1. Общая характеристика технологий и биоэнергетического потенциала

Биоэнергетика – направление в возобновляемой энергетике, которое основано на использовании энергии органического сырья, включает следующие технологии: прямое сжигание и пиролиз древесного топлива и твердых бытовых отходов; биогазовые технологии; получение жидкого биотоплива для транспортных средств. Исходным сырьем для указанных технологий являются древесина, отходы древесины; бытовой и промышленный мусор; растениеводческая продукция и отходы сельского хозяйства и пищевой промышленности.

Древесная биомасса. Беларусь обладает значительными лесными ресурсами. Возможный среднегодовой объем заготовки древесных топливных ресурсов в лесах Республики Беларусь в 2015 году составил 13,6 млн м³, что эквивалентно 3,7 млн т у.т. (9 % потребления ТЭР в стране). Страна имеет большой неиспользуемый энергопотенциал древесного топлива более 3 млн т у.т. За счет использования всех видов биомассы (древесная биомасса, отходы с/х, коммунальные отходы) возможно покрыть до 15 % потребностей страны в ТЭР.

Перспективным источником древесного биосырья являются быстрорастущие насаждения, прежде всего, ива, тополь (одна тонна ивовой щепы (сырой массы) дает 8,9 ГДж, то есть примерно столько, сколько и одна тонна торфяных брикетов (для сравнения, 1 тонна мазута – 38,5 ГДж) (табл. 1). Ива дает первый урожай спустя 4–5 лет. Затем он снимается каждые три года. Урожайность примерно 45–50 тонн (сырой массы) древесины с 1 га (рис. 1).

Таблица 1. Сравнительные энергетические характеристики различных видов биомассы

Вид биомассы	Влажность*, %	Теплота сгорания, кВт·ч/кг		Объемная плотность*, кг/м3	Энергетическая плотность, кВт·ч/м3
		высшая**	низшая*
Древесные гранулы	10,0	5,5	4,6	600	2756
Древесная щепа твердых пород	50,0	5,5	2,2	450	1009
То же, просушенная***	30,0	5,5	3,4	320	1094
Древесная щепа мягких пород	50,0	5,5	2,2	350	785
То же, просушенная***	30,0	5,5	3,4	250	855
Трава***	18,0	5,1	3,8	200	750
Кора	50,0	5,6	2,3	320	727
Хлебные злаки***	15,0	5,2	4,0	175	703
Древесные опилки	50,0	5,5	2,2	240	538
Солома озимой пшеницы****	15,0	5,2	4,0	120	482

Примечание: ^* Расчет по массе влажного сырья.

** Расчет по массе сухого сырья.

*** В виде сильно спрессованных брикетов.

**** Сушка проводилась на воздухе в течение 9 мес.

Рис. 1. Выращивание и уборка ивы в качестве древесного топлива

Источником биомассы для биогазовых технологий являются:

• 105 крупнейших свиноводческих комплексов (более 30 тыс. голов);
• 82 комплекса по выращиванию крупного рогатого скота (более 5 тыс. голов);
• 55 птицефабрик (более 200 тыс. голов)
• отходы сельского хозяйства.

В Республике Беларусь находятся в эксплуатации около 2450 канализационно-насосных станций. Годовой пропуск сточных вод через канализационно-насосные станции составляет примерно 593,2 млн м³ (рис. 5).

Рис. 5. Общий вид объектов хранения и захоронения жидких и твердых бытовых отходов

В стране действуют 167 объектов захоронения твердых коммунальных отходов с проектным объемом захоронения 239,8 млн м³ (фактический объем захоронения 206,6 млн м³). Потенциальная энергия, заключенная в этих отходах, равноценна 470 тыс. т у.т. При их биопереработке в целях получения газа эффективность составит 20–25 %, что эквивалентно 100–120 тыс. т у.т.

2. Использование древесного топлива. Котельные агрегаты на древесном топливе. Пиролиз и газификация биомассы

В настоящее время применяются следующие способы использования энергии биомассы:

• прямое сжигание древесной биомассы;
• пиролиз и газификация биомассы;
• анаэробное сбраживание органических отходов с получением биогаза;
• получение свалочного газа;
• прямое сжигание органических отходов.

Как видно из рис. 6 древесина используется в виде твердого и жидкого топлива. Твердое древесное топливо поступает на сжигание в виде обычных дров, щепы, топливных брикетов и пеллет (рис. 7).

Следует отметить, что в последнее время все более широкое применение находят в целях сжигания щепа и топливные пеллеты, которые позволяют применять автоматизированное котельное оборудование. Кроме этого, как следует из табл. 2.8, пеллеты и брикеты имеют более высокую энергетическую плотность в сравнении с традиционной древесиной.

Рис. 6. Варианты использования древесного топлива

Рис. 7. Общий вид дров (а), топливных брикетов (б), щепы (в) и пеллет (г)

Для прямого сжигания древесного топлива и получения тепловой энергии используется специальные котлы. При этом применяются следующие технологии сжигания:

• в вихревой (циклонной) топке;
• распыленного сырья в горелке;
• на решетке;
• во вращающейся печи;
• в кипящем слое;
• в циркулирующем кипящем слое;
• ротационное сжигание.

Каждая из технологий имеет свои особенности, достоинства и недостатки. Например, котлы ротационного типа (рис. 8, а) за счет удлиненной траектории движения сгораемой биомассы (щепа, пеллеты) и повышенной температуры (более 800 °С) обеспечивают более полное ее сжигание, что приводит к снижению вредных выбросов в отходящих газах и повышенный КПД котлов (до 95 %). Эффективные конструкции разработаны и для сжигания обычных дров (см. рис. 8, б), котел фирмы KOB (Австрия) мощностью 150 кВт, загрузка дров на 6 часов работы, КПД – 92 %).

Важное значение для эффективной работы котла играет соблюдение требований по влажности сжигаемого сырья. С увеличением влажности до 50–60 % теплотворная способность древесного топлива снижается в несколько раз (рис. 9). Согласно техническим нормативам древесное сырье должно иметь влажность не более:

• 35 % для опилок пилорам;
• 20 % для опилок строгальных цехов, щепы и кусковой древесины;
• 15 % для брикетов, пеллет.

Пиролиз древесины происходит в широком диапазоне температур от 200 до 800 градусов. Процесс носит экзотермический характер, то есть протекает с выделением тепла, в результате этого отмечается улучшение подсушивания топлива и его прогрева, а также выполняется нагрев воздуха, который попадает в зону действия горелки. Тепловая энергия получается в результате горения выделившегося при высокой температуре пиролизного газа, который смешивается с кислородом воздуха.

Котлы на твердом топливе с пиролизным сжиганием иначе именуют газогенераторными (рис. 10). Основные преимущества таких котлов заключаются в возможности управления мощностью работы и высоким КПД, который может достигать 85 % и выше.

а                                                                                                                                 б

Рис. 8. Общий вид котлов фирмы KOB (Австрия) для ротационного сжигания щепы (а) и сжигания дров (б)

Рис. 9. Влияние влажности на теплотворную способность различных видов древесного топлива

Отличительная особенность твердотопливных котлов с пиролизным сжиганием состоит в том, что в них под действием высоких температур происходит выделение из древесины пиролизного газа, который сгорает в нижней части котла.

Рис. 10. Конструкция газогенераторного котла

В газогенераторе сырье проходит четыре этапа преобразования в газ (рис. 11):

• первый этап – быстрое высыхание материала под действием высокой температуры;
• второй – термическое разложение (пиролиз) биомассы с образованием угля и дегтя, с последующим его испарением и преобразованием в смоляной газ;
• третий – сгорание органических соединений смоляного газа и части угля;
• четвертый – восстановление на поверхности раскаленного угля двуокиси углерода СО₂ до ее моноокиси CO, а воды Н₂O – до водорода Н₂.

Рис. 11. Этапы газогенераторного цикла

Схема работы пиролизного котла может быть упрощенно представлена следующим порядком действий (см. рис. 10):

• загрузка дров либо древесных отходов в предпоток;
• термическая возгонка топлива;
• подача генераторного газа в топку для сжигания;
• утилизация теплоты дымовых газов в теплообменнике;
• контроль подачи воздуха в предпоток, необходимый для пиролизного процесса.

В процессе горения пиролизный газ контактирует с активным углеродом, благодаря чему на выходе из котла в дымовых газах практически отсутствуют вредные примеси. Составляющей дымового газа на выходе являются водяной пар и углекислый газ. При этом выбросы в атмосферу углекислого газа в три раза меньше, чем при работе аналогичных котлов, работающих на угле либо дровах.

