W okręgu Berlina, w miejscowości Königs Wusterhausen, firma Suncoal Industries GmbH opracowała egzotermiczną technologię zwęglania różnorakich rodzajów rozdrobnionej biomasy, jak i odpadów organicznych – przykładowo osadów z miejskich oczyszczalni ścieków¹. Ten proces, nazwany hydrotermalnym zwęglaniem biomasy, przeprowadza się w wodnej suspensji, w temperaturze około 220⁰C, pod ciśnieniem 20 barów i w pełnej izolacji od tlenu.
    W tych parametrach grupy hydroksylowe oraz wodorowe substratu ulegają reakcji, łącząc się w cząsteczki wody, natomiast pozostałość tworzą głównie atomy węgla połączone ze sobą wiązaniami chemicznymi w różnych konfiguracjach. Proces zwęglania biomasy przebiega egzotermicznie. Instalacja przetwórcza bywa więc ogrzewana zewnętrznymi nośnikami energii tylko na starcie, a potem odzyskuje się ciepło procesowe poprzez wymienniki.
    Produkt końcowy w postaci pyłu węglowego oddziela się od wody procesowej na drodze filtracji. 99 procent otrzymanego biowęgla ma granulację poniżej 300 mikrometrów i charakteryzuje się ciepłem spalania w wysokości 25 megadżuli na kilogram.

 

Tab. 1. Wykaz pracujących w świecie prototypowych instalacji wytwarzania biowęgla wg technologii torreficencyjnej Źródło: Englisch [Ofi, eigene Recherchel].

Powstawanie biowęgla
    Laboratoryjną instalację tego procesu ilustrują fotografie 1 i 2. Uzyskiwany biowęgiel w postaci pyłu bywa oczywiście od razu peletyzowany, dzięki czemu osiąga wysoką gęstość energetyczną. Temperatura topnienia popiołu powstałego ze spalania biowęgla wynosi około 1400⁰C. W omawianej technologii uwęglanie biomasy przebiega trójstopniowo, co umożliwia pozyskiwanie wartościowych półproduktów, wśród których dominują węglowodory.
    Liczne korzyści gospodarcze z uwęglania biomasy rozpoznała nie tylko firma Suncoal Industries GmbH, ale również inne przedsiębiorstwa. Wśród nich na uwagę zasługuje firma AVA – CO2 znajdująca się w miejscowości Zug w Szwajcarii. Uruchomiła ona w 2010 roku pierwszą na świecie tego typu fabrykę w rejonie miejscowości Karlsruhe w Niemczech. Produkt bywa sprzedawany pod nazwą „bluecoal”. Szczególnie wartościowym surowcem w tej fabryce okazały się pozostałości z browarów piwa. Wytwarzany z nich biowęgiel wykazuje doskonałe właściwości tak w transporcie, jak i magazynowaniu, i to przede wszystkim w postaci peletów. Dziś za optymalną wielkość tego typu fabryki uznaje się roczną wytwórczość biowęgla w granicach 65 000 – 100 000 ton z dziesięcioma lub dwunastoma reaktorami, tj. w trzech, względnie czterech liniach produkcyjnych².

Nowe technologie pozwalają na pozyskiwanie paliw z biomasy już w zaledwie kilka godzin.

Torreficiencja
    Inną – zasługującą na omówienie – technologią wytwarzania biowęgla jest tzw. torreficiencja (Torrefizierung), której istota polega na tym, że biomasa (drewno, słoma, siano itp.) ogrzewa się w czasie od kilku sekund do godziny w granicach 210-330⁰C   Szybkie ogrzewanie rozdrobnionej biomasy zapewnia najczęściej przepływ przez nią gorącego, obojętnego gazu. W tych parametrach procesowych nie tylko ulatnia się wilgoć zawarta w biomasie, ale substrat ulega częściowej, chemicznej destrukcji: podczas gdy celuloza i lignina pozostają stabilne, to hemiceluloza traci swoje grupy hydroksylowe oraz wodorowe, co nadaje omawianemu procesowi właściwości częściowej pirolizy, tak jak w poprzedniej technologii.
    Po przebiegu procesu torreficiencyjnego pozostaje nie tylko około 70 procent pierwotnej masy substratów, ale aż 90 procent poprzedniej energii w wyprodukowanym biowęglu. Dzięki temu wytwarzane z tego produktu pelety charakteryzują się relatywnie wysoką gęstością energetyczną, a w dodatku doskonale transportują się drogą morską, co ilustruje rys. 1.
    Poniżej przedstawia się wykaz pracujących w świecie prototypowych instalacji wytwarzania biowęgla wg technologii torreficiencyjnej.
    Pierwszą instalacją produkującą biowęgiel wg tej technologii uruchomiła francuska firma Pechiney w 1985 roku w miejscowości Val de Cere. Od tego czasu zapotrzebowanie na tego typu surowiec, charakteryzujący się relatywnie wysoką gęstością energetyczną, gdy bywa wytwarzany w postaci peletów – szybko wzrasta i to w skali światowej.

