Пиролизное масло , иногда также известное как бионефть или бионефть , представляет собой синтетическое топливо с ограниченным промышленным применением и исследуется в качестве заменителя нефти . Его получают путем нагревания высушенной биомассы без кислорода в реакторе при температуре около 500 °С (900 °F) с последующим охлаждением, отделением от водной фазы и другими процессами. Пиролизное масло представляет собой разновидность смолы и обычно содержит слишком высокий уровень кислорода, чтобы его можно было считать чистым углеводородом . Такое высокое содержание кислорода приводит к нелетучести, коррозионной активности, частичной смешиваемости с ископаемым топливом , термической нестабильности и склонности к полимеризации при воздействии воздуха. [1] Таким образом, он заметно отличается от нефтепродуктов. Удаление кислорода из бионефти или азота из водорослевой бионефти называется модернизацией. [2]
Существует мало стандартов на пиролизное масло из-за ограниченных усилий по его производству. Один из немногих стандартов – ASTM . [3]
Пиролиз — хорошо зарекомендовавший себя метод разложения органических материалов при повышенных температурах и отсутствии кислорода на нефть и другие компоненты. В биотопливе второго поколения в качестве сырья могут использоваться лесные и сельскохозяйственные отходы, древесные отходы, садовые отходы и энергетические культуры.
Когда древесина нагревается выше 270 °C (518 °F), начинается процесс разложения, называемый карбонизацией . В отсутствие кислорода конечным продуктом является древесный уголь . Если присутствует достаточно кислорода, древесина сгорит, когда достигнет температуры около 400–500 ° C (752–932 ° F), оставив после себя древесную золу . Если древесина нагревается вдали от воздуха, влага сначала удаляется, и пока это не будет завершено, температура древесины остается примерно 100–110 ° C (212–230 ° F). Когда древесина высыхает, ее температура повышается, и примерно при 270 °C (518 °F) она начинает самопроизвольно разлагаться и выделять тепло. Это хорошо известная экзотермическая реакция, происходящая при горении древесного угля. На этом этапе начинается выделение побочных продуктов карбонизации. Эти вещества выделяются постепенно по мере повышения температуры, и примерно при 450 °C (842 °F) выделение завершается.
Твердый остаток, древесный уголь, состоит в основном из углерода (около 70%), а остальная часть представляет собой смолоподобные вещества, которые можно удалить или полностью разложить только при повышении температуры примерно до 600 °C с получением Biochar , высокоуглеродистого вещества. , мелкозернистый остаток, который сегодня производится с помощью современных процессов пиролиза , который представляет собой прямое термическое разложение биомассы в отсутствие кислорода , что предотвращает горение , с получением массива твердого вещества (биоуголь), жидкости — пиролизного масла (биомасла). /пиролиз-нефть) и продукты газа ( сингаз ). Удельный выход пиролиза зависит от условий процесса. такие как температура, и могут быть оптимизированы для производства энергии или биоугля. [4] При температуре 400–500 °C (752–932 °F) образуется больше угля , а при температуре выше 700 °C (1292 °F) повышается выход жидких и газообразных компонентов топлива. [5] Пиролиз происходит быстрее при более высоких температурах, обычно для этого требуются секунды, а не часы. Высокотемпературный пиролиз, также известный как газификация , дает в основном синтез-газ . [5] Типичный выход составляет 60% бионефти , 20% биоугля и 20% синтез-газа. Для сравнения, медленный пиролиз может дать значительно больше угля (~ 50%). Для типичных входов энергия, необходимая для работы «быстрого» пиролиза, составляет примерно 15% энергии, которую он выдает. [6] Современные пиролизные установки могут использовать синтез-газ, образующийся в процессе пиролиза, и производить в 3–9 раз больше энергии, необходимой для работы.
