Энергетическое использование биомассы

Курсовая работа

В последние годы в мире возникла большая заинтересованность в использовании биомассы для выработки тепловой и электрической энергии, ее вовлечение в топливно-энергетический баланс регионов и стран в целом.

Об этом говорят многочисленные исследования в странах Европейского союза и США, направленные на выявление оптимальных путей использования биомассы в энергетике, а также в России 2-33.

Интерес к широкому использованию биомассы определен следующими основными обстоятельствами 1.

1. Экологическими, связанными с необходимостью решения, в том числе, глобальных климатологических задач.

2. Необходимостью снижения потребления невозобновляемых источников энергии (газ, нефть, уголь), активно истощаемых в обозримом будущем, и заменой их возобновляемыми источниками.

Масштабное использование природных энергетических ресурсов для производства энергии на тепловых электрических станциях приводит к значительному загрязнению природной окружающей среды такими вредными выбросами в атмосферу, как диоксид углерода (СО2), оксиды серы (SO2 и др.), азота (NОх), а также твердой пылевзвеси. Обычный каменный уголь выделяет, например, около 3 т СО2 на каждую тонну сожженного топлива. В то же время такой выброс, как СО2, является основным компонентом парникового газа. Несмотря на то, что климатологи мира не могут окончательно договориться о причинах глобального потепления (за 100 лет на 0,6 С, а по различным сценариям к концу столетия температура на планете может возрасти на 1,5…2 и даже 6 С) международными экологическими протоколами на уровне ООН для стран-производителей энергии устанавливаются ограниченные квоты на массовые выбросы СО2. Такие протоколы приняты в Монреале, Рио-де-Жанейро и Киото. Известно, что доля США, например, составляет 35 % мировых выбросов углекислого газа, а в России — 17 %.

Киотский протокол предусматривает добровольное обязательство стран с развитой экономикой с 2008 по 2012 годы увеличивать выбросы СО2 не более 5,2 % по сравнению с уровнем 1990 г.

Если страна-участница протокола сократит выбросы сверх утвержденной нормы, она может продать сэкономленные выбросы условного топлива «перебравшим» лимиты государствам. Те же государства, которые «выбросили» слишком много парниковых газов, должны будут либо купить квоты, либо заплатить штраф. Санкции могут быть настолько большими (до 300…400 долларов за каждую лишнюю тонну углекислого газа), что странам-нарушителям придется или тратить огромные деньги на техническое перевооружение, или закрывать энергозатратные производства. По расчетным прогнозам цена квоты за тонну углекислого газа может составлять от 5 до 80 евро. Энергетика в России эмитирует до 45 % парниковых газов.

24 стр., 11809 слов

Транспорт и окружающая среда. Методы защиты атмосферного воздуха ...

... Самым опасным парниковым газом является CO2, или углекислый газ. На его долю приходятся около 80 % всех выбросов, большая часть которых связана с сжиганием топлива в двигателях автомобилей. Углекислый газ остается длительное ... с дождем поступают 50 тыс. т свинца, попадающего в воздух вместе с выхлопными газами от силовых установок транспортных систем. Под влиянием течений загрязнения очень быстро ...

РАО «ЕЭС России» в 2001 г. учредило для участия в разработке механизма переуступки квот на сэкономленные выбросы специальный некоммерческий Углеродный фонд России. Фонд собирает заявки от Российских компаний для участия в тендерах на продажу сертифицированных квот на выбросы парниковых газов. Рациональными путями снижения выбросов СО2, повышения экологической безопасности при производстве энергии являются:

  • повышение эффективности использования органического топлива;
  • активное внедрение энергосберегающих технологий;
  • использование биомассы как энергетического топлива.

При этом использование биомассы является одним из радикальных путей решения проблемы снижения выбросов парниковых газов (СО2) в топливоиспользующих установках, а также снижения выбросов других вредных ингредиентов:

  • деревья и растения, составляющие основной состав биомассы, сами поглощают выбросы СО2, т.е. в них происходит рециркуляция: сколько СО2 поглощено, столько и выделяется при сжигании и при этом не увеличивается его содержание в атмосфере;
  • в биомассе практически нет серы, малое содержание азота и золы.

Кроме того, эффективное использование биомассы как энергетического топлива снижает негативное ее влияние на окружающую среду от гниения, сжигания в случайных установках и условиях с целью очистки от них и др.

Используя механизмы финансирования, в соответствии с Киотским протоколом, например Санкт-Петербургский лесопромышленный концерн «Лемо», подготовил проект замены угольной ТЭС на энергоузел, работающий на биотопливе. Энергоузел будет обслуживать комбинат по производству пиломатериалов на территории Сясьского ЦБК. Это предприятие будет использовать технологию полного цикла утилизации промышленных отходов в биологически чистое топливо для выработки электроэнергии. Этот проект, как и три других проекта (перевод Амурской ТЭЦ «Хабаровскэнерго» с угля на газовое топливо; совершенствование системы централизованного теплоснабжения на Улан-Удэнской ТЭЦ-1; энергосберегающий проект Невинномысской ГРЭС), принят Углеродным фондом России (РАО «ЕЭС») для участия в тендерах на продажу сертифицированных квот на выбросы парниковых газов.

Другим стимулом использования биомассы в энергетике является вовлечение ее, как источника химической энергии, в топливно-энергетический баланс в качестве возобновляемого источника в структурно-энергетическом балансе (наряду с механической энергией гидро- и ветроэнергетики, тепловой энергией градиента температур и геотермальных установок).

Известно, что уже в обозримом будущем человечество может начать испытывать дефицит в природных энергетических ресурсах. С учетом темпов их наращивания, обеспеченность в мире запасами органических топлив при существующих темпах ежегодного спроса на электроэнергию в цивилизованных странах 2,5…3 % в год составляет (по разным источникам): нефти 25-48 лет; газа 35-64 года; угля 228-330 лет (кстати, запасы урана также могут быть исчерпаны в 30-60 лет) 1.

В то же время последними исследованиями 2 установлено, что экономически оправданное использование биомассы, как энергетического топлива, позволяет покрыть 26 % мировой энергетической потребности.

7 стр., 3299 слов

Использование экологически чистых источников энергии

... использования альтернативных источников энергии. Одно из главных преимуществ альтернативной энергии это — экологичность и постоянная доступность. Геотермальная энергия – это энергия, которая находится внутри земной коры. Ресурсы данного вида энергии неисчерпаемы и экологически чисты. ... образования. Этот процесс состоит из улавливания выбросов электростанции и последующего хранения газа глубоко под ...

При этом, как показано, за счет использования биомассы в качестве возобновляемого источника энергии сохраняются природные ресурсы, в значительной степени решается проблема выбросов СО2, повышается экологическая безопасность за счет снижения вредных выбросов.

