Древесина _1_

Измельчение

Прсдмритвльная обработка паром

Удаление лигнина и растворимых веществ

Лигнин и •-рестворимые в воде вещества

Перегонка из куба

Рис. 14. Превращение древесины в спирт.

больше объема произведенного спирта. Остатки обычно сбрасывают в реки и моря, а также вносят в почву.

На рисунке 14 схематически показан типичный процесс получения топливного спирта из древесины [22]. В литературе описано много других вариантов с использованием иных источников углеводов, начиная от соломы и отходов бумажной промышленности и кончая городским мусором [23].

Спирт как топливо. Спирт может быть использован в качестве бойлерного топлива при высокой термической эффективности (75-80%), но по сравнению с топливной нефтью его теплотворная способность составляет только 66 % по массе, или 57 % по объему. Смесь спирта с водой, полученная в результате водной перегонки, может быть использована непосредственно в качестве заменителя бензина в двигателях внутреннего сгорания, правда, они должны быть соответствующим образом приспособлены дпя этой цели. Основными показателями топлива являются его потребление и рабочие характеристики. Газохол представляет собой смесь 99,9 %-ного этанола с автомобильным бензином, которая может содержать до 20 % спирта. Хотя спирт повышает октановое число (антидетонаццонные свойства) бензина, улучшение рабочих характеристик смеси не доказано; автомобили, однако, могут использовать газохол как после небольших переделок, так и без них.

3.4. АНАЭРОБНОЕ РАЗЛОЖЕНИЕ

Некоторые органические молекулы биомассы могут подвергаться анаэробному разложению в результате деятельности микроорганизмов. Основные продукты распада - диоксид углерода, метан и большое число микробных клеток. В природе этот процесс протекает в гнилостной

среде. С прошлого века его использовали дпя обработки больших количеств шлама (осадка сточных вод). Главное преимущество этого метода — сокращение числа и обезвоживание твердых частиц стока, а также снижение количества твердых частиц вторичного отстоя очистительных установок. Только крупные канализационно-очистные сооружения используют выделившийся метан как источник энергии; небольшие очистные сооружения, имеющие реакторы, могут сжигать газ или использовать его дпя подогрева самих реакторов. Из 5000 канализационно-очист-ных сооружений в Великобритании только около 300 имеют реакторы • [24]; с появлением фирм, поставляющих готовые реакторы, это число стало увеличиваться. За последние годы была предпожена технология удаления навоза на крупных предприятиях интенсивного животноводства; удаления стоков с предприятий, занимающихся переработкой биологических продуктов, например переработкой продуктов питания; превращения биомассы в энергию. Эта технология - одна из наиболее простых среди технологий получения топлива из биомассы. В результате эта технология особенно пропагандировалась дпя использования в странах третьего мира, где устанавливается бо1пьшое число реакторов.

Химия. Среди различных категорий углеродсодержащих соединений биомассы разложение углеводов наиболее важное, и этот процесс в достаточной мере исследован. Липиды и жиры, белки, а также другие азотистые соединения также катаболизируются. Биомассу могут разлагать различные микроорганизмы. Организмы, участвующие в разложении полисахаридов, делятся на две группы. В первую группу входят организмы, осуществляющие гидролиз и превращение биомассы в низкомолекулярные карбоновые кислоты и водород. Вторая группа превращает продукты первой реакции в метан и диоксид углерода.

Скорость гидролиза полисахаридов зависит от их типа. Как было показано в предыдущем разделе, крахмал гидролизуется относительно "легко, в то время как целлюлоза в сочетании с лигнином может разлагаться очень медпенно или не разлагаться совсем. Образовавшиеся моносахариды, например глюкоза, подвергаются дальнейшему разложению под действием ферментов до пируватов, а затем — до различных продуктов, основными из которых являются уксусная кислота и водород. Затем под действием других микроорганизмов происходит превращение этих продуктов в диоксид углерода и метан:

- [СбН1о05]и->иСбН,2 0б->2иСНзСОСООН + 2иН2; СНзСОСООН + Н20->СНзСООН + С02+2Н2; 2СН3СООН + 4Н2 -> ЗСН4 + СО2 + 2Н2О.

Метаногенные организмы очень легко подвергаются самоотравлению, в результате чего прекращается рост и происходит накопление диоксида углерода, водорода, ацетатов и пропионатов.

