Спецможливості
Аналітика

ГІДРОТЕРМАЛЬНА КАРБОНІЗАЦІЯ БІОМАСИ — ШЛЯХ ДО ВИРІШЕННЯ ЕКОЛОГІЧНИХ ПРОБЛЕМ

09.01.2020
753
ГІДРОТЕРМАЛЬНА КАРБОНІЗАЦІЯ БІОМАСИ — ШЛЯХ ДО ВИРІШЕННЯ ЕКОЛОГІЧНИХ ПРОБЛЕМ фото, ілюстрація

Відходи біологічного походження становлять екологічну небезпеку для довкілля через наявність у компонентах екосистеми патогенних мікроорганізмів. Останні створюють реальну небезпеку інфікування населення парентеральними інфекціями.

Наявність у біовідходах патогенних і умовно патогенних мікроорганізмів, здатних зберігати свою життєздатність і розмножуватися в екосистемах, робить усі етапи поводження з цим класом відходів епідемічно та екологічно небезпечними.

У 60-х роках еколого-економічний підхід до ведення господарства поставив за мету погодити екологічні та економічні аспекти розвитку системи «господарство — довкілля». Тоді було проголошено два принципово різні напрями екологізації виробництва, які сформували економічні та екологічні: умовно чиста технологія та маловідходні технологічні процеси. Однак ці напрями засвідчили, що обмеження негативного впливу виробництва на довкілля лише шляхом створення систем утилі­зації відходів та спроби повністю ізолювати виробничі й природні процеси є нереальними. Вирішення цього питання потребувало пошуку ефективного підходу до розв’язання складних соціально-економічних проблем.

 

 

Аналіз нормативних документів ЄС та України щодо біологічної безпеки показав, що основними завданнями в області розвитку фундаментальної та прикладної науки, технологій і техніки є: розробка методів і засобів своєчасного виявлення загроз; оцінка небезпеки та вироблення дієвих пропозицій для забезпечення біологічної безпеки; ліквідація наслідків; розробка екологічно безпечних технологій утилізації зоовідходів; реабілітація територій (акваторій), що опинились під впливом біологічних забруднень, а також удосконалення відповідних технологій щодо біологічних агентів, зниження активності природних резервуарів патогенних мікроорганізмів.

Проведений аналіз європейських та державних програм поводження з відходами виявив такі особливості:

1. У законодавстві ЄС значна увага приділена регулюванню загальних положень щодо запобігання або зменшення утворення відходів різного роду, а також їхньої переробки та визначено заходи, які повинні вживати держави- члени.

2. Законодавство ЄС передбачає наявність спеціального органу у сфері управління відходами — комітет із управління відходами, який керується в своїй діяльності вимогами рішень комісії.

Відповідно до Закону України «Про побічні продукти тваринного походження, не призначені для споживання людиною», вибір способу обробки продуктів тваринного походження має здійснюватись з урахуванням: екологічної безпеки довкілля; спеціалізації, типорозміру й потужності підприємства; способу утримання тварин; наявності достатніх обсягів полів для внесення органічних добрив; кліматичних, ґрунтових і гідрогеологічних умов і рельєфу місцевості.

На сучасний ринок екологічних продуктів активно впроваджують нові багатофункціональні матеріали. З-поміж них усе більшого поширення набуває тверде паливо, створене на основі поновлювальних джерел енергії. Один із найпопулярніших видів — біо­чар (biochar, або біовугілля), що утворюється внаслідок процесу низькотемпературної утилізації відходів біологічного походження (біомаси) методом безперервного піролізу.

 

Biochar (біочар) — паливо, натуральне добриво та активоване вугілля для ґрунтів

Портативний піролізер для відходів тваринництва для отримання тепла й біочаруДля виробництва біовугілля застосовують технологію, засновану на процесі гідротермальної карбонізації (ГТК)

Процес починається з підготовки біомаси: з неї видаляють механічні домішки (пісок, каміння тощо), потім подрібнюють і змочують. Далі біомасу відправляють в реактор (реторту) ГТК, в якому за допомогою пари створюється тиск 10–25 бар та температура 180–220°C. У ході реакції утворюються гідроксонії (гідроксоній, оксоній, гідро­ній) НЗО+ (комплексний іон, сполучення протона з молекулою води), які знижують індекс pH маси до 5 і нижче. Цей процес можна прискорити, додавши в реактор лимонну кислоту. Причому потрібно врахувати, що за низьких pH більша кількість вуглецю перетворюється на рідку фазу. Реакція екзотермічна, тобто протікає з вивільненням енергії. Через 12 год 90–99% вуглецю переходить у водянисту суспензію у вигляді пористих зерен вугілля (C6H2O) з розміром пор від 8 до 20 нм.

Інша частина вуглецю (від 1 до 10%) частково залишається в рідкій фазі у вигляді водної суспензії, частково викидається в атмосферу у вигляді вуглекислоти.

Реакцію можна зупинити й раніше з отриманням відповідно інших проміжних продуктів. Наприклад, через 8 год можна отримати продукт, схожий за складом із торфом, а протягом першої години — гідрофобні проміжні продукти (ліпіди). Охолоджена вугільна суспензія за допомогою механічного пресування зневоднюється до такого стану, коли в ній залишається 50–60% вихідного вміс­ту води. Велика частина сепарованої води використовується в наступних циклах виробництва. Після механічного зневоднення продукт підлягає подальшому висушуванню до вологості, потрібної замовнику — зазвичай до 5–25%.

У перебігу екзотермічної реакції в процесі гідротермальної карбонізації вивільняється теплова енергія, еквівалентна приблизно 3/8 теплотворної здатності біомаси в перерахунку на сухий стан, а за високого вмісту в рослинній біомасі лігніну або різних олій — до 1/4 теплотворної здатності біомаси.

За грамотного регулювання процесу карбонізації тепло, що вивільняється, можна використовувати для сушіння отриманого вугілля або для вироблення електроенергії. Оскільки отримане вугілля можна зневоднювати механічним способом, для його кінцевого підсушування потрібно менше теплової енергії порівняноз класичним процесом сушіння.

Увесь процес карбонізації складається з процесів: горіння, карбонізації та охолодження. Карбонізація є найважливішим процесом для виготовлення деревного вугілля, його можна розділити на три етапи.

Етап сушіння: температура досягає 160°, вологість біомаси зменшується шляхом випаровування вологи, хімічних змін на цьому етапі не відбувається.

Початкова карбонізація: температура збільшується до 160…280°. Біомаса розкладається, хімічна структура її починає змінюватися.

Карбонізація: температура досягає 300…650°, біомаса розкладається, вивільняється велика кількість рідини, зокрема оцтова кислота, метанол, деревні смоли, які генеруються. Крім того, горючий газ (метан, етан) теж генеруються в топці. Ця біомаса стає деревним вугіллям.

Для використання системи піролізу потрібно використовувати відповідне обладнання, зокрема печі, реактори та інше спеціалізоване обладнання для виробництва й зберігання біомаси, крім кисню. Далі представлено обладнання для утилізації відходів тваринництва та отримання тепла й біочару.

Одним із типів елементарних печей для карбонізації є ротаційний піролізний реактор. Він складається з: бункера, обладнання для збирання газу, напрямної пластини для руху біоматеріалу, нагрівальної печі та, відповідн, блоку живлення.

Компанія Beston Machinery Co., Ltd., Китай, яка є однією з провідних виробників деревинно-твердосплавного обладнання (табл. 1), постійно дослі­джує внутрішню технологію первинної карбонізації, що робить її популярною на міжнародному ринку завдяки впровадженню новітніх високотемпературних анаеробних технологій, що можуть обробляти різні відходи біомаси.

Виробничий процес Biochar характеризується майже 100%-вою вуглецевою ефективністю (вуглецева ефективність — це перехід наявного в біо­масі вуглецю в кінцевий продукт): майже весь вуглець з органічної біомаси трансформується в біовугілля.

В усіх відомих процесах переробки біомаси в біопаливо вуглецева ефективність незначна. Наприклад, у процесах: виробництва деревного вугілля (вуглевипалювання) вуглецева ефективність становить 30%; анаеробного бродіння рослинної біомаси в біогазових установках — 50%; бродіння біомаси — 67%, а отримання гумусу компостуванням — усього 5–10%. Інша частина вуглецю, що міститься в біомасі, під час виробництва біопалива викидається в атмосферу у вигляді вуглекислого газу або метану в біогазових установках, що негативно впливає на навколишнє середовище. За перебігу ГТК-процесу метан не утворюється й лише в незначних кількостях виділя­ється двоокис вуглецю.

Процес ГТК є екзотермічним — у ході трансформації біомаси в біовугілля звільняється енергія, що створює позитивний енергобаланс.

Після сушіння на виході виходить дрібнофракційне пилоподібне біовугіл­ля, яке можна складувати в силос із автодозатором для завантаження насипом у залізничні вагони або автотранспорт, а можна й пресувати в пелети або брикети.

Переваги ГТК-технології перед іншими технологіями переробки біомаси:

висока ефективність;

немає потреби попереднього сушін­ня біомаси, що дає змогу значно знизити вартість обладнання;

можливість використання різних видів біомаси, в тому числі низькоякісної, яка придатна тільки для утилізації;

простота обслуговування обладнання;

висока екологічність технології, що запобігає забрудненню навколишнього середовища;

можливість використання суміші, що складається з різних видів біомаси.

Крім того, теплова енергія, яку отримують у результаті екзотермічного процесу, використовують для підсушування кінцевої продукції до оптимальної вологості.

За допомогою гідротермальної карбонізації можна отримувати й інший якісний продукт — Biochar (перша частина слова має зрозуміле всім значення а друга — сhar — означає твердий продукт розкладання натуральних або синтетичних органічних матеріалів). А будь-який продукт, отриманий в процесі гідротермальної карбонізації (ГТК), в англомовній науковій літературі називають «hydrochar». Якщо ж процес карбонізації завершується на годину раніше, отриману продукцію називають «biochar» (біочар).

Біочар використовують у сільському господарстві для підвищення родючості сухих, виснажених ґрунтів, що містять невелику кількість перегною. Пористість біочару сприяє значно кращому затримуванню в ґрунті поживних речовин і води. Лабораторні та польові досліди, а також результати використання біочару в сільському господарстві багатьох країн підтвердили його вплив на стимулювання росту культур за низького споживання води, що особливо актуально для посушливих регіонів. Біочар покращує біологію ґрунту та його родючість, дає змогу зменшити кількість унесених у ґрунт добрив. Крім усього, біочар зв’язує CO2 в ґрунті на тривалий термін і тим самим забезпечує зниження викидів парникових газів у атмосферу. У складі біочару немає токсичних речовин та важких металів.

Його застосування — це водночас активна галузь дослідження, що постій­но доповнюється новими ідеями його реалізації. Країни з високим економічним рівнем здійснюють суттєву інформаційну та інвестиційну підтримку підприємств, які виробляють біову­гілля, застосовуючи екологічні технології. Міжнародна ініціатива Biochar пропонує програму сертифікації, орієнтуючись на розвиток ринку екологічних добрив і залучення потенційних покупців/інвесторів у сферу догляду за земельними угіддями. Підвищуючи родючість ґрунту до 30% і знижуючи при цьому використання води, біочар представляє не тільки екологічні, а й економічні переваги.

 

Екологічні та економічні переваги biochar

Піролізний реактор виробництва Meiwa Co., Ltd., ЯпоніяНа сьогодні біочар вважають найякіснішим добривом, оскільки він припиняє процес деградації ґрунту, запобігаючи цілій низці глобальних економічних і екологічних проблем.

Завдяки активним іонам, що містяться в біочар-добривах, вуглець не випаровується в зовнішнє середовище, а залишається в ґрунті на тривалий тер­мін, легко всмоктуючись корінням рослин. Таким чином, кількість парникових газів у атмосфері скорочується, а разом з тим знижується й загроза парникового ефекту та глобального потепління.

Родючі ґрунти з високими показниками урожаю в перспективі забезпечать вирішення проблеми голоду в країнах, що розвиваються, з подальшим розкві­том їхньої економіки.

Використання екологічно безпечного засобу для відновлення ґрунту спри­яє виведенню з ґрунту агресивних хімічних препаратів, що уражують не лише землю, а й загрожують здоров’ю людини.

Головна складова біочару — це вуглець, який накопичується в біомасі, що підлягає утилізації методом низькотемпературного піролізу (400–500°С).

Біовугілля отримують у результаті коксування, в якому біомаса нагрівається без наявності кисню. Нагрівання зумовлює розпад складних біомолекул, у результаті якого виробляються різні гази й тверде паливо. Якщо температура перевищує 400°C, то тверда фракція являє собою деревне вугілля, яке майже на 100% складається із вуглецю. А якщо температура перебуває в діапазоні 200–300°C, то тверда фракція є термообробленою масою, а сам процес називається «термообробкою».

Під час коксування біомаси виробляються різні газоподібні продукти, частина яких може бути сконденсована в рідке піролізне масло. Неконденсовані гази містять, в основному, двоокис вуглецю, окис вуглецю, метан, водень. Ці гази і піролізне масло можна використовувати як паливо.

Піролізне масло часто відновлюють і використовують у подальшому виробництві. Воно може стати важливим видом відновлюваного транспортного палива з біомаси.

Температура є найважливішою умовою процесу коксування. Більшість властивостей біовугілля, такі як теплотворна здатність і вміст золи, залежать від температури. Крім того, від температури залежить вихід продукту. У результаті м’якої термообробки, коли температура підтримується на рівні 230°C, вихід продукту може перевищити 90%. Підвищення температури до 900°C знижує вихід продукту до 25%. Висока температура також підвищує теплотворну здатність палива. Теплотворна здатність деревного вугілля може навіть перевищувати теплотворну здатність кам’яного вугілля, оскільки деревне вугілля містить менше золи. Теплотворна здат­ність термообробленої деревини, як правило, трохи вища, ніж у необробленої деревини. На практиці щільність енергії в термообробленої деревини значно вища, ніж у відходів лісопереробки (тріски), оскільки вміст вологи в деревному паливі після його заготівлі може становити до 50%. Вміст вологи в термообробленій деревині набагато менший, що підвищує щільність енергії.

 

Найважливіші властивості біочару:

висока адсорбція, що сприяє усуненню зі складу ґрунту надлишкових речовин, які уповільнюють розвиток кореневої системи рослин. Біочар стабілізує ґрунт, усмоктуючи окисли алюмінію;

пористість, що забезпечує затримання поживних речовин і вологи в ґрунті, транспортні шляхи для мікоризи (тобто для грибниці, яка розвивається на корені рослини й підвищує її врожайність). Завдяки цій властивості збільшується об’єм речовини і зменшується її витрата в процесі удобрювання ґрунту (1х50 одиниць об’єму);

хімічна інертність, завдяки якій матеріал не підлягає деструкції протягом тисячоліть;

стабільність під час транспортування та зберігання.

Ці специфічні характеристики зумовлюють різноманіття способів застосування біочару. Його використання в аграрній галузі набирає нових обертів з кожним роком. Усе більше підприємців у сільському господарстві звертають увагу на відновлення ґрунту, займаючись пошуком безпечних рішень проблеми підвищення показників урожайності.

Біочар — це якісне добриво, яке:

пришвидшує ріст і розвиток рослин, оскільки ґрунт постійно підігрівається;

виводить із ґрунту залишки хімічних речовин, які вносили раніше (гербі­цидів, пестицидів, інших отрутохімікатів);

сприяє функціонуванню в ґрунті мікроорганізмів, які позитивно впливають на врожайність;

збільшує пористість ґрунту, забезпечує доступ кисню до коренів рослин та циркуляцію повітря;

покращує склад неродючих ґрунтів (глиноземів, супісків та піщаних ґрунтів);

нейтралізує ґрунти з підвищеною кислотністю;

захищає ґрунт від деяких шкідників (нематод, дротяників);

запобігає гнійним процесам;

зберігає та підтримує поживні речовини й потрібні мікроелементи в ґрунті, усуває проблему їхнього вимивання.

Перспективним є застосування біочару для покращення ґрунту для кімнатних рослин і теплиць для вирощування розсади. Фермери країн Південної Америки знімають верхній 20-сантиметровий шар ґрунту (terra preta) і реалізують його на квіткових ринках, не зазнаючи при цьому економічних збитків, завдяки здатності ґрунту самовідновлюватися. Biochar має попит в цій сфері ще й тому, що характеризується протипаразитарними та антибактеріальними властивостями.

Таким чином, застосування технології Biochar в аграрній промисловості світового рівня з кожним роком набирає нових обертів. Усе більше підприємців у сільському господарстві звертають увагу на відновлення ґрунту, займаючись пошуком безпечних рішень проблеми підвищення показників урожайності, що можливо досягти завдяки застосуванню цієї прогресивної технології.

 

Л. Рудик, УкрНДІПВТ ім. Л. Погорілого

Журнал «Пропозиція», №11, 2018 р.

Інтерв'ю
Николай Орлов
У 2016 році значно зросла кількість рейдерських захоплень підприємств. Серед постраждалих є і  представники аграрного бізнесу. Лише протягом першого півріччя зі скаргами на дії рейдерів до
Гу­с­та­во Джан­кей­ра, пре­зи­дент Бра­зильсь­ко­го сільсько­го­с­по­дарсь­ко­го то­ва­ри­ст­ва
Один із факторів успіху аг­росек­то­ру Бразилії — агра­ні роз­пи­ски. Детальніше про їх впровадження роз­повідає пре­зи­дент Бра­зильсь­ко­го сільсько­го­с­по­дарсь­ко­го то­ва­ри­ст­ва Гу­с­та­во

1
0