2146

6.1. Современные технологии конверсии биомассы в топливо

Технология получения твердых, жидких и газообразных топлив из различных видов биомассы развивается по двум направлениям: термохимическому и биотехнологическому.

В свою очередь термохимические технологии включают в себя процессы: прямое сжигание, пиролиз, газификацию, сжижение, быстрый пиролиз, синтез.

К биотехнологическим относятся биогазовые технологии.

Термохимические технологии

Прямое сжигание – древнейший, но наименее выгодный процесс с КПД получения тепловой энергии 15−18 %.

Пиролиз – термическая конверсия сырья без доступа воздуха. Например, пиролиз 1 м3 абсолютно сухой древесины при температуре 450−550 0С позволяет получать 140−180 кг древесного угля, 280−400 кг жидких продуктов – метанола, ацетона, фенолов; 80 кг горючих газов – метана, монооксида углерода, водорода.

Газификация – сжигание биомассы при температуре 900−1500 0С в присутствии воздуха или кислорода и воды с получением синтез-газа, состоящего из смеси монооксида углерода, водорода и стеклообразной массы. Газификация – более прогрессивный и экономичный способ использования биомассы для получения тепловой энергии, чем пиролиз. Синтез-газ имеет высокий КПД тепловой конверсии.

Быстрый пиролиз – биомасса в течение короткого времени подвергается воздействию экстремально высоких температур (700−1400 0С), в результате которого происходит быстрое разложение исходных продуктов и образование новых горючих соединений, включая и газ, содержащий водород, метан, этилен, пропилен. Этому направлению, очевидно, принадлежит будущее.

Россия обладает давними традициями в области энергетического использования растительной биомассы. В работах В.В. Померанцева и его последователей Д.Б. Ахмедова, Ю.А. Рундыгина, С.М. Шестакова и других заложены основы прямого сжигания низкосортных топлив и отходов растительной биомассы. Теоретические и практические вопросы пиролиза и газификации биомассы нашли отражение в трудах В.А. Лямина, А.К. Леонтьева, В.Н. Пиялкина и др. Однако промышленные газогенераторы у нас не сооружались уже более 40 лет, поэтому опыт их проектирования и особенно эксплуатации в значительной степени утрачен. Тем не менее на протяжении последних 10 лет в рамках федеральной научно-технической про-

139

граммы «Топливо и энергия» разрабатывается проект по комплексному решению задач термохимической газификации топлив.

Несмотря на конструктивное многообразие типов генераторов, важной их особенностью является «всеядность». В них может использоваться топливо практически любой сортности. Так, газогенераторы работают на измельченной древесине любых пород и любого качества (с корой, хвоей, подгнившей и др.). Существенную роль играет влажность. Возможно применение топлива влажностью до 45−50 % , но для наиболее эффективной работы и обеспечения максимального срока службы агрегата влажность топлива не должна превышать 35 % . Технически нетрудно подсушивать влажное топливо частью теплоты, вырабатываемой газогенератором.

Газогенераторная тепло- и электростанция (ГГТЭС) может быть выполнена по предлагаемой схеме (рис. 6.1) и изготовлена в нескольких модификациях [20]. Первый вариант предполагает установку ГГТЭС на отдельной платформе или прицепе, второй – размещение энергомодуля, состоящего из газогенераторного модуля (газогенератор, фильтры грубой и тонкой очистки, охладитель), двигателя внутреннего сгорания (ДВС), электрогенератора или камеры сгорания с теплообменником, в кузове грузового автомобиля с высокой проходимостью. В третьем варианте используется ДВС газогенераторного автомобиля, который и вращает ротор электрогенератора.

Рис. 6.1. Схема компоновки оборудования: 1− газогенератор;

троэнергии потребителю

Предлагаемая схема компоновки оборудования позволяет вырабатывать электрическую и тепловую энергии непосредственно на объектах (в поселках, на предприятиях). Горючий газ, получающийся в процессе термохимического превращения древесных отходов, подается в автомобильный ДВС, который, как известно, работает на смеси топлива (бензина или дизельного топлива) с воздухом. Эта смесь воспламеняется, и двигатель совершает полезную работу. Точно такую же горючую смесь можно полу-

140

Биогазовые технологии

Теоретические разработки в области биологического происхождения значительной части месторождений природного газа и современные научные и технические достижения позволили сделать вывод о возможности промышленной биологической переработки (биоконверсии) биомассы в метан в масштабах, близких к нынешнему объему добычи природного газа. Только в результате переработки отходов сельского хозяйства и некоторых отраслей промышленности в биогаз можно дополнительно получать до 10 % производимой в мире энергии.

Биогаз имеет теплоту сгорания от 21 до 36 тыс. кДж/м3 при нормальных условиях в зависимости от содержания в нем углекислого газа. По этому показателю его можно сравнить с керосином, углем, дровами, бутаном, навозными брикетами.

