lecture16 (Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии. Курс лекций. В.А. Агеев, 2004)

Агеев В.А. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии (курс лекций)16. Использование биотоплива для энергетических целей16.1. Производство биомассы для энергетических целейТермин энергетическая ферма используется в очень широком смысле,обозначая производство энергии в качестве основного или дополнительногопродукта сельскохозяйственного производства, лесоводства, аква-культуры,а кроме того, те виды промышленной и бытовой деятельности, в результатекоторых образуются органические отходы. Основной целью переработки сырья могло бы быть исключительно производство энергии, но более выгоднонайти наилучшее соотношение между получением из различных видов биомассы энергии и биотоплива.Наиболее характерный пример энергетических ферм представляют собой предприятия по выращиванию и комплексной переработке сахарноготростника (рис. 16.1.1).Рис.

16.1.1. Агропромышленная переработка сахарного тростникаПроизводство зависит от сжигания отходов переработки тростника, необходимого для снабжения энергией всей технологической цепи. При надлежащей механизации можно было бы получить дополнительную энергию дляпроизводства на продажу побочных продуктов (патоки, химикатов, кормадля животных, этилового спирта, строительных материалов, электроэнергии).Следует отметить, что этиловый спирт и электроэнергию можно использоhttp://dhes.ime.mrsu.ru – Кафедра теплоэнергетических систем1Агеев В.А. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии (курс лекций)вать для выращивания культур и выполнения транспортных операций.Развитие энергетики за счет использования сельскохозяйственныхкультур имеет как достоинства, так и недостатки. Один из наиболее существенных недостатков то, что производство энергии станет конкурировать спроизводством пищи.

Крупномасштабное увеличение объема производствабиотоплива (например, этилового спирта) по этой причине может оказатьсущественное отрицательное влияние на мировой рынок пищевых продуктов. Второй серьезный недостаток – возможность обеднения и эрозии почв врезультате интенсификации выращивания «энергетических» культур. Очевидная стратегия спасения от этих явлений – выращивание культур, пригодных и для обеспечения человека (зерно), и для энергетических нужд при одновременном сокращении части урожая, скармливаемого животным.Для выращивания и переработки урожая необходима энергия в формесолнечного излучения и в форме, пригодной для получения топлива для работы сельхозмашин, создания самих этих машин, получения удобрения и т.п.

Для оценки эффективности получения энергии из того или иного видабиомассы необходимо проведение энергетического анализа.Энергетический анализ – это определение затрат энергии энергопотребляющих и энергопроизводящих систем, позволяющий выделить технические и технологические аспекты процесса.На практике энергетический анализ и связанный с ним анализ экономических факторов получения и переработки биомассы агропромышленнымметодом оказываются достаточно сложными.

Однако использование для получения тепла и электроэнергии дешевых отходов биомассы может иметьрешающее значение при оценке эффективности того или иного процесса.16.2. Пиролиз (сухая перегонка)Под пиролизом подразумеваются любые процессы, при которых органическое сырье подвергают нагреву или частичному сжиганию для получеhttp://dhes.ime.mrsu.ru – Кафедра теплоэнергетических систем2Агеев В.А. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии (курс лекций)ния производных топлив или химических соединений. Изначальным сырьеммогут служить древесина, отходы биомассы, городской мусор и конечноуголь.

Продуктами пиролиза являются газы, жидкий конденсат в виде смол имасел, твердые остатки в виде древесного угля и золы. Газификация – этопиролиз, приспособленный для максимального получения производного газообразного топлива. Устройства для частичного сжигания биомассы, проектируемые в расчете на получение максимального выхода газов, называютсягазогенераторами. Схема установки для осуществления пиролиза приведенана рис. 16.2.1. Наиболее предпочтительными считаются вертикальные устройства, загружаемые сверху.КПД пиролиза определяется как отношение теплоты сгорания производного топлива к теплоте сгорания используемой в процессе биомассы.Достигаемый КПД весьма высок: 80-90%.Рис.

16.2.1. Установка для осуществления пиролизаЧтобы процесс пиролиза шел успешно, должны соблюдаться определенные условия. Подаваемый материал предварительно сортируют для снижения негорючих примесей, подсушивают и измельчают. Критическим параметром, влияющим на температуру и на соотношение видов получаемыхпродуктов, является соотношение воздух – горючее. Проще всего управлятьhttp://dhes.ime.mrsu.ru – Кафедра теплоэнергетических систем3Агеев В.А.

Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии (курс лекций)блоком, работающим при температуре ниже 600° С. При этом можно выделить четыре стадии перегонки:1. 100-120 °С – подаваемый в газогенератор материал, опускаясь вниз, освобождается от влаги;2. 275 °С – отходящие газы состоят в основном из N 2 , CO и CO2 ; извлекаются уксусная кислота и метанол;3. 280-350 °С – начинаются экзотермические реакции, в процессе которых выделяется сложная смесь летучих химических веществ (кетоны, альдегиды, фенолы, эфиры);4. свыше 350 °С – выделяются все типы летучих соединений; одновременно с образованием CO происходит увеличение образования H 2 ,часть углерода сохраняется в форме древесного угля, смешанного сзольными остатками.Разновидности топлива, получаемого в результате пиролиза, обладаютменьшей по сравнению с исходной биомассой суммарной энергией сгорания,но отличаются большей универсальностью применения.Твердый остаток(максимальнаямассовая доля 25-35%).