К числу недостатков пиролизных котлов относятся их высокая цена, в сравнении с традиционными твердотопливными котлами, а также необходимость наличия электрического питания.

В качестве топлива для газогенераторных котлов можно применять любые виды древесины, древесные брикеты и отходы древесины, влажность которых не превышает 20 %. Пиролизные котлы являются гораздо более эффективными, нежели традиционные твердотопливные котлы, так как при сжигании дров, особенно в случае их переувлажнения, не удается добиться высокой температуры, что вполне возможно при сжигании древесного газа.

Как следует из табл. 2 в настоящее время выпускается большая номенклатура котельного оборудования (в том числе и в Республике Беларусь), работающего на различных принципах и имеющего достаточно большой диапазон мощностей, что позволяет обеспечить потребности как частных домовладений, жилищно-коммунального хозяйства, так и промышленности.

Таблица 2. Характерные мощности котлов при различных способах сжигания. Области их применения

Технология сжигания	Минимальная мощность, МВт	Характерная мощность, МВт
Топка с неподвижной решеткой Механическая слоевая топка Пузырьковый кипящий слой Циркулирующий кипящий слой Газификация топлива	0,01 0,8 1 7 0,3	0,05–1 2–15 > 5 > 20 2–15
Область применения котлов	Характерные мощности
Частные дома Большие здания Котлы центрального отопления Промышленные котлы Котлы для сжигания бытовых отходов Промышленные энергетические котлы	15–40 кВт 40–400 кВт 0,4–20 МВт 1–80 МВт 10–30 МВт 50–350 МВт

На 01.08.17 г. в Беларуси работало 17 мини-ТЭЦ (73,6 МВт электрическая мощность, 264 МВт – тепловая мощность, рис. 12) и около 6000 котельных с суммарной тепловой мощностью 6300 МВт (древесное топливо и иные виды биомассы, включая торф).

Различные виды биомассы обеспечивают в Республике Беларусь более 95 % производства энергии от возобновляемых источников.

Рис. 12. Общий вид мини-ТЭЦ г. Пружаны, 3,7 мВт (топливо – древесная щепа)

3. Биогазовые технологии

Биогаз топливный – смесь газов, основным компонентом которой является метан, получаемая в результате анаэробной ферментации органических веществ (микробиологический процесс, в котором органическое вещество разлагается в отсутствие кислорода), предназначенный для использования в качестве топлива на энергоисточниках для выработки тепловой и электрической энергии.

Как видно из рис. 13 технологический процесс получения биогаза состоит из следующих основных стадий: гидролиза биологического сырья, содержащего углеводы, жиры, белки; образования органических кислот (уксусная кислота) и ее разложение в водной среде на метан и двуокись углерода. Биогаз содержит и другие компоненты, такие как водород, азот, кислород, сероводород, но в меньшем количестве (табл. 3). Наибольший выход биогаза обеспечивает использование помета птиц, свиней, отходов пищевой промышленности, а также различной зеленой травяной массы (табл. 4).

Рис. 13. Технологические стадии получения биогаза

Таблица 3. Типовой состав биогаза

Compound	Chem	%
Methane	CH4	50–75
Carbon dioxide	CO2	25–50
Nitrogen	N2	0–10
Hydrogen	H2	0–1
Hydrogen sulfide	H2S	0–3
Oxygen	O2	0–0

Таблица 4. Выработка биогаза и энергетический эквивалент при сбраживании различных бытовых отходов и сельскохозяйственных культур

Вид сырья	Выход биогаза, м3, с 1 т сухих веществ	Эквивалент, кг у.т.
Навоз крупного рогатого скота	200–40	160–320
Навоз свиней	до 600	до 480
Помет птиц	до 660	до 530
Ботва, травы	400–600	320–480
Солома злаковых	300–400	240–320
Коммунально-бытовые стоки городов и поселков	300–400	240–320
Твердые бытовые отходы городов и поселков городского типа	300–400	240–320
Отходы пищевой, мясо-молочной, микробиологической продукции	300–600	240–480
Сорняки	280	225
Силосные отходы	250	200

Обычно биогазовые установки содержат реактор, в котором осуществляется сбраживание биомассы (метатенк), систему загрузки биомассы и выгрузки органического остатка, а также систему сжигания биогаза для получения электрической и тепловой энергии (когенерационный блок) и другое вспомогательное оборудование (рис. 14). Для повышения количества вырабатываемой энергии увеличивают число метатенков (рис. 15).

Использование биогазовых технологий позволяет решать наряду с энергетическими задачами и экологические проблемы утилизации отходов, снижения выбросов парниковых газов, а также обеспечивает получение органических удобрений (остаточных после брожения органических веществ) (рис. 16).

Однако биогазовые технологии имеют и свои недостатки, в качестве которых можно отметить:

• необходимость использования в качестве добавок к отходам животноводства растительной массы (кукуруза, ботва, травы и т. п.), что влияет на продовольственную безопасность;
• для обеспечения максимального выхода метана требуется оптимизация состава биомассы;
• сложность использования тепловой энергии в сельских территориях (не всегда возможно реализовать режим когенерации).

Рис. 14. Схема и общий вид биогазовой установки (Заславская птицефабрика, электрическая мощность – 300 кВт)

Рис. 15. Биогазовая установка СПК «Рассвет» имени К. П. Орловского, Могилевская обл., эл. мощность – 4,8 МВт, тепловая мощность – 5,2 МВт

Рис. 16. Достоинства биогазовых технологий

Одним из направлений биогазовых технологий является использования свалочного газа. Как упоминалось в начале раздела, в нашей стране имеется большое количество полигонов бытовых отходов (свалок), которые оказывают отрицательное воздействие на окружающую среду (выделение парниковых газов, загрязнение грунтовых вод и др.). Применение технологии использования свалочного газа позволяет в определенной степени снизить это воздействие. Как видно из рис. 17, 18 процесс заключается в сверлении скважин в свалочном пространстве, с опусканием в них труб с системой отверстий, через которые происходит диффузия свалочного газа в трубы, его сбор и утилизация сжиганием в генераторных модулях.

Рис. 17. Схема использования в энергетических целях свалочного газа

Рис. 18. Общий вид полигона ТБО с системой сбора свалочного газа

В Республики Беларусь действуют 6 установок по переработке свалочного газа в электроэнергию (например, полигоны Тростенц (3 мВт) и Северный (5,8 мВт)) (рис. 19).

а б

Рис. 19. Общий вид оборудования для использования в энергетических целях свалочного (а) полигон Тростенц (3 мВт); (б) Северный (5,8 мВт)

В Республике Беларусь на 01.08.17 г. введено в эксплуатацию 19 биогазовых установок (включая установки на свалочном газе) с общей установленной мощностью 27,4 МВт (диапазон мощностей от 300 кВт до 4,8 мВт).

Органические отходы возможно утилизировать и прямым сжиганием с получением тепловой и электрической энергии (технология Waste-to-energy (WtE)). Как видно из рис. 20 ТЭЦ функционирует следующим образом: мусоровозы выгружают отходы в приемный бункер 1, грейферные краны 2 загружают их в питательный бункер 3; под собственной тяжестью они спускаются до питателя 4; отходы перемещаются по решетке 5 (обратно-переталкивающей или горизонтальной); в камере горения 6 энергия, заключенная в отходах, высвобождается в виде горячих газов. Это тепло превращается в перегретый пар в трубах котла, интегрированного с топкой 7. Перегретый пар поступает непосредственно из котла на турбогенератор 8, который преобразует его энергию в электричество. Если поблизости имеется теплосеть или промышленный потребитель тепла, то часть энергии может продаваться непосредственно как тепло в виде пара или горячей воды. Газы горения проходят полную очистку 9 с целью извлечения из них до выброса в атмосферу химических микрозагрязнителей, попадающих из отходов. Шлаки транспортируются 10 в зону хранения до того, как они утилизируются в качестве подушки при строительстве дорог.

Рис. 20. Схема ТЭЦ для сжигания твердых бытовых отходов

Эта технология используется во многих европейских странах (рис. 21). Например, в окрестностях г. Вены (Австрия) создано 4 тепловые станции, работающие на промышленных и коммунальных отходах (включая токсичные, медицинские отходы), которые обеспечивают тепловой энергией этот мегаполис. При этом, наиболее крупная тепловая станция находится в центре города (рис. 22) (производство 1,2 млн мВт·ч тепловой энергии, 8100 мВт·ч электрической энергии). Экологические требования по выбросам в дымовых газах обеспечиваются за счет применения трехступенчатой их очистки. Это значительно удорожает проекты, но позволяет решить много экологических проблем (утилизация отходов, снижение выбросов парниковых газов и др.).

