Изменяя топливный баланс
CentiaTM – «Возобновляемая нефть», система производства топлив
Diversified Energy Corporation DEC и Государственный университет Северной Каролины (NCSU) разработали и в данный момент патентуют технологию переработки масел, получаемых из любого триглицеридного сырья (сельскохозяйственные семечковые и зерновые культуры, животные жиры, водоросли, энергоемкие культуры, отработанные жиры и масла и пр.) в ценные биотоплива. Процесс, названный CentiaTM (производное от латинского «зеленая сила»), включает в себя последовательность из четырех стадий, показанных на рисунке 1, и приводит к получению биобензина, авиатоплива марок Jet A-1/JP-8 и возобновляемого дизельного топлива. В отличие от этанола и биодизеля, полученного методом переэтерификации, биотоплива, получающиеся в процессе CentiaTM, будут полностью повторять химический состав аналогичного топлива, получаемого из нефти, таким образом, улучшая характеристики получаемых топлив, и позволяя использовать их в рамках существующей для обычных топлив инфраструктуры распределения, хранения и потребления (моторы). Данный процесс также отличается от методов гидроочистки, в которых используется избыточное количество водорода для удаления оксигенатов. Все стадии процесса - это либо модифицированные стадии существующих процессов, либо основаны на новейших достижениях и разработках DEC и NCSU.
Зачастую стоимость сырья для производства биотоплива составляет до 80% от стоимости конечного продукта. Поэтому, одним из основных преимуществ процесса CentiaTM является возможность использования большого количества видов исходного сырья. Это предоставляет владельцу завода по производству биотоплива возможность использовать наиболее приемлемое сырье из доступных. Процесс CentiaTM позволяет утилизировать растительные масла, которые на сегодняшний день используются для производства биодизеля – соевое, рапсовое, пальмовое, ятрофовое и т.д., также как и перспективные в будущем источники, например, масла из водорослей. И, наконец, в процессе CentiaTM могут использоваться масла из источников, обычно рассматриваемых как дешевые, например использованные жиры, отработанное масло для жарки и животные жиры (несъедобное бычье или свиное сало, куриный жир). Фактически, чем больше содержание в исходном сырье свободных жирных кислот (СЖК), тем лучше это для процесса. Возможность использования практически любого триглицеридного сырья является, таким образом, ключевой характеристикой процесса.
Процесс CentiaTM также оставляет возможность выбора в отношении получаемых продуктов биотоплива. Отличным целевым рынком может служить авиационная индустрия, поскольку она экономически зависима от цен на нефть, а альтернативных биотоплив в данный момент на этом рынке недостаточно. Стоимость топлива в недавнем времени сильно отразилась на валовой прибыли, и привела к повышению цен, что в конечном счете отразилось на потребителях. ВВС США утверждают, что увеличение цены на баррель нефти на 10$ приводит к росту затрат на топливо на 600 млн $ [1]. Реакция на это со стороны коммерческих авиакомпаний, правительств США и других стран, а также военных послужила призывом к увеличению ассигнований на разработку альтернативного авиационного топлива. До сих пор задача создания биотоплив для авиационных нужд технологически сложна. Авиационные топлива должны выдерживать жесткие условия эксплуатации авиасредством, иметь высокое энергосодержание, обладать текучестью на холоде и соответствовать кинетическим параметрам и параметрам горения, и это еще далеко не все требования, предъявляемые к классу топлив Jet A-1/JP-8. Процесс CentiaTM был специально спроектирован для производства топлива, соответствующего стандартам ASTM и Mil-Specs, осуществляется это высокоэффективно, допустимо по средствам, и может быть укрупнено до коммерческих объемов. Потенциал рынка огромен, в мире потребляется около 73 миллиардов галлонов авиатоплива в год, потребление США составляет по грубым оценкам порядка одной трети этого количества.
В дополнение к биоавиатопливу, поскольку в ходе процесса CentiaTM на второй стадии производятся линейные алканы (базовый элемент топлив), эти соединения на 3 стадии могут быть подвергнуты крекингу и риформингу в других условиях, что позволит получить другие виды биотоплива. Так, может быть получено возобновляемое высокоцетановое дизельное топливо, не обладающее в отличие от традиционного биодизеля (метиловые эфиры жирных кислот) недостатками, связанными с использованием в холодную погоду, окислительной неустойчивостью и старением. В качестве альтернативы линейные углеводороды можно преобразовать и в биобензин. Полученный высокооктановый биобензин будет химически идентичен бензину, получаемому из нефти, и, таким образом, его можно будет распространять по инфраструктуре обычного топлива (бензоколонки, бензохранилища) и использовать в любых автомобилях, снабженных обычным бензиновым двигателем. Данная возможность варьирования получаемых продуктов – это, в конечном итоге, меньшие риски и улучшенная экономическая эффективность для владельцев и операторов заводов по производству биотоплива CentiaTM.
