Спецвозможности
Аналитика

Гидротермальная карбонизация биомассы - путь к решению экологических проблем

09.01.2020
997
Гидротермальная карбонизация биомассы - путь к решению экологических проблем фото, иллюстрация
Отходы биологического происхождения составляют экологическую опасность для окружающей среды из-за наличия в компонентах экосистемы патогенных микроорганизмов. Последние создают реальную опасность инфицирования населения парентеральными инфекциями.
 
Наличие в биоотходах патогенных и условно патогенных микроорганизмов, способных сохранять свою жизнеспособность и размножаться в экосистемах, делает все этапы обращения с этим классом отходов эпидемически и экологически опасными.
 
В 60-х годах эколого-экономический подход к ведению хозяйства поставил цель согласовать экологические и экономические аспекты развития системы «хозяйство - окружающая среда». Тогда было объявлено два принципиально разных направления экологизации производства, которые сформировали экономические и экологические: условно чистая технология и малоотходные технологические процессы. Однако эти направления показали, что ограничение негативного воздействия производства на окружающую среду только путем создания систем утилизации отходов и попытки полностью изолировать производственные и природные процессы являются нереальными. Решение этого вопроса потребовало поиска эффективного подхода к решению сложных социально-экономических проблем.

 

 

Анализ нормативных документов ЕС и Украиной по биологической безопасности показал, что основными задачами в области развития фундаментальной и прикладной науки, технологий и техники являются: разработка методов и средств своевременного выявления угроз; оценка опасности и выработки действенных предложений для обеспечения биологической безопасности; ликвидация последствий; разработка экологически безопасных технологий утилизации зооотходов; реабилитация территорий (акваторий), оказавшихся под влиянием биологических загрязнений, а также совершенствование соответствующих технологий в отношении биологических агентов, снижение активности природных резервуаров патогенных микроорганизмов.
 
Проведенный анализ европейских и государственных программ обращения с отходами выявил следующие особенности:

1. В законодательстве ЕС значительное внимание уделено регулированию общих положений по предотвращению или уменьшению образования отходов разного рода, а также их переработки и определены меры, которые должны принимать государства-члены.

2. Законодательство ЕС предусматривает наличие специального органа в сфере управления отходами - комитет по управлению отходами, который руководствуется в своей деятельности требованиями решений комиссии.
 
В соответствии с Законом Украины «О побочных продуктах животного происхождения, не предназначенных для потребления человеком», выбор способа обработки продуктов животного происхождения должен осуществляться с учетом: экологической безопасности окружающей среды; специализации, типоразмера и мощности предприятия; способа содержания животных; наличии достаточных объемов полей для внесения органических удобрений; климатических, почвенных и гидрогеологических условий и рельефа местности.

На современный рынок экологических продуктов активно внедряют новые многофункциональные материалы. Среди них все большее распространение получает твердое топливо, созданное на основе возобновляемых источников энергии. Один из самых популярных видов - биочар (biochar, или биоуголь), образующийся в результате процесса низкотемпературной утилизации отходов биологического происхождения (биомассы) методом непрерывного пиролиза.

 

Biochar (биочар) — топливо, натуральное удобрение и активированный уголь для почв

Портативний піролізер для відходів тваринництва для отримання тепла й біочару

Для производства биоугля применяют технологию, основанную на процессе гидротермальной карбонизации (ГТК).
 
Процесс начинается с подготовки биомассы: из нее удаляют механические примеси (песок, камни и т.п.), затем измельчают и смачивают. Далее биомассу отправляют в реактор (реторту) ГТК, в котором с помощью пара создается давление 10-25 бар и температура 180-220°C. В ходе реакции образуются гидроксонии (гидроксоний, оксоний, гидроний) Н3О+ (комплексный ион, соединение протона с молекулой воды), которые снижают индекс pH массы до 5 и ниже. Этот процесс можно ускорить, добавив в реактор лимонную кислоту. Причем нужно учесть, что при низких pH большее количество углерода превращается в жидкую фазу. Реакция экзотермическая, то есть протекает с высвобождением энергии. Через 12 ч 90-99% углерода переходит в жидкую суспензию в виде пористых зерен угля (C6H2O) с размером пор от 8 до 20 нм.
 
