Биоэнергетические установки биоэнергетика реферат

Обновлено: 02.07.2024

Человечество переживает энергетические кризисы. В качестве источника энергии люди использовали сначала дрова, потом уголь, нефть, ядерное топливо, газ. Нефть начала заканчиваться давно. Сейчас на смену эпохи нефти и газа приходит эпоха возобновляемых источников энергии. Из возобновляемых самым большим потенциалом обладает биомасса.

Биомасса – образуется при фотосинтезе из диоксида углерода и воды с выделением кислорода. Это материалы растительного происхождения, которые могут быть использованы в качестве топлива для целей преобразования их энергетической компоненты. К биомассе относятся материалы, полученные в результате сельскохозяйственной или лесохозяйственной деятельности, которые соответствуют техническим требованиям (ТУ, ГОСТ, СТБ), предъявляемым к топливу, в их числе:

  • быстрорастущая древесина и продукты из нее – щепа, пеллеты и т.д.;
  • растительные отходы пищевой промышленности;
  • волоконные растительные отходы производства целлюлозы для изготовления бумаги;

- отходы древесины, за исключением отходов антисептированной, химически модифицированной и радиоактивной древесины, которые могут содержать галогены, тяжелые металлы или радионуклиды в количествах, превышающих уровни, установленные действующими нормативными документами для топливной древесины.

Энергия, получаемая при использовании биомассы, относительно дешева и имеются возможности ее накопления. В связи с малой мощностью электростанций, используемых в качестве топлива биомассу, к их преимуществам можно отнести также короткий срок проектирования и строительства, повышение надежности энергоснабжения, связанное с его децентрализацией, повышение эффективности использования топлива; снижение остроты проблемы избавления от отходов.

В соответствии со статьей 39 Закона Республики Беларусь "Об охране окружающей среды" и статьей 31 Закона "Об охране атмосферного воздуха" в Республике Беларусь возможно использование (в том числе для энергетических целей) материалов, соответствующих требованиям ТУ, ГОСТ, СТБ в предназначенных на то установках. При сжигании любого топлива образуются дымовые газы, которые содержат в своем составе загрязняющие вещества, поступающие в атмосферный воздух, расчет которых должен проводится по утвержденным в установленном порядке техническим нормативным правовым актам.

  1. Биотопливо
    1. Виды биотоплива
    • Кородревесные отходы (кора, опилок, другие отходы лесозаготовки и лесопиления, санитарных рубок и рубок ухода)
    • Древесное топливо (дровяная и низкосортная древесина, древесная щепа, древесные брикеты, гранулы, т.д.)
    • Щелок (образуется при производстве целлюлозы)
    • Шлам (ил) очистных сооружений

    Торф является ископаемым топливом

    Основные особенности

    • Высокая влажность, 50-60% и выше
    • Низкая теплота сгорания (особенно у ила)
    • Возможность повышения качества топлива за счет его предварительной подготовки на месте
    • Относительно низкая цена (отрицательная цена, если сжигаются собственные отходы, которые иначе вывозились бы на свалку)
    • Ограниченное плечо перевозки (щелок и вовсе не возится, а используется исключительно на месте)
      1. Потребление

      Энергия, запасенная в первичной и вторичной биомассе, может конвертироваться в технически удобные виды топлива или энергии несколькими путями

      От биомассы к биоэнергии

      Зная природу фотосинтеза, можно уже сделать выводы о преимуществах использования биомассы как источника энергии, при сжигании которого содержание углекислого газа в атмосфере не увеличивается. Растения потребляют углекислый газ и перерабатывают его для своего роста. При горении биомассы не может образоваться этого газа больше, чем было поглощено растением при жизни. Использование биомассы для производства энергии не увеличивает концентрации углекислого газа в атмосфере!

      Преобразование биомассы и использование их энергии :

      Самый старый способ преобразования биомассы в биоэнергию - сжигание древесины. 70% населения развивающихся стран используют древесину как источник энергии. Средний расход древесины для производства энергии в этих странах составляет примерно 700 кг в год на одного человека.

      Более половины вырубаемой древесины сжигается для получения тепла. Часто для этого используются старые печи, которые выбрасывают загрязняющие вещества в окружающую среду. Если использовать новые конструкции печей с катализаторами, нейтрализующими вредные вещества, загрязнение окружающей среды можно намного уменьшить.

      Пиролиз - это разложение органических веществ без доступа воздуха при высокой температуре. Пиролиз древесины происходит при 450 - 500 °С. Нагревается биомасса до такой температуры обычно с помощью газа, однако расходы последнего с лихвой окупаются. Продуктами пиролиза являются древесный уголь и горючие газы (метан, оксид углерода), при сгорании которых уже в присутствии кислорода выделяется огромное (по сравнению с затраченным на нагрев) количество тепла. Именно эти продукты используют как топливо для обогрева и как сырье в некоторых отраслях промышленности.

