Метанол. Производство одного из заменителей бензина — метанола бы­ло рассмотрено ранее при описании процесса пиролиза. Метанол отличается от бензина высокой детонационной стойкостью. Его октановое число достига­ет 87-94 единицы, что позволяет увеличить степень сжатия в двигателе до 12- 14. Однако теплота сгорания значительно ниже, поэтому увеличивается рас­ход такого топлива. С учетом других эксплуатационных характеристик при­менение метанола способствует повышению эффективности двигателя по сравнению с бензиновым топливом на 10-11%.

Кроме пиролиза существуют иные технологии выработки моторных топ­лив из биомассы. Среди них гидрогенизация, газификация и др.

Наряду с прямым сжиганием метанола в цилиндрах двигателя внутреннего сгорания постепенно внедряются иные технологии использования этого вида топлива. Речь идет о применении топливных элементов, которые вырабатывают электроэнергию для электромобилей н не дают вредных выбросов в атмосферу. Этой проблемой интенсивно занимаются в концерне Daimler Chrysler. Основой для топливных элементов является метанол, получаемый из биомассы. Вначале (рис. 3,12) метанол смешивается с водой, преобразователь разлагает образовав­шуюся смесь на водород Н2 и диоксид углерода СО-, при температуре 250- 300°С. При этом образуется некоторое количество оксида углерода СО, но он отделяется на стадии очистки перед подачей в топливный элемент. Разложение смеси ускоряется в присутствии катализатора из меди и цинка. В топливном элементе водород реагирует с кислородом воздуха. При этом генерируется электрический ток и образуется чистая вода. Избыточное количество водорода и углекислый газ из топливного элемента подаются на дожигание, откуда теплота подводится к испарителю и преобразователю для поддержания реакции [81].

Рис. 3.12. Схема использования метанола в топливном - элементе

КПД топливного элемента превышает 60%, чем он выгодно отличается от двигателей внутреннего сгорания.

Газификация. Продукты термической газификации биомассы могут быть подвергнуты дальнейшей переработке с целью синтеза жидких углеводородов, которые являются основными компонентами при получении моторного топ­лива. Общая схема такой переработки биомассы, разработанная специалиста­ми российского института ИГИ, изображена на рис. 3.13.

Cj;HYOz (биомасса) Рис. 3.13. Синтез моторного топлива из биомассы

По одному из процессов из смеси газов после газификации под давлением воздуха 1 МПа при температуре 180-230°С на кобальтсодержащих катализа­

торах получают жидкие углеводороды, содержащие бензиновую (С5 - Сц) и дизельную (С 12 - С22) фракции. Для получения 1 т жидкого топлива требуется переработать 8-10 т исходного сырья [75].

Каталитическая газификация биомассы водяным паром проводится при температуре 700-800°С с участием никелевых катализаторов. Выделяющаяся смесь водорода и диоксида углерода составляет 150-160 кг в расчете на 1 т биомассы. Диоксид углерода из смеси удаляется. Расчеты показывают, что ко­личество жидких углеводородов удваивается при газификации биомассы во­дяным паром по сравнению с применением воздушного дутья.

Растительные масла. Важным возобновляемым резервом для замены неф­тепродуктов, применяемых в качестве моторного топлива, могут служить масла, получаемые из семян растений. О масштабах современного производства расти­тельных масел свидетельствуют данные, приведенные в таблице 3.1 [74],

Таблица 3.1 Масличная культура Мировое произ­водство, 10* т Высшая теплота сгорания, МДж/кг Общая цена, долл7т Кокосовый орех 2,6 38,8 575 Семена хлопка 2.9 393 530 Земляной орех зз 39,7 546 Пальма 3.8 39,2 585 Семена рапса 3,7 39,7 478 Соевые бобы 13,2 39,4 539 Подсолнечник- 4,6 39,6 526

К другим ценным масличным культурам можно отнести кунжут и льня­ное семя.

Современные технологии извлечения масла основаны на механическом (прессование с подогревом) и химическом (экстракция растворами) процессах. После двукратного прессования в отжимках остается до 5% масла, экстракция позволяет удалить до 99%. Энергетический баланс при выработке раститель­ного масла положительный. Только 26% от энергии, которая содержится в масле, расходуется на выращивание растений и переработку. Основным не­достатком растительных масел по сравнению с дизельным топливом является йх высокая вязкость, затрудняющая распыление при вводе в цилиндр двигате­ля. Возможно также засорение топливных линий.

