Биомасса

 

 

ГАЗГОЛЬДЕР ИЛИ ЕМКОСТЬ  ДЛЯ ХРАНЕНИЯ БИОГАЗА 

 

 В случае плавающего  газгольдера последний представляет  собой барабан, сделанный либо  из стальных листов, либо железобетона, либо различных видов пластика. Он размещается в верхней части  метантенка как крышка, погружаясь боковыми стенками в субстрат. При отсутствии биогаза он стоит на специальных ребрах на стенках метантенка, предусмотренных для этой цели. Газ, образуясь в субстрате и поднимаясь вверх, собирается в барабане. Для подачи газа по трубопроводу к месту использования после открытия клапана, внутри газгольдера необходимо давление 8-10 см водяного столба. Это давление может быть обеспечено весом газгольдера 80-100 кг/м2. При движении вверх и вниз газгольдер направляется центральной направляющей трубой. Газ заперт со всех сторон за исключением нижней части. Корка, образующаяся на поверхности, перемешивается с помощью вращения газгольдера, имеющего внутри соответствующее устройство для перемешивания. Объем газгольдера индивидуальной БУ с плавающим газгольдером составляет 50% суточного производства биогаза. То есть, газгольдер может быть полностью наполнен за 12 часов работы установки.

 

В случае конструкции с  фиксированным куполом газгольдер часто называют камерой для хранения биогаза. В этом случае камера является неотъемлемой частью установки (метантенка) и сделана из тех же материалов, что и метантенк. Объем камеры соответствует 33% суточного производства биогаза. То есть, камера может быть полностью наполнена за 8 ночных часов, когда биогаз не используется.

 

СИСТЕМА ЗАГРУЗКИ

 

В БУ с плавающим газгольдером система загрузки представляет собой  трубу, изготовленную из цемента. Труба  опускается на дно метантенка и располагается по одну сторону от разделительной стенки (если таковая имеется). Верхняя часть трубы выходит в смесительную емкость. В некоторых случаях (конструкция с фиксированным куполом) система загрузки представляет собой емкость, выполненную из бетона или кирпича, соединенную в верхней части со смесительной емкостью, а в нижней - с впускным отверстием метантенка.

 

СИСТЕМА ВЫГРУЗКИ

 

В случае БУ с плавающим  газгольдером система выгрузки сброженного навоза обычно представляет собой бетонную трубу, установленную под углом и погруженную в навозную массу. Иногда система выгрузки представляет собой прямоугольный или полусферический резервуар, соединенный в нижней части с метантенком с помощью выпускного отверстия, через которое автоматически удаляется сброженная масса. Верхняя часть резервуара накрыта крышкой.

 

 

СМЕСИТЕЛЬНАЯ ЕМКОСТЬ 

 

Смесительная емкость  представляет собой цилиндрический резервуар, необходимый для перемешивания  навозных стоков с необходимым количеством  воды для получения однородной массы  с определенным содержанием сухого вещества. Интенсивное перемешивание  субстрата перед загрузкой помогает увеличить эффективность сбраживания. Обычно перемешивание достигается  с помощью вращающейся мешалки- пропеллера, установленной в резервуаре.

 

ВЫПУСКНОЙ ТРУБОПРОВОД БИОГАЗА 

 

Выпускная биогазовая труба  изготавливается из металла или  пластика и устанавливается в  верхней части плавающего газгольдера  или купола. По этой трубе биогаз подается к месту утилизации. В  трубе устанавливается запорный клапан для регулировки или прекращения  подачи биогаза.

 

Классификация биогазовых установок 

 

Малые биогазовые установки  можно условно разделить на следующие  категории: БУ с плавающим газгольдером, БУ с твердым куполом, БУ с отдельным  газгольдером и БУ с мягким газгольдером.

 

 

БУ с плавающим газгольдером

 

Такая конструкция является обычной в Индии и представляет собой систему с полупостоянной загрузкой сырья. Обычно в ней  используется газгольдер цилиндрической формы, плавающий в метантенке, имеющем соответствующую форму. В процессе образования биогаз накапливается в газгольдере при давлении 8-10 см водяного столба. Объем газгольдера подбирается таким образом, чтобы вмещать половину суточного количества биогаза. Если биогаз не используется регулярно, его излишки будут попадать в атмосферу, проникая в виде пузырьков газа между нижней кромкой газгольдера и стенками метантенка.

 

БУ с твердым куполом 

 

БУ с твердым куполом  появились в Индии в середине 70-х годов. Такая конструкция была заимствована из Китая. Китайские БУ, явившиеся прототипом, используют в  качестве сырья сезонные отходы растениеводства, и по этой причине основаны на принципе полупорционной загрузки. Однако индийские БУ отличаются от китайских, поскольку в Индии основным источником сырья является навоз и, как следствие, используется полупостоянная загрузка. Давление биогаза внутри китайских установок может быть в диапазоне от нуля до 150 см водяного столба. Обычно давление контролируется с помощью простого манометра, установленного на выходной трубе недалеко от места утилизации биогаза. В индийских установках давление может изменяться в пределах от нуля до 90 см водяного столба.

 

БУ с отдельным газгольдером

 

Метантенк такой установки представляет собой герметичную емкость. Выходное отверстие для биогаза находится в верхней части метантенка и соединено с помощью трубопровода с плавающим газгольдером, расположенным на определенном расстоянии от метантенка. Таким образом, внутри метантенка нет избыточного давления, в результате чего снижена вероятность утечек субстрата в случае негерметичности основной емкости установки. Другим преимуществом такой системы является возможность подключения нескольких метантенков к одному большому газгольдеру, построенному в непосредственной близости от места использования биогаза. Недостатком является относительная дороговизна. Обычно общий газгольдер используется для подключения нескольких метантенков с полупорционной загрузкой.

 

БУ с мягким газгольдером

 

Основная часть такой  установки, включая и метантенк (реактор), сделана из резины, плотного пластика или неопрена. Входная и выходная трубы для сырья и сброженной массы изготовлены из поливинилхлорида (ПВХ). Подобная же труба меньшего диаметра используется для выпуска биогаза. Такая установка легко перевозится и просто устанавливается. При установке та часть, в которой будет сбраживаемый субстрат, должна поддерживаться снаружи. Обычно БУ помещают в специальную емкость, углубленную в грунт. Глубина емкости соответствует при этом глубине реактора. Таким образом, уровень сбраживаемой массы соответствует уровню грунта. Для того, чтобы создать избыточное давление в газгольдере, на нем размещается специальный груз. Преимуществом такой установки является возможность серийного производства. Недостатком является относительная дороговизна пластика и резины хорошего качества. Более того, продолжительность эксплуатации такой установки меньше, чем у обычных биогазовых установок. Поэтому, несмотря на хороший потенциал, подобные биогазовые установки пока не получили широкого распространения

 

 

ПОЛУЧЕНИЕ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ ИЗ БИОМАССЫ

 

Исторически одной из первых альтернатив использования ископаемого  топлива для производства электроэнергии явилась древесина, сжигаемая в  котлах для производства пара, который  в конечном итоге приводит в действие генератор электрического тока. При  использовании древесины возникают  проблемы, связанные со свойствами этого вида топлива. Древесина должна быть измельчена, вывезена из леса и  подана в котел. В процессе эксплуатации необходим постоянный контроль, в  частности, необходимо удаление золы. Возможны проблемы с накоплением  твердых и жидких/полужидких несгоревших  продуктов в камере сгорания. Любой  оператор должен понимать, чем древесина  отличается от других видов топлива.

 

 

 

ГАЗИФИКАЦИЯ

 

 Обычно электроэнергию  из древесины получают путем  использования паровых турбин  конденсационного типа. При этом  биомасса сжигается в котле  для производства пара, который,  попадая в турбину, приводит  в движение генератор. Технология  хорошо известна, проверена и  позволяет использовать широкий  диапазон топлив. Однако оборудование  сравнительно дорогое, а эффективность  сравнительно низкая. При этом  возможности улучшения этих параметров  в будущем ограничены. Существуют  также проблемы, связанные с использованием  пара. При атмосферном давлении  пар занимает объем в 1200 раз  больший, чем объем воды. Производство  пара требует нагрева воды  выше температуры кипения под  давлением. Вода кипит при температуре  100 оC на уровне моря. Поддержание в котле высокого давления позволяет значительно поднять температуру кипения. Увеличение температуры пара необходимо для того, чтобы увеличить его полезную работу. Пар низкой температуры будет просто конденсироваться в паропроводах и цилиндрах турбины.

 

Новейшим способом получения  электроэнергии из биомассы является газификация. В этом случае вместо простого сжигания твердого топлива часть  его переводится в газообразную форму, содержащую 65-70% энергии исходного  топлива. Получаемые горючие газы могут  использоваться аналогично природному газу для производства электроэнергии, в качестве топлива для автомобилей, в промышленности, или для получения  синтетических видов топлива. Технология находится в стадии интенсивных  исследований.

 

Многообещающей альтернативой  является термохимическая газификация  биомассы в условиях ограничения  количества воздуха и использование  получаемых газов в газовых турбинах. Газовые турбины относительно дешевые, более эффективные и имеют  хорошие перспективы улучшения  обоих показателей.

 

Газификаторы биомассы обычно имеют четыре основные составные  части:

Система подготовки и подачи топлива.

Реактор.

Газоочистка, система охлаждения и перемешивания.

Энергетическая установка, например, двигатель внутреннего  сгорания (ДВС) с генератором или  насосной установкой, или газовая  горелка в котле или печи.

