Технологии энергетического использования биомассы
Юрий Почанин
Технологии энергетического использования биомассы
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.
Глава 1.
Общая
характеристика биомассы для
получения альтернативных топлив
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 1.1,
Таблица 1.1. Технологии получения альтернативных топлив из биомассы
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.).
Глава 2. Термохимические методы переработки биомассы
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).
2.1
Энергетические характеристики различных видов топлива
и параметров процесса сжигания биомассы в топочных устройствах
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.
Технология факельного сжигания топлива активно развивалась в 50-е годы прошлого века. Помол топлива производится до размера частиц в несколько микрон, и пылевоздушная смесь подается в горелки. Основные достоинства факельного сжигания: возможность сжигания любого вида топлива с высоким КПД; высокая мощность котлоагрегатов; и др. Недостатки факельного сжигания: химический и механический недожег (в совокупности до 15-25%); сложный процесс подготовки топлива; высокая степень выбросов летучей золы, оксидов серы и азота. Как при слоевом, так и при пылеобразном сжигании топлива температуры в топке достигают 900-2000ОС и выше, а также предусмотрена дополнительная подача воздуха фурмами второго и третьего ярусов для более полного выгорания топлива.
Топки с кипящим (псевдоожиженным) слоем занимают промежуточное положение между слоевыми и факельными топками. Эта технология начала развиваться в 60-е годы прошлого века. Частицы топлива размером в несколько миллиметров подаются на решетку, на которую снизу подводится воздух. При определенной скорости воздуха слой взвешенных твердых частиц в восходящем потоке воздуха приобретает свойства жидкости (вязкость, текучесть, поверхностное натяжение). Достоинства кипящего слоя: высокий коэффициент теплопередачи; компактность топочного устройства; низкие температуры сгорания (около 850ОС), которые способствуют снижению выбросов оксидов азота; возможность эффективного серо улавливания с применением небольшого количества известняка в смеси с топливом.
Прямое сжигание древесины хорошо известно на бытовом уровне, однако эффективность бытовых печей довольно низка. Промышленные технологии энергетического использования древесины постоянно совершенствуются. Теплоэнергетические свойства топлива из древесно-растительной массы определяются рядом характеристик, таких как химический состав, теплота сгорания, влажность, твердость, содержание и состав золы.
Во многих европейских странах приоритет в развитии тепло- и электрогенерирующих мощностей отдается именно биомассе. Большое значение при этом имеет то обстоятельство, что древесина по химическому составу практически не содержит серы и азота, в продуктах ее сгорания, как правило, содержится мало золы, поэтому она является более экологичным топливом, чем нефть, уголь и даже природный газ, особенно когда при использовании энергетических плантаций исключается накопление С02 в атмосфере. Сравнительные характеристики различных видов топлива представлены в таблице 2.1, из которых видно, что каменный уголь, мазут, природный газ и торф выделяют большое количество углекислого газа и с экологической точки зрения менее предпочтительны по сравнению с древесным топливом и соломой. Как видно, соломенные пеллеты лишь незначительно уступают по качеству древесным, а по совокупности экологических показателей превосходят уголь, торф, дизтопливо и мазут.
Таблица 2.1. Сравнительные характеристики различных видов топлива
Основа биомассы – органические соединения углерода, которые в процессе соединения с кислородом при сгорании выделяют тепло. Особенность древесной биомассы как топлива состоит в том, что она в отличие от нефти, угля и природного газа имеет достаточно низкую теплотворную способность и высокую влажность. Присутствие влаги в топливе из биомассы часто ведет к значительным потерям выхода тепловой энергии, в связи с тем, что испарение воды требует значительных затрат энергии. В настоящее время биомасса преимущественно применяется в виде твердого топлива (дров, опилок, щепы, топливных гранул и пеллет), замещающего углеводородное сырье в котлах котельных и электростанций. Сравнительные энергетические характеристики различных видов биомассы представлены в таблице 2.2. Интенсивность горения топлива зависит от его химического состава, соотношения летучих газообразных компонентов и твердого углерода. В таблице 2.3 представлен химический состав соломы и древесной щепы. По составу и теплотворной способности древесина, солома и другие травянистые виды топлива (торф, костра и др.) в спрессованном и высушенном виде приблизительно одинаковы, у которых горючими составляющими, в основном, являются углерод и водород.
Таблица 2.2. Сравнительные энергетические характеристики различных видов биомассы
Примечание* Расчет по массе влажного сырья. ** Расчет по массе сухого сырья*** В виде сильно спрессованных брикетов**** Сушка проводилась на воздухе в течение 9 мес.
Индивидуальные отличия тех или иных видов биотоплива заключается в различном процентном содержании влаги, в способе получения, продолжительности хранения, подверженности естественной или искусственной сушке.
Торф, как ископаемое, от остальных видов топлива (древесина, травянистые растения) существенно отличается повышенным содержанием сернистых веществ и высокой зольностью. Характеристики и качество древесины, используемой в качестве топлива, варьируются в широких пределах в зависимости от вида древесины и типа предварительной обработки. Например, влажность топлива, подаваемого в топку, может составлять от 25 до 55 весовых % (влажная основа) (кора, отходы лесопильного производства) или менее 10 весовых % (гранулированное топливо, брикеты, отходы обработки сухой древесины).