БИОЭНЕРГЕТИКА:. мировой опыт и прогноз развития

Выход биогаза, получаемого при анаэробном сбраживании различных видов исходного субстрата

висит от состава субстрата для сбраживания, его предваритель­ной подготовки, соблюдения оптимальных параметров и режи­мов процесса анаэробного сбраживания (табл. 1.3).

Подсчитано, что годовая потребность в биогазе для обогрева жилого дома составляет около 45 м3 на 1 м2 жилой площади, су­точное потребление при подогреве воды для 100 голов крупного рогатого скота — 5-6 м3. Потребление биогаза при сушке 1 т сена влажностью 40% равно 100 м3, 1 т зерна — 15, для получения 1 кВт-ч электроэнергии — 0,7-0,8 м3.

По оценкам специалистов отраслевого объединения «Биогаз», в настоящее время в 80% действующих установок вместе с дру­гими исходными продуктами используется кукуруза.

18

В табл. 1.4 представлены данные о количестве газа, которое можно получить с 1 га посевной площади в год, используя раз­личные виды возобновляемого сырья.

В процессе анаэробного брожения значительно улучшаются свойства навоза как удобрения. Это происходит за счет минера­лизации находящегося в навозе азота. При традиционном ком­постировании навоза потери азота составляют до 30-40%. По срав­нению с обычным компостированием анаэробная переработка увеличивает содержание в навозе аммонийного азота в 4 раза, от 20 до 40% содержащегося в навозе азота переходит в аммоний­ную форму. Содержание усваиваемого растениями фосфора уд­ваивается и составляет до 50% от его общего количества в навозе. Сброженный навоз позволяет повысить урожайность на 10-20% по сравнению с использованием обычного навоза.

Еще один источник получения биогаза — твердые бытовые отхо­ды (ТБО). Во всем мире остро стоит проблема нейтрализации или утилизации бытового мусора. Удельный годовой выход ТБО на одного жителя современного города составляет 250-700 кг. В разви­тых странах эта величина ежегодно возрастает на 4-5%.

В России мусор в основном вывозили на специально отведен­ные полигоны и свалки. Практически так же дело обстоит и сей­час. На территории страны в отвалах и хранилищах накоплено около 80 млрд т твердых отходов, причем токсичных из них бо­лее 1, 4 млрд т. Только под свалки и полигоны ТБО ежегодно официально отводится около 10 тыс. га земель.

К концу 80-х годов суммарная мощность энергоустановок, использующих в качестве топлива ТБО, достигала более 1,2 ГВт. Велось проектирование и строительство новых установок. Одна­ко полного перехода от нейтрализации к утилизации ТБО сжи­ганием в мировой практике не произошло. В связи со сложнос­тью выполнения природоохранных требований в последние годы прекращают свою деятельность многие мусоросжигательные за­воды. Закрыт ряд заводов в США, в 1984 г. закрылись заводы в Японии (Камаки) и Финляндии (Хельсинки).

В мировой практике существует еще один способ утилизации твердых бытовых отходов — биотехнологический, представляю­щий собой компостирование мусора. Суть его заключается в био­химическом процессе разложения органической части ТБО мик­роорганизмами. Для компостирования, т. е. биотермической пе­реработки легкогниющих веществ в органическое гумусообраз­ное удобрение, необходимы три составляющих: сырье, аэробные микробы и время.

Аэробная обработка в течение двухсуточного нахождения му­сора во вращающемся барабане (использована конструкция це­ментной печи) приводит к разогреву за счет окисления, разложе­нию высокомолекулярных органических соединений, распаду органических веществ на простые составляющие. Продукт пере­работки используют как компост для удобрения почвы.

Более широко во всем мире распространено полигонное захо­ронение твердых бытовых отходов. Основные достоинства тех­нологии захоронения — простота, сравнительно малые капиталь­ные и эксплуатационные затраты и относительная безопасность. При разложении бытовых отходов выделяется биогаз, содержа­щий до 60% метана, что позволяет использовать его в качестве местного топлива. В среднем при разложении 1 т ТБО может об­разовываться 100-200 м3 биогаза. В зависимости от содержания 20 метана низшая теплота сгорания свалочного биогаза составляет 18-24 МДж/м3 (примерно 1/2 теплотворной способности природ­ного газа).

