Основные составные части газификаторов биомассы реферат
Обновлено: 05.07.2024
Человечество может получить достаточное количество электроэнергии, не вырабатывая ее на ГЭС, АЭС или ТЭС, работающих на угле, нефти, природном газе и горючих сланцах. Можно необходимую энергию получать, используя альтернативные источники энергии, например ветровые, приливные, геотермальные, солнечные и волновые электростанции или ТЭС, работающие на биомассе.
Под альтернативной энергией понимаются биогаз, биодизель и другие углеводороды, полученные в результате переработки биомассы. Ресурсы данных источников колоссальны, но ограниченны. Альтернативная энергетика удовлетворить потребность человечества может только при экономии энергии. Например, в Индии правительство на федеральном и региональном уровнях выделяет значительные субсидии для реализации программ по установке усовершенствованных печей. К концу 2000 года в стране работало 32,6 миллиона таких печей. Использование улучшенных печей спасло от уничтожения более 13 миллионов тонн древесины в год. А если усовершенствовать печи по всему миру? Использование биомассы в энергетических целях дает большие перспективы: можно использовать отходы сельского хозяйства (получение биогаза в животноводстве, использование на ТЭС отходов растениеводства), а также получать топливо (выращивание энергетических лесов).
Что можно сделать из биомассы?
Биогаз. Всего в мире в настоящее время используется или разрабатывается около шестидесяти разновидностей технологий получения биогаза. Наиболее распространенный метод - анаэробное сбраживание в метатанках, или анаэробных колоннах. Биомасса (экскременты сельскохозяйственных животных; солома и прочие отходы растениеводства) сбраживаются в результате жизнедеятельности метанобактерий, в результате чего образуются биогаз и побочные продукты (витамин В, удобрение).
Потенциал: Россия ежегодно накапливает до 300 миллионов тонн в сухом эквиваленте органических отходов.250 млн. т. в сельскохозяйственном производстве и 50 млн. т в виде бытового мусора. Эти отходы являются сырьем для производства биогаза. Потенциальный объем ежегодно получаемого биогаза может составить 90 млрд. м3.
Биодизельное топливо
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. 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 процентов биодизеля, что позволяет говорить о минимизации загрязнения рек и озер. Производство биодизеля позволяет ввести в оборот не используемые сельскохозяйственные земли, создать новые рабочие места в сельском хозяйстве, машиностроении, строительстве и т.д. Например, в России с 1995 по 2005 год посевные площади сократились на 25,06 миллиона гектаров.
Выращивание биомассы для синтеза топлива
Для создания плантаций энергетических лесов в умеренной климатической зоне наиболее перспективны разновидности быстрорастущих сортов тополя (волосистоплодного и канадского) и ивы (корзиночной и козьей), а в южной части страны - акации и эвкалипта. Посадка энергетических плантаций ведется черенками или саженцами квадратно-гнездовым способом или в шахматном порядке с различной шириной междурядий (от 0,8 до 2 метров). Для тополя плотность посадок обычно составляет 3 5 тысяч экземпляров на 1 гектар, однако общих рекомендаций пока не выработано. Период ротации составляет 6 7 лет. Уход за плантацией заключается в бороновании междурядий, внесении удобрений и орошении в засушливые периоды. Плантации могут быть монокультурными и комбинированными. Последние заслуживают особого внимания, поскольку способствуют диверсификации посевов и посадок различных культур, что должно повысить устойчивость к заболеваниям и вредителям, тем самым снижая потребность в ядохимикатах. Кроме того, подобные плантации рациональнее используют поступающую солнечную энергию для формирования биомассы.
Принцип комбинированных посевов и посадок различных культур на одном участке хорошо известен в тропиках, где так называемые "огороды" дают урожаи различных культур на протяжении нескольких лет подряд без применения удобрений и ядохимикатов. Различные варианты комбинированных посевов и посадок разнообразных культур, включая энергетические, уже испытаны в одном из графств Великобритании. В посадках используют тополь и ячмень в междурядьях, либо тополь, ясень, ольху с подсолнечником и люпином в междурядьях, или с горохом полевым, ячменем, клевером, зелеными культурами и т.д. Пример комбинированного использования энергетических лесов известен в Греции, где на плантациях шелковицы выкармливают шелковичного червя. Зимой годовой прирост ветвей обрезают и используют как биомассу. На европейской территории России, где до 80 процентов электроэнергии вырабатывается на ТЭЦ, многие из которых расположены в лесных районах, безусловно, имеются возможности для создания плантаций энергетических лесов либо частичного использования местных лесных ресурсов (отходы заготовки и переработки древесины).
Количество энергии, которое можно получить с энергетической плантации при урожайности 15 тонн сухой биомассы с гектара в год (теплотворная способность 15 МДж/кг), составляет 225 ГДж/га. При КПД газотурбинной электростанции 40 процентов, один гектар энергетической плантации может обеспечить экологически чистым топливом производство 252 МВт-ч электроэнергии в год. В настоящее время рассматриваются различные схемы использования энергетических лесов с короткими севооборотами (как правило, предлагаются севообороты с шестилетним циклом). При этом энергоотдача (отношение количества энергии, которое получают от системы, к энергетическим затратам на ее создание и эксплуатацию, включая все косвенные расходы) таких энергетических плантаций колеблется между тремя и четырьмя, что оказывается вполне приемлемой величиной, если учесть, что энергоотдача для тепловых станций, работающих на угле, составляет четыре-пять единиц.
Растительное масло имеет большую теплотворную способность (38 МДж). Кроме того, растительное масло можно переработать на биодизель. А вот сколько масла можно получить с гектара пашни, засеянного масличными культурами?
Конечно, использование пищевых продуктов (в данном случае растительное масло) не является выходом из энергетической проблемы. Но данный ресурс рассматривать вполне целесообразно.
Метод прямой конверсии биомассы в топливо
Недавно Джоржем Хубером и двумя его студентами из университета штата Массачусетс был разработан метод прямой конверсии биомассы в топливо. Они опубликовали в журнале ChemSusChem статью с описанием метода селективного каталитического пиролиза целлюлозы, результатом которого является образование ароматических соединений (нафталин, толуол, этилбензол и др.), среди побочных продуктов - твердый углеродный материал, СО, СО2 и вода.
Реакцию проводили при 600 C на цеолитном катализаторе ZSM5. Процесс завершался всего за две минуты. Исходным реагентом служил очищенный порошок целлюлозы.
Представления о механизме процесса включают несколько элементарных реакций - разложение целлюлозы с образованием органических соединений, содержащих кислород, затем реакции этих соединений внутри пор катализатора, где происходит дегидрирование, декарбонилирование, олигомеризация и другие химические превращения.
Эксперты высоко оценили новую работу, хотя сами авторы признают, что это лишь первый шаг к эффективному преобразованию биомассы в моторное топливо. Первым делом предстоит изучить возможность использования сырой биомассы, а не порошка целлюлозы. Далее, основными продуктами пиролиза являются ароматические соединения, а их, согласно требованиям правительственной организации США - Агентства по охране окружающей среды - не должно быть больше 25% в общей массе бензина. Значит, придется ограничиться добавкой полученной ароматики к алканам, либо проводить дополнительную реакцию гидрирования.
