Спецвозможности
Аналитика

Биоэнергетика в Украине: эффективная конвертация биомассы

16.12.2016
3771
Биоэнергетика в Украине: эффективная конвертация биомассы фото, иллюстрация
Доставка біомаси на біозавод

Украина благодаря благоприятным почвенно-климатическим условиям и структуре земельных угодий имеет значительные возможности и реальные резервы для развития растительной биоэнергетики.

 

 

С начала развития биоэнергетики в Украине для изготовления биотоплива предпочитали использованию имеющейся в сельскохозяйственном производстве сырье в виде соломы, ботвы растений, стеблей кукурузы, подсолнечника, рапса, отходов деревообрабатывающей и лесной промышленности. Сейчас происходит переход к переработке на биотопливо целого ряда новых биоэнергетических культур: свитчграс, мискантуса, энергетических ивы, тополя и акации и других. Ученые-исследователи проводят поиск и разработку эффективных элементов технологии выращивания таких культур с определением экономической и экологической эффективности их применения как отдельных видов топлива. На очереди — определение наиболее эффективного из имеющихся видов топлива, которое бы при равных энергетических затрат на его получение давало самую высокую отдачу тепловой или электрической энергии.

Именно в этом направлении ведут поисково-исследовательскую работу ученые Института биоэнергетических культур и сахарной свеклы НААН Украины — с обоснованием последовательности действий и перечень основных технических решений, связанных с замещением ископаемых видов топлива. Особое внимание в исследованиях уделяется использованию новых биогазовых и синтез-газовых технологий для получения биогаза и синтез-газа в сжатом и сжиженном виде, а также получению на их основе моторных топлив, производства тепловой и электрической энергии. Научные источники и предыдущие собственные исследования свидетельствуют о том, что рентабельной является энергия, полученная путем преобразования органического сырья на газообразное топливо.

Перероботка биомасы

Проблема эффективной переработки и сжигания биомассы до сих пор остается актуальной во всем мире. Это связано, в основном, с тем, что биомасса является низкосортным видом топлива с высокой влажностью (до 85%), имеет низкую энергетическую плотность и теплоту сгорания и неоднородность фракционного состава. Установки для прямого сжигания биомассы имеют низкий КПД, не позволяет на их основе построить устойчивую энергетическую систему. Из известных технологий утилизации органических отходов именно пиролиз и газификация привлекательны тем, что позволяют получать дешевые энергоносители. Именно это обусловливает экономическую целесообразность ряда производств.

По газификации только часть исходного сырья переходит в газообразную форму с изменением химического состава под воздействием высоких температур, катализаторов и других физических, химических и биологических воздействий.

 

Среди широкого спектра технологий переработки биомассы именно ферментация и газификация эффективны и привлекательны, поскольку позволяют получать экологически чистое топливо и энергоносители с низкой себестоимостью.

В структуре себестоимости производства продукции преобладает энергетическая составляющая. Поэтому с учетом резкого подорожания и дефицита высококалорийных энергоносителей на основе ископаемых топлив возникла острая потребность в создании технологий и оборудования для получения тепловой и электрической энергии из возобновляемых и местных видов топлива (отходы промышленные и с.-х. производства, биомасса специально выращенных биоэнергетических культур) , стоимость которых сейчас примерно в четыре-шесть раз ниже стоимости нефтепродуктов.
Производство энергии из отходов биомассы может быть конкурентоспособным уже сегодня, даже при условии закупки иностранного оборудования. С учетом низкой стоимости сырья производство качественного генераторного газа из отходов биомассы будет рентабельным, чем производство традиционных энергоносителей, стоимость которых динамично растет. Эффективным оборудованием нового поколения для производства энергии служат газовые микротурбины, которые работают на низкокалорийных пиролизных газах различного компонентного состава, не требующие значительного очистки, а также на биогазе при минимальных выбросов в атмосферу NOx - 9 мг / м3 и СО - 46 мг / м3. Производители этих установок предлагают широкий диапазон мощностей микротурбин - от 15-100 кВт до 2-10 МВт, что дает возможность устанавливать генераторы электрической энергии непосредственно вблизи места ее потребления без необходимости больших газохранилищ.

