Екологична преработка на биомаса и органични отпадъци в електро енергия, топлоенергия и в течни въглеводороди чрез технология за автотермична газификация

(Руски учени създадоха оборудване, чрез което се постигат уникални резултати при газификацията на органични отпадъци )

Биомасата (в която се включват и твърдите битови отпадъци) както и голямата част от всички останали въглерод-водород съдържащи отпадъци са един все още недостатъчно обхванат ресурс за получаване на енергия. По данни на Евростат (Eurostat – Waste)    това са стотици милиони тонове на година. Така през 2008 г. обхванатите и отчетени от европейската статистика количества на биомасата от селското стопанство, горското стопанство, от преработвателната промишленост  (хранително-вкусова, дървообработваща, мебелна, целулозно-хартиена, тъкачество и шивашка), от инсталациите за пречистване на вода както и от домакинствата възлиза на  346,410 млн.тона .Това е впечатляваща цифра. За България, ако използваме данните изложени в „НАЦИОНАЛНА ДЪЛГОСРОЧНА ПРОГРАМА ЗА НАСЪРЧАВАНЕ ИЗПОЛЗВАНЕТО НА БИОМАСАТА ЗА ПЕРИОДА 2008-2020 г.”  годишно у нас, само от горското стопанство и растениевъдството, се генерира неоползотворен отпадък от порядъка на 3 000 000 тона. Като добавим към това количество и предоставените за депониране отпадъци от хранително-вкусовата, дървообработващата, шивашката и кожарската промишлености, възлизащи общо на 225 000 тона и на депонираните битови отпадъци – 2 711 000 тона (НСИ-2010г), става ясно, че България разполага с един не малък енергиен ресус, който не използва.
Същото се отнася и до ЕС като цяло. Не случайно с доклада си от 2010г „Биомасата за топлинна и електро енергия – възможности и икономически показатели”  ЕК поставя основния акцент в развитието на енергия получавана от възобновяеми източници върху биомасата: „Европейската комисия, както и много други обществени и частни организации, вярват че биомасата използвана за получаване на топлинна и електрическа енергия, може да играе съществена роля в постигането на целите на европейската стратегия „2020”. (Доклад на ЕК от 2010г „Биомасата за топлинна и електро енергия – възможности и икономически показатели”, стр.5). Икономическият натиск от нарастване на цените на течните горива изисква прилагане на мерки за развитие на местните енергоизточници и особено на тези със слабо влияние върху околната среда. Насърчаването на енергийното производство от ВЕИ води и до намаляване зависимостта от внос на енергийни ресурси. В този доклад освен, че се набляга на факта, че 50% от нарастването на енергията или 850 TWh, получена от възобновяеми източници през 2020г. в сравнение с 2007г., трябва да дойде от използването на биомасата, се изразява и загриженост, че темповете на това нарастване не са достатъчни, за да се постегнат набелязаните терават часове. Така биомасата се явява главния източник за производство на енергия от възобновяеми източници.
Какво представлява биомасата от гледна точка на науката химия, т.е. какъв е нейния химически състав? Всички органически отпадъци както и всички видове горива се състоят от два основни компонента – въглерод и водород, които са в различни съединения по между си и които съединения са и обект на термохимическото разлагане. В състава си биомасата освен водорода и въглерода съдържа и елементи като сяра, хлор и др., а такива отпадъци като твърдите битовите отпадъци (ТБО) и утайките от водопречиствателните съоръжения на практика имат в себе си цялата Менделеева таблица. Тези елементи в значителна степен затрудняват и оскъпяват използването на биомасата като източник на енергия. В рамките на тази статия искаме да покажем как, освен решаването на енергийните проблеми, успоредно могат да бъдат решени и съществени екологични проблеми чрез утилизацията на органичните отпадъци използвайки метода на автотермичната газификация за получаване на синтез газ и как този газ спокойно може да замени природния газ в парните котли, при двигателите с вътрешно горене,а също така и при синтеза на горива – течни въглеводороди.
Нека преди това да разгледаме най-разпространените в момента в световен мащаб способи за получаване на енергия от биомаса, които са съпоставими с термичната газификация:
– Директно изгаряне – Този древен начин на оползотворяване на биомасата е все още  преобладаващ. Чрез него се получават около 80% от енергията, получавана от биомаса. Тук имаме пред вид не само отпадната биомаса, но и такава, която се добива единствено с цел енергийно използване – като добива на дърва за огрев. Ефективността на използването на дървесна биомаса за отопление е от съществено значение при оползотворяването на биомасата за енергийни цели. Преобладаващата част от дървата за огрев продължават да бъдат изгаряни в печки, като в типичния случай тяхното КПД не надхвърля 50 %. От икономически съображения директното изгаряне на биомаса се използва основно за добив на топлинна енергия.   При получаването на електроенергия, директното изгаряне на биомаса в парни котли и използването на парни турбини има изключително ниско КПД – около 25% (основно поради вътрешно системни загуби на енергия).
Освен това директното изгаряне се явява голям екологически замърсител. Най-големият му недостатък е неконтролируемото отделяне в атмосферата на вредни вещества. Изгарянето се извършва при температура от 800°- 900° и в димните газове се отделят редица органични съединения (алдехиди, феноли, диоксини), азотни и серни окиси, както и съединения на тежки метали. Отделят се и значителни количества твърди частици.
Според цитирания по-горе Евростат  25% от ТБО, които се оползотворяват се изгарят. При изгарянето на отпадъците, заводите, за да предотвратят попадането в атмосферата, заедно  с димните газове, на такива токсини като пестициди, диоксиди, серни и азотни окиси и много други, задължително трябва да бъдат оборудвани с мощни и скъпи пречиствателни системи, което значително повишава инвестиционните разходи. Затова в редица страни заводите за обработка на ТБО са без инсталации за изгаряне. Получаваните брикети се изгарят в пещите на действащи предприятия или на топлофикационни дружества.
Независимо, че за очистването на димните газове се прилагат различни методи и средства, на директното изгаряне на биомаса все повече се гледа като на не особено ефективен начин на нейното оползотворяване.
Също така всички промишлени инсталации, независимо дали само за производство на топлинна енергия или и на електрическа, работят при високо налягане, което от своя страна е свързано с изпълнението на редица изисквания, свързани с надзора на такива инсталации.
– Разлагане и ферментация – получаване на биогаз. (този метод ще разгледаме само по отношение на получаването на ландфил газ)

