Биоэнергия: технология, термодинамика

ТЕХНОЛОГИИ, ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЕ К ИЗМЕНЕНИЯМ КАПИТАЛЬНЫХ ЗАТРАТ

Сложность и низкая продуктивность. В случаях, когда биомасса как сырье обходится дешево, предоставляется бесплатно или с допла­той, капитальные затраты становятся наиболее важным элементом в расчете издержек производства. Крупные и дорогие реакторы, систе­мы подачи твердых частиц и сложные процессы — все эти факторы способствуют повышению первоначальных инвестиционных затрат, затрат по техническому уходу, а также повышению размеров долга, который необходимо погасить. В свете этих проблем основной упор должен быть сделан на уменьшение сложности процессов, повышение их

производительности и решение проблемы повышения материалоотдачи и эффективности строительства. В развитых странах решающим факто­ром являются повышение продуктивности и отказ от капиталоемких технологий, в то время как в развивающихся странах капитал до неко­торой степени может быть замещен трудовыми затратами. Однако в обоих типах стран чувствительность капитальных затрат к совершен­ствованию процессов и оборудования обнаруживается редко, а положи­тельные стороны многих новаторских предложений формулируются недостаточно четко.

Прямое сжигание. Рентабельность процесса удаления отходов и вы­работки пара и электроэнергии в значительной степени зависит от необ­ходимых размеров капиталовложений. Стоимость системы сжигания топлива увеличивается при повышении сложности сортировочных ма­шин, а также вследствие необходимости измельчения компонентов сме­си перед сжиганием. Сама природа материала и его низкая теплотворная способность требуют специальной технологии сжигания и дорогостояще­го оборудования. Хотя капитальные затраты могут быть компенсирова­ны стоимостью выработанных пара и электроэнергии, для этих продук4 тов необходимо найти рынок. Общее влияние нововведений в области получения теплоты, энергии и удаления отходов на потребление энергии в национальном масштабе вряд ли может быть значительным. Вопрос стоит больше в плане снижения затрат на удаление отходов, чем нахож­дения новых источников энергии. В то время как исследования могут способствовать решению вечной проблемы, связанной с удалением от­ходов, для того чтобы поставить неотсортированные городские отходы на одну доску с ископаемым или ядерным топливом для выработки пара или электроэнергии, потребуется целая серия значительных усовер­шенствований. Так как именно дешевые виды ископаемого топлива вызывали появление гор отходов вокруг основных городов мира, не­хватка этих видов топлива будет означать повышенный спрос на отхо­ды. Отходы, которые приравниваются по энергетическим затратам к ископаемым видам топлива, характеризуют общество, достигшее край­ней степени рециркуляции материалов, что ставит огромную проблему перед наукой.

Термическое обогащение. Экономика термического обогащения сильно зависит от компонентов капиталовложений при низкой стои­мости сырья (рис. 21). В качестве сырья обычно предлагается исполь­зовать дешевую древесину, сортированные городские отходы и отходы сельскохозяйственного производства. Вследствие возможности ис­пользования угля в тех же процессах трудно представить эти процессы с использованием более дорогих видов биомасс. Потребности в капи­таловложениях в обогатительный завод будут зависеть от сложности процесса и от продуктивности основных реакторов. Как процессы, так и реактор могут быть усовершенствованы в результате исследований, однако за последние годы не отмечено в этом направлении никаких

Оплачиваемый побочный продукт

Постоянные издержки

Рис. 21. Стоимость производства мета - Рис. 22. Стоимость производства био-

нола из древесины.

кардинальных сдвигов. Здесь необходимо осуществление крупных постепенных изменений, а не мелких усовершенствований. Значитель­ная часть усилий направлена на организацию демонстрационных про­цессов, а не на разработку радикально новых методов газификации или сжижения биомассы. Пути представления результатов часто затруд­няют их понимание, т. е. какого рода усовершенствования были достиг­нуты — повышение продуктивности или упрощение процессов.

Нам все же приходится сталкиваться с фундаментальными пробле­мами при работе с влажным, гетерогенным, волокнистым материалом; проблема также заключается в отделении и измельчении твердых частиц для обеспечения приемлемых темпов реакции, а также в отделении ком­плексных продуктов реакции от такого же комплексного субстрата био­массы. При более высоких температурах продуктивность реактора уве­личивается, а состав продуктов упрощается; в этих условиях единствен­ным продуктом пиролиза и газификации являются газы, содержащие углерод. Однако экстремальные условия удорожают реакцию, и проч­ность материалов скоро достигаем своего предела. Исследовательские и демонстрационные установки по производству синтетического топлива из угля могут оказаться полезными при исследовании возможностей биомассы. Уголь является менее сложным, более калорийным, более плотным и сухим сырьем, чем биомасса. Однако здесь имеется анало­гичная проблема с твердыми частицами, медленными темпами реакции и образованием сложных продуктов реакции. Если в следующем деся­тилетии уголь покажет себя как жизнеспособный вид сырья для произ­водства синтетического топлива, мы получим критерий для исследова­ния биомассы как альтернативного субстрата.

