Понятие биомасса включает два вида: растительную биомассу, образующуюся на основе фотосинтеза и включающую различные растения, и биомассу животного происхождения, представляющую отходы жизнедеятельности и переработки животных. Методы энергетического использования биомассы весьма разнообразны.
Биомассы животного происхождения, в основном, перерабатываемая биохимическими методами (сбраживание, ферментация), позволяющими получить метан, так называемый биогаз.
Растительная биомасса перерабатывается путём непосредственного сжигания и путём термохимической газификации, позволяющей получить горючий газ, основные горючие компоненты которого – водород, и окись углерода. Биохимическая переработка растительной биомассы позволяет получить топливный спирт и горючий газ, известны также методы химической переработки растительной биомассы с получением жидких топлив и др.
Растительная биомасса – один из наиболее распространённых и доступных возобновляемых источников энергии на Земле, возрастающий интерес к которому связан с экологическими факторами, вызывающими у человечества всё большее внимание. Ископаемые топлива наносят значительный вред окружающей среде в местах добычи и при транспортировке. При сжигании органических топлив в атмосферу выбрасываются значительные количества окислов азота, серы и двуокиси углерода, а при сжигании углей ещё и твёрдых частиц. Существует мнение, что выбрасываемая в атмосферу двуокись углерода обусловливает парниковый эффект, который ведет к потеплению климата. Поэтому мировое сообщество было вынуждено принять конвенцию, устанавливающую для всех стран квоты на выбросы в атмосферу вредных веществ. Естественно, что такие ограничения в ближайшие годы будут фактором, сдерживающим развитие традиционной энергетики [2].
Достоинства растительной биомассы как источника энергии хорошо известны. Кроме возобновляемости данного вида топлива можно отметить такие качества, как экологическая чистота в сравнении с ископаемыми топливами, а также отсутствие воздействия на баланс свободного углерода в атмосфере. Последнее связано с тем, что при сгорании растительной биомассы выделяется и выбрасывается в атмосферу меньше углекислого газа, чем поглощается растениями из атмосферы в процессе фотосинтеза. Таким образом, количество свободного углерода в атмосфере при сжигании биомассы не увеличивается. При сжигании растительной биомассы образуется в 20-30 раз меньше окислов серы и три-пять раз меньше золы по сравнению с углём. Считается, что за счет растительного топлива может быть реализовано до 20-30% глобальной потребности в энергии [15].
Россия обладает как определенными традициями и опытом в области энергетического использования растительной биомассы, так и значительными её ресурсами. Кроме того, в городах образуются значительные количества твёрдых бытовых отходов (более 400 кг. на человека в год), их органическая часть превышает 50%. В целом доступные для энергетического использования ресурсы растительной биомассы в России эквивалентны примерно 400 млн. т у.т., а по некоторым оценкам даже 1 млрд. т у.т.
Получение из биомассы газообразного топлива позволяет использовать простую по конструкции энергетическую установку. Генераторный газ может использоваться непосредственно в двигателях внутреннего сгорания и газовых турбинах, в последнем случае требования по очистке газа более жёсткие. Растительная биомасса отличается высоким выходом летучих, поэтому предпочтительна её газификация. Существует множество схем и режимов газификации, отличающееся направлением движения рабочих сред, способом подачи и видом окислителя.
Самый простой и проверенный в отечественных условиях способ – это слоевая газификация при атмосферном воздушном или паро-воздушном дутье. Многочисленными экспериментальными и теоретическими исследованиями установлено, что на окончательный состав генераторного газа решающее влияние оказывает высота активной зоны камеры сгорания газогенератора, которая определяет скорость движения газообразных продуктов в камере сгорания газогенератора и скорость идущих в камере сгорания химических реакций:
Основные факторы:
· отбор газа в единицу времени;
· размер газогенератора;
· температура и влажность первичного воздуха и влажность газифицируемого топлива;
· реакционная способность топлива;
· фракционный состав топлива;
Низкая температура сгорания генераторного газа, получаемого при воздушном дутье, определяется наличием в нём значительного количества (около 50%) балластного газа (азота), поступающего из воздуха. Для повышения калорийности газа до 15-20 МДж/нм3 процесс следует вести на кислородном дутье, что в условиях промышленной эксплуатации энергетических газогенераторов малой мощности – мало вероятно инженерной точки зрения.
Существует и разрабатывается ряд технологических процессов получения из растительной биомассы жидкого топлива как непосредственно, так из газа, как промежуточного продукта. При этом используется скоростной нагрев мелкодисперсного топлива (флеш-пиролиз), а также ожижение под действием различных катализаторов. Однако, по мнению авторов, в ближайшие годы данные технологии могут найти применение только для получения моторного топлива. Целесообразность их реализации в «большой» энергетике внутри существующих тепловых систем проблематична, так как указанные технологии практически могут реализовываться только на крупных заводах [7].
Биодизель
Альтернативой дизельным топливам на основе сырой нефти служит биодизельное топливо. Биодизелем, называют топливо, полученное химической реакцией между растительными маслами либо животными жирами и спиртами (метиловым, этиловым или изопропиловым спиртами) в присутствии катализатора (щёлочь или кислота). С химической точки зрения биодизель – это моноалкиловый эфир. С помощью процесса, называющегося этерификацией, масла и жиры вступают в реакцию с метиловым спиртом и гидроксидом натрия, который служит катализатором, в результате чего образуются жирные кислоты, а также побочные продукты: глицерин, глицериновые основания, растворимый поташ и мыло [Приложение 1].
Хотя энергетическая ценность биодизеля приблизительно равна энергетической ценности обычного дизельного горючего (118000 БТЕ (Британские тепловые единицы) против 130500 БТЕ по эквиваленту крутящей силы и количеству лошадиных сил), однако биодизель является гораздо более чистым топливом и более безопасным при хранении и использовании по сравнению с обычным дизельным горючим. В результате опытов, проведенных Исследовательским институтом Колорадо по горючим и двигателям, было установлено, что при использовании смеси горючего, содержащей 20% биодизеля, наблюдается снижение выхлопных газов на 14%, углеводородов – на 13% и окиси углерода – на более чем 7% [4].
Биодизель (включая смесь В20) в настоящее время признан Агентством по охране окружающей среды и Министерством Энергетики (США) в качестве альтернативного горючего, соответствующего требованиям по защите атмосферного воздуха и окружающей среды. К тому же, биодизель обладает рядом существенных преимуществ.
· не токсичен (его токсичность составляет лишь 10% от токсичности поваренной соли);
· разлагается в естественных условиях (приблизительно за то же время, что и сахар);
· при попадании в воду не причиняет вреда растениям и животным;
· практически не содержит серы и канцерогенного бензола;
· его источником являются возобновляемые ресурсы, не способствующие накоплению газов, вызывающих парниковый эффект, что характерно для горючего, полученного на основе нефти.
Прямые преимущества, получаемые при использовании биодизеля в виде 20% смеси с обычным дизельным топливом, включают в себя:
· увеличение сетанового числа и смазывающей способности, что продлевает жизнь двигателя;
· значительное снижение вредных выбросов (включая СО, СО2, SO2, мелкие частицы и летучие органические соединения);
· способствование очистке инжекторов, топливных насосов и каналов подачи горючего.
Эти преимущества легко доступны и не требуют затрат на модификацию двигателей или изменения в инфраструктурах. К тому же, добавление катализатора может снизить выбросы оксидов азота, что придает В20 гибкость в отношении соблюдения требований к чистоте атмосферного воздуха.
Наконец, биодизель дает возможность владельцам и управляющим автопарков, использующим дизельное топливо (включая подвижной состав и автомобили, исключенные из него, а также морские суда, оснащенные дизельными двигателями), соблюдать без особых усилий требования к чистоте воздуха, не затрачивая значительные средства, как в случае с другими альтернативными видами топлива [6].
