Использование биомассы в качестве топлива

Увеличение эффективности генерации тепла

В настоящее время происходит постоянное удорожание традиционных видов топлива (каменного угля, мазута, природного газа и т.д.), особенно в регионах, в которые эти виды топлива приходится транспортировать. Наряду с другими причинами, это связано с тем, что запасы этих топлив ограничены, и разработка новых месторождений требует всё увеличивающееся количество материальных затрат. Данная проблема может решаться различными путями, например:

1) увеличение использования альтернативных видов топлива, в том числе возобновляемых, таких как биомасса;

2) более эффективное сжигание топлива путём увеличения КПД традиционных теплогенерирующих установок или использование новых способов сжигания, например, таких как каталитическое сжигание.

Остановимся на этих двух примерах более подробно.

Основным источником биомассы на Земле является фотосинтез. Биомасса или биоресурсы — мощный по­тенциальный мировой источник топлива. Это возобновляемые ресурсы, составляющие ежегодно 220 млрд т (по сухому веществу). Об­щие мировые энергетические запасы биомассы на зем­ной поверхности составляют 36*10²¹ Дж. Термин биомасса описывает все компоненты, яв­ляющиеся производными от первичной фотосинтети­ческой продукции: растительный и животный мир, про­дукты переработки биомассы, разнообразные органи­ческие отходы.

Технологии получения твердых, жидких и газооб­разных топлив из различных видов биомассы развиваются по двум направлениям термохимическому и биотехнологическому. Термохимические технологии включают в себя следующие процессы: прямое сжигание; пиролиз; газификацию; сжижение; быстрый пиролиз; синтез. К биотехнологическим технологиям относятся та­кие процессы, как: биогазовые технологии; производ­ство этанола; получение биодизельных топлив, жир­ных кислот, растительных углеводородов; получение тепловой энергии.

Прямое сжигание — древнейший, но наименее выгодный процесс с КПД получения тепловой энергии 15-18 %. Однако существуют такие виды биомассы, которые выгоднее сжигать при условии создания теп­ловых агрегатов с более высоким КПД. К таким видам биомассы относятся:

- солома злаковых и крупяных культур, стебли под­солнечника и кукурузы, из которых готовят топливные гранулы;

- некоторые виды древесины, древесные отходы;

- твердые отходы сельскохозяйственного производства;

- городские твердые отходы.

Пиролиз - термохимическая конверсия сыры без доступа воздуха при температуре 450-550 °С позво­ляет из 1 м³ абсолютно сухой древесины получать: 140-180 кг древесного угля, не содержащего ни серы, ни фосфора и используемого для получения лучших, сортов стали, 280-400 кг жидких продуктов — метано­ла, уксусной кислоты, ацетона, фенолов; 80 кг горючих газов — метана, монооксида углерода, водорода.

Газификация — сжигание биомассы при темпера­туре 900 - 1500 °С в присутствии воздуха или кислоро­да и воды с получением синтез-газа, состоящего из сме­си монооксида углерода, водорода и стеклообразной массы (7-10 % массы исходного материала), приме­няемой как наполнитель для дорожных покрытий. Га­зификация - более прогрессивный и экономичный способ использования биомассы для получения тепло­вой энергии, чем пиролиз.

Сжижение — производство жидкого топлива из биомассы путем термической конверсии; термиче­ский пиролиз или газификация в присутствии катализа­торов. Реакции происходит так, чтобы в качестве ос­новного продукта получалось жидкое топливо, и при этом можно производить уголь и газ.

Быстрый пиролиз - биомасса в течение короткого времени подвергается воздействию экстремально высо­ких температур (700-1 400 °С), в результате которого происходят быстрое разложение исходных продуктов и образование новых соединений; этанола, пропилена, углеводородов, близких к бензину. Газ, получаемый с помощью быстрого пиролиза, содержит водород, мё­тан, этилен, пропилен. Использование быстрого пиро­лиза биомассы выгоднее, чем пиролиза угля, так как биомасса содержит значительно меньше золы, и ее мож­но подвергнуть воздействию более низких температур.

Синтез - каталитический синтез метанола из га­зов, образующихся при термической конверсии био­массы. Изменяя температуру и давление, а также ис­пользуя уникальные катализаторы, кроме метанола можно получить целый ряд других соединений. Проме­жуточные соединения образуются и из лигнина. Из 1 т древесины можно синтезировать 410 - 540 л метанола. Если синтез производить в присутствия водорода, по­лучающегося при электролизе воды, то выход метанола увеличивается до 1400 л.

Биогазовые технологии. Биогаз - смесь метана и углекислого газа - продукт метанового брожения органических веществ растительного и животного про­исхождения, осуществляемого специфическим природным биоценозом анаэробных бактерий различных фи­зиологических групп. Метановое брожение протекает при температурах от 10 до 55 °С в трех четко опреде­ленных диапазонах; 10-25 °С — психрофильное; 25 - 40 °С — мезофильное; 52 - 55 °С — термофиль­ное; влажность составляет от 8 до 99 %, оптимальная — 92 – 93 %. Содержание метана в биогазе варьируется в зависи­мости от химического состава сырья и может состав­лять от 50 до 90 %. В зависимости от природы исходно­го сыры, изменяется и выход биогаза: от 200 до 600 л на 1 т абсолютно сухого вещества. К настоящему времени разработано и применяется множество технологий получения биогаза, основанных на использовании различных вариаций температурного режима, влажности, концентраций бактериальной мас­сы, длительности протекания биореакций.

Производство этанола. Этанол - продукт спиртового брожения разнообразных сахаро – и крахмалосодержащих субстратов. Однако наиболее распростра­ненными видами сыры для производства этанола явля­ются отходы сахарного производства: ме­ласса (сахарная свекла), а также крахмал кукурузы, сорго, картофеля, пшеницы и риса. До недавнего времени в России этанол получали при брожении гидролизной целлюлозы.

Наиболее значительный интерес в мире к биотопливам (особенно к этанолу) для использования на транспорте появился в период с 1970 по 1990 г. и обя­зан этим высоким ценам на нефть. В настоящее время этот интерес возобновился.

Биодизельное топливо имеет те же характеристики, что и обычные дизельные масла, которые могут использоваться в дизельных двигателях. Биодизельное топливо может быть получено из любого маслосодержащего растения - семян рапса, сои, льна, подсолнечника и т.д. Преимущество биодизельного топлива состоит в том, что его производство основано на широко известных технологиях получения растительных масел с их дальнейшим метилированием и растительных углеводородов.

Получение тепловой энергии активным компо­стированием (микробным окислением). Использова­ние этого метода для утилизации твердой биомассы и, прежде всего, твердых органических отходов также мо­жет внести существенный вклад в производство тепловой энергии. Метод основан на процессе бактериального окисления твердых органи­ческих веществ с образованием тепловой энергии, кото­рая повышает температуру пропускаемого воздуха до 80 - 90 °С. Путём компрессии температуру выходящих газов можно поднять до 110 °С.

Дата добавления: 2015-06-27