Совре-менные установки для получения древесного угля, работающие при температуре 600 °С, преобразуют в требуемый продукт от 25 до 35% сухой биомассы. Древесный уголь на 75-85% состоит из углерода, обладает теплотой сгорания около 30 МДж/кг.Жидкости (конденсированные испарения, максимальная массовая доляоколо 30%). Делятся на вязкие фенольные смолы и текучие жидкости, пиролигенные кислоты, в основном уксусную кислоту, метанол (максимум 2%) иацетон. Жидкости могут быть отсепарированы либо могут использоватьсявместе в качестве необработанного топлива с теплотой сгорания около 22МДж/кг.Газы (максимальная массовая доля, получаемая в газогенераторах, составляет примерно 80%).

Смесь выделяющихся при пиролизе газов с азотомhttp://dhes.ime.mrsu.ru – Кафедра теплоэнергетических систем4Агеев В.А. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии (курс лекций)известна как древесный газ, синтетический газ, генераторный газ или водяной газ. Теплота сгорания на воздухе составляет 5–10 МДж/кг (от 4 до 8МДж/м3 при нормальных условиях). Эти газы могут быть использованы непосредственно в дизелях или в карбюраторных двигателях с искровым зажиганием, при этом основная трудность – избежать попадания в цилиндры золыи конденсирующихся продуктов пиролиза. Газы в основном состоят из N 2 ,H 2 и CO с малыми добавками CH 4 и CO2 . Их можно накапливать в газгольдерах при давлении, близком к атмосферному.16.3.

Термохимические процессыБиомасса может сжигаться или подвергаться пиролизу непосредственно после предварительной сортировки и измельчания. Однако, она можетбыть еще и обработана химически для того, чтобы получить исходный материал для спиртовой ферментации или вторичное топливо. Рассмотрим несколько наиболее важных примеров из большого числа возможных.Гидрогенизация. Измельченную, разложившуюся или перевареннуюбиомассу, например навоз, нагревают в атмосфере водорода до температурыоколо 600 °С при давлении около 5 МПа. Получаемые при этом горючие газы, преимущественно метан и этан, при сжигании дают около 6 МДж на 1 кгсухого сырья.Гидрогенизация с применением CO и пара.

Ведется аналогичнопредыдущему процессу, но нагревание производится в атмосфере CO и водяного пара при Температуре 400 °С и давлении 5 МПа. Из продуктов реакции извлекается синтетическая нефть, которую можно использовать как топливо. Соответствующие реакции идут в присутствии катализатора:CO + H 2 O → CO2 + H 2 ,C n (H 2O )n + (n + 1)H 2 → nH 2 O + H (CH 2 )n Hhttp://dhes.ime.mrsu.ru – Кафедра теплоэнергетических систем.(16.3.1)5Агеев В.А. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии (курс лекций)Последняя реакция описывает превращение углеводов в нефтеподобные углеводороды. Эффективность преобразования энергии в этом процессесоставляет примерно 65%.Гидролиз под воздействием кислот и ферментов. Целлюлоза, со-ставляющая основную массу сухого остатка растений (от 30 до 50%), трудноподдается гидролизу и сбраживанию с помощью микроорганизмов.

Превращение целлюлозы в сахара, которые могут сбраживаться, возможно путемнагревания в серной кислоте или под воздействием фермента целлюлозы некоторых микроорганизмов. Полученные продукты можно использовать в качестве пищи для крупного рогатого скота.Преобразование масла кокосовых орехов в эфиры. Белая мякоть ко-косовых орехов (копра) примерно на 50% состоит из масла. Кокосовое масломожет быть непосредственно использовано в качестве дизельного топлива вдвигателях, оснащенных специальной системой подачи, однако при этом образуется ядовитый дым, кроме того, при температуре ниже + 23 °С масло затвердевает.

Добавив в масло 20% (по объему) метилового или этиловогоспирта, можно получить летучие эфиры, являющиеся прекрасным дизельнымтопливом, и глицерол. Получаемые эфиры имеют теплоту сгорания около 38МДж/кг, что выше, чем у перерабатываемого масла, и приближается к соответствующему показателю бензина (46 МДж/кг). Другие растительные маслатакже могут быть переработаны аналогичным образом.Метиловый спирт в качестве топлива. Метиловый спирт (метанол)– ядовитая жидкость, получаемая в процессе каталитической реакции междуH 2 иCO при температуре 330 °С и давлении 15 МПа:2 H 2 + CO = CH 3OH .(16.3.2)Эти газы – компоненты синтетического газа, они могут получаться пригазификации биомассы. Метанол можно использовать в качестве заменителябензина с теплотой сгорания 23 МДж/кг.http://dhes.ime.mrsu.ru – Кафедра теплоэнергетических систем6Агеев В.А.