Получение газа методом ферментации

Ферментация — химический или биохимический процесс превращения биомассы под влиянием ферментов, то есть биохимических катализаторов, которые могут ускорять процессы как ассимиляции, так и диссимиляции органических соединений. В результате ферментации образуется горючий газ, в разных пропорциях содержит СО, СО2, О2, Н2, N2, H2S, Н2О, СН4 и др.Фер­мен­тація — один із перспективних методів переробки біосировини

По химическому составу биогаз приближен и совместим с природным газом - метаном, является одним из самых распространенных в использовании биотоплива в мире. Биогаз состоит из смеси: метана — 65%, углекислого газа — 30%, сероводорода — 1% и незначительных количеств азота, кислорода, водорода и окиси углерода. Все технологии обработки, транспортировки, хранения, а также модификации в удобные синтетические виды моторного топлива является в целом одинаковы.

В таблице 1 приведены цифры выхода биогаза в зависимости от вида сырья в сухом виде. Поскольку солома сохраняется практически в сухом состоянии, выход биогаза из 1 т соломы равен 0,340 м3 при содержании метана 58%. Таким образом, с 1 т соломы можно получить около 0,200 м3 биометана.

В расчетах по производству биогаза используют термины «сухая вещества на" (СР) или «сухой остаток» (СЗ). Чтобы вычислить выход биогаза с конкретной сырья, нужно определить содержание в ней жиров, белков и углеводов. Во время такого определения важно установить содержание быстрорастворимых (фруктоза, сахар, сахароза, крахмал) и труднорастворимых веществ (целлюлоза, гемицеллюлоза, лигнин). На практике с 1 кг сухого вещества сахарной свеклы, силосной кукурузы, сахарного сорго или сильфия пронизанолистого получают в среднем от 0,3 до 0,6 м3 биогаза. Однако биогаз, который выделяется в результате анаэробного брожения, в своем составе содержит примерно 2/3 метана, поэтому его прежде всего нужно применить для сжигания в котлах для получения тепловой энергии. Рекомендуют такое сжигания проводить в обычных газовых котлах с горелками, которые используют для сжигания природного газа, или пропан-бутана. Теплотворную способность биогаза можно выразить в калориях или джоулях. Но понятным будет сравнение биогаза по теплотворной способности с природным газом. В природном газе содержится 92-98% метана, а в биогазе — 55-75%. Соотношение метана в этих видах газа — 65/95 = 0,68.

Важным продуктом метанового брожения являются растительные остатки, которые используют как биоудобрение, что по многим показателям в разы превосходит другие органические удобрения. К тому же оно не содержит семян сорняков и патогенную микрофлору. Основное преимущество биоудобрения перед традиционным органическим (навоз, помет и т.п.) относительно элементов питания — это их форма, является легкодоступной для растений, и сбалансированность. А еще — высокий уровень гумификации органических веществ, которые служат мощным энергетическим материалом для почвенных микроорганизмов. Поэтому после внесения биоудобрений в почву происходит активизация азотфиксирующих и других микробиологических процессов. Биоудобрение благодаря своей форме начинает эффективно работать сразу после внесения.

Получение газа методом пиролиза

Еще одним перспективным способом переработки органического сырья является газификация методом пиролиза, что происходит путем химического разложения исходных соединений на более простые компоненты под воздействием высоких температур без участия окислителя. Пиролиз - это термическое разложение топлива (деструкция), при котором образуется горючий газ, который долгое время использовали для освещения улиц городов. Этот процесс, протекает с участием водяного пара, называют гидропиролизом.Твер­до­па­лив­ний га­зо­ге­не­ра­тор­ний ко­тел компанії Metalerg із масляним теп­ло­обмінни­ком для спа­лю­ван­ня біома­си. Основне призначення котлів даного виробника — це спалювання соломи

В результате пиролиза при нормальных условиях могут быть выделены твердые, жидкие и газообразные вещества. Газообразные продукты пиролиза образуют газ, содержащий CH4, CO, Н2 (Qнр = 12-20 МДж / м3), выход которого - до 70% массы сухого сырья за высокотемпературного быстрого пиролиза. КПД пиролиза составляет 90%. Течение пиролиза при высоких температурах (1200 ... 1500 ° С) способствует глубокой переработке, при которой можно получить высококалорийные газы: ацетилен, этилен, пропилен, бутадиен. Получение того или иного продукта пиролиза определяет потребитель в соответствии со своими потребностями.