Между тем существуют факторы, препятствующие широкому внедрению биомасс:

  • џ недоступность определенной доли растительных ресурсов для рентабельного использования;
  • џ распределение некоторых видов биомасс относительно мелкими партиями, трудность их сбора (концентрации) и транспортировки;
  • џ сезонность рынка некоторых биомасс, особенно годичного цикла;
  • џ трудности длительного хранения биомасс;
  • џ сложившийся стереотип и отсутствие в нашей стране законодательного и экономического стимулирования.

Растительные биомассы считаются одним из наиболее «благородных» видов топлива и во многих странах рассматриваются, как перспективный источник энергии на ближайшее будущее. Ежегодный воспроизводимый потенциал биомасс оценивается в 10 раз выше мировой добычи полезных ископаемых. При этом, однако, необходимо учитывать, что доступность и экономическая целесообразность использования разных видов биомасс различна 4. И все же, в конечном счете, при любом способе энергетического использования биомасс как возобновляемых источников энергии:

  • џ сохраняются природные ресурсы;
  • џ кардинально решается проблема выбросов парникового газа СО2;
  • џ уменьшается загрязнение атмосферы выбросами SO2, NОх, золы;
  • џ снижается стоимость вырабатываемой энергии.

Все это делает весьма перспективной проблему использования биомасс в энергетике.

Однако следует учитыват, что ряд их характеристик имеют уникальные особенности и кардинально отличаются от освоенных и используемых в энергетике углей. Это обстоятельство ограничивает и затрудняет их использование и требует разработки и внедрения нового оборудования и модернизации существующего.

Указанным обстоятельствам по внедрению и оптимизации способов использования биомассы как возобновляемого источника энергии в крупной энергетике в последнее время стали активно уделять внимание во многих странах мира. Об этом говорят многочисленные публикации в разных изданиях 2-15. К сожалению, в России этим вопросам уделено пока недостаточно внимания. Однако в малой (промышленной) энергетике и в России выполнен большой комплекс исследований и разработок по использованию биомасс различного происхождения 16-21, 22-26.

При этом следует иметь в виду, что по запасам биомассы Россия занимает первое место в мире, а лесные запасы уже сами по себе оказывают благотворный экологический эффект на климат всей планеты.

Особой актуальностью этой проблемы обеспокоено Европейское сообщество, которое даже вступление России во Всемирную торговую организацию (ВТО) обусловило необходимостью ратификации Россией Киотского протокола (и принятие в соответствии с ним обязательств по снижению вредных выбросов).

Хотя обеспокоенности по отношению к запасам угля не существует (по сравнению с ограниченными запасами нефти и газа, которые не смогут быть использованы как энергетическое топливо в ближайшем будущем, запасов угля может хватить на многие сотни лет), однако его использование в энергетике (объемы использования постоянно растут) создает проблему совместимости существующих технологий его сжигания и окружающей среды.

9 стр., 4200 слов

Твердые бытовые отходы как возобновляемый источник энергии

... выделения энергетической фракции из твердых бытовых отходов заключается в том, что использование ее в качестве топлива позволяет сократить объемы использования ископаемого топлива, значительно сократить объем отходов, направленных ... прилива, геотермальной энергии, свалочного газа, сточных вод, биогаза и биомассы. Этот закон по использованию биомассы в сельском хозяйстве (в том числе растительного и ...

Сжигание угля вызывает значительные выбросы в атмосферу таких вредных веществ, как SОx, NОx, золовые частицы, тяжелые металлы, а также увеличивает массовые выбросы относительно безвредного но создающего парниковый эффект диоксида углерода (СО2).

Уже в течение многих лет общественность озабочена выбросами в атмосферу таких загрязнений, как SОx, NОx, золовые частицы и тяжелые металлы. В 2004 г. разработаны нормы для регламентирования выбросов тяжелых металлов, что потребует новых затрат для их соблюдения. При этом будет осуществлен переход на ограничение выбросов микрочастиц (2,5 микрона и менее), так как в них концентрируется содержание вредных тяжелых металлов (ртути и др.).

Эти нормы потребуют значительно более совершенных и дорогостоящих способов очистки газа. Особое внимание в последнее десятилетие будет уделяться в дальнейшем и выбросам диоксида углерода (СО2) — конечного продукта сжигания ископаемого топлива. Это объясняется главным образом его влиянием на изменение климата. Вред природе наносят не сами выбросы СО2, а их накопление в атмосфере. Согласно 34, проведенные измерения показали, что концентрация СО2 в атмосфере выросла с 280 ррm (в так называемый доиндустриальный период, середина XVIII в.) до 370 ррm в 2003 г. Более половины выбросов СО2, образовавшихся при сжигании ископаемых топлив, не поглощается биосферой и поверхностью океана, а накапливается в атмосфере. Темп роста концентрации СО2 составляет 47 ррm/год.

В таком случае даже при умеренном росте мировой экономики (не превышающем 2 % в год) концентрация СО2 в атмосфере к 2050 г. превысит 500 ррm. Для прекращения роста концентрации СО2 в атмосфере необходимо в ближайшие 10-20 лет снизить его выбросы до уровня в 3 раза ниже уровня выбросов 1990 г.

Использование растительной биомассы выгодно отличается от углеводородного сырья своими экологическими достоинствами (малая зольность, практическое отсутствие серы и, безусловно, — снижение парникового эффекта) и позволяет в значительной мере решить эту климатологическую и экологическую проблему.

биомасса энергетический ресурс

1. Основные источники

[Электронный ресурс]//URL: https://drprom.ru/kursovaya/energeticheskoe-ispolzovanie-biomassyi/

Основные источники биоэнергетических энергоресурсов включают в себя:

  • отходы сельскохозяйственного производства;
  • органические отходы промышленности, в том числе лесной, деревообрабатывающей, гидролизной, целлюлозно-бумажной, пищевой, мясо-молочной;
  • осадки сточных вод;
  • отходы коммунального производства (твердые бытовые отходы ТБО и жидкие).

Основными видами биомассы являются:

  • џ древесные отходы (включая отходы лесного хозяйства);
  • џ сельскохозяйственные отходы (включая отходы растениеводства, мукомольного производства, животноводства);
  • џ выращиваемые энергетические культуры;
  • џ отходы целлюлозно-бумажного производства (щелоки, отжатая кора и др.);
  • џ бумага, не подлежащая вторичной переработке.

Наиболее значительным возобновляемым биоресурсом является древесина, запасы (лесные массивы) которой в России составляют свыше 25 % общемировых.

На каждый 1 млрд м3 объема леса на корню ежегодный прирост древесной биомассы составляет 25 млн м3 (здесь древесную биомассу составляет в основном переросший, болеющий или отмерший лес в виде кругляка).

С каждого гектара такого леса, например с лесного массива Новосибирской области, прирост древесины составляет 2,2 м3.

В результате прореживания, необходимого для поддержания культурного уровня лесов, в Европе, например, получают 0,9 т древесной биомассы с гектара.

