Download - Получение лигнинсодержащего топлива из растительного сырья на биотехнологических производствах
1
2
Получение лигнинсодержащего топлива из
растительного сырья на
биотехнологических производствах и его
использование в экологически чистых
энергоустановках
Ломовский О. И.Бычков А.Л.Бурдуков А.П.
Институт химии твёрдого тела и механохимии СО РАН,Институт теплофизики СО РАН,
Россия, Новосибирск
3
Химический состав растительного сырья
Mood S. et al. Renewable and Sustainable Energy Reviews. 27. (2013). p.77–93.
Гемицелл
юлоза 20-
35 %
Лигнин 15-
20 %
Целлюло
за 35-50 %
Зола и
экстракти
вные в-ва
15-20 %
4
Зависимость теплоты сгорания модельного топлива от содержания лигнина
Содержание лигнина,
%
Теплота сгорания,
МДж/кг
0 (чистая целлюлоза) 16,4
10 17,0
20 17,5
40 18,6
60 21,1
80 23,2
100 (чистый лигнин) 25,8
(Friedl, 2005)
5
Теплоты сгорания некоторых лигноцеллюлозных материалов
Материал Теплота сгорания, МДж/кг
хлопковая целлюлоза 16,4
сосновый лигнин 25,8
лузга риса 14,6
солома кукурузы 16,1
солома пшеницы 17,5
стебли тростника 17,7
Бычков А.Л., Денькин А.И., Тихова В.Д., Ломовский О.И. Расчѐт теплоты сгорания лигноцеллюлозы на основании данных элементного анализа // Химия растительного сырья. – 2014. – № 3. – С. 99-104.
20.00355 0.232 2.230 0.0512 0.131 20.600Q C C H C H N
6
Биотопливо второго поколения –из отходов сельского хозяйства
Лигноцеллюлоза
Гидролизат
(углеводы)
Остаток
(лигнин)
Жидкое биотопливо
Твѐрдое биотопливо
механоферментативный гидролиз
Method for preparation of oil palm waste to enzymatic hydrolysis for production of water-soluble carbohydrides / K.G. Korolev, O.I. Lomovsky, A.A. Politov, O.V. Golyazimova, A.L. Bychkov. – Patent # WO 2011/002329. – A1. – 06.01.2011.
7
7
• Химический состав (лигнин ингибирует ферменты и снижает скорость реакции).
• Удельная площадь поверхности (увеличение площади приводит к увеличению скорости гидролиза).
• Степень кристалличности (уменьшение кристалличности целлюлозы увеличивает выход реакции).
Основные факторы, отвечающие за реакционную способность лигноцеллюлозы
Синицын А., Гусаков А., Черноглазов В. Биоконверсия лигноцеллюлозных материалов. —М:МГУ, 1995. — С. 220.
8
Кинетика гидролиза механически активированной соломы
0
10
20
30
40
50
0 2 4 6 8 10 12
Время, ч
Вы
хо
д у
гле
во
до
в, %
Исх. солома МА 4 раза
9
0 1 2 3 4 5 6 7 8
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
%
Co
nve
rsio
n,
t, days
Degree of conversion to sugar vs time
10
2 m
Unique possibilities of new technology
Transformations of cell walls
Initial after mechanical after mechanochemical
treatment treatment
Formation of biocomposites 100 nm
11
Аморфизация кристаллических областей целлюлозы
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
4500
5000
5500
6000
5 10 15 20 25 30 35 40
2Theta
I
Исх.солома
МА солома
I1
ИК =I1 I0 * 100 %
I1I0
До активации: 64 %.
После активации: 31 %.
Bychkov A.L., Buchtoyarov V.A., Lomovsky O.I. // Cellulose Chemistry and Technology. 2014. V. 48 (5-6). P. 545-551.
12
Peculiarities of plant cell structure
and raw comminution
Уникальная особенность механохимической технологии –возможность «сухого» аэродинамического обогашения
порошкового топлива лигнином
13
50 nm
30_5_4_31
Structure of cellulose (left) and lignin containing
(right) particles
Lomovsky O., Bychkov A., Lomovsky I. Mechanical Pretreatment. In ―Biomass Fractionation Technologies for a Lignocellulosic Feedstock Based Biorefinery‖, Mussatto S.I. (Ed.), Elsevier, 2016, pp. 23–55
14
Airdynamic separator for plant raw powders
15
Mobile mechanochemical unit (Project)
Advantages :
Easy to carry and suitable to local applications;
High operation flexibility;
Treatment costs dramatically cut down from the cheapest extraction technology;
Clean environmental technology: no wastewater production and no toxic gas emissions.
