Сжигание биомассы для теплоснабжения.

Особенности и опыт использования биомассы

Возобновление органического вещества в растениях происходит за счет фотосинтеза. Фотосинтез зеленных растений позволяет аккумулировать энергию, получаемую от солнечного излучения, и энергия, потребляемая при фотосинтезе, составляет 2х1021 МДж в  год. Общее количество биомассы, образующееся ежегодно на Земле, в несколько раз превышает суммарную годовую мировую добычу нефти, газа и угля.

Особенности использования биомассы

Запасенная, растениями химическая энергия может быть использована в энергетике. При этом биомасса может дать седьмую часть потребляемого в мире топлива.

Биомасса как энергоноситель обладает преимуществом по сравнению с органическим топливом.  Так, при сжигании биомассы выделяется ровно столько CO₂, сколько было бы использовано из атмосферы при росте зеленой массы.

Во всем мире биомасса удовлетворяет примерно 14% потребляемой энергии. Ее доля в различных странах не одинаково, так на развитые страны приходится всего 3%, на развивающиеся страны до 14%. В странах Евросоюза доля энергии биомассы от общего использования ВИЭ составляет порядка 55%.

Первичная биомасса используется в народном хозяйстве в качестве сырья, материалов и т.п., а также местного топлива (более 50% заготавливаемой древесины). В сельскохозяйственных районах дрова до сих пор является печным топливом.

Дрова является основным видом топлива для более 2 млрд людей на земном шаре. Теплотворная способность древесины составляет 5,5 ГДж с 1 м³.

Россия самая богатая лесом в мире страна. По площади занимает 22%, а по ресурсам - 25%, и общий запас составляет более 80 млрд м³. Вместе с тем имеем большие потери в использовании древесины или их отходов, так в РФ 75% отходов древесины не используются. Большой ущерб наносят пожары и не санкционированные вырубки лесов. Поэтому грамотное лесоиспользование и лесозаготовки позволять сохранить и увеличить запасы древесины в стране. Важная задача лесопромышленного комплекса – использование древесных отходов, в т.ч. лесоперерабатывающего производства, для теплогенерации путем непосредственного сжигания и переработки для получения топлива.

Важным источником биомассы является торф, который образуется в процессе естественного отмирания или частичного разложения болотных растений в условиях избыточной влажности и недостаточного кислорода. Влажность торфа составляет 85-90%, зольность порядка 30%, а теплотворная способность – 24 МДж/кг.

В мире месторождения торфа занимает более 4 млрд км² и содержит около 3 млрд м³ топлива. Россия по добыче торфа занимает 4-е место, хотя по запасам являемся лидером, занимая 1,5 млрд км² месторождения.

Торф как топливо сжигается в котельных для отопления. Однако является ценным источником для повышения плодородия почвы, торфяные удобрения широко используются в сельском хозяйстве. Энергетические характеристики древесины и торфа по отношению других распространенных видов топлива приведены в табл. 6.1.

Таблица 6.1 - Теплота сгорания некоторых видов топлива

Биомасса, используемая в качестве топлива, характеризуется плотностью и содержанием влаги, углерода. Растительная биомасса имеет значительную влажность, и сушка ее обязательна. При длительном хранении даже без специальной сушки растительная масса приходит в равновесное состояние, становится “практически сухой”. Влажность ее составляет 10...15%.

Углеродные топлива оцениваются по уровню восстановления энергии. В процессе превращения биомассы в углекислый газ и воду выделяется энергия - около 450 КДж на моль углерода. Присутствие влаги в биомассе значительно снижает полезный выход тепловой энергии, так как испарение воды требует около 2,3 МДж/кг. Плотность биомассы оказывает значительное влияние на затраты при транспортировке, особенно если утилизация происходит вдали от источников производства.

Расширение энергетического использования первичной биомассы требует тщательного анализа конкретных условий и связано с определенными трудностями из-за низкой продуктивности, рассредоточения ресурсов, необходимости поддерживать экологическое равновесие и т.д.

Биомасса как аккумулятор большого количества энергии может отдавать ее при различных химических и биохимических процессах в виде теплоты при сгорании, в виде газообразного метана, жидкого метанола, твердого древесного угля. Энергетические процессы, связанные с переработкой биомассы, можно разделить на следующие основные типы.

Термохимические процессы.

1.1 Прямое сжигание для получения тепла.

