Использование биомассы для получения тепловой и электрической энергии

Так как биомасса содержит горючие вещества (углеводороды и их соединения), то наиболее очевидно ее использование в качестве биотоплива для получения тепла. Хотя биомасса уже первоначально способна гореть, все же требуется некоторая ее подготовка. Так биомасса и ее отходы содержат большое количество воды, и перед сжиганием требует сушки.

Возможность получения качественного тепла путем сжигания биотоплива обусловливает и возможность получения электроэнергии в тепловых электростанциях, в которых приводом генератора является тепловая машина.

Достоинствами применения биотоплива для работы в тепловых электростанциях являются:

§ полная управляемость процессом, так как поступление биотоплива абсолютно прогнозируемо;

§ возможность использования существующих тепловых электростанций, особенно автономных, так как теплотворная способность жидкого и газообразного биотоплива эквивалентна теплотворной способности традиционного углеводородного топлива;

неисчерпаемость запасов биотоплива при правильном его воспроизводстве.

Получение газообразного и жидкого биотоплива

Процесс получения метана (СН₄) из биомассы называется анаэробной переработкой. Как следует из названия процесса (анаэробная) он протекает в отсутствии кислорода воздуха. На рисунке 10.2 показана функциональная схема анаэробной установки, а на рисунке 10.3 – ее схематическое устройство.

Рисунок 10.2. Функциональная схема анаэробной установки

производства биогаза

Рисунок 10.3. Установка для получения биогаза

1 – вентиль, 2 – корпус, 3 – поршень, 4 – биомасса

Получение биогаза происходит следующим образом.

Поршнем 3 выдавливается воздух из биомассы. Затем вентиль закрывается и производится подогрев биомассы без доступа воздуха. Подогретая биомасса интенсивно перемешивается поршнем, имеющим лопатки. В перемешиваемой нагретой биомассе протекают процессы анаэробного брожения и начинает выделяться биогаз, в котором большинство составляет метан СН₄. Под давлением биогаза поршень приподнимается, и газ выпускается в промежуточную емкость. Метан из промежуточной емкости после очистки компрессором закачивается в резервуар для хранения и последующего использования.

Применение установок для получения биогаза в настоящее время становится все более перспективным.

Получение жидкого биотоплива

Кроме получения газообразного топлива из биомассы можно получать твердое (брикетированное или гранулированное) топливо и жидкое топливо (метанол).

Функциональная схема установки для получения жидкого топлива приведена на рисунке 10.4. Полученное топливо представляет собой метиловый спирт и может использоваться совместно с бензином в определенных пропорциях.

Обобщающим способом получения твердого (древесный уголь), газообразного (биогаз) и жидкого (смолы и масла) биотоплива является пиролиз. Схема пиролиза приведена на рисунке 10.5.

К.п.д. пиролиза определяется отношением теплоты сгорания произведенного биотоплива к теплоте сгорания исходной биомассы, и достигает довольно высоких значений. Например, газогенератор на древесине, производящий водород и СО, имеет к.п.д. 90% /9/. Некоторая потеря энергии компенсируется получением биотоплива, пригодного для использования в обычных тепловых двигателях. Это позволяет уменьшить потери энергии по сравнению с простым сжиганием биомассы. Так, используя продукты пиролиза при производстве электроэнергии можно достигать более высоких значений к.п.д., чем при использовании паровых котлов.

Рисунок 10.4. Функциональная схема установки

для производства метанола

Рисунок 10.5. Функциональная схема пиролизной установки

Пиролиз протекает в четыре стадии, отличающиеся температурой процесса /9/:

§ 100 – 120^оС – подаваемый в газогенератор материал, опускаясь вниз, освобождается от влаги;

§ 275^оС – отходящие газы состоят из N₂, CO, CO₂; в виде конденсата выделяются смолы и масла, которые могут быть переработаны в метанол или метан;

§ 280 – 350^оС – протекают экзотермические реакции, в процессе которых выделяются летучие вещества.;

§ 350 – 600^оС – образуется водород, метан и СО, часть углерода переходит в форму древесного угля.

Во Всероссийском институте электрификации сельского хозяйства создана промышленная пиролизная установка, производительностью 1 литр метанола за час или 1,5 м³ метана за час, перерабатывающая растительные сельскохозяйственные отходы, например, подсолнечную лузгу. Такие установки могут с успехом применяться в небольших фермерских хозяйствах. Естественно, установка по производству биотоплива не сможет решить всех энергетических проблем фермера, но способна значительно уменьшить его зависимость от рынка традиционного углеводородного топлива. В будущем применение установок по производству жидкого или газообразного топлива станет еще более эффективным.