Биомасса

 

ЭКОНОМИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ 

 

Несмотря на многочисленные исследования, выполненные в отношении  практически всех аспектов выполнения программы в Бразилии, до сих пор  существуют разногласия в оценке ее экономических аспектов. Это объясняется  тем, что затраты на производство этанола и его экономическая  ценность для потребителя и для  страны зависят от многих видимых  и невидимых факторов, делающих затраты  зависящими от места и переменными  во времени, иногда ото дня ко дню. Например, производственные затраты  зависят от местонахождения, конструкции  и управления установкой. Оказывается  важным, является ли установка независимой, работающей рядом с плантациями, специализирующимися на производстве спирта, или же она входит в состав плантации, специализирующейся на экспорте сахара. С другой стороны, экономическая  ценность этанола для потребителя  зависит преимущественно от мировых  цен на сырую нефть и сахар, а также от того, используется ли этанол в обезвоженной форме в  качестве добавки к бензину, или  же в качестве самостоятельного топлива  без предварительного удаления воды.

 

В период между 1979 и 1988 годами стоимость производства этанола  ежегодно снижалась на 4% за счет оптимизации  выращивания и переработки сахарного  тростника. Стоимость производства этанола можно снизить еще, если утилизировать отходы производства, преимущественно жом (багассу). В этом случае возможно уменьшение затрат до уровня 0,15 $/литр, что сделает этанол конкурентоспособным по отношению к бензину даже в условиях низких цен на нефть начала 90-х годов. Подсчитано, что в случае использования газификаторов/паровых турбин для производства электроэнергии из жома одновременно с производством этанола затраты на электроэнергию составят 0,045 $/кВт·ч.

 

Несмотря на проблемы, программа  является успешным примером достижения поставленных целей. Цель программы  была достигнута вовремя, а ее стоимость  оказалась ниже предсказанной. В  процессе реализации программы и  увеличения мощности сахарной и спиртовой  промышленности была развита собственная  экспертиза в этой области. Увеличена  независимость страны, достигнута экономия в балансе международной торговли, обеспечена база технологического развития как в производстве, так и в потреблении этанола, созданы новые рабочие места. Успех Бразилии обусловлен следующими факторами: политикой и поддержкой правительства, экономическими и финансовыми стимулами, вовлечением частного сектора, технологическим потенциалом производства этанола, длительным историческим опытом производства и использования этанола, сотрудничеством между правительством, производителями сахарного тростника и автомобильной промышленностью, адекватными человеческими ресурсами, обилием плантаций дешевого сахарного тростника в хороших климатических условиях и на пригодных землях, а также наличием сахарной промышленности. В результате потребовались относительно небольшие инвестиции для организации производства этанола.

 

ЗИМБАБВЕ 

 

 Зимбабве является  примером относительно небольшой  страны, которая предпринимала попытки  решить проблему импорта нефти  с помощью укрепления собственной  агропромышленной базы. Получение  независимого и надежного источника  жидкого топлива считалось оптимальной  стратегией, учитывая географическое  положение страны, неустойчивую  политическую ситуацию, ограничения  в международной торговле, а также  другие экономические соображения.  Зимбабве не имеет собственных  источников нефти, поэтому все  продукты переработки нефти импортировались.  На эти цели уходило 120 млн амер. долларов или 18% дохода страны от международной торговли. С 1980 года Зимбабве является в Африке пионером производства этанола для использования в качестве добавок к бензину. Первоначально использовалась смесь бензина с 15% спирта. С увеличением его потребления сделан переход на использование 12% добавки. Это единственный вид топлива, доступный на рынке для автомобилей с искровым зажиганием. Начиная с 1983 года, производство этанола в стране составляет 40 млн литров в год.

 

 

МАЛЫЕ БИОГАЗОВЫЕ УСТАНОВКИ 

 

Существует два базовых  типа разложения или ферментации: естественный и искусственный. Понятие "анаэробный процесс" означает процесс в условиях отсутствия воздуха (кислорода). Поэтому любое разложение или ферментация органических материалов при отсутствии воздуха (кислорода) называется анаэробным сбраживанием или ферментацией, которая может происходить либо в естественных, либо в искусственных условиях.

 

Свойства сбраживания  органических материалов

 

Когда исходные органические материалы сбраживаются в замкнутом  объеме без доступа воздуха, только некоторая часть отходов превращается в биогаз. Материалы сбраживаются частично, и либо накапливаются внутри метантенка, либо удаляются вместе со сброженным раствором. Способность к сбраживанию и другие связанные с ним свойства органических веществ (ОВ) выражаются следующими параметрами:

 

Влажность

 Это вес воды, которую  вещество теряет в процессе  сушки при 100°C. На практике  процесс сушки проводится в  течение 48 часов в печи до  полного удаления воды. Содержание  воды определяется разницей между  весом ОВ до и после сушки. 

