Биомасса

 

Некоторые виды растений демонстрируют  высокую продуктивность по сравнению  с другими при выращивании  в одинаковых условиях. Несмотря на то, что продуктивность различных  древесных пород зависит от типа почвы и климата, некоторые породы деревьев явно выделяются на общем  фоне. Например, некоторые сорта  эвкалипта имеют продуктивность 65 т/га/год сухой биомассы, виды Salix and Populus показывают соответственно 30 и 43 т/га/год.

 

 

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ТОПЛИВА ИЗ БИОМАССЫ В РАЗВИВАЮЩИХСЯ СТРАНАХ 

 

ДРЕВЕСИНА

 

Под древесным топливом понимают все виды топлива, полученные в лесном хозяйстве. Древесное топливо составляет 10% топлива, используемого в мире. В Азии и Латинской Америке  его доля составляет 20%, в Африке - 50%. При этом древесина является главным источником энергии, особенно в бытовых целях, во многих бедных развивающихся странах. В 22 странах  древесное топливо обеспечивает от 25 до 49% потребления энергии, в 17 странах - 50-74% и в 26 странах - 75-100%.

 

Более половины древесины, получаемой в мире, используется в качестве топлива. В некоторых странах, например, в Танзании, эта доля может быть значительно большей (97%). Несмотря на то, что древесное топливо является главным источником энергии в  сельских районах и для людей  с низким уровнем доходов в  развивающемся мире, его количество быстро уменьшается, приводя к дефициту и экологической деградации. По существующим оценкам, треть населения Земли  испытывает ежедневные трудности по обеспечению топливом для бытовых  нужд.

 

Несколько проведенных исследований снабжения древесным топливом в  развивающихся странах подтвердили, что его нехватка является реальностью  сегодня и сохранится в будущем, даже при дополнительных усилиях  по управлению ресурсами. Поэтому увеличение производства древесины путем внедрения  эффективных технологий является необходимым  условием устойчивого развития в  развивающихся странах.

 

ДРЕВЕСНЫЙ УГОЛЬ 

 

Увеличение использования  древесного угля в Европе связано  с промышленной революцией в Англии в 17 - 18 веках. В Швеции потребление  древесного угля выросло в течение 19 столетия в связи с производством  металла, в частности, высококачественной стали. Сегодня древесный уголь  остается важным видом бытового и, в  меньшей степени, промышленного  топлива во многих развивающихся  странах. Он преимущественно используется в городах, где простота хранения, высокая теплотворная способность (30 МДж/кг по сравнению с 15 МДж/кг для древесины), меньшее количество дымовых выбросов и устойчивость к насекомым делают его более привлекательным, чем древесное топливо. В крупных городах Танзании доля древесного угля составляет 90% общего энергопотребления.

 

 

ОТХОДЫ 

 

Потенциал образования лесных и сельскохозяйственных отходов  огромен - около 2 миллиардов т/год во всем мире. Сегодня этот потенциал  недостаточно используется во многих регионах мира. В районах с недостатком  леса, таких как Бангладеш, Китай, северных равнинах Индии и Пакистане  до 90% бытовых потребностей в энергии  покрывается в сельской местности  за счет сельскохозяйственных отходов. По существующим оценкам около 800 миллионов  обитателей Земли используют с/х  отходы и навоз для приготовления  пищи, хотя точные подсчеты сделать  трудно. В противоположность распространенному  мнению, использование навоза в качестве источника энергии не ограничено только развивающимися странами. Например, в Калифорнии коммерческие биогазовые установки генерируют около 17.5 МВт  электроэнергии, используя навоз  крупного рогатого скота. Большое количество биогазовых установок имеется в  Европе.

 

Количество энергии, которое  теоретически возможно получить из возобновляемых отходов, составляет 54 ЭДж в развивающихся странах и 42 ЭДж в развитых регионах. Возобновляемые отходы включают три основных компонента: лес, продукты растениеводства и навоз. В расчетах предполагается, что только 25% отходов используется полезно. Развивающиеся страны теоретически могут покрыть 15% потребностей в энергии за счет отходов, промышленные страны - 4%.

 

Отходы сахарного тростника (жом, листья) представляют собой важный и зачастую огромный потенциал для  производства электроэнергии, который  пока используется недостаточно эффективно.

 

В зависимости от типа газовой  турбины и доли использования  стеблей и листьев тростника  в межсезонье, количество электроэнергии, вырабатываемой из сахарного тростника, по некоторым оценкам может в 44 раза превышать собственное ее потребление сахарным или спиртовым  заводом. На каждый литр спирта газовая  турбина может произвести более 11 кВт·ч электроэнергии сверх собственного потребления завода (около 820 кВт·ч/т). По другим оценкам, использование жома для конденсационных турбин дает дополнительно 20-65 кВт·ч электроэнергии на тонну тростника. Этот количество может быть удвоено с помощью использования вида barbojo в межсезонье. Себестоимость произведенной электроэнергии оценивается в 0,05 $/кВт·ч. Доходы от продажи электроэнергии, произведенной параллельно с получением сахара, сравнимы с доходами от продажи сахара, а в случае одновременного производства спирта и электроэнергии доходы от продажи электроэнергии превышают доходы от реализации спирта. В последнем случае электроэнергия может считаться основным продуктом, а спирт побочным.

