Каким образом образуется биомасса?

Зимбабве является примером относительно небольшой страны, которая предпринимала попытки решить проблему импорта нефти с помощью укрепления собственной агропромышленной базы. Получение независимого и надежного источника жидкого топлива считалось оптимальной стратегией, учитывая географическое положение страны, неустойчивую политическую ситуацию, ограничения в международной торговле, а также другие экономические соображения. Зимбабве не имеет собственных источников нефти, поэтому все продукты переработки нефти импортировались. На эти цели уходило 120 млн амер. долларов или 18% дохода страны от международной торговли. С 1980 года Зимбабве является в Африке пионером производства этанола для использования в качестве добавок к бензину. Первоначально использовалась смесь бензина с 15% спирта. С увеличением его потребления сделан переход на использование 12% добавки. Это единственный вид топлива, доступный на рынке для автомобилей с искровым зажиганием. Начиная с 1983 года, производство этанола в стране составляет 40 млн литров в год.

Существует два базовых типа разложения или ферментации: естественный и искусственный. Понятие "анаэробный процесс" означает процесс в условиях отсутствия воздуха (кислорода). Поэтому любое разложение или ферментация органических материалов при отсутствии воздуха (кислорода) называется анаэробным сбраживанием или ферментацией, которая может происходить либо в естественных, либо в искусственных условиях.

Когда исходные органические материалы сбраживаются в замкнутом объеме без доступа воздуха, только некоторая часть отходов превращается в биогаз. Материалы сбраживаются частично, и либо накапливаются внутри метантенка, либо удаляются вместе со сброженным раствором. Способность к сбраживанию и другие связанные с ним свойства органических веществ (ОВ) выражаются следующими параметрами:

Биогаз, представляющий собой преимущественно смесь метана и двуокиси углерода, производится как в естественных, так и в искусственных условиях. Однако с технико-экономической точки зрения, производство биогаза в искусственных системах представляет собой лучший и наиболее удобный метод. Образование биогаза - биологический процесс, имеющий место в условиях отсутствия воздуха (кислорода), в процессе которого органические вещества преобразуются в метан (CH₄) и углекислый газ (CO₂). В результате реализации этого процесса получается прекрасное органическое удобрение, и также может быть получен гумус. Одним из определяющих требований для производства биогаза является наличие герметичного контейнера. Биогаз может быть получен только в анаэробных условиях, при которых анаэробные бактерии, живущие только в отсутствии кислорода, преобразуют органическое вещество. Герметичный контейнер, используемый для производства биогаза в искусственных условиях, называется дайджестер (метантенк) или реактор.

Биогаз представляет собой бесцветный, не имеющий запаха горючий газ, получающийся из органических отходов и биомассы в процессе декомпозиции (ферментации). Биогаз может быть получен из животных и растительных отходов, отходов человеческой деятельности, растительных культур, листьев, водных растений и т.д. Состав биогаза приведен ниже:

Биогаз горит голубым пламенем. Он имеет теплотворную способность 4500-5000 ккал/м³ при содержании метана 60-70%. Величина теплотворной способности прямо пропорциональна содержанию метана, которое, в свою очередь, зависит от сырья, используемого для получения биогаза. Из-за различной теплотворной способности использование горелок, предназначенных для других газов (бутан, сжиженный нефтяной газ и др.) дает меньшую эффективность. Использование специальных биогазовых горелок позволяет добиться тепловой эффективности 55-65%.

Биогаз - нетоксичный, бесцветный, безвкусный, не имеющий запаха стойкий газ. Однако, в случае наличия малого количества сероводорода, биогаз может иметь слабый запах тухлых яиц. Этот запах заметен не всегда и практически всегда отсутствует в случае сжигания биогаза. Сжигание биогаза в воздушной среде образует голубое пламя с выделением большого количества тепловой энергии. Из-за наличия большого количество углекислого газа биогаз является безопасным (невзрывоопасным) топливом для сельских домов.

Один кубометр биогаза содержит 4500-5500 ккал/м³ тепловой энергии и при сжигании в специализированных горелках, имеющих эффективность 60%, может обеспечить 2700-3200 ккал/м³ тепла. По определению, одна ккал - это тепло, требуемое для того, чтобы поднять температуру 1 кг (литра) воды на один градус. Следовательно, полезное тепло (в среднем 3000 ккал/м³), содержащееся в одном кубометре биогаза, является достаточным для доведения до кипения 100 кг (литров) воды с начальной температурой 200 ^оC или обеспечения в течение 4-5 часов свечения лампы мощностью 60 - 100 Вт.

Процесс декомпозиции (ферментации, сбраживания) органических (биодеградируемых) материалов с образованием метана происходит с участием группы микроорганизмов, принадлежащих к семейству метановых бактерий, и представляет собой сложный биологический и химический процесс. На практике он часто делится на две основные стадии - образование кислот (сжижение) и образование газа (газификация). Однако процессы анаэробной ферментации при более тщательном рассмотрении могут быть разбиты на четыре стадии:

1. 
   Гидролиз.
   
2. 
   Образование кислот.
   
3. 
   Гидрогенизация.
   
4. 
   Образование метана.
   

Биогазовая установка (БУ) представляет собой герметичный контейнер, который обеспечивает процесс ферментации органических материалов в анаэробных условиях. Другими названиями может быть "Биогазовый Дайджестер", "Биогазовый Реактор", "Метановый Генератор", "Метановый Реактор". Рециркуляция и обработка органических отходов (биодеградируемых материалов) в процессе анаэробного сбраживания (ферментации) производит не только биогаз в качестве чистого и удобного топлива, но и прекрасное обогащенное удобрение в виде сброженного навоза. Поэтому БУ по существу представляют собой фабрики по производству биоудобрений. Исходное сырье (обычно в гомогенной жидкой форме) подается в метантенк через входную трубу, обычно из емкости для предварительного хранения/перемешивания. Разложение (ферментация) происходит внутри метантенка (реактора) вследствие бактериального воздействия, в результате которого получаются биогаз и органическое удобрение (навоз), богатое гумусом и другими органическими веществами. Биогаз собирается в верхней части метантенка. В некоторых БУ имеются плавающие газгольдеры для сбора биогаза, в других для этого предусмотрена отдельная камера. Из метантенка сброженный жидкий остаток удаляется (часто автоматически) по выпускным трубопроводам.

Основными компонентами БУ являются: метантенк (реактор), газгольдер, система загрузки, система выгрузки, смесительная емкость и выпускной газопровод.

Представляет собой цилиндрическую или эллипсоидальную конструкцию, углубленную в землю, в которой происходит процесс сбраживания (ферментации) субстрата. Часто метантенк называют ферментационной емкостью или камерой. В простых БУ для индивидуальных хозяйств, работающих при температуре окружающего воздуха, метантенк рассчитан так, чтобы среднее время пребывания в нем навоза равнялось 55, 40 или 30 дням. Это время называется гидравлическим временем удержания (ГВУ) биогазовой установки. Продолжительность 55, 40 и 30 дней определяется температурной зоной страны. Территория Индии разбита на три температурные зоны. Метантенк может быть построен с помощью кирпичной или каменной кладки, бетона или бетонных блоков, железобетонных или стальных конструкций. Кроме того, в Индии часто используются конструкции из бамбука, обмазанного цементным раствором. Для малых БУ с плавающим газгольдером и объемом от 2 до 3 кубометров внутренний объем метантенка представляет собой одну камеру. Для объема 4 кубометра и более внутри метантенка строится стенка. Это делается для того, чтобы избежать частичной циркуляции субстрата и повысить общую эффективность работы установки. Стенка делит объем метантенка на две половины. Для метантенка с фиксированным куполом разделение объема не используется. Это объясняется тем, что диаметр метантенков с фиксированным куполом обычно больше, чем у моделей с плавающим газгольдером. Поэтому проблема с частичной циркуляцией субстрата не возникает.