 

Содержание твердого вещества

 Вес сухого вещества (СВ) или содержание твердого вещества (ТВ) описан выше. ТВ представляет собой "сухой вес" ОВ (отметим, что после сушки ОВ на солнце в нем остается около 20% воды). Значение 10% влажности означает, что 100 граммов вещества содержат 10 граммов воды и 90 граммов СВ. СВ или ТВ состоит из органических веществ (или летучего ТВ) и инертного ТВ (зола).

 

Летучие компоненты

 Вес сгораемого органического  вещества (ОВ) в условиях нагрева  СВ (ТВ) до температуры 550°C в течение трех часов называется летучим твердым веществом (ЛТВ) или летучей материей. Для высокотемпературного нагрева СВ (ТВ), содержащегося в ОВ, используются муфельные печи. После нагрева остаются только неорганические компоненты (зола). Другими словами, ЛТВ представляет собой долю ТВ, которая сгорает при нагреве до 550°C. Неорганические вещества, остающиеся после нагрева, называются связанным (нелетучим) ТВ или золой. Именно летучие твердые вещества могут быть превращены бактериями (микробами) в биогаз.

 

Зола 

Вещество, остающегося после  нагревания до 550°C, называется неорганическим остатком или золой (FS). Речь идет о  биологически инертных веществах.

 

Системы для производства биогаза 

 

 Биогаз, представляющий собой преимущественно смесь метана и двуокиси углерода, производится как в естественных, так и в искусственных условиях. Однако с технико-экономической точки зрения, производство биогаза в искусственных системах представляет собой лучший и наиболее удобный метод. Образование биогаза - биологический процесс, имеющий место в условиях отсутствия воздуха (кислорода), в процессе которого органические вещества преобразуются в метан (CH4) и углекислый газ (CO2). В результате реализации этого процесса получается прекрасное органическое удобрение, и также может быть получен гумус. Одним из определяющих требований для производства биогаза является наличие герметичного контейнера. Биогаз может быть получен только в анаэробных условиях, при которых анаэробные бактерии, живущие только в отсутствии кислорода, преобразуют органическое вещество. Герметичный контейнер, используемый для производства биогаза в искусственных условиях, называется дайджестер (метантенк) или реактор.

 

Состав биогаза 

 

 Биогаз представляет  собой бесцветный, не имеющий  запаха горючий газ, получающийся  из органических отходов и  биомассы в процессе декомпозиции (ферментации). Биогаз может быть  получен из животных и растительных отходов, отходов человеческой деятельности, растительных культур, листьев, водных растений и т.д. Состав биогаза приведен ниже:

Метан (CH4) : 55-70%

Двуокись углерода (CO2) : 30-45%

Сероводород (H2S) : 1-2%

Азот (N2) : 0-1%

Водород (H2) : 0-1%

Монооксид углерода (CO) : следы

Кислород (O2) : следы

 

 

Свойства биогаза 

 

Биогаз горит голубым  пламенем. Он имеет теплотворную способность 4500-5000 ккал/м3 при содержании метана 60-70%. Величина теплотворной способности  прямо пропорциональна содержанию метана, которое, в свою очередь, зависит  от сырья, используемого для получения  биогаза. Из-за различной теплотворной способности использование горелок, предназначенных для других газов (бутан, сжиженный нефтяной газ и  др.) дает меньшую эффективность. Использование  специальных биогазовых горелок  позволяет добиться тепловой эффективности 55-65%.

 

Биогаз - нетоксичный, бесцветный, безвкусный, не имеющий запаха стойкий  газ. Однако, в случае наличия малого количества сероводорода, биогаз может  иметь слабый запах тухлых яиц. Этот запах заметен не всегда и практически  всегда отсутствует в случае сжигания биогаза. Сжигание биогаза в воздушной  среде образует голубое пламя  с выделением большого количества тепловой энергии. Из-за наличия большого количество углекислого газа биогаз является безопасным (невзрывоопасным) топливом для сельских домов.

 

Один кубометр биогаза  содержит 4500-5500 ккал/м3 тепловой энергии  и при сжигании в специализированных горелках, имеющих эффективность 60%, может обеспечить 2700-3200 ккал/м3 тепла. По определению, одна ккал - это тепло, требуемое для того, чтобы поднять  температуру 1 кг (литра) воды на один градус. Следовательно, полезное тепло (в среднем 3000 ккал/м3), содержащееся в одном  кубометре биогаза, является достаточным  для доведения до кипения 100 кг (литров) воды с начальной температурой 200 оC или обеспечения в течение 4-5 часов свечения лампы мощностью 60 - 100 Вт.

 

Образование биогаза 

 

Процесс декомпозиции (ферментации, сбраживания) органических (биодеградируемых) материалов с образованием метана происходит с участием группы микроорганизмов, принадлежащих к семейству метановых бактерий, и представляет собой сложный биологический и химический процесс. На практике он часто делится на две основные стадии - образование кислот (сжижение) и образование газа (газификация). Однако процессы анаэробной ферментации при более тщательном рассмотрении могут быть разбиты на четыре стадии:

Гидролиз.

