Сравнительная характеристика видов топлива

Вид топлива	Теплота сгорания, МДж/кг	% серы	% золы	Углекислый газ, кг/ГДж
Каменный уголь	15 — 25	1—3	10 — 35	60
Двигательное топливо	42,5	0,2	1	78
Мазут	42	1,2	1,5	78
Щепа древесная	10	0	2	0
Гранулы древесные	17,5	0,1	1	0
Гранулы торфяные	10	0	20	70
Гранулы из соломы	14,5	0,2	4	0
Природный газ	35 – 38	0	0	57

В настоящее время в России пока не разработаны стандарты на древесные топливные гранулы, которые бы регламентировали физико-геометрические и химические характеристики готового продукта, однако в Германии такой стандарт уже существует: DIN 51731 “Требования к изделиям, получаемым в результате прессования из натуральной древесины”, подобия которого имеются и в некоторых других европейских странах (Табл.5) [46].

Таблица 5

Нормы качества для древесных топливных гранул

Параметр	Германия DIN 51731	Австрия O-Norm 7135	Германия DIN plus	Швеция SS 187120
Диаметр, мм	4—10	4—10
Длина, мм	< 50	< 5*d	< 5*d	< 5*d
Плотность,	>1,0—1,04	>1,12	>1,12	нет
Влажность, %	< 12	< 10	< 10	< 10
Насыпная масса,	650	650	650	650
Брикетная пыль, %	нет	< 2,3	< 2,3	нет
Зольность, %	< 1,5	< 0,5	< 0,5	< 1,5
Теплота сгорания, мДж/кг	17,5—19,5	18	18	18
Содержание серы, %	0,08	0,04	0,04	0,08
Содержание азота, %	0,3	0,3	0,3	нет
Содержание хлора, %	< 0,03	< 0,02	< 0,02	< 0,03
Мышьяк, мг/кг.	< 0,08	нет	< 0,08	нет
Свинец, мг/кг.	< 10	нет	< 10
Кадмий мг/кг.	< 0,5	нет	< 0,5	нет
Хром, мг/кг.	< 8	нет	< 8	нет
Медь, мг/кг.	< 5	нет	< 5	нет
Ртуть, мг/кг.	< 1,5	нет	< 1,5	нет
Цинк, мг/кг.	< 100	нет	< 100	нет
Связующие материалы, %	нет	< 12	< 2	нет

Пеллетные котлы. Наиболее эффективное сжигание древесных топливных гранул обеспечивается путем использования специальных пеллетных котлов, характеризующихся большими значениями КПД – 85-95%. Несмотря на разные типы, все они имеют высокий уровень автоматизации и обеспечивают поддержание заданной температуры.

Мощность бытовых пеллетных котлов составляет от 15 до 100 кВт, а промышленных - до 1200 кВт. Затраты на приобретение и установку оборудования окупаются в первые 1-2 года [47].

Стоимость пеллет. Отпускная цена на древесные гранулы колеблется в районе €130-220 за тонну. Она зависит от региона, доступности и сезона, как и у других видов топлива, но так как упаковки с пеллетами легко складируются и хранятся, намного выгоднее пользоваться преимуществами сезонного снижения цен и закупать их заранее [48].

Биогаз

Биогаз представляет собой конечный продукт процесса разложения органических веществ в результате жизнедеятельности сложного комплекса микроорганизмов в анаэробных условиях. Его образование можно разделить на четыре взаимосвязанных стадии:

1. Гидролизная фаза, во время протекания которой нерастворимые сложные органические вещества (протеины, жиры и углеводы) распадаются на более простые растворимые составляющие (например, аминокислоты, глюкоза, жировые кислоты);

2. Кислотообразующая фаза с выделением летучих жирных кислот (уксусной, пропионовой, масляной), спиртов, альдегидов, водорода, диоксид углерода, а также таких газов, как аммиак и сероводород;

3. Ацетогенная фаза превращения ЛЖК, аминокислот и спиртов под воздействием ацетогенных бактерий в уксусную кислоту, диссоциирующую на анион ацетата и катион водорода;

4. Метаногенез – стадия образования метана из уксусной кислоты , а также в результате реакции восстановления водородом углекислого газа [49].

