Технологии 21 века

Энергия биомассы

О чем прежде всего стоит предупредить при эксплуатировании биогазовых установок? Как и при работе с газовыми баллонами или дизельным топливом, нужны аккуратность и простая осторожность.

Понятие «биомасса» охватывает широкий круг остатков и отходов, таких, как навоз, отходы мясокомбинатов, гниющие овощи, а также различные бытовые и промышленные отходы. Это незаменимый источник энергии для сельскохозяйственных районов: зимой это может быть животноводство, особенно когда животные находятся на стойловом содержании, летом — отходы растениеводства.

Существует три типа систем по превращению биомассы в энергию: с применением прямого сжигания для производства тепла или электричества; с получением молекул, более богатых высокоэнергетическими элементами (углерод и водород); с использованием животных и домашнего скота. Органические отходы содержат энергию, которую можно получить физическим, химическим или микробиологическим способом. Физическим способом энергию получают путем сжигания отстоя сточных вод, мусора и навоза. Это наиболее простой и обычно самый дешевый способ преобразования биомассы в энергию.

Самый распространенный способ — микробиологическое безотходное производство. Это получение биогаза, технология которого может включать и простые резервуары при небольших фермах и герметические автоклавы среднего уровня сложности. Принцип производства метана, или биогаза: органические остатки в закрытых системах разлагаются метаногенными бактериями. Полученный метан и используется в биореакторах. Ценным побочным продуктом такого производства являются удобрения. В ряде стран используются установки по производству биогаза, и функционирует несколько комплексных систем. Биогазом можно отапливать теплицы, бассейны, сауны, спортивные сооружения, его можно подавать к специальным колонкам для заправки автомобилей.

В качестве примера можно привести шахтный генератор.

Он служит для получения горючего газа из древесных отходов, щепы, брикетов торфа и бурого угля, различных биомасс, а также из смесей всех этих видов топлива. Газогенератор представляет собой шахтную печь. В нее сверху подается топливо, которое под действием своего веса опускается. А снизу, ему навстречу, вдувается воздух через вращающуюся решетку. Топливо, встречаясь с горячим газом, нагревается, высыхает и отдает ему влагу. Температура в этой зоне, в зависимости от влажности топлива (а она может достигать 50%) бывает 200—400°С. Продолжая опускаться, топливо нагревается еще больше: до 400—800°С, происходит пиролиз — от топлива отделяются летучие вещества, оно коксуется. В газообразное состояние переходят не только легкие фракции углеводородов, среди которых основная — это метан, но и тяжелые, образующие древесную смолу.

В следующей температурной зоне (800—1200°С), а это и есть, собственно, зона газификации, закоксовавшееся топливо вступает в реакцию с кислородом, содержащимся в свежем вдуваемом воздухе. В результате окисления (горения) образуются двуокись углерода СО₂ и водяной пар. Но так как кислорода недостаточно, чтобы сгорел весь углерод, то при температуре выше 900°С продукты окисления продолжают взаимодействовать с несгоревшим углеродом. Процесс газификации завершается образованием окиси углерода (СО) и водорода, которые вместе с газообразными углеводородами, дегтем и являются горючими компонентами генераторного газа. Влажность автоматически регулируется в подаваемом в генератор воздухе и тем самым поддерживается температура в заданных пределах.

Эффективное производство газа из биомассы — лишь одна часть проблемы использования ее в качестве топлива. Другая часть связана со сжиганием такого газа. Где бы он в дальнейшем ни применялся, надо обеспечить полное его сгорание. Это важно не только из соображений экономичности работы. Должны строго выполняться и требования по охране окружающей среды.

Существующие горелки для этого не годились, так как они не были рассчитаны на сжигание газа, содержащего деготь. Была создана специальная горелка, в которой воздух смешивается с газом точно в той пропорции, которая обеспечивает полноту его сгорания.

В дымовых газах нет серы, а твердых веществ содержится не более 250 мг/м³, то есть меньше допускаемого любыми нормами. Благодаря этому не загрязняется окружающая среда. Станции не нужен фильтр очистки дымовых газов, без которого достичь столь малого количества пыли в дыме не удается ни при каком другом способе сжигания.

Такой генератор может работать без присутствия эксплуатационного персонала — в автоматическом режиме. Все параметры, от которых зависят режим работы и надежность, регулируются с помощью микропроцессорной техники.

Конструкция генератора и горелки такова, что позволяет, если необходимо, снизить мощность до 10% от номинальной. Более того, можно даже приостановить работу станции, а затем довольно быстро запустить ее. А сжигание топлива, обычно применяемого (например, дизельное), дает возможность повышать мощность на 40%. Такой широкий диапазон регулировки обеспечивает оптимальное использование мощности в течение года.

Горючий газ, полученный из навозных стоков газа, имеет высокое содержание метана. Процесс сбраживания обычно ведется в герметичных условиях, без доступа воздуха.

Средняя биогазовая станция, использующая для получения биогаза отходы крупного животноводческого комплекса обычно имеет следующую конструкцию. Навоз перегнивает в восьми ферментерах, каждый из которых за месяц дает около 2500 кубометров газа. Энергия газа, состоящего главным образом из метана, может идти на нагревание воды для прилежащих ферм и зданий.

При температуре 65-70°С нагревается 12 тысяч литров воды, на это уйдет около 400 м³ газа. Зимой на отопление зданий уходит еще 150 м³. На газе может работать движок, потребляющий для выработки 1 кВт•час — 1,14 м³ газа. После гниения навоз превращается в почти лишенное запаха и свободное от болезнетворных организмов сухое удобрение.