Биомасса и биогазовые установки (тема № 2)

1.

ТЕМА №2
БИОМАССА И БИОГАЗОВЫЕ УСТАНОВКИ
1.1 Биомасса и виды топлива из биомассы
Биомасса – термин, объединяющий все органические вещества
растительного и животного происхождения.
Биомасса делится на:
- первичную (растения, животные, микроорганизмы);
- вторичную (отходы переработки первичной биомассы, продукты
жизнедеятельности человека и животных).
Биомасса является сырьём для получения биотоплива.
Различают биотопливо:
- жидкое (этанол, метанол, эфиры, биодизель и биомазут);
- твёрдое (дрова, брикеты, топливные гранулы, щепа, слома,
лузга);
- газообразное (синтез-газ, биогаз, водород).
1

2.

Растительную биомассу разделяют на 3 поколения.
- 1-е поколение: традиционные сельскохозяйственные культуры
с высоким содержанием жиров, крахмала, сахаров – получают этанол
и биодизель;
- 2-е поколение: непищевые остатки культивируемых растений,
травы и древесина – напрямую сжигают, получают горючие газы
посредством газификации или пиролиза;
- 3-е поколение: водоросли.
Факторы, стимулирующие использование биомассы:
- высокий энергетический и экономический потенциал при
использовании биомассы как топлива (позволяет покрыть до четверти
мировой энергетической потребности);
- возобновляемость биомассы;
- сохранение природных ископаемых ресурсов;
- в значительной степени решается проблема выбросов в
атмосферу CO2;
- повышение экологической безопасности за счёт снижения
2
выбросов в атмосферу вредных веществ и утилизации отходов.

3.

1.2 Способы использования биомассы
В зависимости от свойств биомассы применяются следующие
основные технологии её энергетического использования:
- термохимические технологии для сухой биомассы (прямое
сжигание, газификация, пиролиз);
- биохимические технологии для влажной биомассы с
получением биогаза или жидкого биотоплива (анаэробное разложение
органики, процессы брожения).
Термохимические технологии
Прямое сжигание
Горение – сложный физико-химический процесс превращения
исходных веществ в продукты сгорания в ходе экзотермических
реакций в присутствии окислителя, сопровождающийся интенсивным
выделением тепла и света.
3

4.

Преимущества сжигания древесины по
ископаемыми топливами:
- возобновляемость;
- низкое содержание серы в выбросах;
- сохранение углеродного баланса в природе.
сравнению
с
4

5.

Диаграмма горения топлива и выделения тепла
Процесс сгорания должен обеспечивать высокую степень
использования энергии и, следовательно, полное сгорание древесины,
и не должен вызывать образования нежелательных в экологическом
отношении соединений.
5

6.

Выбросы, образующиеся при неполном сгорании, могут быть
вызваны:
- неправильным смешением воздуха и топлива в топливной
камере;
- недостаточным количеством кислорода;
- низкой температурой горения;
- недостаточным временем горения.
Основные виды древесного топлива в зависимости от
подготовки перед сжиганием:
- гранулированная древесина (пеллеты, брикеты);
- твёрдая древесная щепа;
- твёрдая древесная щепа, подвергнутая предварительной
сушке;
- мягкая древесная щепа;
- мягкая древесная щепа, подвергнутая предварительной
сушке;
- кора;
6
- опилки.

7.

Основные технологии прямого сжигания сухой биомассы:
- сжигание в неподвижном слое (неподвижный топливный
материал подсушивается, газифицируется и обугливается с
выделением горючих газов, которые сгорают в отдельной камере);
- сжигание в псевдоожиженном слое (сгорание происходит в
самоперемешивающейся взвеси топливного материала и горючего
газа);
- пылевое сжигание (применяется для топлива из мелких
частиц менее 2 мм).
Газификация
Термохимическая газификация – процесс частичного
окисления углеродсодержащего сырья, такого как биомасса, торф или
уголь, с получением генераторного газа.
В качестве окислителя при газификации могут использоваться
воздух (чаще всего), кислород, пар или смеси этих веществ.
Максимальная температура процесса составляет 800-1300 °С.
7

8.

Полученный газ состоит из моноксида углерода (CO), водорода,
метана,
диоксида
углерода
(CO2),
небольшого
количества
углеводородных соединений более высокого порядка, таких как метан и
этан, содержит пары воды, азот и различные примеси (смолы, частицы
углистого вещества и золы).
Разновидность генераторного газа – синтез-газ – представляет
собой смесь CO и водорода и получается путём плазменной газификации
древесных отходов водяным паром.
Основные технологии газификации:
- в плотном слое (высокое содержание смол в газе);
- в кипящем слое (среднее содержание смол);
- в потоке (низкое содержание смол).
Пиролиз
Пиролиз представляет собой процесс термического разложения
органических соединений без доступа кислорода и происходит при
относительно низких температурах (500-800 °С) по сравнению с
8
процессами газификации (800-1300 °С) и горения (900-2000 °С).

9.

Продуктами пиролиза биомассы являются:
- жидкообразные продукты, называемые пиротопливом,
биотопливом или смолами (густая чёрная смолянистая жидкость);
- твёрдое углистое вещество;
- газообразные продукты с высоким содержанием метана;
- химические продукты (до нескольких сотен химических
соединений).
Сырьём для пиролиза может являться:
- древесина и древесные отходы;
- лигнин, целлюлоза, отходы сельского хозяйства;
- сырая нефть и тяжелые продукты перегонки нефти (мазуты,
асфальт, битум);
- изношенные автомобильные шины, бумажные отходы;
- отстой сточных вод.
9

10.

10

11.

Биохимические технологии
Основной продукт биохимических технологий использования
биомассы – биогаз.
Биогаз (биометан) – это энергоноситель с энергией
химического соединения, главным компонентом которого является
метан (CH4). Он образуется в результате анаэробного (в отсутствие
кислорода) микробного разложения органического компонента.
Разновидность биогаза – биоводород.
11

12.

Основным сырьём для получения биогаза является навоз
(биомасса высокой степени влажности до 85%-95%).
Биохимический процесс, в результате которого из навоза
получают биогаз, называется анаэробным сбраживанием.
12

13.

Пути применения биогаза:
- производство тепловой энергии (сжигание газа);
- комбинированное производство электрической и тепловой
энергии (тепловая энергия – побочный продукт);
- применение в топливных элементах;
- использование в качестве топлива в газовых микротурбинах;
- подключение биогаза к государственной сети природного газа
после качественной очистки;
- использование в качестве горючего топлива для ДВС с
принудительным зажиганием;
- получение CO2 (углекислого газа).
13

14.

Для получения биогаза применяются биогазовые установки.
По принципу применения газа их можно разделить на 3
группы:
- для производства тепловой энергии (сжигание в котле);
- для производства тепла и электроэнергии (сжигание в
блочных
мини-ТЭЦ,
когенерационных
и
тригенерационных
установках);
- для производства биометана.
По используемому сырью биогазовые установки можно
разделить на 3 группы:
- с/х биогазовые установки, которые используют зеленую массу,
не подвергнувшуюся первичной переработке, и/или продукты
выделения сельскохозяйственных животных;
- коферментационные биогазовые установки, использующие
смесь сельскохозяйственного сырья и органических отходов, которые
подверглись первичной переработке;
14

15.

- утилизационные биогазовые установки, где в качестве сырья
применяются различные биологические отходы, ферментация которых
не противоречит санитарно-эпидемиологическим требованиям.
Схема биогазовой установки для переработки жидкого навоза
15

16.

Типовая схема биогазовой установки
16

17.

1.3 Жидкое биотопливо
К основным жидким биотопливам можно отнести:
- этанол;
спирты
- биометанол;
- биобутанол;
- диметиловый эфир;
- биодизель.
Преимущества биодизеля по сравнению и обычным
минеральным дизельным топливом:
- лучшие смазочные характеристики;
- более высокое цетановое число;
- меньшие выбросы CO2 при сжигании;
- практически не содержит серу;
- экологическая безопасность (за месяц 99% биодизеля,
попавшего в воду или почву, утилизируется микроорганизмами).
17

18.

Недостатки биодизеля:
- в холодное время требует подогрева;
- не хранится дольше 3 месяцев;
- себестоимость производства выше, чем у бензина и обычного
дизельного топлива.
Схема производства биодизеля
18