Проблемы использования биомассы. Растительная биомасса пред­ставляет собой проблему с точки зрения использования ее как топли­
ва. Она объемиста, обладает высокой влажностью и даже в высушенном состоянии характеризуется низкой теплотворной способностью. Цен­ность биомассы как топлива по сравнению с углем является низкой (табл. 20). Биомасса, содержащая более 2/3 воды, не будет гореть; на практике топливо, используемое для непосредственного сжигания, должно содержать менее 30% воды (по массе). Кроме того, биомасса находится в твердом состоянии, что исключает возможность получения надбавок к ценам, которые устанавливаются для жидких видов топлива.

Содержание влаги, %	30-	-90	0,5-20
Содержание кислорода в су­
Хом веществе, %	30-	-40	2-20
Теплотворная способность су­
Хой массы, ГДж/т	16-	-24	29-37
Содержание золы в сухом ве­
Ществе, %	1-	13 «	5-25
Энергетическая плотность сы­
Рого материала, ГДж/м3	< 1	-15	43

Таблица 20. Топливная ценность биомассы и угля

Свойства

Биомасса

Уголь

С учетом этих фактов был сделан ряд предложений, направленных на повышение теплоты сгорания биомассы. Более горючие компоненты могут быть отделены или превращены химическим или биохимическим путем в ценные виды топлива.

В таблице 21 представлен типичный состав сухого растительного материала. Растения представляют собой сложную смесь различных соединений. Одни из них обладают высокой теплотворной способностью, например жиры и масла, другие занимают промежуточное положение

Компоненты

Таблица 21. Типичный состав растений

І в сухом веществе

Водорастворимые соединения (сахара, крахмал, аминокис­лоты, мочевина, соли аммо­ния) Протеин

Целлюлоза и гемицеллюлоза

Лигнин

Зола

Содержание влаги

5-30 5-40 25-90 5-30 1-13

30-90% в сырой биомассе

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 теплотворная способность. Процессы, используемые для осуществле­ния этих преобразований, кратко описаны ниже.

Виды сырья и топлива

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

Теплота сгорания, ГДж/т

Растительные компоненты

Общая биомасса Углеводы Масла

16-24 16-17,5 -40

Полученные виды топлива

Оксид углерода Метаиол Этаиол 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 лжетсуги тисолистной, % Топливо Водород Углерод Азот Кислород Зола Древесина 6,3 52,3 ОД 40,5 0,8 Кора 5,8 51,2 0,1 39,2 3,7

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 угля, 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 сжигание 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 содер­жания 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):

С12Н220„ +Н20-> 4С2Н5ОН + 4С02.

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

С6Н1206 + ЗСН4+ЗС02.

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 С02. Может, однако, представиться возможность добиться выделения элементарного водорода из клеток или их компонентов с использованием его в качестве топлива.