Для производства электронной и термический энергии в лесоперерабатывающей индустрии обширно употребляется биомасса — энергоэлементы растительного происхождения, образуемые в процессе фотосинтеза. Содержание серы в биомассе составляет наименее 0,1 %, зольность — 3-5 % (в угле.,эти характеристики равны 2-3 и 10-15 % соответственно). Если создание биомассы соизмеримо с ее сжиганием, содержание углекислого газа в атмосфере остается постоянным. Более лучший метод использования биомассы — ее газификация с следующим срабатыванием в газовых турбинах. Подготовительные расчеты, проведенные в Принстонском институте, демонстрируют, что турбогенераторы, работающие на продуктах газификации биомассы, могут удачно соперничать с классическими термическими, ядерными и гидравлическими энергоустановками. Более многообещающими областями внедрения таких турбогенераторов уже в ближнем будущем могут стать отрасли экономики, в каких накапливаются огромные объемы биомассы (а именно, сладкие и винокуренные фабрики, перерабатывающие сладкий тростник). Так, в Бразилии при использовании биомассы с винокуренных компаний появляется настолько значимый излишек электроэнергии, что ее реализация делает спирт дешевле нефти. Только из сладкого тростника может быть произведено 50 % энергии, которая вырабатывается на данный момент всеми источниками в 80-ти развивающихся странах, где выращивают эту культуру.

Синтетическое горючее, по воззрению американских ученых, может стать принципиальным источником энергии в XXI веке. Спецы обращают свое внимание на метанол, отличающийся простотой транспортировки и наименьшим, чем бензин, уровнем местного загрязнения среды (если ментол делается на базе природного газа). Но в продуктах сгорания метанола, синтезированного из угля, содержится вдвое больше углекислого газа, чем его выделяется при сжигании бензина. Выход может быть найден на пути синтеза метанола при газификации древесной биомассы.

Кандидатурой метанолу считается этанол, производимый при ферментации получаемого из биомассы сахара (начальные продукты: сладкий тростник, как в Бразилии, и кукуруза, как в США). Пока разработка производства этанола довольно дорогостояща, но внедрение энзимов может понизить цена ферментации и сделать его конкурентоспособным с бензином.

Возможное внедрение биомассы в США может позволить поменять всю нефть, используемую на данный момент в качестве горючего для легковых автомобилей, также уголь, сжигаемый для производства электричества. При всем этом число выбросов углекислого газа сократилось бы наполовину.

Каждогодний объем органических отходов (биомассы) в СНГ составляет 500 млн. т. Их переработка потенциально позволяет получить до 150 млн.т условного горючего в год: за счет производства биогаза (120 миллиардов. м3) — 100-110 млн. т, этанола — 30-40 млн. т. Окупаемость современных технологий производства биогаза из отходов по оценкам профессионалов составляет от 3 до 5 лет.

За счет использования биогаза к 2000 г. можно получить годичную экономию органического горючего 6 млн. т, а к 2010 г. в 3 раза больше. Для этого нужно сделать высокоэффективные штампы анаэробных микробов, особые виды энергетической биомассы, технологии, действенное оборудование.

В Рф биомасса растительного происхождения в качестве источника энергии фактически не употребляется. Меж тем, в почти всех странах мира издавна по достоинству оценили этот вид альтернативного горючего. В Африке, Азии и Южной Америке большую часть электроэнергии получают конкретно из сырья растительного происхождения. С этой целью, к примеру, выращивают рапс и другие применимые для сжигания культуры. Вобщем, растительное горючее можно получать и без культивации — просто используя то, что в буквальном смысле валяется под ногами. Сначала – это трава, остающаяся на полях в множествах.

Основными технологиями термохимической переработки биомассы являются прямое сжигание (более исследовано и коммерчески развито), газификация и пиролиз.

В текущее время мировым фаворитом в использовании травы в энергетических целях является Дания. Тут толика травы в общем энергопотреблении составляет около 1,5% (а биомассы в целом – около 6%). При всем этом три четверти травы остаются неиспользованными, другими словами ее долю в энергопотреблении можно прирастить вчетверо – приблизительно до 60 ПДж.

