Каким образом образуется биомасса?

Пиролиз представляет собой простейший и, по-видимому, самый старый способ преобразования одного вида топлива в другой с лучшими показателями. Разные виды высокоэнергетического топлива могут быть получены с помощью нагрева сухой древесины и даже соломы. Процесс использовался в течение столетий для получения древесного угля. Традиционный пиролиз заключается в нагреве исходного материала (который часто превращается в порошок или измельчается перед помещением в реактор) в условиях почти полного отсутствия воздуха, обычно до температуры 300 - 500 °C до полного удаления летучей фракции. Остаток, известный под названием древесный уголь, имеет двойную энергетическую плотность по сравнению с исходным материалом и сгорает при значительно более высоких температурах. В зависимости от влажности и эффективности процесса, 4-10 тонн древесины требуется для производства 1 тонны древесного угля. В случае если летучие вещества не собираются, древесный уголь содержит две трети энергии исходного сырья.

Пиролиз может проводиться в присутствии малого количества кислорода (газификация), воды (паровая газификация) и водорода (гидрогенизация). Одним из наиболее полезных продуктов в этом случае является метан, представляющий собой топливо для производства электроэнергии с помощью высокоэффективных газовых турбин.

Более сложная техника пиролиза позволяет собрать летучие вещества. Кроме того, контроль температуры позволяет контролировать их состав. Жидкие продукты могут использоваться в качестве жидкого топлива. Однако они содержат кислоты и должны очищаться перед использованием. Быстрый пиролиз растительных материалов, например древесины или скорлупы орехов, при температурах 800-900 градусов Цельсия приводит к образованию 10% твердого древесного угля и преобразует 60% исходного сырья в газ, содержащий большое количество водорода и монооксида углерода. Этот метод может составить конкуренцию традиционному пиролизу, однако для широкого коммерческого использования его необходимо отработать.

В настоящее время традиционный пиролиз считается наиболее привлекательным видом технологии. Использование относительно низких температур означает, что в атмосферу попадает малое количество загрязнителей, если сравнивать со сжиганием. Это обстоятельство дает экологическое преимущество пиролизу при переработке некоторых видов отходов. Предпринимаются попытки использования малых пиролизных установок для переработки отходов производства пластика, а также использованных автомобильных шин. Хранение или захоронение этих материалов вызывает растущую озабоченность в мире.
 

Газификация

Базовые принципы газификации изучаются и развиваются с начала девятнадцатого века. Во время Второй мировой войны около миллиона автомобилей приводились в движение с помощью газификаторов на биомассе. Интерес к газификации вновь возрос во время энергетического кризиса 70-х годов, а затем упал вместе с снижением цен на нефть в 80-х годах. По оценкам Мирового Банка (1989) всего лишь 1000-3000 газификаторов установлено в мире, преимущественно в Южной Америке для производства древесного угля.

В процессе газификации древесины образуется горючий газ, представляющий собой смесь водорода, угарного газа (монооксида углерода), метана и некоторых негорючих сопутствующих компонентов. Это достигается частичным сжиганием и частичным нагревом биомассы (с использованием тепла ограниченного горения) в присутствии древесного угля (естественного продукта сжигания биомассы). Газ может использоваться вместо бензина. При этом мощность автомобильного двигателя снижается на 40%. Возможно, что в будущем этот вид топлива станет основным источником энергии для электростанций.

Синтетические топлива

В газификаторах, использующих кислород вместо воздуха, можно получать газ, состоящий преимущественно из H₂, CO и CO₂. Представляет интерес то обстоятельство, что после удаления СО₂ можно получить так называемый синтез-газ, из которого в свою очередь можно синтезировать практически любое углеводородное сырье. В частности, при взаимодействии Н₂ и СО получается чистый метан. Другим возможным продуктом является метанол - жидкий углеводород с теплотворной способностью 23 ГДж/т. Производство метанола требует организации сложного химического процесса с высокими температурами и давлением и дорогого оборудования. Несмотря на это, интерес к производству метанола объясняется тем, что он представляет собой ценный продукт - жидкое топливо, способное непосредственно заменить бензин. В настоящее время производство метанола с использованием синтез-газа не является коммерческим. Однако технология существует для использования угля в качестве сырья. Она была развита странами, имеющими большой угольный потенциал, в периоды перебоев с поставками нефти.

