ОТ ПЕРВИЧНЫХ ПРОДУКТОВ ФОТОСИНТЕЗА К ЦЕННЫМ ВИДАМ ТОПЛИВА
Проблемы использования биомассы. Растительная биомасса представляет собой проблему с точки зрения использования ее как топлива. Она объемиста, обладает высокой влажностью и даже в высушенном состоянии характеризуется низкой теплотворной способностью. Ценность биомассы как топлива по сравнению с углем является низкой (табл. 20). Биомасса, содержащая более 2/з воды, не будет гореть; на практике топливо, используемое для непосредственного сжигания, должно содержать менее 30 % воды (по массе). Кроме того, биомасса находится в твердом состоянии, что исключает возможность получения надбавок к ценам, которые устанавливаются для жидких видов топлива.
|
Таблица 20. Топливная ценность биомассы и угля
|
С учетом этих фактов был сделан ряд предложений, направленных на повышение теплоты сгорания биомассы. Более горючие компоненты могут быть отделены или превращены химическим или биохимическим путем в ценные виды топлива.
В таблице 21 представлен типичный состав сухого растительного материала. Растения представляют собой сложную смесь различных соединений. Одни из них обладают высокой теплотворной способностью, например жиры и масла, другие занимают промежуточное положение
|
Таблица 21. Типичный состав растений
|
по содержанию энергии, например сахара, полисахариды и белки. В состав растения входят также остатки неорганических солей (или зола), не обладающие топливной ценностью. Теплотворная способность компонентов растительного материала может быть повышена; в таблице 22 приводятся некоторые растительные компоненты и соединения, которые могут быть получены на основании переработки биомассы, а также их теплотворная способность. Процессы, используемые для осуществления этих преобразований, кратко описаны ниже.
|
Таблица 22. Теплотворная способность растительных компонентов и полученных на их основании видов топлива
|
Древесина. Древесина как тип биомассы стоит особняком вследствие высокой плотности и низкого содержания влаги (даже в сырой массе). Тысячелетиями древесина служила человеку в качестве топлива и до сих пор играет существенную роль в удовлетворении потребностей человека в энергии (хотя в количественном отношении охарактеризовать потребление древесины как топлива в мировом масштабе затруднительно). Древесина часто может использоваться в качестве горючего материала без повышения его теплотворной способности; во многих
|
Таблица 23. Состав сухой древесины и коры лжетсуги тисолистной, %
|
процессах она также является предпочтительным видом сырья. В таблице 23 [20] дается состав сухой древесины и коры. Содержание золы является низким по сравнению с некоторыми типами углй, но содержание кислорода высокое (около 40%). Содержание серы незначительно. Различные виды древесины характеризуются аналогичным составом. Свеже — срубленная древесина имеет содержание влаги 30—60 %.
Физические процессы. Первый и традиционно наиболее важный метод подготовки растений и других биологических остатков для использования их в качестве топлива — удаление влаги. Наиболее дешевый способ удаления влаги — высушивание на солнце или на открытом воздухе. Высушенные древесина, солома, навоз до сих пор служат топливом во многих частях земного шара. Искусственная сушка, даже при использовании части материала в качестве топлива, является слишком дорогостоящей и может быть оправданной только для высокоценных продуктов, таких, как зерно.
Высококалорийные растительные масла извлекают способами перегонки, экстрагирования и механического давления. Все растения содержат соединения, подобные углеводородам, которые могут быть экстрагированы и использованы в качестве непосредственных заменителей нефти. Растительные масла в течение долгого времени используются в пищевых целях, как топливо и для других целей. Одно время большая часть лампадного масла в Европе производилась из культур масличных семян, например рапса.
В ходе всех процессов повышения качества материала биомассу необходимо довести до объема, способного обеспечить приемлемые скорости горения. Объем полученных твердых материалов должен также быть пригодным для их окончательного использования.
Термохимические методы повышения качества материала. Традиционным методом повышения теплотворной способности биомассы является перевод ее в древесный уголь; при этом сжигание в ограниченном объеме воздуха вызывает карбонизацию биомассы. В результате получается продукт с высоким содержанием углерода и теплотворной способностью, приближающейся к теплотворной способности углерода (33 ГДж/т). Существуют более сложные современные варианты, такие, как сухая перегонка и газификация. Различные сочетания тепла, кислорода и пара (кроме восстановления углеродсодержащих молекул до углерода) также дают легковоспламеняющиеся газы и жидкости в зависимости от температуры, давления и присутствия катализаторов. При высоких температурах (свыше 600 °С) продукты представляют собой в основном легковоспламеняющиеся восстановительные газы, оксид углерода и водород.
Другим химическим процессом превращения биологических материалов в полезные виды топлива является восстановление. Целью восстановления является удаление кислорода и азота и увеличение содержания углерода и водорода в полученном топливе. Однако все восстановители являются энергоемкими и очень дорогостоящими соединениями. При производстве биотоплива обычно используют оксид углерода и водород, образовавшиеся в ходе предварительной газификации биомассы. В итоге происходит сжижение материала с образованием продукта, схожего с сырой нефтью, но содержащего высокий процент кислорода.
Биохимические процессы. В результате этих процессов происходит перераспределение энергии в биомассе с образованием молекул высокого и низкого энергетического уровня. В отличие от химических и физических процессов эти процессы протекают в водных суспензиях биологического материала с образованием летучих видов топлива, относительно легко выделяемых из смеси. В ходе ферментации сахар (16 ГДж/т) превращается в спирт (29 ГДж/т) и диоксид углерода (0,0 ГДж/т):
СпН220ц + Н20-*4С2Н50Н + 4С02.
В анаэробных условиях сахара, например, превращаются в метан (55 ГДж/т) и диоксид углерода :
с6н12о6 + зсн4+зсо2.
В обоих случаях сахара получают или непосредственно из растений, или путем химического или биохимического гидролиза природных полисахаридов.
Восстановление воды до составляющих ее элементов в ходе фотосинтеза считается биохимическим путем образования топлива. Обычно конечным результатом этого процесса является образование никотин — амиднуклеотидов и аденозинтрифосфата, играющего важную роль в фиксации С02. Может, однако, представиться возможность добиться выделения элементарного водорода из клеток или их компонентов с использованием его в качестве топлива.
ЛИТЕРАТУРА
REFERENCES
[1] Solar Energy Research in Australia, Australian Academy of Science Report no. 17, 1973.
[2] Solar Energy: its potential «contribution within the United Kingdom. Energy paper No. 17, HMSO, London, 1976.
[3] Handbook of Solar Resources, VoL 1, part 2, Ed. O. R. Zaborsky, CRC Press, Florida, 1982.
И1 World Development Report, World Bank/Oxford University Press, 1982.
[5j Lund, P. J., Slater, J. M., Agricultural land: its ownership, price and rent, Economic Trends, Dec. 1979, 97-110.
[6] Economic Survey of Private Forestry, Income and Expenditure England and Wales Dept. Forestry, University of Oxford, 1977.
[7] Wilcox, H. A., Leese, T. M., Converting seaweed to SNG, Hydrocarbon Processing, April 1976, 86-89.
[8] Jones, J. L., Methane from kelp, Stanford Research Institute Datalog File No. 79- 366, 1979.
[91 Photosynthesis and Productivity in Different Environments, Ed. J. P. Cooper, Cambridge University Press Cambridge, 1975.
[10] Boyer, J. S., Plant productivity and the environment, Science, 218,1982,443-448.
[11] Crop Physiology, Ed. L. T. Evans, Cambridge University Press, 1975.
[12] Oxford Economic Atlas, 4th edition, Oxford University Press, 1978.
[13] Jarvis, P. G., Production efficiency of coniferous forest in the UK, Chap. 5 in Physiological Processes Limiting Plant Productivity, Ed. С. B. Johnson, Butterwoths, 1981.
[14] Annual Report 1972-1973 Environmental Research Laboratory, University of Arizona/Arid Lands Research Center, Abu Dhabi.
[15] Povich, M. J., Fuel Farming — Water and nutrient limitations, Symposium ’Renewable Sources of Energy and Chemical Feedstocks’, AIChE, Symposium no. 181.
[16] Sargeant, K., Scope for increased industrial feedstock production from European agriculture, Symposium ’Economic Aspects of Fermentation Processes: Political and Economic Aspects of Raw Materials Markets’ Society of Chemical Industry, London, 1982.
[17] Digest of UK Energy Statistics 1982, Dept, of Energy, HMSO, London.
[18] Purdy, J., Silage costs under the microscope, Farmers Weekly, June 1,1979, 83-87.
[19] Varani, F. T., Materials handling in anaerobic digestion systems, pp. 140-142 in Proceedings of the Symposium ’Bio-energy 80’, April 21-24, Atlanta, Georgia.
[20] Cheremisinoff, N. P., Wood for. Energy Production, Ann Arbor Science, Michigan, 1980.
<
ГЛАВА