Водоросли могут подвергаться воздействию высоких температур (~ 500 °C) и нормального атмосферного давления. Полученные продукты включают масло и питательные вещества, такие как азот, фосфор и калий. [7]
Имеется множество работ по пиролизу лигноцеллюлозной биомассы. Однако имеется очень мало отчетов о производстве бионефти из водорослей посредством пиролиза. Мяо и др. (2004b) провели быстрый пиролиз Chllorella protothecoides и Microcystis areuginosa при 500 °C, и были получены выходы бионефти 18% и 24% соответственно. Биомасло имело более высокое содержание углерода и азота и более низкое содержание кислорода, чем древесное биомасло. При гетеротрофном культивировании Chllorella protothecoides выход бионефти увеличивался до 57,9% при теплотворной способности 41 МДж/кг (Miao et al., 2004a). В последнее время, когда микроводоросли стали горячей темой исследований как третье поколение биотоплива, пиролиз привлек больше внимания как потенциальный метод преобразования для производства водорослевого биотоплива. Пан и др. (2010) исследовали медленный пиролиз Nannoхлоропсиса sp. остаток в присутствии катализатора HZSM-5 и без него и полученная бионефть, богатая ароматическими углеводородами, в результате каталитического пиролиза. Пиролитические жидкости водорослей разделяются на две фазы, верхняя фаза которых называется бионефтью (Campanella et al., 2012; Jena et al., 2011a). Более высокие теплотворные способности (HHV) водорослевого бионефти находятся в диапазоне 31–36 МДж/кг, что обычно выше, чем у лигноцеллюлозного сырья. Пиролитическая бионефть состоит из соединений с более низкой средней молекулярной массой и содержит больше низкокипящих соединений, чем бионефть, полученная гидротермальным сжижением. Эти свойства аналогичны свойствам сланцевой нефти штата Иллинойс (Jena et al., 2011a; Vardon et al., 2012), что может указывать на то, что пиролитическая бионефть подходит для замены нефти. Кроме того, высокое содержание белка в микроводорослях привело к высокому содержанию N в бионефти, что привело к нежелательным выбросам NOx во время сгорания и дезактивации кислотных катализаторов при совместной переработке на существующих 10 нефтеперерабатывающих заводах. Водорослевое бионефть во многих аспектах обладало лучшими качествами, чем масло, полученное из лигноцеллюлозной биомассы. Например, водорослевое бионефть имеет более высокую теплотворную способность, более низкое содержание кислорода и значение pH выше 7. Однако модернизация в сторону удаления азота и кислорода из бионефти по-прежнему необходима, прежде чем ее можно будет использовать в качестве альтернативного топлива. [8]
Гидротермальное сжижение (HTL) — это процесс термической деполимеризации , используемый для преобразования влажной биомассы в нефть [9] — иногда называемую бионефтью или биосырью — при умеренной температуре и высоком давлении [10] 350 °C (662 °F) и 3000 фунтов на квадратный дюйм (21000 кПа). Нефть, подобная сырой нефти (или бионефть), имеет высокую энергетическую плотность с более низкой теплотой сгорания 33,8-36,9 МДж/кг и содержит 5-20 мас.% кислорода и возобновляемых химикатов. [11] [12]
Процесс HTL отличается от пиролиза , поскольку он может перерабатывать влажную биомассу и производить бионефть, плотность энергии которой примерно в два раза выше, чем у пиролизного масла. Пиролиз — это процесс, родственный HTL, но для увеличения выхода биомассу необходимо обрабатывать и сушить. [13] Присутствие воды при пиролизе резко увеличивает теплоту испарения органического материала, увеличивая энергию, необходимую для разложения биомассы. Типичные процессы пиролиза требуют содержания воды менее 40% для надлежащего преобразования биомассы в бионефть. Это требует значительной предварительной обработки влажной биомассы, такой как тропические травы, содержание воды в которой достигает 80-85%, и даже дальнейшей обработки водных видов, содержание воды в которых может превышать 90%. Согласно Algal HTL, на свойства полученного бионефти влияют температура, время реакции, вид водорослей, концентрация водорослей, реакционная атмосфера и катализаторы в субкритических условиях реакции с водой.
