Преобразование энергии биомассы

Современные проблемы энергетики могут быть решены только при рациональном использовании всех существующих на Земле и околоземном пространстве источников топлива и энергии [1]. Среди них биомасса, как постоянно возобновляемый источник топлива, занимает существенное место [2].

Биомасса - термин, объединяющий все органические вещества растительного и животного происхождения. Биомасса делится на первичную (растения, животные, микроорганизмы и т.д.) и вторичную - отходы при переработке первичной биомассы и продукты жизнедеятельности человека и животных. В свою очередь отходы также делятся на первичные - отходы при переработке первичной биомассы (солома, ботва, опилки, щепа, спиртовая барда и т.д.) и вторичные - продукты физиологического обмена животных и человека.

Ежегодное количество органических отходов по разным отраслям народного хозяйства России составляет более 390 млн. т. Сельскохозяйственное производство дает 250 млн. т, из них 150 млн. т приходится на животноводство и птицеводство, 100 млн. т -на растениеводство. Лесо- и деревопереработка дают 700 млн. т, твердые бытовые отходы городов - 60 млн. т, коммунальных стоков - 10 млн. т (все приведенные значения даются на абсолютно сухое вещество.

Энергия, запасенная в первичной и вторичной биомассе может конвертироваться в технически удобные виды топлива или энергии несколькими путями.

1. Получение растительных углеводородов (растительные масла, высокомолекулярные жирные кислоты и их эфиры, предельные и непредельные углеводороды и т.д.). Например, для южных регионов России это может быть рапсовое масло, добавляемое к дизельному топливу.
2. Термохимическая конверсия биомассы (твердой, до 60%) в топливо: прямое сжигание, пиролиз, газификация, сжижение, фест-пиролиз.
3. Биотехнологическая конверсия биомассы (при влажности от 75 % и выше) в топливо: низкоатомные спирты, жирные кислоты, биогаз.

На современном этапе экономического развития России в соответствии с Государственной научно-технической программой "Экологически чистая энергетика" возобновляемая энергетика развивается по двум последним направлениям.

Опыт России по термохимической конверсии биомассы

Наиболее активно ведется разработка и создание оборудования для газификации твердой биомассы с целью создания автономных тепло- и электростанций, работающих на генераторном газе. Ведущей организацией по этому направлению является АО "Энерготехнология" (г. Санкт-Петербург), научный руководитель проблемы Зысин Л.В.

При отработке технологий и освоении производства термических газогенераторов для переработки биомассы в газообразное топливо с 1987 по 1995гг. были проведены комплексные исследования по кинетике процессов термической газификации различных видов растительной биомассы: отходов деревообработки, лесосечных отходов, рисовой лузги, лигнина, твёрдых бытовых отходов, торфа и т. д.

Газификация - сжигание биомассы при температуре 800-1500°С в присутствии воздуха или кислорода и воды с получением синтез-газа или генераторного газа с теплотой сгорания от 10500 до 14600-16700 кДж/м³ (при нормальных условиях), состоящего из смеси угарного газа (монооксид углерода) и водорода: возможны примеси метана и других углеводородов.

Проведенные исследования и имевшийся в стране опыт строительства газогенераторных установок в 30-40-х годах позволили создать газогенераторы нового поколения, реализующие обращенный процесс слоевой газификации при атмосферно-воздушном дутье, что повышает КПД таких систем.

Газогенераторы, объединенные в один энергетический комплекс с водяными котлами или дизельными электрогенераторами, используются для получения тепловой и электрической энергии.

Разработан типоразмерный ряд газогенераторов с тепловой мощностью 100, 200, 600, 3000 и 5000 кВт. Освоено производство опытных серий газогенераторов тепловой мощностью 100 и 200 кВт. Успешно прошли испытания газогенераторы на 600 и 3000 кВт и осуществляется подготовка к их серийному производству. Созданы и испытаны горелочные устройства для сжигания генераторного газа, топочные устройства.

По техническим характеристикам созданные газогенераторы отвечают современному мировому уровню, что подтверждается интересом к ним фирм Швеции, Финляндии и Израиля.