      Ферментация навоза

      Даже навоз может служить источником энергии! Как топливо используют не только навоз, но и продукты его переработки. Перерабатывают навоз чаще совместно с отходами коммунального хозяйства. Дело в том, что оба вида биомассы содержат микроорганизмы, которые в определенных условиях (в частности, при температуре 50 - 60 °С, без доступа воздуха) разлагают органические вещества до биогаза*. Этот процесс обязательно происходит с участием особых веществ - ферментов - и поэтому называется ферментацией. Основной составляющей биогаза является метан, при сгорании которого выделяется тепло. Установки для ферментации навоза очень удобно использовать на фермах, полностью обеспечивая их потребности в энергии.

      Ферментация навоза - очень экономичная технология. Недостатками получения и использования биогаза являются его повышенная взрывоопасность и возможность заражения человека паразитами, обитающими в разлагающейся биомассе.

      Типы проектов с биомассой

      • Строительство биоэнергетических мощностей для выработки энергии на собственные нужды
      • Строительство биоэнергетических мощностей для выработки энергии на продажу
      • Увеличение паропроизводительности биокотлов за счет их реконструкции и модернизации
      • Повышение качества биотоплива (снижение влажности/повышение концентрации)
      • Организация производства биогранул (брикетов) – основной эффект достигается у потребителей

      Биогазовые установки

      Если у Вас есть отходы сельского хозяйства и пищевой промышленности, то Вы можете делать деньги просто из ничего. Такими отходами могут быть навоз скота, свиней, птичий помет, отходы растений, силос, отходы боен (кровь, кишки, жир), технический глицерин (от производства рапса), спиртовая барда, свекольный жом, канализационные стоки

      Переработка таких отходов на биогазовой установке дает

      в процессе брожения из биоотходов вырабатывается биогаз. Этот газ может использоваться как и обычный природный газ для обогрева, выработки электроэнергии.

      - электроэнергию

      из одного м 3 биогаза можно выработать 2-3 кВт*ч электроэнергии (биогаз, который при сжигании в когенераторе дает электроэнергию).

      биогаз можно использовать в котлах для получения тепла для обогрева или наоборот для испарителей систем охлаждения, для получения кипяченой воды для содержания скота, а также для получения пара.

      переброженная масса - это экологически чистые жидкие и твердые удобрения (биогумус), лишенные нитритов, семян сорняков, патогенной микрофлоры, яиц гельминтов, специфических запахов. Урожаи растут на 40-50%.

      Применение и преобразование энергии является сегодня основным фактором, влияющим на окружающую среду. В первую очередь, сжигание ископаемого энергетического сырья особенно актуально в связи с уже доказанным существованием проблемы климата. Что касается углекислого газа, представляющего сегодня основную проблему углекислого газа, то общие выбросы установок по преобразованию энергии остаются вот уже несколько лет относительно постоянными. Однако они не снижались, а именно это требуется Киотским протоколом. (Киотский протокол — международный документ, принятый в Киото ( Япония ) в декабре 1997 года . Он обязывает развитые страны и страны с переходной экономикой сократить или стабилизировать выбросы парниковых газов). Самую большую проблему будет представлять в будущем, скорее всего, транспорт, который постоянно растёт, а с ним растут и выбросы вредных веществ в атмосферу.

      Баланс выбросов, связанный с применением энергии

      Во всех сферах применения энергии (преобразование энергии, сетевые и распределительные потери, а также в сфере преобразования конечной и полезной энергии) происходят выбросы. Они определяются количеством использованной энергии, видом энергии, а также установками и приборами, которые используются в зависимости от цели применения и от потребителя.

      Бункер торфа, 2 — питатель дозатор торфа, 3 — флотационная машина, 4 — рабочий бункер, 5 — диспергатор-кавитатор первой ступени, 6 — бункер угля, 7 — питатель дозатор угля, 8 — среднеходная валковая мельница, 9 — промежуточный рабочий бункер, 10 — диспергатор-кавитатор угля второй ступени, 11 — бак приготовления жидкого топлива, 12 — диспергатор-кавитатор второй ступени, 13 — прессование… Читать ещё >

      Биоэнергетические установки ( реферат , курсовая , диплом , контрольная )

      Биоэнергетические установки План

      2. Энергия биомассы

      3. Использование биомассы

      4. Работа биоэнергетической установки

      5. Преимущества удобрения, получаемого с помощью данной технологии

      6. Результат применения удобрения

      7. Обработка различных продуктов сельскохозяйственного производства

      9. Экологичность Список рекомендуемой литературы биоэнергетика удобрение сельскохозяйственный технология

      Основным видом биомассы, используемой в биоэнергетике, является некоммерческое топливо: древесина и ее отходы, отходы растениеводства и животноводства, а также бытовые отходы.

