биоводородводород, 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 2025%
Угарный газ (СО) 1520%
Углекислый газ 5-10%
Вода 5-10%
Азот 3540%
Пиролизное топливо
Любая биомасса
Простой пиролиз
Газ 1015 МДж/м3
Масло -23-30 МДж/м3
Кокс 2030 МДж/м3
Быстрый пиролиз
Бионефть- 2030 МДж/м3
Биодизельное топливо
Специально выращиваемые культуры (рапс и др.)
Плотность 0,90,93 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 6070%
Углекислый газ 3035%
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 (3090 %) Энергоплотность сырой биомассы колеблется в пределах 115 ГДж/м3, и даже после сушки ее теплота сгорания остается относительно низкой1624 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 1525 %); 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
Вид топлива
Теплота сгорания, МДж/кг
% серы
%
золы
Дополнительное количество углекислого газа, кг/ГДж
Каменный уголь
15-35
1-3
1
60
Мазут
42
1,2
1,5
78
Щепа древесная
10
0
2
0
Гранулы древесные
17,5
0,1
1
0
Торф
10
0
20
70
Соломенные пеллеты
14,5
0,2
4
0
Природный газ
35-38 МДж/ м3
0
0
57
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
Вид биомассы
Влажность*, %
Теплота сгорания, кВтч/кг
Объемная
плотность*, кг/м3
Энергетическая
плотность, кВтч/м3
высшая**
низшая*
Древесные гранулы
10,0
5,5
4,6
600
2756
Древесная щепа твердых пород
50,0
5,5
2,2
450
1009
То же, просушенная***