Основная идея подготовки растительного масла к использованию в каче­стве моторного топлива заключается в том, чтобы заменить глицерин на лю­бой сорт спирта: этанол или метанол. Сложная молекула жира при этом раз­бивается на 3 отдельных цепочки. Моторное биотопливо не боится низких температур и не требует предварительного подогрева. Оно не вызывает корро­зии в элементах топливопровода и топливного насоса, имеет низкое содержа­ние серы. Из перечисленных в таблице 3.1 масличных культур наибольшее применение для моторных топлив нашли рапсовое масло в Европе, соевое масло в США, пальмовое масло и масло кокосовых орехов на Филиппинах.

Урожайность рапсовых семян с 1 га составляет 3 т, из них можно полу­чить 1 т масла. Чтобы получить заметное количество моторного топлива, не­обходимо отвести под эту культуру большие площади сельскохозяйственных земель. По оценкам экспертов Европейского Союза, в 15 странах ЕС целесо­образно отвести под масличные культуры 10% сельскохозяйственных угодий. Поставлена цель: к 2005 г. заменить 5,75% или 17,5 млн т потребности ЕС в моторном топливе за счет биодизельного топлива из рапсового масла. В США имеется 77 млн гектаров земель, пригодных для выращивания биомассы, из которой возможно производить жидкое топливо.

При производстве моторного топлива растительное масло превращается либо в этанол, либо в дизельное топливо. В нервом случае масло подвергается пиролизу при нагреве. Конечным продуктом является этанол, который исполь­зуется в карбюраторных двигателях. Биодизельное топливо, применяемое в ди­зельных двигателях, получают, смешивая сырое растительное масло с метано­лом, доля которого достигает 10-15%. При этом резко снижается вязкость топлива. Хорошее биодизельное топливо производят переработкой сырого рас­тительного масла в метилэфир, имеющий химические и физические свойства, близкие к обычному дизельному топливу. В результате не требуется модерни­зации существующих дизельных двигателей. В Калифорнии уже сооружается установка с производительностью 110 000 м3/год биодизельного топлива.

3.2.3. Переработка твердых бытовых отходов Складирование на полигонах. В настоящее время существует несколько методов переработки твердых бытовых отходов (ТБО), образующихся в горо­дах. Наиболее простой из них — вывоз ТБО на специально отведенные пло­щадки — свалки и полигоны для захоронения на 30-50 лет. На свалках из-за аНтисанитарии, загрязнения почвы и подземных вод, окружающего воздуха солями тяжелых металлов, газами, выделяющимися при разложении, создают­ся условия, опасные для окружающей среды и проживающих в этих районах людей - Такой способ избавления от отходов не является прогрессивным. Од­нако и со свалок можно воспользоваться полезными продуктами.

Внутри многометровой толщи мусора, представляющей техногенное гео­логическое образование, протекают самопроизвольные микробиологические процессы. Так как они ведутся без активного доступа кислорода, то в них разви­ваются метангенерирующие анаэробные бактерии, а биомасса разлагается на биогаз н диоксид углерода. В этих условиях из 1 т ТБО выделяется 200-300 м3 биогаза. Подсчитано, что на земле со свалок ежегодно выделяется 30-70 млн т биогаза. Многие страны закрывают подобные полигоны и собирают самопроиз­вольно генерируемый биогаз. Схема системы сбора, переработки и транспорти­ровки биогаза со свалки изображена на рис. 3.14.

Газ собирается с помощью системы скважин, распределенных по терри­тории полигона и соединенных трубопроводами со сборным коллектором.

В каждой скважине глубиной 9-11 м находится перфорированная поли­винилхлоридная труба диаметром 150 мм. Газ проходит через конденсато - уловитель и сепаратор влаги и транспортируется по трубопроводу с помо­щью газодувки. По трассе трубопровода имеются дополнительные bjгагоотделител и. Далее газ компремнруется до требуемого давления, прохо­дит через барабан последнего сепаратора перед зданием ТЭС, очищается в фильтре от твердых частиц и поступает на сжигание в котел. На био газе со свалок работают ТЭС мощностью 10-50 МВт, Подобные электростанции действует в США на 150 свалках, в Канаде, Германии, Италии и других странах. Иногда крупные ТЭС (Р=660 МВт в Канаде) используют биогаз вместе с мазутом.

Газ со свалок применяется и для отопления производственных помеще­ний (США), для сжигания в печах по обжигу кирпича (Великобритания) и других случаях.

Отмечается низкая (в 10 раз) стоимость биогаза по сравнению с природ­ным газом и с жидким топливом. К тому же, ТЭС, работающая на биогазе, вырабатывает меньше СО-.