      Используемые промышленные технологии включают в себя:

      — сжигание в смеси с основным топливом;

      — термохимическую переработку (газификация топлива);

      — биохимическую конверсию (получение биогаза, спирта, этанола) Суммарный энергетический потенциал некоммерческого топлива в мире составляет свыше 4 млрд. т у. т. в год.

      Выработка тепловой и электрической энергии на основе прямого и совместного с основным топливом сжигания получила развитие в Швеции, Финляндии, Германии, Канаде, США, Дании и др.

      Получение биогаза наиболее развито в Китае (в том числе и кустарными и полукустарными способами), Индии, странах Юго-Восточной Азии, при этом получают также удобрения для сельскохозяйственных нужд.

      Получение этанола, этилового спирта на базе биохимической конверсии некоммерческого топлива сильно развито в Бразилии — крупнейшем в мире производителе этилового спирта. Здесь значительная часть автопарка работает на чистом этаноле или спиртобензиновых смесях.

      Для усовершенствования технологии биохимической конверсии в особенности бытовых отходов разрабатываются высокоэффективные штаммы анаэробных микроорганизмов, а также разные варианты различных композиций энергетической биомассы, позволяющие повысить выход и качество биогаза.

      2. Энергия биомассы

      Широкое распространение получило использование древесной биомассы для производства тепла и электричества (страны Скандинавии) как при прямом сжигании отходов, так и через их предварительную газификацию с последующим сжиганием полученного газа.

      — Активно внедряется совместное сжигание (в различных технологических модификациях) биомассы с основным топливом (уголь, жидкое топливо, газ).

      — Распространены электростанции (США, Дания), на которых сжигаются твердые бытовые отходы (ТБО) городов, а также биогаз от свалок ТБО (Италия).

      — Используются технологии получения электроэнергии в дизель-генераторах, работающих на газе, получаемом от газификации биомассы и биогазе от переработки отходов.

      — Получение и использование биогаза:

      1. На малых установках по переработке сельскохозяйственных и бытовых отходов индивидуальных фермерских хозяйств. Общее количество таких установок в 2000 г. превысило 6 млн. шт. (страны-лидеры: Китай, Индия).

      2. На больших установках по переработке городских сточных вод (более 10 000 установок) и комбинированных установках по сбраживанию промышленных и городских сточных вод (более 1000 новейших установок в 2000 г.).

      3. На мощных комбинированных установках (фабриках) по переработке отходов продукции сельского хозяйства, животноводства и фермерских хозяйств (из 50 крупных таких фабрик 18 находится в Дании).

      3. Использование биомассы

      Более активными темпами возрождается использование такого возобновляемого источника энергии, как биомасса, в особенности торфа и древесной биомассы. Использование в России торфа в период, когда были ограничены добычи нефти, газа и угля, как местного низкосортного топлива особенно активно имело место в 1930;е гг. (1930;1939 гг.). На базе активно развитых торфоразработок были построены и эффективно эксплуатировались крупные энергетические установки и электрические станции, среди которых были Шатурская и Каширская ГРЭС, Ярославская ТЭЦ, Калининские ТЭЦ-2 и ТЭЦ-4, ГРЭС-8 Ленэнерго, Тюменская ТЭЦ и многие другие. Практически, вся энергетика Белоруссии (БелГРЭС, Смолевическая ГРЭС, Минские, Гомельские ТЭЦ и др.), входящей в тот период в Союз, работала на оборудовании, использующем торф, как энергетическое топливо. При этом были освоены крупные котельные агрегаты (160−230 т/ч) на среднем и высоком давлении заводами-изготовителями: Белгородским, Барнаульским, Подольским и Таганрогским, эффективно сжигающих как кусковой, так и фрезерный торф.

      КПД котельных агрегатов достигал 90% и выше. Повышением эффективности использования торфа занимались ведущие научноисследовательские организации: Всесоюзный теплотехнический институт (ВТИ), Центральный Котлотурбинный институт (ЦКТИ), Организация по рационализации электростанций (ОРГРЭС), Московский энергетический институт (МЭИ), Ленинградский политехнический институт (ЛПИ) и многие другие.

      Были освоены топочные устройства Татищева и Макарьева, скоростные топки Померанцева, факельно-слоевые и шахтно-мельничные топки, топки с мельницами-вентиляторами, сжигание фрезторфа в системе параллельных струй, система проточных газовых сушилок для предварительной газовой подсушки высоковлажного топлива с использованием теплоты парообразования и многие другие [33−35 и др.].

      По научно-исследовательским разработкам и опыту использования торфа как энергетического топлива Россия занимала ведущее место в мире.

      Торф в России в энергетике стал традиционным возобновляемым источником энергии (ТВИЭ). В связи с наличием обширного объема публикаций по опыту освоения сжигания торфа на электростанциях (кроме названных выше, значительный библиографический перечень, который нами не приводится) нами подробно этот вопрос не рассматривается.