Температура воспламенения биогаза, содержащего 60 % метана, составляет 627 0С. Из каждой тонны органического вещества образуется от 250 до 500−600 м3 биогаза. Выход его и состав зависят от свойств сбраживаемого субстрата (химического состава, механических свойств и др.). Например, из 1 т отходов крупного рогатого скота образуется до 300 м3 биогаза, из 1 т отходов свиноводства – 400, из 1 т соломы – 380−420, картофельной ботвы – 600, травы – 600, твердых бытовых отходов – 200 м3 биогаза.

Биоконверсия отходов – сложный микробиологический процесс, в котором принимает участие несколько взаимодействующих групп бактерий:

•бактерии I группы (гидролитические) гидролизуют углеводы, белки,

липиды и другие компоненты биомассы с образованием Н2 , СО2 , жирных кислот, спиртов и других продуктов сбраживания;

•бактерии II группы (ацетогенные) разлагают некоторые жирные ки-

слоты и нейтральные продукты до ацетата, Н2 , СО2 в условиях полного отсутствия кислорода;

•бактерии III группы (гомоацетатные) синтезируют ацетат из смеси Н2 + СО2 , метанола и других соединений, в том числе углеводородов;

•бактерии IV группы (метанобразующие) синтезируют метан из смеси

Н2 + СО2 , ацетата или углеводородных соединений.

Активность бактерий и соответственно объем метана, получаемого в результате ферментации, зависят от многих факторов: температуры, кислотности среды, соотношения между углеродом и азотом (С/N), наличия

летучих кислот, питательных веществ и токсичности материалов. Процесс биоконверсии протекает при температурах от 10 до 55 0С в трех четко оп-

ределенных диапазонах: 10−25 0С – психрофильное, 25−40 0С − мезофильное; 52−55 0С – термофильное.

142

Таблица 6.1

Состав и выход основных отходов сельскохозяйственного производства и коммунально-бытового хозяйства [20]

Примечание. Состав всех отходов выражен в процентах к сухому веществу, выход отходов животноводства – в килограммах (исходной влажности на голову) в сутки, отходы полеводства – в килограммах сухого вещества отходов на 1 кг продукции, отходов коммунально-бытового хозяйства – в килограммах на человека в сутки.

143

Чем выше температура, тем быстрее идет процесс ферментации, больше выделяется газа, меньше остается бактериальных и вирусных болезнетворных организмов. Влажность составляет от 8 до 99 %, оптимальная –

92−93 %.

Количество биогаза, выделяющегося из отходов, зависит в первую очередь от состава сырья. Последний же определяется как первоначальным химическим составом отходов, так и последующими его изменениями. Технология сбора, продолжительность хранения, попадание в отходы инородных материалов, потери азота при хранении [при этом изменяется соотношение (С/N)] – все это также влияет на состав сырья.

В табл. 6.1 приведены состав и выход основных отходов сельскохозяйственного производства и коммунально-бытового хозяйства. В табл. 6.2 показана зависимость выхода биогаза биоэнергетической установки (БЭУ) для различных животноводческих комплексов от продолжительности процесса биоконверсии.

Таблица 6.2

Зависимость выхода биогаза для различных животноводческих комплексов от продолжительности процесса биоконверсии [20]

Примечание. * − при ферментации отходов птицеводства в течение 5 сут весь биогаз идет на покрытие собственных нужд биогазовых энергетических установок;

** − выход биогаза указан в пересчете на условное топливо.

Биогаз, получаемый при биоконверсии отходов, содержит от 55 до 70 % метана (СН4), остальное – двуокись углерода (СО2). Присутствие СО2 снижает теплоту сгорания биогаза и увеличивает объем газа, подлежащего обработке и хранению.

144

Другой продукт биоконверсии – остаток (шлам) – обеззараженное высокоэффективное удобрение, по свойствам приближающееся к минеральному удобрению типа нитрофоски. При этом 1 т сухого остатка эквивалентна (по содержанию питательных веществ) 3−4 т нитрофоски.

Экспериментально доказано, что органические удобрения, получаемые в результате анаэробной ферментации отходов, значительно лучше, чем полученные обычным методом компостирования. Это обусловлено тем, что при ферментации аммиак выделяется из азотистых соединений и вместе с соединениями фосфора и калия, имеющимися в субстракте и образующимися в процессе разложения, преобразует остаток в богатое питательными веществами органическое удобрение. Весьма вероятно также, что при сбраживании фосфор переходит в форму, лучше усваиваемую растениями, и образуются небольшие количества активных веществ, которые благоприятно влияют на их рост.

Исключительно важна анаэробная ферментация с точки зрения санитарии. Как известно, отходы сельскохозяйственного производства зачастую являются источником распространения различных эпидемий у животных. В первую очередь это относится к отходам животноводства. Многолетние исследования показали, что наиболее эффективный метод обеззараживания этих отходов – именно анаэробная ферментация, при которой уничтожаются яйца гельминтов, вредная микрофлора и семена сорняков. Особенно эффективное обеззараживание достигается при температурах выше 50 0С.

Биомассу и отходы, содержащие более 85 % влаги, относят к жидкому типу сырья, и для его переработки в биогаз применяют технологии жидкофазной ферментации. Биомассу и отходы с влажностью менее 85 % относят к твердому типу сырья, для конверсии которого в биогаз разрабатывают технологии твердофазной ферментации.

Скорость образования биогаза при термофильном режиме (t = = 52−56 0С) в 2−3 раза выше, чем при мезофильном (t = 30−40 0С), что позволяет сократить продолжительность удерживания субстрата в реакторе и повысить скорость загрузки сырья. Все это способствует уменьшению капитальных и эксплуатационных затрат. Среднее время удерживания субстрата при мезофильном режиме составляет 15−80 суток, при термофильном − 5−10 суток.

Скорость процесса является основным показателем технологии получения биогаза, и ее повышение – главная задача научных исследований и разработок. На рис. 6.1 представлена принципиальная схема биогазовой установки для жидкофазной метангенерации.

Она отражает наиболее распространенную технологию непрерывного процесса с реактором вертикального полного замещения. При такой тех-

145

нологии с использованием рециркуляции минимальное время удерживания субстрата в реакторе может составить 17−20 часов. Подобные технологии применяются в городах на станциях аэрации для обработки осадков городских сточных вод.

6

Рис. 6.1. Принципиальная технологическая схема получения биогаза: 1 – сборник для хранения и подготовки сырья; 2 – теплообменник для подогрева или охлаждения сырья; 3 – метантенк-реактор; 4 – газгольдер; 5 – шлам после сбраживания; 6 −биогаз

Для обработки низкоконцентрированных отходов с содержанием 0,5−1,5 % сухих веществ или при использовании отходов, содержащих более 15−20 % сухих веществ, необходимо применять реакторы следующих типов (рис. 6.2): анаэробный контактный реактор с отстойником и рециркуляцией биомассы (а), реактор с неподвижным слоем ила и поступлением сырья снизу, или реактор с восходящим слоем – схема Леттинги (б), анаэробный фильтр, или затопленный фильтр Мак Карта (в), реактор с псевдоожиженным и увеличенным слоем ила (г), реактор с неподвижно закрепленной падающей пленкой (д). На рис. 6.2, е приведена схема реактора непрерывного действия для твердофазной ферментации.

Однако пока биогазовые технологии мало разработаны, несовершенны, поэтому и не находят широкого применения. О.А. Сорокиным [20] реализован более совершенный процесс переработки биотехнологических отходов. Принципиальная схема такой биоэнергетической установки представлена на рис. 6.3. Органические отходы с исходной влажностью поступают из источника отходов 1 в приемный резервуар 2. Сюда же подается горячая вода для разбавления и добавляются отходы полеводства с целью создания

146

нужного соотношения С/N. Одновременно происходит первичный подогрев жидкими шламовыми остатками, поступающими из метантенка 4.

Газ Газ

Газ

Газ

Газ

Газ

Рециркуляция

Рис. 6.2. Разновидности применяемых в промышленности биореакторов-метантенков

Из приемного резервуара субстрат подается в подогреватель 3, в котором нагревается до оптимальной температуры, необходимой для газообразования, и далее направляется в метантенк 4, где собственно происходит газообразование. Образовавшийся биогаз подается в местную котельную 5 малой или средней мощности. Биогаз может также направляться в устройство очистки 6 и затем в газгольдер 8 (подача осуществляется компрессором 7). Поскольку жидкий шлам выходит из метантека с остаточной теп-

147

лотой, ее целесообразно использовать для предварительного подогрева субстрата и холодной воды в приемном резервуаре 2 и подогревателе 10. В установке применяется закрытый водяной контур с отстойником 11, движение воды в нем обеспечивается насосом 9.

На горячее водоснабжение

9

Рис. 6.3. Технологическая схема биоэнергетической установки

Предлагаемая биоэнергетическая установка может быть использована для переработки биологических отходов крупных ферм и птицефабрик вместо очистных сооружений.

Преимущества схемы:

•техническая реализация данного процесса относительно проста; работа биогазовой установки может быть практически полностью автоматизирована, что делает ее простой и дешевой в эксплуатации;

•сырьем для производства биогаза является легкодоступная и постоянно возобновляемая биомасса;

•при получении биогаза около 90 % органических веществ отходов переходит в газ и воду, что обуславливает снижение их концентрации;

•при создаваемых в установке температурных условиях происходит полное обеззараживание утилизируемых отходов (погибают яйца гельминтов, патогенная микрофлора, семена сорняков);

•при анаэробной деструкции органических веществ минерализуются азот, фосфор, калий, т.е. реализуется один из путей производства эффек-

148