Финансирование NCSU, DEC, а также гранты были использованы для создания разнообразных лабораторных установок, использующих и демонстрирующих данную технологию. Как показано на рисунке 2, были протестированы и продемонстрированы фундаментальные реакции, проходящие на каждой стадии процесса: на первой стадии с использованием установки с противотоком (10 л/ч) происходит гидролиз сырья с 98% эффективностью конверсии; на второй стадии идет декарбоксилирование разнообразных свободных жирных кислот с эффективностью конверсии более 98%; третья стадия – изомеризация и крекинг; на 4 стадии продемонстрирована установка по сжиганию глицерина (побочного продукта процесса) мощностью 90 тыс БТЕ/ч. В качестве примера полученных результатов, на рисунке 3 показан крекинг линейных углеводородов до углеводородов, из которых состоит неэтилированый бензин, получаемый из нефти.
Основные преимущества и конкурентоспособность
Процесс CentiaTM помимо всего прочего предлагает большое количество преимуществ, которые выгодно отличают его от традиционных биотоплив, таких как биоэтанол или биодизель, а также и от появляющихся новых процессов, таких как подходы, основанные на гидроочистке, ферментативные системы, пиролиз, газификация и синтез Фишера-Тропша. Данные преимущества состоят в:
• Варьировании исходного сырья – первая стадия процесса CentiaTM спроектирована так, чтобы было возможно конвертировать любое триглицеридное сырье. Поэтому, процесс может адаптироваться к любым доступным и наиболее дешевым маслам в регионе производства. Масла сельскохозяйственных культур, животные жиры, водоросли, энергоемкие культуры, отработанные масла и многие другие виды сырья – все они приемлемы для процесса, а для замены сырья нужно лишь изменить эксплуатационные условия.
• Варьировании марок получаемого топлива – на третьей стадии процесса CentiaTM получается топливо, подходящее под жесткие спецификации авиатоплив (например Jet A-1/JP-8), или топливо, не имеющее низкотемпературных и иных проблемных характеристик, присущих биодизелю, получаемому в результате переэтерефикации, или топливо, которое можно распространять и использовать в автомобилях как обычный, полученный в результате переработки нефти, неэтилированный бензин.
• Низком потреблении водорода и исключение использования метанола – Процесс CentiaTM – это не обычный процесс гидроочистки, в котором для удаления молекул кислорода в ходе обескислороживания (для достижения нужной энергоемкости) используется водород. Вместо этого, в этом процессе используется каталитическое декарбоксилирование, приводящее к тем же результатам. Таким образом, завод CentiaTM не нуждается в громоздких установках по производству водорода вблизи предприятия и, поскольку водород обычно получают из природного газа, снижение его использования влечет повышение экологической выгоды всего производства. Также необходимо добавить, что по сравнению с производством традиционного биодизеля, использующим метанол, получаемый из невозобновляемых источников, рассматриваемый процесс в нем не нуждается.
• Прямом получении биоароматики: В ходе процесса CentiaTM образуются ароматические углеводороды, и поэтому авиатопливо и биобензин уже содержат их, и нет необходимости добавлять их специально, получая из ископаемого сырья.
• Высокой эффективности – Ожидается, что в рассматриваемом процессе энергетическая конверсия составит более 85%, конверсия массы – более 75%, а потребление внешней энергии составит по самым грубым оценкам примерно половину от используемой в других процессах производства биотоплив. Фактически, использование энергии, получаемой при сжигании глицерина, практически полностью обеспечивает потребности нагревательных установок. Данная особенность приводит к увеличению выхода и снижению затрат, что является необходимым требованием для коммерческой эффективности и широкого рыночного признания.
• Масштабируемости – Легкость в перенастройке и низкое потребление водорода процесса CentiaTM позволяет системе быть экономически варьируемой и в мало-, и в крупнотоннажном исполнении (более 20 млн галлонов в год). Монтаж установок мощностью 1-5 галлонов в год неподалеку от источников сырья и путей дистрибьюции топлива, несомненно, является заманчивым и привлекательным предложением участникам рынка.
