Топливный этанол: гидролизные технологии

Вклад автотранспорта в суммарный выброс загрязняющих веществ в атмосферу крупных городов мира составляет более 80 % от общего количества вредных выбросов. Резкий рост числа автомобилей за последние десять лет в России неизбежно ставит задачу ужесточения требований к выхлопным газам ДВС. Указанная проблема в сочетании с глобальными топливными кризисами, начиная с 1970-х годов, выявила настоятельную необходимость в поисках новых возобновляемых видов моторных топлив. Одним из направлений, позволяющих, с одной стороны, существенно сократить количество вредных веществ в продуктах сгорания, а с другой - снизить потребление нефтепродуктов, является разработка смесевых бензинов, которая предполагает наличие в последних оксигенатов - кислородсодержащих соединений.

За последние 25 лет практического использования оксигенатов в составе моторных топлив в ряде стран мира (Бразилия, США, страны ЕС и др.) наибольшее распространение получили: этанол, метанол и метилтретбутиловый эфир (МТБЭ). Оксигенаты (в количестве 3-20%) в составе моторного топлива улучшают характеристики горения, что позволяет существенно сократить вредные выбросы, увеличивает ресурс двигателей, повышает октановое число топлива. Мировое потребление оксигенатов составляет 25 млн. тонн в год, что сопоставимо с производством автобензина в России.

За последние годы потребление метанола и МТБЭ в качестве оксигенатов имеет тенденцию к снижению по ряду причин (прежде всего экологических: так, например, в Калифорнии применение метанола и МТБЭ запрещено), в то время как потребление этанола неуклонно возрастает. Так, по данным зарубежных источников к настоящему времени в США производится 2 биллиона галлонов (750 млн. дал) топливного этанола в год. Предполагается, что спрос на топливный этанол в США вырастет до 7 биллионов галлонов 2007 году и до 14 биллионов галлонов к 2012 году. Похожие тенденции прослеживаются в странах ЕС, Бразилии и др.

Растущий интерес к этанолу в качестве добавки к моторным топливам обусловлен прежде всего тем, что производство этанола осуществляется из возобновляемого растительного сырья.

В США основным источником сырья для производства топливного этанола является зерно (главным образом кукуруза). Одновременно развернуты работы, направленные на использование других источников сырья: соломы, стеблей кукурузы, кукурузной кочерыжки, древесных отходов, методами гидролиза. Наиболее перспективными методами гидролиза считаются гидролиз концентрированными кислотами и ферментативный гидролиз.

Подобного рода программы, в том числе и на государственном уровне, существуют и в других странах.

К сожалению, в России до настоящего времени вопросам разработки соответствующих направлений не уделяется сколько-нибудь серьезного внимания. Декларируемый переход в ближайшие годы на производство автобензинов, отвечающих требованиям Евро-3 и Евро-4, без широкого применения оксигенатов выглядит весьма проблематично.

С другой стороны, наша страна располагает уникальным научным и промышленным опытом производства этилового спирта по различным технологиям. Так, например, только в России в промышленных масштабах осуществляется производство технического этилового спирта по гидролизным технологиям: гидролизный и сульфитный спирт.

Необходимо остановиться на некоторых принципиальных аспектах использования растительной биомассы в производстве товарной продукции различного назначения, включая этиловый спирт.

Как известно, биомассу растительного происхождения можно условно разделить на две части: естественные биоценозы (главным образом леса) и искусственные сельскохозяйственные биоценозы. Деградация экосферы в современных условиях в значительной степени определяется в том числе и резким ростом производства искусственных биоценозов.

Расход топлива на 1 га возделываемых земель составляет по различным оценкам от 0,4 до 1,2 тонн условного топлива (тут), в то время как естественные биоценозы не требуют использования дополнительной энергии. При этом из общемировых 15 млрд. тут в год, не менее 3 млрд. тут расходуется на производство искусственных биоценозов. К этому следует добавить, что эффективность связывания углекислого газа искусственными биоценозами существенно ниже, чем у естественных, что неизбежно приводит к нарушению кругооборота углерода и как следствие - парниковому эффекту и тепловому загрязнению окружающей среды. Исходя из указанных соображений, очевидно, что общая тенденция в развитии использования растительной биомассы должна быть направлена на процессы минимизирующие энергопотребление - т.е. на широкое вовлечение биомассы естественных биоценозов, а также неиспользуемой биомассы искусственных биоценозов для получения товарной продукции, включая этиловый спирт.

Следует иметь в виду, что биомассы естественных и искусственных биоценозов отличаются тем, что первые состоят из линейных полисахаридов (целлюлозы), а вторые - преимущественно из разветвленных (крахмал). Поэтому проблема замены биомассы искусственных биоценозов на биомассу естественных биоценозов сводится к эффективному решению задачи гидролиза целлюлозы с получением легкоусвояемых углеводов (моносахаридов). Первые попытки получения моносахаридов из целлюлозы (древесины) были начаты еще 150 лет назад. Наиболее значительные достижения в этой области были впервые получены в Германии и России, а к настоящему времени и в США.

На базе технологий гидролиза растительной биомассы в 30-70 гг. прошлого столетия в СССР была создана гидролизная промышленность (более 40 гидролизных и биохимических заводов), где в качестве сырья использовались: отходы деревообрабатывающей (щепа, горбыль, стружка, опилки) и целлюлозно-бумажной (сульфитные щелока) промышленности, сельскохозяйственные отходы (кукурузная кочерыжка, подсолнечная лузга, солома и др.), а также некоторые виды отходов переработки пищевой продукции. К концу 80-х годов на предприятиях гидролизной промышленности в СССР выпускалась следующая продукция:

Этиловый спирт - 15 млн. дал в год;

Кормовые дрожжи - 400 тыс. тонн в год;

Фурфурол - 30 тыс. тонн в год;

Углекислота - 25 тыс. тонн в год;

Ксилит - 3 тыс. тонн в год;

Кроме того, на гидролизных заводах осуществлялся выпуск фурфурилового и тетрагидрофурилового спиртов, тетрагидрофурана, ксилитана, кормового сахара, лигнобрикетов, нитролигнина, лечебного лигнина и прочей продукции. Во второй половине 20 века по технологиям, разработанным во ВНИИГИДРОЛИЗ, были построены гидролизные заводы в Китае, Болгарии, Бразилии и на Кубе. Исследованный во ВНИИГИДРОЛИЗ спектр возможных источников сырья для производства гидролизной продукции охватывает как традиционные для России виды, так и экзотические для нас: багассу, финики и т.д. и т.п.

К настоящему времени в России действуют 16 гидролизных заводов, производящих, главным образом, этиловый спирт и спиртосодержащую продукцию. При этом уровень производства традиционной продукции резко снизился, за исключением производства этилового спирта. Так, например, производство кормовых дрожжей снизилось более чем 10 раз, фурфурола - в 5 раз, а ксилит не производится и вовсе.

Следует отметить, что, как известно, в процессе гидролиза используются кислотные и солевые катализаторы. При этом, наибольшее распространение получила технология гидролиза разбавленной серной кислотой. Результаты многолетних исследований в области гидролиза концентрированными кислотами (серной и соляной) позволяют сделать вывод о перспективности такого рода технологий. Аналогичного мнения придерживаются и зарубежные исследователи.

В г. Канске (Россия) на протяжении ряда лет успешно эксплуатировалась опытно-промышленная установка мощностью 600 тонн глюкозы в год, на которой была реализована технология производства кристаллической глюкозы методом гидролиза древесины высококонцентрированной соляной кислотой.

Таким образом, Россия обладает необходимым научно-технологическими и промышленными возможностями для производства топливного этанола. При этом, учитывая тот факт, что наша страна находится в области рискованного земледелия, а с другой стороны, обладает значительными запасами древесины, производство этанола по гидролизным технологиям представляется целесообразным.

При определенных условиях имеющиеся мощности предприятий гидролизного профиля могут стать объектом инвестиций, которые позволят существенно увеличить (в 2-3 раза) производство этилового спирта, а также восстановить производство другой профильной продукции. За счет использования технологий комплексного использования сырья, реализации энергосберегающих технологий, включая утилизацию гидролизного лигнина в качестве энергетического топлива, себестоимость этанола может быть снижена не менее чем в 2 раза.

На основе изложенного, считаем необходимой разработку и реализацию Государственной программы, которая позволит в сжатые сроки обеспечить производство моторного топлива с высокими экологическими характеристиками. По нашему мнению, такая программа должна включать следующие положения:

• 1. Разработку национальных стандартов для моторных топлив, содержащих этанол.
• 2. Проведение инвентаризации мощностей по производству технического этилового спирта из всех видов сырья.
• 3. Разработку технико-экономической оценки производства топливного этанола.
• 4. Разработку технико-экономического обоснования направлений налоговой политики в части производства топливного этанола и этанол-бензиновых топлив.

Последовательная реализация такого рода Программы позволит:

- существенно улучшить экологическую обстановку, особенно в крупных городах России;

- обеспечить стабильную загрузку избыточных производственных мощностей по производству этилового спирта;

- создать дополнительные направления для инвестиций.

Е.А. Дорфман, ОАО «ВНИИГИДРОЛИЗ», Санкт-Петербург

Источник: ГСМ

C текущей ситуацией и прогнозом развития российского рынка горюче-смазочных материалов можно познакомиться в отчетах Академии Конъюнктуры Промышленных Рынков:

«Рынок автомобильных бензинов в России»

«Рынок нефтяных битумов в России».

«Рынок дизельных топлив в России»

«Рынок смазочных масел в России».

Источник: «NEWCHEMISTRY.ru» - аналитический портал химической промышленности

www.newchemistry.ru