Що таке біовугілля або гідротермальна карбонізація біомаси?

В останні роки все більшого поширення набуває тверде паливо, створене на основі поновлюваних джерел енергії. Один з його найбільш популярних видів – біовугілля (biocoal), вугілля, вироблене з біомаси та зовні схоже на викопного побратима.

І перед біомасою, і перед викопним вугіллям у біовугілля є цілий ряд переваг:

• висока теплотворна здатність (20-30 МДж/кг);
• низький вміст токсичних речовин (сірки і важких металів);
• висока ефективність згоряння;
• низька емісія NOx;
• висока температура плавлення золи (1400 °C) забезпечує усунення проблем, пов'язаних зі спіканням біомаси та шлакування в котлах;
• висока енергетична щільність, завдяки якій знижуються транспортні витрати, потрібні менші об’єми складських приміщень;
• можливість тривалого зберігання без змін властивостей;
• висока гідрофобність, що дозволяє обходитися без особливого режиму зберігання.

Крім того, біовугілля є CO₂-нейтральним джерелом енергії.

У ФРН, наприклад, згідно із законами про поновлювані джерела енергії (EEG) та їх використання для опалення (EEWarmeG), біовугілля відповідає всім нормативним вимогам, при спалюванні 1 т біовугілля редукується 2,5 т викидів CO₂.

Для виробництва біовугілля застосовується технологія, заснована на процесі гідротермальної карбонізації.

Процес гідротермальної карбонізації (Hydrothermal carbonization – НТР) в 1913 році вперше описав німецький вчений Фрідріх Бергіус (він відомий також тим, що відкрив спосіб отримання з вугілля синтетичних рідких моторних палив, завдяки чому фашистська Німеччина під час Другої світової війни покривала значну частину своєї потреби в бензині та літаковому паливі).

У 1931 році за заслуги в області відкриття і розробки хімічних процесів високого тиску, в тому числі і гідротермальної карбонізації, Бергіус був удостоєний Нобелівської премії з хімії.

У процесі HTC біомаса вологістю до 80% з низькою теплотворністю перетворюється на біовугілля, порівняне за властивостями з викопним вугіллям.

Гідротермальна карбонізація схожа з природним процесом утворення викопного вугілля, тільки те, що в природі тривало мільйони років, можна здійснити протягом лічених годин. При температурі 180-220 °C, тиску 10-25 бар, без доступу повітря і з додаванням каталізатора біомаса зневоднюється і карбонізується протягом 6-12 год до CO₂-нейтрального біовугілля. Таке біовугілля можна або спалювати для генерації теплової енергії, або використовувати в різних технологічних процесах у промисловості замість викопного вугілля.

Процес НТС в цілях отримання паливного біовугілля не застосовувався довгі роки з однієї простої причини: низькі світові ціни на енергоносії.

Гідротермальна карбонізація

Процес починається з підготовки біомаси: з неї видаляють механічні домішки (пісок, каміння і т. п.), потім подрібнюють і змочують. Далі біомасу відправляють в реактор (реторту) HTC, в якому за допомогою пари створюється тиск 10-25 бар та температура 180-220 °C.

У ході реакції утворюються гідроксонії (гідроксоній, оксоній, гідроній) НЗО+ (комплексний іон, сполучення протона з молекулою води), які знижують pH маси до 5 і нижче. Цей процес можна прискорити, додавши в реактор лимонну кислоту. Причому потрібно врахувати, що за низьких pH більша кількість вуглецю перетворюється на рідку фазу. Реакція екзотермічна, тобто протікає з вивільненням енергії. Через 12 год 90-99% вуглецю переходить в водянисту суспензію у вигляді пористих зерен вугілля (C6H2O) з розміром пор від 8 до 20 нм.

Інша частина вуглецю (від 1 до 10%) частково залишається в рідкій фазі у вигляді водної суспензії, частково викидається в атмосферу у вигляді вуглекислоти. Рівняння реакції в спрощеному вигляді можна записати в такій формі:


Реакцію можна зупинити і раніше з отриманням при цьому інших проміжних продуктів. Наприклад, через 8 год можна отримати продукт, схожий за складом з торфом, а протягом першої години – гідрофобні проміжні продукти (ліпіди).

