Страница 3 из 8
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.).
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.