УДК 66.092-977

Современное состояние использования биотоплива, полученного путем пиролиза биомассы

Акулов Михаил – магистрант Санкт-Петербургского государственного лесотехнического университета им. С.М. Кирова

Багаутдинов Вячеслав Евгеньевич – магистрант Санкт-Петербургского государственного лесотехнического университета им. С.М. Кирова

Спицын Андрей Александрович – доцент кафедры Технологии лесохимических продуктов, химии древесины и биотехнологии Санкт-Петербургского государственного лесотехнического университета им. С.М. Кирова

Аннотация: Статья описывает процесс пиролиза – термического разложения органических и неорганических соединений, который может происходить в различных условиях. Авторы рассматривают применение пиролиза для получения биотоплива из древесины и других видов биомассы. Они описывают процесс быстрого пиролиза, который позволяет получить больше энергии из одного объема древесины, требует меньше времени и ресурсов на переработку, и даёт экологически чистое топливо. Статья также описывает состав жидких продуктов пиролиза и применение биотоплива в различных отраслях промышленности.

Ключевые слова: пиролиз, термическое разложение, биотопливо, древесина, быстрый пиролиз, жидкие продукты пиролиза.

Древесина и другие формы биомассы, включая энергетические культуры, а также отходы сельского и лесного хозяйства, являются одними из основных доступных возобновляемых источников энергии. Они могут стать единственным источником возобновляемого жидкого, газообразного и твердого топлива. Биомасса считается возобновляемым источником энергии с наибольшим потенциалом для удовлетворения энергетических потребностей современного общества как в развитых, так и в развивающихся странах мира [9, 12]. Энергия из биомассы, полученная из лесного хозяйства с коротким оборотом и других энергетических культур, может внести существенный вклад в достижение целей Киотского соглашения по сокращению выбросов парниковых газов и решению проблем, связанных с изменением климата [13].

Пиролиз – это процесс термического разложения органических и некоторых неорганических соединений, который может происходить в различных условиях. В узком смысле, пиролиз является разложением органических соединений при недостатке кислорода, таких как древесина и нефтепродукты. Однако, широко понимаемый пиролиз включает в себя высокотемпературный термолиз органических соединений при низком давлении и малой продолжительности. Этот процесс может происходить при температурах около 750-800 °C и применяется для разложения углеводородов [16]. В результате этого процесса образуется твердое, жидкое и газообразное топливо. Твердое топливо может быть использовано в качестве твердого топлива для котлов и печей. Жидкое топливо может быть использовано в качестве дизельного топлива, а газообразное топливо может быть использовано для производства электроэнергии.

В 2010 году годовой оборот биоиндустрии в мире составил более 2 триллионов долларов, но на долю России пришлось всего 0,2 % [14].

Объемы отходов лесоперерабатывающих предприятий только в Ленинградской области достигают 250–300 тыс. м³ ежегодно [15, 11].

Существует несколько способов получения биотоплива, полученного путем пиролиза биомассы. Одним из перспективных методов получения топлив из является метод быстрого пиролиза. Быстрый пиролиз древесины — это процесс термического разложения древесины при высоких температурах (450–800 °C) в условиях недостатка кислорода с целью получения жидкого, газообразного и твердого топлива. В результате быстрого пиролиза древесина превращается в древесный уголь, жидкие органические соединения (такие как древесная смола и суммарный конденсат) и газообразные продукты (в основном метан и углекислый газ).

Этот процесс имеет ряд преимуществ по сравнению с традиционными методами обработки древесины, такими как медленное сжигание или производство древесного угля. Во-первых, быстрый пиролиз позволяет получить больше энергии из одного и того же объема древесины благодаря более полному использованию биомассы. Во-вторых, он требует меньше времени и ресурсов на переработку древесины. В-третьих, в результате быстрого пиролиза получается экологически чистое топливо, которое может использоваться в различных сферах, например, в производстве электроэнергии или в качестве автомобильного топлива. Причем выход жидких продуктов при быстром пиролизе может составлять до 73 % от общей массы выхода продуктов [7].

