Юрий Почанин - Технологии энергетического использования биомассы

– 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 (С 4Н 9ОН – бутиловый спирт), диметиловый эфир (С 2Н 5ОН, 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/м 3

Масло -23-30 МДж/м 3

Кокс – 20–30 МДж/м 3

Быстрый пиролиз

Бионефть- 20–30 МДж/м 3

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/м 3, 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.).

При термохимических методах биомасса превращается в более ценный энергоноситель или сжигается непосредственно. Различают три метода: сжигание, газификация и сжижение. При сжигании, связанная в биомассе, химическая энергия в процессе окисления превращается в тепло непосредственно. Термохимическое превращение включает прямое сгорание, газификацию и термическое разложение (пиролиз).

Традиционными методами сжигания твердых топлив являются слоевое, с кипящим (псевдоожиженным) слоем, факельно-слоевое и факельное сжигание в котлах. При слоевом сжигании твердого топлива куски размером до нескольких сантиметров подаются на решетку, продуваемую воздухом. Достоинство слоевого сжигания – простота подготовки и подачи топлива. Недостаток метода – низкая паропроизводительность.