Ферментация сахарного раствора является процессом, при котором производится этанол (этиловый спирт). Этанол является высокоэнергетическим жидким топливом, которое может использоваться вместо бензина в автомобилях. Этот вид топлива успешно используется в Бразилии. Пригодным сырьем для производства этанола является сахарная свекла или фрукты. Сахароза может быть получена из овощного крахмала и целлюлозы в процессе пульпирования и варки, а также из целлюлозы после измельчения и обработки горячими кислотами. После ферментации в течение 30 часов раствор содержит 6-10% спирта, который может быть выделен в процессе дистилляции.

Ферментация представляет собой анаэробный биологический процесс, в котором сахар превращается в спирт под воздействием микроорганизмов ( обычно дрожжей). Обычным продуктом является этанол (C₂H₅OH), а не метанол (CH₃OH). Он может использоваться в двигателях внутреннего сгорания: либо непосредственно в специально модифицированных двигателях, либо в качестве добавки к бензину. При этом получается так называемый газохол - бензин, содержащий до 20% этанола.

Ценность конкретного вида биомассы в качестве сырья для ферментации зависит от его способности образовывать сахар. Наилучший из известных источников этанола - сахарный тростник или меласса, остающаяся после выделения тростникового сока. Другие культуры, содержащие углеводороды в виде крахмала (картофель, кукуруза и другие зерновые) требуют дополнительной обработки для получения сахара из крахмала. Этот процесс реализуется при производстве некоторых алкогольных напитков с помощью ферментов, содержащихся в солоде. Даже древесина может быть сырьем. Однако содержащиеся в ней углеводороды (целлюлоза) с трудом разлагаются до сахаров под воздействием кислоты и ферментов, вызывая сложности при практической реализации процесса.

Жидкость, получающаяся в процессе ферментации, содержит около 10% этанола, который нужно выделить с помощью дистилляции для дальнейшего использования. Энергетическое содержание конечного продукта около 30 ГДж/т или 24 ГДж/м³. Процесс требует большого количества тепла, которое обычно получается из растительных отходов (например, жома сахарного тростника или стеблей и початков кукурузы). Потери энергии в процессе ферментации значительны, однако этот недостаток компенсируется удобством использования и транспортировки жидкого топлива, относительно низкой ценой и доступностью технологии.

Анаэробное сбраживание  

Природа обладает средством разрушения и удаления отходов, а также мертвых растений и животных. Работу по разрушению производят бактерии. Навоз и компост, использующиеся в качестве удобрения, также получаются в процессе декомпозиции органических материалов. Если части отмирающих растений и животных попадают в воду, то в последствии на поверхности воды можно заметить пузырьки, поднимающиеся со дна. Газ, содержащийся в пузырьках, способен возгораться. Этот загадочный феномен известен человеку многие века. Секрет был раскрыт учеными около 200 лет тому назад. Процесс представляет собой разложение органики в отсутствии воздуха (кислорода). Газ, образование которого обычно отмечалось на болотах, был назван и до сих пор называется болотным газом. Этот газ, называемый также биогазом, представляет собой смесь метана (CH₄) и двуокиси углерода (CO₂). Впервые биогаз был исследован и описан Александро Вольта (Alessandro Volta) в 1776 году. Хемфри Деви (Humphery Davy) впервые в начале 1800 года показал, что горючий газ метан содержится в навозе. В дальнейшем были развиты биогазовые технологии, позволяющие получить биогаз из любых биодеградирующих материалов в искусственно созданных условиях.

Анаэробное сбраживание, как и пиролиз, реализуется при отсутствии воздуха. Однако в этом случае декомпозиция происходит под воздействием бактерий, а не высоких температур. Это процесс, происходящий практически во всех биологических материалах и ускоряющийся в теплых и влажных условиях (естественно, при отсутствии воздуха). Часто он имеет место при разложении растений на дне водоемов.