• Доступности по цене – предварительный анализ показал, что себестоимость производимых видов биотоплива является конкурентоспособной, если не ниже, по сравнению с существующими биотопливными заводами.
Путь вперед
Технология процесса защищена двумя патентами с 68 формулами изобретения. DEC является единственным эксклюзивным лицензиатом NCSU в мире. Испытания на лабораторном уровне уже подтвердили теорию и показали обнадеживающие результаты, следующим этапом должна стать полностью завершенная модельная установка, обеспечивающая протекание всех стадий процесса, с производительностью 10-20 литров в час. Этот 18 месячный демонстрационный этап в NCSU должен показать возможность производства широкого спектра топлив из разного исходного сырья. Полученные топлива будут исследованы на качество и химический состав, а также пройдут моторное тестирование. Также будет проведена работа по уменьшению технологических рисков, связанных со сроком службы катализатора и непрерывной организацией процесса. Была организована группа из пяти поддерживающих компаний, как показано на рисунке 4, для поддержки разработки технологической модели и подготовки внедрения коммерческих систем. DEC ищет инвесторов и стратегических партнеров для поддержки данного предложения.
Специализации компаний
- Diversified Energy Corporation –
Diversified Energy Corporation www.diversified-energy.com является частной компанией, специализирующейся на продвижении серии многообещающих проектов по альтернативным технологиям и технологиям с возобновляемой энергией. Это – улучшенные технологии газификации с различными источниками сырья, экологически чистым производством синтез-газа и привлекательной экономикой для внедрения в промышленность; процесс конверсии биотоплив, сырьем которого служит любое возобновляемое масло, а продуктом – моторные топлива, похожие до идентичности на их нефтяные аналоги; а также масштабируемая и экономически эффективная система выращивания водорослей (биомассы). Целью компании является завершение научного исследования и разработки данных технологий, постройка первых и уникальных пилотных коммерческих установок, а затем, со временем, создание, управление, и/или продажа крупномасштабных проектов, основанных на этих технологиях. Этот бизнес-подход в существенной мере опирается на формирование партнерского сотрудничества между разработчиками, технологами и финансовыми институтами, в результате которого формируются законченные решения, готовые к выходу на рынок.
Diversified Energy Corporation руководит команда специалистов с большим опытом работы на аэрокосмических, энергетических и высокотехнологичных рынках. Основной опыт работы команды состоит в дизайне, разработке и доставке инновационных технологических решений для правительственных и коммерческих потребителей, с послужным списком, состоящим из нескольких миллиардов долларов. Команду руководителей дополняют группы инженеров, разработчиков и экономистов с хорошей историей инноваций, успешных продаж и внедрений. Компания воплощает свои возможности в интенсивной разработке технологических систем и опыт ведения бизнеса в трансформацию прорывных созидательных идей в сегодняшнюю реальность. Компания была создана в 2005 году, и ее головной офис расположен в г. Гилберт, шт. Аризона.
- Государственный университет Северной Каролины -
Признанный национальный лидер в науке и технологии с историческим уклоном в сельское-хозяйство и разработку технологий, Государственный Университет Северной Каролины (NCSU, www.ncsu.edu) обеспечивает высококачественное образование по гуманитарным и общественным наукам, дизайну, педагогике, биологическим наукам, менеджменту, природным ресурсам, естественным и математическим наукам, текстилю и ветеринарной медицине. Занимаясь образованием студентов 21 века, улучшая жизнь посредством изменяющих жизнь исследований или сотрудничая с обществом, бизнесом и правительством для создания новых рабочих мест, приверженность NCSU к инновациям создает идеальную культуру, которая распространяется в каждую точку университета и заставляет людей жить в соответствующем активном ритме.
Офис передачи технологий NCSU курирует университетский пакет патентов и технологий, в настоящий момент состоящий их 552 патентов США и приблизительно 1600 собственных технологий. Вступление в партнерство с инновационными компаниями, такими как Diversified Energy, соответствует основной задаче университета – доставлять академические открытия на рынок, повышая благосостояние населения. Университет уже дал старт более чем 50 компаниям, использующим технологии, разработанные в нем.
- BASF -
Как мировой лидер по производству катализаторов для биодизельной индустрии, BASF (www.basf.com) обеспечивает экспертную оценку и практические рекомендации по разработке, масштабированию, эксплуатации и текущему обслуживанию катализаторов в коммерческих процессах. Также он является мировым лидером по производству катализаторов гидрирования, что прямо соответствует данному проекту.
- Lauren Engineers and Constructors -
Компания по дизайну и разработке, Lauren (www.laurenec.com) – это более чем 20-летний опыт работы в проектах, связанных с энергетикой. Их специализация заключается в проведении исследований и разработок на ранних стадиях проектирования для улучшения долгосрочной работы, себестоимости, эксплуатации и техобслуживания заводов.
- Southwest Research Institute -
Southwest Research Institute (www.swri.edu) обладает полувековым опытом по оценке качества авиационных топлив и проводил сертификацию единственного синтетического топлива, разрешенного к использованию в авиации.
- Turner Engineering –
Turner Engineering - эксперты в создании биотопливных установок.
- Chambers Process Engineering –
CPE (www.cpeng.net) обеспечивает ответственное создание технологии процесса по условиям заказчика, специализацией фирмы является оборудование для работы при высоких давлениях и высокой температуре.
Рис 1. 4-х стадийная схема процесса производства биотоплив CentiaTM
<Надписи, начиная с левого верхнего угла, далее строго по стрелкам>
ТГ – триглицерид; FFA – свободные жирные кислоты; GL – глицерин; CО2 – диоксид углерода
Сырье – Сельскохозяйственные растительные масла, масла из водорослей, энергоемкие культуры, животные жиры, отходы от жарки и испорченное масло
1-я стадия: Гидролитическая конверсия ( TG + 3H2O -> 3 FFA + GL)
<Ниже>
• Сырье нагревается при повышенном далении,
• Происходит отрыв жирных кислот от глицерина
2-я стадия: Обескислороживание (FFA -> линейный алкан + СО2)
<Ниже>
• Жирные кислоты и растворитель нагреваются под давлением и проходят через катализатор
• Процесс декарбоксилирования
<Надписи сверху вниз>
3-я стадия: Риформинг в дизель (С15-17 лин. алканы -> С12-16 изо-алканы)
Стадии 3А, B, C – Риформинг в биоавиатопливо (С15-17 лин. алканы -> С10-14 изо-алканы + циклоалканы + ароматика + водород)
Стадии 3А, B, C – Риформинг в биобензин (С15-17 лин. алканы -> С7-11 изо-алканы + циклоалканы + ароматика + водород)
• Точные условия процесса зависят от конкретного выбора желаемого биотоплива на выходе
Стадия 4: Сжигание глицерина
глицерин
<центральная надпись>
Источник термической энергии для всех трех стадий процесса
Рис. 2. Примеры разработок, завершенных к сегодняшнему дню
<Надписи от левого верхнего угла по часовой стрелке>
Стадия №1 - Гидролиз.
• Преобразование любого жирного масла (триглицерида) в свободные жирные кислоты
• Основана на коммерческом процессе Colgate-Emery
• Малый реактор построен и успешно протестирован
• Укрупненный реактор (10 л/ч) построен, эффективность конверсии 98%
Стадия №2 - Декарбоксилирование
• Преобразование свободных жирных кислот в соответствующие им линейные алканы – составные блоки топлив
• Выявлены перспективные катализаторы и условия процесса
• Показана применимость для различных жирных кислот
Стадия №3 – Риформинг
• Риформинг линейных алканов в биотопливо по выбранной методике
• Основано на расширенном применении хорошо зарекомендовавших себя коммерческих процессов
• Крекинг и изомеризация протестирована с различными источниками линейных алканов
Стадия №4 – Сжигание глицерина
• Использование побочного продукта первой стадии – глицерина для получения энергии, необходимой для проведения всего процесса
• Обеспечивает все потребности процесса в тепле
• Прототип сжигателя мощностью 90 БТЕ/ч построен и полностью протестирован
Рис. 3 Соответствие полученного биобензина обычному неэтилированному бензину, получаемому из нефти, по распределению углеводородов с различным числом атомов углерода.
Ось Y – Объемное содержание
Ось Х – число атомов углерода в молекуле углеводорода
Графики –
Черный пунктир – Обычный неэтилированный бензин (нефтяной)
Синяя линия – состав продуктов третьей стадии процесса CentiaTM ( метод 1)
Красная линия – состав продуктов третьей стадии процесса CentiaTM (метод 2) . Кому интересна данная тема пишите
Этот e-mail адрес защищен от спам-ботов, для его просмотра у Вас должен быть включен Javascript