Тем не менее, несмотря на все эти ограничения, процесс д-ра Хубера привлечет большое внимание коллег и даст толчок к дальнейшим исследованиям в области экологически чистой энергетики, не приводящей к росту содержания углекислого газа в атмосфере.
Выращивание и переработка водорослей
Специальное выращивание биомассы в виде микроскопических водорослей с последующим ее перебраживанием в спирт или метан позволяет создать искусственный аналог процесса образования органических топлив, превосходящий по скорости естественные процессы в миллионы раз. Соотношение между величиной первичной биологической продукции и веществом, захороненным и сохранившимся в морских осадках, составляет 1000:1.
Создание специальных условий может многократно ускорить образование топлива. КПД фотосинтеза благодаря оптимизации питания биогенными элементами, температуре и перемешиванию может быть увеличен от 1,1 до 10 процентов. В процесс переработки биомассы в газ и нефть может быть включено все вещество, а не 0,001 его часть, как происходит в природе, то есть естественный процесс образования углеводородов может быть значительно интенсифицирован. С этой точки зрения, большой интерес вызывает одноклеточная водоросль ботриококкус, содержание углеводородов в которой достигает 80 процентов от сухого веса.
Углеводороды локализуются в основном на наружной поверхности клеток, и, следовательно, их можно удалять простым механическим способом или, например, применяя центрифуги, причем клетки при этом не разрушаются и их можно возвращать обратно в культиватор. Состав углеводородов, продуцируемых ботриококкусом, позволяет использовать их в качестве источника энергии или как сырье в нефтехимической промышленности (непосредственно или после неполного крекинга). После гидрокрекинга на выходе получается 65 процентов газолина, 15 процентов авиационного топлива, 3 процента остаточных масел.
Цианобактерии и биотопливо
Ученые из университета Техаса в Остине научили бактерии вырабатывать материал для топлива. Они изменили геном цианобактерии, благодаря чему последняя научилась вырабатывать большое количество целлюлозы, которое будет использовано для получения биотоплива.
Ученые изменили геном цианобактерий, добавив туда гены, отвечающие за продукцию целлюлозы, взятые от уксусных бактерий Acetobacter xylinume. В результате модифицированные бактерии стали производить целлюлозу в виде геля, что очень удобно, так как ее легче в таком виде расщеплять на глюкозу и сахарозу - простые сахара, которые являются основным источником для получения этанола.
Специалисты высказали предположение, что с помощью модифицированных бактерий намного легче получать этанол, чем, к примеру, из кукурузы, свеклы или сахарного тростника. Так как целлюлоза, получаемая из этих растений, находится в кристаллической форме.
Что также немаловажно, по мнению ученых, так это то, что цианобактерии можно выращивать на непахотных землях и использовать для полива соленую воду, которую нельзя использовать для питья или полива растений.
Исходя из продуктивности цианобактерий в лаборатории, специалисты подсчитали, что при одинаковом количестве производимого этанола, площадь полей с цианобактериями будет в два раза меньше площади, засеянной растениями, используемыми как источник целлюлозы
Если Вам нужна помощь с академической работой (курсовая, контрольная, диплом, реферат и т.д.), обратитесь к нашим специалистам. Более 90000 специалистов готовы Вам помочь.
История открытия и производства биогаза. Ситуация в России и мире. Биогазовые установки, их классификация. Биомасса сырьё для получения биогаза. Создание биогазовой установки в домашних условиях. Системы хранения биогаза и способы бытового применения.
| Рубрика | Производство и технологии |
| Вид | реферат |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 13.10.2017 |
| Размер файла | 42,0 K |
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Министерство образования ФГАО ВПО по РС(Я)
По ресурсосберегающим технологиям
на тему: Производство биогаза
Выполнила студентка 4 курса
Гр. ТПО-12 Саввинова Д.А
Проверила: Ивачёва О.А
1. Что такое биогаз и как он образуется
Наиболее важные для практического применения физические свойства биогаза таковы: средняя теплота сгорания биогаза, содержащего около 60% метана, равна 22 МДж/м3. Поскольку горючая часть биогаза состоит из метана (температура воспламенения метана около 645 ° С), его причисляют к семейству природных газов.
В этом сложном комплексе превращений участвует великое множество микроорганизмов, по некоторым данным - до тысячи видов, но главное из них все-таки метанообразующие бактерии. Метанообразующие бактерии значительно медленнее размножаются и более чувствительны к изменениям окружающей среды, чем кислотообразующие микроорганизмы - бродильщики, поэтому вначале в сбраживаемой среде накапливаются летучие кислоты, а первую стадию метанового сбраживания называют кислотной. Потом скорости образования и переработки кислот выравниваются, так что в дальнейшем разложение субстрата и образование газа идут одновременно. И естественно, от условий, которые создаются для жизнедеятельности метанообразующих бактерий, зависит интенсивность газовыделения.
Как кислотообразующие, так и метанообразующие бактерии встречаются в природе повсеместно, в частности в экскрементах животных. Считается, что в навозе крупного рогатого скота имеется полный набор микроорганизмов, необходимых для его сбраживания. И подтверждением этому является то, что в рубце и кишечнике жвачных животных постоянно идет процесс метанообразования. Следовательно, нет необходимости применять для получения биогаза чистые культуры метанообразующих бактерий для того, чтобы вызвать процесс брожения. Достаточно лишь обеспечить для уже имеющихся в субстрате бактерий подходящие условия для их жизнедеятельности.
Итак, биогаз - это доходы из отходов.
биогаз бытовой хранение сырьё
2. История открытия биогаза. Первые установки
В XVII столетии Ян Батист Ван Гельмон обнаружил, что разлагающая биомасса выделяет воспламеняющиеся газы. Алессандро Вольта в 1776 году пришёл к выводу о существовании зависимости между количеством разлагающиеся биомассы и количеством выделяемого газа. В1808 году сэр Хэмфри Дэви обнаружил метан в биогазе.
Первые установки для получения биогаза появились в странах с теплым климатом.
Самая первая биогазовая установка была построена в Бомбее, Индия в 1859 году. В 1895 году биогаз применялся в Великобритании для уличного освещения. В 1930 году, с развитием микробиологии, были обнаружены бактерии, участвующие в процессе производства биогаза.
3. Производство биогаза. Ситуация в России и мире
Второе место в мире по производству биогаза занимает Индия, в которой еще в 30- годы была принята первая в мире программа по развитию биогазовой технологии. На конец 2000 г. в сельских районах Индии было построено свыше 1 млн. метантенков, что позволило улучшить энергообеспеченность ряда деревень, их санитарно-гигиеническое состояние, замедлить вырубку окрестных лесов и улучшить почвы. Сегодня ежедневное производство биогаза в Индии составляет 2,5-3 млн. куб. м.
В Непале создана и активно функционирует национальная биогазовая компания. Биогазовые установки успешно работают в восьми животноводческих хозяйствах Японии. Большое количество биогазового топлива производится: в США - эквивалентно 2,2.106 Гкал, Германии - 3,3.106 Гкал, Японии -1,4.106 Гкал, Швеции - 1,2.106 Гкал.
