Биотопливо и перспективы его применения в теплоснабжении

Общие сведения

Биологическое топливо — это постоянно возобновляемый источник энергии, который может быть использован для тепло- и холо- доснабжения зданий и сооружений, производства электроэнергии.

Биотопливо получают в твердом, жидком или газообразном виде. Оно может быть использовано полностью или частично для замены ископаемого топлива.

Наиболее перспективным сырьем для получения жидкого и газообразного биотоплива являются отходы сельского хозяйства, пищевой и лесообрабатывающей промышленности, городские сточные воды. Основные требования к биомассе как к сырью — массовость, доступность, низкая стоимость.

Доступным сырьем для массового использования является растительная масса. Это инициирует выращивание ее в промышленных масштабах с целью последующего преобразования в биоэнергию.

В климатических условиях Республики Беларусь с 1 га энергетических насаждений собирают до 10 т сухой массы растений, что равноценно 5 т условного топлива. Перспективным является использование в качестве биомассы отходов животноводческих ферм, которые могут ежегодно поставлять биомассу для получения около 900 млн м3 биогаза.

За последнее десятилетие достигнут значительный прогресс в процессах получения и обработки биомассы, что привело к увеличению числа конкурентоспособных, надежных и эффективных технологий, например сжигание городских твердых бытовых отходов, получение биогаза методом анаэробного сбраживания и т.п.

В стадии разработки находятся новые технологии с применением более сложных процессов и способов преобразования энергии. Но по-прежнему наиболее используемыми способами переработки биомассы остаются термохимические (прямое сжигание, газификация, пиролиз) и биохимические (анаэробная переработка, спиртовая ферментация и т.д.).

Анаэробное сбраживание органических отходов для получения биогаза

Биогаз образуется при разложении органического сырья в безвоздушных условиях. Он состоит из метана и диоксида углерода, а также содержит серу, аммиак и другие примеси. Процессы разложения обусловлены прежде всего жизнедеятельностью анаэробных бактерий. Сбраживание органических отходов легко осуществимо в условиях, аналогичных условиям в метантенках. Для производства биогаза используются продукты брожения растительного сырья, навоза, ила и других органических отходов.

Получение метана осуществляют в метантенках периодического и непрерывного действия. Схема перегнивателя для сбраживания бытовых отходов представлена на рис. 6.15.

В метантенк непрерывного действия биомассу подают равномерными порциями, поэтому выделение газа осуществляется непрерывно.

Схема метантенка непрерывного действия для комбинированного анаэробного и аэробного сбраживания

Рис. 6.15. Схема метантенка непрерывного действия для комбинированного анаэробного и аэробного сбраживания:

1 — загрузка отходов; 2 — отвод газа; 3 — крышка; 4 — ковшовый ротор

Метантенк периодического действия загружают биомассой единовременно, некоторое время в нем идет процесс сбраживания, после окончания которого его опорожняют и вновь загружают. Выделение газа происходит только в процессе сбраживания биомассы.

Биомасса, разбавленная водой, в метантенке проходит полный цикл сбраживания и разделения на фазы. Распределение по фазам и сечению в метантенке показано на рис. 6.16.

Схема распределения веществ в метантенке

Рис. 6.16. Схема распределения веществ в метантенке

Первый нижний слой содержит твердые неогранические вещества, выпадающие в процессе сбраживания в осадок. Над ним располагается слой, состоящий из перегнивающей органики. Жидкая фаза состоит из твердых веществ и жидкости, поступивших с исходным сырьем, и пены, всплывающей на поверхность. Небольшой слой пены является теплоизолятором. При увеличении толщины слоя пена может влиять на процессы сбраживания, поэтому ее необходимо своевременно удалять.

Анаэробное сбраживание состоит из различных реакций, которые идут под воздействием анаэробных микроорганизмов. Сбраживание можно разделить на две основные фазы — разжижение и газификацию. Бактерии, содержащиеся в биомассе, в ходе процесса сбраживания начинают активно размножаться. Для интенсификации процесса в массу дополнительно вводят культуру анаэробных бактерий.

Разжижение происходит, когда энзиматические вещества интенсифицируют процесс гидролиза: гидрокарбонатов — на сахара и алкалоиды, белка — на пептиды и аминокислоты, жиров — на жирные кислоты.

В процессе газификации продукты, получившиеся на стадии разжижения, распадаются на диоксид углерода, метан и инертные органические вещества, выпадающие в сброженный осадок.

Сбраживание под действием бактерий происходит при температурах от 0 до 70 °С. Существуют два температурных интервала, при которых процесс идет наиболее активно. Возникновение этих интервалов вызвано деятельностью различных групп бактерий. Для одной группы бактерий наиболее благоприятен температурный режим 30...40 °С, а для другой — 50...60 °С. Бактерии, живущие в верхнем диапазоне температур (термофильные бактерии), более чувствительны к изменениям условий среды, чем бактерии, живущие в нижнем диапазоне (мезофильные бактерии). Метан выделяется наиболее активно при температуре 35 °С.

