ОСНОВЫ ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЯ И ЭНЕРГОАУДИТА

ПРОИЗВОДСТВО ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ ИЗ БИОМАССЫ

Биомасса - органическое вещество, генерируемое растениями в про­цессе фотосинтеза, при подводе солнечной (световой) энергии. Биомасса является как бы аккумулятором солнечной энергии. Энергия биомассы ис­пользуется двумя способами: путем непосредственного сжигания (отходов сельскохозяйственной продукции) и путем глубокой переработки исходной биомассы с целью получения из нее более ценных сортов топлива - твердо­го, жидкого или газообразного, которое сжигается с высоким КПД при ми­нимальном загрязнении окружающей среды. Второй способ перспективен и позволяет использовать в качестве первичных энергоносителей такие био­массы, которые не поддаются утилизации путем прямого сжигания в то­почных устройствах. Эти биомассы представляют собой бытовые и про­мышленные отходы, ухудшающие состояние среды обитания человека. Поэтому их переработка, проводимая в целях получения энергии, позволя­ет одновременно решить и экологическую задачу. Основными источниками биомассы служат городские и промышленные отходы, отходы животно­водства, сельского и лесного хозяйства и водоросли.

Твердые городские отходы представляют собой домашние отходы, отходы легкой промышленности и строительства. В зависимости от време­ни года и района сбора отходы в среднем состоят на 80 % из горючих мате­риалов, из которых 65 % имеют биологическое происхождение: бумага, пищевые и животные отходы, тряпье, пластмасса. Горючими компонента­ми являются углерод (~ 25 %), водород (~ 3 %) и сера (~ 0,2 %), поэтому теплота сгорания городских отходов составляет 9...15 МДж/кг.

Небольшое содержание азота (~ 0,3 %) и невысокие температуры го­рения отходов сводят к минимуму образование вредных окислов азота и обеспечивают экологическую чистоту отходов как топлива, ввиду образо - вания незначительного количества оксидов серы. Предприятия по перера­ботке отходов следует размещать в городах с населением численностью 150...200 тыс. человек, а производство энергии из отходов рентабельно, если их в сутки перерабатывается не менее 270 т. Утилизация твердых от­ходов также дает положительный эффект из-за улучшения экологической обстановки в городе и уменьшения площадей, необходимых для складиро­вания отходов.

Промышленные отходы, используемые как биоэнергоресурсы, при­сущи пищевой промышленности, которая специализируется на переработке плодов и овощей, а для выработки энергии используют отходы семян, пло­дов, шелуху семечек подсолнечника и другие подобные отходы, непригод­ные для применения в качестве корма.

Отходы животноводства заслуживают внимания как энергоресурсы только при содержании скота и птиц в закрытых помещениях, таких как откормочные хозяйства промышленного типа. Оптимальным способом об­работки отходов животноводства является анаэробная ферментация или биогазификация.

Отходы сельского и лесного хозяйства образуются на месте их заго­товки или на предприятиях по их переработке. К ним относят растительные остатки после сбора урожая (солома, стебли кукурузы или подсолнечника, мякина, кожура овощей и плодов), ветви и корни заготавливаемых деревь­ев, погибшие и отбракованные деревья, а также отходы при производстве пиломатериалов и бумаги (опилки, стружки, горбыль, кора). Однако опил­ки и стружки целесообразнее использовать для производства древесност­ружечных и древесноволокнистых плит (ДСП и ДВП), а сжигать их в топ­ках котлов и печей следует только при отсутствии такого производства.

При непосредственном сжигании биомассы химическая энергия го­рючих компонентов преобразуется в тепловую энергию высокотемпера­турного теплоносителя - газообразных продуктов горения (дымовых га­зов), которые из топочного устройства подаются в то или иное теплоис - пользующее устройство: водонагреватель, парогенератор, воздушный ка­лорифер, сушильную установку. При предварительной обработке из твер­дых городских отходов выделяют фракции черных и цветных металлов, негорючие твердые компоненты, стекло. Крупные куски измельчают до получения однородной массы, которую затем обезвоживают в специальных сушильных установках, а сжигание производят в топках котельных агрега­тов.

При термохимической обработке биомассы отходы подвергают теп­ловому и химическому воздействию, при котором органическая часть био­массы разлагается с образованием твердого горючего вещества, горючих газов или жидкого топлива. Каждый из этих продуктов представляет собой высококачественное, эффективное и экологически чистое топливо, которое сжигается в обычных топочных устройствах. Основу термохимической обработки составляет пиролиз - термическое разложение органической массы отходов при ее нагревании.

Пиролиз осуществляется в различных аппаратах: конвертерах, где происходит конверсия (преобразование) вещества; реакторах, где идут хи­мические реакции; газификаторах или газогенераторах, где образуются газообразные продукты разложения органики. Некоторые методы термо­химической обработки твердых отходов предусматривают предварительное выделение фракций негорючей части биомассы, их очистку и механиче­скую обработку с целью повторного хозяйственного использования. Ком­плексность утилизации отходов и исключение необходимости складирова­ния и захоронения конечных продуктов их переработки придает таким ме­тодам особую привлекательность.

В результате термохимической обработки биомассы получают топ­ливный газ, жидкое пиротопливо и твердое топливо - углистое вещество. Общий энергетический КПД газификации составляет 50...70 %. Помимо неизбежных потерь теплоты через ограждения и от недожога топлива зна­чительная часть энергии тратится на сушку сырья.

