Биомасса

 

 

ГАЗИФИКАЦИЯ

 

Базовые принципы газификации  изучаются и развиваются с  начала девятнадцатого века. Во время  Второй мировой войны около миллиона автомобилей приводились в движение с помощью газификаторов на биомассе. Интерес к газификации вновь  возрос во время энергетического  кризиса 70-х годов, а затем упал вместе с снижением цен на нефть в 80-х годах. По оценкам Мирового Банка (1989) всего лишь 1000-3000 газификаторов установлено в мире, преимущественно в Южной Америке для производства древесного угля.

 

В процессе газификации древесины  образуется горючий газ, представляющий собой смесь водорода, угарного газа (монооксида углерода), метана и некоторых негорючих сопутствующих компонентов. Это достигается частичным сжиганием и частичным нагревом биомассы (с использованием тепла ограниченного горения) в присутствии древесного угля (естественного продукта сжигания биомассы). Газ может использоваться вместо бензина. При этом мощность автомобильного двигателя снижается на 40%. Возможно, что в будущем этот вид топлива станет основным источником энергии для электростанций.

 

СИНТЕТИЧЕСКИЕ ТОПЛИВА 

 

В газификаторах, использующих кислород вместо воздуха, можно получать газ, состоящий преимущественно  из H2, CO и CO2. Представляет интерес то обстоятельство, что после удаления СО2 можно получить так называемый синтез-газ, из которого в свою очередь можно синтезировать практически любое углеводородное сырье. В частности, при взаимодействии Н2 и СО получается чистый метан. Другим возможным продуктом является метанол - жидкий углеводород с теплотворной способностью 23 ГДж/т. Производство метанола требует организации сложного химического процесса с высокими температурами и давлением и дорогого оборудования. Несмотря на это, интерес к производству метанола объясняется тем, что он представляет собой ценный продукт - жидкое топливо, способное непосредственно заменить бензин. В настоящее время производство метанола с использованием синтез-газа не является коммерческим. Однако технология существует для использования угля в качестве сырья. Она была развита странами, имеющими большой угольный потенциал, в периоды перебоев с поставками нефти.

 

ФЕРМЕНТАЦИЯ

 

Ферментация сахарного раствора является процессом, при котором  производится этанол (этиловый спирт). Этанол является высокоэнергетическим жидким топливом, которое может использоваться вместо бензина в автомобилях. Этот вид топлива успешно используется в Бразилии. Пригодным сырьем для производства этанола является сахарная свекла или фрукты. Сахароза может быть получена из овощного крахмала и целлюлозы в процессе пульпирования и варки, а также из целлюлозы после измельчения и обработки горячими кислотами. После ферментации в течение 30 часов раствор содержит 6-10% спирта, который может быть выделен в процессе дистилляции.

 

Ферментация представляет собой  анаэробный биологический процесс, в котором сахар превращается в спирт под воздействием микроорганизмов  ( обычно дрожжей). Обычным продуктом является этанол (C2H5OH), а не метанол (CH3OH). Он может использоваться в двигателях внутреннего сгорания: либо непосредственно в специально модифицированных двигателях, либо в качестве добавки к бензину. При этом получается так называемый газохол - бензин, содержащий до 20% этанола.

 

Ценность конкретного  вида биомассы в качестве сырья для  ферментации зависит от его способности  образовывать сахар. Наилучший из известных  источников этанола - сахарный тростник или меласса, остающаяся после выделения  тростникового сока. Другие культуры, содержащие углеводороды в виде крахмала (картофель, кукуруза и другие зерновые) требуют дополнительной обработки  для получения сахара из крахмала. Этот процесс реализуется при  производстве некоторых алкогольных  напитков с помощью ферментов, содержащихся в солоде. Даже древесина может  быть сырьем. Однако содержащиеся в  ней углеводороды (целлюлоза) с трудом разлагаются до сахаров под воздействием кислоты и ферментов, вызывая  сложности при практической реализации процесса.

 

Жидкость, получающаяся в  процессе ферментации, содержит около 10% этанола, который нужно выделить с помощью дистилляции для  дальнейшего использования. Энергетическое содержание конечного продукта около 30 ГДж/т или 24 ГДж/м3. Процесс требует  большого количества тепла, которое  обычно получается из растительных отходов (например, жома сахарного тростника  или стеблей и початков кукурузы). Потери энергии в процессе ферментации  значительны, однако этот недостаток компенсируется удобством использования и транспортировки  жидкого топлива, относительно низкой ценой и доступностью технологии.

