Biohemiska prerada

Green Partnerships Local Partnerships for Greener Cities and Regions

Biomasa

Name:

Date:

2

Biomasa 5.

Tehnologije obrade i prerade biomase

Dr Vladan Božović

3

PRIMARNE TEHNOLOGIJE OBRADE BIOMASE

Osnovni problem u preradi biomase je velika vlaga,a nedostatak je mala energetska vrijednost po jedinici mase.

Prerada biomase se vrši sa ciljem dobijanja pogodnijeg oblika zatransport, skladištenje i upotrebu.

4


Primarne i sekundarne tehnologije obrade biomase

5

PRIMARNE TEHNOLOGIJE OBRADE BIOMASEMehanička prerada

Tehnologija briketiranja – peletriranja

Usitnjeni materijal pod viskom pritiskom se pretvara u kompaktnu formu velike zapreminske mase, pogodne za daljumanipulaciju i korišćenje.

Konačan proizvod briketiranja naziva se briket.

Proces briketiranja primjenjuje se odavno u rudnicima uglja.Na klipnoj presi presuje se prašina i sitni otpatci od uglja.

6



7



Faze u procesu dobijanja briketa su:

1. Usitnjavanje sirovine do određene granulacije2. Sušenje sirovinskog materijala do određene vlažnosti (400C)3. Transport usitnjenog materijala4. Doziranje sirovine (15 kg ili 1000 kg)5. Presovanje u presama za briketiranje6. Skraćivanje briketa na potrebnu dužinu7. Hlađenje i pakovanje gotovih briketa

8



9



Sam postupak briketiranja se sastoji u sabijanju lignoceluloznogmaterijala u što manju zapreminu pomoću presa.

Za drvnu biomasu, u formi drvenog čipsa, što su granuliranikomadi drvne biomase veličine do 12 mm, ekonomskiprihvatljivo rastojanje eksploatacije do mjesta upotrebe je do 100 km, a za agrobiomasu ekonomski prihvatljivo rastojanje je do 50km. Pelete omogućavaju da se ekonomski prihvatljivarastojanja od mjesta obrade do mjesta upotrebe produže na1600km. Međunarodno tržište peleta je veoma dobro organizovano i bezobzira na međunarodne ekonomske uslove, kao biogorivo peletisu uvijek traženi.

10


Sagorijevanje peleta/briketa

11



Nedostaci briketiranja su:

1.Potrebna je priprema materijala na određenu vlažnost igranulaciju2.U izvjesnim slučajevima su neophodni aditivi3.Mora se ulagati u novu tehnologiju koja je nužna za odvijanjeprocesa4.Neophodna je potrošnja energije.

12


Mehanička prerada

Tehnologija peletriranja

Faze: usitnjavanje materijala, sušenje, presovanje (peletiranje) i hlađenje. Riječ je o presovanju osušenog čipsa, pri čemu se dobijaju pelete prečnika 6-8 mm.

Godišnje potrošnja peleta u porastu, npr. u srednjoj Europi: 2001. 120.000 t, 2002. 200.000 t, 2010. 1.000.000 t

13

PRIMARNE TEHNOLOGIJE OBRADE BIOMASEBiohemiska prerada

Anaerobna digestija (truljenje, razgradnja)

Anaerobna digestija (bez prisustva kiseonika) proizvodibiogas: metan, ugljen dioksid, nešto vodonika i ostalih gasova u tragovima, vrlo malo toplote i konačni proizvod (đubrivo) savelikom količinom azota nego što se proizvodi pri aerobnojfermentaciji. Takvo đubrivo sadrži azota u mineraliziranomobliku (amonijak) koje biljke mogu brže preuzeti nego organskiazot (posebno pogodno za pođubrivanje obradivih površina).

14



Sam proces anaerobnog vrenja se odvija u tri faze, i to:

1) Hidroliza – u ovoj fazi dolazi do razgradnje velikih molekula namanje i početak razvoja kiselinskih bakterija.

2) Kiselinska faza – u ovoj fazi se raspadaju molekuli proteina, masnoća i ugljenih hidrata – na organske kiseline, ugljendioksid, vodonik, amonijak, alkohole i dr. Raspad molekula izazivajukiselinske bakterije.