 

Только в Индии производство электроэнергии из отходов сахарного  тростника в 2030 году может достичь 550 ТВт·ч/год (общее производство электроэнергии из всех источников в стране в 1987 году было менее 220 ТВт·ч). В глобальном масштабе около 50 ГВт установленной мощности может быть обеспечено с помощью отходов. Теоретический потенциал отходов в 80 развивающихся странах, производящих сахар из сахарного тростника, достигает 2800 ТВт·ч/год, что на 70% превышает общее производство электроэнергии в этих странах в 1987 году. Изучение общего потенциала сахарной промышленности дает цифру 500 ТВт·ч/год. Предполагая, что третья часть отходов может быть использована для производства электроэнергии с помощью внедрения новых технологий, 10% современной мировой потребности в электроэнергии (10000 ТВт·ч/год) может быть обеспечена из этого источника.

 

МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ ЭНЕРГИИ  ИЗ БИОМАССЫ

 

 Практически все виды "сырой" биомассы достаточно  быстро разлагаются, поэтому немногие  пригодны для долговременного  хранения. Из-за относительно низкой  энергетической плотности транспортировка  биомассы на большие расстояния  нецелесообразна. Поэтому в последние  годы значительные усилия были  предприняты для поисков оптимальных  методов ее использования. 

 

 Методы получения энергии  из биомассы основаны на следующих  процессах: 

 

 Прямое сжигание биомассы.

 Термохимическое преобразование  для получения обогащенного топлива.  Процессы этой категории включают  пиролиз, газификацию и сжижение.

 Биологическое преобразование. Такие естественные процессы, как  анаэробное сбраживание и ферментация  приводят к образованию полезного  газообразного или жидкого топлива. 

 

 В некоторых из перечисленных  процессов побочным продуктом  является тепло. Оно обычно  используется на месте образования  или на небольшом удалении  для теплоснабжения, в химических  процессах или для производства  пара и последующего получения  электроэнергии. Основным продуктом  процессов является твердое, жидкое  или газообразное топливо: древесный  уголь, заменители или добавки  к бензину, газ для продажи  или производства электроэнергии  с использованием паровых или  газовых турбин.

 

СЖИГАНИЕ 

 

Технология прямого сжигания представляет собой наиболее очевидный  способ извлечения энергии из биомассы. Она проста, хорошо изучена и коммерчески  доступна. Существует множество типов  и размеров систем прямого сжигания, в которых можно сжигать различные  виды топлива: птичий помет, соломенные тюки, дрова, муниципальные отходы и  автомобильные шины. Тепло, получаемое при сжигании биомассы, может использоваться для отопления и горячего водоснабжения, для производства электроэнергии и  в промышленных процессах. Одной  из проблем, связанных с непосредственным сжиганием, является его низкая эффективность. В случае использования открытого  пламени большая часть тепла  теряется.

 

 Сжигание древесины  может быть разбито на 4 фазы:

 Кипение воды, содержащейся  в древесине. Даже древесина,  высушенная в течение нескольких  лет, содержит от 15 до 20% воды в  клеточной структуре. 

Выделение газовой (летучей) составляющей. Очень важно, чтобы  эти газы сгорали, а не "вылетали в трубу".

Выделяющиеся газы смешиваются  с атмосферным воздухом и сгорают  под воздействием высокой температуры.

Сгорание остатков древесины (преимущественно углерод). При хорошем  сжигании энергия используется полностью. Единственным остатком является небольшое  количество золы.

 

Для эффективного сжигания необходимы три условия:

Достаточно высокая температура.

Достаточное количество воздуха.

Достаточное время для  полного сгорания.

 

Если количество поступающего воздуха недостаточно, сгорание происходит не полностью. При этом образуется черный дым, состоящий из несгоревшего углерода. В результате образуются отложения  сажи в дымоходе, повышающие опасность  возгорания. Если количество поступающего воздуха слишком велико, то температура  в зоне горения снижается и  газы покидают ее несгоревшими, унося тепло. Правильное количество воздуха приводит к оптимальному использованию топлива. При этом не образуются запах и дым, невелика опасность возгорания в дымоходе. Регулирование количества воздуха зависит от конструкции дымохода и тяги, которую он может обеспечить.