 

АНАЭРОБНОЕ СБРАЖИВАНИЕ 

 

Природа обладает средством  разрушения и удаления отходов, а  также мертвых растений и животных. Работу по разрушению производят бактерии. Навоз и компост, использующиеся в качестве удобрения, также получаются в процессе декомпозиции органических материалов. Если части отмирающих растений и животных попадают в воду, то в последствии на поверхности воды можно заметить пузырьки, поднимающиеся со дна. Газ, содержащийся в пузырьках, способен возгораться. Этот загадочный феномен известен человеку многие века. Секрет был раскрыт учеными около 200 лет тому назад. Процесс представляет собой разложение органики в отсутствии воздуха (кислорода). Газ, образование которого обычно отмечалось на болотах, был назван и до сих пор называется болотным газом. Этот газ, называемый также биогазом, представляет собой смесь метана (CH4) и двуокиси углерода (CO2). Впервые биогаз был исследован и описан Александро Вольта (Alessandro Volta) в 1776 году. Хемфри Деви (Humphery Davy) впервые в начале 1800 года показал, что горючий газ метан содержится в навозе. В дальнейшем были развиты биогазовые технологии, позволяющие получить биогаз из любых биодеградирующих материалов в искусственно созданных условиях.

 

Анаэробное сбраживание, как и пиролиз, реализуется при  отсутствии воздуха. Однако в этом случае декомпозиция происходит под воздействием бактерий, а не высоких температур. Это процесс, происходящий практически  во всех биологических материалах и  ускоряющийся в теплых и влажных  условиях (естественно, при отсутствии воздуха). Часто он имеет место  при разложении растений на дне водоемов.

 

Анаэробное сбраживание  также происходит в условиях, создаваемых  в процессе человеческой деятельности. Например, биогаз образуется в местах концентрации сточных вод, навозных стоков ферм, а также твердых бытовых  отходов на свалках и полигонах. В обоих случаях биогаз представляет собой смесь, преимущественно состоящую  из метана и двуокиси углерода. Основные отличия заключаются в природе  исходного материала, масштабах  и темпе образования биогаза, приводящие к весьма отличающимся технологиям  для этих источников.

 

Химия процесса образования  биогаза достаточно сложна. Сложная  популяция бактерий разлагает органические материалы в сахара, а затем  в различные кислоты, из которых  в свою очередь получается биогаз. При этом остается инертный остаток, состав которого зависит от типа установки  и исходного сырья.

 

БИОГАЗ 

 

 Биогаз представляет  собой ценное топливо. Для его  производства во многих странах  строятся специальные метантенки, которые наполняются навозными стоками или сточными водами. Метантенки варьируются в размерах от одного кубического метра (в индивидуальных хозяйствах) до тысяч кубометров, используемых в больших коммерческих установках. Загрузка может быть постоянной или порционной, а процесс сбраживания может занимать от десяти дней до нескольких недель. В процессе деятельности бактерий образуется тепло, однако в условиях холодного климата необходим подвод дополнительного тепла для поддержания оптимальной температуры (по крайней мере, 35 оC). Источником тепла может быть биогаз. В предельном случае весь газ может быть использован для нагрева. Хотя в этом случае выход энергии в процессе будет нулевым, все равно его существование будет оправдано экономией ископаемого топлива, необходимого для переработки отходов. Хорошие биогазовые установки могут производить 200-400 м3 биогаза с содержанием метана от 50 до 75% из каждой тонны сухого органического вещества.

Биогазовая установка - внешний  вид

 

Биогазовая установка - вид  изнутри

Биогазовая установка  с встроенным газгольдером

Биогазовая установка  с внешним газгольдером

 

БИОГАЗ ПОЛИГОНОВ ТБО (СВАЛОЧНЫЙ  ГАЗ)

 

Большая часть муниципальных  отходов - твердых бытовых отходов (ТБО) - представляет собой биологические  материалы, а их вывоз на полигоны создает пригодные условия для  анаэробного сбраживания. То, что  полигоны и свалки ТБО генерируют метан, известно в течение десятилетий. Потенциальная опасность метана заставляла в некоторых случаях  строить системы для принудительного  сжигания метана. Только в 70-х годах 20 века серьезное внимание уделено  идее использования этого "нежелательного" продукта.

 

ТБО имеют более сложный  состав, чем сырье в биогазовых установках. Сбраживание происходит медленнее, обычно в течение нескольких лет, а не недель. Конечный продукт, известный под названием "свалочный  газ", также представляет собой  смесь преимущественно CH4 и CO2. Теоретически выход газа в течение "жизни" полигона может составить 150-300 м3 на тонну ТБО при концентрации метана от 50 до 60 объемных процентов. Это соответствует 5-6 ГДж энергии на тонну ТБО. На практике выход биогаза меньше.

 

В процессе формирования полигона каждый участок после заполнения покрывается слоем непроницаемой  глины или подобного материала, создавая условия для анаэробного  сбраживания. Газ собирается системой связанных между собой перфорированных  труб, установленных в теле полигона вплоть до глубины 20 метров. На новых  полигонах система труб устанавливается  до поступления ТБО. На больших полигонах  может быть установлено несколько  километров труб, с помощью которых  можно собрать 1000 м3/час свалочного газа и более.

 

Все больше свалочный газ  используется для производства электроэнергии. В настоящее время большинство  установок использует двигатели  внутреннего сгорания, например, стандартные  судовые двигатели. При типичном выходе газа, равном 10ГДж/час, могут  быть установлены двигатель и  генератор мощностью 500 кВт.

