Использование биомассы в качестве топлива

Основным источником биомассы на Земле является фотосинтез. Биомасса или биоресурсы — мощный по­тенциальный мировой источник топлива. Это возобновляемые ресурсы, составляющие ежегодно 220 млрд т (по сухому веществу). Об­щие мировые энергетические запасы биомассы на зем­ной поверхности составляют 36*10²¹ Дж. Термин биомасса описывает все компоненты, яв­ляющиеся производными от первичной фотосинтети­ческой продукции: растительный и животный мир, про­дукты переработки биомассы, разнообразные органи­ческие отходы.

Технологии получения твердых, жидких и газооб­разных топлив из различных видов биомассы развиваются по двум направлениям термохимическому и биотехнологическому. Термохимические технологии включают в себя следующие процессы: прямое сжигание; пиролиз; газификацию; сжижение; быстрый пиролиз; синтез. К биотехнологическим технологиям относятся та­кие процессы, как: биогазовые технологии; производ­ство этанола; получение биодизельных топлив, жир­ных кислот, растительных углеводородов; получение тепловой энергии.

Прямое сжигание — древнейший, но наименее выгодный процесс с КПД получения тепловой энергии 15-18 %. Однако существуют такие виды биомассы, которые выгоднее сжигать при условии создания теп­ловых агрегатов с более высоким КПД. К таким видам биомассы относятся:

- солома злаковых и крупяных культур, стебли под­солнечника и кукурузы, из которых готовят топливные гранулы;

- некоторые виды древесины, древесные отходы;

- твердые отходы сельскохозяйственного производства;

- городские твердые отходы.

Пиролиз - термохимическая конверсия сырья без доступа воздуха при температуре 450-550 °С позво­ляет из 1 м³ абсолютно сухой древесины получать: 140-180 кг древесного угля, не содержащего ни серы, ни фосфора и используемого для получения лучших, сортов стали, 280-400 кг жидких продуктов — метано­ла, уксусной кислоты, ацетона, фенолов; 80 кг горючих газов — метана, монооксида углерода, водорода.

Газификация — сжигание биомассы при темпера­туре 900 - 1500 °С в присутствии воздуха или кислоро­да и воды с получением синтез-газа, состоящего из сме­си монооксида углерода, водорода и стеклообразной массы (7-10 % массы исходного материала), приме­няемой как наполнитель для дорожных покрытий. Га­зификация - более прогрессивный и экономичный способ использования биомассы для получения тепло­вой энергии, чем пиролиз.

Сжижение — производство жидкого топлива из биомассы путем термической конверсии; термиче­ский пиролиз или газификация в присутствии катализа­торов. Реакции происходит так, чтобы в качестве ос­новного продукта получалось жидкое топливо, и при этом можно производить уголь и газ.

Быстрый пиролиз - биомасса в течение короткого времени подвергается воздействию экстремально высо­ких температур (700 -1400 °С), в результате которого происходят быстрое разложение исходных продуктов и образование новых соединений; этанола, пропилена, углеводородов, близких к бензину. Газ, получаемый с помощью быстрого пиролиза, содержит водород, метан, этилен, пропилен. Использование быстрого пиро­лиза биомассы выгоднее, чем пиролиза угля, так как биомасса содержит значительно меньше золы, и ее мож­но подвергнуть воздействию более низких температур.

Синтез - каталитический синтез метанола из га­зов, образующихся при термической конверсии био­массы. Изменяя температуру и давление, а также ис­пользуя уникальные катализаторы, кроме метанола можно получить целый ряд других соединений. Проме­жуточные соединения образуются и из лигнина. Из 1 т древесины можно синтезировать 410 - 540 л метанола. Если синтез производить в присутствия водорода, по­лучающегося при электролизе воды, то выход метанола увеличивается до 1400 л.

Биогазовые технологии. Биогаз - смесь метана и углекислого газа - продукт метанового брожения органических веществ растительного и животного про­исхождения, осуществляемого специфическим природным биоценозом анаэробных бактерий различных фи­зиологических групп. Метановое брожение протекает при температурах от 10 до 55 °С в трех четко опреде­ленных диапазонах; 10-25 °С — психрофильное; 25 - 40 °С — мезофильное; 52 - 55 °С — термофиль­ное; влажность составляет от 8 до 99 %, оптимальная — 92 – 93 %. Содержание метана в биогазе варьируется в зависи­мости от химического состава сырья и может состав­лять от 50 до 90 %. В зависимости от природы исходно­го сыры, изменяется и выход биогаза: от 200 до 600 л на 1 т абсолютно сухого вещества. К настоящему времени разработано и применяется множество технологий получения биогаза, основанных на использовании различных вариаций температурного режима, влажности, концентраций бактериальной мас­сы, длительности протекания биореакций.

Производство этанола. Этанол - продукт спиртового брожения разнообразных сахаро – и крахмалосодержащих субстратов. Однако наиболее распростра­ненными видами сырья для производства этанола явля­ются отходы сахарного производства: ме­ласса (сахарная свекла), а также крахмал кукурузы, сорго, картофеля, пшеницы и риса. До недавнего времени в России этанол получали при брожении гидролизной целлюлозы.

Наиболее значительный интерес в мире к биотопливам (особенно к этанолу) для использования на транспорте появился в период с 1970 по 1990 г. и обя­зан этим высоким ценам на нефть. В настоящее время этот интерес возобновился.

Биодизельное топливо имеет те же характеристики, что и обычные дизельные масла, которые могут использоваться в дизельных двигателях. Биодизельное топливо может быть получено из любого маслосодержащего растения - семян рапса, сои, льна, подсолнечника и т.д. Преимущество биодизельного топлива состоит в том, что его производство основано на широко известных технологиях получения растительных масел с их дальнейшим метилированием.

Получение тепловой энергии активным компо­стированием (микробным окислением). Использова­ние этого метода для утилизации твердой биомассы и, прежде всего, твердых органических отходов также мо­жет внести существенный вклад в производство тепловой энергии. Метод основан на процессе бактериального окисления твердых органи­ческих веществ с образованием тепловой энергии, кото­рая повышает температуру пропускаемого воздуха до 80 - 90 °С. Путём компрессии температуру выходящих газов можно поднять до 110 °С.