В случае плавающего газгольдера последний представляет собой барабан, сделанный либо из стальных листов, либо железобетона, либо различных видов пластика. Он размещается в верхней части метантенка как крышка, погружаясь боковыми стенками в субстрат. При отсутствии биогаза он стоит на специальных ребрах на стенках метантенка, предусмотренных для этой цели. Газ, образуясь в субстрате и поднимаясь вверх, собирается в барабане. Для подачи газа по трубопроводу к месту использования после открытия клапана, внутри газгольдера необходимо давление 8-10 см водяного столба. Это давление может быть обеспечено весом газгольдера 80-100 кг/м². При движении вверх и вниз газгольдер направляется центральной направляющей трубой. Газ заперт со всех сторон за исключением нижней части. Корка, образующаяся на поверхности, перемешивается с помощью вращения газгольдера, имеющего внутри соответствующее устройство для перемешивания. Объем газгольдера индивидуальной БУ с плавающим газгольдером составляет 50% суточного производства биогаза. То есть, газгольдер может быть полностью наполнен за 12 часов работы установки.

В случае конструкции с фиксированным куполом газгольдер часто называют камерой для хранения биогаза. В этом случае камера является неотъемлемой частью установки (метантенка) и сделана из тех же материалов, что и метантенк. Объем камеры соответствует 33% суточного производства биогаза. То есть, камера может быть полностью наполнена за 8 ночных часов, когда биогаз не используется.

Система загрузки

В БУ с плавающим газгольдером система загрузки представляет собой трубу, изготовленную из цемента. Труба опускается на дно метантенка и располагается по одну сторону от разделительной стенки (если таковая имеется). Верхняя часть трубы выходит в смесительную емкость. В некоторых случаях (конструкция с фиксированным куполом) система загрузки представляет собой емкость, выполненную из бетона или кирпича, соединенную в верхней части со смесительной емкостью, а в нижней - с впускным отверстием метантенка.

В случае БУ с плавающим газгольдером система выгрузки сброженного навоза обычно представляет собой бетонную трубу, установленную под углом и погруженную в навозную массу. Иногда система выгрузки представляет собой прямоугольный или полусферический резервуар, соединенный в нижней части с метантенком с помощью выпускного отверстия, через которое автоматически удаляется сброженная масса. Верхняя часть резервуара накрыта крышкой.

Смесительная емкость представляет собой цилиндрический резервуар, необходимый для перемешивания навозных стоков с необходимым количеством воды для получения однородной массы с определенным содержанием сухого вещества. Интенсивное перемешивание субстрата перед загрузкой помогает увеличить эффективность сбраживания. Обычно перемешивание достигается с помощью вращающейся мешалки- пропеллера, установленной в резервуаре.

Выпускная биогазовая труба изготавливается из металла или пластика и устанавливается в верхней части плавающего газгольдера или купола. По этой трубе биогаз подается к месту утилизации. В трубе устанавливается запорный клапан для регулировки или прекращения подачи биогаза.

Малые биогазовые установки можно условно разделить на следующие категории: БУ с плавающим газгольдером, БУ с твердым куполом, БУ с отдельным газгольдером и БУ с мягким газгольдером.

Такая конструкция является обычной в Индии и представляет собой систему с полупостоянной загрузкой сырья. Обычно в ней используется газгольдер цилиндрической формы, плавающий в метантенке, имеющем соответствующую форму. В процессе образования биогаз накапливается в газгольдере при давлении 8-10 см водяного столба. Объем газгольдера подбирается таким образом, чтобы вмещать половину суточного количества биогаза. Если биогаз не используется регулярно, его излишки будут попадать в атмосферу, проникая в виде пузырьков газа между нижней кромкой газгольдера и стенками метантенка.

