Каталитическая интенсификация процессов переработки возобновляемого растительного сырья в биотоплива
В последние годы в развитых странах возрос интерес к использованию возобновляемых источников энергии, к числу которых относится растительная биомасса. Развиваются различные направления энергетики и методов использования биомассы: производство пеллетированных топлив, древесных брикетов, древесного угля, газообразных топлив, биодизеля, биоэтанола, биобутанола. Разрабатываются технологии получения жидких углеводородных топлив, основанные на процессах пиролиза и термоожижения различных видов растительной биомассы.
Существующие промышленные технологии получения жидких и газообразных топлив из биомассы по своей эффективности уступают процессам нефтепереработки и нетехимии. Твердое органическое сырье трудно превратить в низкомолекулярные продукты, что приводит к большим капитальным и текущим затратам на его переработку.
Одним из важнейших направлений совершенствования процессов конверсии растительного сырья в биотоплива является применение катализаторов. Однако возможности применения традиционных катализаторов в этой области ограничены такими проблемами, как создание эффективного взаимодействия твердого сырья с катализатором, необходимость поиска оптимальных технологических приемов ведения катализатора в реакционную среду, преодоление диффузионных ограничений и дезактивирующего действия компонентов биомассы и побочных продуктов.
В настоящей лекции рассмотрены применяемые и разрабатываемые подходы в области каталитической интенсификации процессов переработки возобновляемого растительного сырья в биотоплива.
Конверсией растительной биомассы получают два вида жидких биотоплив — углеводородные смеси и биоспирты. При всем многообразии известных способов ожижения лигноцеллюлозного сырья их общими недостатками являются невысокий выход жидких продуктов при умеренных температурах конверсии и невозможность использования в качестве моторных топлив без дополнительных процессов гидрооблагораживания.
В ИХХТ СО РАН разрабатывается интегрированная технология получения жидких биото- плив из лигноцеллюлозного сырья, отличительной особенностью которых является предварительная сепарация сырья на лигнин и целлюлозу.
Раздельная переработки лигнина и целлюлозы в рамках предлагаемой технологической схемы облегчает оптимизацию процессов синтеза биотоплив из этих видов сырья, регулирование состава и качества продуктов, а также позволяет расширить ассортимент получаемых биотоплив.
Проведено сопоставление двух способов сепарации древесины на основные компоненты — селективное каталитическое окисление и взрывной автогидролиз. Осуществлен подбор оптимальных режимов окисления лигнинового компонента различных пород древесины пероксидом водорода в присутствии растворимого (H2SO4) и твердого (TiO2) катализаторов, обеспечивающих практически полное разделение древесной биомассы на полисахариды и низкомолекулярный лигнин. Последующим кислотным гидролизом полисахаридов получены не содержащие лигниновых примесей глюкозные сиропы для биотехнологического синтеза этанола. Для получения качественных глюкозных сиропов не содержащих пентозных сахаров предложено использовать кратковременную (несколько минут) предобработку древесного сырья перегретым водяным паром в условиях взрывного автогидролиза. Удаление пентозных сахаров, ингибирующих процесс биотехнологического синтеза этанола позволяет увеличить выход спирта на 30-35 %.
Термопревращением низкомолекулярного лигнина в среде этанола под давлением получены жидкие углеводородные смеси. Установлено, что выход жидких продуктов терморастворения в этаноле и пиролиза атмосфере аргона возрастает при уменьшении степени конденсации лигнина в ряду: гидролизный лигнин < лигнин Класона < щелочной лигнин.
В настоящее время за рубежом в коммерческой эксплуатации находится уже довольно много газификаторов, работающих на растительной биомассе, однако успешно эксплуатируются только установки для получения газов топливного назначения. Проблемы экономически эффективного получения синтез-газа пока полностью не решены.
В ИХХТ СО РАН разрабатывается новая технология газификации твердого растительного сырья с одновременным получением топливного газа и синтез-газа. Она основана на интеграции процессов окислительной карбонизации измельченного сырья в псевдоожиженном слое каталитически активного материала с последующей газификацией продукта карбонизации водяным паром при его непрерывной циркуляции между реакторами карбонизации и газификации. По разрабатываемой технологии возможно получение синтез-газа без применения кислорода и этот газ не содержит нежелательных органических примесей.
В большинстве процессов получения метана, протекающих через стадию газификации твердого органического сырья, используется двухстадийная схема: на первой стадии получают синтез-газ (смесь водорода и оксида углерода), на второй стадии синтез-газ подвергают метани- рованию.
В ИХХТ СО РАН разработан одностадийный процесс газификации биомассы, обеспечивающий получение газов с повышенным содержанием метана. Для достижения этой цели были решены задачи по разработке специального аппаратурного оформления процесса и подбору дешевых и доступных катализаторов. Тепло, необходимое для поддержания процесса газификации, поступает в реактор за счет трех основных источников: перегретого водяного пара; реакции метанирования, протекающей в псевдоожиженном слое катализатора и сжигания углеродного остатка. При подборе каталитически активных материалов для псевдоожиженного слоя приходилось учитывать экстремально жесткие условия их работы в процессе газификации. Поэтому поиск проводился преимущественно среди шлаков металлургических производств, которые отличаются высокой механической и термической стойкостью. Обнаружено, что в исследованных условиях метаниро- вания мартеновский шлак, прошедший специальную активацию проявляет довольно высокую активность, достигающую 40 % от соответствующего показателя промышленного катализатора.
Разработанный процесс газификации позволяет получать из древесных отходов метан- содержащий газ с калорийностью на 30 % выше, чем при обычной паровой газификации, а доля потенциального тепла исходного сырья, перешедшая в потенциальное тепло продуцируемого газа увеличивается примерно на 10 %.
Загрузка ...