Этот тип сжигания реализуется в обычных древесносжигающих печах. После начала процесса горения можно ограничить поступление воздуха. При этом горение будет продолжаться, но с частичным сгоранием. В случае полного сгорания углеводорода (древесина в основном состоит из углеводородов) кислород объединяется с углеродом, а также с водородом. В результате чего получаются CO₂ (двуокись углерода) и H₂O (вода). Ограниченное количество воздуха и тепло обеспечивают продолжение неполного сгорания. В этих условиях один атом кислорода объединяется с одним атомом углерода, в то время как водород взаимодействует с кислородом лишь частично. В результате получается монооксид углерода, вода и газообразный водород. Кроме того, образуются и другие компоненты, например, углерод в виде дыма. Под воздействием тепла разрываются химические связи в молекулах сложных углеводородов, содержащихся в древесине (а также в любом другом углеводородном топливе). Одновременно в процессе объединения атомов углерода и водорода с кислородом выделяется тепло. Таким образом, процесс поддерживает сам себя. Если количество воздуха недостаточно, то в результате такого процесса образуется достаточно тепла для разложения молекул древесины, но продуктами этого процесса будут монооксид углерода и водород - горючие газы. Другие продукты неполного сгорания - это преимущественно диоксид углерода и вода.

Газификация представляет собой простой способ получения газообразного топлива из твердой древесины. В отличие от громоздкой древесины, газ удобен и может использоваться в различных существующих устройствах, не последним из которых является двигатель внутреннего сгорания.

При сжигании древесины образующаяся вода при определенных условиях может участвовать в процессе сухой возгонки. Древесина также содержит другие химические элементы от алкалоидов до минералов, которые тоже участвуют в этом процессе. В процессе возгонки древесины образуются метан, метиловый газ, водород, углекислый и угарный газы, древесный спирт, углерод, вода, а также многие малые добавки. Количество метана может достигать 75%. Метан представляет собой простой углеводород, содержащийся в природном газе, который также может быть получен в процессе анаэробного бактериального разложения органических веществ (биогаз или болотный газ). Он имеет высокую теплотворную способность и прост в использовании. Метиловый газ имеет отношение к метанолу (древесному спирту) и может сжигаться непосредственно или после превращения в метанол, который представляет собой высококачественное жидкое топливо, пригодное для сжигания в незначительно модифицированных двигателях внутреннего сгорания. Очевидно, что оба базовых процесса получения древесного газа - неполное сжигание и сухая возгонка - приводят к образованию удобного топлива, которое может заместить природные ископаемые газы (природный газ или такие сжиженные газы, как пропан или бутан). Он может сжигаться в существующих топочных устройствах или использоваться в качестве топлива для двигателей внутреннего сгорания при соблюдении некоторых важных мер предосторожности.

Простейшим газогенератором является резервуар, представляющий собой перевернутый конус (воронку). Закрывающееся отверстие в верхней части позволяет пользователю загружать опилки. В верхней части также имеется отверстие для отвода газа. В нижней части "воронка" открыта. Здесь происходит процесс горения. После загрузки (образуется естественная пробка) опилки поджигаются в нижней части с помощью, например, пропанового факела. Опилки начинают тлеть. Процесс поддерживается с помощью вакуума, создаваемого воздуходувкой или двигателем внутреннего сгорания. Газы поднимаются через пористую древесную массу, частично фильтруясь при этом, и покидают устройство в верхней части. Здесь газы вновь фильтруются и, при необходимости, подвергаются обработке. Создание вакуума обеспечивает также и поступление воздуха, необходимое для поддержания процесса. Описанный газификатор примитивен. Его работу трудно контролировать, особенно, если горение происходит в верхнем слое загруженного топлива. Поскольку в конструкции не предусмотрен контроль равномерного горения, то возможно сквозное прогорание слоя. После того, как огонь появился на поверхности, количество поступающего воздуха резко увеличивается. При этом полностью сгорают как твердое сырье (опилки), так и выделяющиеся летучие компоненты. Таким образом, контроль процесса зависит от малой пористости опилок. Например, использование веток в описанной конструкции невозможно из-за того, что количество воздуха будет слишком большим, и вместо тления будет происходить полное сжигание при высокой температуре. Такие устройства непригодны для длительного получения газа. Однако они дешевы и могут работать с разными видами сырья. Для устойчивой длительной эксплуатации древесные газификаторы должны иметь более сложную систему контроля подачи воздуха и топлива. Существуют различные способы достижения этой цели. Например, если описанный выше газификатор полностью закрыт, то можно осуществить контроль подачи воздуха. В этом случае можно успешно сжигать большее количество древесины.

Спирт может использоваться в качестве топлива в двигателях внутреннего сгорания либо самостоятельно, либо в качестве добавки к бензину. Существует много видов доступного сырья, из которого можно производить спирт, используя существующие улучшенные и проверенные технологии. Спирт обладает прекрасными показателями для сжигания. Горение происходит очень чисто и с высоким октановым числом.

Двигатели внутреннего сгорания, оптимизированные для работы на спирту, на 20% эффективнее двигателей, работающих на бензине. А двигатели, созданные специально для работы на спирту, могут быть эффективнее на 30%. Более того, существуют многочисленные экологические преимущества: уменьшение эмиссии свинца, CO₂, SO₂, частиц углеводородов и СО.

В настоящее время в США производится около 6 миллиардов литров этанола в год. Потенциал производства этанола в мире вырос по сравнению с 1977 годом в восемь раз и достигает 20 миллиардов литров в год. Латинская Америка во главе с Бразилией является мировым лидером в производстве биоэтанола. Такие страны, как Бразилия и Аргентина, уже сегодня производят большое количество этанола, другие, как Боливия, Коста-Рика, Гондурас и Парагвай и т. д., серьезно думают об этой возможности. Использование спирта в виде топлива стремительно развивается в некоторых африканских странах: Кении, Малави, ЮАР и Зимбабве. Другие (Маврикий, Свазиленд, Замбия) имеют для этого большой потенциал. В некоторых странах сахарная промышленность модернизирована, что привело к снижению производственных затрат. Многие из этих стран не имеют выхода к морю, в результате продажа производимой в них мелассы на мировом рынке экономически нецелесообразна. С другой стороны, импорт нефти в эти страны также обходится дорого. Выходом для этих стран может стать диверсификация сахарной промышленности, отказ от импорта энергоносителей, улучшение использования местных ресурсов и, косвенно, улучшение экологического менеджмента. Для этих стран, особенно с учетом относительно низкой потребности в автомобильном топливе, использование этанола в качестве топлива весьма привлекательно. Общий интерес к топливному этанолу значительно вырос за последнее десятилетие, несмотря на падение цен на нефть после 1981 года. В развивающихся странах этот интерес объясняется низкими ценами на сахар на международном рынке, а также стратегическими причинами. В развитых странах главной причиной является растущая экологическая обеспокоенность, а также возможность решения некоторых распространенных социально-экономических проблем, таких, как использование сельскохозяйственных земель и перепроизводство продовольствия. Поскольку понимание ценности этанола возрастает, все большее количество политических мер предпринимается для поддержки использования этанола в качестве топлива.

Использование этанола даже в качестве малых добавок (например, Е10 - 10% этанола и 90% бензина) имеет экологические преимущества. Тесты показали, что Е10 образует меньше угарного газа (СО), диоксида серы (SO₂) и углекислого газа (СО₂), чем бензин марки RFG. Добавки этанола уже помогли решить проблему с угарным газом в таких городах США, как Денвер и Феникс. Однако Е10 образует больше летучих органических компонентов (VOC), пыли и оксидов азота (NOx), чем бензин RFG. При использовании большего количества этанола (Е85, с 15% бензина) или почти чистого этанола Е100 все виды перечисленных загрязнений образуются в меньшей степени.

	Производство топливного этанола

Производство этанола с помощью ферментации состоит из четырех этапов:

Технология ферментации и ее эффективность быстро улучшались в течение последнего десятилетия. Были сделаны некоторые инновационные изменения в использовании новых материалов. Уменьшены затраты на производство. Однако технологические изменения больше влияют на доступность и стоимость сырья и, в результате, на стоимость жидкого топлива, чем на рост рынка в целом.

Многочисленные виды сырья для производства этанола можно разделить на три типа:
а) сахар, получаемый из сахарного тростника, сахарной свеклы или фруктов, который может быть непосредственно преобразован в этанол;
б) крахмалы из зерновых культур и корнеплодов, которые должны быть подвержены гидролизу в присутствии ферментов для получения ферментируемого сахара;
в) целлюлоза из древесины, сельскохозяйственных отходов и т.д., которая должна быть превращена в сахариды с использованием либо кислот, либо ферментативного гидролиза.

Последний вариант, однако, остается демонстрационным и пока считается экономически нецелесообразным. Основной интерес представляет использование сахарного тростника, кукурузы, древесины, маниока, сорго, и до некоторой степени, зерновых культур и иерусалимского артишока. Этанол также получается из лактозы, содержащейся в отходах сыворотки (например, в Ирландии она используется для производства спиртных напитков, а в Новой Зеландии - для топливного этанола). Проблемой, которую еще предстоит решить, является сезонность растительных культур. Это означает, что зачастую необходимо найти альтернативный источник сырья для обеспечения круглогодичной работы производственных мощностей.

Этаноловый завод в Индиане (США)	Отходы переработки сахарного тростника (багасса)

Метанол является другим видом спиртового топлива, которое получается из биомассы или угля. Однако в настоящее время метанол производится преимущественно из природного газа и ограниченно используется в качестве топлива для демонстрационных и спортивных целей. По этой причине мы не будем рассматривать его в данной работе. Кроме того, считается, что метанол не обладает всеми экологическими преимуществами, свойственными этанолу.

В Бразилии этанол используется в качестве транспортного топлива с 1903 года. В настоящее время в стране реализуется самая крупная в мире программа развития этанола. Начиная с создания Национальной Программы Развития Этанола "ProAlcool's" в 1975 году, в стране произведено более 90 миллиардов литров этанола из сахарного тростника. Общая мощность 661 завода достигла в 1988 году 16 миллиардов литров в год. В 1989 году 12 млрд литров этанола замещали 200 000 баррелей импортированной нефти в день. Почти 5 миллионов автомобилей в настоящее время используют чистый биоэтанол и 9 миллионов ездят на бензине с добавкой 20-22% этанола (производство автомобилей для чистого этанола было остановлено в 1979 году).

Наряду с главной целью программы "ProAlcool's" - уменьшить импорт нефти, другими целями были защита плантаций сахарного тростника, увеличение использования местного возобновляемого энергоресурса, развитие спиртовой промышленности и решение социально-экономических и региональных проблем с помощью расширения культивируемых земель и создания новых рабочих мест. Несмотря на то, что программа "ProAlcool's" планировалась централизованно, этанол полностью производится децентрализованным частным сектором.

Программа "ProAlcool's" ускорила темпы технологического развития и уменьшила затраты в сельском хозяйстве и некоторых отраслях промышленности. В Бразилии развит современный и эффективный аграрный бизнес, способный выдерживать зарубежную конкуренцию. Производство спирта является одним из крупнейших секторов бразильской промышленности. Бразильские фирмы экспортируют оборудование для производства спирта во многие страны. Кроме того, в стране была развита спиртовая химическая промышленность.

Химические заводы, основанные на переработке спирта, более подходят для многих развивающихся стран, чем нефтяные. Они меньше, требуют меньшего количества инвестиций, могут работать в аграрном секторе и использовать местное сырье.

