министерство образования и науки украины
донецкий национальный технический университет
перспективы химической технологии
Лекция 6
биоэнергетика
Донецк – 2014
Оглавление
БИОЭНЕРГЕТИКА. ВИДЫ ВОЗОБНОВЛЯЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ ЭНЕРГИИ 3
Классификация альтернативных видов топлива......................................... 4
Жидкое альтернативное топливо................................................ 5
Этиловый спирт как топливо....................................................................... 5
Метиловый спирт в качестве топлива................................................... 6
Биодизель..................................................................................................... 6
Биогаз........................................................................................................... 8
Твердое биологическое топливо (пеллеты, брикеты)...... 10
Принципиальная схема производства топливных гранул из биомассы. 11
Технологический процесс производства пеллет....................................... 11
Литература.............................................................................................. 14
БИОЭНЕРГЕТИКА. ВИДЫ ВОЗОБНОВЛЯЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ ЭНЕРГИИ
Основным вопросом, стоящим на пути прогресса в современном мире, является вопрос о развитии энергетики, базирующейся на доступе к энергетическим ресурсам.
Задача обеспечения постоянно растущих потребностей мировой и национальных экономик в энергии обусловливает необходимость развития возобновляемой энергетики и, в частности, биоэнергетики. Это также диктуется решением глобальных проблем, связанных с ограниченностью запасов ископаемых видов топлива и обеспечением экологической безопасности — выполнение принятых обязательств в рамках Киотского протокола.
Биоэнергетика несет в себе новые технологии, которые потребуют для массового внедрения в энергетический баланс новых видов топлив, серьезной политической и экономической поддержки со стороны государства. Биомасса, аккумулирующая в себе солнечную энергию в форме углеводородов растительного происхождения, служит исходным сырьем для выработки биотоплива в твердом, жидком и газообразном виде в зависимости от технологии переработки.
На сегодняшний день доля возобновляемых источников энергии (ВИЭ) в мировом энергетическом балансе невелика — порядка 14%, а вклад биомассы — около 1,8%. Но, как показывает практика, даже незначительные колебания в предложении на рынках энергетических ресурсов вызывают сильные изменения цен. Это говорит о том, что роль альтернативной энергетики в укреплении стабильности на рынках этих ресурсов в перспективе будет только расти.
В структуре альтернативной энергетики в мире энергия биомассы составляет до 13% (Рис. 1). По прогнозам ученых, доля возобновляемых источников энергии к 2040 г. достигнет 47,7%, а вклад биомассы — 23,8%.
Возобновляемые источники энергии как производные солнечной активности можно подразделить на две категории :
первичные ВИЭ — солнце, воздушные и водные потоки, энергия которых преобразуется непосредственно на преобразователях различного рода в необходимую для жизнедеятельности энергию;
вторичные ВИЭ — биомасса, использование которой требует переработки с определенными энергетическими затратами в газообразные, жидкие и твердые виды топлива.
Рис. 1. Структура альтернативной энергетики в мире
Новая отрасль энергетики «Биоэнергетика» решает двуединую проблему получения топлива и охраны окружающей среды. Биоэнергетика, с научной точки зрения, изучает механизм преобразования энергии в процессах жизнедеятельности биологических объектов.
Источником для производства биотоплива является биомасса, представляющая собой биологически разлагаемые компоненты продуктов и отходов сельского хозяйства (как растительного так и животного происхождения), лесного хозяйства и связанных с ними производств, а также биологически разлагаемые компоненты промышленных и бытовых отходов. Эффективному энергетическому использованию биомассы в последнее время уделяется особое внимание.
Классификация альтернативных видов топлива
Альтернативные виды топлива можно классифицировать следующим образом:
- по составу: углеводородно-кислотные (спирты), эфиры, эстеры, водородные топлива с добавками;
- по агрегатному состоянию: жидкие, газообразные, твердые;
- по объемам использования: целиком, в качестве добавок;
- по источникам сырья: из угля, торфа, сланцев, биомассы, горючего газа, электроэнергии и др.