Бионефть обычно требует значительной дополнительной обработки, чтобы сделать ее пригодной в качестве сырья для нефтепереработки для замены сырой нефти, полученной из нефти , каменноугольного масла или каменноугольной смолы .
Деготь — это черная смесь углеводородов и свободного углерода , получаемая из самых разных органических материалов путем деструктивной перегонки . [14] [15] [16] [17] Деготь можно производить из угля , древесины , нефти или торфа . [17]
Креозот древесной смолы представляет собой жирную жидкость от бесцветного до желтоватого цвета с дымным запахом, при горении образует коптящее пламя и имеет привкус горелого. Он неплавуч в воде, имеет удельный вес от 1,037 до 1,087, сохраняет текучесть при очень низкой температуре, кипит при 205-225°С. Когда он прозрачен, он находится в чистом виде. Для растворения в воде требуется в 200 раз больше воды, чем для основного креозота. Креозот представляет собой комбинацию природных фенолов : в первую очередь гваякола и креозола (4-метилгваякола), которые обычно составляют 50% масла; второе место по распространенности занимают крезол и ксиленол ; остальное представляет собой комбинацию монофенолов и полифенолов .
Пек — это название любого из ряда вязкоупругих полимеров . Пек может быть природным или искусственным, полученным из нефти , каменноугольной смолы [18] или растений.
Черный щелок и талловое масло являются вязкими жидкими побочными продуктами производства древесной массы.
Резиновое масло – продукт метода пиролиза переработки изношенных шин.
Биотопливо синтезируется из промежуточных продуктов, таких как синтез-газ, с использованием методов, идентичных процессам с использованием обычного сырья, биотоплива первого и второго поколения. Отличительной особенностью является технология производства промежуточного продукта, а не конечного продукта.
Биоперерабатывающий завод — это предприятие, которое объединяет процессы и оборудование для переработки биомассы для производства топлива, электроэнергии, тепла и химических веществ с добавленной стоимостью из биомассы . Концепция биопереработки аналогична сегодняшним нефтеперерабатывающим заводам , которые производят различные виды топлива и продуктов из нефти . [19]
Бионефть — это недавний претендент на технологию улавливания углерода. Стебли кукурузы путем пиролиза превращаются в бионефть, которую затем закачивают под землю. [25]
В настоящее время бионефть имеет ограниченное промышленное применение. Сообщается о применении в производстве оксида цинка в качестве источника тепла. [26] В этом случае топливо заменило мазут в качестве биогенного источника тепла. [27] Бионефть используется в печных горелках в качестве прямой замены практически без изменений в эксплуатационных результатах. Топливо имеет более высокое содержание воды и кислорода, что обеспечивает более высокий объемный расход при той же теплоемкости.
{{cite journal}}: Требуется цитировать журнал |journal=( помощь )По мнению исследователей, этот процесс очень легко осуществить.
Древесная щепа — Адамс и его коллеги использовали сосну, подвергают пиролизу или нагреву в отсутствие кислорода, чтобы вызвать разложение, в результате которого образуется древесный уголь и газ.
Газ быстро конденсируется с образованием жидкости, называемой бионефтью.
«Вы не можете использовать бионефть в качестве сырого топлива, потому что в ней слишком много кислорода и воды, она растворяется в воде. Вот почему она не используется в двигателях», — сказал Адамс.
Для использования в дизельных двигателях биомасло должно растворяться в биодизельном топливе, альтернативном дизельном топливе, которое производят из животных жиров или растительных масел.
Однако высокое содержание воды и кислорода предотвращает это.
После того, как команда Адамса провела химическую обработку, большая часть воды была удалена, а биомасло смешано с биодизельным топливом и испытано в обычных дизельных двигателях.