К древесной биомассе относятся: кругляк, щепа, кора, древесные опилки с лесопилок, древесные опилки мебельных отходов, горбыль, отходы лесозаготовок (сломанные деревья, кроны ветвей, пни и их корневая система и др.), древесная шлифовальная пыль, древесные отходы от сноса строительных сооружений, переработанные древесные отходы (из фанеры, досок), древесные отходы из необработанной древесины, деревянная тара, измельченные планки, древесная стружка.

Каждая из названных групп древесной биомассы отличается гранулометрическим составом, влажностью, способностью к транспортировке и хранению, удельным весом и, конечно, энергетическими характеристиками, которые будут рассмотрены более подробно.

Использование древесной биомассы только за счет ее прироста позволяет не только выработать значительный объем тепловой и электрической энергии, но и стимулировать лесостой и культурный уровень лесов (уменьшить загрязнение рек и ручьев, удалить потенциальный источник пожаров и гниения, проводить регулярную чистку лесных массивов).

Биомасса из сельскохозяйственных отходов включает в себя: солому, лузгу подсолнечника, гречихи, овса; отходы мукомольного производства (отсевы, отруби); отходы животноводства (от животноводческих комплексов и птицефабрик); костная мука.

К выращиваемым энергетическим культурам, составляющим биомассу, относятся: быстрорастущие травы (стебли люцерны и др.); деревья с коротким севооборотом (гибридная ива и др.), лозное просо.

Как видно, биомасса состоит из различных видов, в пределах каждого вида имеет место значительное количество групп. А все эти виды и группы в пределах вида могут иметь свои существенные различия как по энергетическим характеристикам, так и по гранулометрическому составу, влажности, зольности, удельному весу, способности к размолу, транспорту, хранению; сезонности получения и масштабности поставки; склонности к взрывам, пылению и др.

Учитывая саму природу происхождения биомассы различных видов и групп, принципиальных различий в их характеристиках, по данным зарубежных и российских исследователей, ожидать не следует. Это позволяет, для выработки технических решений, более активно и уверенно использовать материалы зарубежных исследований и обобщать материалы публикуемых работ по рассматриваемому вопросу.

В связи с тем, что биомассу отходов животноводства (от животноводческих комплексов, птицефабрик) в силу своих особых специфических свойств наиболее целесообразно использовать, как показывает практика, в мелких промышленных установках через получение из нее биогаза, в настоящей работе ее использование рассматривается в приложении (технология получения биогаза имеет свою специфику).

Значительное количество органических отходов в виде соответствующих биомасс имеет место в целлюлозно-бумажном производстве (ЦБП).

Целлюлозно-бумажное производство относится к наиболее энергоемким отраслям промышленности и отличается наличием широкой гаммы специфических отходов, которые должны использоваться либо в чисто энергетическом, либо, что наиболее экономично, в энерготехнологическом направлениях. В табл. 3.1, 3.2 приведены характеристики и баланс отходов ЦБП.

В табл. 2 приведен баланс отходов современного мощного лесо-промышленного комплекса, перерабатывающего 6,5 млн м3 древесины в год (в том числе на нужды ЦБП 4,5 млн м3) 35.

Для энергетических нужд (электроэнергия, тепло на технологические и бытовые нужды) такое предприятие должно потреблять 2,1106 т у.т./год. Из табл. 3.2 видно, что за счет сжигания отходов целлюлозно-бумажного производства (ЦБП) можно удовлетворить до 50 % потребности предприятия в энергетическом топливе. При полном использовании отходов ЦБП в масштабах всей отрасли можно ожидать экономию более 5,5 млн т у.т./год (масштаб производства 1975 г.).

Таблица 1

Характеристика отходов ЦБП

Отходы

Wr, %

Ad, %

Элементный состав сухой массы, %

Qri, ккал/кг

Vdaf, %

Cd

Hd

Sdобщ

(N+O)d

Отжатая кора

55…75

3…5

49…50

6…6,2

39…40

1580…610

78,5

Древесные отходы

40…60

0,9…1,4

50,5…51

5,6…6,0

40,5…42,5

2440…1340

81…85

Черный щелок

35…45

40…50

34…39

2,8…3,5

3,4

13…18

1800…1300

60…70

Сульфитный щелок

35…45

4…15

45…51

4,1…5

4,1-8

25…37

2000…1300

38…70

Уже одно это обстоятельство определяет значительный экономический эффект проблемы рациональной организации использования отходов ЦБП. Большая дополнительная экономия возникает за счет высвобождения средств, затрачиваемых на транспортировку твердых отходов в отвалы и на сооружение очистных устройств для жидких отходов.

В табл. 3.1 приведены характеристики отходов ЦБП как топлива 35. Видно, что все отходы ЦБП обладают свойствами, резко отличающими их от обычных энергетических топлив. При относительно высокой реакционной способности сухой массы они имеют чрезвычайно высокую приведенную влажность, специфические свойства минеральной части и обладают рядом других особенностей. Все это предъявляет особые требования к конструкциям топочных устройств. Таким образом, на целлюлозно-бумажных предприятиях всегда имеется широкая гамма топлив, резко различающихся по своим характеристикам: обычные энергетические (твердые натуральные топлива, мазут или газ), древесные отходы и жидкие горючие отходы производства.

Таблица 2

Баланс отходов лесопромышленного комплекса с объемом переработки 6,5 млн м3 древесины

Отходы

Разновидность отходов

Количество топлива

Теплотворная способность, Qri, ккал/кг

В пересчете на условное топливо

В пересчете на выработку пара **

т/год

т/час

т/год

т/час

т/год

т/час

Твердые отходы

Механическая переработка древесины и ее сортировка

Отжатая кора

678,6103

119,8/53,1*

1340

(Wr=55 %)

130103

22,9/10,2*

1195х103

211,0/93,7*

Опилки от слешеров

32,9103

5,9/2,5

2030

(Wr=45 %)

9,6103

1,7/0,72

88,2103

15,6/6,64

Отходы древесины при окорке и промывке балласта

70,7103

11,4/6,4

2030

(Wr=45 %)

20,5103

3,3/1,86

189,0103

30,4/17,1

Мелкая щепа от сортировок

14,0103

1,7/1,7

2030

(Wr=45 %)

4,1103

0,493/0,493

37,7103

45,/4,5

Древесная пыль

63,0103

11,9/4,4

2030

(Wr=45 %)

18,3103

3,45/1,28

168,6103

31,7/11,78

Обрезки фанеры и шпона

31,5103

3,8/3,7

2440

(Wr=40 %)

11,0103

1,32/1,29

115,0103

12,15/11,85

Жидкие отходы

Отходы от варки целлюлозы

Черный щелок

3022,2103

365,0

1300-1800**

(Wr=40 %)

810103

98,0

7452103

901,0

Барда гидролизно-дрожжевого производства

107,0103

12,9

1300-2000**

(Wr=45 %)

30,5103

4,2

281,0103

38,65

Всего

4020103

1034103

9500103

* В числителе и знаменателе приведен часовой расход топлива в летний и зимний периоды соответственно; количество дней работы для условий Восточной Сибири принято: летом — 150 дней, зимой — 195 дней.

