Читать книгу Технологии энергетического использования биомассы - Юрий Степанович Почанин - Страница 2

Использование биомассы в энергетических целях – комплексный процесс, включающий выращивание и сбор биологических веществ, различные методы их подготовки и переработки в жидкие, газообразные и твердые топлива. Растительная биомасса представляет собой сложную смесь различных соединений. В расчете на сухое вещество в ней содержится 5—30 % водорастворимых соединений (сахара, крахмал, мочевина, соли), 5—40 % протеинов, 25–90 % целлюлозы и гемицеллюлозы, 5—30 % лигнина, 1—13 % нерастворимых в воде неорганических соединений (золы). Растительная биомасса характеризуется высоким содержанием кислорода, достигающим 40 %, и пренебрежимо малым содержанием такого нежелательного элемента, как сера.

Химический состав биомассы может различаться в зависимости от ее вида. Углеводородная фракция состоит из множества молекул сахаридов, соединенных между собой в длинные полимерные цепи. К наиболее важным категориям углеводородов можно отнести целлюлозу. Лигниновая фракция состоит из молекул несахаридного типа. Природа использует длинные полимерные молекулы целлюлозы для образования тканей, обеспечивающих прочность растений. Лигнин представляет собой «клей», который связывает молекулы целлюлозы между собой.

Основные источники биомассы для применения в энергетических целях можно разделить на первичные и вторичные (отходы).

Первичная биомасса является продуктом преобразования энергии солнечного излучения при фотосинтезе. Несмотря на весьма низкий КПД фотосинтеза (около 1 %) ежегодно только на территории, занимаемой Россией, продуцируется до 15 млрд т биомассы (по сухому веществу), накапливающей энергию в виде органических веществ, эквивалентную примерно 8 млрд т условного топлива. Напомним, что современное мировое энергопотребление оценивается 12 млрд т у.т.

Первичные источники – биомасса растущих деревьев, кустарников, некоторых многолетних трав, водорослей. Ряд специалистов предлагает создавать и использовать специальные «энергетические плантации» быстро растущих в естественных условиях культур типа ивы, тополя, тростника, кукурузы, овса, сорго и т. п. Эта биомасса затем может быть применена непосредственно как топливо на тепловых электростанциях или в котельных. При условии, что на место использованных растений высаживается такое же количество новых, такой подход позволяет исключить накапливание С0₂ в атмосфере.

Растительное сырье разделяют на три поколения.

Биотопливо первого поколения производят из сахара, крахмала, растительного масла и животного жира, используя традиционные технологии. Основными источниками сырья являются семена или зерно. Например, семена подсолнечника прессуют для получения растительного масла, которое затем может быть использовано в биодизеле. Из пшеницы получают крахмал, после его сбраживания – биоэтанол. Вместе с тем из подсолнечника, пшеницы и других подобных культур можно произвести продукты питания, поэтому возникает конкуренция с жизненно важным для человечества сегментом рынка пищевым. Более того, производство биотоплива из подобных культур требует существенной финансовой поддержки государства и зачастую экономически невыгодно. Кроме того, многие экологи уверены, что при производстве данных видов биотоплива выбрасывается слишком много парниковых газов, что перекрывает экологическую выгоду от использования этих биотоплив.

Растительное сырье второго поколения. К биотопливам второго поколения относятся все виды жидкого и газообразного биотоплива, которые производятся не из пищевых культур: древесины, шелухи, и другой биомассы – органических отходов растительного и животного происхождения. Лигноцеллюлозный этанол получают из гидролизатов целлюлозы, используя: нагревание паром, ферменты и другие предобработки. С помощью брожения из данных сахаров можно получить этанол таким же путем, как и биоэтанол первого поколения. Побочным продуктом этого процесса является лигнин, которой может быть сожжен как не влияющий на концентрацию углекислого газа в атмосфере для выработки тепла и энергии. Также лигноцеллюлозный этанол сокращает выбросы парниковых газов на 90 % по сравнению с ископаемой нефтью.

Растительное сырье третьего поколения. Совершенно новый вид – биотопливо третьего поколения или водорослевое топливо изготовляется из водорослей. Водоросли – одновременно дешевое и высокопродуктивное сырье для получения жидкого биотоплива. Эксперты утверждают, что с одного акра водорослей можно произвести в 30 раз больше биотоплива, чем с акра любого наземного растения. Более того, жидкое биотопливо из водорослей может без труда заменить продукты из нефти без качественных потерь для пользователей и с улучшением экологической составляющей. Эксперты утверждают, что как только жидкое биотопливо из водорослей станет экономически рентабельным для производства в большим масштабах (а сейчас к этому приближаются), то нефтяное топливо уже будет не конкурентно способным.

К отходам относят:

– отходы лесной, деревообрабатывающей и целлюлозно- бумажной промышленности, сельскохозяйственные отходы – остатки первичной биомассы (солома, шелуха зерновых культур, жмых масличных культур) и отходы животноводства, птицеводства (навоз, помет);

– промышленные жидкие отходы некоторых промышленных производств (пищевая, сахарная промышленность, виноделие и другие производства);

– муниципальные отходы городских очистных сооружений, городских свалок (подземные хранилища), твердые бытовые отходы и др.

