Биоэнергия: технология, термодинамика

ТЕХНОЛОГИЯ. ПОЛУЧЕНИЯ БИОТОПЛИВА

3.1. СЖИГАНИЕ

Простейшим методом получения полезной энергии из сухой биомас­сы является ее сжигание на воздухе. Химическая реакция полного окис­ления материалов, содержащих в основном углерод, кислород и водо­род, описывается следующим уравнением:

СхНу02 (биомасса) + [х+у/4-z/2] 02 -*■ х С02 +у/2 Н20, где x, y,z - основные элементы, входящие в, состав биомассы.

Теплота реакции составляет от 16 до 24 ГДж/т абсолютно сухой био­массы, в зависимости от ее типа. Если количество кислорода недостаточ­но для полного окисления горючего материала, тогда происходит образо­вание углерода, оксида углерода, углеводородов и других газов, а теп­лота реакции снижается. Азот и другие элементы, присутствующие в биомассе, превращаются в газообразные продукты и золу.

Присутствие воды в биомассе не снижает термодинамического вы­хода тепла, однако практическая эффективность реакции снижается вследствие необходимости нагрева воды и ее испарения при температуре сжигания. Вода также снижает температуру пламени и скорость сжига­ния. Содержание воды более 30 % не дает возможности прямого сжига­ния биомассы, поэтому материал должен быть высушен или же к нему следует добавить топливо. Однако использование печей с псевдоожижен­ным слоем материала позволяет проводить сжигание при содержании воды до 55 %. Были предложены регенеративные печи, повторно ис­пользующие тепло испарившейся воды и газообразных продуктов сго­рания; в этих условиях теоретически возможно сжигание материалов, насыщенных влагой. Сжигание в соответствующих камерах сгорания может явиться одним из наиболее эффективных методов использования энергетического потенциала биомассы. В печах прямого нагрева и паро­вых котлах использование тепла составляет 85 %, однако многие уста­новки на практике являются значительно менее эффективными.

Подготовка биомассы. Перед сжиганием тем или иным способом большинство типов биомасс необходимо определенным образом под­готовить. Типы биомасс могут варьировать от плотных, относительно сухих материалов, таких, как древесина, до очень влажных, обладающих низкой теплотворной способностью, таких, как канализационные стоки и морские водоросли. Другие материалы, такие, как солома, обладая низкой влажностью, имеют малую плотность, и поэтому работа с ними является затруднительной. Наиболее важными этапами подготовки био­массы являются измельчение, сортировка по размерам частиц, сушка и хранение.

Необходимые размеры древесины получают путем распила, раскола и измельчения. Предварительная оушка на воздухе проводится не всегда, в зависимости от техники сжигания. Используют и другой метод подго­товки древесины, называемый ’’уплотнением”. В ходе этого процесса древесину сушат, измельчают, сортируют по размерам частиц и добавля­ют связующие агенты. Полученный материал брикетируют или прессуют в более плотную массу с содержанием влаги около 7% [1]. В литера­туре поднимался вопрос относительно целесообразности такой техноло­гии [2], однако в целом эта технология способствует улучшению свойств биомассы как топлива, приближая их к свойствам угля. Этот процесс является дорогостоящим и может более чем вдвое повысить цену топлива, но он тем не менее обеспечивает получение материала, способного заменить обычные виды топлива; в некоторых районах потребители готовы оплачивать эти лишние издержки.

Для транспортировки к месту использования солому прессуют в кипы. Кипы имеют низкую плотность (62—200 кг/м3 в зависимости от типа пресс-подборщика); они должны быть небольшими для облег­чения погрузочно-разгрузочных работ вручную, что ведет к высоким транспортным расходам [3]. Кроме того, кипы соломы неудобны для автоматической подачи в печи для сжигания. Делались предложения относительно измельчения соломы перед использованием, но это еще больше увеличивало издержки по подготовке биомассы [4].

Твердые отходы животноводства содержат обычно 70 — 85 % во­ды. Перед сжиганием необходима предварительная сушка, которую также можно осуществить путем использования топочных газов [5]. Аналогичные методы применимы к другим материалам с высокой влаж­ностью. При этом количество получаемого тепла в значительной мере снижается вследствие использования его части для высушивания топ­лива.

Хранение биологического сырья представляет особую проблему вследствие его большого объема, зачастую сезонного его поступления, а также склонности к биологическому разложению. Обычные виды топ­лива не имеют подобного рода недостатков. В некоторых случаях невоз­можно обеспечить подачу топлива в соответствии с необходимым выде­лением тепла, поэтому необходима установка печей (бойлеров); способ­ных работать как на обычном топливе, так и на биомассе.

