Состояние и перспективы использования биомассы как возобновляемого источника энергии

Как известно, полученный из отходов животноводства биогаз содержит несколько процентов сероводорода, который оказывает вредное воздействие на окружающую среду при его сжигании. Расчеты показывают экономическую выгодность извлечения сероводорода и переработки его в полезную продукцию. То же можно сказать и относительно углекислого газа, удельный вес которого составляет до 25 %. Извлекая его, можно организовать производство углекислоты, имеющей высокую ценность и используемой в пищевой промышленности, в первую очередь для приготовления сухого льда.

Экологический эффект производства энергии на базе биогаза не ограничивается только получением экологически чистого удобрения. Произведенная энергия замещает энергию, вырабатываемую на тепловых электростанциях и котельных, работающих на природном газе, мазуте и угле. Биогаз, замещая традиционные виды топлива, сокращает объем их использования на существующих электростанциях и котельных и тем самым улучшает экологическую обстановку .

Для утилизации отходов животноводства применяется анаэробная обработка, которая осуществляется в закрытых герметических емкостях (метантанках). Процесс сбраживания навоза осуществляется при температуре от 30 до 60 °C, после которого возможно получение удобрений и биологического газа. Выделение газов зависит от состава навоза и режимов сбраживания. В настоящее время биогазовые установки, перерабатывающие в основном отходы животноводческих ферм, получили наиболее широкое распространение в таких странах, как ФРГ, Франция, Италия, Швейцария, Бельгия, Швеция. В биогазовых установках, используемых для переработки отходов сельскохозяйственного производства, в основном применяется обычная одноступенчатая схема, а на промышленных установках, перерабатывающих стоки -более современные технологии, включающие подготовку массы к сбраживанию и стабилизацию вводимых в реактор микроорганизмов.

В США эксплуатируется ряд крупных биогазовых заводов и животноводческих комплексов с биогазовыми установками, а также строятся новые предприятия аналогичного назначения. Разработан проект биогазового завода для обслуживания трех откормочных комплексов с общим поголовьем 110 тыс. голов крупнорогатого скота (КРС), на которых предполагается ежедневно получать из 500 т навоза 43,2 тыс. м³ очищенного метана теплотворной способностью 9 330 ккал/м³, а также протеиновые кормовые добавки и азотсодержащие органические компоненты.

На откормочном предприятии в штате Калифорния построена установка для переработки навоза на ферме по откорму 30 тыс. голов КРС предварительно экскременты, собранные с откормочной площадки, подаются в смеситель-дозатор, где смешиваются с водой до концентрации примерно 8 %. из смесителя жидкость подается в два метантенка в количестве 756 м³/сут. Для обогрева реакторов установлен теплообменник. вода нагревается путем сжигания биогаза или пропана, или использования солнечного коллектора. солнечный коллектор включает 25 секций размером 0,6*3,6 м с общей площадью 54 м² с зеркальной поверхностью, панели наклонены под углом 45°, чтобы получать максимальную солнечную энергию в зимние месяцы.

Во Франции на крупном свиноводческом комплексе, рассчитанном на одновременное содержание и выращивание 22 тыс. трехнедельных поросят до живой массы 20-22 кг, введен в эксплуатацию комплекс сооружений для анаэробной обработки навозных стоков. Жидкие стоки в объеме 120 м³/сут. из зданий свинарников поступают в заглубленный навозосборник, откуда их наносом подают в метантанк диаметром 16 м, высотой 8 м. после брожения в метантанке и необходимой до-очистки стоков получают условно чистую воду, пригодную для использования в системе оборотного водоснабжения комплекса, в том числе для поения животных. Выработанный биогаз используется двумя двигателями внутреннего сгорания, которые обеспечивают вращение двух генераторов мощностью по 69 Вт, вырабатывающих электроэнергию в количестве 2 500 кВт-ч/сут. Часть ее (1 500 кВт-ч) расходуется на поддержание процесса очистки стоков, а 1 000 кВт-ч используют для нужд комплекса (отопление и вентиляция производственных зданий, а также жилых помещений для обслуживающего персонала и т. п.).

