Биотехнологии в получении энергии

     Основным недостатком многих систем является трудность обеспечения автоматической подачи топлива и необходимость постоянного внимания со стороны пользователей. В целях частичного решения проблемы были созданы системы, предназначенные для использования многих видов топлива; при желании работа в автоматическом режиме достигается путем переключения на ископаемые виды топлива. 

     Основной проблемой небольших систем сжигания биомассы является накопление агрессивных масел и смол в более холодных частях дымохода. Эти скопления необходимо периодически удалять; дымоход можно очищать также путем пропускания через него горячих газов (однако наряду с удалением нежелательных соединений теряется и полезное тепло). [4]

     Биомасса обычно используется в промышленности в качестве топлива только в тех случаях, когда она представляет собой остатки от переработки биологических материалов другие, более ценные, продукты. Это имеет частичное значение с точки зрения охраны окружающей среды, так как удаление остатков является часто затруднительным. Два вида топлива биологического происхождения уже используются в промышленности, и методы сжигания их являются документально обоснованными: один вид топлива - солома, получаемая в сельском хозяйстве, другой - древесные отходы деревообрабатывающей промышленности.

     Отрасли деревообрабатывающей промышленности используют древесные остатки для парообразования на месте производства. Пар используется для поддержания температурных условий процесса и для выработки электроэнергии. Горячие продукты сгорания могут использоваться для сушки. Общие отходы деревообрабатывающей промышленности могут составлять до 50% от массы сырья. Содержание влаги в отходах составляет 30-50%. Паровые установки, использующие эти отходы, сжигают до 250 000кг/ч. Используется несколько типов бойлеров и печей - датские печи, печи с механической загрузкой, печи с наклонной решёткой. Сжигается как влажная (до 30% влаги), так и сухая древесина. Эффективность может быть такой же высокой, как и при сжигании других видов твердого топлива. Однако оборудование для сжигания часто включает высокоэффективные газовые и масляные установки (на случай отсутствия отходов). 

     Сжигание широко используется в целях утилизации городских и промышленных отходов. Несмотря на существование множества проектов по использованию полученного тепла для обогрева жилых домов, в большинстве случаев это тепло не используется. Стоимость сжигания может быть неожиданно высокой, но здесь первостепенное значение имеет борьба с загрязнением окружающей среды, а для некоторых отходов сжигания является единственно приемлемым способом их утилизации. [1] 
 

6. Термическое повышение качества биомассы

     Основной целью всех процессов повышения качества биомассы является превращение её в стабильное транспортабельное топливо, способное заменить ископаемые виды топлива без использования специального оборудования для погрузочно-разгрузочных работ. Путем сочетания нагрева и частичного сжигания биологических материалов можно получить твердые, жидкие и газообразные соединения, обладающие, по крайней мере, некоторыми свойствами угля, нефти и природного газа. В Интернете описано много процессов, широко использовавшихся в прошлом; производство газа для использования его в качестве топлива путем сухой перегонки и газификации угля и биомассы было начато почти 200 лет назад. Различные термические процессы повышения качества биомассы, предлагаемые в настоящее время и использовавшиеся в прошлом, имеют много общих черт (рис. 6.1).  

     Рис. 6.1. Термическое обогащение биомассы 

     При нагревании биомассы происходит распад углеродсодержащих молекул с образованием ряда газообразных, жидких и твердых продуктов. Специфические продукты реакции определяются температурой реакции, тепловой мощностью, степенью измельчения и типом биомассы, а также присутствием неорганических примесей и катализатора. Тепло, необходимое для осуществления этих изменений, носящих эндотермический характер, подводится или из внешнего источника, или путём введения воздуха или кислорода в реактор и сжигания части биологического материала. 

     Термины «сухая перегонка», «газификация» и «сжижение» не имеют точного значения в литературе. Газификация и сжижение биомассы происходят как в присутствии, так и в отсутствие окислительных (O₂,(Воздух) и восстановительных (CO, H₂) газов, обычно связанных с этими процессами. Сухая перегонка рассматривается отдельно как анаэробный процесс. Превращение биомасса в газы при сжигании на месте рассматривается как газификация. Понятие «сжижение» охватывает восстановление биомассы до масел под действием восстановительных газов, полученных также из биомассы. 

     Сухая перегонка. Нагрев биомассы приводит к удалению влаги. При температуре выше 100^оС биомасса начинает разлагаться, а между 250 и 600^оС основными продуктами являются уголь и маслянистая кислая смесь дегтя и различных количеств метанола, уксусной кислоты, ацетона и следы других органических веществ. До развития нефтехимической промышленности источником этих соединений была перегонка древесины. В качестве примера можно рассматривать пиролиз целлюлозы. При температуре свыше 600^оС жидкие продукты пиролиза могут быть газифицированы, а свыше 800^oС газифицируется также и уголь в результате эндотермической реакции углеродсодержащих молекул с водой с образованием синтез газа, смеси оксида углерода и водорода. Пиролиз - термическое разложение органических соединений без доступа воздуха.