В странах Западной Европы в настоящее время налажен серийный выпуск биогазовых установок поточного типа. Одна такая установка перерабатывает птичий помет от 10 тыс. кур-несушек, обеспечивая среднесуточное производство 100 м3 биогаза (60% метана), и окупается за 1,9 года при использовании перебродившего шлака в качестве органического удобрения.
Рассмотрим какая ситуация с производством биогаза сложилась в России в настоящее время.
На территории России продуцируется до 14-15 млрд. т биомассы. По результатам исследований Института энергетической стратегии РФ общее количество органических отходов агропромышленного комплекса России в 2005 г. составило 225 млн. т (в расчете на сухое вещество; по энергосодержанию эквивалентно 80,6 млн. т н.э.), включая:
- птицеводство - 5,8 млн. т;
- животноводство - 58,3 млн. т;
- растениеводство - 147 млн. т;
- перерабатывающая промышленность 14 млн. т.
Впервые в СССР о производстве биогаза задумались в начале 60-х гг. прошлого столетия в Институте биохимии им. А.Н.Баха АН СССР. Именно эти исследования и их промышленное воплощение явились точкой отсчета в создании отечественной промышленной биоэнергетики и активного фундаментального исследования процессов биосинтеза метана и биогазификации.
С 1961 г. по 1964 г. на Грозненском ацетонобутиловом заводе (г. Грозный) проводились исследования по разработке технического регламента промышленной технологии и подбору оборудования для производства кормового витамина В-12 и биогаза методом термофильного метанового брожения ацетонобутиловый барды на специально созданной опытно-промышленной установке с объемом опытного метантенка 200 м3.
В дальнейшем эта технология была внедрена на двух ацетонобутиловых заводах. Каждый цех, перерабатывая до 3000 м3 барды в сутки, производил до 30 тыс. м3 биогаза, который использовался как топливо в основном производстве и экономил до 25% природного газа.
Три критерия, определившие создание и развитие биогазовой промышленности в России (и ранее в СССР):
- разработка технологии и создание крупномасштабного производства витамина В-12 и биогаза;
- теория о биологическом происхождении природного газа;
- огромная сырьевая база.
Идея была разработана и просчитана в 1972-1973 гг. и воплотилась в проект в 1979 г. Этот проект был поддержан руководством СССР и в 1980 г. включен в программу Государственного Комитета СССР по науке и технике.
По этой программе в период с 1980 г. по 1990 г. было построено три крупных биогазовых станции:
- г. Пярну бывшей Эстонской ССР (свинокомплекс на 30 тыс. голов);
Развитие рыночной экономики и появление новых форм собственности в сельскохозяйственном производстве потребовали разработки высокорентабельных технологий и оборудования, работающих в любой климатической зоне и в любой российской глубинке, удаленной от централизованного энергообеспечения. Такие технологии и оборудование создаются с 1992 г.
При интенсивном подъеме сельскохозяйственного производства России через несколько лет общий объем производимых органических отходов может составить 675 млн. т (по сухому веществу), а потенциальное производство биогаза - 225 млрд. м3/год.
4. Биогазовые установки. Строение и классификация
Все известные биогазовые установки сходны по своему строению. Основными элементами аппаратов являются: реактор для биомассы (метатенк), газгольдер, нагревательное устройство и устройство для перемешивания субстрата.
Биогазовые установки различаются по нескольким критериям: форме метатенков, способам перемешивания и подогрева биомассы.
Установки для производства биогаза по способам перемешивания и подогрева биомассы обычно подразделяют на четыре основных типа:
· без подвода тепла и без перемешивания сбраживаемой биомассы;
· без подвода тепла, но с перемешиванием сбраживаемой биомассы;
· с подводом тепла и с перемешиванием биомассы;
· с подводом тепла, с перемешиванием биомассы и со средствами контроля и управления процессом сбраживания.
Метатенк может быть разнообразной формы. Различают яйцевидные, цилиндрические с конусными верхней и нижней частями, резервуары, имеющие форму параллелепипеда, а также резервуары в виде вырытой в грунте траншеи. Каждый из этих видов имеет свои преимущества и недостатки, однако наиболее распространены цилиндрические биореакторы.
Рассмотрим каждую из составных частей биогазовой установки.
1. Отличительные черты бродильной камеры (биореактора):
· во-первых, полная герметичность без всякого газообмена и протечек жидкости через стенки;
· во-вторых, надежная теплоизоляция;
· в-третьих, стойкость к коррозии. При этом внутренняя часть камеры должна быть доступной для обслуживания, обязательны простые устройства для загрузки камеры навозом и ее опорожнения.
Биореакторы часто заглубляют в землю, что обеспечивает хорошую их теплоизоляцию и герметизацию. В бродильных камерах обязательно предусмотрена возможность надежной вентиляции.
2. Нагревательные устройства:
Подогрев в биореакторах с перемешивающими устройствами осуществляется с помощью шлангов, труб и других теплообменных устройств, через которые пропускают горячую воду. Температура последней в теплообменнике не превышает 60°С, так как более высокая температура вызывает налипание на поверхностном теплообменнике частиц биомассы.
3. Приспособления для перемешивания:
Для эффективной работы биореактора в нем предусматривается мешалка для перемешивания сбраживаемой массы и предотвращения образования корки. Конструкции мешалок разнообразны. Они бывают механическими (с ручным или электрическим приводом), а также гидравлического или пневматического действия.
Эти аппараты выполняются в виде надстроек на бродильные камеры, а также отдельно стоящими, соединенными с бродильными камерами трубопроводами.
5. Биомасса - сырьё для получения биогаза
Биомасса - это также и главное, и единственное сырьё биогенератора (не считая воды, конечно). В состав биомассы могут входить любые органические отходы, причём только органические. Ими могут быть: экскременты крупного и мелкого рогатого скота, птиц, растительные и бытовые пищевые отходы.
6. Создание биогазовой установки в домашних условиях
Исследовав теоретические сведения, практические способы получения биогаза наша исследовательская группа загорелась идеей создания собственной портативной биогазовой установки в домашних условиях с помощью подручных средств и материалов.
Для того чтобы сконструировать установку мы изучили методы создания многих приборов для получения биогаза.
Собрав прибор и залив биомассу, предварительно проверив её кислотность , в метатенки мы запечатали его, поставили установку в помещение с температурой окружающей среды и укрыли изоляционным материалом. Через трое суток мы выпустили воздух из метатенков, чтобы внутри остался только биогаз, и снова поставили биогенератор для дальнейшего процесса сбраживания.
Спустя неделю мы осторожно ослабили зажим и поднесли горящую спичку. Но…, к сожалению, ничего не случилось, мы не смогли получить биогаз. Однако мы не стали отчаиваться и решили попробовать ещё раз, тем более, что в первый раз температура ночью доходила до 0°c. Во второй раз установка была наполнена в середине апреля. И спустя две недели нам всё-таки удалось получить биогаз. Итак, экспериментальным способом мы доказали возможность получения биогаза с помощью установки, созданной нами в домашних условия.