БУ с твердым куполом появились в Индии в середине 70-х годов. Такая конструкция была заимствована из Китая. Китайские БУ, явившиеся прототипом, используют в качестве сырья сезонные отходы растениеводства, и по этой причине основаны на принципе полупорционной загрузки. Однако индийские БУ отличаются от китайских, поскольку в Индии основным источником сырья является навоз и, как следствие, используется полупостоянная загрузка. Давление биогаза внутри китайских установок может быть в диапазоне от нуля до 150 см водяного столба. Обычно давление контролируется с помощью простого манометра, установленного на выходной трубе недалеко от места утилизации биогаза. В индийских установках давление может изменяться в пределах от нуля до 90 см водяного столба.

Метантенк такой установки представляет собой герметичную емкость. Выходное отверстие для биогаза находится в верхней части метантенка и соединено с помощью трубопровода с плавающим газгольдером, расположенным на определенном расстоянии от метантенка. Таким образом, внутри метантенка нет избыточного давления, в результате чего снижена вероятность утечек субстрата в случае негерметичности основной емкости установки. Другим преимуществом такой системы является возможность подключения нескольких метантенков к одному большому газгольдеру, построенному в непосредственной близости от места использования биогаза. Недостатком является относительная дороговизна. Обычно общий газгольдер используется для подключения нескольких метантенков с полупорционной загрузкой.

Основная часть такой установки, включая и метантенк (реактор), сделана из резины, плотного пластика или неопрена. Входная и выходная трубы для сырья и сброженной массы изготовлены из поливинилхлорида (ПВХ). Подобная же труба меньшего диаметра используется для выпуска биогаза. Такая установка легко перевозится и просто устанавливается. При установке та часть, в которой будет сбраживаемый субстрат, должна поддерживаться снаружи. Обычно БУ помещают в специальную емкость, углубленную в грунт. Глубина емкости соответствует при этом глубине реактора. Таким образом, уровень сбраживаемой массы соответствует уровню грунта. Для того, чтобы создать избыточное давление в газгольдере, на нем размещается специальный груз. Преимуществом такой установки является возможность серийного производства. Недостатком является относительная дороговизна пластика и резины хорошего качества. Более того, продолжительность эксплуатации такой установки меньше, чем у обычных биогазовых установок. Поэтому, несмотря на хороший потенциал, подобные биогазовые установки пока не получили широкого распространения

Исторически одной из первых альтернатив использования ископаемого топлива для производства электроэнергии явилась древесина, сжигаемая в котлах для производства пара, который в конечном итоге приводит в действие генератор электрического тока. При использовании древесины возникают проблемы, связанные со свойствами этого вида топлива. Древесина должна быть измельчена, вывезена из леса и подана в котел. В процессе эксплуатации необходим постоянный контроль, в частности, необходимо удаление золы. Возможны проблемы с накоплением твердых и жидких/полужидких несгоревших продуктов в камере сгорания. Любой оператор должен понимать, чем древесина отличается от других видов топлива.

Обычно электроэнергию из древесины получают путем использования паровых турбин конденсационного типа. При этом биомасса сжигается в котле для производства пара, который, попадая в турбину, приводит в движение генератор. Технология хорошо известна, проверена и позволяет использовать широкий диапазон топлив. Однако оборудование сравнительно дорогое, а эффективность сравнительно низкая. При этом возможности улучшения этих параметров в будущем ограничены. Существуют также проблемы, связанные с использованием пара. При атмосферном давлении пар занимает объем в 1200 раз больший, чем объем воды. Производство пара требует нагрева воды выше температуры кипения под давлением. Вода кипит при температуре 100 ^оC на уровне моря. Поддержание в котле высокого давления позволяет значительно поднять температуру кипения. Увеличение температуры пара необходимо для того, чтобы увеличить его полезную работу. Пар низкой температуры будет просто конденсироваться в паропроводах и цилиндрах турбины.