Другая часть углерода (от 1 до 10%) частично остается в жидкой фазе в виде водной суспензии, частично выбрасывается в атмосферу в виде углекислоты.
 
Реакцию можно остановить и раньше с получением соответственно других промежуточных продуктов. Например, через 8 ч можно получить продукт, похожий по составу с торфом, а в течение первого часа - гидрофобные промежуточные продукты (липиды). Охлажденная угольная суспензия с помощью механического прессования обезвоживается до такого состояния, когда в ней остается 50-60% исходного содержания воды. Большая часть сепарированной воды используется в следующих циклах производства. После механического обезвоживания продукт подлежит дальнейшему высушиванию до влажности, необходимой заказчику - обычно до 5–25%.
 
В ходе экзотермической реакции в процессе гидротермальной карбонизации высвобождается тепловая энергия, эквивалентная примерно 3/8 теплотворной способности биомассы в пересчете на сухое состояние, а при высоком содержании в растительной биомассе лигнина или различных масел - до 1/4 теплотворной способности биомассы.
 
При грамотном регулировании процесса карбонизации высвобождаемое тепло можно использовать для сушки полученного угля или для выработки электроэнергии. Поскольку полученный уголь можно обезвоживать механическим способом, для его конечного подсушивания нужно меньше тепловой энергии по сравнению с классическим процессом сушки.
 
Весь процесс карбонизации состоит из процессов: горение, карбонизации и охлаждения. Карбонизация является важнейшим процессом для изготовления древесного угля, его можно разделить на три этапа.
 
Этап сушки: температура достигает 160°С, влажность биомассы уменьшается путем испарения влаги, химических изменений на этом этапе не происходит.
 
Начальная карбонизация: температура увеличивается до 160-280°С. Биомасса разлагается, химическая структура ее начинает меняться.
 
Карбонизация: температура достигает 300-650°С, биомасса разлагается, высвобождается большое количество жидкости, в частности уксусная кислота, метанол, древесные смолы, которые генерируются. Кроме того, горючий газ (метан, этан) тоже генерируются в топке. Эта биомасса становится древесным углем.
 
Для использования системы пиролиза нужно использовать соответствующее оборудование, в том числе печи, реакторы и другое специализированное оборудование для производства и хранения биомассы, кроме кислорода. Далее представлено оборудование для утилизации отходов животноводства и получения тепла и биочара.

Одним из типов элементарных печей для карбонизации является ротационный пиролизный реактор. Он состоит из: бункера, оборудования для сбора газа, направляющей пластины для движения биоматериала, нагревательной печи и, соответственно, блока питания.

Компания Beston Machinery Co., Ltd., Китай, которая является одним из ведущих производителей древесно-твердосплавного оборудования (табл. 1), постоянно исследует внутреннюю технологию первичной карбонизации, что делает ее популярной на международном рынке благодаря внедрению новейших высокотемпературных анаэробных технологий, которые могут обрабатывать различные отходы биомассы.

Производственный процесс Biochar характеризуется почти 100%-ной углеродной эффективностью (углеродная эффективность - это переход имеющегося в биомассе углерода в конечный продукт): почти весь углерод из органической биомассы трансформируется в биоуголь.
 
Во всех известных процессах переработки биомассы в биотопливо углеродная эффективность незначительна. Например, в процессах: производства древесного угля (углежжения) углеродная эффективность составляет 30%, анаэробного брожения растительной биомассы в биогазовых установках - 50%; брожения биомассы - 67%, а получение гумуса компостированием - всего 5-10%. Другая часть углерода, содержащегося в биомассе, при производстве биотоплива выбрасывается в атмосферу в виде углекислого газа или метана в биогазовых установках, что негативно влияет на окружающую среду. В течении ГТК-процесса метан не образуется и лишь в незначительных количествах выделяется двуокись углерода.
 
Процесс ГТК является экзотермическим - в ходе трансформации биомассы в биоуголь освобождается энергия, что создает положительный энергобаланс.
 
После сушки на выходе получается мелкофракционный пылевидный биоуголь, который можно складировать в силос с автодозатором для загрузки насыпью в вагоны или автотранспорт, а можно и прессовать в пеллеты или брикеты.
 