7. Способы бытового применения биогаза
Приборами, фактически безукоризненно работающими на биогазе, являются:
· Горелки для отопительных установок (эти приборы используют в системе отопления жилых помещений для подогрева воздуха в различных сушилках и кондиционерах, причем применяют как обычные горелки с забором атмосферного воздуха, так и горелки с дутьем)
· Газовые плиты с горелками на верхней поверхности и с духовкой (наши кухонные плиты)
Биогаз может использоваться как в сельском, так и в домашнем хозяйстве, основными видами расхода энергии здесь являются:
· Подогрев воды на бытовые нужды
· Отопление жилых и нежилых помещений
· Консервирование пищевых продуктов
8. Системы хранения биогаза
Биогаз в зависимости от его количества и направления последующего использования можно хранить под разным давлением, соответственно и газохранилища называются газгольдерами низкого (не выше 5 кПа), среднего (от 5 кПа до 0,3 МПа) и высокого (от 0,3 до 1,8 МПа) давления. Газгольдеры низкого давления предназначены для хранения газа при малоколеблющемся давлении газа и значительно изменяющемся объеме, поэтому их иногда называют газохранилищами постоянного давления и переменного объема (обеспечивается подвижностью конструкций). Газгольдеры среднего и высокого давления, наоборот, устраиваются по принципу неизменного объема, но меняющегося давления. В практике применения биогазовых установок наиболее часто используются газгольдеры низкого давления.
Вместимость газгольдеров высокого давления может быть различной - от нескольких литров (баллоны) до десятков тысяч кубических метров (стационарные газохранилища). Хранение биогаза в баллонах применяется, как правило, в случае использования газа в качестве горючего для транспортных средств. Основные преимущества газгольдеров высокого и среднего давления - небольшие габариты при значительных объемах хранимого газа и отсутствие движущихся частей, а недостатком является необходимость в дополнительном оборудовании: компрессорной установке для создания среднего или высокого давления и регуляторе давления для снижения давления газа перед горелочными устройствами газоиспользующих агрегатов.
Мы выяснили, что биогаз является более экологически чистым веществом, чем большинство других видов топлива. Никаких вредных веществ (кроме небольшого количества углекислого газа) в процессе получения биогаза не выделяется.
Биогаз получают либо на специально организованных установках (метатенки или сельскохозяйственные биогазные установки), либо на полигонах ТБО, где процесс образования газа практически неуправляем. Метатенковые и сельскохозяйственные биогазовые установки не имеют принципиальных отличий, за исключением используемого субстрата. Биогаз образуется в биореакторах в результате сбраживания субстрата под действием микрофлоры при поддержании постоянной температуры. Объем загружаемого бубстрата, время его сбраживания, поддержание постоянства необходимых показателей в реакторе - все это регулируется человеком.
На полигонах ТБО образующийся биогаз собирается с помощью систем горизонтальных или вертикальных труб (часто их используют совместно). Эти тубы диаметром 10-15 см по всей длине имеют щели и отверстия, через которые проникает газ. Горизонтальные трубы закладываются, как правило, на ранних этапах создания полигона ТБО, а вертикальные могут закладываться заранее (что намного дешевле) либо буриться после. Трубы обязательно обсыпаются дренажным материалом (щебенка). Биогаз через систему вертикальных и горизонтальных труб, расположенных в толще ТБО, поступает в газопровод, а затем в газосборный пункт, которых может быть несколько. После главного газосборного пункта газ идет на системы очистки, затем на компрессорные устройства, для создания давления, необходимого для дальнейшего транспорта газа по трубопроводам к месту его потребления.
Обычно биогаз выходит из реакторов неравномерно, а максимумы потребления и накопления биогаза не совпадают. Поэтому проблему избытка образования газа решают двумя способами: сжигают избыток в факельных установках и накапливают в специальных утройствах-газгольдерах. В первом случае энергия теряется безвозвратно. Второй способ является более дорогим, но экономически более оправданным. Кроме того, газ из реакторов выходит под низким давлением, которого оказывается недостаточно для работы газопотребляющих устройств. Газгольдеры позволяют создать необходимое давление.
Состав получаемого биогаза зависит от используемого субстрата и способа переработки. Наиболее стабильный состав имеет биогаз, получаемый на метатенках и сельскохозяйственных биогазовых установках. Состав биогаза, получаемого на полигонах ТБО, колеблется больше, так как процесс газообразования здесь неуправляем.
В связи с тем, что получаемый биогаз содержит кроме метана еще и балластные вещества, то пред дальнейшим использованием он подвергается предварительной очистке. Конденсируемая при охлаждении влага может стать причиной замерзания газопровода. Осушку производят следующими методами: охлаждение с последующим пропускание газа через влагоотделитель, адсорбционная осушка (силикагель) и осушка жидким поглотителем (этиленгликоль). Взвешенные частицы могут приводить к забиванию трубопровода и элементов газового оборудования, поэтому от них избавляются путем пропускания газа через фильтры (гравийные, сделанные из стекловолокна). Сероводород и галогенсодержащие углеводороды (и продукты их сгорания) представляют коррозийную опасность. Методы очитки биогаза от них - адсорбция на активированном угле и абсорбция в промывочном растворе. С целью доведения биогаза до качества природного газа производят отделение СО2 (промывка водой при избыточным давлении, мембранное разделение, абсорбционное разделение).
Биогаз можно использовать:
o для покрытия собственных энергетических нужд БГУ;
o для покрытия энергетических нужд очистных сооружений и сельскохозяйственных производств;
o в качестве горючего для двигателей транспортных средств;
o для получения электроэнергии;
o для подпитки сетей природного газа.
При получении биогаза на сельскохозяйственных биогазовых установках практическое применение находит не только сам газ, но и навоз, используемый в качестве исходного сырья. После метанового сбраживания он улучшает свои свойства и применяется как удобрение.
Размещено на Allbest.ur
Подобные документы
График реализации проекта. Общая характеристика биогаза, применение и перспективы технологии. Описание производственного процесса и технологического оборудования. Анализ целевого рынка и маркетинговая стратегия проекта. Факторный анализ рисков проекта.
бизнес-план [253,3 K], добавлен 17.10.2011
Виды биотоплива в зависимости от агрегатного состояния, способа получения и сфер применения. Преимущества использования древесных гранул перед другими видами топлива. Процесс брикетирования, торрефикация древесины. Технология производства биогаза.
реферат [1,2 M], добавлен 20.10.2013
Технология получения и области применения биогаза как нового источника получения энергии. Методы переработки отходов животноводства и птицеводства для получения биотоплива. Правила техники безопасности при работе в микробиологической лаборатории.
курсовая работа [952,4 K], добавлен 06.10.2012
Основные виды газгольдера — большого резервуара для хранения природного, биогаза или сжиженного нефтяного газа. Рабочее давление в газгольдерах I и II классов. Составные элементы и устройство мокрых газгольдеров, их принцип действия и схема работы.
презентация [315,7 K], добавлен 29.11.2013
Общая информация о предприятии и о сахарном производстве. Расчет котла при сжигании природного газа. Расчет процесса горения. Тепловой баланс котла. Описание выработки биогаза из жома, описание технологии процесса. Расчет котла при сжигании смеси газа.
В последние годы для сжигания как традиционных топлив, так и биомасс различного происхождения широко применяются газификационные технологии. Газификация чаще всего производится в кипящем слое при недостатке окислителя. Конструкции установок по газификации различных топлив отличаются, но не принципиально. Также близкими оказываются и параметры генераторного газа. Необходимо развитие установок и технологий по совместной переработке различных топлив.