Анаэробное сбраживание также происходит в условиях, создаваемых в процессе человеческой деятельности. Например, биогаз образуется в местах концентрации сточных вод, навозных стоков ферм, а также твердых бытовых отходов на свалках и полигонах. В обоих случаях биогаз представляет собой смесь, преимущественно состоящую из метана и двуокиси углерода. Основные отличия заключаются в природе исходного материала, масштабах и темпе образования биогаза, приводящие к весьма отличающимся технологиям для этих источников.

Химия процесса образования биогаза достаточно сложна. Сложная популяция бактерий разлагает органические материалы в сахара, а затем в различные кислоты, из которых в свою очередь получается биогаз. При этом остается инертный остаток, состав которого зависит от типа установки и исходного сырья.

Биогаз

Биогаз представляет собой ценное топливо. Для его производства во многих странах строятся специальные метантенки, которые наполняются навозными стоками или сточными водами. Метантенки варьируются в размерах от одного кубического метра (в индивидуальных хозяйствах) до тысяч кубометров, используемых в больших коммерческих установках. Загрузка может быть постоянной или порционной, а процесс сбраживания может занимать от десяти дней до нескольких недель. В процессе деятельности бактерий образуется тепло, однако в условиях холодного климата необходим подвод дополнительного тепла для поддержания оптимальной температуры (по крайней мере, 35^оC). Источником тепла может быть биогаз. В предельном случае весь газ может быть использован для нагрева. Хотя в этом случае выход энергии в процессе будет нулевым, все равно его существование будет оправдано экономией ископаемого топлива, необходимого для переработки отходов. Хорошие биогазовые установки могут производить 200-400 м³ биогаза с содержанием метана от 50 до 75% из каждой тонны сухого органического вещества.

Биогазовая установка - внешний вид	Биогазовая установка - вид изнутри
Биогазовая установка с встроенным газгольдером	Биогазовая установка с внешним газгольдером

Большая часть муниципальных отходов - твердых бытовых отходов (ТБО) - представляет собой биологические материалы, а их вывоз на полигоны создает пригодные условия для анаэробного сбраживания. То, что полигоны и свалки ТБО генерируют метан, известно в течение десятилетий. Потенциальная опасность метана заставляла в некоторых случаях строить системы для принудительного сжигания метана. Только в 70-х годах 20 века серьезное внимание уделено идее использования этого "нежелательного" продукта.

ТБО имеют более сложный состав, чем сырье в биогазовых установках. Сбраживание происходит медленнее, обычно в течение нескольких лет, а не недель. Конечный продукт, известный под названием "свалочный газ", также представляет собой смесь преимущественно CH₄ и CO₂. Теоретически выход газа в течение "жизни" полигона может составить 150-300 м³ на тонну ТБО при концентрации метана от 50 до 60 объемных процентов. Это соответствует 5-6 ГДж энергии на тонну ТБО. На практике выход биогаза меньше.

В процессе формирования полигона каждый участок после заполнения покрывается слоем непроницаемой глины или подобного материала, создавая условия для анаэробного сбраживания. Газ собирается системой связанных между собой перфорированных труб, установленных в теле полигона вплоть до глубины 20 метров. На новых полигонах система труб устанавливается до поступления ТБО. На больших полигонах может быть установлено несколько километров труб, с помощью которых можно собрать 1000 м³/час свалочного газа и более.

Все больше свалочный газ используется для производства электроэнергии. В настоящее время большинство установок использует двигатели внутреннего сгорания, например, стандартные судовые двигатели. При типичном выходе газа, равном 10ГДж/час, могут быть установлены двигатель и генератор мощностью 500 кВт.
 

