Общие вопросы биомассы и биоэнергетических технологий

Биомасса - сырье для производства топлив и энергии

Содержание биомассы в биосфере оценивается в 800 млрд, т [1-1], причем 90% приходится на древесину, из них 70 млрд, т накапливается в континентальных лесах с общим энергосодержанием, втрое превышающим современное мировое потребление энергии.

Ежегодный прирост на Земле составляет 220 млрд, тонн (по с.в.), что позволяет запасать в виде энергии химических связей до 4x1021 Дж энер-гии.

Мировое годовое коммерческое использование всей энергии составляет 3.9x1020 Дж, что в 10 раз меньше запасаемой энергии.

Для сравнения - разведанные запасы угля оцениваются в 500 млрд, т, неф-ти - 200 млрд, т, природного газа -100 млрд, т (в угольном эквиваленте).

Биомасса, как производная энергии Солнца в химической форме, является одним из наиболее популярных и универсальных ресурсов на Земле. Она позволяет получать не только пищу, но и энергию, строительные матери-алы, бумагу, ткани, медицинские препараты и химические вещества. Биомасса используется для энергетических целей с момента открытия че-ловеком огня. Сегодня топливо из биомассы может использоваться для различных целей - от обогрева жилищ до производства электроэнергии и топлив для промышленности и сельского хозяйства.

Биомасса является биологическим материалом фауны и флоры земной биосферы. Биомасса может использоваться непосредственно, либо кос-венно при превращении в другой вид энергии, например, в различные виды биотоплив. В наше время этот термин может быть упомянуты в двух смыслах. В первом смысле, растительная биомасса используются либо для выработки электроэнергии (с помощью паровых турбин или газогенера-торы), или для производства тепла (через прямое сжигание). Древесина и древесные отходы остаются основным источником энергии биомассы се-годня.

Во втором смысле, она включает биомассу растительного и животного происхождения, которая может быть преобразована в химические и энергетические продукты, включая биотопливо. К промышленной биомассе относятся различные виды растений: мискантус, просо, конопля, кукуруза, тополь, ива, сорго, сахарный тростник, бамбук, и различные породы дерева, начиная с эвкалипта, масличная пальма (пальмовое масло).

За последние десять лет производство этих растений увеличилась на 14% В США, альтернативные источники электроэнергии производят около 13% электроэнергии;. Биомасса обеспечивает приблизительно 11% от альтернативных производств энергии.

Энергетические потребности мира составляют ~ 11—12 млрд, т условного топлива (у. т.) и удовлетворяются за счет нефти и газа на 58— 60%, угля - на 30%, гидро- и атомной энергии - на 10—12% [1-2].

В качестве источника энергии используется также растительная биомасса (дрова и др.) - порядка 1 млрд, т у.т., или 0,7 млрд, т нефтяного эквивален-та (н. э.), что составляет почти четвертую часть из добычи и потребления нефти в мире (~3 млрд. т). Потребность в нефти и других видах современ-ной энергии, вероятно, будет увеличиваться и одновременно будут усовер-шенствоваться методы энергетического использования растительной био-массы (помимо прямого сжигания).

Применение возобновляемой растительной биомассы для производства моторных топлив целесообразно и даже необходимо в связи с ограни- чен-ностью запасов нефти. По данным XIII Нефтяного конгресса (1991 г.), разведанные запасы нефти в мире оцениваются в 140-145 млрд, т (160 млрд, м3), которых при современном потреблении нефти в мире может хватить на 35—45 лет.

Доступным и возобновляемым сырьем для производства синтети- чес-ких моторных топлив является биомасса растений. Например, в Канаде лесная и лесоперерабатывающая промышленность более 70% необходимой энергии получает из отходов древесины (газификацией и другими методами). В Советском Союзе в период 1940-1950 гг. были созданы установки, работавшие на лесных и сельскохозяйственных отходах при их газификации воздухом с получением газообразного моторного топлива.

