77398

Энергия биомассы и методы ее преобразования

Реферат

Энергетика

Энергия биомассы и методы ее преобразования Биомасса как источник энергии. Энергетическое использование биомассы реализуется по трем основным направлениям: – непосредственное сжигание биомассы древесины водорослей растений в атмосфере воздуха; – извлечение из биомассы таких энергоносителей как биогаз и спирты; – использование теплоты выделяемой при брожении органическими отходами навоз помет опилки и...

Русский

2015-02-02

102.5 KB

3 чел.

7. НЕТРАДИЦИОННЫЕ и ВОЗОБНОВЛЯЕМЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ

07. Энергия биомассы и методы ее преобразования

Биомасса как источник энергии [1], [2, С. 106–107, 110–111], [3, С. 20–22, 25]

Биомасса – это все виды веществ растительного и животного происхождения, продукты жизнедеятельности организмов и органические отходы, образующиеся в процессах производства, потребления продукции и на этапах технологического цикла отходов. То есть к биомассе может быть отнесена любая органика, образующаяся за счет фотосинтеза – преобразования солнечной энергии в химическую энергию растений, которая в дальнейшем может быть превращена при сжигании в тепловую энергию.

Реакцию фотосинтеза, происходящую в зеленых растениях, схематично можно представить уравнением

.

(7.1)

Из уравнения видно, что в растениях в результате взаимодействия углекислого газа и воды образуются углеводы (например, глюкоза) и выделяется кислород. Для протекания такого процесса необходимы углекислый газ и вода.

Растения в результате фотосинтеза ежегодно аккумулируют около 2·1011 т углерода с общим энергосодержанием 3·1021 Дж, что в 10 раз превышает годовое потребление энергии человечеством.

Энергетическое использование биомассы реализуется по трем основным направлениям:

– непосредственное сжигание биомассы (древесины, водорослей, растений) в атмосфере воздуха;

– извлечение из биомассы таких энергоносителей, как биогаз и спирты;

– использование теплоты, выделяемой при брожении органическими отходами (навоз, помет, опилки и т.п.), для обогрева парников, теплиц и других объектов.

При сжигании биомассы в атмосфере воздуха может быть получено до 21,5 МДж тепловой энергии на 1 кг сжигаемого растительного материала. В качестве топлива для прямого сжигания наиболее часто применяется древесина, однако также достаточно широко используются отходы сельскохозяйственной продукции, навоз, твердые муниципальные отходы.

Традиционные способы непосредственного сжигания древесины весьма неэффективны. КПД дровяных печей в различных странах варьируется от 10 до 30 %. Для повышения эффективности прямого сжигания древесины в настоящее время разработан ряд способов таких, как циклонный, сжигание в псевдоожиженном слое.

Биогаз в основном получают из отходов растениеводства и животноводства. Хотя он и не является высококачественным энергоносителем, но в настоящее время используется, в том числе, и для выработки электроэнергии. Спирт, извлекаемый из растительных отходов, может использоваться в качестве жидкого топлива, а также рассматривается как перспективное альтернативное моторное топливо для наземных транспортных средств.

Потенциал отходов агропромышленного комплекса и населенных пунктов, способный быть превращенным в энергию при существующем уровне технологий и оборудования, эквивалентен выработке электроэнергии на 4…5 крупных АЭС.

Методы и устройства переработки биомассы [1], [2, С. 109–116], [2, С. 26–93]

Среди энерготехнологических методов переработки биомассы можно выделить термохимические, биохимические и агрохимические.

К термохимическим методам относят гидрогенизацию, пиролиз и газификацию биомассы. К биохимическим методам относится биоконверсия биомассы, а к агрохимическим – экстракция.

Гидрогенизация состоит в нагревании исходного сырья под давлением в замкнутой среде в присутствии оксида углерода, водяного пара и катализатора. Измельченные сырьевые отходы и щелочной катализатор (например, углекислый натрий Na2CO3) реагируют с оксидом углерода и водяным паром при высокой температуре (300 °С) и большом давлении (20 МПа). При этом около 85…90 % органических веществ, содержащихся в отходах, могут быть превращены в битум, водорастворимые фракции и газ. В результате полного преобразования отходов выход жидкого топлива составляет 57 % (среднее содержание углерода в жидком топливе – 78 %). Часть углерода превращается в газообразные продукты, главным образом в углекислый газ. Значение теплоты сгорания получаемой искусственной нефти может достигать 34 МДж/кг.