Образцы технологий

Производство теплоты в древесносжигающих котлах

Наиболее часто при сжигании биомассы используется древесина. В развитых странах замена угольных или мазутных котлов централизованного теплоснабжения на древесносжигающие котлы снижает затраты потребителей тепла на 20-60%, поскольку стоимость древесины ниже стоимости угля и мазута. В то же время, древесные котлы более экологичны. В процессе работы они выбрасывают в атмосферу то же количество углекислого газа, которое было поглощено деревьями в процессе роста. Таким образом, сжигание древесины не вносит вклад в глобальное потепление. Поскольку древесина содержит меньше серы, чем мазут, меньше сульфатов попадает в атмосферу. Это означает уменьшение количества кислотных дождей.

Малые древесные котлы часто используются для отопления домов. В Дании работает около 70 тысяч котлов, в которых сжигаются дрова, древесная щепа и гранулы. Такие котлы обеспечивают тепло для радиаторов так же, как это делают мазутные котлы. Они отличаются от печей, которые обеспечивают теплом только ближайшее помещение. Древесный котел может обеспечивать теплом и горячей водой все здание. Для индивидуального (односемейного) дома установка ручного древесносжигающего котла является наилучшим решением. На более крупных объектах (фермы) экономия за счет использования древесины настолько значительна, что здесь имеет смысл устанавливать автоматические котлы, сжигающие гранулы.

Многие древесные котлы малого размера загружаются дровами вручную. Обычно они снабжены бункером для хранения топлива. Ручные котлы для сжигания дров и автоматические котлы для щепы и древесных гранул различаются между собой. Ручные котлы снабжены баком-аккумулятором для накопления энергии, полученной при сжигании топлива. Автоматические котлы оборудованы емкостью для подачи щепы или гранул. Шнековый конвейер подает топливо в соответствии с необходимой тепловой нагрузкой здания.

За последние 10 лет большой прогресс достигнут в усовершенствовании обоих видов котлов с целью повышения эффективности и снижения эмиссии (пыль и монооксид углерода). Улучшения коснулись конструкции топочной камеры, воздухоподачи и автоматизации контроля процесса сгорания. Для ручных котлов эффективность увеличилась от 50% до 75-90%. Эффективность автоматических котлов выросла с 60% до 85-92%.

Существует правило, что ручные котлы, работающие на дровах, имеют приемлемые параметры сжигания только на полной нагрузке. Однако в отдельных установках, имеющих контроль содержания кислорода, нагрузка может быть уменьшена до 50% без изменения эффективности или эмиссии. В таких котлах проводится отбор проб и анализ содержания кислорода в дымовых газах и автоматическое регулирование подачи воздуха.

Аналогичные системы используются в автомобилях. Для того, чтобы не приходилось загружать котлы каждые 2-5 часов в холодные периоды года, номинальная мощность котлов выбирается в 2-3 раза больше номинальной тепловой потребности здания. Это означает, что для котлов с ручной подачей топлива требуется больший размер. Котлы, использующие дрова, должны иметь емкость для хранения топлива. Это обеспечивает комфорт для пользователя, меньшие финансовые затраты и экологическое воздействие. Кроме того, в котлах без такой емкости часто наблюдаются усиленная коррозия, вызванная колебаниями температуры воды и дымовых газов.

Автоматические котлы  

Несмотря на относительно простую конструкцию автоматических котлов, во многих из них достигается эффективность 80-90% и уровень эмиссии СО около 100 ppm (100 ppm = 0,01 об. %). В некоторых котлах достигнуты параметры 92% и 20 ppm. Важным условием для достижения таких хороших результатов является использование котла с полной нагрузкой. Для автоматических котлов важно, чтобы номинальный нагрузка котла не превышала потребности в тепле в зимний период. В переходный период (3-5 месяцев) весны и осени тепловая нагрузка обычно снижается до 20-40% от номинальной. Это приводит к ухудшению эксплуатационных характеристик. В течение летнего периода потребность в тепловой энергии снижается до 1-3 кВт на горячее водоснабжение. Это не превышает 5-10% от номинальной нагрузки котла. В случае эксплуатации котла его КПД снижается на 20-30%, а вредное воздействие на окружающую среду увеличивается. Альтернативой летней эксплуатации котла может быть установка комбинированной системы с баком-аккумулятором и солнечным коллектором.