Первоначально пиролиз биомассы направлен на производство возобновляемого топлива для замены ископаемого топлива, такого как бензин и дизельное топливо, поскольку биомасса является возобновляемым, широко распространённым, а также углеродно-нейтральным топливом, в то время как ископаемое топливо не имеет ни одной из этих характеристик и быстро истощается [2, 3]. Был разработан ряд процессов пиролиза и пиролизеров с различными конфигурациями, включая абляционный, шнековый, барботирующий, циркуляционный, вращающийся конус, измельчающий и т.д. [5]. Производство бионефти в больших масштабах также было достигнуто в некоторых исследовательских группах/компаниях, таких как нефтеперерабатывающий завод UPM в Финляндии, Red Arrows Ensyn в Канаде, Pyrovac в Канаде, Genting в Малайзии, Fortum-Valmet в Финляндии, BTG-BTL/Empyro в Нидерландах, Kior в США и AE Cote-Nord Bioenergy/Ensyn в Канаде [5].

Таким образом, производство бионефти не является проблемой для крупномасштабного применения бионефти. Однако, как упоминалось выше, бионефть обладает такими нежелательными свойствами, как высокая кислотность, низкая термическая стабильность, низкая теплотворная способность и высокая вязкость по сравнению с дизельным топливом, что создаёт множество проблем при его использовании в автомобильных двигателях [2, 3].

Для решения этих проблем некоторые исследователи разработали метод переработки бионефти в биотопливо путём гидродеоксигенации, направленный на снижение содержания кислорода в бионефти для повышения теплотворной способности и термической стабильности бионефти [1, 4, 5, 6]. С помощью гидродезоксигенации можно в значительной степени решить проблемы, связанные с высоким содержанием кислорода.

Однако до сих пор этот процесс остаётся дорогостоящим из-за необходимости добавления водорода извне, использования металлоксидных катализаторов для гидрогенизации и их быстрой дезактивации в результате коксования [1, 2]. Таким образом, этот процесс является сложным. Однако он все ещё перспективен для крупномасштабного применения бионефти, поскольку жидкое топливо является массовым товаром на энергетическом рынке.

В состав жидких продуктов пиролиза входят различные химические соединения, включая водород, метан, этан, пропан, бутан, пентан, гексан, ароматические углеводороды, а также кислород, азот, диоксид углерода и сера. Кроме того, в состав продуктов пиролиза могут входить и другие вещества в зависимости от типа исходного сырья и условий проведения процесса. Грачев А. Н. и др. идентифицировали в жидких продуктах пиролиза более 50 веществ. Так, полученные данные по процентному химическому составу по массе: органические кислоты – 14,15 %; сложные эфиры – 1,85 %; спирты — 3,75%; кетоны – 5,2 %; альдегиды – 10,3 %; фенолы – 7,7 %; гваяколы – 8,65 %; сиринголы – 5,15 %; сахара – 9,4 %; фураны – 6,3 %; алкены – 0,7 %, вода – 21 % [8].

Биомасса играет ключевую роль в развитии возобновляемых источников энергии. Методы ее переработки, такие как пиролиз, открывают новые перспективы для эффективного использования этих ресурсов. Постепенный переход к более экологически чистым и устойчивым источникам энергии становится все более актуальным в контексте изменения климата и уменьшения зависимости от нефтепродуктов.

Сегодня биотопливо, полученное путем пиролиза биомассы, находит применение в различных отраслях промышленности. Оно может быть использовано в качестве твердого топлива для котлов и печей, а также как дизельное топливо для автомобилей и других транспортных средств. Кроме того, биотопливо может быть использовано для производства электроэнергии.

Однако несмотря на все преимущества биотоплива, полученного путем пиролиза биомассы, существуют и некоторые недостатки. Один из них – это высокая стоимость производства. Кроме того, процесс пиролиза может привести к выбросу вредных веществ в атмосферу.

К настоящему времени было опубликовано много работ, посвящённых обзору прогресса в развитии процесса пиролиза, пиролизеров с различными конфигурациями, катализаторов для улучшения бионефти с помощью кислотного катализа и гидроочистки биотоплива.

