1598005442-bd41ad96c45193b3fdd4d03a682e8790 (811217), страница 11
Текст из файла (страница 11)
Газификация способом нисходящего и восходящего токов. Пиролитнческие масла претерпевают аналогичные реакции. При температуре выше 1000 С единственно стабильными молекулами топливного газа являются молекулы СО и Нз. При более низких температурах стабильны молекулы этилена, метана и другие молекулы с небольшим весом. Газификаторы классифицируют )13) следующим образом: газификаторы восходящего тока, нисходящего тока, кипящего слоя и взвешенного по~ока.
Схематические диаграммы газификаторов восходящего и нисходящего токов показаны на рисунке 12. Последний тип широко использовался в период второй мировой войны на транспортных средствах, трейлерах и небольших силовых установках. Недавно газификаторы, работающие на угле, использовались на филиппинах для различных форм транспорта )14), Такие газификаторы нужцаются в постоянном уходе и внимательном отношении при запуске, регулировании н техническом обслуживании.
Воздушные газификаторы представляются Таарямй остатак Рис. 13. Сжижсиис древссиям. как первые биотопливные системы будущезтз для замены существующих бойлеров и для обеспечения процессов необходимой теплотой с использованием отходов отраслей промышленностиг перерабатывающих биомассу, например продовольствие и бумагу.
Состав типичных газов, полученных с использованием кислородного газификатора, дает возможность химического их превращении, например, в метанол и аммиак. Сжижение/восстановление. Были разработаны предложения по превращению биомассы в жидкость, напоминающую тяжелую топливную нефть, путем реакции ее с восстановительными газами (оксид углерода и водород) в присутствии катализатора. Обычно необходимо давление 250 бар и температура 600 — 700 'С. Процессы сжижения обычно предполагают подготовку восстановительных газов путем пиролиза нли окислительной газификации большего количества биомассы. В редких случаях можно получить дешевый водород из других источников, например при электролизе воды на гидроэлектрических установках.
По данным Питтсбургского энергетического центра [17], типичный процесс сжижения древесины выражается следующей реакцией: 0,61~СьНо гзОа,зз) + 0,23СО+ 0,08Нз -г НзО+ Биомасса + 0,64СОз + 0,53 (СьНь озОпзз), Сжижсияая нефть Древесину высушивают до влажности 4%, размалывают в муку и смешивают с частью продуцированной нефти. В качестве катализатора добавляют карбонат натрия в количестве 5% по массе. Смесь древесины, нефти, пара и катализатора подвергают первоначальному давлению 29 бар и нагревают до 300'С в течение часа для обеспечения 99%-ного превращения древесины и выхода нефти 56%. Схематически процесс показан на рисунке 13, а состав сжиженной нефти дан в таблице 25.
Нефть рекомендована для использования в качестве бойлерного топлива. 53 Таблнца 25. Состав н свойства юннженнай нефте 76,1 7,3 16,6 1,1 31,4 Углерод, % Водород, % Кислород, % Цлотносъ~, г/см Гэхж(т *З. ГИДРОЛИЗ И ФЕРМЕНТАЦИЯ Таблица 26. Углеводы н нстачцнкн нх подучення Источник Углевод Маносахарнды н апнгосахарнды Сахарный тростник н сахарная свекла Сахароза Меласса Сахараэа, глюкаэа, фруктоэа Отходы молочной промышпеннастн Лантоэа, гапактоэа Сорго сахарное Сахароза, глюкоза Полнсахарндм Древесные н пожннвные остатка Городские н бумажные отходы Кукуруза н другие зерновые Маннок н картофель Целлюлоэа, гемнцепшолоза Целлюлоза Крахмал Крахмал Сахара биомассы.
Все виды растительной биомассы содержат моно- и полисахариды, служащие как для аккумулирования энергии и углерода, так и в качестве структурного компонента. Хотя простые сахара встречаются в соке всех растений, только экстрагирование их из сахарного тростника и сахарной свеклы носит промышленный характер. Тем не менее эти растения являются основным источником производства сахара в мире.
Полимерные сахара являются основными компонентами растительной биомассы и служат главными продуктами питания человека, животных, используются в качестве материалов для строительства, производства одежды, а также в целом ряде других отраслей экономики. Углеводы можно экстрагировать из срэрой биомассы путем использования целого ряда химических и механических методов — от применения простого давления при переработке сахарного тростника до химического экстрагирования с высокими затратами энергии и сульфатной варки древесины.
В таблице 26 представлены некоторые виды сахаров (мономеры, олигомеры и полимеры), полученные из раалнчных видов растений и отходов биомасс. Выход углеводов колеблется в широком диапазоне (в расчете на сухую биомассу) и может составлять до 60% (целлюлоза) в древесине и около 15 — 20%э (сахароза) в сахарном тростнике и сахарной свекле. Гидролнз. Перед ферментапией. олигосахариды и полисахариды обычно следует гидролизовать до мойосахаридов в отдельном реакторе. Гидролиз целлюлозы и крахмала идет следующим образом: — ]СьН~оОэ] и — + пНэО -+ пСьНээ04.