      С развитием добычи нефти и ее переработки (мазут и др.), а также газа и по условиям возросших экологических требований практически все перечисленные выше электростанции, как и другие, использующие торф, впоследствии были переведены на газовое или жидкое топливо. Накопленный в России опыт использования торфа до сих пор используется западными странами.

      Технология получения искусственного твердого топлива показана на рисунке 16.

      Составные компоненты жидкого композитного топлива перерабатываются в питательных насосах-кавитаторах, где происходит глубокая деструкция материала. Деструктурированные материалы проходят затем совместную обработку еще в одном кавитаторе с добавлением сырой нефти (или нефтепродуктов), где вследствие сложных физико-химических процессов и эмульгации образуется конечный продукт. Технологическая схема производства ИКЖТ показана на рисунке 17 и 18. (Здесь же дана схема сжигания КЖТ в топке энергетического котла.)

      Рисунок 16 — Принципиальная технологическая схема модуля по производству ИКТТ

      1 — бункер торфа, 2 — питатель дозатор торфа, 3 — флотационная машина, 4 — рабочий бункер, 5 — диспергатор-кавитатор первой ступени, 6 — бункер угля, 7 — питатель дозатор угля, 8 — среднеходная валковая мельница, 9 — промежуточный рабочий бункер, 10 — диспергатор-кавитатор угля второй ступени, 11 — бак приготовления жидкого топлива, 12 — диспергатор-кавитатор второй ступени, 13 — прессование топливных гранул, 14 — сушка топливных гранул Та же, практически, ситуация нашла место в России в вопросах использования древесного материала как исходного сырья для газификации с последующим использованием газа в тепловых двигателях. Здесь также были выполнены значительные научно-исследовательские работы и конструктивные проработки газификаторов твердого топлива как на основе дровяной массы, так и на базе торфа [40, 46].

      Рисунок 17 — Технологическая схема производства и подачи в котел композитного жидкого топлива

      1 — бункер сырого угля; 2 — дробилка; 3 — питатель; 4 — ШБМ; 5 -сепаратор; 6 — циклон; 7 — мельничный вентилятор; 8 — бункер пыли; 9 — питатель пыли; 10 — кавитатор; 11 — бак сырой нефти; 12 — расходная цистерна КЖТ; 13 — контур рециркуляции КЖТ; 14 — линия питательной воды МЖТ; 15 — бункер (с комкорыхлителем) сырого торфа; 16 — грохот; 17 — флотатор; 18 — линия торфяного геля; 19 — насос высокого давления; 20 — линия подачи КЖТ к форсункам котла; 21 — дутьевой вентилятор; 22 — линия ВУС Рисунок 18 — ТЭЦ с технологией производства и сжигания КЖТ у — уголь, т — торф, н — нефть, Т — турбина, Г — генератор, Тр — трансформатор, Кр — конденсатор, КЭН — конденсатный электронасос, ПНД — подогреватели низкого давления, Д — деаэратор, ПЭН — питательный электронасос, ПВД — подогреватели высокого давления, ПСВ — подогреватель сетевой воды, Э — электрофильтр, З — сборник золы, N, Q, Уз — потребители электроэнергии, тепла и золошлаков Биоэнергетическая установка используется для переработки всевозможных отходов сельскохозяйственной деятельности и пищевого производства для выработки экологически безопасных органических удобрений естественного состава, выработки энергии, выработки кормовых добавок, утилизации продуктов производства и жизнедеятельности для сохранения и защиты окружающей среды в агропромышленных зонах. Все эти задачи в свою очередь являются хорошими аргументами в пользу установки экологически безопасных замкнутых циклов активного сельскохозяйственного производства.

      Исходя из свойств первоначального сырья, шлам может употребляться как готовое к немедленному использованию удобрение (преобразование навоза или помёта) или высококачественные кормовые добавки (продукты переработки пищевой промышленности, пивоварен и пивных заводов).

      Данная технология существенно отличается от иных как по рабочим параметрам, так и по экологической безопасности.

      5. Преимущества удобрения, получаемого с помощью данной технологии

      1. Азот, входящий в состав исходного сырья, почти полностью остается в составе удобрений в аммонийной или органической формах. Корневые системы растений быстрее и полнее всасывают азот именно в таком виде. Коэффициент употребления, таким образом, доходит до 80%. А для необработанного сырья он составляет лишь 30%.

      2. Под влиянием микробиологических культур, входящих в состав удобрений, в почве наблюдается формирование гумусовых материалов, совершенствуются качественные показатели почвы: уровень насыщенности воздухом, инфильтрационные и водоудерживающие свойства.

      3. Абсолютная дезинфекция. В процессе обработки отходов наблюдается полная очистка от семян сорной травы, патогенов и пр.