16
Получение экспериментальных партий биотоплива
Образцы топлива:
дисперсность: 44-140 мкм,
содержание лигнина: 18-60 %.
Государственный контракт № 14.516.11.0048 «Проведение проблемно-
ориентированных исследований и разработка технических решений
экологически чистых энергоустановок, использующих мелкодисперсное
твердое топливо из растительного сырья».
Исполнитель: ИТ СО РАН.
Соисполнитель: ИХТТМ СО РАН.
17
Энергетическая установка разработки ИТ СО РАН (1МВт)
Цель работы: создать из лигноцеллюлозного сырья мелкодисперсное твѐрдое топливо, пригодное для сжигания в факельных горелках
18
Термический анализ топлива с различным содержанием лигнина
20 % лигнина
70 % лигнина
I стадия II стадия
Горение высоколигнифицированного топлива смещено в высокотемпературную область
19
Динамика горения лигноцеллюлозных частиц
Piriou B. et al. Progress in Energy and Combustion Science. 2013. V.39. P.169-188
Для равномерности горения факела
необходимо обеспечить размер частиц топлива менее 100 мкм
20
Молотковая мельница со свободным типом удара
Продукт неоднороден,
средний размер частиц более 100 мкм
Производитель - «Продсельмаш», г.Новосибирск
21
Горение лигноцеллюлозы с размерами частиц более 100 мкм
0 100 200 300 400 500 600
0
200
400
600
800
1000
1200
12.04.2013 17:49:06 CH1
CH2
CH3
CH4
CH6
CH7
Т С0
Сек
обрыв горениятреки крупных частиц
* совместно с коллективом ИТ СО РАН
22
Центробежные роликовые мельницы (ИХТТМ СО РАН)
1-5 кг/час 5-20 кг/час 20-100 кг/час
Raw materials
Product of mechanical treatment
rolle
rs
sta
tor
roto
r
23
Горение лигноцеллюлозы с размерами частиц 50-100 мкм
0
25
50
75
100
>5005004003002001601008050403220
Размер, мкм
Су
мм
ар
но
е с
од
ер
жа
ни
е ф
ра
кц
ий
, %
2800 об./мин
3150 об./мин
3500 об./мин
0 200 400 600 800 1000 1200
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
Лигнин 18% CH1
CH2
CH3
CH4
CH5
CH6
CH7
сек
Т0С
горение протекает равномерно, но требуется сузить распределение частиц по размерам
* совместно с коллективом ИТ СО РАН
24
Схема пневматической (вихревой) мельницы
Львов Г.А. и др. Патент РФ № 2036012. Приоритет от 27.05.1995.
25
0
25
50
75
100
5003002001601008050403220
Размер, мкм
Су
мм
ар
но
е с
од
ер
жа
ни
е ф
ра
кц
ий
, %
0 100 200 300 400 500 600 700 800
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
CH1
CH2
CH3
CH4
CH5
CH6
CH7
сек
Лигнин 30%
Т0С
Горение лигноцеллюлозы с размерами частиц менее 50 мкм
Горение протекает равномерно,
топливо отвечает заданным требованиям
* совместно с коллективом ИТ СО РАН
26
Выводы
Механическая активация приводит к увеличению реакционной способности лигноцеллюлозы благодаря:
- уменьщению размера частиц и увеличению удельной площади поверхности,
- аморфизации кристаллических областей целлюлозы,- разупорядочению супрамолекулярной структуры клеточных
стенок.
Комбинация механической обработки и ферментативного гидролиза позволяет гидролизовать значительную часть целлюлозы и гемицеллюлозы в водорастворимые углеводы.
Остаток после ферментативного гидролиза обогащѐн лигнином и может быть использован в качестве топлива.
Lomovsky O., Bychkov A., Lomovsky I., Logvinenko V., Burdukov A. Mechanochemical production of lignin-containing powder fuels from biotechnology industry waste: A review // Thermal Science. – 2015. – V. 19. № 1. – P. 219-229
27
СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ!