Biomasa Green Partnerships Local Partnerships for Greener Cities and Regions Name: Date:
Biomasa 5. Tehnologije obrade i prerade biomase Dr Vladan Božović 2
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 za transport, skladištenje i upotrebu. 3
Primarne i sekundarne tehnologije obrade biomase 4
Mehanička prerada Tehnologija briketiranja peletriranja Usitnjeni materijal pod viskom pritiskom se pretvara u kompaktnu formu velike zapreminske mase, pogodne za dalju manipulaciju 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. 5
Mehanička prerada Tehnologija briketiranja peletriranja 6
Mehanička prerada Tehnologija briketiranja peletriranja Faze u procesu dobijanja briketa su: 1. Usitnjavanje sirovine do određene granulacije 2. Sušenje sirovinskog materijala do određene vlažnosti (400C) 3. Transport usitnjenog materijala 4. Doziranje sirovine (15 kg ili 1000 kg) 5. Presovanje u presama za briketiranje 6. Skraćivanje briketa na potrebnu dužinu 7. Hlađenje i pakovanje gotovih briketa 7
Mehanička prerada Tehnologija briketiranja peletriranja 8
Mehanička prerada Tehnologija briketiranja peletriranja Sam postupak briketiranja se sastoji u sabijanju lignoceluloznog materijala u što manju zapreminu pomoću presa. Za drvnu biomasu, u formi drvenog čipsa, što su granulirani komadi drvne biomase veličine do 12 mm, ekonomski prihvatljivo rastojanje eksploatacije do mjesta upotrebe je do 100 km, a za agrobiomasu ekonomski prihvatljivo rastojanje je do 50km. Pelete omogućavaju da se ekonomski prihvatljiva rastojanja od mjesta obrade do mjesta upotrebe produže na 1600km. Međunarodno tržište peleta je veoma dobro organizovano i bez obzira na međunarodne ekonomske uslove, kao biogorivo peleti su uvijek traženi. 9
Mehanička prerada Sagorijevanje peleta/briketa 10
Mehanička prerada Tehnologija briketiranja peletriranja Nedostaci briketiranja su: 1.Potrebna je priprema materijala na određenu vlažnost i granulaciju 2.U izvjesnim slučajevima su neophodni aditivi 3.Mora se ulagati u novu tehnologiju koja je nužna za odvijanje procesa 4.Neophodna je potrošnja energije. 11
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 12
Biohemiska prerada Anaerobna digestija (truljenje, razgradnja) Anaerobna digestija (bez prisustva kiseonika) proizvodi biogas: metan, ugljen dioksid, nešto vodonika i ostalih gasova u tragovima, vrlo malo toplote i konačni proizvod (đubrivo) sa velikom količinom azota nego što se proizvodi pri aerobnoj fermentaciji. Takvo đubrivo sadrži azota u mineraliziranom obliku (amonijak) koje biljke mogu brže preuzeti nego organski azot (posebno pogodno za pođubrivanje obradivih površina). 13
Biohemiska prerada Anaerobna digestija (truljenje, razgradnja) Sam proces anaerobnog vrenja se odvija u tri faze, i to: 1) Hidroliza u ovoj fazi dolazi do razgradnje velikih molekula na manje 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 izazivaju kiselinske bakterije. 3) Metanska faza u ovoj fazi nastavlja se dalja razgradnja organskih materija i intenzivno stvaranje metana i ugljendioksida (u neznatnoj meri i drugih gasova). 14
Biohemiska prerada Anaerobna digestija (truljenje, razgradnja) 15
Biohemiska prerada Anaerobna digestija (truljenje, razgradnja) Za uspješan tok anaerobnog vrenja (postizanje visokog stepena razgranje organskih materija) potrebno je da budu ispunjeni određeni tehnološki uslovi: Krupnoća i vrsta materije koja se izlaže fermentaciji Temperatura procesa Otsustvo kiseonika Vrijeme trajanja procesa Otklanjanje plivajuće kore sa površine fermetisane mase Kiselost (ph vrednost) mase Kvalitet metanskih bakterija Pritisak u sudu (digestoru) u kojem se proces fermentacije odvija Drugi specifični uslovi vezani za prisustvo različitih materija, antibiotika i dr. 16
