Газификация биомассы – современное состояние и перспективы развития

Биомасса является необычным возобновляемым сырьем, ее уникальность состоит в том, что она может использоваться для самых разных целей, в том числе энергетических – для производства тепла, электроэнергии и для получения биотоплив для транспорта. По агрегатному состоянию биомасса и ее производные могут быть в твердом, жидком и газообразном виде.

Твердые древесные топлива (источник – Шведский стандарт SS 18 71 06) – это сырые древесные материалы, которые не были подвержены какому-либо химическому воздействию: кора, хвоя, листва, брёвна и сырые топливные материалы, получаемые в результате хозяйственной деятельности предприятий лесной и деревообрабатывающей промышленности, щепа, стружка, древесная пыль и сухая древесная щепа. Также это неликвидная древесина. Древесина может быть обработана, очищена и превращена в щепу, брикеты, пеллеты или древесный порошок.

В основном эти виды топлива хорошо изучены, имеется большой опыт их применения на практике при разных исторических обстоятельствах. В некоторых случаях даже в XXI веке те же дрова могут применяться с достаточно большой эффективностью, например, в регионах с высоким уровнем безработицы, в небольших отдаленных поселениях.

Благодаря развитию технологий переработки древесины совершенствуются и технологии использования отходов лесной и деревообрабатывающей промышленности. На сегодняшний день древесина является наиболее широко используемым видом биомассы. Порядка 90 % от общей выработки биоэнергии получают из древесины и древесных отходов.

В последнее время топлива из биомассы разной природы становятся важной частью энергетической системы многих стран мира.

Например, в настоящее время древесные топлива широко представлены в энергетике скандинавских стран [1, 3]. С 1980 года после нефтяного кризиса биотоплива пятикратно увеличили свою долю в шведском энергоснабжении. В настоящее время в Швеции топлива из древесины дают более 50 ТВт мощности, в основном в виде тепла, идущего на отопление, но также и электроэнергии [1].

При правильном рациональном использовании топлив из древесины не только возможно уменьшить выбросы углекислого газа в атмосферу, но и снизить азотную нагрузку на леса. Кроме того, биотоплива являются надежным, возобновляемым источником энергии, положительно влияющим на социальноэкономическое развитие локальных территорий, и не только развивающихся стран.

Несколько лет назад в США были предприняты усилия по активизации научно-исследовательских работ по данной проблеме. Учитывая, что США потребляют около 25 % добываемой в мире нефти и имеют высокую зависимость от стран-экспортеров (Ближний Восток, Венесуэла и т. д.), правительство страны настойчиво проводит политику, нацеленную на более широкое использование местных возобновляемых источников энергии, и прежде всего биомассы, и планирует к 2030 году заменить до 30 % нефтяных топлив на биотоплива.

Проведенные исследования и опыт применения биотоплив вызвали интерес к биотопливам следующего – второго поколения, которые в перспективе позволят более полно удовлетворить ряд требований: экологических, земельных и социально-экономических.

Одним из основных преимуществ биотоплива второго поколения является возможность использовать значительно большее количество видов биомассы, в том числе биомассы, которая считается отходами или стоками.

Правда, следует отметить, что основными недостатками ряда биотоплив являются их низкая удельная теплота сгорания и высокая влажность. В этой связи возрастает интерес к термохимическим методам пе- реработки биомассы, среди которых в центре внимания пиролиз и газификация с целью получения генераторного газа [2, 3, 6].

Существует достаточно много производителей гази-фикационных систем небольшой мощности (в основном состоящих из газификатора и двигателя внутреннего сгорания). Диапазон применения таких систем очень широк. Они могут использоваться как источники механической энергии (являться составной частью генераторов энергии), так и в качестве комбинированных установок [5, 6]. К середине XX века газификация твердых топлив получила широкое развитие в большинстве промышленных стран мира. В СССР в 1950-е годы работало свыше 350 газогенераторных станций, на которых было установлено около 2500 газогенераторов. Эти станции вырабатывали ежегодно 35 млрд. м3 энергетических и технологических газов. Как известно, в последующие 20 – 25 лет в мировом энергетическом балансе происходили изменения, обусловленные ростом добычи и потребления нефти, попутных и природных газов. Вследствие этого конкурентоспособность искусственных энергетических и технологических газов, получаемых из твердых топлив, резко снизилась, и их производство практически повсеместно (за исключением ЮАР, Sasol) было прекращено.

В 1990-е годы в связи с тенденцией сокращения ресурсов нефтяного и газового сырья процесс газификации твердых топлив вновь привлек к себе внимание, искусственные газы опять начинают рассматриваться как одна из существенных составляющих теплового и топливного баланса.

Предполагается, что газификационные установки средней мощности будут применяться преимущественно на предприятиях лесозаготовительной отрасли, где отношение к отходам исключительно расточительное, хотя в последнее время постепенно меняется [2, 3, 4].

Одним из радикальных способов удовлетворить все возрастающие потребности в биотопливах второго поколения в глобальном масштабе является строительство очень крупных централизованных установок, работающих по технологиям газификации биомассы Фишера – Тропша FT [4, 6].

Подобные установки требуют больших потоков сырья для поддержания их эффективной работоспособности. В связи с обычно низкой энергетической плотностью сырой биомассы и значительным потенциальным уроном экологии, связанным с дальними транспортировками биомассы, решение о месте нахождения биомассовой газификации и FT установок должно приниматься с особой тщательностью и анализом возможных цепочек обеспечения сырьем.

В то же время газификатор и FT установка – сложные и крупные сооружения, требующие значительной инфраструктуры, хорошо развитой логистики сырья и т. д. С точки зрения капитальных затрат, которые выше по сравнению со станциями, работающими на ископаемом топливе, экономически рентабельная работа газификационной установки во многих случаях возможна только при использовании очень дешевого сырья – отходов лесозаготовок, деревообработки, сельскохозяйственной и пищевой промышленности.

Не исключено, что в некоторых регионах Еврозоны и мира мощные установки Фишера – Тропша составят серьезную конкуренцию НПЗ и ЦБК.

Интерес к газификационным технологиям все более смещается от производства только тепловой энергии к возможности комбинированной выработки тепловой и электрической энергии и биотоплив для транспорта. В результате широкой научноисследовательской работы, проведенной за последнее десятилетие, технологии газификации биомассы от предварительной подготовки сырья до очистки газа достигли высокого уровня развития и воплощения на лабораторном, пилотном и демонстрационном уровне. Представляют интерес работы как по созданию новых технологий, так и по совершенствованию и модернизации хорошо известных старых конструкций газификаторов. В то же время опыт использования генераторного газа в двигателях или турбинах до сих пор невелик. Несмотря на заметный прогресс, достигнутый в последние годы в области очистки газа, система очистки является критической составляющей любой газификационной установки. Продолжаются поиски оптимальных решений для достижения требуемых уровней очистки при минимальных затратах установки. Следует подчеркнуть, что технологии Фишера – Тропша, позволяющие прямое преобразование биомассы в жидкое топливо (BTL), вызывают особый интерес у специалистов.