Сопоставление разных вариантов утилизации ТБО показыва­ет, что наиболее бурно развивается и имеет минимальное коли­чество ограничений по экологическим и другим условиям техно­логия получения био газа на полигонах ТБО. Технология предус­матривает сепарацию ТБО с извлечением ценных компонентов (черные и цветные металлы и др.), последующее прессование уменьшает объем свалки, позволяет механизировать укладку сло­ев мусора и облегчает получение биогаза. По технологической схеме предусмотрено бурение скважин на территории полигона, из которых вакуум-насосы водо кольцевого типа обеспечивают откачивание биогаза. После отделения воды газ поступает в газо­дувки и по опорному газопроводу подается в котельную на сжи­гание. Из 5 млн м3 ТБО получают 20 млн м3 газа, который эквива­лентен 70-80 Гкал тепловой энергии в год.

Конечным продуктом после их деструкции являются минера­лизованные вещества, остающиеся в толще трансформированной массы. В настоящее время за рубежом уже подводятся итоги де­сятилетнего опыта использования биогаза по такой технологии.

Биогаз позволяет значительно уменьшить общее потребление топлива путем применения когенерации (совместного производ­

ведены на рис. 1.8.

Рис. 1.8. Сравнительные характеристики различных способов
получения энергии

Исследования, разработки и проекты, реализованные в тече­ние последних 25 лет, привели к существенному усовершенство­ванию технологии. Уровень распространения ко генерации в мире

позволяет утверждать, что это наиболее эффективная (из суще­ствующих) технология энерго­обеспечения для огромной части потенциальных потребителей.

Технология ко генерации со­четает положительные характе­ристики, которые недавно счита­лись практически несовмести­мыми. Наиболее важными следу­ет признать высокую эффектив­ность использования топлива, более чем удовлетворительные экологические параметры, а так­же автономность систем когенерации. Когенерационная установ­ка (рис. 1.9) состоит из четырех основных частей: первичного дви­гателя, электрогенератора, системы утилизации тепла и системы контроля и управления.

Когенерационные системы, как правило, классифицируются по типу первичного двигателя, генератора, а также по типу по­требляемого топлива.

В зависимости от существующих требований роль первично­го двигателя могут выполнять поршневой двигатель, паровая или газовая турбина.

В будущем этот список может пополниться новыми технология­ми (двигатель Стирлинга, микротурбины, топливные элементы).

Электрогенераторы предназначены для преобразования меха­нической энергии вращающегося вала двигателя в электроэнер­гию. Они могут быть синхронными или асинхронными. Синхрон­ный генератор может работать в автономном режиме или парал­лельно с сетью. Асинхронный генератор может работать только
параллельно с сетью. Если произошел обрыв или другие непо­ладки в сети, то асинхронный генератор прекращает свою рабо­ту. Поэтому для обеспечения гибкости применения распределен­ных ко генерационных энергосистем чаще используются синхрон­ные генераторы.

Теплоутилизатор является основным компонентом любой ко - генерационной системы. Принцип его работы основан на исполь­зовании энергии отходящих горячих газов двигателя электроге­нератора (турбины или поршневого двигателя).

Простейшая схема работы теплоутилизатора следующая: от­ходящие газы проходят через теплообменник, где производится передача тепловой энергии жидкому теплоносителю (вода, гли­коль). После этого охлажденные отходящие газы выбрасывают­ся в атмосферу, при этом их химический и количественный со­став не меняется. В атмосферу уходит и существенная часть не­использованной тепловой энергии, так как для эффективного теплообмена температура отходящих газов должна быть выше температуры теплоносителя (не менее чем на 30°С), отходящие газы не должны охлаждаться до температур, при которых начи­нается образование водяного конденсата в дымоходах, что пре­пятствует нормальному выходу газов в атмосферу. Кроме того, отходящие газы не должны охлаждаться до температур, при ко­торых начинается образование кислотного конденсата, что при­водит к коррозии материалов (особенно это важно для топлива с повышенным содержанием сероводорода).

