Технологии энергетического использования биомассы

Юрий Степанович Почанин, 2021

Рассмотрены основные источники биомассы для применения в энергетических целях, которые можно разделить на первичные и вторичные (отходы). Первичные источники – биомасса растущих деревьев, некоторых многолетних трав, водорослей. 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). Вторичная биомасса (отходы): отходы лесной, деревообрабатывающей и целлюлозно-бумажной промышленности и отходы животноводства. В настоящее время имеется большое количество технологий получения топливных брикетов и пеллет. В современной топочной технике применяются слоевой, вихревой, циклонный и факельный процессы сжигания топлива. Рассмотрены технологии двух основных типов биохимических процессов: анаэробное сбраживание и ферментация.

Введение

Поиск и эффективное использование альтернативных источников энергии в последние десятилетия становятся одними из важнейших научно-технических задач, решаемых мировым сообществом. В этой связи многие страны проводят интенсивные исследования по развитию энергетики, основанной на использовании возобновляемых природных ресурсов, в том числе и биомассы. Скорость формирования биомассы на планете равна 250 х10⁹ т/год, объемы же образуемых при этом органических соединений составляют 100 х10⁹ т. Перспективы развития биоэнергетики огромны, учитывая, что лишь 0,5% доступной на планете биомассы потребляется человеком в пищу.

Биомасса — шестой по запасам из доступных на настоящий момент источников энергии после горючих сланцев, урана, угля, нефти и природного газа.

Биомасса — пятый по производительности возобновляемый источник энергии после прямой солнечной, ветровой, гидро-и геотермальной энергии. Биомасса — крупнейший по использованию в мировом хозяйстве возобновляемый ресурс (более 500 млн тонн у. т. в год). Биомасса применяется для производства тепла, электроэнергии, биотоплива, биогаза (метана, водорода).

Основу биомассы нашей планеты составляют органические соединения углерода, которым свойственно выделение тепла в процессе соединения с кислородом при сгорании. Первоначальная энергия биомассы — кислород, образуется в процессе фотосинтеза под влиянием солнечных лучей. В результате ряда химических или биохимических процессов биомасса может трансформироваться в газообразный метан, твердый древесный уголь или жидкий метанол.

В качестве биотоплива могут быть использованы: биомасса древесины, отходы древесины, образующиеся при ее рубке и обработке, биомасса быстрорастущих кустарниковых и травянистых растений, лигнин, горючая часть коммунальных отходов, отходы, получаемые при мелиоративных работах, расчистке территорий под новое строительство, отходы растениеводства, горючие отходы перерабатывающей и пищевой промышленности, животноводства.

В 2003 г. путем переработки биомассы во всем мире было получено 24ГВт/ч электроэнергии. Ожидается, что к 2025г. мировое потребление энергии биомассы может составить до 85ГВт/ч электроэнергии и 250ГВт/ч тепловой энергии. До 40% продукции биоэнергетики в развитых странах будет составлять этанол, 20% — дизельное топливо, 15% — биогаз, 25% — различные виды моторного топлива.

Ресурсы биомассы имеются в большинстве стран и регионов мира. Использование биомассы в энергетических целях до недавнего времени сводилось к прямому сжиганию либо в открытых очагах, либо в печах и топках, но с весьма низким КПД. За последнее время использование биомассы в различных ее формах (дерево, древесный уголь, отходы сельскохозяйственного производства и животных) в мире в целом снизилось. Однако в развивающихся странах этот вид энергоресурсов по-прежнему составляет в среднем 20%. По оценкам Международного энергетического агентства, около 2,4млрд. человек в развивающихся странах зависят от традиционной биомассы при отоплении помещений для жилья и приготовлении пищи. При этом в ряде стран Африки использование биомассы для энергетических целей равно примерно 60% от общего энергопотребления, в странах Азии — до 40%, в странах Латинской Америки — порядка 30%. Даже в таких развитых государствах, как Финляндия и Швеция, лесная биомасса обеспечивает 16-18% производимой энергии, причем практически весь этот объем покрывается новыми посадками. В странах Европейского Союза доля энергии биомассы в 2002 году составила около 45% от общего производства ВИЭ (возобновляемые источники энергии). Общие ресурсы биомассы в Европе (в млн. т сухой массы в год) составляют: древесного топлива — 75, древесных отходов — 70, сельскохозяйственных отходов — 250, городского мусора — 75. Кроме того, биомасса, выращиваемая на энергетических плантациях, дает 250 млн. т в год.