С целью получения термический энергии траву в Европе употребляют Австрия (несколько фермерских установок и 5 термических станций) и Швеция (около 70 фермерских установок и 5 термических станций, применяющих траву в качестве дополнительного сырья). Термические станции и фермерские котлы, использующие траву, есть также в Финляндии и Франции.

Растительное горючее

Траву довольно трудно использовать в виде сырья для прямого сжигания как на шагах сбора, транспортировки и хранения, так и на шаге конкретного сжигания. Это связано с неоднородностью продукта, относительно высочайшей влажностью, малым большим энергосодержанием, довольно низкой температурой плавления золы и завышенным содержанием хлора. Объемы травы и угля, равные по энергосодержанию, различаются приблизительно в 10 20 раз.

Выход летучих компонент при сжигании травы (около 70%) обусловливает необходимость особых требований к рассредотачиванию и смешиванию воздуха, поступающего в зону горения, также к конструкции топки котла.

Температуры размягчения и плавления золы травы относительно низки из за высочайшего содержания щелочных металлов. Как следствие, на низкотемпературных поверхностях могут появляться шлаковые образования. Огромное содержание хлора, наблюдающееся в траве овса, ячменя и рапса, приводит к завышенной коррозии частей котлов.

В договорах меж термическими станциями, использующими траву в качестве сырья для сжигания, и поставщиками обычно оговариваются две главные свойства: влажность травы и степень ее увядания. Спектр влажности, допустимый для сжигания травы на станциях, составляет 10 25%. Наилучшее значение влажности – 15%. При превышении этого значения стоимость, по которой станция закупает траву, понижается. Требования к очень допустимому значению влажности травы не совпадают для разных станций, но обычно находятся в границах 18 — 22%.

Степень увядания указывает, как длительно трава оставалась на поле после сбора урожая и каково было количество осадков за этот период. Чем больше степень увядания, тем ниже уровень концентрации щелочных металлов и соединений хлора – вследствие их вымывания. Для вымывания хлоридов из травы довольно 5 — 7 дней. Таким макаром, миниатюризируется опасность коррозии поверхностей частей оборудования и возникновения на их шлаковых образований.

Хранение и транспортировка

Траву заготовляют в виде брикетов.

После формирования брикетов их погружают на тс с помощью ковшового погрузчика, установленного на тракторе, и доставляют в фермерские хозяйства для хранения.

Хранение травы может осуществляться разными методами. По степени удешевления цены хранения они размещаются последующим образом: хранение травы в амбарах, в «голландских» амбарах (представляют собой крышу и опоры), под брезентом, под пластиком, под открытым небом. Метод хранения оказывает влияние на качество травы. При хранении в стогах под открытым небом около 10% травы становится неприменимой для энергетического использования. Хранение в «голландском» амбаре также может привести к ухудшению свойства травы, так как влажность внешнего слоя шириной 0,5 м при всем этом увеличивается до 20 — 25%.

Измельчение травы может выполняться при помощи соломорезки либо скарификатора. 1-ые соломорезки имели огромную скорость вращения, что приводило к угрозы искрообразования, высочайшему энергопотреблению, необходимости технического обслуживания, непригодности их для увлажненной травы. Им на замену пришли более совершенные соломорезки с маленькой скоростью вращения (около 30 об/мин). Некие термические станции Дании оборудованы соломорезками, но на новых станциях они уже не инсталлируются.

Соломорезки равномерно вытесняются скарификаторами, при работе которых брикеты травы делятся на части, и трава практически ворачивается к собственному начальному состоянию перед брикетированием. При всем этом сводятся до минимума обозначенные выше недочеты. Размельченная трава вдувается в котел при помощи воздуходувок. Производительность скарификаторов составляет 15 — 1000 кг/ч, скорость вращения – до 30 об/мин.

Разновидностью скарификаторов являются так именуемые соломоразделители, в каких нет крутящихся частей, а брикеты травы измельчаются при продвижении меж парой зубчатых полос.

Технологии выработки энергии

Обычное оборудование для производства энергии из травы – это фермерский соломосжигающий котел, термическая станция и станция комбинированной выработки тепла и электроэнергии (КТЭ).

К фермерским относятся котлы мощностью наименее 1 МВт. Они разделяются на котлы повторяющегося деяния и котлы с автоматической загрузкой сырья. В текущее время большая часть фермерских котлов повторяющегося деяния создана для сжигания средних и больших брикетов травы.

Для улучшения критерий протекания процесса горения и понижения эмиссии частиц в продуктах сгорания расход воздушного дутья регулируется, равномерно изменяясь от верхней до нижней секций котла. При постепенном перемещении области подачи воздуха можно достигнуть равномерного горения брикета травы. Для обеспечения кропотливого смешивания товаров сгорания воздух должен подаваться в направлении, обратном выходу дымовых газов из топки котла (горизонтально с такого же конца топки, где размещен выход дымовых газов, либо вертикально сверху вниз из под трубок, по которым выходят продукты сгорания). Топка фермерского котла теплоизолирована. Обычно, влажность травы не должна превосходить 15 — 18 %. КПД работы котла повторяющегося деяния – около 75 %, уровень содержания СО в продуктах сгорания – наименее 0,5 %. Фактически все фермерские котлы оборудованы баком-аккумулятором для хранения жаркой воды, что дает более высококачественное сжигание, хотя расход травы при всем этом значительно не понижается.

Котлы с автоматической загрузкой сырья отличаются тем, что в состав установки заходит устройство дозы, автоматом безпрерывно подающее траву в котел. Есть устройства дозы для целых брикетов травы, размельченной травы и соломенных гранул.

Соломосжигающие станции

Термические соломосжигающие станции можно систематизировать по типу установленного котла. Употребляются последующие виды котлов:

котел для сжигания резаной травы;

котел для сжигания – травы, размельченной скарификатором;

котел для сжигания брикетов травы – способом сигарного сгорания;

котел повторяющегося деяния (сжигание целого – брикета травы);

котел для сжигания разбитых на части брикетов травы.

Термические станции, на которых брикеты травы сжигаются по способу сигарного сгорания, работают последующим образом. Брикеты травы полностью захватываются подъемным краном и передвигаются в систему подачи сырья, откуда гидравлическим поршнем безпрерывно проталкиваются в котел. Они сгорают с 1-го конца по мере продвижения в топку котла. Другими словами фронт горения неподвижен, а через него, сгорая, передвигаются брикеты. При нагреве травы выделяются летучие вещества, которые сгорают вследствие подачи вторичного воздуха через ряд форсунок. Несгоревшие частички травы и зола из фронта горения падают на водоохлаждаемую решетку, где происходит полное догорание сырья. Чистка товаров сгорания происходит в тканевом фильтре.

В котлах, использующих траву, размельченную скарификатором, горение происходит в нескольких зонах на подвижной литой железной решетке. Сырье на решетку подается пневмотранспортом и шнеком. В каждую зону через решетку подается первичный воздух. Для обеспечения сгорания летучих веществ подается вторичный воздух, который подводится через форсунки, расположенные спецефическим образом на стене котла. Из топки продукты сгорания попадают в конвективный отсек котла, где через стены отдают основную часть собственного тепла циркулирующей воде. На большинстве станций имеется экономайзер-теплообменник, расположенный за конвективным отсеком, что приводит к увеличению общей эффективности работы установки.

На термический станции с котлом повторяющегося деяния брикеты травы из загрузочного канала поступают в предтопок, который работает как газификационная камера. В предтопке брикеты воспламеняются от контакта с уже пылающим сырьем. Подвод воздуха корректируется зависимо от степени сгорания газов. В нижней части предтопка размещен сборочный поток, который медлительно перемещает пылающие брикеты по направлению к топке котла.