Реализация обращенного процесса газификации позволила в 8-10 раз снизить смолосодержание генераторного газа, что позволяет использовать его в дизельном двигателе при минимальной очистке. При переходе на генераторный газ мощность двигателя практически не меняется, существенно улучшаются экологические показатели энергетических установок, на 40-50% повышается их моторесурс.

На базе таких газогенераторов могут создаваться автономные, не зависящие от централизованного энергоснабжения установки или станции для тепло- и электроснабжения потребителей в любых регионах страны, имеющих сырье и лишенных энергоснабжения. К этим регионам прежде всего относятся районы Сибири, Крайнего Севера, а также большинство сельских районов, располагающих отходами лесопроизводства (опилки, кора, щепа, хлысты, пни) и растениеводства (солома любая, стебли подсолнечника, кукурузы и т. д.).

В настоящее время АО "Энерготехнология" в рамках ГНТП России "Экологически чистая энергетика" создает две газогенераторных станции.

1. Газогенераторную станцию теплоснабжения мощностью 200 кВт (т), включающую слоевой генератор прямого процесса, теплогенератор с горелочным устройством для горячего водоснабжения. Станция предназначена для обеспечения горячей водой 20 коттеджей с площадью отапливаемых помещений по 150 м каждый. В качестве сырья для газификации будут использоваться твердые бытовые отходы или их смесь с иловыми осадками очистных сооружений при интегральной влажности до 60%.

Характеристики станции:

• диапазон регулирования мощности 80-250 кВт;
• расход топлива (по сухому веществу) на номинальном режиме 80 кг/ч;
• низшая теплота сгорания генераторного газа 4 МДж/м³ (при нормальных условиях);
• содержание влаги в генераторном газе до 25% об потребляемая электрическая мощность не более 4 кВт.

2. Газогенераторную станцию тепло- и электроснабжения тепловой мощностью 600 кВт, включающую слоевой газогенератор обращенного процесса, систему очистки генераторного газа, водогрейный котел и дизель-генератор мощностью 299 кВт. Станция предназначена для автономного обеспечения теплом и электроэнергией 200-квартирного дома. Сырье для газогенерации - все виды органосодержащих отходов при влажности не более 60%.

Характеристики станции:

• номинальная мощность при электрической нагрузке 180 кВт;
• номинальная мощность при тепловой нагрузке 450 кВт;
• диапазон регулирования электрической мощности от 0 до 220 кВт;
• расход биотоплива (сухое вещество) на номинальной нагрузке 240 кг/ч;
• расход дизельного топлива для "подсветки" на номинальной нагрузке 5 г/кВт;
• низшая теплота сгорания генераторного газа 4,5 МДж/м³ (при нормальных условиях);
• содержание влаги в генераторном газе до 30% об.;
• потребляемая электрическая мощность на собственные нужды станции не более 30 кВт (15%).

Коэффициент использования теплоты генераторного газа при выработке тепловой энергии 85%, при комбинированной выработке тепловой и электрической энергии 80-84%.

Благодаря применению обращенного процесса газификации на 20% снижается металлоемкость теплоэлектрической установки.

Опыт России по биотехнологической конверсии биомассы

При биотехнологической конверсии, как правило, используется биомасса и прежде всего разнообразные органические отходы с влажностью не менее 75%, хотя в России разработаны научные основы биоконверсии биомассы с влажностью менее 75% - твердофазная метангенерация осадков сточных вод и твердых бытовых отходов [3].

Биологическая конверсия биомассы в топливо и энергию развивается по двум основным направлениям:

• ферментация с получением этанола, низших жирных кислот, углеводородов, липидов - это направление давно и успешно используется на практике и в данной работе обсуждаться не будет;
• получение биогаза.

В настоящее время получение биогаза связано прежде всего с переработкой и утилизацией отходов животноводства, птицеводства, растениеводства, пищевой, спиртовой промышленности, коммунально-бытовых стоков и осадков.

Проблемами разработки биогазовых технологий, созданием оборудования, установок и станций занимаются несколько организаций России: Мосводоканал, Академия коммунального хозяйства, ВИЭСХ, ЦВНИИКОМЖ, и вновь созданные фирмы: АО Центр “ЭкоРос”, АО “Октябрьская птицефабрика”, АО “Грин-Вельт”, АО “Лесса”, АО “ЭкоБио”, АО “Стройиндустрия” (Республика Чувашия), АО “Заволжский авторемонтный завод” (Нижегородская область), АО “Стройтехника - Тульский завод”.