      4. Эффект дезодорации. При использовании данной технологии сильные неприятные запахи, сопутствующие обычно отходам, становятся гораздо слабее.

      Удобрение (Патент РФ № 2 248 955), которое на выходе находится в состоянии жидкости, может быть в таком виде внесено в почву, а может подвергнуться сушке, а затем его можно гранулировать или спрессовать в брикеты. Если смешать такое удобрение в заданных долях с другими компонентами, можно получить компосты, комбинированные почвы для теплиц и пр.

      Использование таких удобрений даёт рост урожайности от 20% до 350% в зависимости от характеристик культуры. А также снижает потребность в использовании минеральных удобрений, или вовсе устраняет их надобность. То же самое касается и пестицидов. И это не только дает возможность выращивать всевозможные культуры с большим экономическим эффектом, но и обеспечивать продуктам более совершенные потребительские характеристики — экологическую безопасность продуктов питания.

      6. Результат применения удобрения Удобрение гораздо более активно по свои свойствам, так как в качестве исходного сырья берётся исключительно свежий навоз: не более 1 суток хранения. Так что потери аммонийного азота сводятся к нулю.

      Микробиологическая обработка сообщает продукту на выходе оригинальный состав: в нём скомбинированы макрои микроэлементы куриного помёта с живой культурой микроорганизмов, сходных с почвенными бактериями.

      Помимо этого в удобрении содержатся продукты жизнедеятельности применяемых микробиологических культур, то есть вещества, активизирующие рост и развитие — ауксины, гиберреллины, кинины.

      В удобрении присутствуют в нужном количестве гуминовые и фулиевые кислоты и их соли.

      Удобрение всесторонне влияет на растения и почву. Уровень всасываемости питательных веществ существенно повышается. А неусвоенные остатки являются органическими продуктами, в которых живёт своя микрофлора, преобразующая органику, что приводит к формированию гумуса и увеличению плодородности почвы.

      7. Обработка различных продуктов сельскохозяйственного производства Данные лабораторных экспериментов по переработке разнообразных сельскохозяйственных отходов посредством этой технологии доказали её высокую эффективность и возможность переработки всех видов отходов.

      Получение пищевых добавок Эксперименты, поставленные на разных видах отходов сельскохозяйственного производства доказали, что в некоторых случаях, в результате преобразования исходного сырья посредством данной технологии в итоге получаются не удобрения, а более ценные вещества.

      Например, судя по эксперименту, поставленному на отходах спиртового производства (барда), можно сказать, что в итоге из барды можно получить очень ценную пищевую добавку для молочного скота. В сравнении с изначальным сырьём, уровень протеинов возрастает с 20 до 40%, также увеличивается и содержание аминокислот.

      8. Попутный газ В результате функционирования биоэнергетической установки производится биогаз — комбинация метана (СН4) до 70% и углекислого газа (СО2). Удельная теплота сгорания 5500−6500 ккал/м. куб.

      Количество получаемого газа достигает от 5 м 3 (сырье КРС) до 10 м 3 (птичий помет) за одни сутки с 1 м 3 рабочего реактора. Газ можно применять для производства электроэнергии, можно привести в жидкое состояние и хранить в резервуарах. Обычно на практике для своих нужд в хозяйстве употребляется не более 20% получаемого газа. Так что биоэнергетическая установка в дополнение к прочим преимуществам ещё и энергонезависима, да ещё и сама может удовлетворить значительную часть потребности в электроэнергии в основном производстве.

      9. Экологичность Новая продукция вместо отходов Общеизвестный факт — именно вопрос утилизации отходов сельскохозяйственного производства больше всего беспокоит производителей основной продукции. Прежде, объёмы производства были не так велики, и отходы пищевых и сельскохозяйственных предприятий снова вводились в экосистему естественным образом. Там они разрушались под влиянием различных факторов окружающей среды. Но скорость природных процессов крайне мала, так что количество выбрасываемых отходов в одном месте (поле, овраг, река) должно быть соразмерным. При превышении определённых стандартов, природа просто уже не может самостоятельно справляться с преобразованием отходов, что приводит к её гибели в загрязнённом месте.

      В последнее время интенсивность работы производящих предприятий сильно возросла, поэтому их владельцы должны задуматься о том, как предотвратить опасность для экологии. Выходом из этой ситуации казались разнообразные очистные конструкции, отведение специальных полигонов и захоронений для отходов. Но расходы на доставку отходов до места свалки, техническое обслуживание очистных сооружений лишь увеличивают себестоимость основной производимой продукции, так что владельцы предприятий предпочитают по минимуму тратиться на утилизацию отходов.

