Простейшая классификация разделяет исходное сырье на сухое (например, древесные отходы) и влажное (например, стоки животноводческой фермы). Для использования сухой биомассы наиболее эффективны термохимические технологии (прямое сжигание, газификация, пиролиз). Для влажной биомассы – биохимические технологии переработки с получением биогаза (анаэробное разложение органического сырья) или жидкого биотоплива (процессы спиртового брожения и др.).

При термохимических методах биомасса превращается в более ценный энергоноситель или сжигается непосредственно. Различают три метода: сжигание, газификация и сжижение. При сжигании, связанная в биомассе, химическая энергия в процессе окисления превращается в тепло непосредственно. Термохимическое превращение включает прямое сгорание, газификацию и термическое разложение (пиролиз).

Традиционными методами сжигания твердых топлив являются слоевое, с кипящим (псевдоожиженным) слоем, факельно-слоевое и факельное сжигание в котлах. При слоевом сжигании твердого топлива куски размером до нескольких сантиметров подаются на решетку, продуваемую воздухом. Достоинство слоевого сжигания – простота подготовки и подачи топлива. Недостаток метода – низкая паропроизводительность.

Технология факельного сжигания топлива активно развивалась в 50-е годы прошлого века. Помол топлива производится до размера частиц в несколько микрон, и пылевоздушная смесь подается в горелки. Основные достоинства факельного сжигания: возможность сжигания любого вида топлива с высоким КПД; высокая мощность котлоагрегатов; и др. Недостатки факельного сжигания: химический и механический недожег (в совокупности до 15–25 %); сложный процесс подготовки топлива; высокая степень выбросов летучей золы, оксидов серы и азота. Как при слоевом, так и при пылеобразном сжигании топлива температуры в топке достигают 900-2000ОС и выше, а также предусмотрена дополнительная подача воздуха фурмами второго и третьего ярусов для более полного выгорания топлива.

Топки с кипящим (псевдоожиженным) слоем занимают промежуточное положение между слоевыми и факельными топками. Эта технология начала развиваться в 60-е годы прошлого века. Частицы топлива размером в несколько миллиметров подаются на решетку, на которую снизу подводится воздух. При определенной скорости воздуха слой взвешенных твердых частиц в восходящем потоке воздуха приобретает свойства жидкости (вязкость, текучесть, поверхностное натяжение). Достоинства кипящего слоя: высокий коэффициент теплопередачи; компактность топочного устройства; низкие температуры сгорания (около 850ОС), которые способствуют снижению выбросов оксидов азота; возможность эффективного серо улавливания с применением небольшого количества известняка в смеси с топливом.

Прямое сжигание древесины хорошо известно на бытовом уровне, однако эффективность бытовых печей довольно низка. Промышленные технологии энергетического использования древесины постоянно совершенствуются. Теплоэнергетические свойства топлива из древесно-растительной массы определяются рядом характеристик, таких как химический состав, теплота сгорания, влажность, твердость, содержание и состав золы.

Во многих европейских странах приоритет в развитии тепло- и электрогенерирующих мощностей отдается именно биомассе. Большое значение при этом имеет то обстоятельство, что древесина по химическому составу практически не содержит серы и азота, в продуктах ее сгорания, как правило, содержится мало золы, поэтому она является более экологичным топливом, чем нефть, уголь и даже природный газ, особенно когда при использовании энергетических плантаций исключается накопление С02 в атмосфере. Сравнительные характеристики различных видов топлива представлены в таблице 2.1, из которых видно, что каменный уголь, мазут, природный газ и торф выделяют большое количество углекислого газа и с экологической точки зрения менее предпочтительны по сравнению с древесным топливом и соломой. Как видно, соломенные пеллеты лишь незначительно уступают по качеству древесным, а по совокупности экологических показателей превосходят уголь, торф, дизтопливо и мазут.

Таблица 2.1. Сравнительные характеристики различных видов топлива

Вид топлива

Теплота сгорания, МДж/кг

% серы

%

золы

Дополнительное количество углекислого газа, кг/ГДж

Каменный уголь

15-35

1-3

1

60

Мазут

42

1,2

1,5

78

Щепа древесная

10

0

2

0

Гранулы древесные

17,5

0,1

1

0

Торф

10

0

20

70

Соломенные пеллеты

14,5

0,2

4

0

Природный газ

35-38 МДж/ м3

0

0

57

Основа биомассы – органические соединения углерода, которые в процессе соединения с кислородом при сгорании выделяют тепло. Особенность древесной биомассы как топлива состоит в том, что она в отличие от нефти, угля и природного газа имеет достаточно низкую теплотворную способность и высокую влажность. Присутствие влаги в топливе из биомассы часто ведет к значительным потерям выхода тепловой энергии, в связи с тем, что испарение воды требует значительных затрат энергии. В настоящее время биомасса преимущественно применяется в виде твердого топлива (дров, опилок, щепы, топливных гранул и пеллет), замещающего углеводородное сырье в котлах котельных и электростанций. Сравнительные энергетические характеристики различных видов биомассы представлены в таблице 2.2. Интенсивность горения топлива зависит от его химического состава, соотношения летучих газообразных компонентов и твердого углерода. В таблице 2.3 представлен химический состав соломы и древесной щепы. По составу и теплотворной способности древесина, солома и другие травянистые виды топлива (торф, костра и др.) в спрессованном и высушенном виде приблизительно одинаковы, у которых горючими составляющими, в основном, являются углерод и водород.

Таблица 2.2. Сравнительные энергетические характеристики различных видов биомассы

Вид биомассы

Влажность*, %

Теплота сгорания, кВтч/кг

Объемная

плотность*, кг/м3

Энергетическая

плотность, кВтч/м3

высшая**

низшая*

Древесные гранулы

10,0

5,5

4,6

600

2756

Древесная щепа твердых пород