Рис. 3.14. Схема использования биогаза с полигонов для мусора

Одним ИЗ последних проектов, использующих биогаз, который генери­руется на полигонах твердых городских отходов, является строительство под Парижем электростанции мощностью 10 МВт. Ее работа предусматривается в учение 10 лет с высокой степенью готовности. ТЭС базируется на полигоне, ^уда ежегодно свозится более 350 000 т отходов и где выход газа составляет 9200 м3/ч. Выработка электроэнергии для местной электросети составит ми­нимум 82800 МВтч. Гарантированная стабильность работы станции, несмот­ря на колебания в уровне расхода газа, обеспечивается конструкцией горелок, допускающих использование до 5% мазута, и совершенной системой монито­ринга и управления.

Предусматривалось увеличение электрогенерирующих мощностей, ис­пользующих биогаз, до 50 МВт к 2002 г.

Шесть работающих на биогазе со свалок ТЭЦ Ирландии имеют мощность 15 МВт и в значительной степени оздоровляют окружающую среду. К этим станциям добавится еще одна с установленной мощностью 5 МВт, которая находится в стадии строительства [22].

Технология складирования ТБО на полигонах может быть заменена комплекс­ной безотходной переработкой мусора на специальных заводах. Одна из схем ути­лизации ТБО, разработанная в Санкт-Петербурге, изображена на рис. 315.

Собранные ГЕО подвергаются сортировке с разделением на три фракции: тяжелую, состоящую нз черных и цветных металлов, стекла; не компостируе­мую легкую, включающую текстиль и пластмассы; компостируемую органи­ческую (пищевые отходы, отходы переработки сельскохозяйственной продук­ции, стоки очистных сооружений).

Первая фракция направляется на металлургические и стекольные заво­ды для повторной переработки. Вторая фракция подвергается термохимиче­ской конверсии — пиролизу с получением углеродистого остатка (пирокар­бона), синтез-газа, смолы и масел. Пирокарбон применяется в металлургии, сжигание синтез-газа обеспечивает теплотой процесс пиролиза. Смола под­вергается дальнейшей обработке, в результате которой образуется автомо­бильный бензин.

Компостируемая фракция может быть заложена в компост, если предва­рительно ее очистить от солей тяжелых металлов. Более эффективно биомасса подвергается переработке по биогазовой конверсии в анаэробных условиях.

Получаемый биогаз служит топливом в автомобилях, убирающих мусор, j, n6o поступает в установки, где проходит обработку водяным паром и катали - тИческое гидрирование. Образующаяся широкая фракция служит основой для синтеза метанола, бензина или дизельного топлива,

Инсинерация. В странах Запада и бывшего СССР утилизация ТБО осу­ществляется на мусоросжигающих заводах с получением трячей воды и пара. Однако мусоросжигающая технология сказалась убыточной из-за жестких со­временных требований к экологии. Затраты на газоочистку чрезвычайно вы­соки, поэтому, например, в США несколько десятков таких заводов были за­крыты. Заводы Минска, Алма-Аты, Баку, Тбилиси. Санкт-Петербурга, Москвы оказались нерентабельными. На них требуется устанавливать дорогостоящую систему газоочистки.

В последнее время инсинерация ТБО была значительно усовершенство­вана в части управления процессом таким образом, чтобы образующиеся при сжигании соединения — диоксины — разлагались и не попадали в окружаю­щую атмосферу.

Так, в середине 90-х годов XX века при поддержке программы Европей­ского Союза THERMIE в Голландии была построена энергетическая установ­ка мощностью 73 МВт, объединяющая 3 инсинератора с потреблением в каче­стве топлива S0 г/ч твердых бытовых отходов, имеющих среднюю теплоту сгорания 30,45 МДж/кт, с тепловой электрической станцией, работающей по комбинированному циклу. Объединение мусоросжигающей печи и ТЭС по­зволило увел мчить эффективность интегрированного предприятия на 7% по сравнению с отдельно работающим инсинератором [82].

К 2000 г. в Испании работали 10 мусоросжигающих заводов суммарной мощностью 97 МВт. Они утилизируют ежегодно более 3,2 млн т ТБО. В бли­жайшее время планируется строї пел ьст во еще 2 инсинераторов, которые вме­сте добавят 65 МВт к существующим электрогенерирующим мощностям, ис - пользуЕощим ТБО. Причем и нс и не разор мощностью 15 МВт встраивается в комбинированный парогазовый цикл, газовая турбина которого работает на природном і азе, обеспечивая 75 МВт мощности. Осуществление этого проек­та позволит сжигать еще 960 тыс. тонн твердых бытовых отходов ежегодно, а Доля перерабатываемого в электроэнергию мусора составит 15% от всех ТБО.