Принципы газификации биомассы были известны еще с конца XVIII в. Сначала эту технологию применяли для заправки газовых фонарей. Во время энергетического кризиса 70-80-х годов XX в. газификацию биомассы рассматривали как альтернативу ископаемым топливам. Кроме того, начали использовать газифицированы установки для производства электрической энергии.

Термохимическая газификация — это процесс частичного окисления углеводородного сырья, такого как биомасса, с получением газообразного энергоносителя - генераторного газа. Произведенный газ состоит из монооксида углерода, водорода, метана, диоксида углерода, небольшого количества углеводородных соединений высшего порядка, таких как метан и этан. Также он содержит пары воды, азот (по воздушного нагнетания) и различные примеси, такие как смолы, частицы углеродных веществ и золы. Как окислители при газификации можно использовать воздух, кислород, пару или смеси этих веществ. Максимальная температура процесса составляет 800 ... 1300 ° С.

По воздушной газификации образуется генераторный газ с высшим теплотой сгорания - 5-6 МДж/м3 (низкокалорийный газ). Этот газ можно сжигать в котлах, а после очистки - в газовых двигателях или турбинах. Но из-за низкой энергетической плотностью он не пригоден для транспортировки по трубопроводу. Газификация с использованием кислорода дает синтез-газ калорийностью 10-12 МДж/м3, что пригоден для транспортировки по трубопроводу и для получения метанола и газолина.

За применение паровой газификации можно получить газ с большей теплотой сгорания — 15-20 МДж/м3. Достигается это за двухстадийного процесса, который протекает в двух реакторах кипящего слоя. Мировой опыт эксплуатации установок с вихревым кипящим слоем показал, что таким образом возможно совместное сжигание практически любых горючих веществ, в том числе с высокой влажностью и зольностью. Основным его преимуществом является возможность уменьшения вредных выбросов путем снижения температуры окислительных процессов. Конструкции установок и технологических осо бенности процессов с переработки различных топлив отличаются, но не принципиально. Совместная переработка традиционных топлив и биомассы позволит сочетать преимущества различных видов топлива.

Анализ исследований работы пилотных установок по газификации различных топлив, содержащих органические вещества, показывает, что получение с них жидких нефтеперерабатывающих и газообразных продуктов, твердого топлива является экономически эффективным по сравнению с переработкой сырой нефти.

Особо следует подчеркнуть, что сочетание в одном технологическом процессе производства биотоплива и утилизации отходов газогенератора позволит полнее использовать углерод, содержащийся в них, — практически до 95%.

Твердопаливний газогенераторний котел СУП-ВТ 80М із водяним теплообмінником для спалювання біомаси, паливної тріски та відходів с.-г. виробництва (ТОВ "Сіона")

Газификация биомассы — это термохимический процесс преобразования органического сырья (биомассы, отходов деревообрабатывающего и сельскохозяйственных производства и т.п.). Он состоит главным образом в преобразовании определенного вида твердого топлива на пиролизный газ (синтез-газ). Этому процессу обычно подвергают различные виды биомассы (одновременно происходит частичное сгорания такой биомассы). Процесс частичного сгорания происходит, если количество подаваемого воздуха (O2), меньше числа, необходимого для полного сжигания биомассы. Шведский ученый Таннер установил, что без дополнительного топлива органические вещества могут гореть при содержании влаги (W) не более 50%, золы (А) — не более 60% и горючих веществ (С) — не менее 25%. Согласно этой теории, нижняя граница теплоты сгорания высокозольных и влажной органического вещества, при котором возможно сжигания, соответствует условию: W = 50%, а = 25%, С = 25%. Итак, основное требование - чтобы содержание углерода составил более 25%.