Таким образом, в процессе анаэробного сбраживания субстрата выделяется горючая газовая смесь - биогаз, преимущественными компонентами которого являются метан и оксид углерода (IV): 65-70% и 25-30% по объему. Кроме того, в небольших количествах могут присутствовать и другие составляющие: оксид углерода (II), кислород, водород, аммиак, сероводород и различные углеводороды.

В связи с достаточно высоким содержанием метана, биогаз можно рассматривать в качестве топлива, применение 1 которого при КПД 100% эквивалентно экономии 0,714 т.у.т., а полезная теплота сгорания, как правило, не ниже 20 .

Метантенк. Процесс декомпозиции органических веществ с образованием биогаза осуществляется в специальных емкостных сооружениях – метантенках, представляющих собой цилиндрические, прямоугольные, шаро- и яйцеобразные герметические резервуары с подвижным (плавающим) и неподвижным перекрытием.

Наибольшее распространение в отечественной практике получили метантенки из железобетона с коническим днищем и неподвижным сферическим перекрытием (Рис.24).

Рис.24. Метантенк с неподвижным перекрытием: 1 – смотровой люк; 2 – газопровод; 3 – пропеллерная мешалка; 4 – переливная труба; 5 – трубопровод для загрузки субстрата; 6 – инжектор для подогрева метантенка; 7 – трубопровод для выгрузки сброженного субстрата.

Сверху в метантенк по трубопроводу поступает субстрат, который для ускорения процесса брожения подогревают и перемешивают. Подогрев производят обычно путем ввода в камеру перегретого пара или посредством змеевиков, по которым циркулирует горячая вода, а перемешивание – при помощи насосов, эжекторов, забирающих субстрат из нижней части камеры и подающих его в верхнюю гидроэлеваторами совместно с насосами,  или специальных мешалок.

Получающийся в результате биогаз собирается в газовом колпаке, расположенном в верхней части газонепроницаемого перекрытия, откуда по газопроводу отводится для использования; сброженный субстрат удаляется из нижней части метантенка по трубе [50].

Процесс разложения биоматериала можно проводить в двух температурных режимах: мезофильном – при 30-35 и термофильном – при 50-55 .

Новые технологии. В настоящее время существенный прорыв в области биоэнергетики сделали американские исследователи, которым удалось объединить технологии производства биотоплива и очистки воды путем отбора пригодных для этого разновидностей простейших водорослей.

Водоросли, словно мини-заводы, способны вырабатывать липиды (жироподобные вещества), потребляя фосфаты и азотсодержащие вещества. Однако такое под силу не всем видам этих растений и бактерий, и не все производят липиды должного качества, которые пригодны для превращения в топливо. Эрик Лэннан, инженер из Рочестерского технологического института (RIT) совместно с коллегами выявил три рода наиболее подходящих для этих целей одноклеточных водорослей — Scenedesmus, Chlorella и Chlamydomonas. Эти уникальные организмы могут служить поставщиками биотоплива, используя в качестве питательной среды сточные воды.

Опыты, проводимые в лабораторных условиях, показали, что микроорганизмы уже в первые три дня поглотили из сточных вод 99% всего аммиака, 88% нитратов и 99% фосфатов с выделением основы для топлива. Проблема только в том, что для их работы необходим определённый температурный баланс, поскольку при сильной жаре водорослям приходится тратить силы на защиту от солнечных лучей [51].

Экологические аспекты биоэнергетики

Неблагоприятные воздействия биоэнергетики на окружающую среду:

• Выбросы твердых частиц, органических компонентов, биогаза, биоспирта, окиси углерода и других газов;

• Тепловое загрязнение атмосферы;

• Возникновение опасности взрыва биогаза в результате его утечек при хранении и транспортировке;

• Образование большого количества отходов в виде побочных продуктов (промывочные воды, остатки перегонки) при ферментационных процессах по переработке биомассы в этанол, которые являются серьезным источником загрязнения среды, поскольку их вес в несколько раз (до 10) превышает вес этилового спирта;

• Обеднение почвенной органики, истощение и эрозия почв [52].