Ежегодный прирост биомассы растений на Земле составляет от 170 до 200 млрд, т, считая на сухое вещество, что в пересчете на нефтяной эквивалент соответствует примерно 70-80 млрд, т [1-3]

В связи с дефицитом нефти целесообразно использовать местные виды топлив - растительную биомассу, бурый уголь, торф, сланцы, раз-личные твердые органические отходы (мусор в городах) при переработке в жидкое топливо. Общее количество различных твердых органических отходов (лесо- добыча и лесопереработка, сельское хозяйство, промыш-ленность, бытовой мусор в городах) может быть очень велико. Например, в США оно достигает 1-1,2 млрд, т в год. Из этого количества можно получить более 100 млн. т. Однако большая часть отходов не исполь-зуется, некоторую часть применяют для получения биогаза (смесь СН4 с С02), другая часть сжигается.

Фирма “Боинг” сжигает биомассу (отходы древесины и городской мусор) для получения примерно 60% тепла, необходимого для обогрева завода “Боинг” площадью 550 тыс. м2 являющегося крупнейшим в мире производственным комплексом .

Ресурсы ежегодно возобновляемой растительной биомассы энергетически в 25 раз превышают добычу нефти. В настоящее время сжигание расти-тельной биомассы составляет ~10% от потребляемых энергоресурсов (примерно 1 млрд, т у. т.), в будущем ожидается существенное расширение использования биомассы в виде продуктов ее переработки (жидких, твердых топлив и др.), и в первую очередь отходов, которые скапливаются и разлагаются, загрязняя окружающую среду.

Биомасса перерабатывается в топливные и химические продукты различ-ными методами: пиролизом, гидролизом, газификацией, гидрогенизацией и др.

Источники биомассы.

Органические отходы агропромышленного комплекса и непищевые энергетики культуры в биоэнергетике занимают второе место после древесной биомассы и древесных отходов.

Широкие перспективы для рентабельного производства различных видов энергии и топлива открывает использование для этих целей пресных и морских водорослей.

Энергия созданная путем сжигания биомассы (дров), также известна как бепбгслЬеппа!.

Химический состав биомассы.

Химический состав биомассы может различаться в зависимости от ее вида. Обычно растения состоят из 25% лигнина и 75% углеводов. К более важным категориям углеводов можно отнести целлюлозу. Лигниновая фракция состоит из молекул не углеводного (производные фенолов) типа.

Биомасса обеспечивает 14% потребления первичной энергии. Для трех четвертей населения человечества, живущих в развивающихся странах, биомасса является самым важным источником энергии. Увеличение на-селения и потребления энергии на одного жителя, а также истощение ре-сурсов ископаемого топлива приведут к быстрому увеличению спроса на биомассу в развивающихся странах. В среднем, в развивающихся странах биомасса обеспечивает 38% первичной энергии (а в некоторых странах 90%). Весьма вероятно, что биомасса останется важным глобальным источником энергии в развивающихся странах в течение всего 21 века.

Ежегодный прирост биомассы на земле составляет 220 млрд, тонн (по с.в.), что позволяет запасать в виде энергии химических связей до 4 х 1021 Дж энергии.

Мировое годовое коммерческое использование всей энергии составляет 3.9 х Ю20 Дж, что в 10 раз меньше запасаемой энергии.

Например, энергетическое содержание производимых в мире сельскохозяйственных отходов составляет 93 х 1018 Дж./год . Допуская, что только 25% их реально можно использовать, отходы могут обеспечить около 7% мировой энергии .

Городские твердые отходы - ТБО также могут быть важным источником энергии. Только в США их ежегодно образуется около 320 млн. тонн, или по 1 т/год на человека. В развивающихся и слаборазвитых странах эти величины соответственно меньше, но можно полагать, что ежегодно в мире в городах накапливается несколько млрд, тонн ТБО . Если считать, что, в среднем, ТБО содержат 60-65% органических веществ растительного и животного происхождения, то по аналогии с фотосин- тетической биомассой ежегодное содержание энергии в ТБО может составлять 4-6 х 10|8Дж.

В развитых странах биомасса используется весьма интенсивно: Швеция и Австрия обеспечивают 15% потребности в первичных энергоносителях за счет биомассы.

В ряде развитых и развивающихся стран биомасса используется для по-лучения энергии и топлива. В мире около I млрд. чел. используют древесину как топливо. 1/7 часть используемой энергии обеспечивается за счет биомассы . В таких развивающихся странах, как Эфиопия, Непал, Танза-ния энергетика на 95% зависит от использования биомассы, в Нигере - на 85, Сомали-, Судане - 85, Бангладеш, Кении -75, Таиланде - 65,. Индии .- 55, Боливии - 45, Китае - 35, Бразилии -25, в среднем - на 45% [1-4].

Использование биомассы в качестве источника энергии в мире

Рис. 1-1. Использование биомассы в качестве источника энергии в мире.

Количество и виды топлива, получаемого из биомассы, зависят не только от общих объемов воспроизводимой биомассы, но и от качества биомассы: влажности, состава органических веществ, физических особенностей и т.д.

В ближайшие годы основным сырьем для производства энергии и топлива методами биоэнергетической технологии будут служить разнообразные органические отходы. В развитых странах в год на одного человека накапливается до 5 т органических отходов по сухому веществу.

С дальнейшей интенсификацией производства и урбанизацией происходит концентрация отходов. Это, с одной стороны, требует принятия неотлож-ных мер для их утилизации с целью обезвреживания и охраны окружаю-щей среды, с другой - применения прогрессивных, высокоэкономичных технологий их переработки с возможным вторичным использованием, в частности, для получения энергии, органоминеральных удобрений и др.

Как отмечалось выше, биомасса будет трансформироваться в топливо или энергию методами биологической и термохимической конверсии. [1-5].

Целесообразность использования биомассы в качестве источника энергии определяется ее энергоемкостью и содержанием в ней питательных веществ и золы. В органическом веществе тканей большинства растений содержится 46-48% углерода, а у водорослей с высоким содержанием жира и, следовательно, с повышенной энергоемкостью оно достигает 54%.

Вместе с тем наземные растения, как правило, содержат около 5% золы, в то время как в водных растениях известковых почв количество золы составляет 25%, 50% для некоторых видов водорослей (Chard) и 90% для коралловых полипов (Corallinaceae).

Хотя энергоемкость некоторых водорослей значительно выше энергоемкости наземных растений, однако вследствие относительно высокого содержания золы количество энергии в макрофитах на сухую массу приблизительно такое же, как у наземных растений. При исследовании 11 видов сосудистых водных растений было установлено, что их теплота сгорания составляет 16 353-19058 кДж/г сухой массы. Результаты изучения тканей пяти видов растений из заболоченных земель показали, что содержание золы колеблется от 5,9% в тростнике обычном (Phragmites communis) до 15,6% в хвоще речном (Equisetum fluviatibe) при среднем содержании 8,5% на сухую массу. При этом концентрация азота находилась в пределах 1,2-2,1% на сухую массу, а соотношение углерода и азота от 20:1 до 30:1.[1-6].

В 2016 г. объем производимых органических отходов АПК и городов по всем регионам России в сумме составлял почти 566 млн. тонн (294 млн. т по сухому веществу) в год:

  • 199.85 млн. т (31.07 млн. т св.) - животноводство,
  • 34.06 млн. т (8.5 млн.т св.) - птицеводство,
  • 234 млн. т (210.6 млн. т св.) - растениеводство,
  • 30 млн. т (14 млн. т св.)- отходы перерабатывающей промышленности,ТБО - 56 млн. т(28 млн. т св.),
  • 12 млн. т (2 млн. т с.в.)-осадки сточных вод,-, с валовым энергосо- держа-нием 92-93 млн. ту .т. (технический потенциал составляет 90.4 млн. ту.т., эконо мический потенциал -53.3 млн. ту.т.).
  • 10.6 % потенциальной энергии приходится на отходы животноводства и птицеводства,
  • 72 % - на растениеводство,
  • 4.8 % - на отходы перерабатывающей промышленности,
  • 9.5 % - на ТБО и 0.6% - на осадки сточных вод.

Из этого количество отходов можно ежегодно получать до 88 млрд, куб. м биогаза (64 млн. ту.т.), до 105 млн. тонн пеллет или 75 млн. т «синтез-газа», который можно конвертировать в 160 млрд. куб. м водорода, а также получить до 330 тысяч тонн этанола, или до 88 млн. куб. м водорода и до 165 тысяч тонн растворителей (бутанола и ацетона).

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ   След >