Биоэнергия: технология, термодинамика

АНАЭРОБНОЕ РАЗЛОЖЕНИЕ

Некоторые органические молекулы биомассы могут подвергаться анаэробному разложению в результате деятельности микроорганизмов. Основные продукты распада — диоксид углерода, метан и большое чис­ло микробных клеток. В природе этот процесс протекает в гнилостной

среде. С прошлого века его использовали для обработки больших коли­честв шлама (осадка сточных вод). Главное преимущество этого мето­да — сокращение числа и обезвоживание твердых частиц стока, а также снижение количества твердых частиц вторичного отстоя очистительных установок. Только крупные канализационно-очистные сооружения ис­пользуют выделившийся метан как источник энергии; небольшие очист­ные сооружения, имеющие реакторы, могут сжигать газ или использо­вать его для подогрева самих реакторов. Из 5000 канализационно-очист­ных сооружений в Великобритании только около 300 имеют реакторы [24]; с появлением фирм, поставляющих готовые реакторы, это число стало увеличиваться. За последние годы была предложена технология удаления навоза на крупных предприятиях интенсивного животновод­ства; удаления стоков с предприятий, занимающихся переработкой биологических продуктов, например переработкой продуктов питания; превращения биомассы в энергию. Эта технология — одна из наиболее простых среди технологий получения топлива из биомассы. В результа­те эта технология особенно пропагандировалась для использования в странах третьего мира, где устанавливается боЬыпое число реакторов.

Химия. Среди различных категорий углеродсодержащих соединений биомассы разложение углеводов наиболее важное, и этот процесс в до­статочной мере исследован. Липиды и жиры, белки, а также другие азо­тистые соединения также катаболизируются. Биомассу могут разлагать различные микроорганизмы. Организмы, участвующие в разложении полисахаридов, делятся на две группы. В первую группу входят орга­низмы, осуществляющие гидролиз и превращение биомассы в низкомо­лекулярные карбоновые кислоты и водород. Вторая группа превращает продукты первой реакции в метан и диоксид углерода.

Скорость гидролиза полисахаридов зависит от их типа. Как было показано в предыдущем разделе, крахмал гидролизуется относительно легко, в то время как целлюлоза в сочетании с лигнином может разла­гаться очень медленно или не разлагаться совсем. Образовавшиеся моно­сахариды, например глюкоза, подвергаются дальнейшему разложению под действием ферментов до пируватов, а затем — до различных про­дуктов, основными из которых являются уксусная кислота и водород. Затем под действием других микроорганизмов происходит превращение этих продуктов в диоксид углерода и метан:

- [С6Н,0О5]и->иС6Н12О6 -»2иСН3СОСООН + 2иН2;

СНзСОСООН + Н20 -> СНзСООН + С02 + 2Н2;

2СН3СООН + 4Н2 -> ЗСН4 + С02 + 2Н20.

Метаногенные организмы очень легко подвергаются самоотравле­нию, в результате чего прекращается рост и происходит накопление диоксида углерода, водорода, ацетатов и пропионатов.

Белки разлагаются в реакторах до аминокислот и олигопептидов, которые могут дезаминироваться до аммиака или войти в состав живой биомассы. Может также произойти расщепление небелковых азотистых соединений до кислот, диоксида углерода и аммиака.

Жиры, по-видимому, расщепляются вследствие гидролиза на гли - церол и жирные кислоты. Уксусная кислота и водород, образовавшиеся в результате разложения жирных кислот, превращаются в метан под действием меганогенных бактерий:

Триглицерид + Н20 -> СН3 - (СН2СН2) п - СООН + глицерол;

СН3 - (СН2СН2) п — СООН + 2иН20 -> (и + 1)СН3СООН + 2иН2.

Технология. Современная очистная установка может быть вмести­мостью от 500 до 4500 м3. Крупные емкости строятся из бетона и стали. Стальные емкости покрывают изоляционным материалом^ а поверх­ность, находящуюся в контакте с содержимым реактора, — эпоксидной смолой или аналогичным материалом. Содержимое перемешивают с по­мощью крыльчатки или винтового насоса, расположенных в емкости, а также путем прокачки жидкости через внешний обводной трубопровод или путем повторной циркуляции отходящих газов. Перемешивание и нагрев часто чередуются или осуществляются одновременно; переме­шивание служит в основном для предотвращения образования поверх­ностных корок, особенно при обработке сельскохозяйственных отходов. Нагревание необходимо потому, что при умеренной температуре окру­жающей среды реакция протекает слишком медленно; нагрев до 30— 35 °С одновременно обеспечивает высокую скорость реакции и в то же время позволяет избежать чрезмерных расходов. Реактор должен рабо­тать по возможности непрерывно, так как прерывистая работа малоэф­фективна. Для обеспечения непрерывной подачи материала устанавли­вается специальная емкость, а для отвода используется уровень. Не­большие очистные сооружения часто имеют систему загрузки партиями (при наличии первичных и вторичных сточных осадков). Время нахож­дения жидкости в реакторе обычно составляет от 10 до 30 дней; в слу­чае трудносбраживаемых материалов и при температурах, ниже опти­мальных, эти сроки могут увеличиваться до нескольких месяцев. Реак - юры для навоза, других органических отходов и растительных остатков мало отличаются от систем, описанных выше. Поскольку стоимость ре­акторов для отбросов и сточных вод при проектировании их ТОЛЬКО ДЛЯ производства биотоплива крайне высокая, был предложен ряд более дешевых вариантов, например резинопластиковые надувные емкости, емкости, вырытые в земле и выстланные специальными материалами, и г. д. Такие варианты должны рассматриваться как экспериментальные, так как их срок службы значительно короче, чем срок службы более прочных и надежных систем, описанных выше.

В таблице 29 показаны выход, продуктивность и степень превраще­ния сырья при анаэробном разложении биомассы. Цифры представляют собой типичные значения, взятые из литературы; совершенно ясно, что все три параметра невысоки по сравнению с другими методами обога­щения биомассы. Наиболее легко превращаемым материалом является навоз нежвачных животных, а также легкогидролизуемый крахмал, белки и моносахариды. Растительные остатки, отходы целлюлозы и на­воз жвачных трудно разлагаются и требуют длительного нахождения в реакторе. Загрузка реактора зависит от типа материала; обычно посту­пающий материал содержит 3 % твердых частиц при максимальном их содержании 5 %. Были сконструированы реакторы для более концентри­рованного материала, однако здесь возникает проблема с перекачкой. Разлагаемая часть отходов (летучие твердые частицы) может составлять до 90 % общего количества твердых частиц, но обычно их доля составля­ет около 70 %.

Были предложены и испытаны другие типы реакторов (автокла­вов) — клеточно-рециркуляционный (контактный) реактор, анаэробные фильтры, реакторы с псевдо сжиженным слоем и с восходящим взвешен­ным слоем осадков. Последний тип получил распространение, так как флокулированная биомасса остается в реакторе, сток является сравни­тельно чистым, а закачка сырья, служащего пищей микроорганизмам, проводится в основание реактора. При такой конструкции время на­хождения жидкости в реакторе значительно короче, однако эта конст­рукция пригодна только для обработки растворов и суспензий с низким содержанием органического вещества. Такая технология больше под­ходит для очистки сточных вод, чем для производства биотоплива.

Хранение биогаза обычно считается крайне дорогостоящим. Стои­мость газометров может в 4 раза превышать капитальные затраты на строительство самого реактора, поэтому газ должен быть или немедлен­но использован, или удален. Г аз используется прежде всего для нагрева­ния реактора до рабочей температуры. В Великобритании это требуется ;делать круглый год, и зимой часто возникает необходимость дополни-

тельного подогрева о использованием природного или сжиженного неф­тяного газа. При наличии излишков биогаза последний может быть ис­пользован в силовых установках или в качестве топлива для двигате­лей. Для нагрева автоклавов могут также быть - использованы вода, охлаждающая генераторы, или выделившаяся теплота. Состав биогаза (табл. 30) делает его малопригодным для подобного использования, так как он высокоагрессивен и приводит к разрушению большинства обычных насосов и трубопроводов. Сероводород способствует коррозии двигателя и должен быть удален; диоксид углерода и влага, содержа­щаяся в газе, снижают ценность топлива для двигателей внутреннего сгорания, которые не будут работать на смесях, содержащих более

45 % С02. Однако теплотворная способность биогаза обычно достаточна для использования его в модифицированных бойлерах, дизельных и карбюраторных двигателях, устанавливаемых, в частности, на крупных очистных сооружениях. Для транспортных средств необходимы ком­прессоры для снижения объема газа до приемлемого уровня.

Опасности, связанные с использованием биогаза. Следует упомя­нуть о двух важных обстоятельствах, связанных с подготовкой и ис­пользованием биогаза при самостоятельном его изготовлении. Во-пер­вых, смесь метана с воздухом взрывоопасна, и, во-вторых, что более серьезно, сероводород, присутствующий в биогазе, крайне токсичен. В промышленных условиях принимаются соответствующие меры без­опасности, однако недостаточно осторожное обращение с этим газом может оказаться роковым.

Удаление сброженного осадка. Заключительной проблемой, связан­ной как с использованием энергии, так и с охраной окружающей среды, является удаление осадка из автоклава, объем которого может дости­гать 50—60% исходного количества твердых частиц; что касается ком­мунальных отходов, то этот объем составляет 10-15%. Там, где воз­можно, эти осадки вносят в почву как удобрения, правда, использовать их на тяжелых глинах и заболоченных почвах не рекомендуется. Воз­можно, возникнет необходимость транспортировки сброженных осад­

ков в места отсыпки грунта и к морю. Для сокращения транспортных расходов используется отстаивание, коагуляция и другие методы обез­воживания. Содержание меди, цинка и других токсичных металлов в сброженном осадке затрудняет его использование в качестве удобрения. Имеются предложения по переработке осадка в корма для животных; технически это осуществимо. Были проведены некоторые эксперименты по включению осадка в корма, однако сомнительно, чтобы это соответ­ствовало критериям, определяющим требования к здоровью животных и вкусовым качествам корма. Экстрагирование и очистка белкового компонента осадка, по-видимому, нерентабельны.

Места отсыпки грунта. Основная масса городских отходов в разви­тых странах удаляется путем их транспортировки в места отсыпки грун­та, где находятся свалки мусора. Эти свалки представляют собой гигант­ский биореактор, загруженный сырьем при фактически нулевой стои­мости. Метан, медленно образующийся в биомассе, может быть собран и использован аналогично тому, как это имеет место в обычных реакто­рах. Экономика этого процесса будет рассмотрена позднее; по имею­щимся данным, она значительно более благоприятна, чем при использо­вании реакторов интенсивного типа.