1. Способы сжигания и газификации традиционных топлив
В настоящее время к традиционным органическим топливам относят газ, мазут, каменные и бурые угли, горючие сланцы, торф. Нетрадиционными топливами являются биомассы растительного и животного происхождения, в том числе отходы переработки органического сырья.
Традиционными методами сжигания твердых топлив являются слоевое, факельно-слоевое и факельное сжигание в котлах. При этом крупность помола частиц и недожег последовательно уменьшаются, а интенсивность горения увеличивается [7].
При слоевом сжигании твердого топлива куски размером до нескольких сантиметров подаются на решетку, продуваемую воздухом. Достоинство слоевого сжигания - простота подготовки и подачи топлива. Недостаток метода - низкая паропроизводительность.
Технология факельного сжигания топлива активно развивалась в 50-е годы прошлого века. Помол топлива производится до размера частиц в несколько микрон, и пылевоздушная смесь подается в горелки. Основные достоинства факельного сжигания [7]: возможность сжигания любого вида топлива с высоким КПД; высокая мощность котлоагрегатов; и др. Недостатки факельного сжигания: химический и механический недожег (в совокупности до 15-25%); сложный процесс подготовки топлива; высокая степень выбросов летучей золы, оксидов серы и азота. Как при слоевом, так и при пылеобразном сжигании топлива температуры в топке достигают 900-2000 О С и выше, а также предусмотрена дополнительная подача воздуха фурмами второго и третьего ярусов для белее полного выгорания топлива.
Топки с кипящим (псевдоожиженным) слоем занимают промежуточное положение между слоевыми и факельными топками. Эта технология начала развиваться в 60-е годы прошлого века. Частицы топлива размером в несколько миллиметров подаются на решетку, на которую снизу подводится воздух. При определенной скорости воздуха слой взвешенных твердых частиц в восходящем потоке воздуха приобретает свойства жидкости (вязкость, текучесть, поверхностное натяжение). Разновидности кипящего слоя - стационарный, циркулирующий, с безмазутным плазменным воспламенением угольной пыли. Достоинства кипящего слоя: высокий коэффициент теплопередачи; компактность топочного устройства; низкие температуры сгорания (около 850 О С), которые способствуют снижению выбросов оксидов азота; возможность эффективного сероулавливания с применением небольшого количества известняка в смеси с топливом; возможность сжигания низкореакционных углей.
Сжигание угля в кипящем слое происходит в два этапа: газификация и дожигание. Газификация топлив [4,14] - производство генераторных газов из углей, мазута, сланцев, торфа, и др. Наличие окислителя при газификации топлив рассматривается как обязательное условие. Коэффициент избытка воздуха при сжигании топлива α = 1,02 ÷ 1,2, а при газификации топлива α ≅ 0,5. Для дожигания топлива предусмотрена дополнительная подача воздуха.Сжигание угля в установках с кипящим слоем относят к низкотемпературной газификации углей. Наряду с этим в последнее время развиваются методы высокотемпературной газификации [17], когда нижняя часть топки котла представляет собой камеру аэрошлакового расплава, в которую ниже уровня жидкого шлака подается пылевоздушная смесь. Температура в камере расплава выше температуры плавления угольного шлака (1400-1500 О С). Основное достоинство высокотемпературной газификации - жидкое шлакоудаление сопровождается низким выходом летучей золы и открывает широкие возможности переработки шлака, недостаток же заключается в том, что для поддержания высокой температуры шлакового расплава необходима замена части воздуха, подаваемого в камеру расплава, на чистый кислород.
С начала ХХ века периодически проводились опыты по подземной газификации углей [9]. Закачивая в угольные пласты воздух под давлением в несколько атмосфер, на выходе получают газ, основным горючим компонентом которого является СО. Удельная теплота сгорания получаемого газа, составляет от 2 до 8 Мдж/м 3 , в то время как теплота сгорания природного газа, основным компонентом которого является метан, около 40 Мдж/м 3 .
Топочные устройства на газомазутном топливе разнообразны и более маневренны. При сжигании природного газа очень низкий выход оксидов азота, однако, происходит образование оксида ванадия V2O5, который являются коррозионно активным. При сжигании сернистого мазута резко повышается выход оксидов серы. Жидкое топливо также может быть газифицировано при недостатке кислорода для полного окисления углеводородного сырья.
Способы утилизации биомасс. Газификация биомасс
Биомассы - это твердые и жидкие углеводородосодержащие бытовые и промышленные отходы, а также специиально производимые продукты (дрова, древесина быстрорастущих кустарников).
Энергетический потенциал биомасс огромен. Один человек в сутки производит 0,5-3 кг бытовых и промышленных отходов, из которых можно получить 0,00125-0,5 м 3 биогаза [5,6,15]. Количество получаемого биогаза зависит от вида отходов и от технологии их переработки. Но при переработке биомасс в настоящее время на первый план выступают не вопросы использования их энергетического потенциала, а вопросы утилизации. Традиционные способы утилизации биомасс: захоронение на полигонах; прямое сжигание без утилизации и с утилизацией тепла; сушка, брикетирование; использование в качестве удобрений; добавки в корм скоту; переработка с целью получения твердого и жидкого топлива; переработка с целью получения биогаза. Получение горючего биогаза из биомассы в настоящее время производят путем ферментации, сбраживания (аэробного или анаэробного), сублимации или пиролиза.
К биомассам должно быть применено более широкое определение газификации, нежели рассмотренное выше. Газификация биомасс - это получение газа из твердого и жидкого исходного сырья. При газификации только часть исходного сырья переходит в газообразную форму, возможно, с изменением химического состава, под воздействием высоких температур, катализаторов и других физических, химических и биологических воздействий.
Ферментация [16,18] - химический либо биохимический процесс преобразования биомассы под воздействием ферментов, т.е. биохимических катализаторов, которые могут ускорять процессы как ассимиляции, так и диссимиляции органических соединений. В качестве ферментов используются амилазы для расщепления крахмала, протеазы для расщепления белков и т.д. В результате ферментации образуется горючий газ, содержащий в различных пропорциях СО, СО2, О2, Н2, N2, H2S, Н2О, СН4, CnHm и т.д.
Сбраживание - биохимический процесс, который осуществляется благодаря деятельности живых организмов - грибков, бактерий, личинок мух и т.п. [22]. Некоторые авторы рассматривают сбраживание как разновидность ферментации, когда ферменты имеют биологическую природу. В результате сбраживания образуется газ, содержащий горючие и негорючие компоненты, в том числе спирты CnH2n+1OH (спиртовое сбраживание). Для протекания процессов ферментации и сбраживания необходимо поддержание определенных температуры (20-60 О С) и влажности (до 95%) сырья.
Сублимация (возгонка) [14] - это переход вещества из твердого в газообразное состояние, минуя стадию жидкости. Происходит при температурах ниже температуры тройной точки. Для сублимации к веществу необходимо подвести энергию, называемую теплотой сублимации. Сублимация представляет собой физический процесс и не сопровождается изменениями химического состава.