Обычная термическая станция Hvidebek (Дания), снабжающая теплом 560 потребителей, оборудована котлом мощностью 5МВт, конструкция которого рассчитана на сжигание консистенции топлив: травы (60%) и отходов различного происхождения (40%). Трава перед подачей в котел измельчается скарификатором. Выработка термический энергии на станции составляет 66 тыс. ГДж/год, расход травы – 3,8 тыс. т/год, уровень эмиссии жестких частиц – наименее 40 мг/нм3. Серьезные издержки на сооружение термический станции (без учета издержек на строительство термический сети) составляют около 12,25 млн долл.

Комбинированные установки

Станции комбинированной выработки тепла и электроэнергии (КТЭ) имеют мощность от 7 до 68 МВт.

Практически все установки этого типа оборудованы котлами, работающими под высочайшим давлением, паровыми турбинами, электрогенераторами и теплообменниками. Трава перед подачей в котел измельчается скарификатором и через три загрузочные воронки поступает в котел на систему решеток, состоящую из недвижной водоохлаждаемой решетки и вибрационной, на которой завершается процесс горения. Шлак ссыпается в водоохлаждаемый бункер и удаляется. Станция также оборудована буферным резервуаром для сохранения тепла конденсации при малом уровне расхода тепла потребителем. Размер резервуара позволяет станции работать 5 — 10 ч в зимний период.

Из за относительно низкой температуры размягчения золы травы существует опасность того, что липкие частички уносимой золы сформируют твердые отложения на трубах котла, если температура товаров сгорания и пара превзойдет определенный уровень. Для предотвращения обозначенных заморочек температура перегрева пара ограничивается 450°С. Температура товаров сгорания в пароперегревателях обычно ограничивается 650 700°С. Не считая того, при температуре поверхности труб выше 400 — 450 °С возрастает опасность коррозии. Таким макаром, наибольшая температура пара не может определяться лишь на базе черт прочности материала труб.

Неочищенные продукты сгорания травы содержат внутри себя частички уносимой золы на уровне 1000 — 5000 мг/нм3 зависимо от типа котла и других обстоятельств. Для чистки товаров сгорания употребляется электрофильтр. Эмиссия жестких частиц после электрофильтра ниже 40 мг/нм3. Эмиссия SO2, СхНу, полиароматических углеводородов и диоксинов очень низкая. Таким макаром, станция отвечает нормативным требованиям по выбросам в окружающую среду.

Экологические характеристики

Внедрение травы для прямого сжигания является одним из методов понижения выбросов СО2 в атмосферу. Трава, как и биомасса в целом, является СО2 — нейтральным топливом, другими словами потребление углекислого газа из атмосферы в процессе роста злаковых культур соответствует эмиссии СО2 в атмосферу при сжигании травы. Беря во внимание дополнительные выбросы углекислого газа, которые происходят при сборе, транспортировке и подготовке травы для сжигания, понижение эмиссии СО2 при подмене угля, сжигаемого в котле, на траву составляет около 90 %.

Сбор биомассы и ее внедрение в энергетических целях оказывают влияние на состояние земли. Вкупе с биомассой из земли удаляются питательные вещества и такие нужные элементы, как Са, Mg, К, N. В итоге этого, во первых, замедляется рост последующих поколений биомассы, во вторых, усиливается опасность кислования земли. Решаются обозначенные задачи внесением удобрений, возвратом золы и известкованием земли. Дополнительные издержки на удобрение почв, которые могут пригодиться при неиспользовании травы в качестве удобрения, оцениваются приблизительно в 7 долл./т травы и не превосходят 10% цены травы как горючего.

Создатели провели исследование совместного сжигания травы с углем в котле с кипящим слоем при атмосферном давлении. При увеличении энергетической толики травы в консистенции с углем от 0 до 36% уровень эмиссии СО понижается от 145 до 96, NOx?– от 960 до 555, SO2?– от 795 до 470 мг/нм3. Выбросы НСl при всем этом растут от 58 до 152 мг/нм3 вследствие относительно высочайшего уровня содержания хлора в траве (около 915 мг/кг сухого обеззоленного сырья).

Цена тепла и электроэнергии

Цена термический энергии для потребителей в Дании при покупке ее у термический станции, работающей на биомассе (отчасти либо вполне), составляет 26,25 долл./ГДж. Обозначенная стоимость содержит в себе последующие составляющие, долл./ГДж: покупка травы – 7, техническое сервис установки – 5,25, прибыль и амортизация оборудования – 8,75, утраты тепла в сети – 5,25. По соглашению меж датскими станциями комбинированной выработки стоимость термический энергии, вырабатываемой на их, не должна превосходить стоимость термический энергии, вырабатываемой на термических станциях.

Создателями было проведено сопоставление экономических характеристик соломосжигающих установок разного типа, более многообещающих для предстоящего развития технологий сжигания травы.

1. Установка, состоящая из 2-ух отдельных котлов. В первом происходит сжигание травы и выработка пара умеренной температуры. Во 2-м котле сжигаются классические горючего (уголь, природный газ, нефть). Достоинства таковой технологии заключаются в применимой степени коррозии частей оборудования и раздельном получении золы угля и травы. Недочет – маленькой КПД выработки электроэнергии.

2. Установка, состоящая из 2-ух отдельных котлов. В первом происходит сжигание травы/древесной породы и выработка пара высочайшей температуры. Во 2-м котле сжигаются классические горючего (уголь, природный газ, нефть). К истинному времени эта разработка находится в стадии технического развития. Достоинства такие же, как в предшествующей установке, но при всем этом существенно увеличивается КПД выработки электроэнергии.

3. Соломосжигающая станция КТЭ с противодавлением. Преимущество таковой технологии состоит в умеренном уровне коррозии частей оборудования. Недочеты – маленький КПД выработки электроэнергии и высочайшие серьезные издержки.

Газификация и пиролиз

Газификация травы представляет энтузиазм исходя из убеждений подмены ископаемых видов горючего биомассой на маленьких электрических станциях мощностью 0,2 — 3 МВт и электрических станциях мощностью 50 — 100 МВт. Газ из маленького газификатора может употребляться в газовом движке, приводящем во вращение электрогенератор. Охлаждающая вода нагревает сетевую воду системы централизованного теплоснабжения.

На электростанции газ может сжигаться в котле высочайшего давления, а пар подаваться в турбину, соединенную с электрогенератором.

С 1988 г. проводились разные опыты по газификации травы, к примеру, на электростанции в Кондбю.

Исследования по газификации травы производятся на 2-ух видах газификационных установок:

1. Маленькие газификаторы электронной мощностью 0,2 — 3 МВт и термический мощностью 0,5 — 8 МВт, которые могут поменять имеющиеся котлы на централизованных котельных, где в текущее время не вырабатывается электроэнергия.

2. Большие газификаторы электронной мощностью 50 — 100 МВт для электрических станций, на которых газ с низким содержанием щелочных металлов и хлора можно спаливать в котле высочайшего давления. Эта концепция именуется «спаренный газификатор-котел».

Высочайшее содержание хлора и щелочных металлов в траве делает ее неприменимой для прямого сжигания в котлах с высочайшими параметрами пара, которые нужны для увеличения КПД выработки электроэнергии. В процессе пиролиза основная часть хлора и щелочных металлов остается в древесном угле, если температура поддерживается на уровне менее 550° С. Не считая того, в циклоне жаркий газ очищается от жестких частиц. Таким макаром, пиролизный газ может употребляться для перегрева пара без сколько нибудь сурового риска коррозии, эрозии и образования отложений на пароперегревателе.

С 1996 г. проводились тесты пиролизной установки на электростанции в г. Хаслеве. Расход травы для пиролизной установки составил 675 кг/ч, что примерно эквивалентно 2,7 МВт. Мощность, получаемая при сжигании пиролизного газа, примерно равна 1 МВт. Другие 1,7 МВт получают из древесного угля при его сжигании в котле.

Внедрение пиролиза на электрических станциях может привести к повышению электронной мощности на 10 — 15% при данной термический мощности. Это эквивалентно увеличению КПД выработки электроэнергии на 2 — 3%.