В России имеются две технологии по переработке отходов птицеводства. Одна, разработанная Т.Я. Андрюхиным, введена в эксплуатацию в 1987-1988 гг. на Октябрьской птицефабрике Глебовского ППО Истринского района Московской области. Станция перерабатывает ежесуточно 10 т куриного помета механической уборки и производит до 1000 м³ биогаза и до 30 т экологически чистых органических удобрений [4]. Основы технологии подробно описаны ранее [5].

Вторая технология, разрабатываемая АО “ВНИИКОМЖ” (научный руководитель канд. техн. наук. С.М. Шрамков), связана с переработкой помета, удаляемого гидросмывом (АО “Птицефабрика “Центральная”, Владимирская обл.). Суточный выход стоков 480 м при влажности 92%.

Строительство биогазовой станции по переработке помета по широко принятой схеме: метантенк, разделение сброженной массы на жидкую и твердую фракции, доочистка жидкой фракции в системе прудов потребует около 30 млрд. руб. капитальных вложений и до 120 га зеркала прудов, что новых экономических условиях неприемлемо ни для одной аналогичной птицефабрики.

По разрабатываемой технологии, основные этапы которой проверены в производственных условиях, жидкий помет предварительно обрабатывается коагулянтами-флокулянтами для флокуляции основной массы органических веществ. Последние удаляются центрифугами-сепараторами производительностью 25 и 50 м³/ч. Получаемая паста влажностью 70% подвергается термическому компостированию с получением органических удобрений (33-35 т/сут). Жидкая фракция с влажностью 99% сбраживается в метантенках "второго поколения" с закрепленной микрофлорой с временем удерживания 5 сут. Расчетный выход биогаза 2500 м³/сут с теплотой сгорания 23-25 тыс. кДж/м³ (при нормальных условиях). Сброженная масса (360-370 м³) доочищается в системе прудов с площадью зеркала 20 га. При такой технологии объем капитальных вложений уменьшится в 5-6 раз. Площадь зеркала прудов и изъятие под них земель сократятся в 6 раз. Опытно-промышленная установка по такой технологии должна войти в строй в 1998 г. Серьезная проработка потребуется при создании метантенка "второго поколения" и подборе носителей-подложек для закрепления микрофлоры.

Создание многоукладного сельскохозяйственного производства в России и появление новых собственников в лице фермеров и самостоятельных крестьян потребовало разработки, создания и освоения производства биогазовых систем небольшой мощности и простых в эксплуатации.

Такие установки разработаны АО Центр "ЭкоРос". Это индивидуальная биогазовая установка для крестьянской семьи ИБГУ-1 и автономный биогазэнергетический блок-модуль БИОЭН-1 для фермерского хозяйства или животноводческих ферм на 25 голов крупного рогатого скота (КРС).

В 1992 г. АО "Стройтехника - Тульский завод" освоил производство опытных партий ИБГУ-1. В 1993 г. опытную партию выпустил машиностроительный завод в г. Юрга Кемеровской области. В настоящее время произведено и реализовано 65 комплектов ИБГУ-1, которые работают в Московской, Тульской, Ярославской, Ленинградской, Кемеровской, Нижегородской областях, Алтайском крае, Республике Чувашия, а также в Республике Казахстан (Алма-Атинская область).

В состав комплекта ИБГУ-1 входят: биореактор-метантенк вертикального типа с рабочим объемом 2 м; газгольдер "мокрого" типа объемом 3 м³; загрузочный механизм (ручная таль); лестница-эстакада; приемник для жидких удобрений на 1 м³, ковш-тележка на 50 кг.

Установка ИБГУ-1 работает в полупериодическом режиме с ежесуточной загрузкой 200 кг органических отходов с влажностью 85%. Температура ферментации 52-55°С. Температурный режим поддерживается с помощью ТЭНов, вмонтированных в водяную рубашку, окружающую биореактор. Суточное потребление энергии не более 15 кВт.ч при размещении биореактора в помещении. ИБГУ-1 производит до 10-12 м³/сут биогаза, содержащего 60% метана и 40% углекислого газа. Выигрыш в энергии, произведенной в виде биогаза (230-276 тыс. кДж), против затраченной (59 тыс. кДж) составляет 4-5 раз. Годовой выход биогаза 3600 м³, что эквивалентно замещению 2,3-2,5 т мазута. Годовой выход экологически чистых органических удобрений, не содержащих нитритов, нитратов, семян сорняков, патогенной микрофлоры и яиц гельминтов (сертификат Московской областной эпидемиологической станции), составляет 72 т при стоимости на внутреннем рынке России в 1995 г. 72 млн. руб. Окупаемость установки не более 0,5 года. Применение таких удобрений в Московской, Тульской и Кемеровской областях в сезонах 1993-1995 гг. показало увеличение урожайности по разным культурам (от клубники до картофеля) в 2-4 раза.

Установка может работать в любых климатических зонах России и устанавливаться на крестьянском подворье, имеющем электроснабжение.

Опыт, накопленный при эксплуатации ИБГУ-1, и требования развивающегося рынка подобных систем позволили перейти к разработке и созданию полностью автономных биогазовых установок, не зависящих от централизованного электроснабжения.

Расчеты показали, что для биогазовых установок, работающих в автономном режиме при температуре ферментации 52-55°С, необходимо перерабатывать не менее 500 кг отходов КРС при влажности 85%.

АО Центр "ЭкоРос" в 1994 г. при животноводческом комплексе КРС "Поярково" АО Агрофирмы "Искра" Солнечногорского района Московской области ввел в эксплуатацию автономный биогазэнергетический блок-модуль БИОЭН-1 по переработке отходов 20-25 голов КРС. БИОЭН-1 комплектуется из четырех биореакторов-метантенков общим объемом 8,8 м³, которые при серийном производстве будут заменены на два биореактора-метантенка общим объемом 10 м³; четырех газгольдеров "мокрого" типа общим объемом 12 м³, которые будут заменены на два газгольдера по 6 м³ каждый; биогаз-электрогенератора мощностью 4 кВт (на базе серийно выпускаемого бензоэлектрогенератора АБ-4Т/400-М2 Вяземского электромеханического завода Смоленской области, документация АО "Агродизель", Москва); агрегата отопительного газового водогрейного АОГВ-23,2-1 тепловой мощностью 23 кВт, серийно выпускаемого Жуковским машиностроительным заводом (г. Жуковск, Московской обл.); инфракрасной газовой беспламенной горелки тепловой мощностью 5 кВт с КПД 95%, бытовой газовой четырех-комфорочной плиты.

Количество перерабатываемого сырья до 1 т/сут отходов КРС при влажности 85%; выход биогаза - 40 м /сут; количество вырабатываемой электроэнергии 80 кВт.ч переменного тока напряжением 220-380 В, частотой 50 Гц; количество вырабатываемой тепловой энергии в сутки 230 кВт.ч/руб., что достаточно для отопления 120-140 м жилой площади; количество вырабатываемых жидких экологически чистых органических удобрений до 1 т/сут.

Затраты на поддержание оптимальной температуры ферментации 52-55°С не более 30% вырабатываемого биогаза в зимнее время. Выход товарного биогаза 70%.

Окупаемость блок-модуля БИОЭН-1 по рыночной стоимости годового производства удобрений не более 0,5 года.

На семью из 5-6 чел. для бытовых нужд (приготовление пищи, горячей воды и кормов для животных) в сутки требуется не более 4-5 м³ биогаза; потребность в электроэнергии при наличии двух холодильников, двух телевизоров, 10 ламп накаливания по 100 Вт и других электробытовых приборов периодического использования в зимнее время составляет 8, в летнее - 4 кВт.ч/сут. Для механической трехразовой дойки 25 голов КРС в сутки расходуется 8 кВт.ч электрической энергии.

Блок-модуль БИОЭН-1 можно собирать в батареи из двух, трех и четырех комплектов для обработки отходов от 50, 75 и 100 голов КРС. Такие системы могут работать в любой климатической зоне России в любых районах, не имеющих централизованного энергоснабжения.

Особенности ИБГУ-1 и БИОЭН-1 (таблица 1) состоят в том, что они предназначены для серийного производства, в полной заводской готовности. Монтаж ИБГУ-1 занимает не более 2-3 дней, монтаж БИОЭН-1 - 7 - 10 дней. Выход на рабочий режим обеих систем 3 - 5 суток. Процесс непрерывный, легко прекращается и возобновляется.

Опыт России по биологическому использованию сбросного тепла атомных и тепловых электростанций

Еще одной интересной и многообещающей технологией является использование сбросного тепла атомных и тепловых электростанций в процессе производства сельскохозяйственной продукции на основе экологически чистых технологий. Разработку ведет ООО "КОМИСПРЭН" (Москва, научный руководитель канд. биол. наук. В.Г. Фарберов).

Основу технологии использования сбросного тепла составляет Энергобиологический комплекс - ЭБК. Проект ЭБК осуществляется на базе сбросного тепла Курской АЭС. Станция с установленной мощностью 4 млн. кВт оснащена реакторами типа РБМК. Для охлаждения конденсаторов турбины используется пруд-охладитель площадью 21,5 км и объемом 70 млн. м³. Температура на сбросе изменяется в течение года от 12°С зимой до 38°С летом. В водоем сбрасывается при работе четырех блоков около 8 млн. кВт тепловой низкопотенциальной энергии, что приводит к тепловому загрязнению окружающей среды.

Таблица 1

Биоэнергетические установки, производимые в России, и их краткие технические характеристики

Технические показатели	Газогенераторные установки		Биогазовые установки
	200 кВт	600 кВт	ИБГУ-1	БИОЭН-1
Сырье	Опилки, щепа, хлысты, дрова, твердые бытовые отходы, торф, солома, стебли, лузга, лигинин		Отходы КРС, мелкого рогатого скота, лошадей, верблюдов, свиней, пушных зверей, птицы: кур, уток, гусей, индюшек; фекалии, растительные остатки, твердые бытовые отходы
Влажность допустимая	Не более 60%		Не менее 85%
Количество перерабатываемого сырья	80 кг/ч (с.в.) 200 кг/ч (60% вл.)	240 кг/ч (с.в.) 600 кг/ч (60% вл.)	200 кг/сут	1000 кг/сут
Тип производимого топлива	“Синтез-газ” или “генераторный газ”		Биогаз	Биогаз
Состав топлива	Моноокись углерода (угарный газ), водород, метан, следы углеводородов		Метан 60% СО2 40%	Метан 60% СО2 40%
Теплота сгорания топлива	10500-16700 кДж/м3 (при нормальных условиях)		21000-25100 кДж/м3 (при нормальных условиях)
Количество вырабатываемого топлива (энергии)	Тепловой 200 кВт.ч	Тепловой 600 кВт.ч Электрической 180 кВт.ч	10 м3/сут	40 м3/сут 80 кВт.ч (э.) 230 кВт.ч (т.)
Мощность электрогенератора	-	200 кВт	-	4 кВт
Мощность теплогенератора	200 кВт	600 кВт.ч	-	23,2 кВт
Затраты топлива (энергии) на собственные нужды установки	4 кВт.ч (э.)	30 кВт.ч (э.) или 15% вырабатываемой электроэнергии	15 кВт.ч/сут	30% от вырабатываемого биогаза
Режим работы	-	Автономный	Электрозависи-мый, ТЭН 2 кВт	Автономный
Температура процесса	1200° С	1200° С	52-55° С	52-55° С
Размер отапливаемой площади	3000 м2	200-квартирный дом	-	120-140 м2
Дополнительно производимые продукты	Зола	Зола	Жидкие экологически чистые органические удобрения
Окупаемость	2-2,3 года	2,5-3 года	0,5 года	0,5 года
Норма применения удобрений	-	-	1-3 т на 1 га в год
Повышение урожайности	-	-	1,5-4 раза по разным культурам
Фирма-разработчик	АО “Энерготехнология”, г. Санкт-Петербург		АО Центр “ЭкоРос”, г. Москва
Фирма-изготовителль	АО “Энерготехнология”		АО Центр “ЭкоРос”, АО “Стройтехника - Тульский завод”, АО “Юргинский машиностроительный завод”, АО “Заволжский авторемонтный завод”

Создание ЭБК решает ряд социально-экономических и природоохранных задач: экономию и комплексность использования топливно-энергетических и других природных ресурсов (земельных и водных); создание новых интенсивных технологий производства сельскохозяйственной продукции вне зависимости от погодно-климатических условий; снижение негативного воздействия теплового загрязнения на окружающую среду; повышение эффективности энергетического объекта путем более глубокого охлаждения воды водоема-охладителя; повышение социальной значимости атомной энергетики.