      А ведь продукты сельскохозяйственного и пищевого производства — это превосходный материал для создания совершенно иной продукции — удобрений и кормовых добавок. Очевидно, что новый подход к решению вопроса утилизации напрашивается сам собой. Его суть в том, что нужно снять с производителя проблему экологической безопасности его предприятия, проблему переработки и утилизации продуктов производства. Представленная технология и созданное оборудование дают возможность устранить проблему загрязнения отходами окружающей среды и запустить процесс производства продукции иного рода, которая принесёт прибыль. Современные методы, используемые в процессе метанового сбраживания, разработанные аппаратные и технологические новинки привели к тому, что процесс стал более продуктивным и быстрым. Получаемые продукты стали более эффективными в использовании, обрели новые потребительские свойства. Так что вопрос оптимизации экологической обстановки в районах скопления сельскохозяйственных и пищевых производящих предприятий снимается за счёт полного преобразования отходов в новую продукцию, которая имеет свое значение и спрос на рынке.

      Замкнутые экологически чистые циклы сельскохозяйственного производства.

      Представленная технология может стать реальной основой для формирования экологически чистых замкнутых циклов активного сельскохозяйственного производства. Для начала из всего цикла производства устраняется само понятие отходов. Это уже не отходы, а исходный материал для получения качественно новой продукции. Причем продукция на выходе обладает собственной ценностью и эффективно применяется в последующих этапах всего процесса.

      Один из вариантов совершенно новой схемы организации замкнутого цикла производства сельхозпродуктов:

      Список рекомендуемой литературы

      1. Байдельдинов Д. Л. Экологическое право Республики Казахстан. — Алматы, 2004.

      Введение

      в инженерную экологию. — М.: Высш. шк., 1999

      3. Мазур И. И, Молдаванов О. И. Курс инженерной экологии. — М.: Высш. шк., 1999

      Эффективным возобновляемым источником энергии является биомасса. Ресурсы биомассы в различных видах есть почти во всех регионах мира, и почти в каждом из них может быть налажена ее переработка в энергию и топливо. На современном уровне за счет биомассы можно перекрыть 6-10% от общего количества энергетических потребностей промышленно развитых стран. Ежегодно на Земле при помощи фотосинтеза образуется около 120 млрд. тонн сухого органического вещества, что энергетически эквивалентно более 40 млрд. тонн нефти. Использование биомассы может проводиться в следующих направлениях: прямое сжигание; производство биогаза из сельскохозяйственных и бытовых отходов; производство этилового спирта для получения моторного топлива.

      В странах Европейского Союза доля энергии биомассы в 1992 году составила около 55% от общего производства энергии возобновляемых источников. Наиболее эффективно энергия биомассы используется в Португалии, Франции, Германии, Дании, Италии и Испании. По данным статистики ежегодно, в странах ЕЭС производится бытовых и сельскохозяйственных отходов в объеме 100-120 млн. тонн нефтяного эквивалента (н. э.). Из них 50-60 млн. тонн н. э. могут быть утилизированы в отдаленной перспективе, а 15-20 млн. тонн н. э. в 2000 году. Общие ресурсы биомассы в Европе (в млн. тонн сухой массы/год) составляют: древесного топлива - 75; древесных отходов - 70; сельскохозяйственных отходов - 250; городского мусора - 75.

      Кроме того, биомасса, выращиваемая на энергетических плантациях, дает 250 млн. тонн/год.

      В нетрадиционной энергетике особое место занимает переработка биомассы (органических сельскохозяйственных и бытовых отходов) метановым брожением с получением биогаза, содержащего около 70% метана, и обеззараженных органических удобрений. Чрезвычайно важна утилизация биомассы в сельском хозяйстве, где на различные технологические нужды расходуется большое количество топлива и непрерывно растет потребность в высококачественных удобрениях. Всего в мире в настоящее время используется или разрабатывается около 60 разновидностей биогазовых технологий.

      Биогаз - это смесь метана и углекислого газа, образующаяся в процессе анаэробного сбраживания в специальных реакторах - метантэнках, устроенных и управляемых таким образом, чтобы обеспечить максимальное выделение метана. Энергия, получаемая при сжигании биогаза, может достигать от 60 до 90% той, которой обладает исходный материал. Другое - и очень важное -достоинство процесса переработки биомассы состоит в том, что в его отходах содержится значительно меньше болезнетворных микроорганизмов, чем в исходном материале.

      Получение биогаза экономически оправдано и является предпочтительным при переработке постоянного потока отходов (стоки животноводческих ферм, скотобоен, растительных отходов и т. д.). Экономичность заключается в том, что нет нужды в предварительном сборе отходов, в организации и управлении их подачей; при этом известно, сколько и когда будет получено отходов. Получение биогаза, возможное в установках самых разных масштабов, особенно эффективно на агропромышленных комплексах, где существует возможность полного экологического цикла. Биогаз используют для освещения, отопления, приготовления пищи, для приведения в действие механизмов, транспорта, электрогенераторов. Подсчитано, что годовая потребность в биогазе для обогрева жилого дома составляет около 45 м3 на 1 м2 жилой площади, суточное потребление при подогреве воды для 100 голов крупного рогатого скота - 5-6 м3. Потребление биогаза при сушке сена (1 тонна) влажностью 40% равно 100 м3, 1 тонны зерна - 15 м3, для получения 1 кВт/ч электроэнергии - 0.4-0.7 м3.