  Подавляющая часть биогазовых установок, действующая в западноевропейских странах, работает в режиме, когда сбраживание осуществляется при температуре 35 °C. Однако в Японии, ФРГ и Швейцарии намечается тенденция к использованию процессов брожения, протекающих при температурах окружающей среды. по мнению западных экспертов, это направление, являясь достаточно экономичным, может получить дальнейшее развитие в ближайшей перспективе. использование процессов для осуществления биоферментации отходов при температуре 50-55 °C («Биосистем», Швеция) редко встречается в сегодняшней практике. Распространению технологии метанового сбраживания препятствует высокая стоимость и сравнительно низкая производительность биоэнергетических установок.

Результаты испытаний установок для производства биогаза из отходов животноводческих комплексов подтвердили требование комплексной оценки их эффективности, так как их использование только для получения биогаза экономически невыгодно в сравнении с другими видами топлива (табл. 1).

Таблица 1

Выработка биогаза и энергетический эквивалент при сбраживании различных сельскохозяйственных культур и бытовых отходов

Основная составляющая эффекта состоит в том, что без дополнительных энергетических затрат можно получить экологически чистое высококачественное органическое удобрение и вследствие этого пропорционально сократить энергоемкое производство минеральных удобрений. Попутное применение биогазовых установок, как уже упоминалось, позволит существенно улучшить экологическую обстановку вблизи крупных ферм и животноводческих комплексов, а также на территориях, куда в настоящее время сбрасываются отходы животноводства, снизить затраты на экологические платежи.

Принципиально новым направлением может быть использование биогазовых установок на канализационных станциях крупных населенных пунктов, дающее возможность на 60-70 % сократить собственные нужды этих станций в энергоносителях.

Оценки свидетельствуют, что годовая потребность в биогазе для обогрева жилого дома составляет около 45 м³ на 1 м² жилой площади, суточное потребление при подогреве воды для 100 голов КРС - 5-6 м3. Потребление биогаза при сушке сена (1 т) влажностью 40 % равно 100 м3, 1 т зерна - 15 м3, для производства 1 кВт-ч электроэнергии -0,6-0,7 м3. Приведенные данные показывают на возможность выбора оптимального количества животных и птиц, а также оборудования для обеспечения комфортных условий труда и быта. Практическое решение этих вопросов требует комплексного учета всех факторов.

Потенциально возможное получение товарного биогаза от всех источников оценивается в 160 тыс. т у. т. в год. В республике насчитывается свыше 6 300 комплексов КРС, свыше 100 свиноводческих комплексов, 48 птицеводческих комплексов, на которых ежегодно можно производить 1,7 млрд. м³ биогаза. Кроме того, как уже упоминалось, существует способ получения биогаза путем переработки твердых бытовых отходов. Если принять срок переработки накопленных в республике отходов - 15 лет, то ежегодная возможная выработка составит 350 млн. м³ биогаза.

Использование в энергетических целях древесного биосырья и отходов сельскохозяйственного производства

В 1995 г. в Европе на долю возобновляемых источников энергии (ВИЭ) приходилось 74,3 млн. тонн нефтяного эквивалента (т н. э., QHP = 41,9 МДж/кг), или около 6 % общего потребления первичных энергоносителей (ОППЭ). Из них на долю биомассы приходилось 44,8 млн. тонн н.э. (60 % общего вклада ВИЭ). Планируется, что к 2010 г. в Европе за счет ВИЭ будет производиться 182 млн. тонн н.э., что соответствует 12 % ОППЭ (табл. 2). При этом доля биомассы возрастет до 135 млн. тонн н.э. (74 % общего вклада ВИЭ).

Таблица 2

Выработка энергии из ВИЭ в странах ЕС

По оценкам, вклад биомассы в комбинированную выработку тепла и электроэнергии (КТЭ) в странах ЕС может достигать 26 млн. тонн н.э., что соответствует общей установленной мощности 20 гвтэ, или 60 гвтт. Для наращивания мощности установок, работающих на биомассе, до указанного уровня требуется 5300 млн. долларов. при этом удельные капитальные затраты в среднем предполагаются 530 долл./кБт.