Социальное развитие

Создание рабочих мест в сельской местности оказалось главным достоинством программы "ProAlcool's" - производство этанола в Бразилии требует больших затрат человеческого труда. Около 700 тысяч рабочих мест было создано непосредственно, и в 3-4 раза больше косвенным образом. Количество инвестиций, необходимых для создания одного рабочего места в производстве этанола, варьируется от 12 до 22 тысяч американских долларов, что, например, в 20 раз меньше аналогичного показателя в химической промышленности.

Возможное загрязнение окружающей среды было связано с реализацией программы "ProAlcool's". Влияние на окружающую среду может быть значительным из-за большого количества получаемых продуктов перегонки и возможного их попадания в воду. На 1 литр этанола спиртовой завод производит от 10 до 14 литров жидких продуктов с высоким показателем биологической потребности в кислороде. На последующих стадиях выполнения программы были предприняты значительные усилия по решению этих экологических проблем. Сегодня используются альтернативные технологические решения, уменьшающие количество жидких отходов, превращая их в удобрения, корм для животных, биогаз и т.д. Эти меры значительно уменьшили уровень загрязнения в крупных городах, например, Сан - Пауло. Использование отходов в качестве удобрений для сахарного тростника позволяет увеличить его урожайность на 20-30%.

Несмотря на многочисленные исследования, выполненные в отношении практически всех аспектов выполнения программы в Бразилии, до сих пор существуют разногласия в оценке ее экономических аспектов. Это объясняется тем, что затраты на производство этанола и его экономическая ценность для потребителя и для страны зависят от многих видимых и невидимых факторов, делающих затраты зависящими от места и переменными во времени, иногда ото дня ко дню. Например, производственные затраты зависят от местонахождения, конструкции и управления установкой. Оказывается важным, является ли установка независимой, работающей рядом с плантациями, специализирующимися на производстве спирта, или же она входит в состав плантации, специализирующейся на экспорте сахара. С другой стороны, экономическая ценность этанола для потребителя зависит преимущественно от мировых цен на сырую нефть и сахар, а также от того, используется ли этанол в обезвоженной форме в качестве добавки к бензину, или же в качестве самостоятельного топлива без предварительного удаления воды.

В период между 1979 и 1988 годами стоимость производства этанола ежегодно снижалась на 4% за счет оптимизации выращивания и переработки сахарного тростника. Стоимость производства этанола можно снизить еще, если утилизировать отходы производства, преимущественно жом (багассу). В этом случае возможно уменьшение затрат до уровня 0,15 $/литр, что сделает этанол конкурентоспособным по отношению к бензину даже в условиях низких цен на нефть начала 90-х годов. Подсчитано, что в случае использования газификаторов/паровых турбин для производства электроэнергии из жома одновременно с производством этанола затраты на электроэнергию составят 0,045 $/кВт·ч.

Несмотря на проблемы, программа является успешным примером достижения поставленных целей. Цель программы была достигнута вовремя, а ее стоимость оказалась ниже предсказанной. В процессе реализации программы и увеличения мощности сахарной и спиртовой промышленности была развита собственная экспертиза в этой области. Увеличена независимость страны, достигнута экономия в балансе международной торговли, обеспечена база технологического развития как в производстве, так и в потреблении этанола, созданы новые рабочие места. Успех Бразилии обусловлен следующими факторами: политикой и поддержкой правительства, экономическими и финансовыми стимулами, вовлечением частного сектора, технологическим потенциалом производства этанола, длительным историческим опытом производства и использования этанола, сотрудничеством между правительством, производителями сахарного тростника и автомобильной промышленностью, адекватными человеческими ресурсами, обилием плантаций дешевого сахарного тростника в хороших климатических условиях и на пригодных землях, а также наличием сахарной промышленности. В результате потребовались относительно небольшие инвестиции для организации производства этанола.