Мелкомасштабные методы сжигагіия. Самый простой метод сжига­ния биомассы - это сжигание на открытом огне. В этих случаях эффек­тивность сжигания очень низка. При сжигании топлива в традиционных печах отношение выделившейся энергии к энергии подведенной может быть менее 10% [61]. В последние годы были сконструированы эффек­тивные дровяные печи и бойлеры [7]. Значительная потеря тепла в про­стых топках происходит из-за чрезмерной тяги в дымоходе; простое ограждение для огня и ограничение тяги повышают эффективность сгорания до 25 %. В настоящее время имеются значительно более эф­фективные дровяные печи; комната, где установлена такая печь, полу­чает до 70 % энергии сгорания топлива или в результате излучения, или в результате конвекции. Однако средняя эффективность дровяных пе­чей составляет все еще около 50 %.

Была разработана система центрального отопления с использованием дров в качестве топлива, дающая до 0,4 ГДж/ч. Технология и эффектив­ность нагрева, обеспечиваемая обычными и усовершенствованными системами, достаточно полно описаны в литературе [8]. Основным не­достатком многих систем является трудность обеспечения автоматиче­ской подачи топлива и необходимость постоянного внимания со сторо­ны пользователей. В целях частичного решения проблемы были созда­ны системы, предназначенные для использования многих видов топлива; при желании работа в автоматическом режиме достигается путем пере­ключения на ископаемые виды топлива.

Основной проблемой небольших систем сжигания биомассы яв­ляется накопление агрессивных масел и смол в более холодных частях дымохода. Эти скопления необходимо периодически удалять; дымоход можно очищать также путем пропускания через него горячих газов (однако наряду с удалением нежелательных соединений теряется и. по­лезное тепло).

Промышленная технология сжигания. Биомасса обычно использует­ся в промышленности в качестве топлива только в тех случаях, когда она представляет собой остатки от переработки биологических мате­риалов в другие, более ценные, продукты. "Это имеет частичное зна­чение с точки зрения охраны окружающей среды, так как удаление остатков является часто затруднительным. Два вида топлива биологиче­ского происхождения уже используются в промышленности, и методы сжигания их являются документально обоснованными: один вид топли­ва — солома, получаемая в сельском хозяйстве, другой — древесные от­ходы деревообрабатывающей промышленности. Ниже даются некото­рые комментарии по используемой технологии.

Сжигание соломы на фермах практикуемся в некоторых районах, а печи для сжигания соломы производятся в Йании в широком масшта­бе [9]. Однако, по крайней мере в Великобритании, после закупки в 70-х годах тысяч небольших бойлеров интерес к последним упал, и, по имеющимся данным, в настоящее время используется менее половины закупленного оборудования [4]. Причина тому, по-видимому, неудоб­ство работы с этим оборудованием, сгорание неустойчивое и неэффек­тивное, а дым и сажа вызывают загрязнение окружающей среды. Выход тепла был ниже, чем это было гарантировано производителем. Появи­лись усовершенствованные варианты с непрерывным сжиганием и разде­лением печи и бойлера (для повышения полноты сгорания), однако эти устройства стали более дорогостоящими, и они вышли из употребления.

Отрасли деревообрабатывающей • промышленности используют дре­весные остатки для парообразования на месте производства. Пар исполь­зуется для поддержания температурных условий процесса и для выра­ботки электроэнергии [10]. Горячие продукты сгорания могут исполь­зоваться для сушки. Общие отходы деревообрабатывающей промыш­ленности могут составлять до 50% от массы сырья. Содержание влаги в отходах составляет 30—50%. Паровые установки, использующие эти отходы, сжигают до 250 000 кг/ч. Используются несколько типов бойле­ров и печей — например датские печи, печи с механической загрузкой, печи с наклонной решеткой. Сжигается как влажная (до 30% влаги), так и сухая древесина. Эффективность может быть такой же высокой, как и при сжигании других видов твердого топлива. Однако оборудова­ние для сжигания часто включает высокоэффективные газовые и масля­ные установки (на случай отсутствия отходов).

Сжигание широко используется в целях утилизации городских и промышленных отходов. Несмотря на существование множества проек­тов по использованию полученного тепла для обогрева жилых домов, в большинстве. случаев это тепло не используется. Стоимость сжигания может быть неожиданно высокой, но здесь первостепенное значение имеет борьба с загрязнением окружающей среды, а для некоторых от­ходов сжигание является единственно приемлемым способом их утили­зации. Сжигание сортированных городских отходов, и процессы регене­рации энергии описаны в литературе [11].