Белки разлагаются в реакторах до аминокислот и олигопептидов, которые могут дезаминироваться до аммиака или войти в состав живой биомассы. Может также произойти расщепление небелковых азотистых соединений до кислот, диоксида углерода и аммиака.

Жиры, по-видимому, расщепляются вследствие гидролиза на глицерол и жирные кислоты. Уксусная кислота и водород, образовавшиеся в результате разложения жирных кислот, превращаются в метан под действием меганогенных бактерий:

Триглицерид + Н2О -> СНз - (CHjCHj) п - СООН + глицерол; СНз - (СН2СН2)и-СООН + 2иН20-> (и + 1)СНзСООН + 2иН2.

Технология. Современная очистная установка может быть вместимостью от 500 до 4500 м^. Крупные емкости строятся из бетона и стали. Стальные емкости покрывают изоляционным материалом, а поверхность, находящуюся в контакте с содержимым реактора, — эпоксидной смолой или аналогичным материалом. Содержимое перемешивают с помощью крыльчатки или винтового насоса, расположенных в емкости, а также путем прокачки жидкости через внешний обводной трубопровод или путем повторной циркуляции отходящих газов. Перемешивание и нагрев часто чередуются или осуществляются одновременно; перемешивание служит в основном для предотвращения образования поверхностных корок, особенно при обработке сельскохозяйственных отходов. Нагревание необходимо потому, что при умеренной температуре окружающей среды реакция протекает слишком медленно; нагрев до 30— 35 °С одновременно обеспечивает высокую скорость реакции и в то же время позволяет избежать чрезмерных расходов. Реактор должен работать по возможности непрерывно, так как прерывистая работа малоэффективна. Для обеспечения непрерывной подачи материала устанавливается специальная емкость, а для отвода используется уровень. Небольшие очистные сооружения часто имеют систему загрузки партиями (при наличии первичных и вторичных сточных осадков). Время нахождения жидкости в реакторе обычно составляет от 10 до 30 дней; в случае трудносбраживаемых материалов и при температурах, ниже оптимальных, эти сроки могут увеличиваться до нескольких месяцев. Реакторы для навоза, других органических отходов и растительных остатков мало отличаются от систем, описанных выше. Поскольку стоимость реакторов для отбросов и сточных вод при проектировании их только для производства биотоплива крайне высокая, был предложен ряд более дешевых вариантов, например резинопластиковые надувные емкости, емкости, вырытые в земле и выстланные специальными материалами, и т. д. Такие варианты должны рассматриваться как экспериментальные, так как их срок службы значительно короче, чем срок службы более прочных и надежных систем, описанных выше.

Таблица 29. Параметры процессов при анаэробном разложении

Свиной навоз Растительные остатки и т. д.

0,01-0,0250,25 - 0,5

0,001-0,01 } 0,03-0,2

40-90 10-50

В таблице 29 показаны выход, продуктивность и степень превращения сырья при анаэробном разложении биомассы. Цифры представляют собой типичные значения, взятые из литературы; совершенно ясно, что все три параметра невысоки по сравнению с другими методами обогащения биомассы. Наиболее легко превращаемым материалом является навоз нежвачных животных, а также легкогидролизуемый крахмал, белки и моносахариды. Растительные остатки, отходы целлюлозы и навоз жвачных трудно разлагаются и требуют длительного нахождения в реакторе. Загрузка реактора зависит от типа материала; обычно поступающий материал содержит 3 % твердых частиц при максимальном их содержании 5 %. Были сконструированы реакторы для более концентрированного материала, однако здесь возникает проблема с перекачкой. Разлагаемая часть отходов (летучие твердые частицы) может составлять до 90 % общего количества твердых частиц, но обычно их доля составляет около 70 %.

Были предложены и испытаны другие типы реакторов (автоклавов) — клеточно-рециркуляционный (контактный) реактор, анаэробные фильтры, реакторы с псев до сжиженным слоем и с восходящим взвешенным слоем осадков. Последний тип получил распространение, гак как флокулированная биомасса остается в реакторе, сток является сравнительно чистым, а закачка сырья, служащего пищей микроорганизмам, проводится в основание реактора. При такой конструкции время нахождения жидкости в реакторе значительно короче, однако эта конструкция пригодна только для обработки растворов и суспензий с низким содержанием органического вещества. Такая технология больше подходит для очистки сточных вод, чем для производства биотоплива.