** Испарительность 1 кг условного топлива принята равной 9,2 кг/кг (параметры пара: р = 39 кг/см2, tп.п. = 440 С, tп.в. = 145 С, к.а. 85 %)

*** Колебания определяются сортом перерабатываемой древесины и выходом целлюлозы.

Поэтому для ЦБП наиболее остро встает проблема создания многотопливных котлов, допускающих сжигание под котлом единого профиля всех указанных топлив в различных соотношениях.

Кроме того, экономически целесообразно, а в ряде случаев необходимо по условиям технологии осуществлять сжигание отходов ЦБП в энерготехнологических агрегатах.

Как видно из табл. 3.1, отходы ЦБП можно разбить на две крупные группы: древесные твердые отходы и жидкие отходы (щелока).

Проблемы сжигания и утилизации этих отходов решаются по-разному.

2. Ресурсы биомассы в России,

Основными ресурсными источниками растительной биомассы являются: древесина, отходы от ее заготовки и переработки, сельскохозяйственные отходы растениеводства, промышленные отходы от их заготовки и переработки, а также бытовые отходы. Индустриальной базой для биоэнергетики могут стать специальные плантации, селекционируемые соответствующими быстрорастущими видами деревьев, кустарников и трав, которые могут быть развиты при рекультивации свободных площадей.

Сюда можно, на наш взгляд, отнести и торф, хотя в ряде стран дискутируется вопрос: является ли он биологическим или ископаемым топливом. Торф, несомненно, можно отнести к возобновляемым источникам энергии, так как его ежегодный прирост значительно превышает его потребление.

Кроме того, физико-химические характеристики торфа идентичны «классическим» биотопливам и использование его и «классического» биотоплива может практически производиться с использованием однотипных энергетических технологий.

Основной ресурсной базой биотоплива в России являются отходы лесозаготовок, которые составляют 40…60 % заготавливаемой древесины; 20 % составляют отходы, образующиеся при лесопереработке и используемые пока только на 20 %. По приближенным оценкам 36, суммарное годовое количество отходов лесопромышленного комплекса составляет свыше 200 млн м3. Отходы сельскохозяйственного производства составляют 200…250 млн м3 в год. В отвалы ежегодно направляются 100 млн м3 промышленных отходов только лигнина. Твердые бытовые отходы ежегодно накапливаются в количестве 35 млн т. В целом, ежегодно образующееся совокупное количество растительных отходов в России эквивалентно приблизительно 100 млн т нефти.

В табл. 3 приводятся 37 оценки ресурсной базы биомассы для энергетического использования в различных регионах страны (по данным 1985-1990 гг.)

В России отходы переработки древесины используются в основном в целлюлозно-бумажной и лесной промышленности, однако не в полной мере. Потребление торфа в связи с возможностью использования в энергетике газа и жидкого топлива на этапе 2000-2005 гг. неуклонно снижается, а доля переработки твердых бытовых отходов составляет менее 1 %. То есть использование биомассы в России в отличие от ряда цивилизованных стран, которые по климатическим условиям близки ко многим регионам России (Финляндия, Швеция), используется пока недостаточно.

Таблица 3

Оценка энергетических ресурсов растительной биомассы России

№ п/п

Экономический регион

Отходы лесозаготовок, млн м3/год

Отход лесопереработок, млн м3/год

Торф, млн м3

Запасы

Годовая добыча

1

Северный

38

8,29

6681

69,1

2

Северо-Западный

7,26

1,7

3370

46

3

Центральный

12,72

3,52

1387

23,1

4

Волго-Вятский

10,92

2,76

1123

14,8

5

Центрально-Черноземный

0,18

0,28

6

Поволжский

3,66

2,64

7

Северо-Кавказский

0,9

0,87

8

Уральский

23,58

5,92

4416

47,7

9

Западно-Сибирский

16,38

3,66

50063

192,3

10

Восточно-Сибирский

38,1

11,46

16232

11

Дальневосточный

18,18

3,23

3713

Всего по Российской Федерации

169,98

43,73

86985

393,0

В нашей стране создание технологий по энергетическому использованию растительной биомассы осуществляется в рамках Государственной научно-технической программы «Экологически чистая энергетика» с 1988 г. 38.

Определенная активизация в этом направлении в последние годы происходит на фоне расширения таких работ в большинстве развитых стран, возросших экологических требований к производству энергии на органическом топливе и выделении многими странами растительной биомассы как перспективного источника энергии на ближайшее будущее. Использование энергетического потенциала биомассы является одним из приоритетных направлений в области нетрадиционной энергетики в программе России «Экологически чистая энергетика».

По данным Мирового энергетического совета, представившего варианты прогноза вклада разных видов энергоресурсов в миллионах тонн нефтяного эквивалента (табл. 4) 39 на период до 2020 г., видна опережающая роль включенной в энергобаланс, как нетрадиционного возобновляемого источника энергии, современной биомассы.

Таблица 4

Прогнозируемое использование возобновляемых энергоресурсов на период до 2020 г. (по данным МИРЭС) 39

Вид нетрадиционных энергоресурсов

Вариант прогноза и вклад возобновляемых источников энергии в общее энергопотребление

Минимальный

Максимальный

млн т н.э.

%

млн т н.э.

%

Современная биомасса

243

45

561

42

Солнечная энергия

109

20

355

26

Ветровая, геотермальная, малые ГЭС бытовые отходы

187

35

429

32

Чтобы рассматривать растительное топливо (биомассу) как альтернативное невозобновляемому органическому (уголь, нефть, газ), для электростанций важно решить вопрос ритмичности и непрерывности его поставки. Одним из недостатков, возможных для поставки на ТЭС отходов сельскохозяйственного производства, является сезонность и неритмичность их поставки. Для обеспечения ритмичности поставок может быть рассмотрен вариант с конвейерной ротацией быстрорастущей биомассы.

Расчеты показывают 40, что для работы ТЭС мощностью 100 МВт необходима плантация с конвейерной ротацией биомассы (растительного топлива) площадью 100 км2 при обычной скорости прироста древесной массы 40 т/га в год; ежегодная вырубка при этом должна производиться с площади 8…10 км2. Площадь посадки может быть существенно уменьшена при использовании быстрорастущих древесных пород.

Достижения селекции позволяют рассчитывать на определенные успехи в этом направлении.

3. Характеристики биомассы, как энергетического топлива

3.1 Общие энергетические характеристики биомассы

Как показано, биомасса состоит из разных видов и групп в пределах каждого вида. В соответствии с природой исходных продуктов, технологии их переработки, характера отходов различны их характеристики. Это необходимо учитывать при разработке технологии их практического использования.