Разбери повече за БГ Наука:

***

Биогазът, който се получава  от ТБО при тяхното гниене се нарича ландфил газ (landfill gas). Този газ, основно състоящ се от метан (които 32 пъти повече допринася за парниковия ефект от СО2, ако не бъде използван за енергийни нужди и се отдели свободно в атмосферата),  се получава непосредствено на депата за отпадъци и който след необходимата очистване , обикновено се подава в когенерационни инсталации. За съжаление чрез тази технология – извършването на сондажи и полагането на тръбни перфорирани сонди-колектори на газа, не се добива (събира)  целия образувал се газ. Освен това добивът на този газ може да започне само на територията на вече законсервиран участък от сметохранилището и за ограничен период от години. Също така неговото получаване е неравномерно през отделните години, по отделните пластове на полигона и в различните годишни сезони и обхваща не повече от 20% от депонираните в полигона твърди битови отпадъци (ТБО). По такъв начин 80% от старите , както и всички новопостъпващи количества от ТБО остават да лежат в сметохранилището не намалявайки, а напротив-увеличавайки неговата площ и продължавайки да тровят околната среда с генерация на парникови газове и с отровни оттичания.  Според данните на НСИ за битовите отпадъци за 2010г остатъчният капацитет на депата за битови отпадъци е намалял с 31,15% спрямо 2005 г. Всичко това показва, че този метод е неефективен и освен това е и капиталоемък. Въпреки, че извличането на ландфил газ добива все по-голяма популярност и разпространение, то  е целесъобразно да бъде използван само там където има законсервирани депа, но  не бива да бъде поставяно в основата на стратегия за енергийното използване на ТБО.
– Пиролиза. Пиролизата е термично разграждане  при пълна липса на оксидиращ агент, или такъв с ограничена  наличност.Обикновено се произвеждат три продукта: газ, пиролизно масло и  коксов остатък, чиито относителни пропорции много зависят от метода на пиролиза , характеристиките на биомасата и параметрите на реакцията. Пиролизата се извършва в херметично затворен реактор, в който суровината се хомогенизира  и се разлага  превръщайки се в газ и коксов остатък. Принципно е  възможно пара или инертни газове  да се добавят  в пиролизния реактор за допълнителна газификация на твърдата фракция. За пиролизата е характерно това, че енергията за извършването на процесите в реактора се подава отвън.
Много от проблемите посочени при директното изгаряне  възникват и при пиролизните технологии. При тях е невъзможно да се разложи цялата органика, което означава, че част от използваните в процеса отпадъци няма да бъдат утилизирани. Така отново се появяват проблемите свързани с по-нататъшното съхранение на коксовия остатък. Освен това в процеса на пиролизата, пиролизните пещи синтезират и изхвърлят в околната среда нови токсини. Това са основните проблеми от гледна точка на екологията.
Що се касае до самия процес на пиролизата, то той се явява високо енергоемък. Въпреки че калорийната стойност на пиролизния газ е висока, неговото количество е малко. Това обуславя, че калорийната стойност на полученото количеството на пиролизния газ, получаван при нискотемпературната пиролиза, е почти равен на калорийната стойност на енергоносителя- средно около 80%, използван за нагряване на реактора и който е необходим за поддържането на процеса – било като директно изгаряне на гориво или на базата на електрическа , било като гориво за генериране на електрическа енергия на основата на газови двигатели с вътрешно горене. Що се касае до високотемпературната пиролиза то употребяваната енергия за поддържане на процеса надхвърля енергийната стойност на полученото количество газ – редно с около 120%.  Освен това трябва да подчертаем, че процеса протича и при налягане, значително надвишаващо атмосферното.
Не е маловажен и факта, че оборудването, произвеждано от различни производители, е силно металоемко и за неговото разполагане е необходима не малка площ. Така например за разполагането на оборудването на фирмата „Pyromex” (чийято първа инсталация за високо-температурна пиролиза беше поставена още през 1999 г. в Германия, и  чийто инсталации се характеризират с компактност и енергоикономичност) за преработка на 25 тона отпадъци на ден изисква площ приблизително 25м х 25 м.
 