В настоящее время в странах ЕС используют Aquazole, представляющее собой смесь биодизельного топлива и воды, под маркой Elf предлагается потребителям с 2005 года. Из воды и биодизельного топлива с помощью присадки получается однородная смесь, которая выделяет на 80% меньше сажи и на 30% оксидов азота.
На сегодняшний день самые конкурентоспособные результаты среди различных альтернативных видов топлива показал биодизель [5].
Биогаз
Метановое брожение или биометаногенез - процесс превращения органического вещества в анаэробных условиях под действием бактериальной флоры. Биогаз, получается входе в биометаногенеза, представляет собой смесь газов; кислорода, азота, водорода, углекислого газа, из которых 50-80% составляет метан.
Согласно современным представлениям, анаэробное превращение практически любой биомассы в метан проходит через четыре последовательных этапа: фаза гидролиза (расщепления), сложных биополимерных молекул (белков, липидов, полисахаридов) на более простые, например, мономеры, аминокислоты, углеводы и другие; фаза ферментации образовавшихся мономеров до ещё более простых веществ- низших кислот и спиртов, аммиака и сероводорода; ацетогенная фаза (образование Н2, СО2, формиата и ацетата) и непосредственно метаногенная фаза, которая приводит к конечному продукту расщепления- метану [17].
Исследователи, кроме четырёх этапов конверсии биомассы в метан, отдельно выделяют две стадии. У разных авторов они имеют разные названия: “неметаногенная” и “метаногенная”, “кислотная” и “слабощелочная” и т.д. Первая стадия (кислотная) связана с образованием летучих жирных кислот как основных промежуточных продуктов разложения органических веществ до метана, вторая стадия (слабощелочная или метаногенная)- с физико-химической характеристикой среды и образованием метана.
Технологически метановое брожение делят на этап созревания метанового биоценоза и этап ферментации (непрерывный и периодический).
В течении первого этапа развиваются группы микроорганизмов, участвующие в разложении исходных сложных субстратов и продуктов их распада. В результате физиологической деятельности этих микроорганизмов создаются оптимальные условия для активного метангенерирования (четвёртая фаза). По достижении этих условий ферментация переводится на непрерывный или периодической режим.
Метановое брожение может протекать при температуре 10-60°С. Термофильное метановое брожение (45-65°С) в 2-3 раза интенсивнее мезофильного брожения (25-35°С), причём изменение температуры влияет лишь на скорость процесса, а не на качественный состав образующихся продуктов. [Приложение 2].
Метанобразующие бактерии или метаногены являются анаэробами, чувствительными к кислороду. Группа метанобразующих организмов насчитывает на сегодняшний день около 50 видов, по температурному режиму подразделяющихся на психрофилов (существуют при температуре 4-25°С), мезофилов (30-35°С) и термофилов (50-70°С). Для обеспечения нормальной жизнедеятельности метаногенов необходимо:
1) постоянство температуры и давления;
2) строгий анаэробиоз;
3) отсутствие света;
4) нейтральная или слабощелочная среда.
Выделение в окружающую среду горючих и токсичных веществ, входящих в состав биогаза, оказывает отрицательное воздействие на природу, является причиной взрывов и пожаров. На рекультивированных землях газ вытесняет из корневой системы воздух, что отрицательно сказывается на их росте.
Мировой опыт свидетельствует, что извлечение биогаза из толщи твёрдых бытовых отходов (ТБО) и его использование экологически необходимо (в том числе, с точки зрения безопасности).
В силу достаточно низкого содержания в ТБО органических веществ и при их малой влажности – главный показатель, влияющий на образование газа, получение из них биогаза неэффективно без использования дополнительных компонентов. В качестве такой добавки можно использовать осадок сточных вод (ОСВ). В соответствии с требованиями СНиП 2.04.03.-85 соотношение компонентов смеси ТБО и ОСВ должно быть стабильным и составлять 2:1 по массе. Иловые осадки, имеющие повышенную влажность - 98%, как бытовой мусор, имеющий низкую влажность – 45%, компенсируются и утилизируются сепаратно кратно неэффективно. Оптимальная влажность органического субстрата, которая обеспечивает интенсивные анаэробные процессы, составляет 60-70%. В тих условиях происходит эффективное биотермическое обезвоживание ОСВ и ТБО, а так же активное разложение органического субстрата с выделением биогаза за счёт взаимодействия компонентов, способствующих интенсификации процесса; в частности, достигается оптимальное соотношение углерода и азота, повышается пористость иловых осадков, уменьшается относительное содержание в смеси инертных включений. Совместная переработка ТБО и ОСВ позволяет сократить требуемые площади примерно на 20% и количество обслуживаемого персонала. При этом сокращаются и энергетические затраты, поскольку обеззараживание осадка достигается в процессе компостирования без применения каких-либо дополнительных устройств. Компостирование смеси ОСВ и ТБО позволяет вести биотермические процессы при температуре 50-70°С, что обеспечивает эффективное обезвреживание всей массы. Процесс биотермического разложения органических веществ, по данным исследований, приводит к гибели яиц гельминтов, личинок мух и резкому сокращению патогенных микроорганизмов.
В виду непрерывного процесса образования свалочных отложений и постоянной эмиссии биогаза, этот источник можно отнести к возобновляющимся.
В зависимости от специфических промышленных требований биогаз можно использовать различными способами: в теплоустановках, в газогенераторах для одновременного получения тепловой и электрической энергии; подавать в газовые сети для коммунальных и бытовых нужд; сжимать для последующего хранения в газгольдерах. При подаче биогаза в коммунальные газовые сети необходимо проведение осушки и очистки газа, что увеличивает капитальные затраты по биогазовой технологии.
ТБО можно рассматривать как значительный потенциальный источник получения биогаза. Процесс начинается в верхних слоях складируемы отходов в аэробных условиях за счёт кислорода, содержащегося в пустотах и проникающего из атмосферы. Биогаз при этом не образуется. При дальнейшем наращивании слоёв ТБО, их механическом и естественном уплотнении развиваются анаэробные процессы и начинается выделение биогаза. При не плотной укладки отходов выход биогаза уменьшается. Существуют следующие способы механической предварительной обработки ТБО – увеличение плотности складируемых отходов: прессование, укладка брикета, предварительное дробление мусора, трамбовка специальными катками, увеличение глубины свалки. Другие факторы, влияющие на образование биогаза:
1) влажность мусора;
2) показатель кислотности рН;
3) температура;
4) морфологический состав мусора;
5) условия складирования – площадь, объём, глубина свалки.
Питательной средой для метановых бактерий являются водород, азот, фосфор, калий, магний, кальций, сера и их соединения, содержащиеся в ТБО.
Оптимальное соотношение водорода и азота – 1:16. Выход биогаза максимален при влажности ТБО 60-70%, значении рН в пределах 6,5-8,0 и при большей концентрации органических веществ. Органические вещества, содержащиеся в отходах, можно разделить на три класса, каждому из которых соответствует определенный выход метана;
· углеводы – 0,42-0,47 м3 метана/кг;
· белки – 0,45-0,55 м3/кг;
· жиры – до 1 м3/кг.
Теплотворная способность биогаза из ТБО составляет 20-28% МДж/м3 [14]. Он может с высокой эффективностью использоваться или непосредственно как топливо, или посредством газогенераторов трансформироваться в электрическую и тепловую энергию. Биогаз также может использоваться как моторное топливо. На полигонах компостирования ТБО, где не производится сбор биогаза, газ, диффундирующий через толщу отходов, неорганизованно поступает в атмосферу, при этом могут образовываться взрывоопасные концентрации. После рекультивации земель продолжается генерация газа и выхода его в атмосферу. По некоторым оценкам, в результате бесконтрольного выброса со свалок земного шара ежегодно выбрасывается в атмосферу 30-70 млн. тонн биогаза [15].