Сопоставлять экономическую эффективность работы установок по кон­версии биомассы крайне затруднительно, так как она зависит от вида приме­няемого сырья, конверсионной технологии, масштабов выпуска соответст­вующего оборудования, мировых цен на энергоносители и т. д. Однако иекоторые примеры полезно привести.

Расчеты показывают, что стоимость этилового спирта в Бразилии состав­ляет 0,16 долл./л, тогда как стоимость бензина — 0,2 долл./л. Правительство США стимулирует владельцев автомобилей покупать этанол вместо бензина, поддерживая его стоимость на уровне 70% от стоимости бензина.

Одновременно ученые Национальной лаборатории возобновляемых источ­ников энергии (NREL, штат Колорадо, США) работают над существенным сни­жением стоимости производства этанола из биомассы с 31 до 15-18 цент./л, применяя методы генной инженерии при выращивании бактерий, участвующих в выработке этанола.

Важный вид биотоплива — древесные брикеты, применяемые на тепло­вых электростанциях США и Западной Европы, имеются на коммерческом рынке. Отмечается тенденция к постоянному снижению стоимости этого про­дукта. В Германии, например, тонна древесных брикетов в конце 90-х годов обходилась в 450 марок, а себестоимость выработаннй на их основе теплоты составляла 10,09 марка/(кВт • ч) [84]. В Австрии стоимость отпуска теплоты для районных Теплосетей, сжигающих в котлах отходы деревообработки, оце­нивается в 0,7-0,8 шиллинг/{кВт' ч). Доступным на рынке оказывается рапсо­вое масло в качестве моторного топлива. Германский кооператив в г. Эрфурте реализует его по цене 1,2 марка/л.

Удельные капиталовложения в США на биоэнергетическое оборудование составляют приблизительно 2000 долл, на 1 кВт установленной мощности - Не следует забывать, что биоэнергетические установки замещают ископаемые энергетические ресурсы.

В настоящее время в Италии недалеко от г. Пиза осуществляется проект Termie (TEF), который должен продемонстрировать возможности газифика­ции биомассы, выращиваемой по ускоренному методу. Парогазовая установка имеет мощность 8-12 МВт, удельные капитальные вложения по проекту 1300-1975 долл./кВт установленной мощности. Об эффективности и сниже -

лни вредного воздействия на экологию биогазовых систем, реализующих цикл дизеля при малой мощности, циклы ГТУ, ПГУ и ПТУ в установках повышен­ной мощности, можно судить по данным таблицы 3.2 [73].

Таблица 3.2 Техноло­гия сжи­гания Термоди­намиче­ский цикл Мощ­ ность, МВт КПД но электри­ческой нагрузке Содержание N0 на выхо­де, мг/МДж Себестои­мость энер­гии, иент./(кВт+ч) Прямое сжигание ПТУ £ 200 25-35 140-170 6,5-41,0 Газифи­ кация Дизель 0.5-10 38—40 менее 20 5-6 Газифи­ кация ГТУ 10-30 28-36 менее 50 5,5-6,5 Газифи­ кация ПГУ 20-150 42—49 менее 50 4,5-5,5

По зарубежным и российским данным, срок окупаемости энергоустано­вок, использующих отходы биомассы, находится в пределах от 1 года до 4 лет, что вполне приемлемо.

В российских условиях стоимость биогаза на выпускаемых в стране уста­новках сопоставима со стоимостью органического топлива. Себестоимость производимых органических удобрений в 2-3 раза ниже себестоимости мине­ральных удобрений при одинаковом эффекте. Затраты на обеззараживание на­возных стоков по биогазовой конверсии в 5-6 раз ниже, чем при других спо­собах, что свидетельствует о преимуществе биогазовых установок как природоохранных сооружений.

Сопоставление затрат на сжигание ТБО и их хранение на полигонах под­тверждает экономическую целесообразность первой технологии. Так, затраты на сжигание 1 т ТБО в Германии в среднем не превышают 316 марок. На но­вейших установках они снижены до 180-230 марок. При складировании и хранении ТБО на полигонах приходится затрачивать от 200 до 400 марок на каждую тонну. К тому же, технология сжигания требует в 7 раз меньших зе­мельных площадей.