Преимущества ГТК-технологии перед другими технологиями переработки биомассы:
 
высокая эффективность;
 
нет необходимости предварительной сушки биомассы, что позволяет значительно снизить стоимость оборудования;
 
возможность использования различных видов биомассы, в том числе низкокачественной, которая пригодна только для утилизации;
 
простота обслуживания оборудования;
 
высокая экологичность технологии, что предотвращает загрязнение окружающей среды;
 
возможность использования смеси, состоящей из различных видов биомассы.
 
Кроме того, тепловая энергия, которую получают в результате экзотермического процесса, используют для подсушивания конечной продукции до оптимальной влажности.
 
С помощью гидротермальной карбонизации можно получать и другой качественный продукт - Biochar (первая часть слова имеет понятное всем значения а вторая - сhar - значит твердый продукт разложения натуральных или синтетических органических материалов). А любой продукт, полученный в процессе гидротермальной карбонизации (ГТК), в англоязычной научной литературе называют «hydrochar». Если же процесс карбонизации завершается на час раньше, полученную продукцию называют «biochar» (биочар).
 
Биочар используют в сельском хозяйстве для повышения плодородия сухих, истощенных почв, содержащих небольшое количество перегноя. Пористость биочара способствует значительно лучшему задержанию в почве питательных веществ и воды. Лабораторные и полевые опыты, а также результаты использования биочара в сельском хозяйстве многих стран подтвердили его влияние на стимулирование роста культур при низком потреблении воды, что особенно актуально для засушливых регионов. Биочар улучшает биологию почвы и ее плодородие, позволяет уменьшить количество внесенных в почву удобрений. Кроме всего, биочар связывает CO2 в почве на длительный срок и тем самым обеспечивает снижение выбросов парниковых газов в атмосферу. В составе биочара нет токсичных веществ и тяжелых металлов.
 
Его применение - это одновременно активная область исследования, которая постоянно дополняется новыми идеями его реализации. Страны с высоким экономическим уровнем осуществляют существенную информационную и инвестиционную поддержку предприятий, производящих биоуголь, применяя экологические технологии. Международная инициатива Biochar предлагает программу сертификации, ориентируясь на развитие рынка экологических удобрений и привлечения потенциальных покупателей/инвесторов в сферу ухода за земельными угодьями. Повышая плодородие почвы до 30% и снижая при этом использование воды, биочар представляет не только экологические, но и экономические преимущества.

 

Экологические и экономические преимущества biochar

Піролізний реактор виробництва Meiwa Co., Ltd., ЯпоніяНа сегодня биочар считают качественным удобрением, поскольку он прекращает процесс деградации почвы, предотвращая целый ряд глобальных экономических и экологических проблем.

Благодаря активным ионам, содержащимся в биочар-удобрениях, углерод не испаряется в окружающую среду, а остается в почве на длительный срок, легко всасываясь корнями растений. Таким образом, количество парниковых газов в атмосфере сокращается, а вместе с тем снижается и угроза парникового эффекта и глобального потепления.
 
Плодородные почвы с высокими показателями урожая в перспективе обеспечат решение проблемы голода в развивающихся странах, с последующим расцветом их экономики.
 
Использование экологически безопасного средства для восстановления почвы способствует выведению из почвы агрессивных химических препаратов, которые поражают не только землю, но и угрожают здоровью человека.
 
Главная составляющая биочара - это углерод, который накапливается в биомассе, подлежащей утилизации методом низкотемпературного пиролиза (400-500°С).
 
Биоуголь получают в результате коксования, в котором биомасса нагревается без наличия кислорода. Нагрев приводит к распаду сложных биомолекул, в результате которого образовываются различные газы и твердое топливо. Если температура превышает 400°C, то твердая фракция представляет собой древесный уголь, который почти на 100% состоит из углерода. А если температура находится в диапазоне 200-300°C, то твердая фракция является термообработанной массой, а сам процесс называется «термообработкой».
 
Во время коксования биомассы образовываются различные газообразные продукты, часть которых может быть сконденсирована в жидкое пиролизное масло. Неконденсируемые газы содержат в основном двуокись углерода, окись углерода, метан, водород. Эти газы и пиролизное масло можно использовать как топливо.
 
Пиролизное масло часто восстанавливают и используют в дальнейшем производстве. Оно может стать важным видом возобновляемого транспортного топлива из биомассы.

Температура является важнейшим условием процесса коксования. Большинство свойств биоугля, такие как теплотворная способность и содержание золы, зависят от температуры. Кроме того, от температуры зависит выход продукта. В результате мягкой термообработки, когда температура поддерживается на уровне 230°C, выход продукта может превысить 90%. Повышение температуры до 900°C снижает выход продукта до 25%. Высокая температура также повышает теплотворную способность топлива. Теплотворная способность древесного угля может даже превышать теплотворную способность каменного угля, поскольку древесный уголь содержит меньше золы. Теплотворная способность термообработанной древесины, как правило, несколько выше, чем у необработанной древесины. На практике плотность энергии в термообработанной древесины значительно выше, чем у отходов лесопереработки (щепы), поскольку содержание влаги в древесном топливе после его заготовки может составлять до 50%. Содержание влаги в термообработанной древесине намного меньше, что повышает плотность энергии.

 

Важнейшие свойства биочара:
 
высокая адсорбция, что способствует устранению из состава почвы избыточных веществ, которые замедляют развитие корневой системы растений. Биочар стабилизирует почву, впитывая окислы алюминия;
 
пористость, что обеспечивает задержание питательных веществ и влаги в почве, транспортные пути для микоризы (то есть для грибницы, которая развивается на корню растения и повышает ее урожайность). Благодаря этому свойству увеличивается объем вещества и уменьшается его расход в процессе удобрения почвы (1х50 единиц объема);
 
химическая инертность, благодаря которой материал не подлежит деструкции в течение тысячелетий;
 
стабильность во время транспортировки и хранения.
 
Эти специфические характеристики обуславливают многообразие способов применения биочара. Его использование в аграрной отрасли набирает новые обороты с каждым годом. Все больше предпринимателей в сельском хозяйстве обращают внимание на восстановление почвы, занимаясь поиском безопасных решений проблемы повышения показателей урожайности.
 
Биочар - это качественное удобрение, которое:
 
ускоряет рост и развитие растений, так как почва постоянно подогревается;
 
выводит из почвы остатки химических веществ, которые вносили раньше (гербицидов, пестицидов, других ядохимикатов);
 
способствует функционированию в почве микроорганизмов, которые положительно влияют на урожайность;
 
увеличивает пористость почвы, обеспечивает доступ кислорода к корням растений и циркуляцию воздуха;
 
улучшает состав неплодородных почв (глинозема, супесей и песчаных почв);
 
нейтрализует почвы с повышенной кислотностью;
 
защищает почву от некоторых вредителей (нематод, проволочника);
 
предотвращает гнойные процессы;
 
сохраняет и поддерживает питательные вещества и нужные микроэлементы в почве, устраняет проблему их вымывания.
 
Перспективным является применение биочара для улучшения почвы для комнатных растений и теплиц для выращивания рассады. Фермеры стран Южной Америки снимают верхний 20-сантиметровый слой почвы (terra preta) и реализуют его на цветочных рынках, не испытывая при этом экономического ущерба, благодаря способности почвы самовосстанавливаться. Biochar пользуется спросом в этой сфере еще и потому, что характеризуется противопаразитарными и антибактериальными свойствами.

Таким образом, применение технологии Biochar в аграрной промышленности мирового уровня с каждым годом набирает новые обороты. Все больше предпринимателей в сельском хозяйстве обращают внимание на восстановление почвы, занимаясь поиском безопасных решений проблемы повышения показателей урожайности, что возможно достичь благодаря применению этой прогрессивной технологии..

 

Л. Рудик, УкрНИИПИТ им. Л. Погорелого

Журнал «Пропозиція», №11, 2018 р.

Интервью
Защита культурных растений от вредоносного действия сорняков является одним из главных агромероприйтий в течение вегетации культурных растений. Ведь ненадлежащий уход за посевами и пренебрежение операциями по уничтожению и контролю... Подробнее
Керівник сектору продажів ГК "БІОНОРМА" Мирослава Мазур
Недавно в Киеве прошла выставка «АгроВесна-2019», в которой взял участие ведущий отечественный производитель биопрепаратов — группа компаний «БИОНОРМА». О масштабах участия в выставке, ее результатах а также о том, что вызвало наибольший... Подробнее

1
0