Генерация электрической энергии, полученной из биомассы.

1. Классификация биогазовых технологий.

Биомасса является самым мощным после Солнца возобновляемым экологически чистым источником энергии.

Существует ряд биогазовых технологий первичного преобразования биомассы в энергетический продукт.

Биогазовые технологии – это наиболее радикальный, экологически чистый, безотходный способ переработки, утилизации и обезвреживания разнообразных органических отходов.

Сжигание 1 м³ биогаза в газоэлектрогенераторах даёт до 2 кВт·ч. электроэнергии и до 10,5-12,6 тыс. кДж тепловой энергии.

Разработка современных, экономически эффективных биогазовых технологий базируется на сочетании следующих основных принципов:

- фундаментальные знания сложнейшего биологического процесса метангенерации органических веществ растительного и животного происхождения, включая достижения микробиологии, биохимии, молекулярной биологии, биотехнологии;

- особенности механического состава используемого сырья;

- конструкторское решение оборудования, направленное на снижение металлоёмкости и энергоёмкости.

Биогазовые технологии можно разделить на три группы, взяв за основу механохимические особенности субстрата (питательная среда для микроорганизмов):

- технологии по обработке «супержидких» стоков при влажности последних 98-99 % (стоки перерабатывающей промышленности: молочной, сахарной и др.);

- технологии по обработке жидких отходов при влажности 85-96 %;

- твёрдофазные технологии по обработке отходов с влажностью менее 85 %.

Первая группа технологий базируется на использовании:

- анаэробных контактных реакторов с отстойником и рециркуляцией биомассы.

Процесс непрерывный, температура ферментации от 18 до 55 ⁰С, время удержания – от нескольких часов до нескольких суток. Выход биогаза 20-30 м³ на 1 м³ реактора в сутки.

Преимущества этих технологий:

- высокие скорости обработки; снижение объёмов реакторов; снижение капитальных затрат.

Вторая группа технологий основана на использовании классической технологии полного вытеснения субстрата (рис. 1).

Они могут быть использованы при обработке субстратов с влажностью в пределах от 85 до 96 %. Процесс периодический, полупериодический, непрерывный. Температура ферментации от 15 до 55 ⁰С. Время удержания – от 3 до 30 сут. Выход биогаза: минимальный – 1 м³/м³ реактора в сутки. Объёмы реакторов: от 1 м³ до 10 тыс.м³.

Недостатки:

- возможное образование «корки», необходимость перемешивания и большой расход энергии на поддержание температуры процесса.

Классическая технология получила интенсивное развитие.

К третьей группе технологий относится технология твёрдофазной мерангенерации. Процессы твёрдофазной метангенерации могут активно протекать при влажности субстрата менее 85 % вплоть до 10 %.

Твёрдофазный процесс может быть непрерывным, полупериодическим и периодическим. Температура ферментации – от 18 до 55 ⁰С. Время удержания – от 5 до 30 сут. Выход биогаза – от 0,5 до 1,5 м³/м³реактора в сутки. Загрузка и выгрузка осуществляется при помощи шнеков. При ферментации субстрата необходимо постоянное перемешивание (рис. 2).

Рис. 1 Технология полного вытеснения субстрата

Рис. 2. Технология твёрдофазной метангенерации

Преимущества:

- отсутствие дополнительной воды; отсутствие коркообразования; уменьшение объёмов реактора; капитальных затрат.

Недостатки:

- снижение газоотдачи и увеличение времени удержания.

1. Биогазовые установки анаэробной ферментации.

Рассмотрим основные конструктивные схемы установок с учётом их достоинств и недостатков, использующихся в различных странах мира.

Установки для анаэробного сбраживания навоза и других органических отходов можно разделить на четыре основных типа:

1. Отсутствует подвод тепла и перемешивание сбраживаемого навоза.
2. Отсутствует подвод тепла, но осуществляется перемешивание.
3. Осуществляется подвод тепла и перемешивание.
4. Осуществляется предварительная подготовка биомассы для сбраживания, подвод тепла, перемешивание, имеются средства контроля и управления процессом анаэробного сбраживания.

Подвод тепла осуществляется:

- перегретым паром при давлении 0,08-0,5 МПа, подающимся в сбраживаемую биомассу;

- горячей водой, циркулирующей в змеевиках или водяной рубашке;

- электронагревательными элементами, расположенными в водяной рубашке или наружной поверхности реактора.

Перемешивание осуществляется:

- механическими мешалками различной формы или погружными насосами;

- гидравлическими насадками за счёт энергии струи перекачиваемой насосами сбраживаемой биомассы или рециркуляции;

- избыточным давлением биогаза, пропускаемого через барботёр или трубку, расположенную в нижней части реактора.

Предварительная подготовка органических отходов перед подачей их на анаэробное сбраживание осуществляется:

- измельчением;

- нагревом биомассы до заданной температуры сбраживания;

- аэробным или анаэробным выдерживанием;

- стабилизацией исходной биомассы по содержанию органического вещества.

Применяется автоматическое управление и контроль следующих параметров процесса сбраживания:

- температуры;

- Р_н среды;

- уровня биомассы в реакторе;

- содержанию органического вещества в реакторе;

- давления газовой фазы;

- дозированной загрузки и выгрузки реактора;

- выхода биогаза.

Рассмотрим схему биоэнергетической установки с подводом тепла и перемешиванием сбраживаемого органического вещества (рис.3).

Установка содержит:

- систему подогрева воды, включающую в себя: водонагреватель, питатель, расширитель;

- приёмную ёмкость для свежего навоза, реактор;

- нормализатор биогаза, газгольдер, циркуляционный насос горячей воды.

Внутри реактора расположена циркуляционная труба, обогреваемая горячей водой. В циркуляционной трубе установлена мешалка.

Установка содержит систему регулирования и контроля, включающую в себя:

- терморегулятор;

- блок контроля перемешивания;

- газовый счётчик;

- уровнемеры;

- дифференциальные манометры.

В конструкцию биогазовой установки для фермы крупного рогатого скота на 400 голов (рис. 4) заложена технология трёхстадийного сбраживания навоза, полностью гарантирующая экологическую чистоту процесса, снижение времени обработки отходов до 3-х суток, выход биогаза до 500-600 м³ на 1 т навоза при влажности 10 %. Установка перерабатывает в сутки до 15-20 т навоза. Ежесуточно установка может производить биогаз для производства 3 тыс. кВт·ч электроэнергии.

Рис. 4. Биогазовая установка для фермы КРС на 400 голов.

1. Технологии газификации биомассы

Термохимическая газификация представляет собой процесс частичного окисления углеводородосодержащего сырья, такого, как биомасса, торф и уголь, с получением газообразного энергоносителя. Полученный газ содержит монооксид углерода, водород, метан, небольшое количество углеводородных соединений более высокого порядка, таких, как этан, диоксид углерода, пары воды, азот (при воздушном дутье) и различные примеси – частицы углистого вещества, золы и смолы.

В качестве окислителя могут использоваться воздух, кислород, пар и смеси этих веществ.

Существуют три сравнимые между собой технологии термохимической переработки биомассы:

- прямое сжигание (температура процесса 1500 – 2000 ⁰С);

- газификация 800 – 1300 ⁰С;

- пиролиз 500 - 800 ⁰С.

преимуществом газификации по сравнению с прямым сжиганием при использовании газа в газовых турбинах и двигателях является образование намного меньших объёмов газа, подлежащих очистке. Вследствие этого система очистки может быть более компактной и экономичной. Управлять процессом горения генераторного газа легче, чем процессом горения биомассы.

Возможность использования генераторного газа в камере сгорания газовой турбины парогазотурбинной установки приводит к повышению термодинамического КПД цикла. Кроме того, при газификации биомассы и последующем сжигании генераторного газа эмиссия NO_х значительно меньше, чем при прямом сжигании биомассы, вследствие более низких температур этих процессов.

Эффективное использование вырабатываемого в газогенераторных установках горючего газа возможно в следующих областях:

- сжигание в топке котла, причём, по сравнению с непосредственным использованием твёрдого топлива улучшаются эксплуатационные, регулировочные и экологические характеристики котла;

- использование в качестве непосредственного энергоносителя в различных технологических процессах (сушка, нагрев, варка и т.п.), что позволяет отказаться от пара, как промежуточного энерго- и теплоносителя;

- сжигание в стационарных ДВС или газовых турбинах с выработкой электроэнергии.

По типу слоя сырья и способу подвода окислителя технологии газификации могут быть разделены на следующие группы:

1. Газификация в плотном слое сырья с нисходящим, восходящим или поперечным движением газа.

2. Газификация в кипящем слое.

3. Газификация в потоке.