Основные характеристики, по которым биомассы отличаются в зависимости от вида (и группы), это (табл. 3.5…3.8):

  • џ технический состав (зольность, влажность, калорийность);
  • џ элементный состав;
  • џ состав минеральной части;
  • џ шлакующие характеристики;
  • џ экологические характеристики;
  • џ коррозионные характеристики.

Общими особенностями биомассы, как энергетического топлива, являются (табл. 5…9):

  • џ высокая реакционная способность (выход летучих на горючую массу составляет от 75…80 % до 92 %);
  • џ повышенная взрывоопасность и пожароопасность (по классификации «Правил взрывобезопасности» 8 критерий взрываемости Кт достигает 8,4);
  • џ крайне нестабильная влажность (в зависимости от способов получения биомассы, ее хранения и складирования влажность колеблется от 25 до 65 %);
  • џ повышенные загрязняющие и шлакующие свойства минеральной части при низкой зольности (за счет повышенного содержания щелочных элементов К2O + Na2O, достигающего 30..35 %, «короткие» шлаки при низких температурах плавления ta tc = 1150…1180 C;
  • џ высокие коррозионные свойства для биомасс годичного цикла из-за повышенного содержания калия, а также частично хлора (до 4,0 % и 4,5 % соответственно);

Таблица 5

Анализ топлив из биомассы, на сухую массу

Технический анализ, % по весу (несортированное)

Опилки из мебельных отходов

Опилки с лесопилок

Лозное просо

Гибридная ива

Измельченная тара

Влажность

7,88

5,39

8,77

7,83

4,57

Летучие

75,5 1

73,55

71,68

75,34

73,58

Связанный углерод

15,53

19,59

11,19

11,04

6,74

Зольность

1,08

1,47

6,95

5,8

15,11

Элементный анализ, % по весу (на сухую массу)

Водород

7,09

6,26

6,02

6,02

4,8

Углерод

49,08

48,47

46,21

48,29

42,4

Сера

0,08

0,16

0,11

0,05

0,10

Азот

3,25

0,59

0,94

1,20

0,22

Кислород

39,16

42,93

37,56

38,15

36,65

Хлор

0,17

0,04

0,04

0,04

0,04

Минеральная часть

1,17

1,56

9,16

6,29

15,83

Таблица 6

Разброс данных при анализе топлив из биомассы, включая несортированное топливо 7, 13, 15

Характеистика топлива

Опилки из мебельных отходов

Опилки с лесопилок

Лозное просо

Влажность, % по весу, несортированное топливо

5,95…7,64

7,53…58,00

5,81…11,05

Зольность, % по весу, на сухую массу

0,59…1,37

0,57…2,40

5,22…18,45

Сера, % по весу, на сухую массу

0,05…0,10

0,02…0,07

0,04…0,18

Азот, % по весу, на сухую массу

2,32…4,32

0,12…0,72

0,59…1,20

Таблица 7, Характеристика плавления золы биомассы

№ п/п

Температуры плавления золы

Размерность

Опилки мебельных отходов

Опилки с лесопилок

Лозное просо

Гибридная ива

Измельченная тара

1. Восстановительная среда

1.1

tA

С

1195…1280

1175…1480

1165…1200

1150

н/о

1.2

tB

С

1215…1285

1180…1485

1215…1235

1160

н/о

1.3

tC

С

1230…1290

1185…1490

1265…1285

1260

н/о

2. Окислительная среда

2.1

tA

С

1210…1335

1180…1510

1230…1250

1175

н/о

2.2

tB

С

1215…1340

1190…1515

1270…1310

1180

н/о

2.3

tC

С

1250…1345

1200…1520

1290…1380

1225

н/о

3. Состав золы в % по весу

3.1

SiO2

%

15,0…18,25

52,4…41,0

61,0…67,2

56,4

14,67

3.2

Al2O3

%

3,7…3,9

8,1…12,3

2,0…2,6

7,2

4,1

3.3

Fe2O3

%

10,3…22,0

7,3…9,9

3,9…7,2

5,9

10,5

3.4

TiO2

%

5,3…7,6

0,5…0,6

0,15…0,2

0,9

8,8

3.5

CaO

%

22,8…29,5

12,3…15,7

9,5…11,8

16,3

37,4

3.6

MgO

%

3,4…4,4

1,1…1,8

4,3…4,9

2,6

6,7

3.7

Na2O

%

7,5…13,6

0,3…0,8

0,4…0,8

2,0

11,7

3.8

K2O

%

3,3…6,6

7,5…10,1

3,7…8,3

4,1

3,2

3.9

P2O5

%

0,0…3,0

0,7…0,8

2,1…4,0

2,0

0,0

џ возможные значительные колебания основных характеристик в пределах одной биомассы (влажности, калорийности и др.);

џ затрудненность движения биомассы по тракту за счет волокнистого строения материала (питатели, бункера, течки и др.);

џ ухудшенные сыпучие свойства, низкая плотность, высокая волокнистость, неоднородный гранулометрический состав, что приводит

Таблица 8, Характеристики топлива и биомасс 4

Показатель

Уголь

Торф

Дрова

Биомасса

Кузнецкий СС (разрезы)

Челябинский Б3

Брезовский Б2

Древесные отходы

Солома

Растительные отходы

Влага, Wrt, %

9,5

15,5

33

50

35

25,3

12,77

11,26

Зольность Ad, %

18,75

43

7

12,5

1,15

4,72

5,86

4,66

Выход летучих Vd, %

16,86

25,65

44,64

61,25

80,03

76,79

77,48

78,71

Коксовый остаток, Cd, %

64,39

31,35

48,36

26,25

18,82

18,5

16,67

16,63

Выход летучих Vdaf, %

20,75

45

48

70

80,96

80,59

82,3

82,56

Теплота сгорания Qri, кДж/кг

25150

12600

15650

8120

11600

13350

15200

15580

Элементный состав, %

Сdaf

86,75

71

71

56,5

50,96

53,36

48,21

50,11

Hdaf

4,45

5,1

4,9

6

6,08

6,27

6,04

5,95

Sdaf

0,55

1,7

0,3

0,3

0,03

0,05

0,12

0,12

Ndaf

2,2

2,0

0,7

2,5

0,33

0,48

0,67

1,21

Odaf

6,7

20,2

23,1

34,7

42,6

39,48

44,82

42,55

Cldaf (сверх 100 %)

0,04

0,04

0,05

0,32

0,17

Состав золы, %

SiO2

55,86

56,31

30

35,82

6,06

45,3

58,36

59,6

Al2O3

27,8

25,02

11

8,7

1,76

10,15

2,56

2,18

TiO2

0,9

0,9

0,41

0,05

0,11

Fe2O3

7,79

858

9

16,38

1,38

4,54

0,8

1,53

CaO

3,72

2,93

42

32,45

54,34

24,3

9,61

15,0

MgO

1,21

2,72

6

3,58

10,05

3,85

2,63

4,33

K2O

1,71

242

1,2

1,23

24,52

9,11

25,0

16,67

Na2O

1,06

1,11

0,8

1,43

1,75

2,22

1,04

0,69

MnO (сверх 100 %)

0,1

0,3

0,36

1,58

2,19

P2O5 (сверх 100 %)

0,45

0,5

2,35

10,78

3,12

2,98

9,59

SO3 (сверх 100 %)

5,19

4,27

2,21

Cl (сверх 100 %)

0,35

4,39

3,59

к возникновению проблем транспорта и размола и не всегда позволяет использовать существующее пылеприготовительное оборудование и совместный размол с другим топливом;

џ неоднородный гранулометрический состав;

џ обогащение шлаков щелочами при сжигании биомассы снижает их коммерческую привлекательность (в цементной промышленности, например).