1.2  Пиролиз. Биомассу нагревают при полном или частичном отсутствии кислорода. При этом образуются газы, жидкости, масла и древесный уголь. Изменение составных компонентов зависит от вида биомассы, ее влажности, температуры и способа ведения процесса. Если пиролиз производится с целью получения горючего газа, то процесс называется газификацией биомассы. Горючий газ (в основном водород и угарный газ c малыми добавками метана) имеет теплоту сгорания 4...8 МДж/м3.

1.3 Прочие  термохимические процессы при строгом контроле химического состава продуктов реакции, так например, технология при которой целлюлоза и крахмал превращаются в сахара для последующей ферментации.

Биохимические процессы.

2.1 Спиртовая ферментация - продуктом является этиловый спирт, или этанол - летучее жидкое топливо, которое можно использовать вместо бензина. Его получают также при помощи химического синтеза. В начале текущего столетия этанол в значительном количестве получали путем брожения. В качестве исходного сырья использовалась биомасса с высоким содержанием сахара и крахмала. Высокие цены на эти продукты вынудили постепенно отдать предпочтение химическому синтезу, при котором сырьем стала служить нефть. Однако рост цен на нефть вновь заставил обратиться к спиртовому брожению.

2.2 Анаэробная переработка - биомасса под действием определенных групп микроорганизмов, в отсутствии кислорода может разлагаться на метан, углекислый газ и попутные газы. Смесь эта и есть биогаз. Он обладает высокой теплотворной способностью. Для получения биогаза, кроме биомассы растительного происхождения, широко применяют отходы животноводства, физиологические отходы человека, промышленные и бытовые отходы органического происхождения.

2.3 Биофотолиз – это разложение воды на водород и кислород под действием света. Некоторые биологические организмы способны продуцировать водород путем биофотолиза. К сожалению данный процесс не получил промышленного внедрения.

    Производство биомассы для энергетических целей не всегда может быть эффективной. Речь может идти о переработке биомассы, сырья для получения энергии, но более правильно найти соотношение между получением из различных видов биомассы и энергии, и биотоплива. Примером может служить выращивание и переработка сахарного тростника. Для получения энергии для всего технологического процесса сжигают отходы переработки тростника. При правильной организации процесса можно получить дополнительную энергию для получения побочной продукции (химикатов, корма животным, этиловый спирт и т.п.).

    На практике энергетический анализ и связанный с ним анализ экономических факторов получения и переработки биомассы оказывается сложным. При этом использование дешевых отходов биомассы, для получения тепловой и электрической энергии, имеет решающее значение. 

Сжигание биомассы для теплоснабжения.

При сжигании биомассы тепловая энергия используется для приготовления пищи и обогрева жилища, а также при сушке сельскохозяйственных культур. В большинстве стран сжигание биомассы позволяет покрыть наибольшей доли потребного тепла. Средний уровень потребления составляет 0,5 – 1 кг сухой массы на человека в сутки.

Данный процесс менее эффективный, поскольку КПД использования первичной энергии составляет всего 5%, остальное теряется при сжигании. При этом нет возможности регулировать и автоматизировать процесс сжигания. Необходимо управлять скоростью горения биомассы.

При прямом сжигании основным видом биомассы является древесина. Древесина используются не только для сжигания, но и для строительных материалов, производства бумаги и на другие промышленные нужды.

При использовании древесины важным является процесс восстановления, по сути возобновления, когда скорость прироста больше чем используется биомасса. При росте населения, использующие древесину, 2-3% в год актуальными становятся наряду с интенсификацией восстановления лесов и поиск эффективных методов их использования.

В последние годы во всем мире развивается пеллетная технология, в основе которой лежит переработка отходов лесоперерабатывающей промышленности: горбыль, опили т.п. В России же в качестве твердого топлива используется горбыль, а опил в лучшем случае идет на удобрение, а чаще всего эти отходы вообще не используются.

Челябинская область обладает значительными запасами леса. Основные эксплуатационные запасы хвойной и лиственной древесины сосредоточены в лесной зоне, охватывающей запад и северо-запад Южного Урала. Именно в этих районах наиболее напряжённая ситуация с отоплением.

Общий запас спелых и перестойных эксплуатационных лесов в Челябинской области составляет 25,7 млн м³. При этом большая его часть приходится на лиственную древесину, преимущественно на березу не самого высокого качества. В 2011 году объем переработки древесины увеличился почти на 6% по сравнению с 2007 годом и составил 55% (в 2007 году - 49,1%), т.е. отходы древесины в нашем регионе практически не используются. Выходом может быть использование пеллетной технологии.