3) Metanska faza – u ovoj fazi nastavlja se dalja razgradnjaorganskih materija i intenzivno stvaranje metana iugljendioksida (u neznatnoj meri i drugih gasova).

15



16



Za uspješan tok anaerobnog vrenja (postizanje visokog stepenarazgranje organskih materija) potrebno je da budu ispunjeni određenitehnološki uslovi: Krupnoća i vrsta materije koja se izlaže fermentacijiTemperatura procesaOtsustvo kiseonikaVrijeme trajanja procesaOtklanjanje plivajuće kore sa površine fermetisane maseKiselost (pH vrednost) maseKvalitet metanskih bakterijaPritisak u sudu (digestoru) u kojem se proces fermentacije odvijaDrugi specifični uslovi vezani za prisustvo različitih materija, antibiotika i dr.

17


Proizvodnja Biogasa Biogas: mješavina- metana CH4 (40-75 %), - ugljen dioksida CO2 (25-60 %) i- otprilike 2 % ostalih gasova ( H2, H2S, CO).

Biogas je otprilike 20 % lakši od vazduha bez mirisa i boje. Temperatura sagorijevanja mu je između 650 i 750 oC, a gori čisto plavim plamenom. Njegova kalorijska vrijednost je oko 20 MJ/m3 i gori sa oko 60 %-om efikasnošću.

Postrojenje za proizvodnju biogasa naziva se digestor. Budući da se u njemu događaju različite hemijske i mikrobiološke reakcije, poznat je i kao fermentator, bioreaktor ili anaerobni reaktor. Glavna mu je funkcija da pruži anaerobne uslove (nepropustan za vazduh i vodu).

18


Proizvodnja Biogasa

Kompletni digestorski sistem sastoji se od jame (cistjerne) za sakupljanje gnojiva, rezervoara za mješanje, cijevi za odvođenje, digestora, rezervoara i sistema za odvođenje biogasa.

19


Biohemiska prerada

Biogas (sirovina)

Količina biogasa i energija dobijena iz životinjskog otpada zavisi od tipa životinje.Npr. korištenjem izmeta od 120 krava može proizvesti dovoljnobiogasa za pogon motora snage 50 kW, što je dovoljno zapokrivanje potreba za električnom energijom manjeg sela.

Životinja Vrsta otpada Količina(kg/dan)

Suvo (kg/dan)

Biogas poživotinji(m3/dan)

Energija poživotinji(kWh/god)

Goveda Tečni 51 5,4 1,6 3400

Goved Suvi 32 5,6 1,6 3400

Svinje Tečni 16,7 1,3 0,46 970

Svinje Suvi 9,9 2,9 0,46 970

Pernate životinje

Suvi 0,66 0,047 0,017 36

20


Biohemiska prerada

Deponijski Biogas

U industrijskim zemljama nastaje 300-400 kg smeća godišnje poosobi. Deponijski gas nastaje anaerobnom razgradnjomorganskih supstanci pod dejstvom mikroorganizama. U središtudeponije nastaje nadpritisak, pa gas prelazi u gasne sondesabirnog sistema. Prosječan sistem deponijskog gasa je 35-60 % metana, 37-50 % ugljen-dioksida i u manjim količinama se mogu naći CO, N, H2S, F, Cl, aromatični ugljovodonici i drugi gasovi u tragovima.

21


Biohemiska prerada

Deponijski Biogas

Koncept: postavljanje vertikalnih perforiranih cijevi u tijelodeponije (bunari, trnovi, sonde) i njihovo horizontalnopovezivanje. U kompresoru deponijski gas se isisava, suši iusmjerava ka motoru. Iz sigurnosnih razloga preporučuje se ugradnja visokotemperaturne baklje koja preuzima viškove gasa.

22


Biohemiska prerada

Deponijski Biogas

23


Bioetanol je alkohol proizveden iz biomase i/ili biorazgradivefrakcije otpada. Odlična je zamjena za benzin (do 20% udjela u mješavini sa dizelom bez ikakvih prepravki na motoruautomobila). Sirovine za proizvodnju bioetanola su: šećer (šećerna trska, šećerna repa), skrob (kukuruz, pšenica, krompir), celuloza (drvo, poljoprivredni ostaci).

Osnovne faze u procesu proizvodnje etanola su: -Priprema sirovine -Fermentacija -Destilacija etanola

24


Bioetanol

Priprema sirovine je zapravo hidroliza molekula skroba enzimimau šećer koji može fermentisati.

