Окончание. Начало - здесь
Как «обогатить» биомассу?
Как мы уже сказали в первой части, сжигать биомассу напрямую – дело не совсем выгодное. Причин здесь несколько. Так, у нее может оказаться повышенная влажность. Вроде бы, проблему можно решить с помощью сушки, однако для этого потребуются дополнительные энергетические затраты, что снижает эффективность использования. Кроме того, если брать растительные отходы, то их минеральная часть характеризуется низкой температурой плавления, в результате чего прямое сжигание сопровождается повышенным шлакованием поверхностей нагрева. Как показал опыт эксплуатации современных белорусских мини-ТЭЦ, работающих на отходах древесины, они постоянно нуждаются в кратковременных переводах на резервное топливо (природный газ) для разрыхления спекшихся образований. Сжигание однолетней травянистой биомассы и сельскохозяйственных отходов дополнительно вызывает коррозию элементов топливосжигающего оборудования по причине высокого содержания в составе таких отходов хлора и щелочных металлов (калия, натрия).
Помимо этого, растительная биомасса обладает высоким выходом летучих веществ, что при длительном хранении увеличивает риск пожара. Также есть проблемы с транспортировкой из-за низкой плотности и неоднородности состава. А учитывая тот факт, что ее энергетическая ценность в «сыром виде» ниже ценности ископаемого топлива, транспортировка на дальние расстояние вряд ли будет целесообразна.
Указанные недостатки прямого сжигания биомассы приводят к нерациональному использованию полезных ресурсов. По этой причине в мировом энергетическом сообществе возрастает интерес к различным технологиям, позволяющим не только увеличить КПД сжигания растительной биомассы в ее исходном виде, но также повысить ее энергетические свойства путем переработки в различные ценные продукты.
Обычно повышение эффективности прямого сжигания достигается путем создания топок со специальными конструкциями. Здесь достаточно много вариантов. Например, в Финляндии запатентована конструкция, позволяющая сжигать биомассу с влажностью до 60 процентов. В западных странах действует примерно сотня котельных и ТЭЦ, в которых реализована данная технология.
Еще одним распространенным методом повышения эффективности использования ресурсов биомассы является ее совместное сжигание с ископаемым топливом (чаще всего – с углем). Таким путем снижается количество вредных выбросов (биомасса практически не содержит серы). С другой стороны, благодаря наличию ископаемого топлива снижается коррозионная активность дымовых газов (в основном благодаря тому, что хлор нейтрализуется избытком серы, содержащейся в каменном угле).
Кроме того, есть различные методы обработки биомассы в целях вымывания из нее щелочных металлов и хлора. Например, длительное хранение соломы под открытым небом позволяет снизить в ней содержание хлора в 10 раз и калия – в 6 раз.
И тем не менее, считают наши ученые, наиболее перспективный путь – это получение из биомассы «облагороженного» топлива в различных агрегатных состояниях (то есть твердого, жидкого и газообразного). Это связано с тем, что плотность энергии в продуктах переработки всегда выше в сравнении с характеристиками исходного сырья.
Показательно, что с начала нынешнего столетия происходит развитие достаточно широкого спектра технологий по переработке растительной биомассы. Примерно за 20 лет количество установок по производству разных видов биотоплива выросло практически в два раза. На сегодняшний день основным сырьем здесь является древесина. На ее основе получают примерно 75% используемого в мире биотоплива. Однако все термохимические методы находят применение и к другим видам растительного сырья.
Пока что основная доля продукции (в основном – за счет простоты и низких энергетических затрат) приходится на производство твердого биотоплива. В данном случае наши ученые обращают внимание на технологию торрефикации растительного сырья, содержащего в своем составе гемицеллюлозу, целлюлозу и лигнин. Этот технологический процесс рассматривается ими как начальная стадия пиролиза (в литературе он обычно обозначается как «мягкий пиролиз»). Его суть заключается в нагреве сырья в инертной среде до температуры 200-300 градусов Цельсия. В ходе такого нагрева происходит выделение влаги и летучих веществ. При этом потеря массы может составить около 30 процентов, однако энергоемкость полученного твердого остатка – называемого биоуглем – снижается всего на 10% в сравнении с энергоемкостью всего исходного объема биомассы. То есть удельная теплота сгорания полученного продукта увеличивается. Кроме того, энергетические затраты на осуществление технологического процесса могут быть покрыты за счет сжигания выделившегося газа.
Полученный таким путем биоуголь измельчается и на его основе изготавливаются торрефицированные пеллеты. В дальнейшем их можно сжигать либо совместно с обычным углем, либо использовать в качестве топлива самостоятельно.
Данная технология может также эффективно применяться для повышения потребительских свойств уже готового брикетированного или гранулированного топлива, полученного напрямую из биомассы. По сравнению с исходным сырьем, такое твердое торрефицированное биотопливо обладает свойствами гидрофобности и биологической стойкости, благодаря чему для его хранения не нужны какие-то специальные условия.
Кроме биоугля можно получать также жидкое и газообразное топливо. Для этих целей применяются технологии газификации или быстрого пиролиза. Спектр таких технологий достаточно широк. Так, наиболее известным методом получения синтетических жидких топлив является процесс Фишера-Тропша, в ходе которого происходит синтез водорода и окиси углерода в углеводороды. Несмотря на то, что у данного метода есть свои недостатки, важным показателем является то, что полученный продукт имеет более высокие характеристики, чем традиционные продукты, получаемые из нефти. Такой продукт может использоваться и как сырье для химической промышленности, и как основа для получения моторных топлив.
Говоря о перспективах развития технологий производства биотоплива, ученые выделяют три поколения. Первое поколение было связано с использованием пищевого сырья (для биоэтанола) и растительных масел (для биодизеля). Второе поколение характеризуется широким использованием непищевого сырья, а также созданием специальных «энергетических плантаций» из технических культур (о чем мы уже писали). Наконец, третье поколение биотоплива будет связано с использованием различных водорослей, которые обеспечивают очень быстрый прирост биомассы.
Таким образом, сырьевая база для данного направления планомерно расширяется. И здесь опять стоит задать «сакраментальный» по нашим временам вопрос: способна ли биомасса заменить традиционное ископаемое топливо? То есть может ли человечество отказаться от угля и углеводородов, найдя им замену в лице энергетической биомассы, производимой растениями (и не только)?
Как мы уже показали, в чисто техническом плане такая замена вполне возможна. Из растительной биомассы можно получать биуголь, горючий газ, биомасло, биопластик, смолы, транспортное топливо (включая биодизель и биоэтанол), полукокс, углеродистый остаток для композитных материалов, технический водород и другие химикаты, а также удобрения. Главная проблема, как всегда, упирается в экономическую целесообразность. И в данном случае важно учесть, что указанные технологии по переработке биомассы стали развиваться (а по сути – возрождаться) не от хорошей жизни. При этом цены на ископаемое топливо (в первую очередь – нефть и газ) могут иметь решающее значение для глобальной топливно-энергетической трансформации в пользу биомассы.
Мы начинали разговор с ситуации на Ближнем Востоке, когда из-за боевых действий и нарушения транспортных артерий цены на нефть стремительно взлетели вверх, и во многих странах ощутили приближение энергетического кризиса. Но есть и другая, куда более фундаментальная проблема – исчерпание доступных месторождений. Это как раз то, о чем ученые предупреждают не один десяток лет. Освоение месторождений в труднодоступных местах (например, в арктической зоне), где сильно повышаются издержки как на стадии геологоразведки, так и на стадии промышленной добычи и транспортировки, может создать ситуацию, когда нефтяной бум прошлого столетия станет восприниматься как идиллическая картинка. Иначе говоря, совсем не исключено, что нефть окажется тяжелой во всех смыслах – как в физическом, так и в экономическом. Кстати, сибирские геологи открыто говорят о том, что «вскрытие» кладовых Арктики совсем не обещает дешевой нефти, и похоже на то, что больше дешевой нефти никогда не будет.
Но не станет ли это шансом для биомассы занять пустеющее пространство? Точного ответа у нас пока еще нет, однако тот факт, что работы в указанном направлении очень сильно активизировались за последние двадцать лет, говорит о многом.
Андрей Колосов
(в статье были использованы материалы открытых научных публикаций и диссертаций сотрудников Института теплофизики имени С.С. Кутателадзе СО РАН и Национального исследовательского Томского политехнического университета)
Изображение сгенерировано нейросетью
- Войдите или зарегистрируйтесь, чтобы отправлять комментарии