Основные этапы производства гранулированного топлива (пеллет) из отходов лесопереработки включает измельчение, сушку, пеллетирование и расфасофку (рис. 6.1.).

Рисунок 6.1 - Схема технологической линии производства пеллет

Крупное дробление. Крупные дробилки измельчают сырье для дальнейшей просушки. Измельчение должно дойти до размеров частиц не более 25x25x2 мм. Крупное дробление позволяет быстро и качественно высушивать сырье и подготавливает его к дальнейшему дроблению в мелкой дробилке.

Мелкое дробление. В пресс сырье должно заходить с размерами частиц менее 4 мм. Поэтому мельница измельчает сырье до необходимых размеров. Для качественного продукта насыпной вес после измельчения должен составлять 150 кг/м³ +/- 5%, а размер частиц не более 5 мм. Мельница может быть установлена до сушилки или после.

Сушка. Древесные отходы с влажностью более 15% очень плохо прессуются. Кроме этого, изготовленные гранулы с повышенной влажностью имеют низкую теплотворную способность. Поэтому сырье перед прессованием должно иметь влажность 8-12%.

Прессование (пеллетирование). Производиться на прессах различных конструкций. Два основных вида прессов применяются для пеллетирования, это прессы с цилиндрической матрицей и прессы с плоской матрицей. При этом диаметр матрицы может быть более метра, а мощность пресса до 500 кВт, в зависимости от заданной производительности. Так же на производительность пресса в пределах 20% влияет размер получаемых гранул, обычно 6 мм для частного потребления и 10 мм для промышленного.

Пиролиз (сухая перегонка).

Под пиролизомподразумеваются любые процессы, при которых органическое сырье подвергают нагреву или частичному сжиганию для получения производных топлив или химических соединений. Изначально сырьем могут служить древесина, отходы биомассы, городской мусор и конечно уголь.

Продуктами пиролиза являются газы, жидкий конденсат в виде смол и масел, остатки в виде древесного угля и золы. Технология получения древесного угля – это, по сути, пиролиз без сбора газа. Если собирать газы или газообразного топлива, то эффективность пиролиза возрастает, тем более удобно транспортировать, сжигать топливо и больше пользуется спросом.

    Современные установки для получения древесного угля, работающие при температуре 600 ⁰С, полезно используют 25-35% сухой биомассы. Древесный уголь состоит из углерода 75-85% и обладает теплотой сгорания 30 МДж/кг.

Химические процессы при пиролизе биомассы схожи с процессом газификации угля. Для обеспечения эффективности процесса пиролиза необходимо соблюдать определенные условия, начиная от подготовки и сортировки исходной биомассы до поддержания необходимой температуры.

Устройства для сжигания биомассы с целью получения газа принято называть газогенератором. КПД пиролиза весьма высок 80-90%, и показывает отношение теплоты сгорания полученного топлива к теплоте сгорания биомассы.

Газ, получаемый в газогенераторах имеет теплоту сгорания в воздухе 5-10 МДж/кг. Полученные газы могут быть использованы в двигателях внутреннего сгорания (ДВС) и производство электроэнергии более выгодно, чем использование паровых котлов.

Газы в основном состоят из N₂, H₂ и СО с малыми добавками СН₄ и СО₂. Их можно собирать в газгольдере при давлении близком к атмосферному. Более чистый газ может быть получен при газификации увлажненного древесного угля, чем при пиролизе древесины непосредственно.

Спиртовая ферментация.

Этиловый спирт (этанол) С₂Н₅ОН в естественных условиях образуется из сахара с соответствующими микроорганизмами в кислой среде рН - 4-5. Подобный процесс спиртовой ферментации используется при получении питьевого спирта.

Для получения этанола используют биомассу – сахарный тростник, сахарную свеклу, растительный крахмал и целлюлозу. Этанол можно использовать как жидкое топливо для ДВС. При этом теплотворная способность этанола (24 МДж/кг) ниже, чем бензина (40 МДж/кг). Однако лучшее горение этанола компенсирует низкую теплоту сгорания. Превосходное свойство этанола как горючего обеспечивает двигателям 20% -е увеличение мощности по сравнению с чистым бензином.