по содержанию энергии, например сахара, полисахариды и белки. В состав растения входят также остатки неорганических солей (или зола), не обладающие топливной ценностью. Теплотворная способность компонентов растительного материала может быть повышена; в таблице 22 приводятся некоторые растительные компоненты и соединения, которые могут быть получены на основании переработки биомассы, а также их тегаютворная способность. Процессы, используемые для осуществления этих преобразований, кратко описаны ниже.

Таблица 22. Теплотворная способность растительных компонентов и полученных на их основании видов топлива

Виды сырья и топлива

Теплота сгорания, ГДж/т

Растительные компоненты

Общая биомасса

Углеводы

Масла

16-24 16-17,5 -40

Полученные виды топлива

Оксид углерода

Метанол

Этанол

Углерод

Углеводороды

Метан

Водород

10,1 22,4 29,8 32,8 -47 55,7 143

Древесина. Древесина как тип биомассы стоит особняком вследствие высокой плотности и низкого содержания влаги (даже в сырой массе). Тысячелетиями древесина служила человеку в качестве топлива и до сих пор играет существенную роль в удовлетворении потребностей человека в энергии (хотя в количественном отношении охарактеризовать потребление древесины как топлива в мировом масштабе затруднительно). Древесина часто может использоваться в качестве горючего материала без повышения его теплотворной способности; во многих

Таблица 23. Состав сухой древесины и коры яжетсуги тисолистной, %

процессах она также является предпочтительным видом сырья. В таблице 23 [20] дается состав сухой древесины и коры. Содержание золы является низким по сравнению с некоторыми типами угли, но содержание кислорода высокое (около 40%). Содержание серы незначительно. Различные виды древесины характеризуются аналогичным составом. Свеже-срубленная древесина имеет содержание влаги 30-60 %.

Физические процессы. Первый и традиционно наиболее важный метод подготовки растений и других биологических остатков для использования их в качестве топлива - удаление влаги. Наиболее дешевый способ удаления влаги — высушивание на солнце или на открытом воздухе. Высушенные древесина, солома, навоз до сих пор служат топливом во многих частях земного шара. Искусственная сушка, даже при использовании части материала в качестве топлива, является слишком дорогостоящей и может быть оправданной только для высокоценных продуктов, таких, как зерно.

Высококалорийные растительные масла извлекают способами перегонки, экстрагирования и механического давления. Все растения содержат соединения, подобные углеводородам, которые могут быть экстрагированы и использованы в качестве непосредственных заменителей нефти. Растительные масла в течение долгого времени используются в пищевых целях, как топливо и для других целей. Одно время большая часть лампадного масла в Европе производилась из культур масличных семян, например рапса.

В ходе всех процессов повышения качества материала биомассу необходимо довести до объема, способного обеспечить приемлемые скорости горения. Объем полученных твердых материалов должен также быть пригодным для их окончательного использования.

Термохимические методы повышения качества материала. Традиционным методом повышения теплотворной способности биомассы является перевод ее в древесный уголь; при этом сжигагше в ограниченном объеме воздуха вызывает карбонизацию биомассы. В результате получается продукт с высоким содержанием углерода и теплотворной способностью, приближающейся к теплотворной способности углерода (33 ГДж/т). Существуют более сложные современные варианты, такие, как сухая перегонка и газификация. Различные сочетания тепла, кислорода и пара (кроме восстановления углеродсодержащих молекул до углерода) также дают легковоспламеняющиеся газы и жидкости в зависимости от температуры, давления и присутствия катализаторов. При высоких температурах (свыше 600 °С) продукты представляют собой в основном легковоспламеняющиеся восстановительные газы, ок-. сид углерода и водород.

Другим химическим процессом превращения биологических материалов в полезные виды топлива является восстановление. Целью восстановления является удаление кислорода и азота и увеличение содер-

жания углерода и водорода в полученном топливе. Однако все восстановители являются энергоемкими и очень дорогостоящими соединениями. При производстве биотоплива обычно используют оксид углерода и водород, образовавшиеся в ходе предварительной газификации биомассы. В итоге происходит сжижение материала с образованием продукта, схожего с сырой нефтью, но содержащего высокий процент кислорода.