В рамках реализации ЭБК в 1995г. введены в эксплуатацию следующие блоки.

1. Тепличный площадью 500 м² с принципиально новой конструкцией пленочной теплицы с высокими экономическими и энергетическими показателями. Новые системы обогрева снижают в 4 раза потребление коммерческого тепла по сравнению с теплицами традиционного типа благодаря замещению высококалорийного тепла низкопотенциальным теплом сбросной воды. Объем низкопотенциального тепла в общем объеме потребляемого тепла для обогрева теплицы достигает 80%. Расход низкопотенциального тепла 1 ГДж/ч. Производительность блока 10 т овощей в год.
2. Рыбохозяйственный по производству 450 т живого карпа в год. Общий объем садков 6 тыс. м³ с площадью зеркала 4 тыс. м². Изменения температуры воды на входе и выходе зимой составляют 5-6°С, летом - 8-10°С.
3. Блок открытого грунта площадью 3,5 га с получением двух урожаев в год. Разница в температуре воды на входе и выходе составляет 10-12°С с теплосъемом 15-20 Вт/м².
4. Блок утилизации отходов ЭБК, а также птицеводства, свиноводства производительностью 1,5 тыс. т в год компостированных экологически чистых органических удобрений.

Прибыль от реализации продукции в 1995 г. составила 0,95 млрд. руб. при общем объеме капитальных вложений 3,47 млрд. руб. Окупаемость ЭБК 3-4 года. Экономия энергии при использовании сбросного тепла на производство такого объема продукции составила 21 млн. кВт.ч на сумму 1,26 млрд. руб.

Включение ЭБК в состав АЭС и ТЭС позволит уменьшить стоимость систем охлаждения благодаря уменьшению капиталовложений на их строительство и обеспечить рабочий персонал станций экологически чистыми продуктами питания в необходимом количестве.

Особенность рассмотренных технологий в том, что они не являются чисто энергетическими, а представляют комплекс, охватывающий решение как энергетических, так и экологических, агрохимических, лесотехнических и других вопросов, и в этом состоит их высокая рентабельность и конкурентоспособность.

Оборудование и установки по термохимической газификации, биогазовые установки ИБГУ-1 и БИ-ОЭН-1 могут выпускаться серийно в полной заводской готовности, что снижает их себестоимость и повышает качество исполнения и эксплуатационную надежность.

Панцхава Е.С., доктор биол. наук,
Пожарнов В.А., к.т.н,
Зысин Л.В., д.т.н.,
Фарберов В.Г., канд. биол. наук,
Шрамков В.М., Майоров Н.И., к.т.н.,
Школа И.И., инж.

АО Центр "ЭкоРос" - АО "Энерготехнология",
ООО "КОМИСПРЭН",
АО "ВНИИКОМЖ"

ЛИТЕТАТУРА

1. Панцхава Е.С., Кошкин Н.Л. Использование энергии биомассы в России: Проблемы и перспективы // Тезисы германо-российской конференции "Возобновляемые источники энергии и их роль в энергетической политике России и Германии". 1994. 24-26 октября, Фрайбург.
2. Березин И.В., Панцхава Е.С. Техническая биоэнергетика // Биотехнология. 1986. Т. 2. № 2. С. 1-12; № 3. С. 8-15.
3. Панцхава Е.С., Давиденко Е.В. Метангенерация твердых органических отходов городов // Биотехнология. 1990. Т. 6. №4. С. 49-53.
4. Ре-циркуляционное анаэробное сбраживание отходов сельского хозяйства с выработкой биогаза / Т.Я. Андрюхин, Н.К. Свириденко, Ю.В. Савельев и др. // Биотехнология. 1989. Т. 5. №2. С. 219-225.
5. Панцхава Е.С. Биогазовые технологии - радикальное решение проблем экологии, энергетики и агрохимии // Теплоэнергетика. 1994. № 4. С. 36-42.