а                                                                                                                            б

Рис. 21. Количество сжигаемых отходов на душу населения (а), количество используемой энергии с каждой тонны отходов (б)

В Беларуси в настоящее время обсуждаются проекты строительства мусоросжигающих заводов.

Рис. 22. Общий вид тепловой станции г. Вены, работающей на прямом сжигании отходов

4. Получение биотоплива для транспортных средств

В настоящее время в качестве органического биотоплива для транспортных средств применяются:

• биоэтанол (производится в основном из сахарного тростник и кукурузы);
• биометанол (из морского фитопланктона);
• биобутанол (C₄H₁₀O – бутиловый спирт, из сахарного тростника, свеклы, кукурузы, пшеницы и др.);
• диметиловый эфир (из угля, природного газа, из отходов целлюлозо-бумажного производства, так и из биомассы).
• биодизель (производится на основе жиров животного, растительного и микробного происхождения, а также продуктов их этерификации (рапсовое, соевое, пальмовое, кокосовое масло).
• биотопливо второго поколения (различное топливо, полученное методами пиролиза биомассы, водорослей и др.).

Наиболее широкое применение во многих странах находит биодизель – метиловый эфир, обладающий свойствами горючего материала и получаемый в результате химической реакции из растительных жиров. Известно, что молекулы жира состоят из так называемых триглицеридов: соединений трехвалентного спирта глицерина с тремя жирными кислотами. Для получения метилового эфира к девяти массовым единицам растительного масла добавляется одна массовая единица метанола (т. е. соблюдается соотношение 9 : 1), а также небольшое количество щелочного катализатора. Все это смешивается в реакторных колоннах при температуре 60 °С и нормальном давлении. В результате химической реакции образуется метиловый эфир и побочный продукт – глицерин, широко используемый в фармацевтической и лакокрасочной промышленности. Как видно из рис. 23 технология его производства включает операции отжима семян, например, рапса, с получение масла, его очистка (рафинирование) и смешивание с метанолом. Биодизель может применяться в чистом виде или в смеси с обычным дизелем.

Наряду с биодизелем в мире широко применяется этанол, получаемый из сахарного тростника и других культур.

Можно отметить следующие основные преимущества использования биотоплива:

• растительное происхождение и, как следствие, возобновляемость ресурса (сырья для производства биодизеля);
• практически полный биологический распад (в почве или в воде микроорганизмы за месяц перерабатывают до 99 % биодизеля, поэтому при переводе водного транспорта на биодизельное топливо можно минимизировать загрязнение водных ресурсов);
• уменьшение выбросов СО₂ (при сгорании биодизеля выделяется ровно такое же количество углекислого газа, которое было потреблено из атмосферы растением, являющимся исходным сырьем для производства масла, за весь период его жизни);
• малое содержание серы (в биодизеле содержится < 0,001 % при содержании в минеральном дизтопливе < 0,2 %);
• низкое содержание канцерогенного бензола;
• хорошие смазочные показатели (обуславливается химическим составом и наличием кислорода);
• высокая температура воспламенения (более 100 °С, что немаловажно при хранении и транспортировке топлива);
• простота организации производства биодизеля.

Основной проблемой в использовании биотоплива является то, что для его производства применяется продукция сельского хозяйства, что может приводить к сокращению продуктов питания. Это в некоторых странах вызывает недовольство населения.

Рис. 23. Технология получения биодизеля

В мире (2016 г.) произведено 135 трлн литров биотоплива, из которого около 100 трлн литров приходится на топливный этанол (74 %). Основные мировые производители биотоплива являются США и Бразилия (рис. 24).

Рис. 24. Мировое производство биотоплива

В Беларуси налажено производство биодизеля (добавка около 5 % в обычный дизель) на следующих предприятиях: ОАО «Гродно Азот», ОАО «Могилевхимволокно», ОАО «Белшина» и некоторых других (рис. 25). Однако широкого применения этот вид топлива в нашей стране не получил, используется в основном сельскохозяйственной техникой.

Рис. 25. Производство биодизеля на Гродно Азот