Така изглежда инсталацията на „Pyromex” за обработка на 25 тона отпадъци на ден

Именно посочените по-горе основни проблеми на директното изгаряне на отпадната биомаса и на пиролизата стоят в основата на тенденцията развитите страни да се отказват от по-нататъшно изграждане на заводи за директно изгаряне на отпадната биомаса както и от широкото внедряването на технологии, базирани на пиролизния процес.  

Едно от перспективните направления при преработката и използването на отпадната биомаса, в т.ч. и ТБО е „реанимираната” технология на автотермичната газификация на органическите вещества. С използването на съвременните достижения на химията, в т.ч. контрола на процеса на горене, на металургията и автоматиката тази „реанимация” повишава значително ефективността и приложимостта на тази технология.
Съществуват два основни начина на процеса на газификация – прав и обратен.
На пазара на съоръжения за термична газификация главно се предлагат газификатори, използващи правия процес на газификация. Те работят при високо налягане, от порядъка на 2МПа, където органиката, подлагаща се на термохимическо разложение се движи срещу подаваното под колосниковата решетка въздушно обдухване, което играе роля на газифициращ агент. Като резултат от този процес се произвежда газ, който преминавайки през слоя органика се отвежда към горната част на газификатора. По този начин преминаващия през органиката газ увлича със себе си голямо количество механически примеси и пирогенни смоли. Такъв газ не подлежи на достатъчно пълно пречистване, за да може да се използва в двигатели с вътрешно горене. Той се използва в горещ вид в горелките на различни видове котли.  Калорийната стойност на такъв газ, а това е т.н. генераторен газ, не превишава 1100 Ккал/нм³. Също така в димните газове, получени след неговото изгаряне, присъства целия списък от токсини, които са присъщи и на по-горе изброените видове технологии на газификация.
В рамките на използването на правия метод на термична газификация се появи и предложение на оборудване, използващо в своя процес подгрят до температура от 2000ºС газифициращ агент (разтопени соли), който се подава отвън в газифицируемата органика. Този процес по същество представлява прототип на пиролизата и съдържа всички проблеми свързани с тази технология.
Също така, прилагайки процеса на права газификация, за постигане на високо температурно нагряване на подложената на газификация биомаса, се правят опити за прилагане на плазмотрони. Тяхното използване при газификацията прави процеса икономически неизгоден, както от гледна точка на високите капиталови разходи, така и от гледна точка на експлоатационните разходи. Освен това така или иначе калорийната стойност на получения газ не надхвърля  1100 ккал/нм³. Според отчетните данни от изпитанията на такова оборудване калорийната стойност не е била повече от 900 ккал/нм³.
При обратния начин на термична газификация подложената на газификация биомаса и газификационния агент (паро-въздушно обдухване) се движат в едно направление. Именно този начин на термична газификация е заложен в предлаганото на пазара оборудване, производство на руската фирма ООО „ НПП „Синтез”, под търговското название „Екологичен Енерго Генериращ Комплекс” (ЕЕГК). На долната схема е показан как изглежда ЕЕГК – 1. Реактор. 2. Бункер за суровината и захранващ механизъм. 3. Система за допълнително пречистване, охлаждане и изсушаване на синтез газа. 4. Съд за оборотната вода.

 Комплексът е зключително компактен – необходима площ за поставянето на ЕЕГК-1500, за производството на 1,5 Mwe/h е само 85 м2.

Конструкцията на реактора, където протича газификацията, е такава, че първоначално получавания генераторен газ се извежда надолу през колосниковата решетка към дъното на реактора, като преминава последователно през зоната на регенерация (атомния въглерод), през зоната на разлагане на пирогенните смоли като след това попада в зоната на моменталната закалка на газа (рязко охлаждане), като по този начин се прескача температурния промеждутък на токсичните съединения – въглеводородни, кислородни, азотни и др. След това генераторния газ преминава през стадия на синтез на висши въглеводороди. Именно този стадий е ключов, защото чрез него калорийната стойност на синтезирания газ надвишава два-три пъти тази на генераторния газ. Калорийната стойност на такъв газ достига от 2200 до 4000 Ккал/м³. След това синтезирания газ се очиства от механически частици, остатъци от смоли и катрани и др. нежелателни примеси чрез охлаждане. В процеса на охлаждането от една страна се получава гореща вода, която може да се използва за получаването на топлинна енергия, а от друга страна – газа се  до очиства и изсушава  като се получава кондензация на водни пари и неразложили се смолисто-катранови остатъци, получени в процеса на газификация. (този водно-катранен разтвор съставлява от 3%  до 5% от количеството на биомасата, която се газифицира (при 15% влажност на биомасата), като процента на катрани и смоли в него не надвишава 30%). 
ЕЕГК се характеризира и със своята икономичност както на използваната суровина, така и на необходимата външна енергия, необходима за неговото функциониране. ЕЕКГ-1500 използва 550-600 кг дървесни отпадъци за производството на 1,5 Mwe/h и използва от 7 kWe/h до 15 kWe/h в зависимост от настройките и атмосферните условия.
Освен това Екологичните Енерго Генериращи Комплекси разполагат с пълна автоматизация на процесите и могат да бъдат настроени така, че да получават различен по състав сентез газ:
1) за метанизация на процеса, при който се получава по-голямо количество метан и по-малко количество други горивни газове-основно на висшите въглеводороди,
2) получаване на максимално възможен процент на висшите въглеводороди, като се намалява процента на метана и
3) неутрална, т.е. такава, при която автоматизацията на процесите е в средно, между предишните два режима, положение.
Така например получения синтетичен газ (или синтез – газ) при метанизация на процеса има приблизително следния състав в % съотношение: СО = 15,4; Н2 = 11; СН4 = 28; СnHm = 0,1; N2 = 41; CO2 = 4,5 или 3300 Ккал/м³. Като се вземе пред вид, че при газификацията на 1 кг. биомаса се получават 3нм³, всеки с калорийна стойност от 3300 Ккал, то общия енергопотенциал от 1 кг. газифицирана биомаса може да достигне 9900 Ккал. Това е повече отколкото е енергопотенциала на 1нм³ природен газ. Ако направим сравнение с: директното изгаряне, при което, в зависимост от използваната биомаса, се получава калорийна стойност от изгарянето на 1 кг от 3000 до 5000 Ккал (дървесната биомаса е със средна калорийно стойност 3100 Kcal) и с  пиролизата, при която от 1 кг биомаса се получава 0,4 кг пиролизен газ с калорийна стойност 3585 Ккал/нм3, но с енергопотенциал от 2008 ккал, то се вижда значителното предимство на автотермичната газификация, протечаща в ЕЕГК-си.
Практическите  резултати, постигнати на предадените за експлоатация ЕЕГК-1500 в Балгария, област Монтана и на ЕЕГК-500 в гр. Белгород, Русия показват, че при неутрална настройка на  ЕЕГК калоричната стойност на получавания синтез газ е 2500 Ккал/м³.
 

ЕЕГК-1500 инсталиран в България, област Монтана. На преден пан се вижда реактора и контейнера (тъмно син), в който е разположена системата за допълнително очистване, охлаждане и изсушаване на синтез газа.

ЕЕГК-500 инсталиран в Белгарод, Русия. На преден пан се вижда реактора и системата за подаване на суровината.

Поради своята висока калорийност и чистота синтез – газа, получен чрез ЕЕГК  прекрасно се използва при двигатели с вътрешно горене, като след съответстваща модификация тези двигатели губят не повече от 7%  от мощността си в сравнение с тяхната работа на природен газ. Вземайки пред вид и факта, че 1кг  биомаса може да замени 1м3 и се върнем към статистическите данни, изложени в началото на тази статия, става ясно какво огромно количество енергия може да бъде усвоено ако се употреби правилно отпадната биомаса. Това особено актуално звучи за страни като България, които са богати на биомаса и бедни на източници на фосилни горива.

Силантьева Лариса Яковлевна, Генерален директор ООО «НПП «Синтез»,
д.и.н. Тадия Савич, Изпалнителен директор на „Базис-2” ООД, ексклузивен представител за България на ООО «НПП «Синтез»