Растительная биомасса – один из наиболее распространённых и доступных возобновляемых источников энергии на Земле, возрастающий интерес к которому связан с экологическими факторами, вызывающими у человечества всё большее внимание. Ископаемые топлива наносят значительный вред окружающей среде в местах добычи и при транспортировке. При сжигании органических топлив в атмосферу выбрасываются значительные количества окислов азота, серы и двуокиси углерода, а при сжигании углей ещё и твёрдых частиц. Существует мнение, что выбрасываемая в атмосферу двуокись углерода обусловливает парниковый эффект, который ведет к потеплению климата. Поэтому мировое сообщество было вынуждено принять конвенцию, устанавливающую для всех стран квоты на выбросы в атмосферу вредных веществ. Естественно, что такие ограничения в ближайшие годы будут фактором, сдерживающим развитие традиционной энергетики [2].

Достоинства растительной биомассы как источника энергии хорошо известны. Кроме возобновляемости данного вида топлива можно отметить такие качества, как экологическая чистота в сравнении с ископаемыми топливами, а также отсутствие воздействия на баланс свободного углерода в атмосфере. Последнее связано с тем, что при сгорании растительной биомассы выделяется и выбрасывается в атмосферу меньше углекислого газа, чем поглощается растениями из атмосферы в процессе фотосинтеза. Таким образом, количество свободного углерода в атмосфере при сжигании биомассы не увеличивается. При сжигании растительной биомассы образуется в 20-30 раз меньше окислов серы и три-пять раз меньше золы по сравнению с углём. Считается, что за счет растительного топлива может быть реализовано до 20-30% глобальной потребности в энергии [15].

Россия обладает как определенными традициями и опытом в области энергетического использования растительной биомассы, так и значительными её ресурсами. Кроме того, в городах образуются значительные количества твёрдых бытовых отходов (более 400 кг. на человека в год), их органическая часть превышает 50%. В целом доступные для энергетического использования ресурсы растительной биомассы в России эквивалентны примерно 400 млн. т у.т., а по некоторым оценкам даже 1 млрд. т у.т.

Получение из биомассы газообразного топлива позволяет использовать простую по конструкции энергетическую установку. Генераторный газ может использоваться непосредственно в двигателях внутреннего сгорания и газовых турбинах, в последнем случае требования по очистке газа более жёсткие. Растительная биомасса отличается высоким выходом летучих, поэтому предпочтительна её газификация. Существует множество схем и режимов газификации, отличающееся направлением движения рабочих сред, способом подачи и видом окислителя.

Самый простой и проверенный в отечественных условиях способ – это слоевая газификация при атмосферном воздушном или паро-воздушном дутье. Многочисленными экспериментальными и теоретическими исследованиями установлено, что на окончательный состав генераторного газа решающее влияние оказывает высота активной зоны камеры сгорания газогенератора, которая определяет скорость движения газообразных продуктов в камере сгорания газогенератора и скорость идущих в камере сгорания химических реакций:

Основные факторы:

· отбор газа в единицу времени;

· размер газогенератора;

· температура и влажность первичного воздуха и влажность газифицируемого топлива;

· реакционная способность топлива;

· фракционный состав топлива;

Низкая температура сгорания генераторного газа, получаемого при воздушном дутье, определяется наличием в нём значительного количества (около 50%) балластного газа (азота), поступающего из воздуха. Для повышения калорийности газа до 15-20 МДж/нм3 процесс следует вести на кислородном дутье, что в условиях промышленной эксплуатации энергетических газогенераторов малой мощности – мало вероятно инженерной точки зрения.

Существует и разрабатывается ряд технологических процессов получения из растительной биомассы жидкого топлива как непосредственно, так из газа, как промежуточного продукта. При этом используется скоростной нагрев мелкодисперсного топлива (флеш-пиролиз), а также ожижение под действием различных катализаторов. Однако, по мнению авторов, в ближайшие годы данные технологии могут найти применение только для получения моторного топлива. Целесообразность их реализации в «большой» энергетике внутри существующих тепловых систем проблематична, так как указанные технологии практически могут реализовываться только на крупных заводах [7].

§3. Биодизель

Альтернативой дизельным топливам на основе сырой нефти служит биодизельное топливо. Биодизелем, называют топливо, полученное химической реакцией между растительными маслами либо животными жирами и спиртами (метиловым, этиловым или изопропиловым спиртами) в присутствии катализатора (щёлочь или кислота). С химической точки зрения биодизель – это моноалкиловый эфир. С помощью процесса, называющегося этерификацией, масла и жиры вступают в реакцию с метиловым спиртом и гидроксидом натрия, который служит катализатором, в результате чего образуются жирные кислоты, а также побочные продукты: глицерин, глицериновые основания, растворимый поташ и мыло [Приложение 1].

Хотя энергетическая ценность биодизеля приблизительно равна энергетической ценности обычного дизельного горючего (118000 БТЕ (Британские тепловые единицы) против 130500 БТЕ по эквиваленту крутящей силы и количеству лошадиных сил), однако биодизель является гораздо более чистым топливом и более безопасным при хранении и использовании по сравнению с обычным дизельным горючим. В результате опытов, проведенных Исследовательским институтом Колорадо по горючим и двигателям, было установлено, что при использовании смеси горючего, содержащей 20% биодизеля, наблюдается снижение выхлопных газов на 14%, углеводородов – на 13% и окиси углерода – на более чем 7% [4].

Биодизель (включая смесь В20) в настоящее время признан Агентством по охране окружающей среды и Министерством Энергетики (США) в качестве альтернативного горючего, соответствующего требованиям по защите атмосферного воздуха и окружающей среды. К тому же, биодизель обладает рядом существенных преимуществ.

· не токсичен (его токсичность составляет лишь 10% от токсичности поваренной соли);

· разлагается в естественных условиях (приблизительно за то же время, что и сахар);

· при попадании в воду не причиняет вреда растениям и животным;

· практически не содержит серы и канцерогенного бензола;

· его источником являются возобновляемые ресурсы, не способствующие накоплению газов, вызывающих парниковый эффект, что характерно для горючего, полученного на основе нефти.

Прямые преимущества, получаемые при использовании биодизеля в виде 20% смеси с обычным дизельным топливом, включают в себя:

· увеличение сетанового числа и смазывающей способности, что продлевает жизнь двигателя;

· значительное снижение вредных выбросов (включая СО, СО2, SO2, мелкие частицы и летучие органические соединения);