Извлечение дополнительной энергии (скрытой теплоты водя­ных паров, содержащихся в выхлопных газах) возможно только путем понижения температуры отходящих газов до уровня ниже 100°С, когда водяные пары переходят в жидкую форму, что пока невозможно.

В качестве утилизатора тепла в когенерационной системе труд­но использовать готовое типовое теплоэнергетическое оборудо­вание. Теплоутилизатор, как правило, проектируется с учетом параметров и характеристик отходящего потока газов для каж­дой модели поршневого двигателя или турбогенератора и типа применяемого топлива. Многие производители двигателей име­ют собственные наработки или используют продукцию своих партнеров в части утилизации тепла, что в большинстве случаев упрощает проектирование и выбор решения.

Для повышения производительности тепловой части когене - рационной системы утилизатор может дополняться экономайзе­ром — теплообменником, обеспечивающим предварительный подогрев теплоносителя отходящими из теплоутилизатора газа­ми до его подачи в основной теплообменник, где нагрев теплоно­сителя обеспечивается уже теплом отходящих газов двигателя. Позитивным моментом, связанным с использованием экономай­зера, является дополнительное снижение температуры отходящих из теплоутилизатора в атмосферу газов до уровня 120°С и ниже.

Когенерация в сельском хозяйстве распространена не очень широко, но ее использование в подавляющем числе случаев при­водит к энергосбережению и получению дополнительных при­былей. Многообещающими вариантами использования когене- рации являются производство этанола, сушка зерна или древе­сины, обогрев теплиц, зданий для содержания домашних живот­ных или жилых домов.

Наибольшую выгоду сельским предприятиям могут принести технологии, использующие в качестве топлива биомассу (напри­мер, остатки урожая, древесины или животные отходы). Модули газификации преобразуют сельскохозяйственные и древесные отходы в газы с низкой или средней теплотворной способностью, которые могут использоваться в качестве топлива в подготовлен­ных газопоршневых установках.

Когенерация позволяет решать и экологические проблемы. Тех­нологии, предшествовавшие ко генерации, предусматривали сжига­ние отходов (из-за невозможности их утилизации), получая в ре­зультате большие объемы выбросов загрязняющих веществ из-за неполного сгорания. В дополнение к загрязнению имелись эмиссии от горения вышеупомянутых жидких видов топлива. Когенерация избавилась не только от жидких видов топлива (и соответствую­щих эмиссий), но и от выбросов от неполного сгорания благодаря много. лучшим условиям сгорания в котле.

Ко генерационные установки различной мощности позволяют удовлетворить потребности в электроэнергии не только сельско­хозяйственных предприятий, но и других объектов народного хозяйства:

установка малой мощности серии Premi (от 22 до 47 кВт) при­меняется для покрытия собственных потребностей объекта в элек­троэнергии, отопления и получения горячей воды;

установки средней серии Cento (мощностью до 160 кВт) при­меняются чаще всего в промышленных объектах, больницах, бас­сейнах, гостиницах, торговых центрах, спортивных сооружени­ях, котельных, привязанных к определенному объекту;

установки высшей серии Quanto (мощностью 395-2016 кВт) применяются в крупных промышленных предприятиях и город­ских котельных, где имеются дефицит электрической энергии и

большой объем тепловой нагрузки в летнее время.

Возможности использования когенерационных установок при­ведены на рис. 1.10.

Рис. 1.10. Возможности использования когенерационных установок

Исследования, разработки и проекты, реализованные в тече­ние последних 25 лет, привели к существенному усовершенство­ванию технологии, которая теперь действительно является хоро­шо отработанной и надежной. Уровень распространения когене - рации в мире позволяет утверждать, что эта технология энерго­обеспечения является наиболее эффективной (из существую­щих).