|
Aktualności
|
|
Informacje
Numery
Numer 05/2007
Sposób na drogą ropę naftową? Upłynnianie biomasy
|
|
|
Unia Europejska zamierza zwiększyć udział biomasy w wytwarzaniu energii elektrycznej, ciepła użytkowego oraz biodiesla dla ograniczenia importu nośników energii, jak i obniżenia emisji gazów cieplarnianych. Bazą tych działań stała się Konferencja ds. Klimatu w Montrealu, na której przedstawiciele 180 krajów radzili nad dalszym rozwojem postanowień Protokołu z Kioto. W tym protokole dla poszczególnych krajów określono ograniczenia emisji gazów cieplarnianych. W międzyczasie wzrosły ceny importowanego gazu ziemnego, co w niektórych krajach ogranicza tempo rozwoju gospodarczego i utrudnia realizację w/w postanowień.
|
W tej sytuacji trzeba zwiększyć udział biomasy z leśnictwa oraz rolnictwa – nie tylko w Europie – w wytwórczości energii elektrycznej, ciepła użytkowego oraz biopaliw dla motoryzacji.
Według najnowszych planów Unia Europejska zakłada 12-procentowy udział odnawialnych nośników energii w bilansie energetycznym 2010 roku. Tymczasem większość krajów UE widzi już dziś problemy z realizacją pierwotnego planu, obejmującego 10-procentowy udział odnawialnych źródeł energii w swoich bilansach energetycznych na końcu bieżącej dekady.
W obszarze paliw silnikowych stawia się na dalszy wzrost produkcji olejów roślinnych (które w tej postaci bywają już stosowane do napędu silników Diesla), bezwodnego spirytusu oraz biodiesla celem ograniczenia importu coraz droższej ropy. Rozwój biopaliw jest przez poszczególne kraje UE stymulowany odpowiednimi ulgami podatkowymi, gdyż wytwórczość biopaliw jest droższa od benzyny oraz oleju napędowego z ropy.
W Niemczech w 2005 roku koszty wytwarzania tych paliw wynosiły w rafineriach oraz w fabrykach: benzyny z ropy 0,343 €/litr, oleju napędowego z ropy 0,377 €/litr, biodiesla z rzepaku 0,83 €/litr i etanolu z produktów roślinnych 0,47 €/litr. Dziś przetwarzanie olejów roślinnych do paliw silnikowych możliwe jest wg trzech wariantowych technologii, co ilustruje rys. 1.
Najbardziej rozpowszechnione są procesy reestryfikacji olejów roślinnych z udziałem różnorakich katalizatorów oraz metanolu. Rozwój produkcji biodiesla w Europie wg tych procesów ilustruje rys. 2. Czołowe pozycje w tej wytwórczości zajmują dziś Niemcy, Francja oraz Włochy.
Natomiast najnowszym procesem reestryfikacji olejów roślinnych metanolem, charakteryzującym się najwyższą efektywnością oraz selektywnością, jest stosujący jako katalizator różnorakie sulfokwasy aromatyczne i bywa realizowany w trzech szeregowych reaktorach, co uwidacznia rys. 3.
W warunkach europejskich powierzchnia uprawy roślin energetycznych jest ograniczona wytwarzaniem żywności i pasz. W dodatku obecne uprawy roślin dla biopaliw wymagają nie tylko dobrej ziemi, ale są mało wydajne, gdyż tylko ich niewielka część służy wytwórczości – przykładowo biodiesla: z 1 ha zbiera się przeciętnie 2,73 t ziarna rzepakowego oraz 4,7 t masy roślinnej słomy. Z uzyskanego ziarna wytwarza się 40% oleju rzepakowego i 60% makuchów dla sporządzania mieszanek paszowych. Z 1 t oleju rzepakowego (po reestryfikacji metanolem) uzyskuje się taką samą masę biodiesla. W ostatecznym bilansie widać, że z 1 ha wysokiej jakości ziemi ornej otrzymuje się 1 t biodiesla, którego koszt produkcji przewyższa znacznie przerób ropy do oleju napędowego. Ich koszty wytwórcze zrównają się dopiero przy cenie ropy 100 USD/baryłkę.
BTL – Biomass To Liquid
(Upłynnianie biomasy)
Inną technologią wytwarzania paliw silnikowych z biomasy, to jej tlenowo-parowe zgazowanie do mieszaniny tlenku węgla i wodoru, którą przetwarza się na katalizatorze – najczęściej żelazowym – do benzyn, paliwa odrzutowego, oleju napędowego i oleju opałowego. Technologia ta była pod nazwą syntezy Fischera-Tropscha stosowana w czasie II wojny światowej w Niemczech. Wówczas zgazowywano przede wszystkim węgle kamienne i brunatne.
Tego typu upłynnianie dowolnej biomasy określa się obecnie jako Biomass To Liquid (BTL) wzgl. SunFuel, gdyż sama biomasa powstaje z CO2 i H2O dzięki chlorofilowi, znajdującemu się w liściach oraz z energii słonecznej.
Jeżeli uprawą obejmuje się rośliny energetyczne – przykładowo wierzbę energetyczną, to jej z 1 ha zbiera się średnio 20 t w postaci suchej masy organicznej i następnie całą roślinę poddaje się tlenowo-parowemu zgazowaniu. Tak postępując uzyskuje się z 1 ha 3-4 t paliw silnikowych.
W dodatku rośliny energetyczne można uprawiać na ziemi o dowolnej jakości – nawet na nieużytkach. Dobrym dla nich nawozem są osady pościekowe z miejsko-gminnych oczyszczalni.
Wytworzone na tej drodze paliwa silnikowe są wolne od siarki – a olej napędowy i paliwo odrzutowe nie zawierają aromatów.
Rozwój biopaliw na tej drodze, nie tylko zwiększa areał upraw roślin energetycznych o nieużytki i tereny zdegradowane, ale zapewnia pełne wykorzystanie dzisiejszej infrastruktury magazynowania, transportu oraz tankowania paliw. W dodatku umożliwia dalszą eksploatację istniejących silników w pojazdach spalinowych, jak i dalszy ich rozwój na bazie istniejących technik.
Synteza paliw z CO + H2 metodą Fischera-Tropscha
Wytwarzanie syntetycznych paliw silnikowych zostało w skali wielko-przemysłowej rozwinięte w Niemczech w okresie między pierwszą i drugą wojną światową. W 1927 roku koncern IG-Fabren uruchomił w Leuna, w okręgu Halle bezpośrednie, katalityczne (z udziałem żelaza) uwodornianie węgla brunatnego pod ciśnieniem 22 MPa i w temperaturze 460 st. C do paliw silnikowych wg patentu prof. Fryderyka Bergiusa. W 1943 roku 12 fabryk tego typu wytwarzało z węgli kamiennych i brunatnych oraz ze smoły koksowniczej 4 mln ton/rok benzyn oraz olejów napędowych.
W 1926 roku profesorowie Franz Fischer oraz Hans Tropsch opracowali bezpośrednią, katalityczną przemianę mieszaniny tlenku węgla z wodorem do paliw silnikowych. Proces ten przebiega z dużą selektywnością przy relatywnie niewielkich ciśnieniach (0,1-2,0 MPa) i w dość niskich temperaturach, w granicach 185-260 st. C. Pierwszą fabrykę syntezy Fischera-Tropscha na bazie tlenowo-parowego zgazowania węgla brunatnego i z udziałem katalizatora kobaltowo-magnezowo-torowego osadzonego na ziemi okrzemkowej pod ciśnieniem 0,1 MPa uruchomiono w Schwarzheide koło Drezna w 1936 roku. Stosowano gaz syntezowy o stosunku CO: H2 1 : 2,2.
Średniociśnieniową fabrykę syntezy Fischera-Tropscha, pracującą pod ciśnieniem 1,5 MPa i na powyższym katalizatorze, oddano do ruchu w 1939 roku w Zdzieszowicach koło Opola, na terenie obecnych Zakładów Koksowniczych, które nazywały się wówczas Schaffgotsch. W tej fabryce, w temperaturze 190 st. C i pracując z częściowym zawrotem gazu syntezowego oraz stosując trzy stopnie reaktorów, uzyskiwano 158 gramów węglowodorów (powyżej dwóch atomów węgla w cząsteczce) z 1 m3 gazu syntezowego.
Produkty zawierały: 9,6% (m/m) węglowodorów płynnych C3-C4, 27,5% benzyny, 43,8% oleju napędowego, 18,5% gaczu parafinowego oraz 0,6% związków tlenowych.
Na szczególne podkreślenie zasługuje niespotykana dotychczas jakość tamtejszego oleju napędowego o liczbie cetanowej powyżej 70 jednostek przy śladowych ilościach siarki. Obecnie czołowe rafinerie w świecie produkują olej napędowy z ropy o liczbie cetanowej około 57 jednostek, a tzw. biodiesel, wytwarzany na drodze reestryfikacji olejów roślinnych metanolem około 63 jednostek cetanowych.
Po drugiej wojnie światowej Polska uzyskała część fabryki Fischera-Tropscha ze Schwarzheide w ramach reparacji wojennych. Zlokalizowano ją w Zakładach Chemicznych „Oświęcim". Na 60 reaktorach w układzie dwóch stopni wytwarzano tam 15 000 ton/rok paliw silnikowych w latach pięćdziesiątych ubiegłego stulecia.
W latach 1953-1983 wybudowano w Południowej Afryce w Sasolburgu trzy wytwórnie syntezy Fischera-Tropscha o wydajności 4,5 mln t/r paliw silnikowych na bazie węgla kamiennego, z katalizatorem żelazowym, które pracują bez przerwy z dobrymi wynikami ekonomicznymi. Ich oferta z 2002 roku na zbudowanie identycznej fabryki na Górnym Śląsku w ramach restrukturyzacji polskiego górnictwa nie zyskała dotąd akceptacji. Autor jako były pracownik kompleksu Fischera-Tropscha w Zakładach Chemicznych „Oświęcim" sporządził analizę ekonomiczną przetwarzania węgla z kopalni „Piast" i uzyskał zachęcające koszty własne produkcji, wynoszące 0,64 USD/litr benzyny
Największą wytwórnię tego typu wybudował w latach 90. minionego stulecia koncern Shell w Malezji, gdzie przetwarza się miejscowy gaz ziemny. W ostatnich ośmiu latach wybudowano pięć kolejnych tego typu fabryk paliw silnikowych.
Tak jak kiedyś zgazowywano węgle kamienne i brunatne, a wytworzony tlenek węgla uwodorniano katalitycznie głównie do najwyższej jakości paliw silnikowych, tak teraz w skali pilotowej opracowuje się procesy zgazowywania biomasy i odpadów organicznych, uzyskując identyczny gaz syntezowy, jak dawniej choćby na terenie Schaffgotsch w Zdzieszowicach lub Zakładach Chemicznych „Oświęcim”.
Zespół pod kierunkiem dr inż. Bodo Wolfa we Freibergu, Saksonii, RFN, opracował pod nazwą „CHOREN” proces, wg którego rozdrobnione do zrębków drewno poddaje się najpierw wytlewaniu (pirolizie) w bębnie z poziomym mieszadłem (ogrzewanym spalinami w otaczającym go płaszczu) w temperaturze 500-550 st. C do par, gazu i koksu. Stąd powstałe opary oraz gazy przepływają do generatora tlenowego zgazowania w temperaturze 1450-1600 st. C, co ilustruje rysunek 4.
Koks z reaktora (bębna) pirolizy kieruje się do młyna, a wytworzony pył wdmuchuje się do śródkowej części generatora wysokotemperaturowego. W tych warunkach temperatury większość dwutlenku węgla, zawarta w gazie, reaguje z pyłem koksu do tlenku węgla wg reakcji Boudouarda:
C + CO2 = 2CO
Jest to niezwykle ważny fragment procesu przetwarzania drewna w gaz syntezowy, gdyż poprawia nie tylko ekonomikę całego przedsięwzięcia, ale umożliwia uzyskanie niezbędnego stosunku CO:H2 1:1,2 dla syntezy na żelazowym katalizatorze. Stopiony w generatorze popiół odprowadzany jest dołem do strumienia wody, w której ulega termicznej (w wyniku nagłego schłodzenia) granulacji. W tej postaci znajduje zastosowanie w budownictwie drogowym. Ostre parametry procesowe w generatorze umożliwiają pełne zgazowanie tlenem i parą wodną specjalnych odpadów organicznych (np. przeterminowanych środków ochrony roślin, czy odpadów poszpitalnych) oraz szlamów z oczyszczalni ścieków miejskich i przemysłowych.
Wytworzony gaz syntezowy po oczyszczeniu z dwutlenku węgla i ewentualnie z innych zanieczyszczeń, pochodzących z drewna odpadowego, kieruje się do współczesnej wytwórni syntezy Fischera-Tropscha. Cały ten kompleks pilotowy ilustrują rysunki 5-6.
Obecnie wytwórnie syntezy Fischera-Tropscha stosują tani, wysoko aktywny i selektywny katalizator żelazowy, eksploatowany pod ciśnieniem 2 MPa w tempe-raturze 280-290 st. C. Najbardziej efektywne są reaktory z fluidalną fazą katalizatora, jakto ilustruje rysunek 6.
Gaz syntezowy, składający się z mieszaniny świeżego i powrotnego, wpływa dołem do stojącego reaktora cylindrycznego, wprowadzając jednocześnie pewną ilość katalizatora z zasobnika. Szybkość przepływu gazu syntezowego jest tak dobrana, że cały katalizator w reaktorze wiruje w warstwie fluidalnej w której przebiega silnie egzotermiczna reakcja syntezy CO+H2 do węglowodorów i niewielkiej ilości związków tlenowych. Na 1 m3 katalizatora wytwarza się godzinowo 420-450 kg produktów z zawartością węglowodorów o cząsteczkach powyżej 2 atomów węgla. Ich przeciętny skład jest następujący: węglowodorów C3 - C4-8,2% (m/m), benzyny 27,6%, oleju napędowego 44,7%, gaczu parafinowego 18,7% i związków tlenowych 0,8%. Gacz parafinowy można poddać krakingowi katalitycznemu do paliw silnikowych. Regulacja temperatury w reaktorach następuje przez przenoszenie ciepła reakcji do kotła wodno-parowego, znajdującego się w centrum fluidalnej strefy katalizatora. Niewielką część ciepła z syntezy węglowodorów unosi mieszanina poreakcyjna kierowana do cyklonu, w którym wydziela się i z niego zawraca do procesu (poprzez regenerator) porwany katalizator. Stąd mieszanina poprodukcyjna przepływa poprzez wymiennik ciepła oraz chłodnicę (nie uwidocznioną na rysunku 6) do separatora. Nie przereagowany gaz jest z niego w około 85% zawracany do procesu, a w 15% upuszczany do fabrycznej sieci gazu opałowego. Ciekła mieszanina produktów podlega rektyfikacyjnemu rozdziałowi i operacjom uszlachetniającym, doprowadzając końcowe wyroby do pełnej zgodności z obowiązującymi w świecie normami jakościowymi.
Głównym produktem sięgającym prawie 45% (m/m) jest najwyższej jakości olej napędowy o liczbie cetanowej około 72 jednostek, praktycznie bez siarki.
Efekty technologiczno-ekonomiczne oraz techniczne w silnikach Diesla są z przedstawionej w tym artykule nowej technologii przetwarzania biomasy z odpadami organicznymi do paliw silnikowych tak pokaźne, że koncerny Volkswagen oraz Daimler-Chrysler wspierają finansowo całe przedsięwzięcie.
Tlenowo-parowe zgazowanie biomasy oraz wszelkich odpadów organicznych komunalnych i przemysłowych, łącznie ze szlamami z oczyszczalni ścieków, stanowią podstawową bazę dla produkcji paliw silnikowych metodą syntezy Fischera-Tropscha już po 2020 roku, tj. po przekroczeniu apogeum wydobycia ropy w świecie.
Aby w maksymalnie możliwym stopniu ekonomicznie uatrakcyjnić syntezę paliw silnikowych metodą Fischera-Tropscha na bazie biomasy, można ją wariantowo skojarzyć z blokiem gazowo-parowym dla wytwórczości energii elektrycznej wraz z ciepłem użytkowym. Stosowne schematy technologiczne ilustruje rys. 7.
To, co przewidział prof. Franz Fischer w 1926 roku: „uwodornianie tlenku węgla osiągnie prawdopodobnie w technice podobne znaczenie, jakie w przyrodzie ma asymilacja dwutlenku węgla”, dziś staje się rzeczywistością, wymuszaną głównie wymogami ochrony środowiska i szybko kurczącymi się zasobami ropy. Gospodarka światowa stoi w dodatku u progu apogeum jej wydobycia.
|
|
|
|