Biohemiska prerada 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). 17
Biohemiska prerada 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. 18
Biohemiska prerada Biogas (sirovina) Količina biogasa i energija dobijena iz životinjskog otpada zavisi od tipa životinje. Npr. korištenjem izmeta od 120 krava može proizvesti dovoljno biogasa za pogon motora snage 50 kw, što je dovoljno za pokrivanje potreba za električnom energijom manjeg sela. Životinja Vrsta otpada Količina (kg/dan) Suvo (kg/dan) Biogas po životinji (m3/dan) 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 Energija po životinji (kwh/god) 19
Biohemiska prerada Deponijski Biogas U industrijskim zemljama nastaje 300-400 kg smeća godišnje po osobi. Deponijski gas nastaje anaerobnom razgradnjom organskih supstanci pod dejstvom mikroorganizama. U središtu deponije nastaje nadpritisak, pa gas prelazi u gasne sonde sabirnog 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. 20
Biohemiska prerada Deponijski Biogas Koncept: postavljanje vertikalnih perforiranih cijevi u tijelo deponije (bunari, trnovi, sonde) i njihovo horizontalno povezivanje. U kompresoru deponijski gas se isisava, suši i usmjerava ka motoru. Iz sigurnosnih razloga preporučuje se ugradnja visokotemperaturne baklje koja preuzima viškove gasa. 21
Biohemiska prerada Deponijski Biogas 22
Biohemiska prerada Bioetanol je alkohol proizveden iz biomase i/ili biorazgradive frakcije otpada. Odlična je zamjena za benzin (do 20% udjela u mješavini sa dizelom bez ikakvih prepravki na motoru automobila). 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 23
Biohemiska prerada Bioetanol Priprema sirovine je zapravo hidroliza molekula skroba enzimima u šećer koji može fermentisati. Uobičajena tehnologija za proizvodnju etanola je fermentacija u peći s običnim kvascem za proizvodnju 8 do 10%-tnog alkohola nakon 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 nastavlja destilacija pa se tako dobija 99,8%-tni etanol. 24
Biohemiska prerada Bioetanol Prinos etanola iz raznih sirovina 25
Biohemiska prerada Bioetanol Vodeća zemlja u proizvodnji i primjeni etanola je Brazil, u kojem se svake godine proizvede više od 15-20 milijardi litara. Oko 15% brazilskih vozila se kreće na etanol, a oko 40% koriste 20% tnu smješu s benzinom. 26
Biohemiska prerada Transesterifikacija (Biodizel) Proces transestrifikacije je najčešće primenjivan postupak industrijske sinteze metilestara masnih kiselina (MEMK) odnosno biodizela. Biodizel je komercijalni naziv pod kojim se metilestar (ME), bez dodatnog mineralnog dizelskog goriva, nalazi na tržištu tečnih goriva i prodaje krajnjim korisnicima. Riječ je o standardizovanom, tečnom nemineralnom gorivu, nije otrovan, biorazgradiva zamjena za mineralno gorivo, a može se proizvoditi iz biljnih ulja, recikliranog otpadnog jestivog ulja ili životinjske masti. 27
Biohemiska prerada Transesterifikacija (Biodizel) Izbor osnovne sirovine za dobijanje biodizela zavisi od specifičnih uslova i prilika u konkretnim zemljama, u Europi se za proizvodnju biodizela najviše koristi ulje uljane repice (82,8%) i ulje suncokreta (12,5%), dok se u Americi najviše koristi ulje soje, a u azijskim zemljama se koristi i palmino ulje. 28
Biohemiska prerada Prednosti biodizela Osim što je po svojim energetskim sposobnostima jednak običnom dizelu, ima puno bolju mazivost, pa značajno produžava radno 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 su glavni zagađivači vazduha prilikom upotrebe dizela dobijenog iz nafte, 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. 29
Biohemiska prerada Prednosti biodizela Emisije štetnih gasova biodizela u poređenju s običnim dizelom (Emisija CO2) 30
Termičko-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. 31
Termičko-hemijska prerada 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. Sagorijevanje Najjednostavnije 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 briketa biomase. Faze u tom procesu su: Zagrijevanje i sušenje Destilacija (isparavanje) sastojaka piroliza Vađenje sastojaka (mase) Sagorijevanje (mase) čvrstog uglja. 32
Termičko-hemijska prerada Hemijska struktura drvne biomase sastoji se od tri organska polimera: celuloze, hemiceluloze i lignina. Odnos ovih konponenti varira u zavisnosti od vrste drveta. Tvrdo drvo sadrži veću količinu celuloze, hemiceluloze i ekstraktivnih materija, a meko drvo veći sadržaj 33
Termičko-hemijska prerada Drvna biomasa: velik i promjenjiv udio vlage (50-55 % za svježe drvo), velik udio isparljivih sastojaka (do 80 %), potrebne posebne vrste peći (u odnosu na one za ugalj) 34
Termičko-hemijska prerada Smanjenjem vlažnosti biomase ogrjevna vrijednost se uveliko povećava. Iz tog je razloga, za što bolje iskorišćenje energije, korisno sušiti biomasu. Modul skladištenja i sušenja biomase 35
Termičko-hemijska prerada Piroliza Termohemijski proces s ograničenim dotokom kiseonika (dio procesa sagorijevanja), pri čemu dolazi do isparavanja isparljivih sastojaka i proizvodnje tečnog goriva (bioulja), pogodnije za transport i skladištenje. Znatan potencijal (npr. piroliza otpada), potrebna dalja ulaganja u istraživanja i razvoj, za sada malo primjene. 36
Termičko-hemijska prerada Piroliza 37
Termičko-hemijska prerada Piroliza Prinos tečnih produkata pirolize može se povećati pirolizom tokom koje se vrši brzo zagrijevanje biomase. Brzo zagrijevanje i hlađenje proizvodi intermedijarne tečne proizvode pirolize koji se kondenzuju prije razlaganja jedinjenja velike molekulske mase do gasovitih proizvoda. Veće brzine reakcija minimiziraju stvaranje katrana. Pirolizom biomase nastaju sledeće frakcije: gasovita frakcija - sadrži CO, CO2, neke ugljovodonike i H2, kondenzujuća frakcija - sadrži H2O i niskomolekulska organska jedinjenja (aldehidi, kiseline, ketoni i alkoholi) i katranska frakcija - sadrži visokomolekularne ostatke šećera, derivate furana, fenolna jedinjenja i čestice koje učestvuju u nastanku dima. 38
Termičko-hemijska prerada Gasifikacija Termohemijski proces na visokoj temperaturi (i do 1400 C) uz ograničen ali veći dotok kisonika u odnosu na pirolizu. Povećava se 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. 39
Termičko-hemijska prerada Gasifikacija Termohemijski proces na visokoj temperaturi (i do 1400 C) uz ograničen dotok kisonika. Povećava se efikasnost proizvodnje električne energije (gasne turbine 35-45%, parne turbine na drva oko20%). Sastav gasa: CO, CH4, H2, zavisno od dizajna uređaja, temp.,vlažnosti i sastavu biomase. 40
SEKUNDARNE TEHNOLOGIJE OBRADE BIOMASE Primarne I sekundarne tehnologije obrade biomase 41
SEKUNDARNE TEHNOLOGIJE OBRADE BIOMASE 1. Parna mašina 2. Parne turbine 3. Stirlingov motor 4. Motor sa unutrašnjim sagorijevanjem 5. Mikro turbine 6. Gasne turbine 7. Gorivne ćelije 42
SEKUNDARNE TEHNOLOGIJE OBRADE BIOMASE Kogeneracijska postrojenja na biomasu Povećanje stepena djelovanja: kogeneracija (CHP) istovremena proizvodnja toplotne i električne energije. Zbog troškova transporta za biomasu pogodna postrojenja manje snage, ali imaju niži stepen djelovanja (npr. za TE na biomasu snage 5 MW do 20% efikasnosti), za gasne turbine veći stepen 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.. 43
SEKUNDARNE TEHNOLOGIJE OBRADE BIOMASE Parno turbinska kogeneracija (povećana efikasnost). 44
Biomasa 5. Tehnologije obrade i prerade biomase Hvala na pažnji! Dr Vladan Božović 45
46