РОЗДІЛ 14. Енергія біомаси

Сьогодні внесок біомаси у світовий енергетичний баланс становить близько 15%. Первинною біомасою є рослини, що виростають на суші й у воді. Біомаса утворюється в результаті фотосинтезу, за рахунок якого сонячна енергія акумулюється в зростаючій масі рослин. Енергетичний ККД властивий фотосинтезу становить близько 5%. Залежно від роду рослин і кліматичної зони вирощування це приводить до різної продуктивності, розраховуючи на одиницю площі, зайнятому рослинами. Для північних лісів, що повільно ростуть, продуктивність становить 1 тонну приросту деревини в рік на 1 гектар. Для порівняння врожай кукурудзи (уся зелена маса) у штаті Айова, США в 1999 р. склав близько 50 тонн на гектар.

Для енергетичних цілей первинна біомаса використовується в основному як паливо, що заміщає традиційне паливо. Причому, як правило, це відходи лісової й деревопереробної промисловості, а також відходи рільництва (солома, сіно). Теплотворність сухої деревини досить висока, становлячи в середньому 20 ГДж/т. Трохи нижче теплотворність соломи, наприклад, для пшеничної соломи вона становить близько 17,4 ГДж/т. У той же час велике значення має питомий обсяг палива, який визначає розміри відповідного встаткування й технологію спалювання. Щодо цього деревина значно уступає, наприклад, вугіллю. Для вугілля питомий обсяг становить близько 30 дм3/ГДж, тоді як для тріски, залежно від породи дерева, цей показник лежить у межах 250 - 350 дмТГДж; для соломи питомий обсяг ще більше, досягаючи 1 мтГДж. Тому спалювання біомаси вимагає або її попередньої підготовки, або спеціальних топкових пристроїв. Зокрема, у ряді країн поширення одержав спосіб ущільнення деревних відходів з перетворенням їх у брикети або, так звані, палетки. Обоє способу дозволяють одержати паливо з питомим обсягом близько 50 дм3/ГДж, що цілком прийнятно для звичайного шарового спалювання. Наприклад, у США річне виробництво палетів становить близько 0,7 млн. т, а їх ринкова ціна - близько 6 дол. /Гдж при теплотворності близько 17 Гдж/т.

Поряд з первинною рослинною біомасою значний енергетичний потенціал знаходиться у відходах тваринництва, твердих побутових відходах і відходах різних галузей промисловості. Використання цього потенціалу можливо термохімічними або біохімічними методами. У першому випадку мова йде в основному про тверді побутові відходи, які або спалюються, або газифікуються на сміттєпереробних фабриках. У другому випадку сировиною є гній або рідкі побутові стоки, які переробляються в біогаз.

У нетрадиційній енергетиці особливе місце займає переробка біомаси (органічних сільськогосподарських і побутових відходів) метановим шумуванням з одержанням біогазу, що містить близько 70% метану, і знезаражених органічних добрив. Надзвичайно важлива утилізація біомаси в сільському господарстві, де на різні технологічні потреби витрачається велика кількість палива й безупинно росте потреба у високоякісних добривах. Усього у світі в цей час використовується або розробляється близько 60 різновидів біогазових технологій.

Біогаз - це суміш метану й вуглекислого газу, що утворюється в процесі анаеробного збражування в спеціальних реакторах - метантенках, улаштованих і керованих таким чином, щоб забезпечити максимальне виділення метану. Якщо говорити більш конкретно, то біогаз -це суміш із 65 % метану, ЗО % Зг, 1 % сірководню й незначних домішок азоту, кисню, водню й вигарного газу. Енергія, укладена в 28 м3 біогазу, еквівалентна енергії: 16,8 м3 природного газу; 20,8 літра нафти; 18,4 літра дизельного палива.

Енергія, одержувана при спалюванні біогазу, може досягати від 60 до 90% тієї, якої має вихідний матеріал.

Метанове шумування протікає при середніх (мезофільне) і високих (термофільне) температурах. Найбільша продуктивність досягається при термофільному метановому шумуванні.

Найбільшу продуктивність збражування відбувається при температурі 30-400С (розвиток мезофільной бактеріальної флори), а також при температурі 50-600С (розвиток термофільної бактеріальної флори).

При нормальній роботі реактора одержуваний біогаз містить 60-70% метану, 30-40% двоокиси вуглецю, невелика кількість сірководню, а також домішки водню, аміаку й окислів азоту. Найбільш ефективні реактори, що працюють у термофільному режимі при 43-520С. При тривалості обробки гною З дня вихід біогазу на таких установках становить 4,5 л на кожний літр корисного обсягу реактора. У вихідну масу для інтенсифікації процесу анаеробного збражування гною й виділення біогазу додаються органічні каталізатори, які змінюють співвідношення вуглецю й азоту в сбражуваємій масі. У якості таких каталізаторів використовуються глюкоза й целюлоза.

Одержання біогазу економічно виправдане і є кращим при переробці постійного потоку відходів (стоки тваринницьких ферм, боєнь, рослинних відходів і т.д.). Економічність полягає в тому, що немає потреби в попередньому зборі відходів, в організації й керуванні їх подачею; при цьому відомо, скільки й коли буде отримано відходів. Одержання біогазу, можливе в установках самих різних масштабів, особливо ефективно на агропромислових комплексах, де існує можливість повного екологічного циклу. Біогаз використовують для висвітлення, опалення, готування їжі, для приведення в дію механізмів, транспорту, електрогенераторів. Підраховане, що річна потреба в біогазі для обігріву житлового будинку становить близько 45 м3 на 1 м2 житлової площі, добове споживання при підігріві води для 100 голів великої рогатої худоби -5-6 м. Споживання біогазу при сушінні сіна (1 тонна) вологістю 40% рівно 100 м3, 1 тонни зерна - 15 м3.

Ферментація гною йде в анаеробних (безкисневих) умовах при температурі 30- 55 ° С (оптимально 40 °С). Тривалість ферментації, що забезпечує знезаражування гною, не менш 12 доби. Для анаеробної ферментації можна використовувати як звичайний, так і рідкий, безпідстилковий гній, який легко подається в біореактор насосом.

При ферментації в гної повністю зберігаються азот і фосфор. Маса гною практично не змінюється, якщо не вважати води, що випаровується, яка переходить у біогаз. Органічна речовина гною розкладає на 30-40 %; деструкції зазнають в основному з'єднання, що легко розкладають, - жир, протеїн, вуглеводи, а основні гумусоутворюючі компоненти - целюлоза й лігнін - зберігаються повністю. Одержуваний біогаз щільністю 1,2 кг/м3 (0,93 щільності повітря) має наступний состав (%): метан - 65, вуглекислий газ - 34 гази, що супроводжують, - до 1 (у тому числі сірководень - до 0,1). Зміст метану може мінятися залежно від состава субстрату й технології в межах 55- 75 %. Зміст води в біогазі при 40° С -50 г/м3; при охолодженні біогазу вона конденсується, і необхідно вжити заходів до видалення конденсату (осушка газу, прокладка труб з потрібним ухилом та ін.). Енергоємність одержуваного газу - 23 мДж/м3, або 5500 ккал/м3.

Рис. 14.1. Схема установки для одержання біогазу

На Рис. 14.1. наведена схема типової промислової установки для одержання біогазу. На цьому Рис.: 1 - гноєприймач; 2 – насос; 3-рідкий гній; 4 - метантанк; 5 - біогаз; 6 - теплообмінник; 7 - казан; 8 -сховище добрива; 9 - газгольдер; 10 - вихід готової продукції.

Широкий розвиток простих біогазових установок спостерігається в Китаї, вони активно впроваджуються в ряді країн Європи, Америки, Азії, Африки. У Західній Європі, наприклад у Румунії й в Італії, більш 10 років тому почали широко використовувати малогабаритні біогазові установки з обсягом сировини, що переробляється, 6-12 куб.м. Це обумовлене тим, що на території будь-якого фермерського господарства можна досить просто обладнати просту біогазові установку, які, наприклад, застосовуються в індивідуальних господарствах Румунії. Як приклад, на Рис. 14.2. показаний пристрій найбільш простий біогазової установки. На цьому Рис.: 1 - накопичувальна яма (ферметатор); 2-бетонну канавка, заповнена водою (гідрозатвор); 3 - металевий накопичувальний купол; 4 -патрубок для відводу біогазу.

Накопичувальна яма зсередини облицьовують залізобетонними плитами, які для герметичності покривають смолою. Навколо ями - ферментатору, улаштовують бетонну канавку - гідрозатвор, наповнену водою, у яку занурюють нижній бортик накопичувального купола на глибину 0,5 м. Необхідність створення такого гідрозатвора обумовлена елементами техніки безпеки. При значному підвищенні тиску газу під куполом останній буде піднімати в гідравлічному затворі й випускати надлишок газу. Трохи видозмінений варіант пристрою біогазової установки, показано на Рис. 3.14. На цьому Рис.: 1 - завантажувальна труба; 2 - накопичувальна ємність (ферментатор); 3 – сталевий купол; 4 - бетонна канавка, заповнена водою (гідрозатвор); 5 – газ, що утворювався; 6 - патрубок; 7 – вихід газу. Як видне з малюнка в цьому варіанті біогазові установки використовується яма, у яку поринає зварений резервуар зі сталі, службовець накопичувачем- ферментатором. Яму має діаметр 3–4 метра й глибину 2-2,5 метра. Внутрішню поверхню звареного резервуара покривають антикорозійним захистом. Із зовнішньої сторони верхньої крайки резервуара з бетону влаштовують кільцеву канавку глибиною до 1 м, яку заливають водою. У неї вільно встановлюють вертикальну частину купола, що закриває резервуар. Таким чином, канавка із залитої в неї водою служить гідрозатвором. Біогаз збирається у верхній частині купола, звідки через випускний патрубок і далі по трубопроводу подається до

Рис. 14.2. Будова простої біогазової установки

місця його використання. У накопичувальну ємність завантажується близько 12 кубічних метрів органічної маси (бажане свіжого гною), яка заливається рідкою фракцією гною без додавання води. Через тиждень після заповнення ферментатор починає генерувати газ.

Рис. 14.3. Видозмінений варіант біогазової установки