Библиографическое описание:

Хужакулов С. М., Узаков Г. Н., Яхшибаев Ш. К., Раббимов Р. Т. Способ переработки биомассы с использованием солнечной энергии // Молодой ученый. — 2010. — №8. Т. 1. — С. 140-145.

Использование биомассы в энергетических целях – комплексный процесс, включающий выращивание и сбор биологических веществ, различные методы их подготовки и переработки в жидкие, газообразные и  твердые топлива. Биомасса является возобновляемым ресурсам, а переработка сельскохозяйственных, лесных и бытовых отходов  способствует охране окружающей среды от загрязнений и получение нефтеподобных веществ.

Растительная биомасса (например, стебли хлопчатника – гуза – паи) представляет собой сложную смесь различных соединений. В расчете на сухое вещество в ней содержится 5 – 30% водорастворимых соединений (сахара, крахмал, мочевина, соли), 5 – 10 % протеинов, 25 – 90% целлюлозы и гемицеллюлозы, 5–30% лигнина, 1–13% нерастворимых в воде неорганических соединений. Гуза–пая характеризуется высоким содержанием кислорода, достигающим 40%, пренебрежимо малым содержанием такого не желательного элемента, как сера.

К недостаткам гуза – паи как сырья для получения моторных топлив относятся рассредоточенность ее запасов и необходимость поддержания экологического равновесия. Сырая гуза–пая отличается высокой влажностью (30-90) %. Энергоплотность сырой гуза – паи колеблется в пределах 1 – 15 ГДж/м3, и  после сушки ее теплота сгорания 16 – 24 ГДж/Т.

Превращение гуза – паи в топливо пригодные для непосредственного использования, осуществляется светотермохимическими и светобиохимическими процессами. К светотермохимическим процессам переработки относятся прямое солнечно - электрическое сжигание, солнечно – электрический пиролиз, солнечно – электрическая газификация и солнечно – электрическая экстракция масел, к светобиохимическим ферментация и анаэробное разложение. Перед переработкой гуза – паи обычно проходят стадии подготовки, включающие измельчение, сушку и другие.

Разработан и исследован солнечно – электрический способ переработки биомассы (гуза-паи) в условиях юга Республики [1]. Результаты расчетов и проведенных исследований приведены в таблицах 1 и 2.   

Расчеты площадей складов при кучевом методе складирования гуза – паи

таблица -1.

Мощность предприятия по перерабатываемому сырью,  тыс. м3

Максимальный объем кучи, тыс. м3

Необходимый объем гуза – паи, тыс. м3

При запасе, мес. 

Необходимая площадь склада, м2, при запасе,  мес.

3

12

3

12

70

50

17,5

70

16400

38300

140

50

35,0

140

24400

65600

350

50

87,5

350

44200

148400

Измельчения гуза – паи являются основными операциями в цикле подготовки сырья для солнечного электрического пиролиза и производятся с целью получения необходимых по длине и толщине размеров щепы для измельчения гуза – паи применяют двух щнековые измельчители или КДУ. Оптимальная длина составляет (3,2 – 6,3) 10-2м, оптимальная влажность щепы гуза – паи 15 – 25%.

Влияние кусков гуза – паи на выход продуктов

таблица -2.

 Продукт

Выход, % от  массы аб. сухой  гуза – паи, при  длин кусков, 10-2 м 

3,2

6,3

12,5

25,0

50,0

Уксусная кислота

Метанол

Смола: Отстойная

Растворимая  

 

5,20

1,60

 

7,00

4,30

 

5,90

1,67

 

6,02

4,83

 

5,32

1,42

 

6,90

4,09

 

4,53

1,30

 

6,90

3,03

 

4,23

1,20

 

2,52

-

Солнечный электрический пиролиз – процесс светотермические деструкции высокомолекулярных компонентов гуза–паи с образованием низкомолекулярных продуктов сопровождающийся вторичными реакциями фотодиссосации,  конденсации  и т.п. реакциями усложнения молекул с образованием нелетучего остатка, под действием высоко концентрированного солнечного светового потока и тепла в среде, практически не содержащий кислорода. Солнечный электрический пиролиз гуза – паи можно разделить на четыре стадии:

1. Солнечная и электрическая сушка гуза – паи с оптимальной влажностью 15 – 25%, заканчивающийся примерно при 150°С. На этой стадии из гуза – паи удаляется содержащаяся в ней влага, химический состав гуза – паи почти не изменяется и летучих продуктов практически не образуется. Сушка гуза–паи осуществляется в реакторе солнечного параболоцилиндрического концентратора с термоэлектрическим нагревателем.

2. Начальная стадия свето–термораспада гуза – паи, протекающая при температуре от 150 до 270°С. В этот период начинается свето–терморазложение менее термостойких компонентов гуза – паи с выделением реакционной воды, углекислоты, окиси углерода, уксусной кислоты и некоторых других пирогенетических продуктов. Изменяется химический и элементный состав 1 и 2 стадии эндотермический, и идут лишь при подводе тепла от солнечного параболоцилиндрического концентратора и термоэлектрического нагревателя.

3. Стадия собственно солнечного и электрического пиролиза – бурного светотермораспада гуза–паи с выделением тепла (экзотермический процесс) и образованием основной массы продуктов разложения. Начинается она при 270-275°С и заканчивается примерно при 400 °С. Подвод тепла извне отсутствует.

4. Стадия прокали угля (не считая охлаждения угля) заканчивается в зависимости от вида реактора и способа солнечного и электрического пиролиза при температуре 450-600 °С. При этом выделяется небольшой объем жидких продуктов и значительных газов. Осуществляется снова за счет подвода тепла из солнечного параболоцилиндрического концентратора и термоэлектрического нагревателя.

Общая характеристика процесса солнечного и электрического пиролиза гуза-паи в реакторе периодического и электрического пиролиза гуза-паи в реакторе периодического действия с внешним нагревом показана на рис. 1.

Рис.1. Солнечный параболоцилиндрический концентратор с реактором.

1-вращающий механизм; 2-поршень; 3-бункер для загрузки сырья; 4-реактор; 5-сырье; 6-солнечный параболоцилиндрический концентратор; 7-термоэлектрический нагреватель; 8-термопары; 9-солнечные лучи; 10-трансформатор тока; 11-расходомер; 12-конденсатор-холодильник; 13-газгольдер; 14-емкость для хранения нефтеподобного вещества; 15-емкость для древесного угля.

Процесс светотермического распада заключается, с одной стороны в деструкции макромолекул компонентов гуза-паи с образованием низкомолекулярных летучих продуктов и с другой в образовании нелетучего твердого «полимерного» остатка – древесного угля. Изучены зависимости элементного состава древесного угля от температуры солнечного и электрического пиролиза (табл. 3). 

Зависимость элементного состава угля от температуры солнечного и электрического пиролиза.

таблица -3

Температура солнечного и электрического пиролиза

Элементный состав, % на абс. сухой гуза – паевой уголь

Углерод

Водород

Кислород + азот

400

78,82

4,04

17,14

500

87,22

3,74

9,04

600

90,47

3,05

6,48

700

92,23

1,63

6,14

 

Выход продуктов солнечного и электрического пиролиза гуза –паи, состав жидких продуктов и теплотехнические характеристики газов получаемые в реакторах приведены в таблицах 4, 5 и 6.   При этом выход древесного угля из 1 м3 гуза-паи составляет 142 -154 кг [2]. 

Выход продуктов солнечного и электрического пиролиза из древесины березы, сосны гуза-паи

таблица-4

Продукт

Выход, % от массы а.с.д.

Продукт

Выход % от массы а.с.д.

Березы

Сосны

гуза–паи

Березы

Сосны

гуза–паи

Уголь смолы: отстойная растворимая

31,8

7,9

8,2

37,8

11,7

8,0

28,7

8,5

7,9

Газы углекислот

10,0

10,1

9,9

 уксусная кислота

7,1

3,5

4,5

 окись углерода

3,3

3,7

3,0

метанол

1,6

0,9

1,4

метан

0,5

0,6

0,4

вода

27,8

22,3

26,2

непредельные углероды

0,2

 

0,2

 

0,2

 

 потери 

1,6

1,2

1,50

 

 

 

Состав жидких продуктов солнечного электрического пиролиза гуза-паи                                                                                                 

таблица-5

Реактор

Жижка

Кислоты

Спирты

Альдегиды

Смолы

 

Общие

Летучие

Отстойная

Растворимая

Вертикальная непрерывно действующая

 

 

 42,0-48,8

 

 

5,7-8,6

 

 

5,4-7,4

 

 

0,8-3,0

 

 

0,6-1,6

 

 

6,8-8,6

 

 

5,0-10,2

горизонтальная периодически 

68,5-70,7

6,5-7,0

5,6-6,4

1,1-2,2

до 0,7

4,9-5,5

2,9-32

 

Характеристика газов, получаемых в реакторах с различными способами и нагрева                                                                             

таблица-6.

Реактор

Состав газа, % по объема

Теплотворная способность Дж/м3, при нормальных условиях

СО2

СО

СН1

Сn Нm

H2

U2

N2

Вертикальная непрерывно

действующая

28,1-28,8

14,0-17,0

2,0-6,0

0,4-0,9

6,8-8,3

0,3-0,4

44,2

(3,9-4,9)×106

горизонтальная периодически действующая

47,7

16,9

9,7

1,9

17,0

0,4

6,8

8,3×106

 

Влияние давления на выход продуктов солнечного и  электрического пиролиза                                                                                            

таблица-7.

Давление,

Па

Выход, %  от массы а.с.д.

Угля

Летучих кислот 

Метанол

Смол

6,7 ×102

9,8 ×104

8,2 ×105

8,8 ×106

19,5

36,6

40,9

44,0

9,4

6,3

5,4

4,2

1,2

1,4

1,5

2,5

37,2

17,1

9,1

-

Расход тепла при солнечном и электрическом пиролизе гуза-паи определяется следующим образом. Удельный расход условного топлива непосредственно в опыте составляет 300 – 600 кг/т (9-18 ГДж/т), кроме того, на переработку жидких продуктов солнечного и электрического пиролиза расходуется технологический пар с удельным расходом энергии 8-16 ГДж/т.

Удельный расход тепла для солнечного электрического пиролиза в  вертикальной реакторе выражен приближенно уравнением

,                                      

Выход с 1 т абсолютно сухого гуза-паи: древесного угля до 28,7%,   пирогаза- 18-20%, нефтеподобной жидкости – 22-25% и пирогенетические воды 20-26,3%. Для солнечного и электрического переработки применяют преимущественно отстойную смолу, из которой получают три основных фракции: легкие масла до 170 °С, а креозотные  масла 170-230 °С, тяжелые масла до 300 °С. Легкие масла применяются как топливо тут же на производстве, креозотные масла сбываются на деревопропиточные заводы, тяжелые масла идут в производство для выделения уксусной кислоты.

Выход легких масел из сухоперегонной смолы составляет 8 – 9%, выделенная в лабораторном реакторе легких масел имела удельный вес (при 20 °С), 0,933 и кислотность (считая на СН3 СООН)-5,9%.

До 100 °С перегонялось 5% до 200 °С -75%. Конец кипения наступал при 228 °С [2,3].

Разработан метод получения из легких масел горючего для двигателей внутреннего сгорания – древесносмоляного бензина (бензина ДС) и древесносмоляного лигроина (лигроин). Метод заключается в перегонке масел из куба с отгонкой всех фракций до 190°С последующей двукратной обработкой дистиллята водой (в отношении 1:1), обработкой 10 % раствором NaOH (в отношении 0,25:1) и вторичной перегонкой. Выход очищенного бензина ДС составлял 60% от сырой фракции с пределами кипения 150-200 °С.

По этому направлению получены 5  патентов: 3  патента Российской Федерации  и 2 патента  Республики Узбекистан.    

 

Литература:

 1. Патент РФ. № 2005 406913. Способ и солнечная установка для получения исскуственного  жидкого топлива из углеродсодержащих материалов. Иванчевская Э.С., Раббимов Р.Т., Стребков Д.С., Трушевский С.Н. опубликовано 27.05.2006. Бюллетень №15.

2. Раббимов Р.Т., Сафаров И.Э. Разработка и солнечная технология для получения синтетической нефти на основе с/х растительного сырья. Научные труды Самаркандского ВВАКИУ. Г. Самарканд., с.4-7.

3. Раббимов Р.Т., Орипов М.К. Разработка и солнечная технология для получения моторного топлива и других химических продуктов на основе хлопковой  шелухи и лигнина с использованием концентраторов солнечной энергии. Научные труды Самаркандского ВВАКИУ. Г. Самарканд., с.10-13.

Обсуждение

Социальные комментарии Cackle