Новейшим способом получения электроэнергии из биомассы является газификация. В этом случае вместо простого сжигания твердого топлива часть его переводится в газообразную форму, содержащую 65-70% энергии исходного топлива. Получаемые горючие газы могут использоваться аналогично природному газу для производства электроэнергии, в качестве топлива для автомобилей, в промышленности, или для получения синтетических видов топлива. Технология находится в стадии интенсивных исследований.

Многообещающей альтернативой является термохимическая газификация биомассы в условиях ограничения количества воздуха и использование получаемых газов в газовых турбинах. Газовые турбины относительно дешевые, более эффективные и имеют хорошие перспективы улучшения обоих показателей.

Газификаторы биомассы обычно имеют четыре основные составные части:

1. 
   Система подготовки и подачи топлива.
   
2. 
   Реактор.
   
3. 
   Газоочистка, система охлаждения и перемешивания.
   
4. 
   Энергетическая установка, например, двигатель внутреннего сгорания (ДВС) с генератором или насосной установкой, или газовая горелка в котле или печи.
   

К газификаторам, используемым только для производства тепла, не предъявляются столь жесткие требования, поэтому их легче проектировать и эксплуатировать, они дешевле и более эффективные с энергетической точки зрения.

Все типы газификаторов требуют использования топлива с низкой влажностью и малым содержанием летучих компонентов. Поэтому древесный уголь хорошего качества является лучшим видом топлива. Однако его использование требует дополнительного оборудования, что снижает общую эффективность метода.

В простейшей газовой турбине с открытым циклом горячие газы выбрасываются непосредственно в атмосферу. Другой возможностью является их использование для производства пара с помощью утилизатора тепла. Пар может использоваться для обогрева в когенерационных системах, а именно для повторного впрыска в газовую турбину. Это приводит к увеличению производства энергии и повышению общей эффективности системы (цикл STIG - газовые турбины с инжекцией пара в паровых турбинах и цикл GTCC - комбинированный газопаровой цикл). Природный газ является более предпочтительным топливом, поэтому немногие поставщики будущего оборудования имеют стимулы тратить миллионы долларов на исследования и развитие термохимической газификации угля для снабжения газовых турбин. Большая часть этих работ применима к системам, объединяющим газификацию биомассы и газовые турбины (BlG/GTs). Биомассу легче газифицировать, чем уголь. К тому же, она имеет меньшее содержание серы. Использование технологий BlG/GTs для когенерации, а также для производства электроэнергии во многих случаях может оказаться дешевле, чем использование для этих целей больших централизованных угольных тепловых станций, для которых необходимо проводить сероочистку, а также атомных и гидростанций.

Газификаторы, использующие древесину и древесный уголь, становятся коммерческим продуктом. В некоторых странах проводятся исследования по использованию других видов биомассы (отходов) в качестве топлива. При этом необходимо решить проблемы чувствительности газификаторов к изменению параметров топлива, некоторые технические сложности, а также соответствие экологическим требованиям. Капитальные затраты могут быть значительно уменьшены в случае использования для строительства местных материалов. Например, стоимость газификатора, построенного из железобетона в Азиатском технологическом институте (Бангкок) оказалась в десять раз меньше западных аналогов. Для развивающихся стран многообещающей перспективой является использование технологии BlG/GTs для потребностей сахарной промышленности и производства этанола.

Большое внимание газификации уделяется в Индии, потому что здесь имеется база для широкомасштабной коммерциализации. Газификация биомассы может удовлетворить многие потребности в энергии, особенно в аграрном секторе. Детальный микро- и макроэкономический анализ (Jain, 1989) показал, что в Индии общий потенциал газификации биомассы мог достичь в 2000 году от 10000 до 20000 МВт установленной мощности. Сюда могли бы входить как малые установки для ирригации и электрификации деревень, так и крупные промышленные энергоустановки и сетевые электростанции, работающие на энергетических плантациях.