Хранение биогаза обычно считается крайне дорогостоящим. Стоимость газометров может в 4 раза превышать капитальные затраты на строительство самого реактора, поэтому газ должен быть или немедленно использован, или удален. Газ используется прежде всего для нагрева-\ш1я реактора до рабочей температуры. В Великобритании это требуется .делать круглый год, и зимой часто возникает необходимость дололни-

тбльного подогрева о использованием природного "или сжиженного нефтяного газа. При наличии излишков биогаза последний может быть использован в силовых установках или в качестве топлива для двигателей. Для нагрева автоклавов могут также быть использованы вода, охлаждающая генераторы, или выделившаяся теплота. Состав биогаза (табл. 30) делает его малопригодным для подобного использования, так как он высокоагрессивен и приводит к разрушению большинства обычных насосов и трубопроводов. Сероводород способствует коррозии двигателя и должен быть удален; диоксид углерода и влага, содержащаяся в газе, снижают ценность топлива для двигателей внутреннего сгорания, которые не будут работать на смесях, содержащих более

Таблица 30. Состав газа, выделяющегося при ана?робном разложении

Состав

Метан

Двуокись углерода

Вода

Азот

Сероводород

20-80 15-16 .

2-3 0,5-1

До 1

45% СОг. Однако теплотворная способность биогаза обычно достаточна для использования его в модифицированных бойлерах, дизельных и карбюраторных двигателях, устанавливаемых, в частности, на крупных очистных сооружениях. Для транспортных средств необходимы компрессоры для снижения объема газа до приемлемого уровня.

Опасности, связанные с использованием биогаза. Следует упомянуть о двух важных обстоятельствах, связанных с подготовкой и использованием биогаза при самостоятельном его изготовлении. Во-первых, смесь метана с воздухом взрывоопасна, и, во-вторых, что более серьезно, сероводород, присутствующий в биогазе, крайне токсичен. В промышленных условиях принимаются сс(ответствующие меры безопасности, однако недостаточно осторожное обращение с этим газом может оказаться роковым.

Удаление сброженного осадка. Заключительной проблемой, связанной как с использованием энергии, так и с охраной окружающей среды, является удаление осадка из автоклава, объем которого может достигать 50—60% исходного количества твердых частиц; что касается коммунальных отходов, то этот объем составляет 10 — 15%. Там, где возможно, эти осадки вносят в почву как удобрения, правда, использовать их на тяжелых глинах и заболоченных почвах не рекомендуется. Возможно, возникнет необходимость транспортировки сброженных осад-

ков в места отсыпки грунта и к морю. Для сокращения транспортных расходов используется отстаивание, коагуляиця и другие методы обезвоживания. Содержание меди, цинка и других токсичных металлов в сброженном осадке затрудняет его ифользование в качестве удобрения. Имеются предложения по переработке осадка в корма для животных; технически это осуществимо. Были проведены некоторые эксперименты по включению осадка в корма, однако сомнительно, чтобы это соответствовало критериям, определяющим требования к здоровью животных и вкусовым качествам корма. "Экстрагирование и очистка белкового компонента осадка, по-видимому, нерентабельны.

Места отсыпки грунта. Основная масса городских отходов в развитых странах удаляется путем их транспортировки в места отсыпки грунта, где находятся свалки мусора. Эти свалки представляют собой гигантский биореактор, загруженный сырьем при фактически нулевой стоимости. Метан, медленно образующийся в биомассе, может быть собран и использован аналогично тому, как это имеет место в обычных реакторах. Экономика этого процесса будет рассмотрена позднее; по имеющимся данным, она значительно более благоприятна, чем при использовании реакторов интенсивного типа.

3.5. РАСТИТЕЛЬНЫЕ МАСЛА

Масла, парафин, смолы и другие растворимые в растворителях соединения встречаются во всех растениях. Маслянистые соединения могут составлять до 40—50% биомассы, и они относительно легко экстрагируются. Эти соединения - сырье для многих отраслей мировой промышленности (табл. 31). Они используются человеком в пищу, в качестве корма для животных, пищевых добавок, душистых веществ, а также как сырье для производства широкого ассортимента товаров. Однако объем этой продукщш и ее энергоемкость малы по сравнению с продукцией минералшых масел. Растениеводческая наука оказала значительное

Таблица 31. Продукция отраслей промышленности, производящих растительные масла, парафин и смолы

Растительные масла Приро^ый каучук Талловое масло Медицинские и лаковые смолы

Эфирные масла

60 4 1

Незначительное, на отдельных предприятиях

ifa отдельных предприятиях до 4000 т в год