Анализ способов получения энергии из растительной биомассы Текст научной статьи по специальности «Промышленные биотехнологии»

Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства.

3. Высокий эффект в опыте 2 получен при подкормке в течение всей вегетации растений (с 7 до 21 листа), выход сухого вещества составил 140,5 г/м2.

4. Подкормка растений салата СО2 ускоряет созревание на 15 дней.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Литвинов С.С. Овощеводство России: состояние и перспективы развития //Картофель и овощи. - 2006.- № 2. - С. 4.

2. Сертификация и овощи //Мир теплиц. - М.: Альт-консул. -2006.- № 6. - С. 15.

Получено 18.06.2007.

УДК 662.63 Д.Г. ИВАНОВ

АНАЛИЗ СПОСОБОВ ПОЛУЧЕНИЯ ЭНЕРГИИ ИЗ РАСТИТЕЛЬНОЙ БИОМАССЫ

Создан перечень известных технологий получения энергии из растительной биомассы. На основе проведенного анализа энергоэффективности выбрано наиболее перспективное направление генерирования энергии из растительной биомассы.

Если сравнивать биомассу животного и растительного происхождения с точки зрения получения энергии, то наиболее эффективно применение растительной биомассы.

Растительная биомасса является первичным источником энергии на Земле. Она образуется при фотосинтезе из диоксида углерода и воды с выделением кислорода. При образовании 1 кг сухой биомассы поглощается около 1,83 кг углекислого газа и столько же выделяется при ее разложении (окислении, горении). В результате содержание углекислого газа в атмосфере остается неизменным. Кроме того, растительная биомасса как топливо имеет ряд достоинств. Использование биомассы для получения энергии более экологически безопасно, чем,

56

ISSN 0131-5226. Сборник научных трудов.

ГНУ СЗНИИМЭСХРоссельхозакадемии. 2007. Вып. 79.

например, угля из-за низкого содержания серы (при сжигании биомассы выделяется менее 0,2% серы и от 3 до 5% золы в сравнении с 2-3% и 10-15% соответственно для угля).

Растительная биомасса может конвертироваться в технически удобные виды топлива или энергию несколькими путями:

• Получение моторного топлива из растительных углеводородов (растительного масла, жирных высокомолекулярных кислот и их эфиров, предельных и непредельных углеводородов и т.д.).

• Термохимическое преобразование растительной биомассы при высоких температурах (прямое сжигание для производства тепла, пиролиз, газификация).

• Биотехнологическая конверсия растительной биомассы (анаэробное сбраживание).

Основываясь на указанных выше направлениях преобразования растительной биомассы, можно создать перечень известных технологий получения энергии и топлива из растительной биомассы (технологии расставлены в классификации с точки зрения энергоэффективности (от лучшей к худшей сверху вниз), то есть получения дополнительной энергии с учетом энергозатрат производственного процесса).

1. Технология получения биодизельного топлива на основе рапсового масла.

2. Технология получения биоэтанола.

3. Технология получения генераторного газа путем газификации древесины или соломы.

4. Технология получения различного топлива путем пиролиза древесины или соломы.

5. Технология сжигания растительных отходов и отходов лесной промышленности в специализированных котлах.

6. Технология получения биогаза путем анаэробного сбраживания растительных отходов (солома, ботва, силосная масса и другие) в метантенках.

7. Технология получения биометанола.

8. Создание и использование энергетических плантаций.

9. Пеллетирование, гранулирование и брикетирование отходов растительной биомассы с целью улучшения теплотворных и других свойств топливного материала перед сжиганием.

57

Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства.

Технологии пеллетирования, гранулирования и брикетирования растительной биомассы, а также создание энергетических плантаций, являются подготовительными, то есть создают или подготавливают органическое сырье к последующему использованию.

В настоящее время в мире наибольшее распространение получили два способа получения моторного топлива: производство биодизельного топлива (БДТ) и биоэтанола.

Биодизельное топливо представляет собой сложный метиловый эфир масляных кислот с качеством дизельного топлива, производимый на основе масел растительного происхождения. Технология производства биодизельного топлива несложная: в очищенное от механических примесей рапсовое масло добавляют метиловый спирт и щелочь, смесь подогревают до 50°С, после отстоя и охлаждения смесь разделяется на 2 фракции: легкая фракция - метиловый эфир рапсового масла или биодизель, тяжелая - глицерин.

Производство биоэтанола - жидкого спиртового топлива, основано на активной ферментации сахарной патоки при помощи дрожжей. Сельскохозяйственные культуры, используемые для получения сахара, - сахарный тростник, сахарная свекла, кукуруза, просо (сорго), пшеница, рис и др. Для России наиболее оптимальными культурами выращивания являются пшеница и кукуруза. Технология производства этанола из растительной биомассы состоит из двух основных этапов: производство сахарной патоки и непрерывная переработка патоки в биоэтанол. Биоэтанол используют в качестве топлива в чистом виде или смешивают с бензином. При сгорании биоэтанола в атмосферу выделяется в 10 раз меньше углекислого газа, чем при сгорании бензина.

В газификаторах, использующих кислород вместо воздуха, можно получать газ, состоящий преимущественно из H2, CO и CO2. Представляет интерес то обстоятельство, что после удаления СО2 можно получить так называемый синтез-газ, из которого в свою очередь можно синтезировать практически любое углеводородное сырье. В частности, при взаимодействии Н2 и СО получается чистый метан. Другим возможным продуктом является метанол - жидкий углеводород с теплотворной способностью 19,5 МДж/кг. Производство метанола требует организации сложного химического процесса с высокими температурами и давлением, а также дорогостоящего оборудования. Несмотря на это, интерес к производству метанола объясняется тем,

58

ISSN 0131-5226. Сборник научных трудов.

ГНУ СЗНИИМЭСХРоссельхозакадемии. 2007. Вып. 79.

что он представляет собой ценный продукт - жидкое топливо, способное непосредственно заменить бензин. В настоящее время производство метанола с использованием синтез-газа не является коммерческим.

Технология прямого сжигания представляет собой наиболее очевидный способ извлечения энергии из растительной биомассы. Она проста, хорошо изучена и коммерчески доступна. Существует множество типов и размеров систем прямого сжигания, в которых можно сжигать различные виды топлива: соломенные тюки, древесные отходы и другие.

Наиболее часто при сжигании растительной биомассы используется древесина. В развитых странах замена угольных или мазутных котлов централизованного теплоснабжения на котлы для сжигания древесины снижает затраты потребителей тепла на 20-60%, поскольку стоимость древесины ниже стоимости угля и мазута. В то же время, древесные котлы более экологичны.

Солома имеет близкую к древесине теплотворную способность и может быть использована в качестве топлива для энергетических котлов (табл. 1).

Таблица 1

Теплотворная способность биотоплива [2]

Вид топлива Влажность, % Теплотворная способность, МДж/кг

Дуб 20 14,1

Сосна 20 13,8

Солома 15 14,3

Зерно 15 14,2

Антрацит 4 30-35

Бурый уголь 20 10-20

Биогаз из навоза - 22

Природный газ - 31,7

Древесный газ - 5

Навоз - 18

Биометанол - 19,5

Однако существует ряд трудностей, препятствующих сжиганию соломы в котлах: большой удельный объем топлива, т. е. объем вещества, нужный для получения единицы энергии (для соломы

59

Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства.

1000 дм/ГДж); около 70% сгораемых компонентов соломы содержатся в летучих газах; наличие коррозийных соединений (соединения хлора), а также щелочных металлов, которые могут образовывать наросты на стенках оборудования. Возможен также вариант совместного сжигания, например, древесины и соломы в определенной пропорции, подстилочного навоза и соломы и т.д.

Изготовление пеллетов, брикетов и топливных гранул - хорошая альтернатива прямому использованию соломы и древесных отходов в виде топлива. Пеллеты, брикеты и гранулы выделяют больше тепла, чем солома, опилки и щепа в чистом виде, увеличивая коэффициент полезного действия котельных, не требуют больших складских площадей и при хранении не самовоспламеняются. Например, при сжигании 1 т древесных гранул выделяется столько же энергии, сколько при сжигании 1,6 т древесины, 480 м3 газа, 500 л дизельного топлива или 700 л мазута. При этом, древесные гранулы намного экологичнее традиционного топлива: в 10-50 раз ниже эмиссия углекислого газа в воздушное пространство, в 15-20 раз меньше образование золы, чем при сжигании угля.

Газификация (газогенерация) - это термохимический процесс, в результате которого образуется горючий газ, пригодный для использования в энергетических целях. В процессе газификации древесины образуется горючий газ, представляющий собой смесь водорода, угарного газа (монооксида углерода), метана и некоторых негорючих сопутствующих компонентов. Получение газа достигается частичным сжиганием и нагревом биомассы в присутствии древесного угля при полном отсутствии или неполном доступе кислорода, а также методом сухой возгонки. Газ может использоваться вместо бензина. При этом мощность автомобильного двигателя (ДВС) снижается на 40%. Возможно, что в будущем при должном развитии и усовершенствовании технологии получения этот вид топлива станет основным источником энергии для электростанций.

Пиролиз представляет собой простейший способ преобразования одного вида топлива в другой с лучшими показателями. Разные виды высокоэнергетического топлива могут быть получены с помощью нагрева сухой древесины и даже соломы. Этот процесс использовался в течение столетий для получения древесного угля. Традиционный пиролиз древесины заключается в нагреве исходного материала (который часто превращается в порошок или измельчается перед по-

60

ISSN 0131-5226. Сборник научных трудов.

ГНУ СЗНИИМЭСХРоссельхозакадемии. 2007. Вып. 79.