 

Использование газа в ДВС  с последующим производством  электроэнергии предъявляет жесткие  требования к газификатору и качеству получаемых газов. Необходимость очистки, охлаждения и перемешивания газа делает технологию достаточно сложной. Опыт эксплуатации подобных устройств  в мире показал, что они чувствительны  к изменению параметров топлива, изменению нагрузки оборудования, качеству обслуживания и условиям окружающей среды.

 

К газификаторам, используемым только для производства тепла, не предъявляются  столь жесткие требования, поэтому  их легче проектировать и эксплуатировать, они дешевле и более эффективные  с энергетической точки зрения.

 

Все типы газификаторов требуют  использования топлива с низкой влажностью и малым содержанием  летучих компонентов. Поэтому древесный  уголь хорошего качества является лучшим видом топлива. Однако его использование  требует дополнительного оборудования, что снижает общую эффективность  метода.

 

 В простейшей газовой  турбине с открытым циклом  горячие газы выбрасываются непосредственно  в атмосферу. Другой возможностью  является их использование для  производства пара с помощью  утилизатора тепла. Пар может использоваться для обогрева в когенерационных системах, а именно для повторного впрыска в газовую турбину. Это приводит к увеличению производства энергии и повышению общей эффективности системы (цикл STIG - газовые турбины с инжекцией пара в паровых турбинах и цикл GTCC - комбинированный газопаровой цикл). Природный газ является более предпочтительным топливом, поэтому немногие поставщики будущего оборудования имеют стимулы тратить миллионы долларов на исследования и развитие термохимической газификации угля для снабжения газовых турбин. Большая часть этих работ применима к системам, объединяющим газификацию биомассы и газовые турбины (BlG/GTs). Биомассу легче газифицировать, чем уголь. К тому же, она имеет меньшее содержание серы. Использование технологий BlG/GTs для когенерации, а также для производства электроэнергии во многих случаях может оказаться дешевле, чем использование для этих целей больших централизованных угольных тепловых станций, для которых необходимо проводить сероочистку, а также атомных и гидростанций.

 

Газификаторы, использующие древесину и древесный уголь, становятся коммерческим продуктом. В  некоторых странах проводятся исследования по использованию других видов биомассы (отходов) в качестве топлива. При  этом необходимо решить проблемы чувствительности газификаторов к изменению параметров топлива, некоторые технические  сложности, а также соответствие экологическим требованиям. Капитальные  затраты могут быть значительно  уменьшены в случае использования  для строительства местных материалов. Например, стоимость газификатора, построенного из железобетона в Азиатском  технологическом институте (Бангкок) оказалась в десять раз меньше западных аналогов. Для развивающихся  стран многообещающей перспективой является использование технологии BlG/GTs для потребностей сахарной промышленности и производства этанола.

 

Большое внимание газификации  уделяется в Индии, потому что  здесь имеется база для широкомасштабной коммерциализации. Газификация биомассы может удовлетворить многие потребности  в энергии, особенно в аграрном секторе. Детальный микро- и макроэкономический анализ (Jain, 1989) показал, что в Индии общий потенциал газификации биомассы мог достичь в 2000 году от 10000 до 20000 МВт установленной мощности. Сюда могли бы входить как малые установки для ирригации и электрификации деревень, так и крупные промышленные энергоустановки и сетевые электростанции, работающие на энергетических плантациях.

 

 

СОВМЕСТНОЕ СЖИГАНИЕ

 

 Совместное сжигание, например, газифицированной биомассы  и угля является хорошей возможностью  уменьшения атмосферной эмиссии  на угольных электростанциях.  В 1999 году новая установка для  совместного сжигания биомассы  и угля была запущена в городе  Zeltweg (Австрия). Газификатор биомассы мощностью 10 МВт был установлен на существующей угольной электростанции. Газификатор потребляет 16 м3 биомассы (щепа и кора) в час. Теплотворная способность получаемого газа находится в диапазоне 2,5 - 5 МВт/м3. Проект, получивший название "Biococomb", являлся демонстрационным проектом ЕС. Он был реализован компанией "Verbund" совместно с другими компаниями из Италии, Бельгии, Германии и Австрии и частично финансировался Европейской Комиссией.

 

Когенерация

 

Сжигание биомассы и газовые  турбины 

 

В развитых странах существует тенденция увеличения числа малых  и более гибких установок для  совместного производства тепла  и электроэнергии, использующих биомассу в качестве топлива. Одним из новейших представителей этого типа устройств  является когенерационная станция в городе Ноксвилл (Knoxville, штат Теннеси, США). Установка сочетает топку для древесины и газовую турбину. Перед турбиной горячие газы под давлением проходят через фильтр. Установка может работать на свежих опилках (40% влажности). При электрической мощности 5,8 МВт установка потребляет 10 тонн опилок в час. Тепло уносится с выхлопными газами, имеющими температуру 370°C. Электрический КПД равен 19%, а общий КПД - 75%. Выхлопные газы могут использоваться в паровой турбине, увеличивая электрическую мощность до 9,6 МВт, а электрический КПД - до 30%. Установка в Ноксвилле работает с 1999 года.