Сегодня использование энергии биомассы осуществляется по следующим основным направлениям: производство биогаза и удобрений: на малых установках по переработке сельскохозяйственных и бытовых отходов мелких крестьянских хозяйств. Число таких предприятий в мире достигло 6 млн., причем 90% из них находятся в Китае и Индии; на крупных установках по переработке городских отходов и сточных вод (более 1400 установок во многих странах Европы, Азии и Америки); на мощных комбинированных установках (фабриках) по переработке отходов сельского хозяйства, включая животноводство (такие установки получили большое распространение в Дании, где находится 18 из 50 европейских фабрик); производство на основе биомассы различных видов жидкого топлива, прежде всего этанола и биодизельного топлива (в этой области лидируют США, Канада и Бразилия); производство на основе биомассы искусственных продуктов, используемых во многих областях промышленности (развито в США, Канаде, Японии, Швеции и других странах); производство электроэнергии путем переработки твердых бытовых отходов и биогаза городских свалок (в основном развито в США, Дании, Германии, Италии); производство электроэнергии из отходов лесной и дерево-обрабатывающей промышленности (развито, прежде всего, в США, Канаде и Швеции). В США на газе от свалок работает до 170 небольших электростанций, самая крупная из которых, в городе Уиттьер, ежегодно вырабатывает 50МВт/ч энергии, обеспечивая электричеством более 20 тысяч домов. Конечно, подобные технологии имеют локальное значение и решают скорее не топливную проблему, а проблему утилизации отходов и улучшения экологической обстановки. В последнее время внимание к эффективному энергетическому использованию биомассы существенно повысилось, а вновь созданные технологии позволяют использовать биомассу значительно более эффективно.

Использование биологического топлива в промышленных объемах способно обезопасить мир от экологического загрязнения, делая возможным непрерывное получение энергии. Так, при сгорании биологического топлива большая часть энергии рассеивается, однако конечные продукты сгорания могут быть снова преобразованы в топливо путем естественных экологических процессов.

Фактически, биомасса способна обеспечить возможность производства всех видов топлива для промышленного и сельскохозяйственного применения, включая жидкое топливо для заправки транспорта. Однако, промышленная переработка биомассы будет успешной и даст плоды если придерживаться нескольких основополагающих принципов:

1. Принципа экономической эффективности. Некоторые виды биотоплива могут требовать для своего производства энергии больше, чем сами смогут в последующем дать, поэтому при организации процесса переработки биомассы важно брать во внимание фактор выгоды. К примеру, этиловый спирт из соломы и растительного волокна обойдется в разы дешевле того же продукта из крахмала растений. Любая переработка сырья должна быть экономически оправдана.

2. Принципа соответствия планируемых объемов производства биотоплива концентрации возобновляемого сырья. Если оценка концентрации сырья не будет предварительно сделана, то существует вероятность того, что производство биотоплива окажется слишком дорогостоящим процессом.

3. Принципа предотвращения экологической опасности. Производство биотоплива не должно быть причиной эрозии почв, уничтожения лесов, сельскохозяйственных запасов растений, идущих в пищу.

Существуют также факторы, препятствующие широкому внедрению биомасс:

–недоступность определенной доли растительных ресурсов для рентабельного использования;

–распределение некоторых видов биомасс относительно мелкими партиями, трудность их сбора (концентрации) и транспортировки;

–сезонность рынка некоторых биомасс, особенно годичного цикла;

–трудности длительного хранения биомасс;

–сложившийся стереотип и отсутствие в нашей стране законодательного и экономического стимулирования.

Превращение биомассы в топлива, пригодные для непосредственного использования, осуществляется термохимическими или биохимическими процессами.