Анаэробное разложение. Анаэробное разложение характеризуется обычно наличием углеродного сырья, получаемого бесплатно или с при­платой. Процесс довольно прост, и издержки производства, биогаза в основном сводятся к капиталовложениям (рис. 22). Были проведены широкие исследования по разложению различных видов биомассы, на­пример навоза различных животных, морских и пресноводных растений и микроводорослей, городских отходов и т. д. Все эти субстраты в оп­ределенной степени разлагаются, хотя часто процесс протекает очень медленно. В этом типе исследований не учитывается важный вопрос капитальных затрат, являющийся преобладающей статьей даже при разложении наиболее благоприятных субстратов. Капитальные издерж­ки являются высокими, так как продуктивность процесса (образование метана и уменьшение биологической потребности в кислороде) очень низка. Реакция протекает очень медленно, и фундаментальные исследо­вания в области биохимии, физиологии и микробиологии мало способ­ствовали повышению ее скорости. Процесс вбирает медленные темпы всех реакций, химических или биологических, включающих твердые реагирующие субстраты. Анаэробные биологические реакции также протекают медленно, возможно, вследствие небольших изменений сво­бодной энергии. В определенной степени образование метана может быть увеличено за счет общей продуктивности реакции, рассматривае­мой как процесс обработки сточных вод. Так как последнее является часто определяющим фактором, может возникнуть необходимость компромиссного решения (с низкой продуктивностью образования метана).

В лабораторных системах, использующих растворимые субстраты, время нахождения смеси в реакторе может быть сокращено до несколь­ких часов или нескольких дней; однако такой короткий период выдер­живания оказался невозможным при наличии отходов с высокой био­логической потребностью в кислороде, содержащих волокнистые мате­риалы. Путем изменения конструкции реактора можно увеличить про­дуктивность при обработке сточных вод с более низкой биологической потребностью в кислороде; особенно эффективным типом реактора в отраслях пищевой промышленности является реактор с восходящим током и взвешенном слоем осадков. Однако, несмотря на то что темпы снижения биологической потребности в кислороде высокие, скорость образования метана низкая благодаря меньшей загрузке. Появление быстрого метода биологического анаэробного разложения материалов с большим содержанием твердых частиц могло бы революционизиро­вать систему удаления отходов и дать дешевый метан для использова­ния его в качестве топлива. В настоящее время таких предложений не имеется. Повышение выхода метана при разложении твердых частиц, содержащих летучий углерод, было также незначительным; было до­стигнуто только 50 %-ное снижение количества летучих твердых частин.

В ограниченных условиях капитальные затраты по осуществлению анаэробного разложения могут быть снижены очень простым путем. Удаление городских отходов часто осуществляется путем организации свалок мусора. Собранные отходы представляют собой гигантский реак­тор с минимальными капитальными затратами. Низкие скорости реак­ции и низкая продуктивность в этом случае играют меньшую роль, так как свалка уже существует, и эта территория не используется для каких - либо производственных целей. Выделяющийся метан может собираться в пробуренных скважинах, а затем путем диффузии поступать в сеть трубопроводов. В то же самое время опасность перемещения метана в окружающую среду, жилые помещения и т. д. снижается. По этому вопросу проводилось и проводится целый ряд экспериментов. При до­статочно эффективном сборе метана открываются возможности эффек­тивной регенерации энергии, хотя даже в этом случае природный газ может составить конкуренцию. Однако эта деятельность может все же оказаться полезной в плане общенационального энергообеспечения. Совместно с соответствующими потребителями газа необходимо уста­новить местонахождение крупных свалок мусора с глубиной, биомас­сы, по крайней мере, 10 м. Безопасное и надежное удаление метана из данной местности само по себе — дополнительный стимул и главное обоснование процесса. Если в использовании метана нет необходимости, его можно сжигать на месте.

Многие другие проблемы, связанные с анаэробным разложением, могут рассматриваться как вспомогательные при решении проблемы ка­питальных затрат и низкой стоимости продукта. Фактически решение некоторых из этих проблем может неизбежно означать повышение ка­питальных затрат. Так, создание насосов, устойчивых к коррозии, вызы­ваемой биогазом, повышение эффективности сортировки отходов, обеспечение хранения сырья и биогаза — это проблемы, которые можно решить, но которые способствуют увеличению капиталовложений. Было бы неразумно тратить значительные суммы денег на исследования этих проблем, если мы не можем решить основную проблему высокой стои­мости процессов разложения.

ЛИТЕРАТУРА

[1] Carruthers, S. Р., Jones, М. R., Biofuel production strategies for UK agriculture Centre for Agriculture Strategy, Reading CAS Paper, 13 July 1983.