 

Прямое сжигание является простейшим и наиболее распространенным методом получения энергии, содержащейся в биомассе. Кипячение воды в кастрюле над горящими дровами представляет собой простейший процесс. К сожалению, он также является и малоэффективным, как показывают простейшие вычисления.

 

Один кубический метр сухой  древесины содержит 10 ГДж энергии (десять миллионов кДж). Для нагревания 1 литра воды на 1 градус требуется 4,2 кДж тепловой энергии. Для того, чтобы довести до кипения литр воды, потребуется менее 400 кДж, содержащиеся в 40 кубических сантиметрах древесины - то есть небольшая деревянная палочка. На практике на открытом огне потребуется, по крайней мере, в 50 раз большее количество древесины. Эффективность преобразования не превышает 2%.

 

Разработка печей или  котлов, способных эффективно использовать энергию топлива, требует понимания  процессов сгорания твердого топлива. Первым процессом, потребляющим энергию, является испарение содержащейся в  древесине воды. Для относительно сухого топлива на испарение используется лишь несколько процентов от общего количества выделяемой энергии. В самом  процессе сгорания всегда имеются две  стадии, потому что любое твердое  топливо содержит две сгораемые  составляющие. Летучие компоненты выделяются из топлива при повышении температуры  в виде смеси паров и испаренных смол и масел. При сжигании этих продуктов  образуются небольшие пиролизные струи.

 

Современные устройства для  сжигания (котлы) обычно производят тепло, пар, используемый в промышленных процессах, или электроэнергию. Устройство систем прямого сжигания варьируется в  зависимости от варианта использования. Выбор топлива также влияет на дизайн и эффективность систем сжигания. Системы прямого сжигания биомассы подобны аналогичным устройствам, сжигающим уголь. На практике биомасса может сжигаться совместно с  углем в небольшой пропорции  в существующих угольных котлах. Биомасса, сжигаемая совместно с углем, представляет собой дешевое сырье, например отходы лесного или сельского  хозяйства. Это помогает уменьшить  выбросы в атмосферу, обычно связанные  с использованием угля. Уголь представляет собой окаменевшую в течение  миллионов лет биомассу. В процессе нагрева и сжатия в глубинах земной коры уголь накапливает такие  химические элементы, как фосфор и  ртуть. В процессе сжигания угля для  производства тепловой или электрической  энергии эти элементы высвобождаются и попадают в атмосферу. В "сырой" биомассе эти элементы отсутствуют.

 

ПИРОЛИЗ

 

Пиролиз представляет собой  простейший и, по-видимому, самый старый способ преобразования одного вида топлива  в другой с лучшими показателями. Разные виды высокоэнергетического  топлива могут быть получены с  помощью нагрева сухой древесины  и даже соломы. Процесс использовался  в течение столетий для получения  древесного угля. Традиционный пиролиз  заключается в нагреве исходного  материала (который часто превращается в порошок или измельчается перед  помещением в реактор) в условиях почти полного отсутствия воздуха, обычно до температуры 300 - 500 °C до полного  удаления летучей фракции. Остаток, известный под названием древесный  уголь, имеет двойную энергетическую плотность по сравнению с исходным материалом и сгорает при значительно  более высоких температурах. В  зависимости от влажности и эффективности  процесса, 4-10 тонн древесины требуется  для производства 1 тонны древесного угля. В случае если летучие вещества не собираются, древесный уголь содержит две трети энергии исходного  сырья.

 

Пиролиз может проводиться  в присутствии малого количества кислорода (газификация), воды (паровая  газификация) и водорода (гидрогенизация). Одним из наиболее полезных продуктов  в этом случае является метан, представляющий собой топливо для производства электроэнергии с помощью высокоэффективных  газовых турбин.

 

Более сложная техника  пиролиза позволяет собрать летучие  вещества. Кроме того, контроль температуры  позволяет контролировать их состав. Жидкие продукты могут использоваться в качестве жидкого топлива. Однако они содержат кислоты и должны очищаться перед использованием. Быстрый пиролиз растительных материалов, например древесины или скорлупы орехов, при температурах 800-900 градусов Цельсия приводит к образованию 10% твердого древесного угля и преобразует 60% исходного сырья в газ, содержащий большое количество водорода и монооксида углерода. Этот метод может составить конкуренцию традиционному пиролизу, однако для широкого коммерческого использования его необходимо отработать.

 

В настоящее время традиционный пиролиз считается наиболее привлекательным  видом технологии. Использование  относительно низких температур означает, что в атмосферу попадает малое  количество загрязнителей, если сравнивать со сжиганием. Это обстоятельство дает экологическое преимущество пиролизу при переработке некоторых видов  отходов. Предпринимаются попытки  использования малых пиролизных установок для переработки отходов производства пластика, а также использованных автомобильных шин. Хранение или захоронение этих материалов вызывает растущую озабоченность в мире.