Рассмотрим каждый из наиболее распространенных видов альтернативного топлива более подробно.
Жидкое альтернативное топливо
Этиловый спирт как топливо
Этанол в качестве топлива для четырехтактного двигателя внутреннего сгорания в 1876 году применял немецкий изобретатель Николаус Отто, а в 1908 году Генри Форд предложил покупателям «жестянку Лиззи» Ford T с двигателем, работающим на этаноле, бензине или их смеси. Биоэтанол.
Этанол, или этиловый спирт, более известен как сырье для изготовления алкогольных напитков. Биоэтанол – это обезвоженный этиловый спирт, изготовленный из биологически возобновляемого сырья. Есть три способа получения этилового спирта: сбраживанием пищевого сырья (переработкой содержащегося в сырье сахара в спирт при помощи дрожжей), гидролизом растительного сырья и гидратацией этилена (синтетический спирт). Энергетическая ценность спирта почти в полтора раза ниже, чем у бензина. Как получают этанол?
Первый этап - это получение целлюлозы. Например, в древесине ее содержится до 60%, а в бумажных отходах - все 90%. Затем целлюлозу в присутствии катализатора подвергают гидролизу (или «осахариванию»), в результате которого получается техническая глюкоза. После этого глюкозу в присутствии дрожжей (обычных, как в тесте) заставляют бродить. И на выходе образуется этиловый спирт - С2Н5ОН. В качестве автомобильного топлива этанол по некоторым параметрам превосходит бензин. В нем гораздо меньше примесей (например, серы), а октановое число по исследовательскому методу достигает 125 единиц. Поэтому этанол иногда используют как высокооктановую добавку - например, «девяносто второй» бензин с десятью процентами этанола становится «девяносто пятым. Однако теплотворная способность этанола существенно ниже «бензиновой» (21,2 кДж/л против 31,9 кДж/л) - отсюда и более высокий расход топлива. Кроме того, этанол очень гигроскопичен - при контакте с водой он «вымывается» из состава смеси, нарушая ее характеристики.
Плюсы:
- Запасы сырья разнообразны и практически неограниченны;
- Есть богатый опыт эксплуатации двигателей, работающих на спирте (Бразилия, Австралия);
- Ниже токсичность выхлопных газов;
Минусы:
- Нужно вносить конструктивные изменения в систему питания;
- Мощность двигателя снижается, а расход горючего увеличивается;
- Из-за гигроскопичности спирта могут ухудшаться пусковые свойства двигателя;
- Дорогостоящее производство биоэтанола;
Метиловый спирт в качестве топлива.
Метиловый спирт (метанол) – ядовитая жидкость, получаемая в процессе каталитической реакции между H2 и CO при температуре 330°С и давлении 15 МПа:
Эти газы – компоненты синтетического газа, они могут получаться при газификации биомассы.
Метанол можно использовать в качестве заменителя бензина с теплотой сгорания 23 МДж/ кг.
Биодизель
Биодизель - это экологически чистое топливо для дизельных двигателей, получаемое путем химической обработки растительного масла или животных жиров, которое может служить добавкой к дизельному топливу или полностью заменять его. В настоящее время ряд стран ведут совместные работы по созданию биологического топлива для транспортных двигателей. Биодизель считается одним из наиболее перспективных возобновляемых альтернативных топлив.
Сырьём для производства биодизеля служат жирные, реже —различных растений или водорослей.
Растительное масло переэтерифицируется метанолом, реже этанолом или изопропиловым спиртом (приблизительно в пропорции на 1 т масла 200 кг метанола + гидроксид калия или натрия) при температуре 60°С и нормальном давлении.
При производстве биодизеля в результате реакции этерификации получается смесь, которой дают отстояться. Легкие верхние фракции продукта и являются рапсовым метил-эфиром, или биодизельным топливом. Нижние фракции являются так называемой глицериновой фазой, которую часто неправильно называют глицерином. На самом деле до чистого глицерина её ещё нужно «довести», без чего её хранение и утилизация представляют серьёзную проблему из-за повышенной щелочности и содержания метанола. Те же проблемы возникают при использовании для этерификации этанола.
Биодизель, как показали опыты, при попадании в воду не причиняет вреда растениям и животным. Кроме того, он подвергается практически полному биологическому распаду: в почве или в воде микроорганизмы за 28 дней перерабатывают 99 % биодизеля, что позволяет говорить о минимизации загрязнения рек и озёр.
При сгорании биодизеля выделяется ровно такое же количество углекислого газа, которое было потреблено из атмосферы растением, являющимся исходным сырьём для производства масла, за весь период его жизни. Биодизель в сравнении с обычным дизельным топливом почти не содержит серы. Это хорошо с точки зрения экологии.
Точка воспламенения для биодизеля превышает 100°С, что позволяет назвать биотопливо относительно безопасным веществом.
Под производство сырья для биодизеля отчуждаются большие земельные площади, на которых нередко используют повышенные дозы средств защиты растений. Это приводит к биодеградации грунтов и снижению качества почв.
Биогаз
По своим физико-химическим показателям биогаз близок к природному газу, поскольку основной его компонент — метан. Источниками получения биометана служат продукты метанового брожения органических веществ растительного и животногопроисхождения.
В биогазовой технологии используется процесс ферментизации — разложение органических материалов в результате жизнедеятельности микроорганизмов (специфический природный биоценоз анаэробных бактерий различных физиологических групп). Основными продуктами этого процесса являются горючие газы (преимущественно метан, водород, моноокись углерода) и гумус. Для получения биометана биогаз очищают от СО2 и влаги.
Главные преимущества биогаза — наличие местных источников сырья, снижение парникового эффекта и экологического ущерба от систем сбора органических отходов, обеспечение экологически замкнутой энергетической системы.
Анаэробный процесс протекает при температуре 35,45°C без доступа кислорода в емкости, которая называется метантенком, или реактором (Рис. 2). На эффективность работы биогазовой установки большое влияние оказывает предварительная подготовка исходного субстрата. Чем меньше размеры частиц органических компонентов исходного сырья, тем больше их удельная поверхность и соответственно интенсивнее происходят процессы сбраживания. Так, измельчение субстрата до частиц размером менее 1 мм повышает выход биогаза на 20%. Интенсивность метанообразования в значительной мере зависит и от степени однородности исходного субстрата. В этих условиях под действием имеющихся в биомассе бактерий навоз и птичий помет разлагаются с выделением метана (CH4) — 60,70%, углекислого газа (CO2) — 30-40%, небольшого количества сероводорода (H2S) — 0,3%, примесей водорода, аммиака и окислов азота.
Теплота сгорания 1 м3 биогаза достигает 22 МДж, что эквивалентно: сгоранию 0,6 л бензина, 0,85 л спирта, 1,75 кг дров или выработке 2 кВт·ч электроэнергии.
Выход биогаза из навоза (помета), полученного от одной головы скота (птицы) в сутки, составляет, м3: коровы — 1,5, бычки на откорме — 1,1, свиньи — 0,2, птицы — 0,012.
Расчеты показывают, что в сельской местности производство биометана может считаться рентабельным при наличии 20 коров, 200 свиней или 3500 кур.
Рис. 2. Схема получения и использования биогаза
Получение биогаза экономически оправдано и является предпочтительным при переработке постоянного потока отходов (стоки животноводческих ферм, скотобоен, растительные отходы и т. д.), когда не требуются предварительный сбор отходов, организация и управление их подачи, при этом точно известно, сколько и когда будет получено отходов
Получение биогаза возможно в установках разных размеров, но особенно эффективно в агропромышленных комплексах, в которых осуществляется полный экологический цикл. Биогаз используют для освещения, отопления, приготовления пищи, приведения в действие механизмов, транспорта, электрогенераторов (Рис. 2).
Еще один источник получения биогаза — твердые бытовые отходы (ТБО).
Твердое биологическое топливо (пеллеты, брикеты)
Деревообработка и деревопереработка сопряжены с большими потерями древесины. На этапе заготовки леса отходы — пни, сучья, хвоя — могут достигать нескольких десятков процентов от первоначального объема. Лесопилка превращает около 60% древесины в доски, при этом на опил уходит 12, в концевые обрезки — 6 и 22% — в горбыль и обрезки кромок.
В настоящее время активно внедряется технология сжигания опилок, щепы и старой древесины. Однако процесс утилизации отходов имеет ряд недостатков. Во-первых, для повышения эффективности сгорания опилки и щепа должны быть сухими, что требует дополнительных технологических процессов. Во-вторых, нужны большие площади, чтобы складировать эти отходы. Причем, обращаться с ними надо предельно осторожно, ведь свежие опилки и щепа способны самовоспламеняться. В-третьих, мелкофракционные древесные отходы экономически не выгодно перевозить на расстояния более 20,40 км.
Изготовление брикетов и топливных гранул — альтернатива прямому использованию древесных отходов в виде топлива. Брикеты и гранулы выделяют больше тепла, чем опилки и щепа, увеличивая коэффициент полезного действия котельных, не требуют больших складских площадей и при хранении не самовоспламеняются, но автоматизировать процесс загрузки брикетов в топочное устройство довольно сложно. С этой точки зрения гораздо удобнее топливные гранулы (пеллеты) — цилиндрические прессованные изделия из высушенной древесины.
Наиболее подходящим сырьем для производства пеллет являются мерные опилки, стружка, щепа и другие отходы деревообработки влажностью не более 12,14%. Гранулы производятся без химических закрепителей под высоким давлением.
Принципиальная схема производства топливных гранул из биомассы.
Технологический процесс производства пеллет
Бревна, горбыль и т. п. древесные отходы подаются в рубильную машину (21) транспортером (22). Из нее щепа попадает в транспортер (23) и далее - на механизированный склад “подвижный пол” (1) (Рис. 3).
Мелкофракционное сырьё подвозится автотранспортом (либо погрузчиком) и ссыпается на механизированный склад “подвижный пол” (1).
Стокеры подвижного пола имеют гидравлический привод и под его действием совершают возвратно-поступательные движения. Лопатки (“крылья”) стокеров имеют клиновидную форму, поэтому при движении стокеров сырье с регулируемой скоростью подачи направляется к цепному (скребковому) транспортеру (2), далее сырье подается на дисковый сепаратор (3). На нем от сырья отделяется камни, коренья и т. п. примеси, которые попадают в переносной контейнер (на схеме не показан), а сырьё через самотёк попадает в загрузочную секцию Агрегата Сушки-измельчения (4).
Сюда же подаются продукты горения из теплогенератора (5) и засасывается холодный атмосферный воздух через аварийно-растопочную трубу (6). Первоначально смешиваются продукты горения и холодный воздух. Пропорция смешивания регулируется автоматически, что обеспечивает поддержание заданной температуры теплоносителя. Затем теплоноситель смешивается с влажным сырьем и засасывается в Агрегат Сушки-измельчения (4). В нем сырье измельчается и затем высушивается, поднимаясь в потоке теплоносителя к динамическому классификатору, находящемуся в головной секции Агрегата Сушки-измельчения. Динамический классификатор, частота которого задаётся с пульта управления (20), пропускает мелкое и сухое сырье, а крупные и влажные частицы сырья возвращает к ротору Агрегата. Этот процесс повторяется до получения необходимой влажности и степени измельчения сырья.
Измельчённое и высушенное сырьё (с этого момента его принято называть мукой) засасывается в осадочный циклон (8) за счет разряжения, создаваемого дымососом. В циклоне мука осаждается за счет центробежной силы и двигается вниз, а отработанный теплоноситель выбрасывается в дымовую трубу (19).
Из циклона мука через шлюзовой затвор подаётся в шнековый или цепной транспортер (9), далее поступает в бункер гранулятора (10). Внутри бункера находится устройство, препятствующее слеживанию муки. Из бункера мука подается шнековым питателем с регулируемой скоростью подачи в смеситель (кондиционер) пресса, сюда же подается вода (либо пар). В смесителе происходит кондиционирование продукта, т. е. доведение влажности муки до уровня, необходимого для процесса гранулирования. Из смесителя увлажненная мука через отделитель ферромагнитных примесей выводится в пресс-гранулятор (11).
В камере прессования гранулятора мука затягивается между вращающейся матрицей и прессующими вальцами и продавливается в радиальные отверстия матрицы, где под действием большого давления происходит формирование гранул. Выдавленные из отверстий гранулы наталкиваются на неподвижный нож и обламываются. Обломанные гранулы падают вниз и через рукав кожуха выводятся из пресса.
Гранулы, выходящие из пресса, имеют высокую температуру и непрочны, поэтому они транспортируются вертикальным транспортером - норией (12) в охладительную колонку (13). Здесь через слой гранул вентилятором циклона (16) всасывается воздух, который охлаждает гранулы и одновременно отсасывает часть несгранулированной муки в циклон. В процессе охлаждения влажность гранул уменьшается за счет испарения влаги, и в гранулах происходят физико-химические изменения. В результате они приобретают необходимую твердость, влажность и температуру. Из охладительной колонки, по мере ее наполнения, гранулы поступают на сортировку (14), где происходит отделение кондиционных гранул от крошки.
Гранулы выводятся через выгрузную горловину и подаются на норию готовой продукции (15), а крошка отсасывается в циклон (16) и далее направляется вместе с мукой на повторное прессование. Норией готовой продукции гранулы подаются в бункер готовой продукции (17). На нем расположен дозатор. Под этим бункером расположены электронные весы (18), а на стойках бункера имеются крючки для вывешивания большого мешка (биг-бэга). Также вместо биг-бегов может производиться расфасовка гранул в 15 кг. полиэтиленовые мешки, которые складываются на поддон. Заполненные биг-беги или поддоны с мешками погрузчиком или гидравлической тележкой транспортируются на склад готовой продукции.
Теплогенератор в данной комплектации может загружаться топливом как в ручном (через дверцу), так и в автоматическом режиме - из бункера топлива (7). Пополнение бункера топлива происходит автоматически за счет возврата части муки от осадочного циклона (8) системой пневмотранспорта (24). Опционально бункер топлива может пополняться дополнительным транспортером со склада сырья или отдельного склада топлива (на схеме не показаны).
Рис. 3. Схема производства пеллет
Литература
1. , Беляев для современных и перспективных автомобилей. Учебное пособие. - Петрозаводский Гос. университет, 2005. - 236 с.
2. Малофеев и охрана окружающей среды: Учебное пособие. – М.: Издательство Арктос, 1998. – 188 с.
3. Твайделл Дж., озобновляемые источники энергии: Пер. с англ. – М. Энергоатомиздат. 1990. – 392 с.
4. Мариненко получения и использования биотоплива для решения вопросов энергосбережения и охраны окружающей среды в жилищно-коммунальном и сельском хозяйстве: Учебное пособие. – Волгоград: ВолгГАСА, 2003. - 100 с.
5. , , Смаль топлива из альтернативных сырьевых ресурсов. М.: Химия, 1989 – 272с.
6. . Энергетика. Проблемы настоящего и возможности будущего. – М.: НЦ ЭНАС, 2010. – 348 с.