Образование кислот.

Гидрогенизация.

Образование метана.

 

В то же время для практических целей образование метана достаточно представить как процесс, состоящий  из трех этапов - гидролиза, образования  кислот и метана. В субстрате внутри метантенка работают две группы бактерий: неметаногеновые и метаногеновые. Неметаногены при нормальных условиях могут развиваться при кислотности (рН) 5,0-8,5 в температурном диапазоне 25-42°C. Идеальными условиями для метаногенов является рН 6,5-7,5 и температурный диапазон 25-35°C. Это так называемые мезофильные бактерии, которые имеются во всех простых биогазовых установках и могут существовать в широком диапазоне температур от 15 до 40°C. Однако эффективность работы бактерий очень быстро снижается при понижении температуры субстрата ниже 20°C и практически равна нулю при температуре ниже 15°C. В Индии, например, мезофильные бактерии могут существовать в биогазовых установках, в которых не используется нагрев или теплоизоляция метантенка. Это обеспечивает малую стоимость установок, используемых в индивидуальных хозяйствах. Существуют две другие группы анаэробных бактерий, а именно психрофильные и термофильные бактерии. Первая группа может существовать при низких температурах в диапазоне 10-15°C, однако целесообразность использования этих бактерий в практических целях не установлена до сих пор. Термофильные бактерии работают при значительно более высоких температурах в диапазоне от 45 до 55°C и являются очень эффективными. Они более полезны в крупных биогазовых установках, особенно в тех, где в качестве сырья используются горячие стоки. В обоих случаях устройство биогазовых установок должно быть сложным, поэтому описываемые группы бактерий не нашли применения в простых сельскохозяйственных биогазовых установках индийского типа.

 

 

Устройство биогазовых установок 

 

 Биогазовая установка  (БУ) представляет собой герметичный  контейнер, который обеспечивает  процесс ферментации органических  материалов в анаэробных условиях. Другими названиями может быть "Биогазовый Дайджестер", "Биогазовый Реактор", "Метановый Генератор", "Метановый Реактор". Рециркуляция и обработка органических отходов (биодеградируемых материалов) в процессе анаэробного сбраживания (ферментации) производит не только биогаз в качестве чистого и удобного топлива, но и прекрасное обогащенное удобрение в виде сброженного навоза. Поэтому БУ по существу представляют собой фабрики по производству биоудобрений. Исходное сырье (обычно в гомогенной жидкой форме) подается в метантенк через входную трубу, обычно из емкости для предварительного хранения/перемешивания. Разложение (ферментация) происходит внутри метантенка (реактора) вследствие бактериального воздействия, в результате которого получаются биогаз и органическое удобрение (навоз), богатое гумусом и другими органическими веществами. Биогаз собирается в верхней части метантенка. В некоторых БУ имеются плавающие газгольдеры для сбора биогаза, в других для этого предусмотрена отдельная камера. Из метантенка сброженный жидкий остаток удаляется (часто автоматически) по выпускным трубопроводам.

 

Компоненты биогазовых установок 

 

 Основными компонентами  БУ являются: метантенк (реактор), газгольдер, система загрузки, система выгрузки, смесительная емкость и выпускной газопровод.

 

 

 

 

 

МЕТАНТЕНК

 

 Представляет собой  цилиндрическую или эллипсоидальную  конструкцию, углубленную в землю,  в которой происходит процесс сбраживания (ферментации) субстрата. Часто метантенк называют ферментационной емкостью или камерой. В простых БУ для индивидуальных хозяйств, работающих при температуре окружающего воздуха, метантенк рассчитан так, чтобы среднее время пребывания в нем навоза равнялось 55, 40 или 30 дням. Это время называется гидравлическим временем удержания (ГВУ) биогазовой установки. Продолжительность 55, 40 и 30 дней определяется температурной зоной страны. Территория Индии разбита на три температурные зоны. Метантенк может быть построен с помощью кирпичной или каменной кладки, бетона или бетонных блоков, железобетонных или стальных конструкций. Кроме того, в Индии часто используются конструкции из бамбука, обмазанного цементным раствором. Для малых БУ с плавающим газгольдером и объемом от 2 до 3 кубометров внутренний объем метантенка представляет собой одну камеру. Для объема 4 кубометра и более внутри метантенка строится стенка. Это делается для того, чтобы избежать частичной циркуляции субстрата и повысить общую эффективность работы установки. Стенка делит объем метантенка на две половины. Для метантенка с фиксированным куполом разделение объема не используется. Это объясняется тем, что диаметр метантенков с фиксированным куполом обычно больше, чем у моделей с плавающим газгольдером. Поэтому проблема с частичной циркуляцией субстрата не возникает.