Охолоджена вугільна суспензія за допомогою механічного пресування зневоднюється до такого стану, коли в ній залишається 50-60% вихідного вмісту води. Велика частина сепарованої води використовується в наступних циклах виробництва. Після механічного зневоднення продукт підлягає подальшій сушці до вологості, необхідної замовнику; зазвичай це 5-25%.

У ході екзотермічної реакції в процесі гідротермальної карбонізації вивільняється теплова енергія, еквівалентна приблизно 3/8 теплотворної здатності біомаси в перерахунку на сухий стан, а при високому вмісті в рослинній біомасі лігніну або різних олій – до 1/4 теплотворної здатності біомаси.

При грамотному регулюванні процесу карбонізації тепло, що вивільняється, можна використовувати для сушіння отриманого вугілля або для вироблення електроенергії. Оскільки отримане вугілля можна зневоднювати механічним способом, для його кінцевого підсушування потрібно менше теплової енергії в порівнянні з класичним процесом сушіння.

Виробничий процес характеризується майже 100%-вою вуглецевою ефективністю (вуглецева ефективність – це перехід наявного в біомасі вуглецю в кінцевий продукт): майже весь вуглець з органічної біомаси трансформується в біовугілля.

У всіх відомих процесах переробки біомаси в біопаливо вуглецева ефективність незначна. Наприклад, при виробництві деревного вугілля (вуглевипалювання) вуглецева ефективність становить 30%, при анаеробному бродінні рослинної біомаси в біогазових установках – 50%, при бродінні біомаси – 67%, а при отриманні гумусу компостуванням – всього 5-10%. Інша частина вуглецю, що міститься в біомасі, при виробництві біопалива викидається в атмосферу у вигляді вуглекислого газу або метану в біогазових установках, що негативно впливає на навколишнє середовище. При НТС-процесі метан не утворюється і лише в незначних кількостях виділяється двоокис вуглецю. Процес HTC є екзотермічним – у ході трансформації біомаси в біовугілля звільняється енергія, що створює позитивний енергобаланс.

Після сушіння на виході виходить дрібнофракційне пилоподібне біовугілля, яке можна складувати в силос з автодозатором для завантаження насипом в залізничні вагони або автотранспорт, а можна і пресувати в пеллети або брикети.

Переваги НТС-технології перед іншими технологіями переробки біомаси:

• висока ефективність;
• відсутність необхідності попереднього сушіння біомаси, що дозволяє значно знизити вартість обладнання;
• можливість використання самих різних видів біомаси, включаючи низькоякісну, яка придатна тільки для утилізації;
• простота обслуговування обладнання та низькі експлуатаційні витрати;
• висока екологічність технології, що виключає забруднення навколишнього середовища;
• можливість використання суміші, що складається з різних видів біомаси.

Крім того, теплова енергія, що отримується в ході екзотермічного процесу, використовується для підсушування кінцевої продукції до необхідної вологості.

За допомогою гідротермальної карбонізації можна отримувати і інший якісний продукт – біочар (biochar). Сhar – це твердий продукт розкладання натуральних або синтетичних органічних матеріалів. А будь-який продукт, отриманий в процесі гідротермальної карбонізації (НТС), в англомовній науковій літературі називають hydrochar.

На думку автора, можна закінчити процес карбонізації на годину раніше і назвати отриману продукцію біочаром. Біочар використовується в сільському господарстві для підвищення родючості сухих, виснажених грунтів, що містять невелику кількість перегною. Пористість біочара дозволяє в значній мірі затримувати в грунті поживні речовини і воду. Лабораторні та польові досліди, а також результати використання біочара в сільському господарстві багатьох країн підтвердили його вплив на стимулювання росту культур при низькому споживанні води, що особливо актуально для посушливих регіонів. Біочар покращує біологію грунту та його родючість, дозволяє зменшити кількість внесених у грунт добрив. Крім усього, біочар пов'язує CO2 в грунті на тривалий термін і тим самим забезпечує зниження викидів парникових газів в атмосферу. У складі біочара немає токсичних речовин та важких металів.