В начале процесса сбраживания выделяется больше углекислого газа С02, чем метана СН4. Затем кислотность смеси уменьшается и начинается выделение метана. Значение pH должно составлять

6...8. Если pH > 7, то образовавшаяся угольная кислота будет понижать его, а если pH > 9... 10, то нарушатся условия жизнедеятельности бактерий и процесс может прекратиться. Для обработки сырого осадка, содержащего растительную и животную органику, необходима щелочная среда (pH = 8,0...8,5).

Процесс сбраживания зависит и от соотношения количеств твердого вещества и жидкости. Обычно поступающий на сбраживание материал содержит не менее 15 % твердого вещества, поэтому его надо разбавлять, доводя содержание твердых веществ до 7...9 %.

Критическим фактором, определяющим продолжительность жизнедеятельности бактерий, является отношение количества углерода к азоту (C/N). Анаэробное сбраживание заключается в преобразовании имеющегося в биомассе углерода в метан при минимальных потерях азота. Отношение C/N в исходном материале составляет 30:1, причем углерод используется в 30 раз быстрее, чем азот. В состав биомассы входят и другие вещества, способствующие сбраживанию. Это кальций, магний, углекислый калий, цинк, железо. Однако к основным питательным веществам относятся углерод, азот, фосфор и сера.

Анаэробное сбраживание традиционно осуществляется при биологической очистке сточных вод в метантенках на очистных станциях, обычно оборудованных установками периодического действия.

Указанные установки характеризуются периодичностью загрузки и производства газа, не требуют большого внимания при эксплуатации, позволяют перерабатывать крупные отходы. Производство газа в этих установках происходит периодически, поэтому рекомендуется использовать несколько установок, работающих таким образом, чтобы в целом процесс выделения газа имел непрерывный характер.

Непрерывно действующие метантенки принимают в течение суток относительно небольшое количество сырого материала. Они не требуют больших затрат труда, но в случае каких-либо нарушений процесса возникает необходимость их полной остановки.

Конструкция и размеры метантенка в каждом конкретном случае определяются с учетом характеристик биомассы, продолжительности сбраживания и количества отходов.

Продолжительность процесса получения биогаза зависит от многих факторов. Рекомендации по ориентировочной оценке времени сбраживания в зависимости от температурного режима и планируемого выхода газа даны на рис. 6.17.

Графики зависимости времени сбраживания от температуры (а) и выхода газа (б)

Рис. 6.17. Графики зависимости времени сбраживания от температуры (а) и выхода газа (б)

Данные рекомендации имеют общий характер. В зависимости от состава биомассы развиваются различные группы бактерий, поэтому будут формироваться различные условия их жизнедеятельности, а следовательно, продолжительность процесса будет разной.

Количество газа может быть определено на основании анализа его возможного выхода из биомассы. Например, отходы сельского хозяйства имеют следующий потенциал: 1 кг кукурузных стеблей — 0,82 м3 биогаза; сухих листьев — 0,45; сухой соломы — 0,93; разложившейся органики — 1,1; коровьего навоза — 0,06 м3 биогаза при температуре 15 °С и 0,27 м3 при температуре 35 °С; 1 кг сухой органики — 0,45 м3 биогаза при температуре 10 °С, 0,61 м3 при температуре 20 °С и 0,76 м3 при температуре 30 °С.

Суточная нагрузка метантенка определяется по беззольному веществу биомассы. Беззольные вещества (БВ) — это твердые вещества, которые в процессе сбраживания превращаются в метан. Они определяются как масса органического вещества, сгорающего при температуре 537 °С. Их содержание в сухой биомассе достигает 80 %.

Перед использованием биогаза для теплоснабжения с применением оборудования, предназначенного для обычного природного газа, его следует очистить от диоксида углерода и ряда других элементов путем промывки. Диоксид углерода и аммиак NH3 можно удалить, пропуская газ через известковую воду Са(ОН)2. Сероводород H2S удаляют пропусканием газа через железную загрузку.

Биогаз такого же качества, как и природный газ, называется биоприродным газом и используется как обычное товарное топливо. Его можно смешивать с природным газом и поставлять для использования (например, для конденсационных котлов). Использование биогаза или смеси его с природным газом существенно снижает выбросы в атмосферу отопительных котельных и других огнетехнических устройств, что особенно актуально в сельской местности.

Несмотря на то что биогаз в настоящее время имеет высокую стоимость, его применение помогает уменьшить зависимость от импорта энергии, а с ростом цен на топливо станет экономически обоснованным. Актуально использование биогаза в комбинированных установках когенерации (производство теплоты и электричества) и тригенерации (производство теплоты, электричества и холода), активно внедряемых и представляющих на сегодняшний день одно из наиболее современных технологических решений проблем энергодефицита. При этом для указанных технологий переработка биомассы твердых бытовых отходов может осуществляться в термической плазме, т.е. при высоких температурах, которые позволяют перерабатывать всю органику и не допускать образования вредных отходов, загрязняющих атмосферу.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >