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

4 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

42308. Хранимые процедуры в MySQL 94 KB
  Введение Хранимые процедуры один из наиболее мощных инструментов предлагаемых разработчикам приложений баз данных MySQL для реализации бизнеслогики. Хранимые процедуры англ stoied proceduies позволяют реализовать значительную часть логики приложения на уровне базы данных и таким образом повысить производительность всего приложения централизовать обработку данных и уменьшить количество кода необходимого для выполнения поставленных задач. Помимо этих широко известных преимуществ использования хранимых процедур общих для большинства...
42309. ОПРЕДЛЕНИЕ УСКОРЕНИЯ СИЛЫ ТЯЖЕСТИ С ПОМОЩЬЮ УНИВЕРСАЛЬНОГО МАЯТНИКА 246 KB
  Пусть – длина нити маятника т – его масса. Если пренебречь силами сопротивления движению то на тело маятника действуют две силы: сила тяжести и натяжение нити . В проекции на направление касательной уравнение движения маятника запишется так: 1 Знак минус возникает потому что проекция силы противоположна направлению отклонения...
42310. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОПТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ОКРАШЕННЫХ РАСТВОРОВ И РАССЕИВАЮЩИХ СРЕД 995.5 KB
  Изучение особенностей прохождения света через оптически однородные и неоднородные среды. КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ При прохождении света через среды и через растворы в частности происходит уменьшение его интенсивности вследствие взаимодействия световой волны с частицами вещества. Такое ослабление света называется экстинкцией. Экстинция обусловлена двумя причинами: поглощением и рассеянием света.
42311. ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОНЦЕНТРАЦИИ РАСТВОРОВ С ПОМОЩЬЮ КРУГОВОГО ПОЛЯРИМЕТРА 301 KB
  Исследование процесса поляризации света при прохождении его через растворы определение концентрации оптически активного раствора по величине угла поворота плоскости поляризации. Если колебания светового вектора происходят только в одной проходящей через луч плоскости свет называется плоско или линейно поляризованным. Это приборы которые свободно пропускают колебания параллельные плоскости поляризатора и полностью или частично задерживают колебания перпендикулярные его плоскости. Поляризатор частично...
42312. ОПРЕДЕЛЕНИЕ КАЧЕСТВА ОБРАБОТКИ ПОВЕРХНОСТИ С ПОМОЩЬЮ МИКРОИНТЕРФЕРОМЕТРА 672.5 KB
  Теория и опыт неопровержимо свидетельствуют что свет представляет собой электромагнитные волны диапазона 040106 – 076106 метров. Электромагнитные волны – поперечные характеризуются колебанием двух векторов: напряженности электрического поля и магнитной индукции . Колебания электрической и магнитной составляющих поля световой волны происходят в одинаковых фазах во взаимно перпендикулярных плоскостях. Как показывает исследование векторы и единичный вектор направления вдоль которого происходит распространение волны образуют...
42313. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ГРАНИЦ СПЕКТРА БЕЛОГО СВЕТА С ПОМОЩЬЮ ДИФРАКЦИОННОЙ РЕШЕТКИ 1.49 MB
  Волновая поверхность падающей волны плоскость щели и экран параллельны друг другу. Поскольку щель бесконечна картина наблюдаемая в любой плоскости перпендикулярной к щели будет одинакова. Разобьем открытую часть волновой поверхности на параллельные краям щели элементарные зоны ширины . Ее можно найти проинтегрировав по всей ширине щели : .
42314. ИЗУЧЕНИЕ ДИСПЕРСИИ СВЕТА 735.5 KB
  Наблюдение дисперсии света определение зависимости показателя преломления от длины волны светового излучения для конкретного вещества. КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ Одним из наиболее давно известных человеку оптических эффектов является преломление света заключающееся в том что при переходе через границу двух сред луч света скачком меняет свое направление как бы претерпевает излом. Преломление света характеризуется относительным показателем преломления.
42315. ИССЛЕДОВАНИЕ РЕЗОНАНСНЫХ ЯВЛЕНИЙ В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЦЕПЯХ 735.5 KB
  Падение напряжения на конденсаторе . Для тока в катушке имеем: сдвиг фаз между током в контуре и напряжением на конденсаторе составляет π 2 ток опережает по фазе напряжения на конденсаторе на π 2 рис. Для напряжения закон изменения имеет вид: При колебаниях происходит периодический переход электрической энергии конденсатора в магнитную энергию катушки . Для определения напряжения на конденсаторе разделим 1 на С имеем Чтобы найти закон изменения силы тока продифференцируем 1 по времени: Обозначим...
42316. ОСНОВЫ ЦИФРОВОЙ ТЕХНИКИ 2.89 MB
  Заготовки отчетов должны содержать цель работы далее по каждому пункту задания: функции реализуемые цифровым устройством представленные в аналитической или и табличной форме их преобразования поясняющие процесс проектирования; схему спроектированного узла или устройства; в случаях оговоренных в описании временные диаграммы поясняющие работу цифрового устройства; таблицы для записи результатов экспериментов; Исследуемые цифровые узлы и устройства собираются на одном и том же закрепленном за бригадой универсальном...