Биомасса - термин, объединяющий все органические вещества растительного и животного происхождения. Биомасса делится на первичную (растения, животные, микроорганизмы и т.д.) и вторичную - отходы при переработке первичной биомассы и продукты жизнедеятельности человека и животных. В свою очередь отходы также делятся на первичные - отходы при переработке первичной биомассы (солома, ботва, опилки, щепа, спиртовая барда и т.д.) и вторичные - продукты физиологического обмена животных и человека.

Ежегодное количество органических отходов по разным отраслям народного хозяйства России составляет более 390 млн. т. Сельскохозяйственное производство дает 250 млн. т, из них 150 млн. т приходится на животноводство и птицеводство, 100 млн. т - на растениеводство. Лесо- и деревопереработка дают 700 млн. т, твердые бытовые отходы городов - 60 млн. т, коммунальных стоков - 10 млн. т (все приведенные значения даются на абсолютно сухое вещество).

Энергия, запасенная в первичной и вторичной биомассе может конвертироваться в технически удобные виды топлива или энергии несколькими путями.

На современном этапе экономического развития России в соответствии с Государственной научно-технической программой "Экологически чистая энергетика" возобновляемая энергетика развивается по двум последним направлениям.

Термохимическая конверсия биомассы

Наиболее активно ведется разработка и создание оборудования для газификации твердой биомассы с целью создания автономных тепло- и электростанций, работающих на генераторном газе.

На базе таких газогенераторов могут создаваться автономные, не зависящие от централизованного энергоснабжения установки или станции для тепло- и электроснабжения потребителей в любых регионах страны, имеющих сырье и лишенных энергоснабжения. К этим регионам прежде всего относятся районы Сибири, Крайнего Севера, а также большинство сельских районов, располагающих отходами лесопроизводства (опилки, кора, щепа, хлысты, пни) и растениеводства (солома любая, стебли подсолнечника, кукурузы и т. д.).

Биотехнологическая конверсия биомассы

При биотехнологической конверсии, как правило, используется биомасса и прежде всего разнообразные органические отходы с влажностью не менее 75%.

Биологическая конверсия биомассы в топливо и энергию развивается по двум основным направлениям:

В настоящее время получение биогаза связано прежде всего с переработкой и утилизацией отходов животноводства, птицеводства, растениеводства, пищевой, спиртовой промышленности, коммунально-бытовых стоков и осадков.

По разрабатываемой технологии, основные этапы которой проверены в производственных условиях, жидкий помет предварительно обрабатывается коагулянтами-флокулянтами для флокуляции основ - ной массы органических веществ. Последние удаляются центрифугами-сепараторами производительностью 25 и 50 м3/ч. Получаемая паста влажностью 70% подвергается термическому компостированию с получением органических удобрений (33-35 т/сут). Жидкая фракция с влажностью 99% сбраживается в метантенках "второго поколения" с закрепленной микрофлорой со временем удерживания 5 сут. Расчетный выход биогаза 2500 мз/сут с теплотой сгорания 23-25 тыс. кДж/м3 (при нормальных условиях). Сброженная масса (360-370 м3) доочищается в системе прудов с площадью зеркала 20 га. При такой технологии объем капитальных вложений уменьшится в 5-6 раз. Площадь зеркала прудов и изъятие под них земель сократятся в 6 раз. Серьезная проработка потребуется при создании метантенка "второго поколения" и подборе носителей-подложек для закрепления микрофлоры.

Создание многоукладного сельскохозяйственного производства в России и появление новых собственников в лице фермеров и самостоятельных крестьян потребовало разработки, создания и освоения производства биогазовых систем небольшой мощности и простых в эксплуатации.

В естественных условиях разрушение любых видов биомассы, и в том числе навоза животных, происходит в почвенном гумусе путем разложения на элементарные соединения под действием разлагающих организмов, грибов, бактерий. Для этого процесса предпочтительны сырость, тепло и отсутствие света. На конечной стадии процесса полное разложение происходит под действием множества бактерий, классифицируемых либо как аэробные, либо как анаэробные. Аэробные бактерии развиваются преимущественно в присутствии кислорода, с их участием углерод биомассы окисляется до СО₂. В замкнутых объемах с недостаточным поступлением кислорода из внешней среды развиваются анаэробные бактерии, также существующие за счет разложения углеводов.

В конечном итоге за счет их деятельности углерод делится между полностью окисленным СО₂ и полностью восстановленным СН₄. Питательные вещества, такие как растворимые соединения азота, сохраняются в качестве удобрений почвенного гумуса. Совершаемые микроорганизмами реакции разложения биомассы также относятся к процессам ферментации, однако, для процессов, идущих в анаэробных условиях, чаще предпочитают термин "брожение" ("сбраживание").

Биогаз - смесь СН₄ и СО₂, образующаяся в специальных устройствах - биогазогенераторах (рис. 5.1), устроенных и управляемых таким образом, чтобы обеспечить максимальное выделение метана (в литературе для этих устройств еще можно встретить название "метантэнк"). Энергия, получаемая при сжигании биогаза, может достигать от 60 до 90% исходной, которой обладает сухой исходный материал. Однако газ получают из жидкой массы, содержащей 95% воды, так что на практике выход достаточно трудно определить. Другое и, по-видимому, очень важное достоинство процесса то, что в его отходах содержится значительно меньше болезнетворных организмов, чем в исходном материале. Правда, отметим, что не все паразиты и патогенные микроорганизмы погибают в процессе анаэробного сбраживания.

Получение биогаза становится экономически оправданным и предпочтительным, когда соответствующий биогазогенератор работает на переработке существующего потока отходов. Примерами подобных потоков могут служить стоки канализационных систем, свиноферм, скотобоен и т. п. Экономичность в этом случае связана с тем, что нет нужды в предварительном сборе отходов, в организации и управлении процессом их подачи. Известно, сколько и когда поступит отходов, и остается лишь переработать их в биогаз и удобрения.

Рис.5.1. Разновидности биогазогенераторов (нажмите для увеличения): 1 - ввод материала; 2 - газопровод; 3 - съемная крышка; 4 - вывод переработанного материала; 5 - разделительная стенка; 6 - ферментатор; 7 - газ; 8 - приемник; 9 - клапан; 10 - мешалка; 11 - стекло; 12 - емкость для продуктов переработки; 13 - газогенератор; 14 - подача газа; 15 - горелка; 16 - теплообменник; 17 - водяной газгольдер

Получение биогаза возможно в установках самых разных масштабов. Оно особенно эффективно на агропромышленных комплексах, где целесообразно добиваться реализации полного экологического цикла. В таких комплексах навоз подвергают анаэробному сбраживанию с последующей аэробной обработкой в открытых бассейнах. Биогаз используют для освещения, приведения в действие механизмов, транспорта, электрогенераторов, для обогрева. В бассейнах можно выращивать водоросли, идущие на корм скоту. После аэробной ферментации полностью обработанные отходы, до того как быть использованными в качестве удобрений, могут подаваться в рыбные садки и пруды для разведения водоплавающей птицы.

Успех реализации подобных схем прямо зависит от качества системной проработки всего проекта, степени стандартизации конструкций, регулярности обслуживания.

Автор: Магомедов А.М.