Гидролизуемость материалов (легкость, с которой происходит гидролиз) в значительной степени варьирует. Крахмал и пентозаны (гемицеллюлозы) требуют относительно мягких условий. При их гидро- лизе используют разбавленные кислоты и невысокие температуры; гидролиз целлюлозы проходит при более высоких температурах, с использованием более сильных кислот и реакторов под давлением. Все полисахариды также разлагаются до некоторой степени под действием ферментов. Крахмал гидролизуется относительно легко под действием как кислоты, так и ферментов, в то время как целлюлоза обычно требует предварительной обработки для высвобождения связанного лигнина перед тем, как она будет подвержена ферментативному гидролизу.
Скорость гидролиза целлюлозы при участии ферментов низка. Наиболее часто встречающиеся моносахариды в гидролизованной растительной биомассе — зто глюкоза, фруктоза и ксилоза. Практически все природные сахара имеют в своей основе пять (пентоза) или шесть (гексоэа) атомных углеродных групп. Технология гидролиза крахмала является хорошо обоснованной. Обычным промышленным сырьем являются кукуруза и другие зерновые, а также картофель, переработка которых проходит в одну или две стадии (двойная кислота, кислота!фермент или двойной фермент).
Крахмал растворяется при нагревании в воде, что вызывает "разжижение" полисахаридов с расщеплением полимерных цепей кислотой или альфа-амилазой. Гидролиз до моносахаров (сахарификация) осуШествляется снова кислотой или амилоглюкозидазой. Продуктивность ферментативного процесса является низкой по. сравнению с химическими методами, и для осуществления максимальной сахарификации необходимо не менее трех дней. Хотя в прошлом специфичность реакции была хуже для кислого гидролиза, ферментируемые сахара получают теперь в пределах минут, а не часов, и сейчас фактически возможно получение большого выхода моносахаридов ]18] .
В настоящее время промышленный гидролиз целлюлозы в странах свободного рынка не осуществляется, так как разработанные ранее технологии, такие, как процессы Сколлера и Мэдисона, по имеюгцимся данным, являются незкономичными (19] . В настоящее время в литературе появились описания усовершенствованных процессов кислого гидролиза целлюлозы, а также новейших ферментативных процессов, включаюпШ* многофазовые реакции при различных температурах, предварительную обработку целлюлозы и использование новых видов ферментов. 55 Ферментация. В анаэробных условиях моносахариды могут быть превращены в спирт с помощью различных микроорганизмов.
Выход спирта при превращении гексоз с участием дрожжей рода йтсс/запзтусез составляет при благоприятных условиях до 90% от теоретической стехиометрии реакции: СьНгз04 + 2СзН,ОН+ 2СОз. Однако здесь может образовываться ряд других продуктов 120], особенно при высоких значениях рН, как это показано в таблице 27. Таблица 27, Продукты ферментвции глюкозы Таблица 2б. Продуктивность химических н биологических ревкцнй 1000 Продуктивность реактора Этаисл лрн периодической ферментзции Метанол из синтез-газа Специфическая активность квтзлизатсрв Фсрментапия с применением дрожжей Получение метанола нз сннтез- газа кг/м /ч 1 400-650 кг/кг/г 0,6 Этвнол двуокись углерода Глицерол 2,3-бутандиол Молочная кислота Янтарная кислота Уксусная кислота Муравьиная кислота Клетки 57,3 43,3 30,2 24,8 3,1 16,0 0,5 0,5 0,4 0,7 0,3 0,5 0,2 5,0 0,1 0,1 Примерно 4 Если реакция доходит до конца, превращение ферментируемых сахаров может быть 100%-ным.
Если концентрация спирта достигает ингибиторного уровня (8-10%), превращение может быть неполным. Рост дрожжей становится ограниченным вследствие низкого обеспечения энергией в ходе реакции; таким образом, образовавшийся спирт препятствует увеличению калорийности субстрата. Многие другие организмы, включая другие виды грибов, бактерий и зеленых растений, могут в аназробных условиях превращать сахара в спирт, причем некоторые организмы осуществляют эти превращения с высокой эффективностью, например бактерии Уутолзопат лзо/з///т 121] . Однако выход спирта часто бывает значительно меньше, чем при участии дрожжей, при этом происходит образование большого количества других продуктов, таких, как ацетаты, лактаты и глицерол. Некоторые микроорганизмы, например виды С!озгг///ит, разлагающие целлюлозу, могут сочетать оба процесса гидролиза и ферментации.
Такие реакции протекают медленно, и выход спирта является низким. Продуктивность спиртового брожения является высокой по сравнению с продуктивностью многих биологических реакций, но низкой по сравнению с продуктивностью реакций, протекающих в среде синтез- газа, используемых для получения больших объемов химических про- 56 дуктов (табл. 28). Биологические катализаторы (дрожжи) также менее эффективны, чем хньщческие, Эти наблюдения важны при сравнении стоимости химических и биологических процессов.
В своей простейшей форме ферментация осуществляется партиями в сосудах вместимостью от 200 до 2000 мз, Микробная "закваска" готовится заранее в неполных аэробных условиях с использованием того же субстрата, что и для ферментации. Реакция ферментации в разбавленном растворе сахара заканчивается через несколько дней; образовавшаяся жидкость содержит 5 — 10% спирта, в зависимости от источника сахара. За последние годы был использован ряд новых типов ферментаторов, включая ферментахоры непрерывного действия и типа клеточной рециркуляции, Некоторые из этих ферментаторов используются в промышленности, особенно для производства этилового спирта.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