Анаэробная ферментация биомассы представляет собой микробиоло­гический процесс разложения сложных органических веществ без доступа воздуха. При ферментации происходит превращение углеводородов (бро­жение) и белков (гниение) в биогаз - смесь метана СН4 (до 60...70 %), диок­сида углерода СО4, азота N2, водорода Н2 и кислорода (вместе 1...6 %), и образуется стабилизированный осадок исходной биомассы. Биогаз является высококалорийным, удобным для практического использования топливом, а стабилизированный осадок - органическим удобрением. В процессе фер­ментации биомасса теряет неприятный запах и при этом погибает патоген­ная микрофлора. При анаэробной ферментации решаются энергетические и экологические вопросы, в том числе проблема складирования и хранения отходов.

К веществам для анаэробной ферментации относят осадки городских сточных вод, стоки животноводческих и птицеводческих ферм, твердые бытовые отходы, остатки перерабатываемого растительного сырья, опилки. Не требуется увлажнения и разделения материала по гранулометрическому составу. Исходное сырье предварительно увлажняют, но размеры частиц биомассы не должны превышать 5 мм.

На интенсивность образования биогаза существенно влияет темпера­турный режим процесса. Начальная температура биомассы обычно меньше оптимальной, поэтому ее подогревают перед поступлением в метантенк либо в самом ферментере. Метантенк - резервуар для биологической пе­реработки (сбраживания при температуре 20.65 °С) с помощью бактерий и микроорганизмов. Оптимальные значения температур ферментации зави­сят от вида метаногенных бактерий. Греющей средой является горячая вода или водяной пар. Площадь теплообменной поверхности аппарата выбира­ется такой, чтобы биомасса была нагрета до верхнего значения температу­ры в рекомендуемом температурном интервале. Тогда при остывании био­массы в метантенке ее температура не выйдет за допустимые пределы. Технология получения биогаза из сельскохозяйственных отходов изобра­жена на рис. 7.3.

Технология переработки сводится к разбавлению отходов животно­водства водой в приемном резервуаре 1, выделению из них песка и других минеральных примесей, сбраживанию обводненных отходов в метатенке 2 в условиях их постоянного перемешивания при температуре до 60 °С. Об­разующийся газ сжимается в компрессоре 3 и направляется в аппарат 4 для разделения СН4 и СО2. Метан направляется в котельный агрегат 5 для про­изводства тепловой энергии путем его сжигания, а двуокись углерода - на питание водорослей в бассейне 6. Стоки, обработанные в метатенке 2, по­даются на центрифугу 7, откуда обезвоженный осадок и водоросли направ­ляются на приготовление корма 8, а жидкие стоки из центрифуги - в бас­сейн 6 для выращивания водорослей и на разбавление исходных отходов в приемный резервуар 1 . Таким образом, утилизируются все побочные про­дукты процесса сбраживания отходов: метан, двуокись углерода и твердый остаток. Аналогично происходит переработка растительных отходов.

Всевозможных производств из отходов животноводства и растениеводства есть естественное следствие производственной деятельности. Кроме того, при производстве метана из отходов животноводческих ферм в качестве побочного продукта образуются водоросли, содержащие до 45.50 % цен­ных кормовых ингредиентов (протеина и аминокислот). В случае необхо­димости метан легко перерабатывается в спирты, являющиеся присадкой к моторному топливу.

Этанол (этиловый спирт С2Н5ОН) получается из биомассы при спир­товом анаэробном сбраживании и используется как жидкое топливо, спо­собное в определенной мере заменить дорогостоящий бензин.

Городские отходы для производства тепловой энергии используют по мере концентрации населения в городах и крупных поселках. Сжигание отходов осуществляется в специальных мусоросжигательных установках, а также в топках обычных котлов в качестве присадки (до 10 %) к основному топливу. Схема энергетического использования городских бытовых отхо­дов на мусоросжигательном заводе или установке реализуется в одном зда­нии, что обеспечивает соблюдение санитарно-гигиенических норм, уста­новленных для города.

Она включает: отделение приемки и складирования отходов, систему подачи отходов в загрузочную воронку, сжигание отходов в топке котла с наклонной колосниковой решеткой. Установка позволяет также утилизиро­вать параллельно с твердыми отходами городской шлам (влажные тонко - измельченные твердые отходы). Шлам предварительно обезвоживается механически в центрифугах и затем через мельницу-сушилку в подсушен­ном виде вводится в виде пыли над слоем горящих твердых отходов.

Сушильным агентом в мельнице-сушилке служат высокотемператур­ные продукты сгорания, которые отбираются в верхней части топочного объема, обеспечивая тем самым их рециркуляцию, что снижает образова­ние вредных газообразных веществ при сжигании отходов. Продукты сго­рания, выводимые из котла, подвергаются тщательной очистке, в том числе в электро - или тканевых сепараторах (фильтрах) с последующей мокрой очисткой в скруббере. Из скруббера они выбрасываются в дымовую трубу. Котел может быть паровым и водогрейным. Зола и шлак, образующиеся после сгорания отходов, собираются в шлакоприемник и затем отводятся в шлаковый бункер, из которого вывозятся за пределы завода.