 

 

ОБРАЗЦЫ ТЕХНОЛОГИЙ

 

ПРОИЗВОДСТВО ТЕПЛОТЫ  В ДРЕВЕСНОСЖИГАЮЩИХ КОТЛАХ

 

 Наиболее часто при  сжигании биомассы используется  древесина. В развитых странах  замена угольных или мазутных  котлов централизованного теплоснабжения  на древесносжигающие котлы снижает затраты потребителей тепла на 20-60%, поскольку стоимость древесины ниже стоимости угля и мазута. В то же время, древесные котлы более экологичны. В процессе работы они выбрасывают в атмосферу то же количество углекислого газа, которое было поглощено деревьями в процессе роста. Таким образом, сжигание древесины не вносит вклад в глобальное потепление. Поскольку древесина содержит меньше серы, чем мазут, меньше сульфатов попадает в атмосферу. Это означает уменьшение количества кислотных дождей.

 

МАЛЫЕ КОТЛЫ 

 

Малые древесные котлы  часто используются для отопления  домов. В Дании работает около 70 тысяч  котлов, в которых сжигаются дрова, древесная щепа и гранулы. Такие  котлы обеспечивают тепло для  радиаторов так же, как это делают мазутные котлы. Они отличаются от печей, которые обеспечивают теплом только ближайшее помещение. Древесный  котел может обеспечивать теплом и горячей водой все здание. Для индивидуального (односемейного) дома установка ручного древесносжигающего котла является наилучшим решением. На более крупных объектах (фермы) экономия за счет использования древесины настолько значительна, что здесь имеет смысл устанавливать автоматические котлы, сжигающие гранулы.

 

Многие древесные котлы  малого размера загружаются дровами  вручную. Обычно они снабжены бункером для хранения топлива. Ручные котлы  для сжигания дров и автоматические котлы для щепы и древесных  гранул различаются между собой. Ручные котлы снабжены баком-аккумулятором  для накопления энергии, полученной при сжигании топлива. Автоматические котлы оборудованы емкостью для  подачи щепы или гранул. Шнековый конвейер подает топливо в соответствии с  необходимой тепловой нагрузкой  здания.

 

За последние 10 лет большой  прогресс достигнут в усовершенствовании обоих видов котлов с целью  повышения эффективности и снижения эмиссии (пыль и монооксид углерода). Улучшения коснулись конструкции топочной камеры, воздухоподачи и автоматизации контроля процесса сгорания. Для ручных котлов эффективность увеличилась от 50% до 75-90%. Эффективность автоматических котлов выросла с 60% до 85-92%.

 

КОТЛЫ С РУЧНЫМ УПРАВЛЕНИЕМ 

 

Существует правило, что  ручные котлы, работающие на дровах, имеют  приемлемые параметры сжигания только на полной нагрузке. Однако в отдельных  установках, имеющих контроль содержания кислорода, нагрузка может быть уменьшена  до 50% без изменения эффективности  или эмиссии. В таких котлах проводится отбор проб и анализ содержания кислорода  в дымовых газах и автоматическое регулирование подачи воздуха.

 

Аналогичные системы используются в автомобилях. Для того, чтобы не приходилось загружать котлы каждые 2-5 часов в холодные периоды года, номинальная мощность котлов выбирается в 2-3 раза больше номинальной тепловой потребности здания. Это означает, что для котлов с ручной подачей топлива требуется больший размер. Котлы, использующие дрова, должны иметь емкость для хранения топлива. Это обеспечивает комфорт для пользователя, меньшие финансовые затраты и экологическое воздействие. Кроме того, в котлах без такой емкости часто наблюдаются усиленная коррозия, вызванная колебаниями температуры воды и дымовых газов.

 

АВТОМАТИЧЕСКИЕ КОТЛЫ 

 

 Несмотря на относительно  простую конструкцию автоматических  котлов, во многих из них достигается  эффективность 80-90% и уровень эмиссии  СО около 100 ppm (100 ppm = 0,01 об. %). В некоторых котлах достигнуты параметры 92% и 20 ppm. Важным условием для достижения таких хороших результатов является использование котла с полной нагрузкой. Для автоматических котлов важно, чтобы номинальный нагрузка котла не превышала потребности в тепле в зимний период. В переходный период (3-5 месяцев) весны и осени тепловая нагрузка обычно снижается до 20-40% от номинальной. Это приводит к ухудшению эксплуатационных характеристик. В течение летнего периода потребность в тепловой энергии снижается до 1-3 кВт на горячее водоснабжение. Это не превышает 5-10% от номинальной нагрузки котла. В случае эксплуатации котла его КПД снижается на 20-30%, а вредное воздействие на окружающую среду увеличивается. Альтернативой летней эксплуатации котла может быть установка комбинированной системы с баком-аккумулятором и солнечным коллектором.