мещением в реактор) в условиях почти полного отсутствия воздуха, обычно до температуры 300-500°C до полного удаления летучей фракции. Остаток, известный под названием древесный уголь, имеет двойную энергетическую плотность по сравнению с исходным материалом и сгорает при значительно более высоких температурах. В зависимости от влажности и эффективности процесса для производства 1 т древесного угля требуется 4-10 т древесины.

Производство биогаза базируется на анаэробном сбраживании сельскохозяйственных отходов в закрытых сооружениях (метантен-ках). Наиболее распространено метановое сбраживание жидкого и полужидкого навоза. Но растительная биомасса обладает гораздо большим энергетическим потенциалом (табл. 2).

Таблица 2

Количество биогаза, получаемого при анаэробном сбраживании различного исходного субстрата [4]

Вид исходного субстрата Показатели

содержание сухого вещества, % выход биогаза, м3/т

Навоз крупного рогатого скота 8 22

Свиной навоз 6 25

Птичий помет (твердый) 22 76

Измельченная солома (ячмень) 86 300

Силосная масса (трава) 40 200

Силосная масса (кукуруза) 35 208

Кукурузная зерностержневая смесь (содержание клетчатки 5%) 65 414

Солома (пшеница) 86 280

Трава (луговая) 18 95

Если анаэробное сбраживание навоза и помета в условиях Северо-Западной зоны с точки зрения получения энергии нецелесообразно, то сбраживание определенных видов растительной биомассы может стать энергоэффективным решением. Специалисты считают, что эффективным и рентабельным является метановое сбраживание субстрата, состоящего из навоза и растительной добавки (солома, ботва).

В условиях широкого использования растительной биомассы для производства энергии все большее распространение получают так

61

Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства.

называемые энергетические плантации. Биомасса может специально выращиваться на энергетических плантациях в виде деревьев или других видов растений, например, травы (сорго, рапс, сахарный тростник). Основным преимуществом энергетических культур является короткий период выращивания - обычно от трех до восьми лет. Для некоторых видов трав урожай может собираться каждые 6-12 месяцев. В мире используется около 100 миллионов гектаров земли для плантаций древесных культур.

Важными параметрами при выборе видов растений для выращивания на энергетических плантациях являются: наличие вида на местном рынке, простота разведения, устойчивость развития в неблагоприятных условиях и продуктивность, выраженная в производстве сухой биомассы на гектар в год (т/га/год). Продуктивность - это наиболее важный фактор при решении вопроса о выращивании биомассы с целью оптимизировать ее производство на определенной территории в определенный период времени с наименьшими затратами. По этой причине высокопроизводительные виды биомассы предпочтительны для производства энергии (табл. 3). Количество энергии, которое можно получить с энергетической плантации при урожайности 15 т сухой биомассы с гектара в год (теплотворная способность 15 МДж/кг), составляет 225 ГДж/га.

Таблица 3

Возможные размеры получения энергии с 1 га земли (по данным Р. Вильямса из университета г. Принстон) [3]

Энергетическая культура (топливо) Получение энергии с 1 га (ГДж)

Рапс 50

Пшеница 70

Сахарная свекла 135

Сахарный тростник 105

Биоэтанол, полученный путем газификации древесины 160

Водород, полученный путем газификации древесины 205

62

ISSN 0131-5226. Сборник научных трудов.

ГНУ СЗНИИМЭСХРоссельхозакадемии. 2007. Вып. 79.

Для создания плантаций энергетических лесов в умеренной климатической зоне наиболее перспективны разновидности быстрорастущих сортов тополя (волосистоплодного и канадского) и ивы (корзиночной и козьей), а в южной части страны - акации и эвкалипта.

Подводя итог, можно выделить наиболее перспективное направление генерирования энергии из биомассы - это получение моторного топлива (биодизельное топливо, биоэтанол, биометанол и др.). Это заключение основывается на следующих факторах:

• существенный рост объемов производства моторного биотоплива в мире за последние годы;

• улучшение экологической ситуации при использовании моторного биотоплива по сравнению с традиционным топливом на основе нефти;

• возможность производства моторного биотоплива в больших объемах за счет создания энергетических плантаций.

Перевод двигателей на биомоторное топливо позволит частично решить основные мировые энергетические проблемы, касающиеся моторного топлива: недостаток моторного топлива, создать конкуренцию нефтепродуктам на рынке моторных топлив, уменьшить выбросы загрязняющих веществ, особенно «парниковых» газов.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Федоренко В.Ф., Буклагин Д.С., Бунин М.С. Состояние и развитие производства биотоплива. - М.: Росинформагротех, 2007.

2. http://www.ecomuseum.kz. Курс обучения DIERET - Энергия биомассы.

3. Рустамов Н.А., Зайцев С.И., Чернова Н.И. Биомасса - источник энергии // Энергия. - 2005. - №6.

4. Митин С.Г. и др. Биоэнергетика: мировой опыт и прогноз развития. Научный аналитический обзор. - М.: МСХРФ, 2007.

5. Антифеев В.Н. Альтернативное топливо для России: желаемое и возможное // Мировая энергетика. - 2005. - №3.

Получено 25.06.2007.

63