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

45402. Федеративное государство: понятие признаки виды 64.9 KB
  Они не обладают суверенитетом правом одностороннего выхода из союза юридически лишены права участия в международных отношениях. Любая федеративная система государственного устройства может быть эффективной лишь тогда когда ее деятельность осуществляется в строгих рамках конституции и текущего законодательства когда четко разграничены сферы деятельности и компетенция центральных и местных государственных органов когда строго соблюдены права и свободы граждан. публичное и частное право : общая характеристика и критерии разграничения...
45403. Конфедерация как переходная форма гос.устройства 59.81 KB
  Правотворчество: понятие принципы виды процесс. Правотворчество – это деятельность прежде всего государственных органов по принятию изменению и отмене юридических норм. Правотворчество является составной частью более широкого процесса правообразования под которым понимается естественно-исторический процесс формирования права в ходе которого происходит анализ и оценка сложившейся правовой действительности выработка взглядов и концепций о будущем правового регу лирования а также разработка и принятие нормативных предписаний....
45404. ПОЛИТИЧЕСКИЙ РЕЖИМ: ПОНЯТИЕ, ПРИЗНАКИ, ВИДЫ 60.45 KB
  Понятие политический режим включает в себя следующие параметры признаки: − степень участия народа в механизмах формирования политической власти а также сами способы такого формирования; − соотношение прав и свобод человека и гражданина с правами государства; гарантированность прав и свобод личности; − характеристику реальных механизмов осуществления власти в обществе; степень реализации политической власти непосредственно народом; − положение средств массовой информации степень гласности в обществе и прозрачности государственного аппарата;...
45405. Понятие и признаки соучастия 40.5 KB
  Понятие и признаки соучастия Соучастие в преступлении это умышленное совместное участие двух или более лиц в совершении умышленного преступления. Количественный признак означает что в совершении преступления участвуют два или более лица. При этом каждый из них должен обладать всеми признаками субъекта преступления т. Совершение преступления с использованием невменяемых или малолетних не образует соучастия.
45406. Понятие и признаки субъективной стороны преступления 27 KB
  Понятие и признаки субъективной стороны преступления Субъективная сторона преступления это внутренняя сторона преступления определяющая психическое отношение виновного лица к совершенному им общественно опасному деянию и к его наступившим общественно опасным последствиям. Субъективная сторона преступления раскрывается через такие юридические признаки как вина мотив цель эмоциональное состояние лица в момент совершения преступления. Несмотря на различное содержание этих признаков все они органически взаимосвязаны и объединены в одну...
45407. Понятие субъекта преступления и его признаки 24 KB
  Понятие субъекта преступления и его признаки Субъект преступления это физическое вменяемое лицо достигшее к моменту совершения преступления возраста уголовной ответственности установленного Кодексом. Субъект преступления является одним из обязательных элементов состава преступления и характеризуется следующими обязательными признаками. Субъектом преступления по российскому уголовному праву может быть только физическое лицо человек как гражданин Российской Федерации так и иностранные граждане не пользующиеся правом...
45408. Понятие конфискации имущества 32.5 KB
  Понятие конфискации имущества Конфискация имущества представляет собой принудительное безвозмездное изъятие имущества в доход государства. Конфискацию не следует путать с изъятием имущества. Изъятие имущества носит временный характер может быть как добровольным так и принудительным имеет обратимый характер например изъятие автомобиля для помещения его на штрафстоянку. Следует положительно оценить новацию законодателя предусмотревшего в УК РФ конфискацию имущества в качестве иной меры уголовноправового характера и ограничившего сферу ее...
45409. Понятие наказания и его признаки 28.5 KB
  Понятие наказания и его признаки Наказание это предусмотренная уголовным законом мера государственного принуждения применяемая по приговору суда к лицу признанному виновным в совершении преступления и заключающаяся в лишении или ограничении его прав и свобод. Признаки уголовного наказания: это особая форма государственного принуждения к лицу виновному в совершении какоголибо преступления предусмотренного уголовным законом; назначается от имени государства и только по приговору суда; имеет всегда строго индивидуальный и публичный...
45410. Понятие и признаки преступления 28.5 KB
  Понятие и признаки преступления Понятие преступления определяет статья 14 УК РФ: Преступлением признается виновно совершенное общественно опасное деяние запрещенное настоящим Кодексом под угрозой наказания. Из этого определения вытекают четыре обязательных признака преступления: общественная опасность противоправность виновность и наказуемость. Общественная опасность как признак преступления является качественным или материальным признаком. Общественная опасность является объективным свойством преступления.