Перед переработкой биомасса обычно проходит стадии подготовки, включающие измельчение, сушку и др. При переработке биомассы в моторные топлива наибольший интерес представляет газификация с получением синтез-газа (преобразуемого затем в метанол или углеводороды), а также ферментация с получением этанола.

Определенный интерес представляет использование в качестве моторного топлива для дизельных двигателей растительных масел. Масла, содержащиеся в семенах и плодах подсолнечника, хлопчатника, сои, клещевины, кокоса и ряда других масличных культур, представляют собой окисленные углеводороды, в основном триглицериды, близкие по теплоте сгорания к дизельному топливу. Масло выделяется из масличных культур путем выжимки и экстрагирования (трихлорэтиленом или гексаном) и очищается методами нейтрализации, вымораживания или фильтрования. Однако растительные масла нестабильны и имеют повышенную вязкость и коксуемость. Эти недостатки могут быть частично устранены, если применять их в смеси с дизельным топливом или перевести в метиловые и этиловые эфиры. Мировое производство растительных масел не превышает 35 млн. т в год, и все они практически целиком потребляются пищевой и химической промышленностью. Стоимость растительных масел в несколько раз превышает стоимость дизельного топлива, получаемого из нефти.

Таким образом, хотя сырьевых источников для производства биотоплив много, на практике круг их сужается вследствие географических, климатических, экономических и других факторов. Пищевые культуры исключаются из баланса, поскольку являются не менее дефицитными сегодня для производства продуктов питания. Сельскохозяйственные культуры – сезонное сырье и их выращивание требует больших земельных площадей.

Товарные продукты энергетической переработки биомассы представлены на рис. 1.1.

Рис. 1.1. Товарные продукты энергетической переработки биомассы

Из биомассы производится три типа первичного топлива:

1. Твердое (уголь, торрефицированная биомасса (биоугль);

2. Газообразное (биогаз (СН4, СО2), генераторный газ (СО, Н2, СН4, СО2), синтез-газ (СО, Н2), заменитель природного газа (СН4);

3. Жидкое (этанол, биодизельное топливо, метанол, растительное масло, и пиролизное масло).

К твердому топливу относят: дрова, а также новые его модификации: топливные гранулы и брикеты, в том числе так называемые пеллеты, представляющие собой прессованные изделия из древесных отходов (опилок, щепы, коры, некондиционной древесины, порубочных остатков при лесозаготовках), соломы, отходов сельского хозяйства (лузги подсолнечника, ореховой скорлупы, навоза, куриного помета) и другой биомассы.

К основным видам газообразного биотоплива относят биогаз – продукт анаэробного сбраживания органических отходов, представляющий собой смесь метана и углекислого газа, и

биоводород—водород, получаемый из биомассы термохимическими, биохимическими методами или биофотолизом.

Основные виды жидкого биотоплива, получаемые в ряде стран в промышленных масштабах, – это биоэтанол (этанол, получаемый в процессе переработки растительного сырья, в частности сахарного тростника или кукурузы), биометанол, биобутанол (С₄Н₉ОН – бутиловый спирт), диметиловый эфир (С₂Н₅ОН, производимый, например, из отходов целлюлозно-бумажного производства), а также биодизель – топливо на основе жиров животного, растительного и микробного происхождения, а также продуктов их этерификации).

Укрупненная картина по технологиям промышленного получения альтернативных топлив представлена в таблице 3.1,

Таблица 3.1. Технологии получения альтернативных топлив из биомассы

Наименование технологий

Вид биомассы

Основные показатели

Синтез-газ (генераторный газ)

Специально выращиваемые леса, дерево, отходы лесозаготовок, отходы с/х производства, солома, торф

Водород – 20–25%

Угарный газ (СО) – 15–20%

Углекислый газ – 5-10%

Вода – 5-10%

Азот – 35–40%

Пиролизное топливо

Любая биомасса

Простой пиролиз

Газ – 10–15 МДж/м³

Масло -23-30 МДж/м³

Кокс – 20–30 МДж/м³

Быстрый пиролиз

Бионефть- 20–30 МДж/м³

Биодизельное топливо

Специально выращиваемые культуры (рапс и др.)

Плотность – 0,9–0,93 кг/л

Воспламеняемость – 38

Содержание золы – 0,02%

Содержание воды – 1 г/кг

Температура воспламенения – 300 ºС

Биогаз отходов

Навоз, отходы с/х производства, перерабатывающей промышленности, бытовые отходы

Метан – 60–70%

Углекислый газ – 30–35%

В тоже время типов установок очень много, поскольку конкретная технологическая схема зависит от вида биомассы, назначения, температурных условий и т. д.

К недостаткам биомассы как сырья для получения моторных топлив относятся рассредоточенность ее запасов и необходимость поддержания экологического равновесия. Сырая биомасса отличается высокой влажностью (30–90 %) – Энергоплотность сырой биомассы колеблется в пределах 1—15 ГДж/м³, и даже после сушки ее теплота сгорания остается относительно низкой—16–24 ГДж/т.

Простейшая классификация разделяет исходное сырье на сухое (например, древесные отходы) и влажное (например, стоки животноводческой фермы). Для использования сухой биомассы наиболее эффективны термохимические технологии (прямое сжигание, газификация, пиролиз). Для влажной биомассы – биохимические технологии переработки с получением биогаза (анаэробное разложение органического сырья) или жидкого биотоплива (процессы спиртового брожения и др.).