Uobičajena tehnologija za proizvodnju etanola je fermentacija u peći s običnim kvascem za proizvodnju 8 do 10%-tnog alkoholanakon 24 do 72 h fermentacije.

Nakon toga slijedi destilacija tog alkohola u nekoliko faza čime se dobija 95%-tni etanol. Za proizvodnju čistog etanola, kakav se koristi za miješanje s benzinom, dodaje se benzen i nastavljadestilacija pa se tako dobija 99,8%-tni etanol.

25


Bioetanol

Prinos etanola iz raznih sirovina

26


Bioetanol

Vodeća zemlja u proizvodnji i primjeni etanola je Brazil, u kojemse svake godine proizvede više od 15 -20 milijardi litara.

Oko 15% brazilskih vozila se kreće na etanol, a oko 40% koriste20%tnu smješu s benzinom.

27


Transesterifikacija (Biodizel)

Proces transestrifikacije je najčešće primenjivan postupakindustrijske sinteze metilestara masnih kiselina (MEMK) odnosno biodizela.

Biodizel je komercijalni naziv pod kojim se metilestar (ME), bezdodatnog mineralnog dizelskog goriva, nalazi na tržištu tečnihgoriva i prodaje krajnjim korisnicima. Riječ je o standardizovanom, tečnom nemineralnom gorivu, nijeotrovan, biorazgradiva zamjena za mineralno gorivo, a može se proizvoditi iz biljnih ulja, recikliranog otpadnog jestivog ulja iliživotinjske masti.

28


Transesterifikacija (Biodizel)

Izbor osnovne sirovine za dobijanje biodizela zavisi od specifičnihuslova i prilika u konkretnim zemljama, u Europi se zaproizvodnju biodizela najviše koristi ulje uljane repice (82,8%) iulje suncokreta (12,5%), dok se u Americi najviše koristi uljesoje, a u azijskim zemljama se koristi i palmino ulje.

29


Prednosti biodizela

Osim što je po svojim energetskim sposobnostima jednakobičnom dizelu, ima puno bolju mazivost, pa značajno produžavaradno trajanje motora.Smanjenje zagađenja životne sredine (prilikom rada motora, na ispušnoj cijevi se oslobađa čak 10% O2, što eliminiše CO2emisiju),Biodizelska goriva ne sadrže sumpor ni teške metale, koji suglavni zagađivači vazduha prilikom upotrebe dizela dobijenog iznafte, Transport biodizela gotovo je potpuno bezopasan za životnu sredinu, jer se dospjevši u tlo razgradi nakon 28 dana,Ako nafta u slučaju incidenta dospije u vodu, jedan litar zagadi gotovo milion litara vode, dok kod biodizela takvo zagađenje ne postoji, jer se on u vodi potpuno razgradi već nakon nekoliko dana.

30


Prednosti biodizela

Emisije štetnih gasova biodizela u poređenju s običnim dizelom(Emisija CO2)

31

PRIMARNE TEHNOLOGIJE OBRADE BIOMASETermičko-hemijska prerada

Najčešde korišćeni oblici goriva za ovakva postrojenja su drvni otpaci iz šumarstva i drvne industrije, slama i razni poljoprivredni otpad, komunalni i industrijski otpad koji je biorazgradiv.

Prema načinu neposredne pripreme biomase za sagorijevanje, razlikuju se:

-Tehnologije kod kojih se vrši neposredno sagorevanje biomase u ložištima klasičnih ili posebnih konstrukcija kotlova.

-Tehnologije kod kojih se prvo vrši gasifikacija biomase u predložištima i sagorijevanje gasa u ložištima klasičnih konstrukcija kotlova za sagorijevanje gasnog goriva.

32


Princip funkcionisanja ovih tehnologija zasniva se na proizvodnji vruće vodene pare za grijanje u industrijskim postrojenjima i kućama ili za dobijanje električne energije u malim termolektranama napravljenim za korišćenje biomase kao goriva.

SagorijevanjeNajjednostavnije je sagorijevanje krupnih komada biljne (bolje reći drvne) mase koja se vrši u kotlovima klasičnih konstrukcija i riješenja. To se takođe odnosi i na sagorijevanje briketabiomase.