Європейські виробники біовугілля

Швейцарська група компаній AVA-CO2 Schweiz AG в 2010 році ввела в експлуатацію першу в світі промислову установку для виробництва біовугілля за технологією НТС продуктивністю 8400 т на рік, а через два роки була запущена і друга подібна установка.

AVA-CO2 використовує технологію періодичного (порційного) НТС-процесу, в порівнянні з безперервним способом це більш простий та надійний процес. Устаткування скомплектовано за модульним принципом, що дозволяє його легко монтувати і інтегрувати в наявну інфраструктуру. AVA-CO2 запатентувала свої продукти під марками AVA cleancoal та AVA biochar.

Технологія НТС дозволяє переробляти не тільки рослинну біомасу (деревину, солому і т. п.), але й органічні відходи харчових виробництв, а також біомасу з дуже великим вмістом вологи (стічні та каналізаційні шлами як підприємств, так і населених пунктів). З таких шламів, крім біовугілля, з використанням карбонізації можна одержувати й інші цінні речовини, наприклад фосфор та важкі метали. Над створенням такої технології фахівці AVA-CO2 зараз працюють спільно з Федеральним управлінням охорони навколишнього середовища Швейцарії (BAFU) та Інститутом прикладних наук в Цюріху.

У компанії є дочірня фірма в м. Карлсруе (ФРН, Федеральна земля Баден-Вюртенберг), де за допомогою співробітників місцевого Технологічного інституту і був реалізований перший проект AVA-CO2 – установка НТС продуктивністю 8400 т біовугілля на рік.

Під Берліном в 2010 році був побудований найбільший на сьогодні завод з виробництва біовугілля з різних відходів продуктивністю 12 тис. т на рік за технологією AVA-CO2. AVA-CO2 також співпрацює з багатьма сільгосппідприємствами та науково-дослідними центрами в країнах Євросоюзу з метою розширення використання біочара в АПК.

Компанія Carbon Solutions Deutschland GmbH з Телтова (південне передмістя Берліну) заявила про своє ноу-хау – НТС-технологію для отримання біовугілля з листя, трави та пивної дробини за 90 хв. при тиску 20 бар і температурі близько 200 °C.

Ключовим вузлом лінії для виготовлення біовугілля є два реактори, що дозволяє використовувати мінімальні виробничі площі та зменшити втрати теплової енергії. Carbon Solutions запатентувала під маркою carbonPure спеціальний фільтр, конструкція якого створена з композитних матеріалів для очищення відпрацьованої води. Після карбонізації кожної тонни біомаси з декількох сотень літрів води, використаних в процесі, тільки невелика частина може бути задіяна в наступному циклі, при цьому решту воду не можна було зливати безпосередньо в стічно-каналізаційну систему у зв'язку з високою концентрацією вуглецевих сполук.

Розробка компанії Carbon Solutions вирішила цю проблему: всю відфільтровану воду тепер можна використовувати в цілях виробництва, наприклад для підживлення котлів, що виробляють пар в процесі карбонізації. А висококонцентрований субстрат, що утворюється в фільтрі, завжди буде затребуваний як високоякісне добриво. Ця лінія була розроблена і змонтована в 2010 році за участю професора факультету колоїдної хімії Інституту Макса Планка з Потсдама Маркуса Антоніетті.

За словами пана Антоніетті, потрібно всього лише 6,7% світового об’єму біомаси, для того щоб повністю відмовитися від викопних видів палива. А потенційний об’єм ринку біовугілля професор оцінює в 200 млрд євро на рік, беручи до уваги, що вартість біовугілля, яке може використовуватися як добавка до бетонних розчинів у будівництві і як сорбційний матеріал в багатьох галузях, досягає 2 тис. євро за тонну. Технології НТС є альтернативою іншим способам переробки біомаси, які потребують великих витрат на попереднє зневоднення і сушку.

Carbon Solutions щорічно використовує в якості сировини для виробництва біовугілля опале листя, гілки та обрізки дерев, що залишаються після ландшафтних робіт, загальна вага яких становить 41 тис. т. І це тільки в одному передмісті Берліна, а всього в столиці ФРН та її передмістях збирається близько 1, 2 млн т таких відходів на рік, і майже вся ця біомаса використовується зараз тільки як компост при відкритому складуванні на спеціальних полігонах.

Carbon Solutions бере участь в європейській програмі EU-Projekt Eurochar. У цій програмі беруть участь також компанії та інститути Франції, Великобританії та Італії. Зараз Carbon Solutions виконує замовлення на монтаж устаткування для отримання біовугілля продуктивністю 10 тис. т на годину для одного з німецьких промислових підприємств.

Biocoal та biochar: в чому різниця?

«Biocoal та biochar – це продукти для різних цілей і не завжди одне і те ж за походженням, – каже головний спеціаліст ЗАТ «Лонос-технологія», канд. техн. наук Юрій Юдкевич. – В основі технології виробництва biocoal лежить ідея заміни мінерального палива відновлюваним, при цьому biocoal не повинен поступатися кам'яному вугіллю за характеристиками: теплотворною здатністю, спроможністю подібно кам'яному вугіллю подрібнюватися в пил для спалювання в вихрових топках, гідрофобністю, підвищеною щільністю. Всі ці характеристики можна забезпечити при торрефікаціі деревини, м'якому піролізі.

Biochar – так в англомовних країнах назвали деревне вугілля, що вноситься в грунт для підвищення родючості. Тепер це стало дуже модним і дуже розвиненим напрямом в агрономії не тільки в розвинених країнах, але і в Китаї, інших країнах Азії та Латинської Америки. Збираються конгреси, світові та регіональні, пишуться дисертації та статті, складаються концепції... »

У Росії, за словами фахівця, великого інтересу до виробництва та використання продукту biochar немає. Хоча на ряді російських підприємств, що виробляють деревне вугілля, є продукція, яка повністю відповідає biochar.

А тепер інформація для роздумів. У випущеному в 1987 році видавництвом «Лісова промисловість» підручнику для студентів лісотехнічних вузів «Технологія лісохімічних виробництв», в главі 6 «Характеристика термічних методів переробки деревини» читаємо:

«... У підручниках та науковій літературі застосовується кілька термінів для позначення поняття «піроліз деревини», що вкрай ускладнює використання автоматизованих систем науково-технічної інформації. Термін «карбонізація» хоча і розкриває сутність процесу піролізу, в літературі зустрічається рідко, і тому з метою уніфікації термінології від його застосування слід відмовитися. У цьому підручнику прийнятий термін «піроліз деревини», який повно відображає сутність процесу і завоював останнім часом широке визнання лісохіміків... Процес піролізу деревини при температурах нижче початку інтенсивного розпаду з виділенням тепла, наприклад, в середовищі рідкого теплоносія, прийнято називати передпіролізом».

Цією цитатою можна підтвердити слова пана Юдкевича і назвати процес гідротермальної карбонізації (НТС) різновидом піролізу, враховуючи що в англомовних країнах процес часто називають гідропіролізом або рідким піролізом.

Виходячи з вищесказаного, можна вважати, що до сьогоднішнього дня так і не уніфікована термінологія для вугілля, отриманого з біомаси. У західноєвропейських наукових колах, наприклад в середовищі грунтознавців, прийнято називати продукт, отриманий шляхом НТС, гідровугіллям (hydrocoal), а шляхом класичного піролізу – піровугіллям (pyrocjal). Часто біовугіллям називають тільки той продукт, який виходить шляхом піролізу, хоча таке вугілля може вноситися і в грунт як добриво. Багато хто називає біовугіллям (biocoal) все вугілля, отримане з біомаси.

Однак є одна обставина, яку не можна не враховувати: згідно заявам європейських розробників, при процесі НТС, на відміну від піролізу, за рахунок високого тиску руйнується первісна клітинна структура біомаси. Тому у гідровугілля більш гомогенна і щільна структура, а також велика – до 25 МДж/кг теплотворність (для порівняння: теплотворність деревного вугілля 17 МДж/кг, бурого – 21 МДж/кг). У гідровугілля нижче зольність та емісія NOx при згорянні. Тому гідровугілля оптимально підходить для вироблення тепла та генерації електроенергії.

На думку автора, технологію НТС доцільно використовувати в наших умовах, в першу чергу з причини невисоких вимог до сировини (склад, вологість), а також зважаючи на її високу енергоефективність, простоту та широкі можливості застосування на внутрішньому ринку.