      Опыт стран, не обеспеченных природным газом (например, КНР), показывает, что отдаленные сельские местности целесообразно газифицировать с помощью малых биоустановок, работающих на органических отходах семейных подворий. Так, внедрение 2 млн. установок в России позволило бы получить около 2 млрд. м3 биогаза в год, что эквивалентно 13 млрд. кВт/ч энергии, и обеспечило бы семейные усадьбы органическим удобрением в количестве 10 млн. тонн в год.

      Для развития биоэнергетики с целью получения биогаза и высококачественных удобрений необходимо создание экономического механизма, стимулирующего научно-технические работы в данной области, производство и внедрение соответствующего оборудования.

      В связи с необходимостью резкого уменьшения вредного воздействия автотранспорта на окружающую среду было обращено внимание на использование в этой сфере биомассы. Здесь наметился ряд направлений по замене экологически опасного бензина на экологически чистое топливо.

      В Бразилии разработана программа использования этанола в качестве альтернативного топлива, заменяющего до 22% (по объему) бензина. Этанол получают в результате переработки специально выращиваемого тростника. Больше 7% продаваемого бензина содержит 10% добавки этанола, и 80% автопарков этой страны используют эту добавку. В США также реализуется большая программа замены бензинового топлива этанолом, который получают путем переработки излишков кукурузы и других зерновых культур. Использование спирта в качестве топлива получило поддержку и в некоторых европейских странах, в частности во Франции и Швеции. В России проблема замены бензина спиртом пока не рассматривалась.


      Бог проявил щедрость,
      когда подарил миру такого человека.

      Светлане Плачковой посвящается

      Издание посвящается жене, другу и соратнику, автору идеи, инициатору и организатору написания этих книг Светлане Григорьевне Плачковой, что явилось её последним вкладом в свою любимую отрасль – энергетику.

      Книга 5. Электроэнергетика и охрана окружающей среды. Функционирование энергетики в современном мире

      2.3.2. Биоэнергетические технологии

      Наиболее эффективными технологиями использования биомассы в биоэнергетике являются прямое сжигание; пиролиз; газификация; анаэробная ферментация с образованием метана; производство спиртов и масел для получения моторного топлива.

      Технологии использования биомассы постоянно совершенствуются, обеспечивая получение энергии в удобной для потребителя форме и с максимально возможной эффективностью.

      В общем случае энергия из органических отходов получается либо физическим, либо химическим или микробиологическим методами.

      Физическим методом энергию получают путем сжигания органических отходов.

      Основой химического метода является использование процессов пиролиза и газификации.

      Самым распространенным в мире является микробиологический метод безотходного производства – получение биогаза анаэробным сбраживанием. Весьма ценным продуктом производства биогаза является получение высококачественных органических удобрений.

      Рис. 2.19. Классификация технологий преобразования энергии биомассы

      Рис. 2.20. Газификация биомассы

      Классификация технологий с поэтапным преобразованием биомассы в энергетические продукты представлена на рисунке 2.19.

      Прямое сжигание биомассы в атмосфере воздуха или кислорода – один из наиболее старых методов получения тепловой энергии. Однако имеется ряд проблем при его практическом использовании, главной из которых является достижение наиболее полного сгорания топлива, в результате которого образуются диоксид углерода и вода, не приносящие вреда окружающей среде. К техническим устройствам, применяющимся для прямого сжигания биомассы, относятся печи, топки, камеры сгорания. Биомасса может использоваться посредством прямого сжигания в энергетических установках в факеле, кипящем или уплотненном слое с дальнейшим получением тепловой и электрической энергии. Основная промышленная технология этого направления – прямое сжигание в котле и генерирование электроэнергии в паротурбинной установке.

      Пиролиз биомассы – химическое преобразование одних органических соединений в другие под воздействием теплоты или так называемая сухая перегонка без доступа окислителей (кислорода, воздуха). Разработан ряд технологических процессов пиролиза биомассы, эксплуатационные условия каждого из них определяются природой сырья, методами переработки и заданными продуктами производства. Характеристика продуктов пиролиза зависит от типа сырья и условий проведения процесса. Основными продуктами пиролиза могут быть углистое вещество, топливная жидкость, топливные газы, причем часто технологический процесс ориентирован на преобладающее получение одного из продуктов пиролиза.