Faze u tom procesu su: Zagrijevanje i sušenjeDestilacija (isparavanje) sastojaka pirolizaVađenje sastojaka (mase) Sagorijevanje (mase) čvrstog uglja.

33


Hemijska struktura drvne biomase sastoji se od tri organskapolimera: celuloze, hemiceluloze i lignina. Odnos ovih konponenti varira u zavisnosti od vrste drveta. Tvrdodrvo sadrži veću količinu celuloze, hemiceluloze i ekstraktivnihmaterija, a meko drvo veći sadržaj

34


Drvna biomasa: velik i promjenjiv udio vlage (50-55 % za svježedrvo), velik udio isparljivih sastojaka (do 80 %), potrebneposebne vrste peći (u odnosu na one za ugalj)

35


Smanjenjem vlažnosti biomase ogrjevna vrijednost se uvelikopovećava. Iz tog je razloga, za što bolje iskorišćenje energije, korisno sušiti biomasu.

Modul skladištenja i sušenja biomase

36


Piroliza

Termohemijski proces s ograničenim dotokom kiseonika (dioprocesa sagorijevanja), pri čemu dolazi do isparavanja isparljivihsastojaka i proizvodnje tečnog goriva (bioulja), pogodnije zatransport i skladištenje.Znatan potencijal (npr. piroliza otpada), potrebna dalja ulaganjau istraživanja i razvoj, za sada malo primjene.

37


Piroliza

38


Piroliza

Prinos tečnih produkata pirolize može se povećati pirolizomtokom koje se vrši brzo zagrijevanje biomase.Brzo zagrijevanje i hlađenje proizvodi intermedijarne tečne proizvode pirolize koji se kondenzuju prije razlaganja jedinjenjavelike molekulske mase do gasovitih proizvoda. Veće brzinereakcija minimiziraju stvaranje katrana.

Pirolizom biomase nastaju sledeće frakcije:gasovita frakcija - sadrži CO, CO2, neke ugljovodonike i H2,kondenzujuća frakcija - sadrži H2O i niskomolekulska organskajedinjenja (aldehidi, kiseline, ketoni i alkoholi) ikatranska frakcija - sadrži visokomolekularne ostatke šećera, derivate furana, fenolna jedinjenja i čestice koje učestvuju u nastanku dima.

39


Gasifikacija

Termohemijski proces na visokoj temperaturi (i do 1400°C) uzograničen ali veći dotok kisonika u odnosu na pirolizu. Povećavase efikasnost proizvodnje električne energije (gasne turbine η= 35-45%, parne turbine na drva oko η=20%). Sastav gasa: CO, CH4, H2, zavisno od dizajna uređaja,temp.,vlažnosti i sastavu biomase.

40


Gasifikacija

Termohemijski proces na visokoj temperaturi (i do 1400°C) uzograničen dotok kisonika. Povećava se efikasnost proizvodnjeelektrične energije (gasne turbine 35-45%, parne turbine nadrva oko20%). Sastav gasa: CO, CH4, H2, zavisno od dizajna uređaja,temp.,vlažnosti i sastavu biomase.

41

SEKUNDARNE TEHNOLOGIJE OBRADE BIOMASE

Primarne I sekundarne tehnologije obrade biomase

42


1. Parna mašina2. Parne turbine3. Stirlingov motor4. Motor sa unutrašnjim sagorijevanjem5. Mikro turbine6. Gasne turbine7. Gorivne ćelije

43


Kogeneracijska postrojenja na biomasu

Povećanje stepena djelovanja: kogeneracija (CHP) –istovremenaproizvodnja toplotne i električne energije.

Zbog troškova transporta za biomasu pogodna postrojenjamanje snage, ali imaju niži stepen djelovanja (npr. za TE nabiomasu snage 5 MW do 20% efikasnosti), za gasne turbine većistepen djelovanja (do 50%).

Za proizvodnju električne energije –isto kao kod fosilnih goriva, u termoelektranama; najprije pretvaranje u toplotnu energiju(vodena para kod parnih turbina, gas kod gasnih turbina), pretvaranje u mehaničku, a potom u električnu energiju.

.

44


Parno turbinska kogeneracija (povećana efikasnost)

.

45

Biomasa 5.

Tehnologije obrade i prerade biomase

Hvala na pažnji!

Dr Vladan Božović

46

Documents

Biohemiska prerada