Химия твердого топлива, 2020, № 2, стр. 61-65

Одна из важнейших задач современности – это использование новых эффективных источников энергии, поскольку ресурсы ископаемого топлива не безграничны. В этой связи актуально использование возобновляемых источников энергии, доступных повсеместно. К таким источникам относится, в частности, биомасса (прежде всего, отходы растительного и животного происхождения, твердые бытовые отходы).

Сельскохозяйственные отходы, которые образуются ежегодно в больших количествах, являются одним из основных источников биомассы. Растениеводство – ведущая отрасль сельского хозяйства в России. Производство зерновых культур связано с образованием значительного количества отходов в виде стерни и соломы, которые остаются на полях после сбора урожая. Стерня представляет собой нескошенные нижние части стебля и корни. Скошенная масса обмолачивается и разделяется на зерно и солому. Утилизация послеуборочных остатков связана с дополнительными финансовыми и временными затратами, а также требует специальных технологий. В России данная проблема традиционно решается методом простого сжигания. Исследования показали, что сжигание стерни и соломы приводит к уничтожению полезной почвенной микрофлоры и запасов гумуса, приводит к изменению физико-химических свойств и механической структуры почвы. При сжигании стерни и соломы с каждого гектара земли теряется до 4 т органического вещества и до 30 кг азота [1]. Кроме того, при сжигании этих отходов в атмосферу выбрасывается значительное количество сажи, которая представляет собой аэрозольную смесь мелких частиц, образующихся при неполном сгорании биомассы [2]. Установлено, что сажа удерживает в несколько сотен раз больше тепла, чем CO₂. Поступая в атмосферу, она поглощает солнечную энергию и излучает инфракрасную радиацию, что приводит к усилению эффекта изменения климата Арктики [3]. Сажа, оседающая на арктический снег и лед, снижает их отражающую способность и ускоряет таяние. Помимо влияния на изменение климата сажа оказывает негативное воздействие на здоровье человека [2]. Также стоит отметить, что сжигание послеуборочных остатков является нарушением федеральных законов “Об охране окружающей среды” и “Об охране атмосферного воздуха” [4, 5]. Согласно пункту 218 Правил противопожарного режима в Российской Федерации: “Запрещается выжигание сухой травянистой растительности, стерни, пожнивных остатков (за исключением рисовой соломы) на землях сельскохозяйственного назначения и землях запаса, разведение костров на полях” [6].

По данным Росстата, последние несколько лет производство пшеницы в России превышает 60% от общего валового сбора всех зерновых культур. В 2017 г. посевная площадь под озимую пшеницу составила около 15 млн га земли, под яровую пшеницу – 13 млн га земли. При этом урожайность озимой и яровой пшеницы после доработки составила 85.9 млн т [7]. Соотношение массы зерна и массы соломы у озимой пшеницы составляет примерно 1:1.5, у яровой пшеницы – 1:1.3 [8]. Основываясь на данных об урожайности, нетрудно посчитать, что за 2017 г. образовалось около 98 млн т пшеничной соломы. Энергетический потенциал соломы 14 МДж на 1 кг сухой массы. Для сравнения, объем добычи бурого угля в Канско-Ачинском бассейне в 2017 г. составил 38.35 млн т [9]. Теплота сгорания бурого угля 11 МДж/кг, в брикетах – 13–25 МДж/кг. Таким образом, на полях ежегодно сжигается ресурс, по объему сопоставимый с добычей угля в одном из крупнейших буроугольных бассейнов России. Однако следует отметить, что использование соломы в качестве энергетического топлива связано с рядом трудностей, обусловленных, в частности, ее низкой насыпной плотностью и высокой влажностью. Стоит отметить, что также существуют соломенные котлы, предназначенные для отопления сжиганием целых тюков соломы.

Наряду с растительными остатками от производства зерновых культур, сельскохозяйственные отходы включают в себя побочные продукты промышленной обработки сельскохозяйственной продукции. К таким отходам относится багасса – волокнистая часть сахарного тростника, остающаяся после прессования стеблей и извлечения сахаросодержащего сока. Ежегодное мировое производство сахарного тростника составляет 1.6 млрд т, в результате чего образуется несколько сотен миллионов тонн багассы [10]. Бразилия является крупнейшим производителем сахарного тростника в мире с годовым объемом производства 690 млн т [11]. В среднем на 100 т измельченного тростника производится около 30 т влажных отходов (около 50% влажности) в год. Таким образом, на каждые 3 кг измельченного тростника приходится 1 кг багассы [12]. ЮАР является крупнейшим в Африке производителем сахарного тростника, где ежегодно производится около 3.3 млн т сырой багассы. В развитых странах (США, Бразилия, Индия) багассу используют в промышленности для производства этанола второго поколения. Но в большинстве случаев стратегия по управлению отходами в странах-производителях сахара отсутствует, и багассу складируют на территориях сахарных заводов, занимая полезные площади. Утилизацию багассы обычно проводят методом прямого сжигания в печах для выработки тепла и энергии для собственного потребления сахарных предприятий.

Сжигание багассы (как и соломы) в энергетических целях сопряжено с рядом трудностей. Целесообразным способом использования различных видов биомассы для энергетических целей является переработка исходного сырья в энергетический высококалорийный газ, а затем его использование в качестве топлива.

Существующие методы термической конверсии биомассы, такие как газификация и пиролиз, не позволяют получить газ, который может быть использован в электропроводящем оборудовании. Производимый по данным технологиям газ содержит жидкую фракцию, что недопустимо при использовании в газопоршневых установках. Техническими условиями на эксплуатацию газопоршневых двигателей максимальное содержание смол в газовом топливе лимитировано 50 мг/м³. Использование схем с очисткой газа от жидкой фракции перед подачей в газопоршневую электростанцию требует значительного усложнении и удорожания процесса.

В настоящей работе для утилизации соломы и багассы сахарного тростника с получением синтез-газа использован метод двухстадийной термической конверсии биомассы, разработанный в Объединенном институте высоких температур (ОИВТ) РАН [13]. Сущность метода заключается в том, что процесс разделен на два этапа. На первой стадии перерабатываемое сырье подвергается пиролизу с получением биоугля и парогазовой смеси (ПГС), представляющей собой смесь летучих продуктов пиролиза и неконденсируемых газов. Вторая стадия – газификация при 1000°C полученного на первой стадии биоугля под воздействием ПГС как окислителя с образованием водорода и окиси углерода. В отличие от традиционного процесса газификации, данный метод термохимической конверсии не требует подвода извне окислительного агента: газификация биоугля осуществляется с использованием окислителя, полученного in situ, т.е. внутри процесса. Таким образом, двухстадийная термическая конверсия соответствует принципам зеленой химии, согласно которым следует минимизировать отходы и подачу дополнительных реагентов и материалов в технологический цикл. Получаемый по разрабатываемой технологии газ содержит малое количество жидкой фазы (не более 30–40 мг/м³). Преимущество этой технологии заключается в высокой степени конверсии исходного сырья в синтез-газ и возможности использования полученного газа в качестве топлива для энергопроизводящего оборудования.

В статье представлены результаты исследования двухстадийного пиролиза двух материалов: багассы и соломы. Багасса была предоставлена сахарной компанией Lugazisugarfactory (Кампала, Уганда). Соломенные пеллеты произведены на заводе “Продмаш” (Ростов-на-Дону, Россия). Перед проведением экспериментов образцы двух материалов были высушены при температуре 105 ± 5°C до влажности 0–1%.

На рис. 1 представлена схема экспериментальной установки, реактор которой выполнен из стали 12Х18Н10Т в виде трубы диаметром 37 мм и высотой 850 мм. В зонах пиролиза и газификации установлены чаши, плотно прилегающие к стенкам трубы и имеющие перфорацию в днище для газопроницаемости.

Рис. 1.

Схема лабораторной установки: 1 – двухсекционная печь, 2 – зона пиролиза реактора, 3 – зона газификации реактора, 4 – холодильник, 5 – газосчетчик барабанный, 6 – газгольдер, 7 – газовый анализатор.

В нижнюю чашу (зона пиролиза) помещалось исходное сырье, в верхнюю (зона газификации) – биоуголь, предварительно прогретый в инертной среде при 1050°C. Реактор размещен в двухсекционной печи, оборудованной двумя автономными нагревателями. Перед экспериментом установку продували аргоном для обеспечения инертной среды. В начале эксперимента зону крекинга нагревали до температуры 1000 ± 5°C, которую поддерживали далее на постоянном уровне. Установку еще раз продували аргоном, поддерживая температуру 105°C в нижней секции. Затем температуру в зоне пиролиза повышали до 1000°C со скоростью 7°C/мин.

Температуру контролировали при помощи термопар. В холодильнике продукты реакции охлаждались и поступали в барабанный счетчик с жидкостным затвором (РГ7000). Состав газовой смеси определяли с помощью анализатора газа Vario Plus Industrial (MRU GmbH, Германия).