Биохимические процессы. В результате этих процессов происходит перераспределение энергии в биомассе с образованием молекул высокого и низкого энергетического уровня. В отличие от химических и физических процессов эти процессы протекают в водных суспензиях биологического материала с образованием летучих видов топлива, относительно легко выделяемых из смеси. В ходе ферментации сахар (16 ГДж/т) превращается в спирт (29 ГДж/т) и диоксид углерода (0,0 ГДж/т):

C12H22O11 +Н2 0-> 4C2HSOH + 4CO2.

В анаэробных условиях сахара, например, превращаются в метан (55 ГДж/т) и диоксид углерода:

СбН^Об ^ЗСН4 +ЗСО2.

В обоих случаях сахара получают или непосредственно из растений, или путем химического или биохимического гидролиза природных полисахаридов.

Восстановление воды до составляющих ее элементов в ходе фотосинтеза считается биохимическим путем образования топлива. Обычно конечным результатом этого процесса является образование никотин-амиднуклеотидов и аденозинтрифосфата, играющего важную роль в фиксации СО2. Может, однако, представиться возможность добиться выделения элементарного водорода из клеток или их компонентов с использованием его в качестве топлива.

[7] Wilcox, Н. А., Leese, Т. М., Converting seaweed to SNG, Hydrocarbon Processing, April 1976, 86-89.

[8] Jones, J. L., Methane from kelp, Stanford Research Institute Datalog File No. 79-366, 1979.

[9] Photosynthesis and Productivity in Different Environments, Ed. J. P. Cooper, Cambridge University Press Cambridge, 1975.

[10] Boyer, J. S., Plant productivity and the environment, Science, 218,1982,443-448.

[11] Crop Physiology, Ed. L. T. Evans, Cambridge University Press, 1975.

[12] Oxford Economic Atlas, 4th edition, Oxford University Press, 1978.

[13] Jarvis, P. G., Production efficiency of coniferous forest in the UK, Chap. 5 in Physiological Processes Limiting Plant Productivity, Ed. C. B. Johnson, Butterwoths, 1981.

[14] Annual Report 1972-1973 Environmental Research Laboratory, University of Arizona/Arid Lands Research Center, Abu Dhabi.

[15]Povich, M. J., Fuel Farming - Water and nutrient limitations, Symposium Renewable Sources of Energy and Chemical Feedstocks, AlChE, Symposium no. 181.

[16] Sargeant, K., Scope for increased industrial feedstock production from European agriculture. Symposium Economic Aspects of Fermentation Processes: Political and Economic Aspects of Raw Materials Markets Society of Chemical Industry, London, 1982.

[17] Digest of UK Energy Statistics 1982, Dept. of Energy, HMSO, London.

[18] Purdy, J., Silage costs under the microscope, Farmers Weekly, June 1, 1979, 83-87.

[191Varani, F. Т., Materials handling in anaerobic digestion systems, pp. 140-142 in

Proceedings of the Symposium Bio-energy 80, April 21-24, Atlanta, Georgia. [20] Cheremisinoff, N. P., Wood for. Energy Production, Ann Arbor Science, Michigan,

1980.

ЛИТЕРАТУРА

REFERENCES

[1] Solar Energy Research in Australia, Australian Academy of Science Report no. 17, 1973.

[2] Solai Energy: its potential •contribution within the United Kingdom. Energy paper No. 17, HMSO, London, 1976.

[3] Handbook of Solar Resources, VoL 1, part 2, Ed. O. R. Zaborsky, CRC Press, Florida, 1982.

[4] World Development Report, World Bank/Oxford University Press, 1982.

[5] Lund, P. J., Slater, J. M., Agricultural land: its ownership, price and rent, Economic

Trends, Dec. 1979, 97-110. [6] Economic Survey of Private Forestry, Income and Expenditure England and Wales

Dept. Forestry, University of Oxford, 1977.

ГЛАВА

ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ БИОТОПЛИВА

31. СЖИГАНИЕ

Простейшим методом получеш1я полезной энергии из сухой биомассы является ее сжигание на воздухе. Химическая реакция полч^ого ^кис-ления материалов, содержащих в основном углерод, кислород и водород, описывается следующим уравнением:

СхЩОг (биомасса) + [x+ylA-zjl] О2 -^xCOj ^-yjl^O,

где x,y,z - основные элементы, входяцще в,состав биомассы.