В заключение можно сказать, что биотопливо, полученное путем пиролиза биомассы, представляет собой высокоэнергетический альтернативный источник энергии. Оно может использоваться не только как топливо, но и как модифицирующий компонент. Биотопливо также может выступать как экологически чистый и устойчивый источник энергии, который имеет потенциал заменить нефть и газ. Несмотря на некоторые недостатки, его использование будет продолжаться и развиваться в будущем.

Список литературы

1. A review and perspective of recent bio-oil hydrotreating research / A. H. Zacher [et al.] // Green Chem. – 2014. – Vol. 16, issue 2. – P. 491–515.
2. Effects of temperature on the hydrotreatment behaviour of pyrolysis bio-oil and coke formation in a continuous hydrotreatment reactor / M. Gholizadeh [et al.] // Fuel Processing Technology. – 2016. – Vol. 148. – P. 175-183. – ISSN 0378-3820.
3. Elemental Composition Analysis of Processed and Unprocessed Diesel Fuel by Electrospray Ionization Fourier Transform Ion Cyclotron Resonance Mass Spectrometry / C. A. Hughey [et al.] // Energy & Fuels. – 2001. – Vol. 15. – № 5. – P. 1186-1193.
4. High-Quality Fuel from the Upgrading of Heavy Bio-oil by the Combination of Ultrasonic Treatment and Mutual Solvent / X. Xu [et al.] // Energy & Fuels. – 2018. – Vol. 32. – № 3. – P. 3477-3487.
5. Hu X., Gholizadeh M. Biomass pyrolysis: A review of the process development and challenges from initial researches up to the commercialization stage // Journal of Energy Chemistry. – 2019. – Vol. 39. – P. 109-143. – ISSN 2095-4956.
6. Kan T., Strezov V., Evans T. J. Lignocellulosic biomass pyrolysis: A review of product properties and effects of pyrolysis parameters // Renewable and Sustainable Energy Reviews. – 2016. – Vol. 57. – P. 1126-1140. – ISSN 1364-0321.
7. Гелетуха Г. Г. Обзор современных технологий получения жидкого топлива из биомассы быстрым пиролизом. Часть 1. / Г. Г. Гелетуха, Т. А. Железная // Экотехнологии и ресурсосбережение. 2000. – № 2. – С. 3-4.
8. Грачев А. Н. Исследование быстрого пиролиза древесины в абляционном режиме. / А. Н. Грачев, Р. Г. Хисматов, Р. Г. Сафин, В. Н. Башкиров // Известия Самарского научного центра РАН. 2008. Специальный выпуск. С. 25-29.
9. Европейская комиссия, Сообщение Комиссии: Энергия для будущего: возобновляемые источники энергии – Белая книга по стратегии и плану действий сообщества, COM [97] 599, финал от 26 ноября 1997 г., Брюссель, 1997 г.
10. Киселев В. П., Иванченко А. В., Ефремов А. А. Смолы пиролиза древесины как сырье для модификации битума // Химия растительного сырья. 2001.
11. Куликов К. В., Литвинов В. В., Пиялкин В. Н., Забелкин С. А., Башкиров В. Н. Получение и исследование жидких биотоплив из биомассы дерева методом пиролиза // Вестник Казанского технологического университета. 2012. № 13.
12. Международное энергетическое агентство, World Energy Outlook 2000, МЭА, Париж, 2000 г.
13. МЭА Биоэнергетика, Роль биоэнергетики в смягчении последствий выбросов парниковых газов, Документ с изложением позиции, МЭА Биоэнергетика, Новая Зеландия, 1998 г.
14. Протокол заседания правительственной комиссии по высоким технологиям и инновациям от 1 апреля 2011 года.
15. Шувалов, Ю. В. О переработке древесных отходов в Северо-Западном регионе / Ю. А. Нифонтов, Ю. В. Шувалов, экономика, техника //Энергия: экология, 2002. – № 12. – С. 36-39.
16. Юрьев, Ю. Л. Основы производства углеродных материалов из березовой древесины: учебное пособие / Ю. Л. Юрьев, Г. И. Мальцев. – Москва; Вологда: Инфра-инженерия, 2023. – 176 с.