Древесина является наиболее широко используемым видом биомассы для выработки тепловой и электрической энергии. В странах ЕС количество энергии, полученной из твердой биомассы (в основном древесной), составляет в настоящее время около 3,0 %. Целью энергетической политики стран ЕС является увеличение этого показателя до 5,5 % в 2010 г. На долю древесного сырья приходится около 90 % общего количества энергии, полученной из биомассы в странах ЕС.

В Скандинавских странах (Финляндия, Швеция, Дания), как и в Австрии, Германии (Бавария) и северной Италии, в последние годы значительно возросло количество древесной биомассы, используемой в энергетических целях. В табл. 3 приведены данные об использовании и перспективах древесного топлива в некоторых странах.

Таблица 3

Доля древесной биомассы в некоторых странах

Стратегия сжигания древесной биомассы в странах Европы существенно различается. Австрия концентрирует свои усилия на создании тепловых станций мощностью 0,5-10,0 МБт, использующих в качестве топлива отходы лесопильного производства (кору, стружки, опилки) и древесную щепу. Б Дании, Швеции и Финляндии около 70 % полученной из биомассы тепловой энергии вырабатывается на станциях, остальная - на небольших тепловых станциях. В большинстве случаев станции КТЭ используют в качестве сырья смесь биомассы и традиционных видов топлива, номинальная мощность котла на этих станциях - 10-80 МВт..

Эффективность различного вида биотоплива

В табл. 4 приведены типичные характеристики различных видов биомассы как топлива. Основными химическими элементами, входящими в состав древесной щепы, являются, % (мае.) по сухому веществу: углерод - 50, кислород - около 40, водород - 5-7. Концентрация азота составляет менее 1 %, хлора и серы - менее 0,1, зольность - около 1 %. Низшая теплота сгорания 10,5 МДж/кг при влажности 40 %.

Древесную биомассу как топливо разделяют на несколько групп в соответствии с ее происхождением: специально заготавливаемая в лесу топливная древесина, отходы лесозаготовок, отходы деревообработки, отходы целлюлозно-бумажной промышленности, городская древесина, специально выращиваемые быстрорастущие плантации. Древесная щепа может быть получена из деловой древесины, из деревьев, срубленных при прореживании молодых насаждений и рубках ухода в старых насаждениях, из отходов лесозаготовки (вершинки, сучья, ветви). В группу отходов деревообработки входят древесные отходы, образующиеся при промышленной обработке древесины (обрезки, кора, опилки, стружки и т. п.).

Наиболее широко распространенным отходом целлюлозно-бумажной промышленности является черный щелок, который образуется в процессе щелочной и сернокислотной обработки древесины и содержит около 23 % твердых веществ. При выпаривании черного щелочного раствора содержание твердых веществ возрастает до 45-70 %. Состав твердых веществ раствора: углерод - 42,6 %, кислород - 31,7, натрий - 18,3, водород - 3,6, сера - 3,6, минеральные оксиды - 0,2 %. Теплота сгорания сухого веществ — 15,4 МДж/кг.

Основная часть городской древесины (из парков и т. п.) в европейских странах используется для обогрева индивидуальных жилых домов. Остаток измельчается в щепу и продается как топливо. Качество щепы, полученной из парковой древесины, ниже качества лесной щепы. Кроме того, количество парковой древесины невелико, и она рассредоточена.

Для получения древесного топлива в последнее время начинают использоваться также специально выращиваемые быстрорастущие плантации (ива, тополь, эвкалипт). Например, срезание ивовых деревьев производится через каждые 3-4 г. Через год после срезания наблюдается максимальный прирост растений - 10-11 т/га. Деревца измельчаются в щепу размером от 40 до 200 мм. ивняк как сырье для прямого сжигания отличается от лесной древесной щепы несколько меньшей теплотой сгорания (QB = 18,3 МДж/кг) и большим содержанием Са, К и Р, вследствие чего зольность у ивняка немного больше - 1,4 % (мас.) по сухому веществу.

Таблица 4

Характеристики различных видов биомассы как топлива