В ходе исследований был проведен элементный анализ исходного сырья с использованием элементного анализатора Vario Macro Cube (Elementar Analysensysteme GmbH, Германия). Зольность образцов определяли в соответствии с ГОСТ Р 56881-2016.

В табл. 1 приведены основные теплотехнические характеристики исследуемых материалов в пересчете на сухое состояние: элементный состав, зольность и теплота сгорания.

Как следует из данных, представленных в табл. 1, элементный состав багассы и соломы заметно различается по содержанию кислорода и углерода, которое составляет 51.10 и 41.48% для багассы и 40.53 и 45.55% для соломы соответственно. Количество водорода в багассе и соломе отличалось меньше и было равно 5.14 и 6.45% соответственно. В результате соломенные пеллеты обладали большей теплотой сгорания, несмотря на высокое содержание золы (в 3.8 раза больше, чем у багассы).

В табл. 2 представлены основные теплотехнические характеристики биоугля, полученного в результате высокотемпературного пиролиза биомассы: элементный состав, зольность, теплота сгорания, выход (отношение массы твердого остатка в зоне пиролиза к массе исходного сырья в пересчете на сухое состояние), углеродная эффективность (количество углерода, перешедшего из сырья в биоуголь) и энергетическая эффективность (отношение теплоты сгорания биоугля к теплоте сгорания сырья, помноженное на выход).

Можно видеть, что выход биоугля из багассы и соломенных пеллет составляет 26.46 и 29.90% соответственно (табл. 2). Это означает, что при переработке данным методом 1 т багассы или соломенных пеллет будет образовываться 260–300 кг биоугля. Полученный биоуголь можно использовать для газификации. Таким образом, будет организован замкнутый процесс без добавления окислителя и дополнительного биоугля. Как видно из табл. 2, углеродная и энергетическая эффективность термической переработки багассы составляют 57.51 и 58.55%, в то время как для соломы аналогичные показатели равны 48.98 и 43.92% соответственно. Это связано с низким содержанием углерода в биоугле из соломенных пеллет по сравнению с биоуглем, полученным из багассы (74.62 и 90.15% соответственно).

В табл. 3 приведены результаты двухстадийной термической конверсии багассы и соломы: компонентный состав полученного синтез-газа, его выход, теплота сгорания и энергетическая эффективность (ЭЭ) процесса, которая рассчитана как отношение теплоты сгорания газа, полученного из 1 кг исходного сырья, к теплоте сгорания исходного сырья.

Выход синтез-газа, полученный при термической конверсии двух материалов оказался приблизительно одинаковым (табл. 3). Установлено, что полученная смесь газов на 96–98% состоит из водорода и оксида углерода. Однако соотношение этих газов несколько отличается: в синтез-газе, полученном при переработке багассы и соломенных пеллет, отношение H₂/CO = 0.93 и 1.20, соответственно, т.е. использование соломы позволяет получать синтез-газ, заметно более богатый водородом (46 и 53% соответственно). Низшие теплоты сгорания синтез-газа, полученного из соломы и багассы, оказались близкими по значению (10.63 и 11.03 МДж/м³ соответственно).

Следует отметить, что энергетическая эффективность двухстадийной термической конверсии багассы приближалась к единице и была существенно выше аналогичного показателя для соломы (табл. 3). Это свидетельствует о том, что почти вся внутренняя энергия багассы при ее переработке данным методом переходит в тепловую энергию синтез-газа.

На рис. 2 показана зависимость выхода синтез-газа, полученного из багассы и соломы, от температуры в зоне пиролиза. Можно видеть, что наибольшая интенсивность газообразования наблюдается в области 250–400°C. Этот интервал соответствует разложению гемицеллюлозы и целлюлозы [14].

Рис. 2.

Выход синтез-газа в зависимости от температуры в зоне пиролиза при двухстадийной термической конверсии багассы (1), соломы (2).

Таким образом, переработка методом двухстадийной термической конверсии соломы или багассы сахарного тростника позволяет получать более 1.2 м³ синтез-газа, на 96–98% состоящего из водорода и окиси углерода, с теплотворной способностью около 11 МДж/м³. Полученный синтез-газ можно использовать как для выработки электроэнергии, так и для получения жидких химических веществ преимущественно топливного назначения.

Несмотря на различные климатические зоны произрастания таких сельскохозяйственных культур, как пшеница и сахарный тростник, они имеют одно важное сходство: их растительные остатки являются распространенными и дешевыми органическими отходами. Предложенный метод их утилизации с точки зрения экономики и влияния на природное равновесие наиболее выгодный и безопасный по отношению к прямому сжиганию на полях.