Теплота реакции составляет от 1 б до 24 ГДж/т абсолютно сухой биомассы, в зависимости от ее типа. Если количество кислорода недостаточно для полного окисления горючего материала, тогда происходит образование углерода, оксида углерода, углеводородов и других газов, а теплота реакции снижается. Азот и другие элементы, присутствующие в биомассе, превращаются в газообразные продукты и золу.

Присутствие воды в биомассе не снижает термодинамического выхода тепла, однако практическая эффективность реакции снижается вследствие необходимости нагрева воды и ее испарения при температуре сжигания. Вода также снижает температуру пламени и скорость сжигания. Содержание воды более 30 % не дает возможности прямого сжигания биомассы, поэтому материал должен быть высушен или же к нему следует добавить топливо. Однако использование печей с псевдосжижен-ным слоем материала позволяет проводить сжигание при содержании воды до 55 %. Были предложены регенеративные печи, повторно использующие тепло испарившейся воды и газообразЩ)1х продуктов сгорания; в этих условиях теоретически возможно сжигание материалов, насыщенных влагой. Сжигание в соответствующих камерах сгорания может явиться одним из наиболее эффективных методов использования энергетического потенциала биомассы. В печах прямого нагрева и паровых котлах использование тепла составляет 85 %, однако многие установки на практике являются значительно менее эффективными.

Подготовка биомассы. Перед сжиганием тем или иным способом большинство типов биомасс необходимо определенным образом под-

готовить. Типы биомасс могут варьировать от плотных, относительно сухих материалов, таких, как древесина, до очень влажных, обладаюших низкой теплотворной способностью, таких, как канализационные стоки и морские водоросли. Другие материалы, такие, как солома, обладая низкой влажностью, имеют малую плотность, и поэтому работа с ними является затруднительной. Наиболее важными этапами подготовки биомассы являются измельчение, сортировка по размерам частиц, сушка и хранение.

Необходимые размеры древесины получают путем распила, раскола и измельчения. Предварительная -сушка на воздухе проводится не всегда, в зависимости от техники сжигания. Используют и другой метод подготовки древесины, называемый "уплотнением". В ходе этого процесса древесину сушат, измельчают, сортируют по размерам частиц и добавляют связующие агенты. Полученный материал брикетируют или прессуют в более плотную массу с содержанием влаги около 7% [1]. В литературе поднимался вопрос относительно целесообразности такой технологии [2], однако в целом эта технология способствует улучшению свойств биомассы как топлива, приближая их к свойствам угля. Этот процесс является дорогостоящим и может более чем вдвое повысить цену топлива, но он тем не менее обеспечивает получение материала, способного заменить обычные виды топлива; в некоторых районах потребители готовы оплачивать эти лишние издержки.

Для транспортировки к месту использования солому прессуют в кипы. Кипы имеют низкую плотность (62—200 кг/м^ в зависимости от типа пресс-подборщика); они должны быть небольшими для облегчения погрузочно-разгрузочных работ вручную, что ведет к высоким транспортным расходам [3]. Кроме того, кипы соломы неудобны для автоматической подачи в печи для сжигания. Делались предложения относительно измельчения соломы перед использованием, но это еще больше увеличивало издержки по подготовке биомассы [4].

Твердые отходы животноводства содержат обычно 70 — 85 % воды. Перед сжиганием необходима предварительная сушка, которую также можно осуществить путем использования топочных газов [5]. Аналогичные методы применимы к другим материалам с высокой влажностью. При этом количество получаемого тепла в значительной мере снижается вследствие использования его части для высушивания топлива.

Хранение биологического сырья представляет особую проблему вследствие его большого объема, зачастую сезонного его поступления, а также склонности к биологическому разложению. Обычные виды топлива не имеют подобного рода недостатков. В некоторых случаях невозможно обеспечить подачу топлива в соответствии с необходимым выделением тепла, поэтому необходима установка печей (бойлеров); способных работать как на обычном топливе, так и на биомассе.