Пиролиз – процесс химического превращения одних органических соединений в другие (разложения) при высокой температуре в отсутствие окислителя.

Пиролиз применяется для производства метанола (спирта), древесного угля, а также уксусной кислоты, скипидара и ряда других продуктов. В качестве исходного энергетического материала в процессе пиролиза могут использоваться: органическое топливо (уголь, сланцы, торф и т.д.), биобрикеты и др.

При нагреве углеводы теряют воду и углекислый газ. В процессе пиролиза одновременно протекают три реакции:

– конверсия водяного газа (газовая смесь, состав которой (в среднем, об. %) CO — 44, N2 — 6, CO2 — 5, H2 — 45)

;

(7.2)

– реакция между водяным паром и углеродом

;

(7.3)

– реакция между водяным паром и углеводородом

.

(7.4)

Виды получаемых продуктов зависят от условий работы реактора: температуры и скорости ее повышения, состава исходного сырья и др. При медленном нагреве примерно в равных пропорциях получаются газ, жидкость и уголь. При увеличении температуры и продолжительности времени нагрева повышается выход газа, а при снижении температуры и меньшем времени нагрева больше производится жидкости и угля.

Жидкая органическая фракция является потенциальным источником получения синтетической нефти. При дальнейшей переработке из нее может быть выделена водорастворимая летучая фракция, содержащая около 10 % органических веществ. Оставшаяся часть органической жидкой фракции представляет собой нелетучее, не растворимое в воде вещество – смолистую массу черного цвета (деготь). Другой основной продукт – высокозольный древесный уголь с теплотой сгорания более 23 МДж/кг.

Получаемые в результате пиролиза газы, жидкости и древесный уголь разделяются и направляются соответствующим потребителям.

Газификация – процесс частичного окисления при высокой температуре (сжигания) биомассы или твердого угольного топлива для получения газового топлива, состоящего в основном из оксида углерода и водорода. При газификации отходов биомассы получается до 70…80 % горючего газа, в то время, как при газификации угля – только 20…40 %.

Газификация осуществляется в специальном устройстве – газогенераторе. Процесс газификации включает следующие последовательные стадии: сушка, коксование, и собственно газификация топлива. В зоне сушки за счет теплоты генераторного газа, покидающего газогенератор, из топлива, поступающего в газогенератор, выпаривается начальная влага.

В зоне коксования при температуре до 800 °С от топлива отделяются легкие газообразные фракции, самой важной из которых является метан. Закоксовавшееся топливо реагирует с кислородом, содержащимся в воздухе (либо с чистым кислородом), образуя диоксид углерода и водяной пар

;

(7.5)

.

(7.6)

В зоне газификации при температуре, превышающей 900 °С углекислый газ и водяной пар продолжают реагировать с углеродом, образуя оксид углерода и водород, которые являются активно горящими газами

;

(7.7)

.

(7.8)

Процесс биоконверсии – получения биогаза из органических отходов – состоит в управляемом сбраживании отходов при участии анаэробных бактерий в отсутствие или при недостатке кислорода и света. Биогаз представляет собой смесь метана (около 60…65 %) и углекислого газа (порядка 30 %), а также ряда других газов, содержащихся в существенно меньшем количестве: водород, кислород, сероводород, азот, оксид углерода.

Анаэробное разложение биомассы является двухстадийным процессом. На первой стадии – анаэробной переработки – кислотообразующие бактерии воздействуют на сложные органические вещества и преобразуют высокомолекулярные соединения: жиры, белковые вещества, углеводы – в простые органические кислоты. Вторая стадия – ферментация – связана с переводом простых органических кислот в метан и углекислоту. На этой стадии действует другой вид бактерий – метанообразующие, для которых органические кислоты служат питательной средой.

Для поддержания непрерывности сбраживания необходимо обеспечить надлежащее соотношение между кислотообразующими и метанобразующими бактериями.

Температурный диапазон метафильного (среднетемпературного) сбраживания от 30 до 45 °С, термофильного – от 45 до 60 °С. Длительность процесса составляет от 10 до 20 суток.

Схема технологического процесса получения биогаза из органических отходов на примере биогазовой станции «Лучки» Прохоровский район, Белгородская область, РФ (рис. 7.1) [1].

Рабочий процесс осуществляется следующим образом. Измельченные отходы мясоперерабатывающего завода, жидкий свиной навоз и силос поступают в резервуар-смеситель, а после смешивания подаются в ферментаторы через теплообменники, находящиеся в насосных станциях.

Все компоненты нагреваются до 38…39 °С. Биогазовая установка должна быть абсолютно герметичной, т.к. даже небольшое количество поступившего извне кислорода может воспрепятствовать жизнедеятельности бактерий. Принципиальная схема типовой биогазовой установки приведена на рис. 7.2. [2, рис. 7.1].

Под воздействием бактерий при поддержании заданной температуры происходят процессы кислотообразования и ферментации, в результате которых вырабатывается биогаз. Биогаз по трубопроводам подается в резервуары дображивания. В эти же резервуары подается для дображивания и смесь органических компонентов из ферментаторов.

В дображивателях завершается процесс ферментации, газ через систему охлаждения и очистки подается на блочную ТЭЦ, а продукт ферментации (биологические удобрения) – в хранилище удобрений.

Теплотворная способность биогаза в зависимости от находящегося в нем количества углекислого газа составляет 20…26 МДж/м3. Отстой, получаемый в результате анаэробного разложения, (продукты ферментации) имеет гораздо большую ценность как удобрение, чем исходный органический материал, так как содержит большое количество азота.

Биогазификация применяется также для комплексной переработки городских отходов. Городские твердые отходы предварительно измельчаются. Это дает возможность отделить органические вещества от неорганических. Перед загрузкой в биогазовую установку отходы смешивают с питательными и химическими (бикарбонат натрия NaHCO3, фосфор) веществами, необходимыми для нормальной работы реактора. В реакторе поддерживаются постоянными температура и давление, и его содержимое подвергается непрерывному перемешиванию, благодаря которому обеспечивается равномерное сбраживание субстрата на обеих стадиях процесса. Получаемый биогаз часто загрязнен прочими газами, выделяющимися из отходов. Поэтому его подвергают очистке, а остаток субстрата разделяют на жидкую и твердую фракции. Жидкость может быть возвращена в реактор для дальнейшей переработки, а твердый осадок, если его высушить до 25 % влажности, имеет теплоту сгорания около 9 МДж/кг.

Агрохимический метод переработки биомассы – экстракция топлив – процесс получения жидких топлив прямо из биомассы растений или животных. Экстракция – способ разделения твердых или жидких смесей, основанный на обработке их различными растворителями (экстрагентами), в которых компоненты смеси растворяются неодинаково. При этом получаемые таким образом продукты (масла, скипидар, канифоль и т.д.) по своим химическим свойствам могут быть значительно более ценными, чем топливо.

Производство спиртов из биомассы биомассы [2, С. 116–119]

Практической ценностью как топливо (чаще всего – моторное) обладают метиловый (метанол) и этиловый (этанол) спирты.

Метанол чаще всего получают путем сухой перегонки (пиролиза) целлюлозы, содержащейся в лиственной древесине. Также его можно получать из отходов, в которых содержится большой процент целлюлозы (например, макулатуры). Стоимость метанола превышает стоимость бензина на величину около 60 %. Однако, при расширении масштабов производства спирт обходится дешевле.

Достоинством метанола является его низкая температура горения. Это дает возможность, используя его в смеси с бензином, значительно уменьшить содержание оксидов азота в выхлопных газах. Стоимость метанола примерно в три раза ниже стоимости этанола.

Этанол получают в основном с помощью ферментации сахарного тростника, крахмала, целлюлозы. Существует несколько способов его получения:

– прямая ферментация с использованием сахара, содержащегося, например в сахарном тростнике;

– через кислотный гидролиз целлюлозы с выводом сахара, который потом с помощью ферментации переводится в этанол;

– через перевод углеводородов в глюкозу и затем путем ферментации – в этанол.

Ферментация сахаров происходит по реакции

,

(7.9)

где C6H12O6 – глюкоза, фруктоза.

Этиловый спирт можно использовать как самостоятельное топливо для двигателей внутреннего сгорания или в качестве присадки к бензину. Применение спирта в качестве 10- или 20 %-ной добавки к бензину существенно улучшает состав выхлопных газов автотранспортных средств, уменьшая в них соответственно на 20 и 30 % содержание углеводородов, на 18 и 35 % содержание угарного газа. Добавки спирта в бензин имеют также антидетонирующее свойство.

Чистый спирт, применяемый в качестве моторного топлива, обладает рядом важных преимуществ:

– из-за более высокой температуры самовоспламенения спирта по сравнению с бензином возрастает его октановое число, что позволяет увеличить КПД двигателя;

– уменьшается выход продуктов сгорания (и, соответственно, вредных компонентов в их составе).

При этом конструкция автомобиля требует некоторых изменений, т.к. в спирте растворяются пластмассовые и резиновые детали, а многие металлы корродируют.

Литература

  1.  http://www.altenergo.su/biogas/
  2.  Баранов, Н.Н. Нетрадиционные источники и методы преобразования энергии: учебное пособие для вузов / Н.Н. Баранов. – М.: Издательский дом МЭИ, 2012. – 384 с.
  3.  Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии: учебное пособие / под ред. В.В. Денисова. – Ростов н/Д.: Феникс, 2015. – 382 с. + CD. – (Высшее образование). – Электронное приложение.

5


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

17109. Програмування програм багатомодульної структури 68 KB
  Лабораторна робота № 18 Тема: Програмування програм багатомодульної структури. Мета: навчитися програмувати програми багатомодульної структури. Обладнання: ПК інструкція до практичної роботи. Хід роботи. 1.Правила техніки безпеки в класі комп'ютерної техніки. ...
17110. Розробка програм з функціями. Оголошення, визначення і виклик функцій 109.5 KB
  Лабораторна робота № 19 Тема: Розробка програм з функціями. Оголошення визначення і виклик функцій Ціль роботи: виробити практичні навички в написанні програм з виділенням функцій їхнім оголошенням визначенням і використанням. Обладнання: ПКПО Borland C Теорети...
17111. Розробка програм з покажчиками 88.5 KB
  Лабораторна робота № 20 Тема: Розробка програм з покажчиками Ціль роботи: вивчити конструкції й оператори мови С для роботи з покажчиками. Обладнання: ПКПО Borland C Теоретичні відомості Самим могутнім інструментом у С безумовно є покажчики і для того щоб опанув...
17112. Масиви. Селективна обробка масивів 74 KB
  Лабораторна робота № 21 Тема: Масиви. Селективна обробка масивів Ціль роботи: вивчити роботу з масивом як зі складеним типом даних прийоми введення і виведення даних обробку одномірних масивів. Обладнання: ПКПО Borland C Теоретичні відомості Масив це набір...
17113. Формування робочих масивів за допомогою операцій селекції вихідного масиву 74 KB
  Лабораторна робота № 22 Тема: Формування робочих масивів за допомогою операцій селекції вихідного масиву Ціль роботи: вивчити і навчитися застосовувати обробку масивів по заданих логічних умовах формування нових масивів. Обладнання: ПКПО Borland C Теоретичні відо
17114. Обробка символьних даних 57 KB
  Лабораторна робота № 23 Тема: Обробка символьних даних Ціль роботи: вивчити і навчитися використовувати масиви символьних даних. Обладнання: ПКПО Borland C Хід роботи 1.Вивчити теоретичні відомості 2.Відповідно до індивідуального завдання розробити алгоритм...
17115. Використання бібліотечних функцій для роботи із символьними даними 79.5 KB
  Лабораторна робота № 24 Тема: Використання бібліотечних функцій для роботи із символьними даними Ціль роботи: виробити практичні навички в написанні програм з використанням бібліотечних функцій для роботи із символьними даними. Обладнання: ПКПО Borland C Теоретичн...
17116. Вкладені цикли. Багатомірні масиви. Масиви покажчиків 92 KB
  Лабораторна робота № 25 Тема: Вкладені цикли. Багатомірні масиви. Масиви покажчиків Ціль роботи: вивчити конструкції мови С и оператори для обробки багатомірних масивів із застосуванням оператора циклу for. Обладнання: ПКПО Borland C Теоретичні відомості Масиви і по...
17117. Розробка програм зі складеними типами даних 334.5 KB
  Лабораторна робота № 26 Тема: Розробка програм зі складеними типами даних Ціль: виробити практичні навички в написанні програм з використанням комбінованих типів даних. Обладнання: ПКПО Borland C Теоретичні відомості Структури З підтримує визначений корист