В то же время следует отметить достаточно высокие экологические характеристики биомассы:

џ низкая зольность (Ad = 2…12 % в среднем 4 %);

  • џ низкое содержание серы (Sdaf = 0,02…0,1 %) и азота (Ndaf = = 0,3…1,2 %);

џ снижение загрязнения атмосферы таким парниковым газом, как СО2, за счет рециркуляции углекислого газа (сколько поглощают сами деревья и растения СО2, столько же и выделяют при горении, не увеличивая его количества в атмосфере);

џ низкое содержание хлора в минеральной части (в среднем 0,04 % и лишь для растительных отходов до 4,3 %).

В табл. 3.8 приводятся данные по характеристикам биомассы, которая использовалась российскими исследователями 4 при совместном и раздельном сжигании биомассы с углем на огневом стенде УралВТИ. Как и предполагалось, принципиальных отличий в составе биомасс не наблюдается. Здесь же, для сравнения, даны характеристики для угля и торфа.

3.2 Энергетические характеристики и состав биомассы древесных отходов

В связи с тем, что Россия располагает свыше 25 % мировых запасов леса, занимается активной переработкой древесного материала, использование древесной биомассы становится достаточно актуальным. Она используется как возобновляемый источник при выработке энергии.

Лесами, из которых почти 80 % падает на долю хвойных, занято 2/5 территории страны. Основные запасы леса сосредоточены в Сибири и на Севере Европейской части страны. При рубке леса и обработке древесины весьма большую долю составляют его отходы (пни, ветви, горбыли, щепа, стружки, опилки и др.).

К категории древесного топлива относятся, кроме собственно деревьев, их растительные отходы (пни, сучья, ветви, вершинные части деревьев) и отпады (хвоя, листья, валежник, кора), также промышленные отходы (обрезки, щепа, стружка, опилки, деревянная тара и др.).

Органическая часть древесины и других растительных образований состоит в основном из углеводов и в меньшей степени из белков, жиров, восков и смол, входящих в состав растительных клеток или заполняющих межклеточное пространство растительной ткани. Основными компонентами углеводов являются целлюлоза (С6Н10О5)х, из которой построены стенки клеток, гемицеллюлоза, представляющая собой гидролизирующуюся часть целлюлозы, и лигнин — особое инкрустирующее вещество, заполняющее межклеточные промежутки (С9Н24О10).

Содержание целлюлозы в органической части многоклеточных растений достигает 60 %, содержание лигнина 20…30 %(в зависимости от породы и возраста древесины).

Растительная ткань пропитана водой, в которой растворены различные минеральные соли, образующие при сжигании древесины золу. Содержание солей в древесине обычно 1 %. Так, в сосновой древесине содержание минеральных солей составляет 0,21 %; в березовой — 0,29…0,38 %; в дубовой -0,37 %; в еловой — 0,22…0,37 %. Однако в коре, листьях (а также в стеблях однолетних растений) содержание минеральных примесей значительно больше и составляет: в еловой коре — 5,77 %, в буковой -8,84; ( в соломе — 3,3…7,2 %; в лузге — 2,31 %; в камыше — 7,4 %).

В табл. 9 приведены состав и некоторые характеристики древесной и растительной биомассы в сравнении с торфом.

Таблица 9

Состав и характеристики некоторых видов биомассы в сравнении с торфом

№ п/п

Топливо

Состав органической массы

Wr, %

Ar, %

Vdaf, %

Qri, кДж/кг

Со,%

Но, %

Оо+Nо, %

Ndaf, %

1

Древесная биомасса

0,3…0,5

1.1

Сосна

50,2

6,0

43,8

-//-

57,4

1,4

76…90

7120

1.2

Береза

49,3

6,1

44,6

-//-

50,4

2,1

-//-

8140

1.3

Ольха

49,0

6,3

44,8

-//-

51,0

1,4

-//-

7780

1.4

Осина

48,8

6,1

45,1

-//-

44,0

1,1

-//-

9150

2

Растительная биомасса

0,6…1,5

2.1

Солома

44,9

5,4

49,7

0,67

8

5,0

78…86 (до 90 %)

13120

2.2

Лузга подсолнечника

51,7

6,3

42,0

0,7

15

2,0

-//-

15500

2.3

Камыш

1,2

16

7,4

-//-

14400

3

Торф

2,5

70

3.1

Кусковой

57,86

6,0

35,8

2,3

40,0

6,6

70

10170

3.2

Фрезерный

57,75

6,1

35,9

2,1

50,0

5,5

70

8500

Структура сухой массы древесины, как подчеркивалось ранее, представляет собой совокупность ячеек, стенки которых образуются в основном из клетчатки, состоящей из целлюлозы (С6Н10О5)х, гемицеллюлозы и особого вещества-лигнина, являющихся сложными соединениями углерода, водорода и кислорода. В состав древесины, кроме того, входят в небольшом количестве смолы, жиры, воск, дубильные вещества и минеральные примеси. На состав минеральных примесей оказывает влияние также технология получения древесных отходов. Например, в отходах с мебельных фабрик, где в производстве используются разные клеи, имеется особенно повышенное содержание щелочей. При этом технология получения древесных отходов резко влияет не только на состав их минеральной части, но и на все их характеристики как энергетического топлива. Эти характеристики различны: для свежевырубленного леса; для опилок с лесопилок и для опилок с мебельного производства; для измельченной тары; для коры; для хвои и других видов древесной биомассы. Значительно отличаются характеристики древесной массы с годичным циклом, выращиваемой на специальных плантациях.

Сама природа древесины мало влияет на состав ее органической части. Состав органической массы древесины разных пород может характеризоваться следующими усредненными данными: Со = 50 %; Но = 6 %; Оо = 43 %, Nо = 0,43 %; Sо = 0 %; зольность сухой массы такой древесины Аd = 1…2 %; содержание влаги у растущего дерева W r = = 45…65 %, а при хранении на воздухе древесины в течение 1,5…2 лет ее влажность снижается до 18…20 %.

Так как состав органической массы древесины достаточно стабилен для разных пород (а величина зольности мала), на теплоту сгорания ее существенное влияние оказывает содержание влаги. При достаточно стабильной органической части ее теплота сгорания составляет 18,4 МДж/кг. Из этих соображений профессором К.В. Киршем предложена для определения теплоты сгорания рабочей массы формула

Qri = 18,4 — 0,209Wr, МДж/кг.