     Газификация. Газификация биомассы кислородом дает газ средней энергоемкости, содержащий в основном оксид углерода и водород. Аналогичная реакция происходит на воздухе, но образующиеся газы разбавляются азотом, снижающим теплотворную способность. Химические процесс газификации представляет собой сочетание химического процесса сжигания с некоторыми реакциями пиролиза, описанными в предыдущем разделе. Уголь, полученный в результате пиролиза, реагирует с паром или диоксидом углерода с образованием синтез газа. [5]

     Сжижение. Были разработаны предложения по превращению биомассы в жидкость, напоминающую тяжелую топливную нефть, путем реакции ее с восстановительными газами (оксид углерода и водород) в присутствии катализатора. Обычно необходимо давление 250 бар и температура 600-700^оС. Процессы сжижения обычно предполагают подготовку восстановительных газов путем пиролиза или окислительной газификации большего количества биомассы. В редких случаях можно получить дешевый водород из других источников, например при электролизе воды на гидроэлектрических установках. [4]

     Подготовка  биомассы. Высокая влажность биомассы представляет собой непосредственную проблему при осуществлении всех процессов повышения качества биотоплива вследствие затрат энергии на испарение воды и разбавления продуктов реакции не прореагировавшим паром. Большинство методов включают стадию высушивания при использовании уже частично высушенных материалов; однако в материале допускается определенное количество воды, которое необходимо для образования синтез газа (паровая газификация). Биомасса, содержащая более 30% воды, потребует, очевидно, сушки перед осуществлением любых процессов. 

     Для облегчения процесса сушки, а также достижения требуемой скорости реакции в процессе тепловой обработки биомасса должно быть измельчена с получением соответствующих размеров частиц. Технологическая схема включает дробильные, измельчительные и размалывающие установки. Если биологический материал представляет часть общих отходов, необходим предварительный отсев негорючих и других примесей. «Уплотненная биомасса» может быть использована для процессов обогащения без дальнейших обработок. [2]

     Заключение 

     Полноценное и последовательное развитие мировой  биоэнергетики невозможно без получения  исчерпывающей и достоверной  информации о достоинствах и преимуществах  этого вида альтернативных источников энергии.

     Преимущества  биотоплива всем известны. Ведь производить  биотопливо можно из самых разных органических материалов. А это означает, что развитие биоэнергетики, в отличие  от других видов альтернативных источников энергии, возможно в любом регионе  или стране мира, вне зависимости от климатических условий или рельефа. Кроме того, производство биотоплива поможет решить проблемы, связанные с утилизацией мусора. Это означает, что есть реальные перспективы решения весьма важной проблемы, которая уже давно заботит многих учёных, политиков и простых людей во всём мире. Теперь то, что представляло угрозу экологической безопасности планеты и являлось головной болью многих землян, может принести неоценимую пользу. Но не всё так просто.

     Наряду  с очевидными преимуществами, существуют и недостатки биоэнергетики. Так, многие учёные опасаются уничтожения лесов и нанесения вреда окружающей среде.

     В то же время, по мнению, некоторых исследователей, массовое выращивание растений, предназначенных  для производства биотоплива, способно истощить плодородные земли и послужить причиной голода во многих странах третьего мира. Это понимают многие ,и все перечисленные факторы тормозят развитие биоэнергетики. Конечно, указанные недостатки серьёзны и требуют тщательного изучения.Но все же хочется надеяться, что в скором времени человечество научится в полной мере использовать преимущества и бороться с недостатками биоэнергетики.

     Во  всяком случае, потенциал биотоплива заслуживает того, чтобы приложить  определённые усилия для его реализации. [1]

     Библиографический список 

1.  Сассон, А. Биотехнология: свершения и надежды [Текст]: пер. с англ. / А. Сассон; ред., с предисл. и допл. В. Г. Дебабова - Москва: Изд-во Мир, 2001. – 411 с.
2. Егоров, Н.С. Биотехнология. Проблемы и перспективы [Текст]: учеб. пособие для вузов в 8 кн./ Н. С. Егоров, А. В. Олескин, В. Д. Самуилов –, М.: Высшая школа, 2000. – 159 с.
3. Вакула, В.Л. Биотехнология: что это такое? [Текст] / В.Л. Вакула- Москва: Изд-во Молодая гвардия, 2001. – 301с.
4. Кузьмина, Н.А. Биотехнология: введение, промышленные аспекты [Текст]: учеб. пособие для студ. биол. фак. педвузов / Н.А. Кузьмина;   Омск. гос. пед. ун-т - Омск, 2010. – 88 с.
5. Волова, Т.Г. Биотехнология [Текст] /  Т.Г. Волова; учеб. Пособие - Новосибирск: Изд-во Сибирского отделения Российской Академии наук, 2003. – 252 с.