Biomasa alternatywą
    Obecnie, kiedy elektrownie węglowe w krajach Unii Europejskiej zostają zmuszone do coraz droższego zakupu certyfikatów za emitowanie CO2, jako jedyne – niemające alternatywy – ekonomicznie skuteczne przeciwdziałanie widzi się we współspalaniu stałego, nieodnawialnego paliwa z peletami biowęgla. Pod naporem powyższej sytuacji w elektrowniach węglowych w skali światowej projektuje się budowę prawie 40 tego typu fabryk biowęgla. Dziś wiodącym w tej dziedzinie krajem jest Holandia. Tutejsze przedsiębiorstwo Torr Coal Group w miejscowości Dilsen-Stokkem uruchomiło ostatnio największą w świecie fabrykę biowęgla wg technologii torreficiencyjnej o mocy 80 000 ton/rok. W najbliższych latach będą w tym obszarze wytwórczym dominowały fabryki o mocach około 120 000 ton rocznie.
    Wśród reaktorów dominują tu te ze stałym złożem o wysokim stopniu niezawodności ruchu i bezpieczne w eksploatacji. Tego nie można powiedzieć o reaktorach bębnowych z zewnętrznym ogrzewaniem. Z jednej strony umożliwiają równomierne nagrzewanie biomasy, ale sporo kłopotów sprawia odprowadzanie z nich zasmołowanych gazów poprodukcyjnych, co w kilku przypadkach spowodowało groźne eksplozje.

Fot. 1. Zestaw laboratoryjnej aparatury badawczej dla hydrotermicznego uwęglania biomasy w firmie Suncoal Industries GmbH.

Piroliza biomasy
    Na tle dwóch wyżej zaprezentowanych technologii przetwarzania roślin i odpadów organicznych do biowęgla, trzeba koniecznie zaprezentować czytelnikom proces pirolizy biomasy równocześnie do biowęgla oraz oleju popirolitycznego obok gazu opałowego – opracowany przez firmę Lurgi we Frankfurcie nad Menem – co ilustruje rys. 2.
    Tu proces pirolizy biomasy w temperaturach 600-550⁰C przebiega w czasie pojedynczych sekund. Nośnikiem ciepła jest – będąca w obiegu – krzemionka. Reaktor stanowią dwa równolegle zainstalowane obok siebie transportery ślimakowe, do których doprowadza się wysuszone, rozdrobnione rośliny. W następstwie ich pirolizy otrzymuje się biowęgiel, olej, suspensję wodną i gaz opałowy, który spala się w palnikach ogrzewających bęben przez który cyrkuluje krzemionka.
    Godnym podkreślenia jest fakt, że cała ta instalacja została zamontowana na platformach samochodowych i wg ustalonego harmonogramu objeżdża określone gminy, bogate w odpady roślinne itp. Tak wytworzone oleje z biokoksem przewozi się do stacjonarnej fabryki ich tlenowo-parowego zgazowywania dla wytwórczości, głównie mieszaniny tlenku węgla z wodorem, a tą w relatywnie prosty sposób syntetyzuje się do metanolu. Metanol bywa – między innymi – stosowany w wytwarzaniu biodiesla z olejów roślinnych oraz różnorakich tłuszczów odpadowych. W ten to sposób doszło – dzięki firmie Lurgi z Niemiec – do integracji produkcji biopaliw pierwszej i drugiej generacji, a ta droga rozwoju określonych gałęzi energetyki zapewnia pełną utylizację biomasy wraz z wysoką efektywnością ekonomiczną jej przetwarzania.

Fot. 2. Sproszkowany oraz speletyzowany biowęgiel po jego wytworzeniu w instalacji laboratoryjnej firmy Suncoal Industries GmbH.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Autor: prof. Włodzimierz Kotowski, Politechnika Opolska

Artykuł został opublikowany w magazynie "Chemia Przemysłowa" nr 1/2012

Literatura
1. M. Bensmann, P.Langrock; neue energie, 66, 7, 2009;
2. B. Janzing, neue energie 48, 12, 2010;
3. A. Messner; neue energie, 46, 12, 2010.

Źródło fot.: www.sxc.hu