В целом, для древесной биомассы показательны следующие энергетические характеристики, оказывающие существенное влияние на ее поведение в технологическом цикле при производстве тепловой и электрической энергии.

1. Состав органической массы достаточно стабилен и составляет на сухую массу: содержание углерода Сd = 45…53 %, водорода Нd = = 5…6 %, кислорода Оd = 37…45 %, азота Nd = 0,3…1,2 %.

2. Теплота сгорания, в зависимости, главным образом, от влажности колеблется в пределах 7…15 МДж/кг. При среднем составе на горючую массу: Сdaf = 50 %; Нdaf = 6 %; Оdaf = 43 %; Ndaf = 1 % и при влажности W r = 42 % величина Qri = 2440 ккал/кг.

3. Высокая реакционная способность, определяемая величиной выхода летучих, составляет Vdaf = 80…90 % на горючую массу.

4. Высокая склонность к самовозгоранию, определяется величиной критерия взрываемости Кт 8.

5. Колебания влажности, в широком диапазоне, в зависимости от способа получения биомассы и условий ее хранения — от 8 до 60 % (в среднем 20…60 %) и в отдельных случаях до 80 %.

6. Высокая шлакуемость определяется спецификой минеральной части:

  • џ высокое содержание щелочи, в основном в виде К2О (в среднем 8…10 %), в отдельных случаях до 25 %;
  • при этом, хотя содержание Na2О в среднем составляет 0,3…2,2 %, для отдельных видов отходов мебельного производства Na2О может достигать 7…13 %;
  • џ достаточно высокое содержание Fe2O3 (7…10 %), а для отдельных отходов мебельного производства величина Fe2O3 может достигать 22 %;
  • џ хотя содержание оксида кальция умеренно ( в среднем СаО = 12…15 %), для отдельных отходов мебельного производства и деревянной тары содержание СаО + МgО может достигать 30…37 %;
  • џ при низком, в среднем содержание хлора ( 0,04 %), для отдельных отходов мебельного производства достигает 1,2 %;
  • џ низкие температуры плавкости золы как в восстановительной, так и окислительной среде (температура tс достигает 1180…1200 С);
  • џ очень «короткие» шлаки (разность между температурами ta и tc достигает всего 30…40 С: ta = 1150 С величина tc = 1180 С).

7. Плотность древесной массы в 3…5 раз ниже плотности угля -(300…500 кг/м3) по сравнению с 1400 кг/м3 для угля.

8. Волокнистая структура материала, что вызывает определенные трудности при движении его по тракту (бункера, течки, питатели-дозаторы и др.).

9. Широкий диапазон изменения гранулометрического состава исходной древесной биомассы (опилки -до 8 мм; щепа- до 100 мм; кругляк, после расщепления, 5…35 мм и др.).

10. Весьма благоприятные экологические характеристики:

  • низкая зольность (на сухую массу- в среднем 2 %) — от 1,6 до 5,0 % (отдельные значения достигают 6 %);
  • низкое содержание серы (от полного отсутствия до 0,1 в среднем), достигая максимум 0,18 % на сухую массу;
  • ограниченное содержание азота — в среднем 0,25…1,0 %, достигая для отдельных видов отходов до 2…3 % на сухую массу;
  • способность не увеличивать в атмосфере содержание парникового углекислого газа от сжигания древесной биомассы.

Рассматривая возможные варианты энергетического использования древесной массы, следует иметь в виду, что по своим энергетическим характеристикам (несмотря на имеющиеся специфические особенности, которые необходимо учитывать при выборе технических решений по энергетическому использованию) наиболее близкими энергетическими топливами, уже освоенными для эффективного использования, являются лигниты, торф (фрезерный), землистые бурые (окисленные) угли и бурые угли марки Б1 (W r 40 %) 27…30.

Особенно это относится к фрезерному торфу. у которого основная масса имеет размер менее 3 мм (85 % всей массы).

Содержание летучих в нем V daf = 70 %, влажность колеблется в пределах 48…52 % (достигает 60 %); зольность на сухую массу Ad = 7…14 %; среднее содержание элементов (на горючую массу: Сdaf = 57,8 %; Нdaf = 6 %; Sdaf = 0,3 %; Ndaf = 2,5 % Оdaf = 33,4; невысокую величину составляют температуры плавкости золы в полувосстановительной среде — температура начала деформации tА = 1070 С; температура размягчения tв = 1150 С; температура низкоплавкого состояния tс = 1200 С. Достаточно велика засоренность фрезерного торфа корнями, малоразложившимся торфом, кусками пней и дров (10 и более %) с размерами от 25 до 70 мм. Рабочая, теплотворная способность торфа зависит в основном от влажности (как и древесной биомассы) и может подсчитываться из выражения Qri 4800 — 54Wr, ккал/кг.

3.3 Энергетические характеристики

Исследования отходов из разных исходных продуктов сельскохозяйственного производства (пшеницы, ржи, овса) на разных стадиях переработки (отсевы, отруби, лузга) показали 4, что их характеристики существенно различаются, однако лежат в характерном для биомасс годичного цикла диапазоне и по большинству показателей резко отличаются от характеристик угля (например, челябинского бурого) и даже от характеристик древесной биомассы (табл. 3.6, 3.7, 3.8).

Влага аналитическая отходов — W а = 7,5…12,3 %, а рабочая W r = 15 %, зольность на сухую массу Аd = 4,0…5,5 %, а в засоренной лузге возрастает до 14,5 %; теплота сгорания лежит в диапазоне Q ri = = 15384…16681 кДж/кг; плотность при свободной засыпке св = = 0,2…0,36 г/см3.

Органическая часть отходов, характерная для биомасс годичного цикла, характеризуется большим содержанием «внутреннего балласта»: Оdaf + Ndaf = 43…44 %; высоким отношением водорода к углероду (Нdaf = 6,2…6,9 % при Сdaf = 48…49,6 %); низким содержанием серы (Sdaf = 0,15…0,25 %).

Отходы имеют весьма высокий уровень летучих (V daf = 70…81,5 %) и расчетный критерий взрываемости Кт = 7,7…9,0 % (для угля — самого взрываемого — Кт не превышает 4).

Характерной для состава минеральной части является высокое содержание калия (К2О = 16…25 %); при этом он находится в активной ионообменной форме. Из результатов исследования 4, приведенных в табл. 3.10, видно, что в партии биомассы с Аd = 4,75 % содержится 72 % минеральной части в ионообменной форме (растворимой последовательно в воде и в ацетате аммония), что соответствует доле испарившихся при горении компонентов — в минеральной части присутствует около 44 % К2О с долей активной части 98,8 %.

Отходы имеют повышенное содержание в минеральной части компонентов основного состава (СаО, МgО, Na2О и соответственно повышенные шлакующие свойства. Особенно высок уровень содержания щелочей и хлора в соломе (соответственно К2О 25 %, а хлора до 4,5 %), что вызывает высокую коррозию. Сжигание костной муки 17 с выходом летучих V daf = 70…80 % показало интенсивное отложение летучей золы на поверхностях нагрева, а сжигание биомассы в виде лузги гречихи, овса, подсолнечника с выходом летучих до 60…70 % выявило повышенные потери за счет высокой парусности коксового остатка 18.

Таблица 10

Результаты химического фракционирования отходов мукомольного производства и челябинского угля 4

Показатель

Компоненты

Аd

SiO2

Al2O3

TiO2

Fe2O3

CaO

MgO

K2O

Na2O

Отруби, проба № 4016

Содержание в исходном продукте, %

4,75

8,38

2,45

0,77

1,94

3,99

36,65

44,09

2,04

Доля, растворившаяся в воде, % отн.

48,8

24,6

0

85,2

0

0

7,15

96,1

67,3

Доля, растворившаяся в ацетате аммония, % отн.

22,1

21

0

5,6

5,9

0

57

2,7

0

Лузга (отсев), проба № 4015

Содержание в исходном продукте, %

14,64

60,1

10,2

0,61

7,38

7,3

5,46

7,82

1,19

Доля, растворившаяся в воде, % отн.

3,35

1,24

0

0

0

2,8

31,7

58

13,9

Доля, растворившаяся в ацетате аммония, % отн.

17,4

14,9

0

0

0

51,3

26,4

21,8

4,86

Челябинский уголь, проба № 3638

Содержание в исходном продукте, %

39,7

57,3

20

1,12

10,4

2,28

4,75

3,88

1,28

Доля, растворившаяся в воде, % отн.

6,05

5,2

3,98

0

3,07

0

0

5,54

70,5

Доля, растворившаяся в ацетате аммония, % отн.

5,79

5,7

0,91

0

0,93

68,7

21,2

6,11

9,39

4. Технические аспекты использования биомассы, как энергетического топлива

Выбор технологии для использования биомассы в энергетике определяется, в первую очередь, такими факторами, как мощность установки, вид биомассы, способ ее подготовки.

Все применяемые в настоящее время технологии энергетического использования биомассы делятся в основном на две группы:

  • прямое сжигание;
  • термическая газификация

Кроме этого, на различных этапах исследования находятся такие технологии переработки биомассы, как быстрый пиролиз (флеш-пиролиз); каталитические технологии, позволяющие получить жидкое топливо; ферментативные процессы получения метанола и этанола, технология на топливных ячейках.

Методы прямого сжигания предполагают использование для получения электрической энергии традиционных паросиловых циклов.

4.1 Основные направления

Основными направлениями использования биомассы для выработки энергии являются:

1) совместное сжигание биомассы с энергетическим углем на энергетической установке;

2) сжигание биомассы в специальных установках;

3) комбинированный способ употребления биомассы в топливоиспользующих установках с ее предварительной газификацией;

4) создание на базе газогенераторов биомассы автономных газогенераторных электростанций (мини-ТЭЦ).

4.2 Совместное сжигание угля и биомассы

4.2.1 Общие положения

Совместное сжигание угля и биомассы для выработки тепловой и электрической энергии имеет ряд преимуществ, которые включают в себя следующее:

џ уменьшаются капитальные затраты на внедрение;

  • џ снимается проблема использования энергии, выработанной на базе биомассы;
  • џ достигается более высокая эффективность использования располагаемого тепла топлива: у современных ТЭС она составляет 35…38 %, у мелких установок утилизации биомасс — примерно 16…20 %;
  • џ решается проблема сезонности поставки;
  • џ уменьшается загрязнение атмосферы выбросами оксидов серы, азота, аэрозолей;
  • џ снижается стоимость вырабатываемой энергии;
  • џ сокращается выброс парникового углекислого газа.

Однако некоторые характеристики и состав биомасс, как показано ранее, настолько кардинально отличаются от используемого на ТЭС угля (значительные колебания энергетических характеристик даже в пределах одной биомассы; крайне нестабильная влажность; повышенные загрязняющие, шлакующие и даже для некоторых биомасс — коррозионные свойства; волокнистость структуры материала и др.), что затрудняет и требует ограничения доли их использования при совместном сжигании, а также разработки и внедрения отдельных видов нового оборудования.

В целом, топлива из биомассы по своим характеристикам в зависимости от способа получения и вида массы значительно отличаются не только по влажности, но в ряде случаев и по зольности, и по содержанию азота. Это указывает также на необходимость предварительного, тщательного перемешивания топлива из биомасс для уменьшения разброса и усреднения характеристики непосредственно используемого топлива при поступлении биомасс разных видов и групп на один объект.

Существует ряд промышленных угольных технологий, которые в потенциале наиболее приспособлены к совместному сжиганию угля с биомассой. Сюда относятся: слоевые топки; технология сжигания в стационарном (пузырьковом) кипящем слое (КС); система сжигания в циркулирующем кипящем слое (ЦКС); циклонные топки; установки с пылеугольным факельным сжиганием. Сюда же следует отнести технологии с системами предварительной газификации угля (с газификаторами различной модификации).

Все указанные технологии совместного сжигания в большей или меньшей степени имеют технические проблемы и ограничения, которые, однако, ни в коей мере не являются непреодолимыми.

4.2.2 Технологии слоевого сжигания, сжигания

Указанные технологии в силу своего принципиального характера организации процесса сжигания наиболее приспособлены к совместному сжиганию различных видов твердого топлива, включая биомассы. К их преимуществам по рассматриваемой проблеме совместного сжигания можно отнести:

џ возможность использования топлива с широким диапазоном изменения влажности (35…65 %), что снижает требование предварительной сушки топлива;

— џ использование топлива с широким диапазоном размера частиц (от опилок до кусков топлива с размером до 25 мм, что снижает требование к хранению и подготовке смеси топлив).

В слоевых топках размер фракций угля составляет 6…25 мм, а в топках с ЦКС — 3…4 мм.

Установки для сжигания в кипящем слое при атмосферном давлении уже в течение многих лет находят широкое промышленное использование и считаются уже испытанной технологией. Во всем мире начиная с 1980-х годов введено несколько тысяч установок для сжигания топлива в кипящем слое при атмосферном давлении. Основным преимуществом этих установок является снижение выбросов SO2 и NОх, улучшение регулирования горения, что позволяет снизить выбросы СО и органических веществ. Эта технология менее требовательна к используемому топливу и наиболее пригодна для совместного сжигания.

Системы с установками для сжигания, в том числе с кипящим слоем при атмосферном давлении, работающие на смесях угля с биомассами (чаще древесными) и другими топливами, широко распространены в Финляндии, Швеции и других странах. Это видно из табл. 11 2, 5.

Таблица 11

Примеры совместного сжигания угля с биомассами и отходами

Время поставки

Местонахождение

Мощность (МВт)

Топливо