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!