Органические вещества содержат углерод, водород, серу, кислород, азот, которые находятся в сложных высокомолекулярных соединениях. Негорючие примеси при сжигании превращаются в золу и влагу.

Так, 1 кг топливной щепы древесины энергетических ивы или тополя можно превратить в 2,5-3 м3 синтез-газа с теплотворной способностью 1000-1350 ккал/м3. Такой синтез-газ пригоден для использования в топках газовых и жидкостных котлов, специальных топочных устройствах и в сушильных камерах для выработки тепловой энергии, а также в поршневых двигателях, электроагрегатах - применяют вместо традиционных нефтяных жидких топлив для выработки электроэнергии. Несмотря на невысокую калорийность самого газа, теплотворная способность его смеси с нужной для полного сгорания количеством воздуха находится на уровне теплотворной способности смеси, образующейся в цилиндрах бензинового двигателя. Поэтому при замене бензинового топлива газом мощность двигателя не меняется. Синтез-газ, полученный на установках высокотемпературного пиролиза, как балласт содержит инертные составляющие — азот (N2) и двуокись углерода (СО2), которые снижают его теплотворную способность. Однако наличие инертных составляющих в смеси, подаваемой в дизельный двигатель силовой электростанции, снижает вероятность ее детонационного (взрывного) сгорания даже при содержании такого активного компонента, которым является водород. Скорость повышения давления в цилиндрах снижается. Также уменьшается максимальное давление цикла и вибрация. В сочетании с топливным газом можно успешно сжигать в бензиновом двигателе жидкие топлива с низким цетановым числом и расширенным фракционным составом, такие как газовые конденсаты, сырая нефть, различные жидкие синтетические топлива, не опасаясь за жесткость процесса сгорания.

Анализ исследований пилотных установок с пиролиза и газификации биомассы на основе органического вещества показывает, что с их помощью можно получать газообразное и твердое топливо так же эффективно, как и при переработке нефти. Перспективным направлением электрогенерации есть новые разработки украинских ученых по использованию СВЧ-технологий с применением плазмотронов, ускоряющие реакцию превращения органического вещества на газообразную форму (причем за уменьшенных энергозатрат по сравнению с обычным нагревом и пиролиза).

Выводы

Широкое применение в Украине новых технологий в биоэнергетике даст возможность заменить четвертую часть потребляемого природного газа, поскольку биометан можно использовать для выработки тепловой и электрической энергии для обеспечения нужд ЖКХ. С одной стороны, развитие коммунальной энергетики требует значительных затрат (конечно, темпы роста тарифов на электроэнергию и стоимость Гкал тепловой энергии будут увеличиваться), а с другой - в силу ряда объективных причин около половины территории Украины не может быть обеспечена централизованным энергоснабжением. Имеющиеся котельные и мини-ТЭЦ работают на привозном дорогом топливе, что значительно увеличивает себестоимость производимой энергии по сравнению с тарифом, установленным для населения, а ущерб покрывается за счет бюджетных субвенций.

Биоэнергетика в ее текущем состоянии на ближайшую перспективу пока не способна стать безальтернативной заменой углеводном энергетике, однако уже сейчас может стать важным элементом если не преодоления, то хотя бы не на углубление дефицита на углеводородное сырье и залогом энергобезопасности потребителей.

 

М. Гу­мен­тик, канд. с.-х. на­ук, ст. на­уч. сотрудник, 
Инсти­тут биоэ­нер­ге­тических куль­тур и сахарной свеклы НА­АН

 

Информация для цитирования

Ефективна конвертація біомаси/ М. Гументик // Пропозиція. - 2016. - № 12. - С. 178-180

 

 

 

Интервью
Прошлой осенью сайт «Пропозиція» побывал в гостях у кооператоров Днепровской области. Немалую помощь в его становлении, а впоследствии - кооперативных объединений, оказала Кооперативная академия, которая работает в г. Днепр. Ее возглавляет... Подробнее
Тарас Кутовой, министр аграрной политики и продовольствия Украины
Министр аграрной политики и продовольствия Тарас Кутовой определил органическое направление как одно из главных в работе Минагрополитики на этот год. «Это один из вопросов, который меня лично волнует

1
0