 

Принцип BURN-THROUGH (подача воздуха сквозь топливо)

Практически все старые печи используют этот принцип. Воздух поступает в них снизу и проходит вверх, преодолевая массив топлива. В таких печах топливо сгорает очень быстро. Газы не сгорают полностью, потому что температура внутри низкая. Большая часть газов вместе с энергией, содержащейся в них, попадает в дымоход. Дымовые газы не успевают передать тепловую энергию в сравнительно коротком дымоходе. В целом эффективность таких печей обычно не превышает 50%

 

Котлы с нижней подачей воздуха

Такие котлы весьма отличаются от описанных выше печей. Поступающий в них воздух проходит не через весь массив топлива, а только через часть. При этом горит только нижний слой древесины. Остальные слои высушиваются и медленно газифицируются. Добавление воздуха (так называемый вторичный воздух) непосредственно в пламя позволяет сжигать летучие компоненты более эффективно. В топочных камерах современных котлов с нижней подачей воздуха имеется керамическая футировка, сохраняющая тепло внутри камеры. Это позволяет повысить температуру и эффективность сжигания. Типичная эффективность таких котлов находится на уровне 65-75%.

 

Котлы со встречной подачей

В таких котлах воздух также подается только к части топлива. Газы также образуются медленно и сгорают более эффективно. Вторичный воздух также подается в футированную камеру сгорания, в которой поддерживается высокая температура. Дымовые газы должны преодолеть большое расстояние внутри котла, отдавая при этом тепловую энергию. Эффективность таких котлов находится обычно на уровне 75-85%. Некоторые из них снабжены вентиляторами для подачи воздуха вместо использования естественной тяги. Сжигание в таких котлах происходит лучше, с меньшим образованием сажи. Однако их эффективность отличается незначительно.

Эффективность (КПД) котлов

Качество котла зависит от отношения между энергией, содержащейся в топливе, и энергией, переданной в систему теплоснабжения. Это отношение называется эффективность или коэффициент полезного действия (КПД). Чем выше эффективность котла, тем большая часть энергии топлива будет передана теплоносителю (воде) в котле. Хорошие котлы имеют эффективность 80-90%.

Потребление древесины в котлах со встречной подачей обычно находится в диапазоне от 4 кг/час для котла мощностью 18 кВт до 18 кг/час для котла мощностью 80 кВт. Для условий Центральной Европы средний односемейный дом (150 м²) потребляет 12 м³ древесины за отопительный сезон. Типичный котел может сжигать куски дерева длиной до 80 см. В таблице внизу приведены дополнительные данные о котлах промежуточного размера.

Установка бака-аккумулятора совместно с древесносжигающими котлами имеет смысл всегда. Дополнительные расходы, связанные с приобретением и установкой бака, окупаются достаточно быстро. Качество сжигания улучшается. Вскоре после зажигания топлива процесс горения стабилизируется, и котел начинает производить тепло. Без бака вода очень скоро станет слишком горячей, и регулирующая заслонка должна будет уменьшить поступление воздуха для того, чтобы предотвратить закипание воды. Уменьшение количества воздуха приводит к повышенному образованию дыма и неполному сгоранию.

При наличии бака процесс горения может продолжаться, при этом тепло накапливается в баке. Вода в котле не перегревается. Заслонка открыта, а процесс горения происходит с максимальной эффективностью. Теплая вода поступает в радиаторы непосредственно из бака-аккумулятора. Размеры бака зависят от количества тепла, необходимого для здания, и эффективности котла.

Совместное использование древесины и солнечной энергии для отопления

Если Вы решили установить у себя древесносжигающий котел, рекомендуем Вам также подумать об использовании солнечной энергии. Древесный котел и солнечные панели зачастую могут использовать общий бак-аккумулятор. При этом снижается общая стоимость системы. Использование комбинированной системы позволяет отказаться от сжигания древесины в летнее время для получения горячей воды. Кроме того, "сжигать" солнечную энергию обходится дешевле, чем энергию древесины!