      Газификация биомассы – это преобразование твердых отходов биомассы в горючие газы посредством неполного их окисления воздухом (кислородом, водяным паром) при высокой температуре. Газифицировать можно практически любое топливо, в результате чего получают генераторные газы, имеющие большой диапазон использования – в качестве топлива для получения тепловой энергии в быту и различных процессах промышленности, в двигателях внутреннего сгорания, в качестве сырья для получения водорода, аммиака, метилового спирта и синтетического жидкого топлива. Несмотря на большое разнообразие способов газификации, все они характеризуются одними и теми же реакциями (рис. 2.20). Газификаторы имеют различную производительность с разным выходом энергии в топливном газе. Низкокалорийный газ может быть получен газификацией различных видов биомассы – органических компонентов твердых городских отходов, отходов леса, сельскохозяйственных отходов.

      Таблица 2.4 Сравнительные энергетические показатели традиционных энергоносителей и биогаза

      Эквивалент 1 м3 неочищенного биогаза 23 МДж/м3

      Эквивалент 1 м3

      очищенного биогаза 35,2 МДж/м3

      Эффективным является использование установок газификации биомассы на газотурбинных и парогазовых электростанциях.

      Внешний вид биогазовой установки

      Внешний вид биогазовой установки

      Анаэробная ферментация биомассы. В процессе анаэробной ферментации сложные органические вещества разлагаются на СО2 и СН4 с образованием биогаза в виде смеси угле для откачивания шлама из метантенка кислого газа и метана, причем на долю метана может приходиться до 70%. Технологический процесс анаэробного сбраживания биомассы проводится без доступа кислорода в специальных реакторах-метантенках, конструкция которых обеспечивает максимальное выделение метана. Особенно важным в процессе анаэробного сбраживания является создание оптимальных технологических условий в реактореметантенке: температуры, доступа кислорода, достаточной концентрации питательных веществ, допустимого значения рН, отсутствия или низкой концентрации токсичных веществ.

      Рис. 2.21. Принципиальная схема биогазовой анаэробной установки: 1 – приемное устройство; 2 – биореактор (метантенк); 3 – пространство для сбора биогаза; 4 – патрубок, соединяющий метантенк с газгольдером; 5 – устройство

      Наиболее эффективными считаются биореакторы, которые работают в термофильном режиме 43–62°С. На таких установках с трехдневной ферментацией навоза выход биогаза составляет 4,5 л на каждый литр полезного объема реактора.

      Сравнительные энергетические показатели традиционных энергоносителей и биогаза приведены в табл. 2.4.

      Современные биогазовые анаэробные установки состоят из таких основных систем:

      • системы подготовки и подачи сырья в биореактор;
      • биореактора (метантенка) с системой поддержания постоянной температуры и другими комплектующими устройствами;
      • системы сохранения и использования биогаза;
      • системы выгрузки и транспортировки шлама.

      Рис. 2.22. Схема биогазовой установки

      Рис. 2.22. Схема биогазовой установки

      Схема самой простой биогазовой анаэробной установки для индивидуального хозяйства изображена на рисунке 2.21.

      Применение биогаза обеспечивает возможность получения тепловой и электрической энергии, что является особенно привлекательным для фермерских хозяйств. При массовом распространении биогазовых технологий в сельских регионах можно достичь значительной экономии органического топлива (рис. 2.22).

      Представляет интерес выращивание и использование в метантенках водяной растительной биомассы для получения биогаза. Одной из наиболее продуктивных водорослей является бурая водоросль макроцистис, которая распространена в прибрежной зоне морей и океанов и ее урожайность составляет 450– 1200 т сырой массы с 1 га. С каждой тонны широко известной хлореллы можно получить 22 млн. кДж энергии. Высокой урожайностью характеризуются морские водоросли дуналиэла, водяной гиацинт, красная водоросль и др.

      У большинства стран мира производство биогаза поставлено на промышленную основу. В Западной Европе эксплуатируются около 1000 биогазовых установок среднего размера. Несколько миллионов установок приусадебного типа есть в Индии. В Китае только больших и средних биогазовых установок более 10 млн.

      В биоэнергетике Украины может быть использован большой энергетический потенциал биомассы, в том числе имеющийся в сельском хозяйстве избыток соломы и стеблей сельскохозяйственных растений, составляющий около 20 млн. т, для отопительных котельных, расположенных в сельской местности (потребляющих около 2,9 млн. т у.т. в год), а также для промышленных энергетических установок.

      Эффективным путем является производство и использование биогаза при переработке растительной и животноводческой биомассы.

      Другим источником биогаза служат свалки мусора. Потенциальные возможности получения биогаза из свалок могут составлять 2,3 млрд. м 3 /год, что эквивалентно 1,6 млн. т у.т. Сырьем, из которого можно получать биогаз, могут быть практически все отходы, содержащие органические компоненты.

      Читайте также: