Преработка на биомасата чрез пиролиза

Пиролизата е термохимичен процес на топлинно разлагане на биомаса или друга органична материя в условия на висока температура, обикновено в границите от около 500 докъм 800 °С и безкислородна среда. На практика това е основна химична реакция, която предшества процесите на горене и газификация. Крайният продукт от пиролизата е смес от твърди (пиролизен въглен), течни (биомасло) и газови (метан, водород, въглероден оксид и въглероден диоксид) съставки, съотношението на които в голяма степен зависи от използвания метод на пиролиза, характеристиките на биомасата и параметрите на реакцията. Обикновено при относително ниски температури от порядъка на 450 °С и ниска скорост на загряване, по-голям дял в крайните продукти заема въгленът. При високи температури от порядъка на 800 °С и високи скорости на загряване, по-голям дял в крайните продукти заемат газовете. При средни температури и относително бързо загряване, основният продукт обикновено e пиролизно масло.

Пиролизата може да се извърши в относително малък мащаб и на отдалечени места, което спомага за подобряване на енергийната плътност на биомасата и намаляване на разходите за транспорт, товарене и разтоварване. Критичен момент при протичането на процеса е предаването на топлината, тъй като този процес е ендотермичен и е необходимо да се осигури достатъчно топлообменна повърхност, за да се гарантира добро загряване. Като цяло пиролизата предлага гъвкав и атрактивен начин за конвертиране на твърда биомаса в лесни за съхраняване и транспортиране продукти, които могат успешно да се използват за производство на топлинна и електрическа енергия, химикали и други.

Изисквания към използваната биомаса

На пиролизно разлагане може де се подложи на практика всяка органична материя. Този факт позволява използването на различни видове биомаса - от селскостопански отпадъци до твърди битови отпадъци. Добре е да се има предвид обаче, че процесът е силно зависим от съдържанието на влага в суровината. Препоръчително е влажността да не превишава 15%, като за подходяща се счита влажността от порядъка на около 10%. При по-високо съдържание на влага се отделят големи количества вода, а при по-ниски нива съществува риск продуктът от процеса да бъде предимно прах, а не масло. В случаите, в които съдържанието на влага в биомасата превишава препоръчителните нива, преди да се престъпи към процеса пиролиза е добре биомасата да бъда подложена на предварително изсушаване. Сред факторите, оказващи влияние на протичането на процеса и на неговата ефективност е и размерът на отделните частици на биомасата. В повечето случаи се препоръчва използването на суровина с размер на частиците най-много до около 2 mm, с оглед на необходимостта от бързо пренасяне на топлината между тях. По тази причина често се налага, преди да бъде подложена на пиролиза, биомасата предварително да бъде смляна, за да се постигнат подходящите размери.

Сред често използваните суровини са дървесина и дървесни отпадъци, енергийни култури като бързо растящи дървесни видове, селскостопански отпадъци и други. Освен влагосъдържанието, върху протичането на процеса влияние оказва и съдържанието на пепел в суровината. От икономическа гледна точка е добре да се вземат предвид разходите по производство, събиране и транспортиране и т. н.

Видове пиролиза

Пиролизата, в зависимост от начина на протичане на процеса, може да бъде класифицирана като бавна, със средна скорост и бърза. По-често срещано е класифицирането й на бърза и бавна. Бавната пиролиза е добре познат процес, използван от векове за производството на дървени въглища. Пълното протичане на процеса отнема няколко часа, а като краен продукт се получават предимно въглени. Днес по-широко разпространен и използван процес е бързата пиролиза. Протичането й отнема няколко секунди, а като краен продукт основно се получава пиролизно масло. Сред основните характеристики на бързата пиролиза са: загряване на биомасата до висока температура и бързо предаване на топлината, което налага използването на ситно смляна биомаса; внимателно контролиране на температурата на реакцията в парната фаза; време на престой на парите от пиролизата в реактора по-малко от 1 секунда; бързо охлаждане на пиролизните пари за производство на биомасло.

Използвани съоръжения

За протичане на процеса пиролиза се използват няколко вида реактори. Тъй като на практика пиролизата е процес, предшестващ процесите на изгаряне и газификация, се приема, че могат да се използват същите реактори, намиращи приложение в газификацията. Съответно, едни от най-често използваните са реакторите с кипящ слой (Fluid bed reactor). Сред причините за това е сравнително по-простото проектиране и изграждане в сравнение с други реактори. Също така те осигуряват добър контакт между газа и твърдата част, добър пренос на топлина, добър температурен контрол и добри възможности за съхраняване на топлина. Приложение намират и реакторите с неподвижен слой (Fixed bed reactor ).

Когато се цели получаването предимно на пиролизно масло, се препоръчва използването на няколко конструкции, сред които реактор с увличащ поток (Entrained flow reactor), реактор с циркулиращ кипящ слой (Circulating fluid bed reactor), вакуум реактор (Vacuum furnace reactor), вихров реактор (Vortex reactor). Условията за успешно протичане на процеса включват температури от порядъка на 450 - 650 оС и кратък престой на парите в реактора.

Характеристики на получените продукти

Както бе споменато, основните продукти на пиролизата са течни, твърди и газообразни продукти. Към момента, според специалисти, по-сериозен е интересът към производството на течни продукти поради високата енергийна плътност и потенциалът им да бъдат заместител на петрола.

Суровото пиролизно масло представлява гъста тъмно кафява до черна течност, която по отношение на съставните си елементи се доближава до състава на биомасата. Характеризира се с малко по-висока калоричност и основно се състои от окислени въглеводороди. Полученото от процеса пиролиза масло не се препоръчва за директна употреба в стандартни двигатели с вътрешно горене. То обаче може да бъде подобрено или разградено до течни въглеводородни горива, а също така преработено до синтетичен газ и използвано за производството на биодизел. Пиролизното масло, също така се счита за подходящо за използване в процеса на съвместно изгаряне, тъй като с него се работи по-лесно, то изгаря по-лесно, в сравнение с твърдите горива, а в същото време е по-евтино за транспортиране и съхранение. Пиролизното масло се явява и важен източник на органични съединения и специални химикали.

Получените твърди продукти от пиролизата или въглена, към момента има ограничено приложение. Той може да се използва в химическата промишленост и за горене. Едно от възможните му приложения е свързано с ограничаване на въглеродните емисии. Известно е, че изгарянето и разграждането на дървесната биомаса и селскостопанските остатъци е свързано с отделянето на големи количества въглероден диоксид. Счита се, че пиролизният въглен може да съхрани този въглероден диоксид в почвата и по този начин да ограничи емисиите от парникови газове, а в същото време подобрява характеристиките на почвата, като повишава съдържанието на хранителни вещества, допринася за задържането на водата в почвата и предотвратява извличането на хранителни вещества. Също така често полученият въглен се смесва с вода или пиролизно масло за получаване на течен продукт.

Полученият при процеса пиролизен газ се състои основно от въглероден окис и водород, които обикновено заемат около 85%. Други съставки са въглероден двуокис, азот, метан и различни други въглеродни газове. Тъй като този газ е калоричен, той може да се използва като гориво за производството на електроенергия или пара. Може да се използва и като суровина в нефтохимическата и рафиниращата промишленост. Добре е да се има предвид, че калоричността на получения газ зависи от изходната суровина.

Процесът пиролиза се характеризира с висока ефективност и добри екологични показатели. Приема се за добра възможност за преработка на селскостопански отпадъци, дървесни отпадъци, твърди битови отпадъци в течни продукти като сурово пиролизно масло или смес от пиролизен въглен с вода или масло, които са лесни за транспортиране, съхранение, изгаряне, преработване.