Пиролиз [5,6] - химический процесс разложения исходного сложного соединения на более простые составляющие под воздействием высоких температур (300-850 О С) и в отсутствие окислителя. Пиролиз в присутствии водяных паров называют гидропиролизом. В результате пиролиза могут быть выделены твердые, жидкие и газообразные при нормальных условиях вещества, согласно обобщенной формуле [5]: БМ + тепло = С (углистое вещество) + смолы + СО + СО2 + Н2 + Н2О + CH4 + CnHm. Газообразные продукты пиролиза представляют газ, содержащий CH4, СО, Н2, QН Р = 15-22 МДж/нм 3 , выход до 70% от массы сухого сырья при высокотемпературном быстром пиролизе. КПД пиролиза составляет 80-90%.
Все рассмотренные процессы получения биогаза из органического сырья можно разбить на стадии: предварительная подготовка биомасс с использованием низкопотенциального тепла; получение биогаза; сжигание биогаза и получение высокопотенциальной тепловой энергии и электроэнергии; утилизация вторичных отходов.
Переработка твердых бытовых отходов
Удельная теплота сгорания мусора составляет 9,5-11,6 МДж/кг, в перспективе до 16 МДж/кг. Городские отходы содержат 50-75% органических веществ. Сжигание ТБО, как и угля, может производиться слоевым способом, но содержание вредных веществ в уходящих газах после топок с кипящим слоем существенно ниже.
Установки с кипящим слоем, предназначенные для сжигания ТБО, имеют следующие модификации [10,19,23-29]: с пузырьковым (стационарным) кипящим слоем; с циркулирующим кипящим слоем (с внешней или внутренней циркуляцией) (ЦКС); с вихревым кипящим слоем. Для создания кипящего слоя при сжигании ТБО используется твердый инертный материал, как правило, песок или галечник. При этом скорости воздуха, подающегося на сжигание, последовательно возрастают от 1,5 до 5 м/с, а теплонапряжение поверхности слоя возрастает от 2 до 7 МВт/м 2 . В топках с пузырьковым и циркулирующим кипящим слоем возможно сжигать биомассу только после ее тщательной подготовки (сепарация, измельчение, гомогенизация). Частицы топлива и зола уноса на выходе из топки осаждаются в циклонах и возвращаются на дожигание в нижнюю часть топки.
Установки для переработки ТБО с вихревым кипящим слоем получили наибольшее распространение с начала 80-х годов. Преимущество таких топок заключается в их способности сжигать ТБО с минимальной подготовкой, измельченные до фракций 200-300 мм. Кипящий слой создается воздухом, который подается через скошенную сопловую решетку. Скорость воздуха увеличивается по направлению вниз вдоль решетки, что в сочетании с формой стенок топки создает циркуляцию слоя. КПД таких установок составляет 86-99,8%.
Горючий газ дает и захороненный в земле мусор. Пробуренные в местах старых полигонов скважины соединяют коллектором из поливинилхлоридных труб. Состав получаемого газа (по данным французских исследователей): 63,4% СН4, 36,5 % СО2, 0,1 % N2. Из 1 т захороненного бытового мусора можно получить 135 м 3 биогаза.
Переработка отходов растениеводства
Отходы растениеводства являются ежегодно возобновляемыми видами топлива, производство которых превышает 100 млн. т в год [2,3,8]. Отходы растениеводства сжигают как в плотном слое, так и в кипящем (псевдоожиженном) - стационарном и циркулирующем. Основными недостатками отходов растениеводства как топлива являются переменная влажность (до 17%) и неравномерное псевдоожижение. В то же время, они обладают низкой зольностью - до 3,1%, и высокой теплотой сгорания - 9-12,5 МДж/кг. Для сравнения средняя зольность сжигаемых в настоящее время на ТЭС России углейсоставляет около 30%, QН Р = 25-30 МДж/кг для каменных углей. Для снижения недожега применяют золоуловительные устройства типа циклон с возвратом уноса в зону горения. Для снижения неравномерности нагрузки применяют газогенераторы с подачей части вырабатываемого биогаза внешнему потребителю. В результате КПД установок по сжиганию растительных отходов в псевдоожиженном слое составляет 72-81% при их мощности 0,2-0,5 МВт (до 1,5 МВт). Для инициализации процесса необходимо сжигание растопочного материала (угля). Кипящий слой создается непосредственно в основном сжигаемом материале.
Переработка отходов животноводства
Основным отходом животноводства является навоз. Ежегодно в мире образуется не мене 45 млн. м 3 навоза. В 1884 г. один из учеников Л. Пастера показал, что из 1 м 3 навоза при 35 О С получается около 100 л метана. КПД биогазовых установок - около 60%.
Особенности переработки отходов животноводства: высокая влажность (до 80%) этих отходов требует повышенных расходов при сушке; по существующим на сегодняшний день технологиям возможно полезно использовать только 1-10% энергетического потенциала этих отходов; разрабатываемые технологии переработки должны снижать возникновение неприятных запахов, сопутствующих отходам; отходы животноводства являются ценным концентрированным органическим удобрением, и, возможно, это направление их использования является наиболее целесообразным.
Наиболее перспективными способами газификации отходов животноводства с целью получения горючего биогаза являются сбраживание 11, и, возможно, совместное сжигание в смеси с традиционными топливами.
Совместное сжигание традициионных топлив и биомасс
Проводились опыты по совместному сжиганию углей и биомасс [1]. Недостатками биомасс при совместном сжигании являются: сезонность рынка биомасс; их переменная, в среднем высокая, влажность; специфический химический состав золы. Однако, совместное сжигание имеет и ряд преимуществ.
При малой процентной доле биомасс в топливе (по отношению к доле угля) их наличие практически не влияет на технологический цикл сжигания угля при слоевом сжигании и сжигании в ЦКС. Отпадает необходимость в разработке и строительстве специальных мусоросжигательных заводов для утилизации отходов. Добавки соединений калия, содержащихся в золе биомасс, снижают температуру плавления шлака, что позволяет существенно снизить температуру жидкого шлакоудаления и потери тепла со шлаком, изменяются и потребительские свойства шлака. В городе с населением 200 тыс. чел. ежедневно производится около 600 т бытовых и промышленных отходов, при сжигании которых в брикетированной форме может быть сэкономлено порядка 120 т угля в сутки. Совместное сжигание биомасс с углем при малой переменной доле биомасс целесообразно применять в установках большой мощности непрерывного действия.
Фактически сжигание биомасс и так производится с непременным участием того или иного вида традиционного топлива (уголь, газ). [20] При высокой доле биомасс подача угля в качестве насыпного материала позволит решить сразу две проблемы - создание кипящего слоя и поддержание необходимой температуры за счет постепенного выгорания угля (рис. 1).
Возможна и другая форма совместного сжигания биомасс и традиционных топлив. Для инициализации процесса газификации и сжигания биомасс необходима дополнительная высокопотенциальная тепловая энергия. [21] Эта энергия вырабатывается за счет сжигания растопочного материала, либо за счет наличия в топках горелок, на которые подводится газома зутное топливо. Для создания кипящего слоя подается воздух со скоростью 5 м/с. Если вместо воздуха в подрешеточную полость подавать природный газ, а воздух подавать с помощью фурм второго и третьего уровня выше решетки (рис. 2), это позволит решить следующие задачи: газ, распределяясь в слое биомассы, будет способствовать созданию равномерного кипящего слоя; продукты сгорания газа имеют больший объем и температуру и будут создавать необходимые давления для формирования кипящего слоя при небольших скоростях газа и воздуха на входе в топку; создание кипящего слоя не в воздушном потоке, а в потоке газа и продуктов сгорания позволит поддерживать достаточно высокие температуры для переработки исходного сырья с большой влажностью. Совместное сжигание биомасс с углем или газом при большой доле биомасс целесообразно применять в малых энергетических установках периодического действия, ориентированных на определенный вид отходов и устанавливаемых непосредственно на предприятиях, производящих эти отходы. В таком случае отпадает необходимость в сортировке отходов. Функционирование установки по утилизации биомассы в часы работы предприятия позволит снизить для предприятия потребность в энергии от внешнего поставщика и уменьшить суточные колебания нагрузки в электросети.
Выводы
Газификационная технология в настоящее время широко применяется для переработки и сжигания как традиционных топлив, так и биомасс. Мировой опыт эксплуатации топок с вихревым кипящим слоем показал, что имеется возможность совместного сжигания практически любых горючих веществ, в том числе высоковлажных и высокозольных. Основным достоинством при этом является возможность снижения вредных выбросов за счет снижения температуры окислительных процессов. Конструкции установок и технологические особенности процессов при переработке различных топлив отличаются, но не принципиально. Совместная переработка традиционных топлив и биомасс позволит сочетать достоинства различных топлив.
Рис.1. Использование угля в качестве насыпного материала для создания кипящего слоя при совместной газификации с биомассами
Рассмотрен новый метод получения экологически чистых жидких моторных топлив из растительной биомассы. Топлива не содержат серу, а выделяющийся при их горении диоксид углерода вновь участвует в образовании растений. Топлива получаются из газов газификации биомассы воздухом при невысоком давлении и температуре. Обсуждаются проблемы ресурсов горючих ископаемых и растительной биомассы в мире и в нашей стране.
В настоящее время энергетические потребности мира составляют ~ 11—12 млрд. т условного топлива (у. т.) и удовлетворяются за счет нефти и газа на 58—60%, угля - на 30%, гидро- и атомной энергии - на 10—12% [1]. Разведанные запасы нефти, угля и газа приведены в табл. 1 и 2 [2—5].
Мировые запасы горючих ископаемых, пригодные для индустриальной добычи, млрд. т н. э. Нефть + газ
Извлекаемые запасы горючих ископаемых и прирост биомасссы [2, 5, 7], млрд. т н. э. Наименование
Образование растительной биомассы в год
В качестве источника энергии используется также растительная биомасса [6] (дрова и др.) - порядка 1 млрд. т у.т., или 0,7 млрд. т нефтяного эквивалента (н. э.), что составляет почти четвертую часть из добычи и потребления нефти в мире (~3 млрд. т). Потребность в нефти и других видах современной энергии, вероятно, будет увеличиваться и одновременно будут усовершенствоваться методы энергетического использования растительной биомассы (помимо прямого сжигания).
В настоящей работе рассматриваются возможности получения компонентов жидких топлив главным образом из растительной биомассы, посредством ее газификации и синтеза из газа жидких углеводородов. В общем виде эти процессы представлены на рис. 1.
Применение возобновляемой растительной биомассы для производства моторных топлив целесообразно и даже необходимо в связи с ограниченностью запасов нефти. По данным XIII Нефтяного конгресса (1991 г.) [7], разведанные запасы нефти в мире оцениваются в 140—145 млрд. т (160 млрд. м 3 ), которых при современном потреблении нефти в мире может хватить на 35—45 лет.
По отдельным регионам проблемы с запасами нефти стоят более остро: 76% запасов находится на Ближнем и Среднем Востоке, в Латинской Америке. На остальные регионы остается 24%, из которых 6—7% приходится на СНГ. Учитывая уровень добычи нефти в 1990 г., этих запасов может хватить на 15—18 лет.
Потребность нефти в Российской Федерации — 270—300 млн. т, в целом по СНГ — 450 млн. т (для сравнения — США потребляют около 800 млн. т нефти). В дальнейшем потребление нефти в мире будет возрастать, поэтому, учитывая дефицит нефти, необходимо развивать новые пути получения жидких моторных топлив. Производство моторных топлив из твердых горючих ископаемых не слишком обширно. Так, в ЮАР получают 5 млн. т моторных топлив, для чего затрачивается 27—30 млн. т бурого угля. Эта технология основана на парокислородной газификации угля и получении моторных топлив из синтез-газа на железном катализаторе. Производство синтетических топлив в крупных масштабах с целью замены нефти представляет трудную задачу. Для производства 150 млн. т синтетических топлив (1/2 потребности России) понадобилось бы около 1 млрд. т бурого угля (добыча угля в 1990 г. в Советском Союзе составила около 700 млн. т, в США — 800 млн. т).
Доступным и возобновляемым сырьем для производства синтетических моторных топлив является биомасса растений. Например, в Канаде лесная и лесоперерабатывающая промышленность более 70% необходимой энергии получает из отходов древесины (газификацией и другими методами). В Советском Союзе в период 1940—1950 гг. были созданы установки, работавшие на лесных и сельскохозяйственных отходах при их газификации воздухом с получением газообразного моторного топлива. Ежегодный прирост биомассы растений на Земле составляет от 170 до 200 млрд. т, считая на сухое вещество, что в пересчете на нефтяной эквивалент соответствует примерно 70—80 млрд. т [5, 6].
До середины XIX в. человечество использовало в качестве теплоносителя для бытовых и промышленных целей (металлургия, паровые машины и др.) почти исключительно биомассу растений и продукты ее переработки (древесный уголь).
При использовании в качестве энергоносителя газа, нефти и угля возникает ряд проблем, связанных с ограниченными запасами горючих ископаемых, в особенности нефти. Помимо истощения запасов нефти важными проблемами являются перевозка на большие расстояния и хранение всех видов топлив.
В связи с дефицитом нефти целесообразно использовать местные виды топлив — растительную биомассу, бурый уголь, торф, сланцы, различные твердые органические отходы (мусор в городах) при переработке в жидкое топливо. Общее количество различных твердых органических отходов (лесодобыча и лесопереработка, сельское хозяйство, промышленность, бытовой мусор в городах) может быть очень велико. Например, в США оно достигает 1—1,2 млрд. т в год. Из этого количества можно получить около 1/4 моторных топлив, т. е. более 100 млн. т. Однако большая часть отходов не используется, некоторую часть применяют для получения биогаза (смесь СН 4 с СО 2 ), другая часть сжигается.
Например, фирма “Боинг” сжигает биомассу (отходы древесины и городской мусор) для получения примерно 60% тепла, необходимого для обогрева завода “Боинг” площадью 550 тыс. м 2 являющегося крупнейшим в мире производственным комплексом [8].
Ресурсы ежегодно возобновляемой растительной биомассы энергетически в 25 раз превышают добычу нефти. В настоящее время сжигание растительной биомассы составляет ~10% от потребляемых энергоресурсов (примерно 1 млрд. т у. т.), в будущем ожидается существенное расширение использования биомассы в виде продуктов ее переработки (жидких, твердых топлив и др.), и в первую очередь отходов, которые скапливаются и разлагаются, загрязняя окружающую среду [9].
Биомасса перерабатывается в топливные и химические продукты различными методами: пиролизом, гидролизом, газификацией, гидрогенизацией и др. Эти процессы осуществляются на передвижных или стационарных установках.
В Норвегии применяются передвижные установки на лесосеках, где перерабатываются растительные отходы методом пиролиза. Производительность отдельной установки от 10 до 30 т древесного угля в сутки [10]. При пиролизе из 1 т отходов (щепа) получается 280 кг угля, 200 кг смолы пиролиза и около 222 кг газообразного топлива. Газообразное топливо используется для поддержания процесса пиролиза. Смола пиролиза применяется как котельное топливо или подвергается гидрооблагораживанию под давлением водорода для получения бензина и дизельного топлива. Стационарные установки пиролиза могут иметь до 40 печей и рассчитаны на переработку 300—350 тыс. т органических отходов в год [11].
Разработан процесс ожижения растительной биомассы методом гидрогенизации при 350° С под давлением водорода при 6,4 МПа. Из 1 т биомассы получают 24 кг синтетической нефти и 160 кг остатка типа асфальта [12].
Одним из методов получения жидких моторных топлив является термическое растворение древесины в нефтяных фракциях при 380—450° С под давлением 10,0 МПа. При этом происходит ожижение древесины.
В США имеется экспериментальная установка, где из 1000 кг древесной щепы получается 300 кг топлива типа сырой нефти. Процесс ведут при давлении 28 МПа и температуре 350—375° С. В качестве катализатора применяют карбонат натрия [13].
В ряде стран (Италия, ФРГ, Аргентина и др.) созданы специальные энергетические плантации быстрорастущих пород древесины и других пород на землях, не пригодных для сельского хозяйства.
Плантации ивы в Швеции на заболоченных землях дают 25 т древесины с 1 га в год. Сбор древесины осуществляется через 2 года специальными комбайнами в зимнее время года, когда заболоченная земля замерзает. С 1 млн. га получается 15 млн. т древесины в виде сухого древесного топлива, что эквивалентно 20% энергии, необходимой для этой страны [14].
В рамках Западно-Европейской программы развития возобновляемых энергоресурсов в Италии пущен крупный биоэнергетический комплекс, рассчитанный на ежегодную переработку 300 тыс. т быстрорастущей биомассы и органических отходов. Помимо газа и тяжелых остатков будет получено 20 тыс. т жидкого топлива. В Германии имеются большие плантации рапса, из которого получают смазочные масла и дизельное топливо.
В Латинской Америке, США и Франции из биомассы (отходов сахарного тростника, кукурузы и др.) получают этанол, используя обычно процессы брожения. В Бразилии получается более 10 млн. т этанола, который применяют как основное топливо для автомобилей (96%-ный этанол) или в смеси с бензином — топливо “Газохол” (22 % этанола с 78 % бензина). В США из кукурузы получают более 3 млн. т этанола, который применяют в качестве добавки к бензину (5—10%) для повышения октанового числа и улучшения процессов сгорания.
Для использования в моторных топливах предложены производные метанола и этанола, которые не корродируют аппаратуру, безвредны, хорошо смешиваются и имеют высокие антидетонационные свойства [15]:
В настоящее время в качестве добавки для повышения октанового числа используют метил-трет-бутиловый эфир.
В [16, 17] разработан новый процесс синтеза нормальных парафинов и изопарафинов, а также олефинов из нового типа исходного сырья — растительной биомассы. Биомасса превращается газификацией воздухом в генераторный газ, содержащий оксид углерода и водород. В газе содержится около 50% азота, поэтому синтез из такого газа компонентов моторных топлив состава С 5 —С 22 является принципиально новым. Ранее во всех технологических процессах (Фишера — Тропша, Сасол, Мобил) применяли концентрированный газ, состоящий только из СО и Н 2 .
Парафиновые углеводороды неразветвленного строения являются хорошими компонентами дизельных топлив. Для производства высокоцетановых моторных топлив [18] желательно смешение фракций синтетических парафинов с цетановым числом 77—90, полученных по методу Фишера — Тропша с дизельными фракциями нефти или продуктов гидрогенизации угля, которые имеют цетановое число 40—50.
Продукты синтеза, полученные посредством газификации биомассы, мог заменить нефтехимическое сырье.
Жидкие олефиновые углеводороды, которые получаются при синтезе, мог найти применение, помимо топливного назначения, для производства синтетических моющих средств. Из фракции углеводородов С 2 —С 22 , полученной биомассы, в процессе пиролиза на ванадиевом катализаторе могут быть получены этилен, пропилен и бутилены [19, 20]. При каталитическом пиролизе образует до 40—50% этилена и 60—65% суммы газообразных олефинов на исходи сырье. Проверка этого процесса в опытно-промышленных условиях [21] показал что в зависимости от применяемого сырья этилен образуется с выходом от до 40% и олефины 60—65%. При термическом пиролизе выход этилена обычно не превышает 25—26%.
Таким образом, в результате переработки растительного сырья могут бы получены жидкие углеводороды — компоненты моторных топлив и олефины, частности этилен для процессов нефтехимического синтеза.
Цель настоящего исследования — разработка процесса получения компонентов жидких топлив (бензина, дизельного топлива) из продуктов газификации растительной биомассы С х Н у О г при 900—1500° С. При этом образуется газ, содержащий оксид углерода, водород, диоксид углерода и азот:
C x H y O z + O 2 + N 2 = CO, H 2 , CO 2 , H 2 O, N 2
Состав продуктов газификации зависит от исходного сырья (древесная щеп солома, отходы технических культур и др.). Обычно состав газа находится пределах, %: СО 15—25, Н 2 12—15, СO 2 7—12, N 2 —50. Может присутствовать небольшое количество других примесей, например СН 4 .
Характерной особенностью газов газификации биомассы воздухом является большое содержание азота — 45—55%. Ранее полагали, что азот будет препятствовать синтезу жидких углеводородов из СО и Н 2 .
Каталитическую газификацию биомассы древесной пульпы проводят с помощью водяного пара с подводом тепла извне в трубчатых печах на никелевых катализаторах. В этом случае из 1 т биомассы получается 150—160 кг водород диоксид углерода отделяется. В процессе пиролиза расходуется 103,0 кД тепла на 1 молекулу водорода, а при сжигании 1 молекулы выделяете 285 кДж.
В промышленности для процесса Фишера — Тропша синтез-газ получают каталитической конверсией метана с водяным паром при высоких температурах.
Газификация биомассы с водяным паром несколько сложней, чем газификация с применением воздуха, так как газогенераторы такого типа не разработаны.
Рассмотрим синтез углеводородов из генераторных газов газификации воздухе растительного сырья. Газификация воздухом (при неполном сгорании) — известный технологический процесс переработки твердого органического сырья -биомассы, торфа, бурого угля.
Газы газификации воздухом в зависимости от исходного сырья [9] имеют следующий состав, об.%:
Читайте также: