Производство и использование генераторного газа из древесной биомассы реферат
Обновлено: 05.07.2024
Термическая газификация как альтернативный способ прямому сжиганию. Необходимые условия для процесса газификации топлива. Газогенерация для крупных энергетических установок. Энергетическое использование биомассы с ее газификацией в специальных реакторах.
| Рубрика | Производство и технологии |
| Вид | курсовая работа |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 29.06.2015 |
| Размер файла | 1,2 M |
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Энергетическое использование биомассы на основе термохимической газификации
1. Общие положения. Термическая газификация - альтернативный способ прямому сжиганию
Несмотря на широкое развитие достаточно эффективных топочных устройств по прямому сжиганию биомассы, подробно рассмотренных ранее, при использовании существующих устройств возникают определенные трудности с утилизизацией всего многообразия отходов биомассы (коры, шламов и др.): имеют место ограничения по фракционному составу, возникают трудности по исключению механического недожога, заноса и шлакования поверхностей нагрева и др.
Альтернативным способом прямому сжиганию биомассы, позволяющему исключить присущие прямому способу сжигания недостатки и трудности, является термическая газификация биомассы. В некоторых случаях термическая газификация позволяет также дополнить возможности существующих процессов прямого сжигания.
Процесс термической газификации включает ряд технических стадий, осуществляемых в одном агрегате:
џ удаление влаги, содержащейся в сырье;
џ термическая деструкция материала, сопровождающаяся выделением некондиционируемых газов и коксового остатка;
џ окисление горючих компонентов (парогазов);
џ пиролиз сырья, сопровождающийся выделением тепла, необходимого для первых двух стадий;
џ собственно процесс газификации углерода и других элементов, содержащихся в коксовом остатке с одновременным крекингом не успевшей окислиться смолы.
Конечным продуктом процесса являются газ и смола.
2. Газификация топлива как процесс
энергетический биомасса газификация
Наиболее универсальным способом, позволяющим использовать различные виды твердого топлива, в том числе и биомассы (как и твердых бытовых отходов) является его предварительная газификация с получением газа, который в зависимости от его качества используется в дальнейшем в энергетической установке (или сжигается в котельном агрегате или используется для непосредственного получения энергии в газотурбинной установке или двигателе внутреннего сгорания).
Процесс газификации близок к процессу горения топлив. Их отличие состоит в том, что в процессе горения происходит полное окисление топлива при достаточном количестве кислорода ( 1), а в процессе газификации происходит неполное окисление топлива при недостатке кислорода ( 1). Основа процесса для них одна - химическое соединение восстановителя (углерода, водорода) с окислителем (кислородом).
Газификация топлива осуществляется путем его нагрева до температуры 1100…1300 С и выше в среде с ограниченным содержанием окислителя. При этом в качестве окислителя может быть использован кислород в чистом виде (кислородное дутье), кислород, входящий в состав воздуха (воздушное дутье), кислород, получаемый при диссоциации водяного пара (паровое дутье) или кислород, получаемый при смешанном подводе окислителя (паровоздушное дутье).
При газификации протекают реакции как с выделением тепла, так и с его поглощением, поэтому для поддержания процесса должно быть обеспечено условие автотермичности, при котором суммарный тепловой эффект всех реакций будет равен нулю.
При получении воздушного газа, когда в газогенератор в качестве дутья поступает воздух, реакции окисления и восстановления (в расчете на 1 моль углерода - 14 кг) происходят по следующей схеме:
С+О2 СО2 + 97650 ккал
2С + О2 2СО + 58860 ккал
2СО + О2 2СО2 + 136440 ккал
СО2 + С 2СО - 38790 ккал
Реакция восстановления СО2 + С 2СО - 38790 ккал является основной реакцией, характеризующей процесс получения воздушного газа. Идеальный воздушный газ подразумевается при газификации чистого углерода без потерь. Уравнение идеального воздушного газа имеет вид:
2С + О2 + 3,76N2 = 2СО + 3,76N2 + 58860 ккал
При получении воздушного газа температура в зоне горения достигает 1600…1700 С, а в зоне восстановления 1150…1200 С. Высокие температуры благоприятны для завершения реакций восстановления углекислоты. Однако они превышают температуры размягчения и даже жидкоплавкого состояния золы ряда твердых топлив. Это приводит к нарушению нормальной работы газогенератора, так как образуются крупные сплавленные куски шлака, затрудняющие доступ воздуха и процесс генерации газа, перегревается сам аппарат (газогенератор), падает его производительность, кпд, снижается качество газа.
Это не позволяет вести процесс получения воздушного газа в газогенераторе с удалением шлака в твердом виде. Получение воздушного газа в газогенераторах с удалением шлака в жидком виде приводит к высокой температуре получаемого газа и соответствующим потерям тепла.
Для снижения температуры процесса в газогенератор вместе с воздушным дутьем вводятся водяные пары (смешанный процесс генерации - паровоздушное дутье). При паровом дутье получается водяной газ.
Водяной пар, проходя через слой раскаленного кокса зоны восстановления, вступает в химическое взаимодействие с углеродом по реакциям
С + Н2О = СО + Н2 - 28380 ккал
С + 2Н2О = СО2 + 2Н2 - 17970 ккал,
т. е. обе реакции - эндотермические, с поглощением тепла. Это приводит к снижению температуры в зоне газификации. Получаемые при разложении водяного пара СО и Н2 повышают теплотворную способность газа, а продукты разложения водяного пара называются водяным газом. Водяной газ имеет более высокую теплотворную способность по сравнению с воздушным газом (при газификации бурых углей = 2600 ккал/м3). Однако при этом кпд процесса невысок.
Наиболее распространенным процессом газификации является процесс, при котором получается смешанный газ, когда применяется воздушное дутье с присадкой водяного пара (паровоздушное дутье).
При этом процесс получения смешанного газа протекает по описанным выше реакциям:
2С + О2 + 3,76N2 = 2СО + 3,76N2 + 58 860 ккал;
С + Н2О = СО + Н2 - 28 380 ккал.
В общем виде процесс газификации происходит при следующих условиях.
џ Нагрев топлива до температур газификации происходит вследствие того, что часть его сгорает с образованием диоксида углерода и соответствующим тепловым эффектом реакции q1
При стехиометрическом соотношении реакции углерода с кислородом, соответствующем коэффициенту избытка воздуха = 1 значение q1 соответствует удельной теплоте сгорания углерода топлива.
џ При недостатке кислорода ( 1) протекает реакция образования оксида углерода
Однако хотя эта реакция протекает с выделением теплоты, величина q2 q1 и часть потенциальной химической энергии углерода переходит в химическую энергию оксида углерода, являющегося горючим компонентом процесса газификации углерода.
џ Оксид углерода может получаться также при восстановлении диоксида углерода СО2 на поверхности раскаленного топлива по реакциям
Эта реакция, в отличие от двух предыдущих, идет с поглощением теплоты и при охлаждении углерода прекращается.
џ В присутствии в зоне газификации водяного пара при высоких температурах протекают реакции его конверсии
С + Н2О CO + Н2 - q4
С + Н2О CO2 + Н2 + q5.
При этом образуется второй горючий газовый компонент Н2.
џ При повышенных давлениях протекают реакции образования третьего горючего компонента - метана
СО + Н2 1/2CН4 + 1/2СО2 + q7.
Таким образом, газификация топлива - это термохимический процесс взаимодействия органической массы топлива с газо- и парообразным реагентами, в результате которого вся органическая масса преобразуется в газ, состоящий из горючих и негорючих компонентов. Так как при газификации протекают реакции как с выделением, так и с поглощением тепла, то для обеспечения непрерывного процесса газификации необходимо обеспечить условие автотермичности, при котором суммарный тепловой эффект равен нулю.
Состав газа, получаемый при газификации, зависит от ряда факторов:
џ вид и характеристика топлива;
џ температура и давление в зоне реакций;
Обычно температуру процесса газификации поддерживают в интервале 1100…1300 С при диапазоне давлений от 0,1 до 10,0 МПа (и выше).
Процесс газификации классифицируется по ряду признаков:
џ составу дутья (воздушные, паровоздушные, кислородные, парокислородные);
џ состоянию топлива (порозность, гранулометрический состав, влажность, зольность и др.);
џ аппаратному оформлению (организации процесса - слоевое в движущем и кипящем слое; факельное - в пылевидном потоке).
Наиболее калорийный газ, получаемый при воздушном дутье, менее 4000 кДж/м3 сухого газа, наиболее калорийный на парокислородном дутье под давлением - более 15 000 кДж/м3.
При газификации топлива различают:
џ слоевые процессы, при которых слой кускового топлива продувается по противоточной схеме (навстречу движущему слою) газифицирующими агентами;
џ объемные процессы, в которых (в большей части по прямоточной схеме) топливная пыль взаимодействует с соответствующим дутьем.
Принципиальные схемы организации газификации твердого топлива приведены на рис. 3.22…3.27. Там же показан и характер изменения температур потоков топлива и газа по высоте газификационной камеры.
2.1 Особенности газогенерации для крупных энергетических установок
1. Большинство крупных газогенераторов на твердом топливе работает по прямому процессу с газификацией топлива в движущемся слое (метод Лурги), рис. 3.22, а. Подобная организация процесса газификации, в особенности в условиях использования его на электростанциях, имеет ряд недостатков.
џ Малая интенсивность процесса.
џ Газ на выходе из генератора имеет температуру 550 С и содержит до 20 г/м3 смоляных компонентов.
Это затрудняет утилизацию физической теплоты газа в энергетической установке, так как требует предварительный трудоемкий цикл его очистки.
2. Газификация топлива в кипящем слое (рис. 3.22, б, 3.23). Процесс газификации происходит при тех же химических реакциях, что и в неподвижном слое, но со значительно большей интенсивностью. Критическая скорость витания частицы в слое составляет:
где к - кажущаяся плотность частицы, кг/м3;
г - плотность газа при нормальных условиях, кг/м3;
d - средний диаметр частицы, мм;
Т - абсолютная температуры газа, К;
Особенностями процесса газификации в кипящем слое (по сравнению с процессом газификации в слоевых газогенераторах) являются следующие:
џ получаемый газ не содержит смол и непредельных углеводородов; содержание метана в нем понижено вследствие его частичного крекинга;
џ водяные пары, выделяющиеся из топлива при его подсушке и термическом разложении, реагируя с углеродом топлива, понижают температуру слоя. В связи с этим влажность топлива, подаваемого в кипящий слой, не должна превышать 10…15 %;
џ из слоя в надслойное пространство выносится большое количество топливной пыли и для ее газификации должен подаваться вторичный воздух в это пространство газогенератора;
џ основное количество золы (до 80 %) уносится вместе с газом;
џ теплота сгорания газа при воздушном дутье составляет 4200 кДж/м3;
џ газификация топлива может производиться как на паровоздушном, так и на парокислородном дутье;
џ производительность газогенератора с кипящим слоем в 10…12 раз выше производительности слоевых газогенераторов при одинаковом диаметре шахты. Так производительность газогенератора диаметром 3,0 м при работе на паровоздушном дутье составляет 45 000 м3/ч;
џ интенсивность процесса при газификации в кипящем слое под давлением 2 МПа по расходу угля на единицу поверхности слоя составляет 5,8…10 т/м2ч;
џ недостатком газогенераторов с кипящим слоем, кроме повышенного уноса топлива, являются также пониженная скорость газификации при атмосферном давлении и ограниченные пределы регулирования производительности вследствие неустойчивости кипящего слоя.
Пример показателей газификации бурых углей на парокислородном дутье приведен в табл. 3.20.
3. Газификация в пылевидном потоке (система Копперс-Тотцек) - рис. 3.22, в; 3.24.
Преимущества газификации в пылевидном потоке:
џ высокая интенсивность процесса (отсутствие ограничений на процесс температуры);
џ возможность широкого предела регулирования производительности газогенератора;
џ процесс позволяет газифицировать даже жидкое топливо (что в особенности важно для газификации композитного жидкого топлива);
џ возможность обеспечения (до 50 %) вывода со шлаком (в системе жидкого шлакоудаления) золы топлива.
Принципиальные схемы организации газификации твердого топлива: а - в движущемся слое; б - в кипящем слое; в - факельная газификация в пылевидном потоке
Недостатки способа включают в себя:
џ необходимость тонкого размола топлива;
џ высокое содержание золового уноса в генераторном газе перед системой очистки.
На паровоздушном дутье при этом способе газификации производится газ с теплотой сгорания 3800…4600 кДж/м3.
Организация газификации топлива на ТЭС приобретает особое значение в связи:
- с необходимостью широкомасштабного использования низкосортных топлив;
- расширением диапазона используемых видов низкосортного топлива (включая биомассу и бытовые отходы);
- ужесточением требований по ограничению вредных выбросов ТЭС в окружающую среду.
Схема газогенератора с кипящим слоем
1 - цилиндрическая шахта; 2 - плоская колосниковая решетка; 3 - парокислородное дутье; 4 - шнеки для подачи мелкодробленого (d
В России очень много такого сырья как дерево и уголь. Можно без особых проблем получить доступ к отходам из дерева таким как: отходы мебельных производств, лесопилок, деревообрабатывающих предприятий и лесосечные отходы. По оценкам независимых экспертов в России каждый год накапливается около 250 млн. тонн различных органических отходов, не считая 50 млн. тонн бытового мусора.
Теплотворная способность сырья для пиролиза:
Самый не дорогой и экологический безопасный способ получения электрической и тепловой энергии это газификация биомассы. Для того чтобы получить газ из биомассы есть два способа: микробиологический и термический (пиролитический). Так как в древесных отходах процентное содержание влажности не высокое, биоразложение протекает очень долго - этот способ мы убираем. Остается термический.
Давайте разберемся, что такое пиролиз?
Пиролиз термическое разложение органических и многих неорганических соединений под действием высокой температуры.. В узком смысле, разложение органических природных соединений при недостатке кислорода (древесины, угля, нефтепродуктов и прочего). В более широком смысле разложение любых соединений на составляющие менее тяжёлые молекулы, или элементы под действием повышения температуры. Так, например, теллуроводород разлагается уже при температуре около 0 °С. Процесс пиролиза встречается везде. К примеру простое горение дров, угля, торфа в костре или в печки это и есть пиролиз, некоторые называю его сухая перегонка.
Процесс пиролиза широко используется в энергетике, промышленных производствах, металлургии, нефтехимии. Этим методом получают такие вещества как: древесный уголь, кокс, дивинил, этилен, пропилен, бензол и прочие. В промышленности пиролизу подвергают нефть, уголь, торф, древесину, сельскохозяйственные отходы, промышленные отходы, бытовой мусор и другие.
Промышленный пиролиз древесины и др. видов биомассы - это сложный химический процесс, происходящий в виде разнообразных реакций и превращений и осуществляется в ограниченном (регулируемом) присутствии кислорода воздуха. Универсального описания процессов, происходящих при пиролизе биомассы не существует, т.к. эти процессы многокомпонентные и многофакторные.
В зависимости от условий процесса (вида сырья, степени его измельчения, температуры, давления, концентрации кислорода, воды, присутствия катализаторов) и конструкции реактора (печи, колонны, реторты и т.п.) пиролиз происходит по разному с выходом различных твердых, жидких и газообразных веществ. Типов пиролитических реакторов (печей, реторт, колонн и пр.) существует несколько десятков. Следует иметь ввиду, что разные виды целлюлозосодержащего сырья имеют различающийся химический состав, что в определенной степени влияет на выход получаемых продуктов пиролиза.
Термическое разложение сложных органических соединений биологического происхождения начинается при температурах близких к 100°С. Разложение основных веществ древесины в ходе пиролиза начинается при температуре около 200 °С, однако главные процессы происходят при температурах 400-800°С. В некоторых случаях пиролиз органики проводят при еще более высоких температурах 1300-1800°С, в т.ч. с использованием электрических плазмогенераторов.
В состав древесины входит 45–60% целлюлозы, 15–35% лигнина и 15–25% гемицеллюлоз, а также пектаты кальция и магния, смолы, камеди, жиры, танины, пигменты и минеральные вещества. Сухое вещество древесины содержит около 50% углерода, 6% водорода, 44% кислорода, около 0,2 % азота и не более 1 % серы. Содержание минеральных веществ (зольность) древесины 0,2 - 1%. В древесных сучьях золы может быть до 2%, в корнях до 5%. От 10 до 25% процентов древесной золы (Na2CO3 и K2CO3) растворимы в воде, из нерастворимых веществ золы важнейшими являются известь, углекислые, кремнекислые и фосфорнокислые соли магния, железа и марганца. Температура плавления древесной золы 1400 °С.
Существуют различные виды пиролизных систем, ориентированные на получение различных твердых, жидких и газообразных продуктов - древесного угля, спирта, кислоты, жидкого синтетического топлива и генераторного газа и др.
При пиролизе на древесный уголь полезный выход составляет примерно до 1 т угля из 8 - 12 плотных кубометров дров. Энергия, выделяющаяся в этом процессе, используется в главным образом на его обеспечение. При газификации биомассы, напротив, подавляющая часть сырья превращается в горючий высококалорийный газ, обеспечивающий выработку электроэнергии (примерно 1000 кВт/ч из 1,4 - 1,8 тонны сырья).
В последнее время связи с необходимостью экономии углеводородных топлив интерес к газификации твердых топлив возрос. К достоинствам газификации древесины и др. видов биомассы, в отличие от обычного сжигания в топках, следует отнести незначительное количество веществ, загрязняющих окружающую среду т.е. благоприятные экологические показатели по сравнению с другими энергетическими технологиями.
Получение генераторного газа и выработка электроэнергии
Сейчас на промышленных предприятиях отходы древесины и др. биопродукты в лучшем случае сжигаются в печах и топках котлов, которые загружают измельченной щепой или топливными гранулами. Однако, стандартные топки имеют низкий КПД, требуют регулярной очистки и ремонтов, а в атмосферу в виде дыма выбрасываются не сгоревшие сложные и вредные углеводородные соединения и зольная пыль.
Генераторный газ, как топливо, имеет несомненные преимущества перед прямым сжиганием древесины и др. видов биомассы. Генераторный газ, подобно природному газу, может быть передан на большое расстояние по трубопроводам, но самый простой способ использовать его в газопоршневых электростанциях для получения электрической и тепловой электроэнергии прямо на объекте. Сжигание газа легко автоматизировать; продукты сгорания менее токсичны, чем продукты прямого сжигания древесины и др. видов биомассы.
Генераторный газ используется как сырье для дальнейшей химической переработки и в качестве удобного и эффективного топлива для горелок сушилок, печей, котлоагрегатов, газовых турбин, но чаще, - газопоршневых установок. Таким образом по свойствам он похож на природный газ и может использоваться взамен последнего.
В технологию входит так же измельченные древесных отходов, механизмы подачи из бункера в газификационный реактор. Полученный синтетический газ охлаждается и очищается от пыли и дегтя и поступает в накопитель. Очистка и охлаждение газа осуществляется при помощи циркулирующей в системе оборотной воды. Газификационная установка принципиально проста по конструкции и относительно компактна. Охлаждение воды осуществляется при помощи чиллеров или интеркулеров либо проточной водой. Полученный горючий синтетический газ направляется в газопоршневую установку (газогенератор) или используется на другие цели.
Газификационные установки имеют высокую энергоэффективность. Так на выработку 1 кВт электроэнергии требуется примерно 1,1 - 1,6 опилок.
Состав генераторного газа получаемых из древесных:
| Компоненты газа | CO | H2 | CH4 | CmHn | H2S | CO2 | O2 | N2 | |||||||||||||||||||
| Количество, % | 17.2 | 4.05 | 6.82 | 1.24 | - | 15.1 | 0.8 | 54.7 | |||||||||||||||||||
Горючими компонентами генераторного газа являются окись углерода (СО), водород ( H2 ), метан (CH4) и другие углеводороды (CmHn). Калорийность получаемого синтетического газа зависит от вида используемого сырья и составляет 1100-1500 ккал/м3 (4.6~6.3 мДж). Например калорийность газа получаемого при переработке рисовой шелухи 1393 ккал/м3 (5.83 мДж/м3);
Содержание смол в полученном газе менее 50мг/Нм3, что соответствует международным нормам, предъявляемым к топливу для двигателей внутреннего сгорания. Синтетический газ не содержит вредных сернистых примесей и соединений.
Газификационные установки могут успешно применяться как при организации новых лесных и деревообрабатывающих предприятий, так и для модернизации действующих, в том числе в районах, удаленных от электрических и газовых сетей. Они могут быть интересны также для муниципалитетов, зерноочистительных и сельскохозяйственных предприятий.
Петрозаводск, 2012.
Содержание.
1 Древесная биомасса…………………………………………………………………….3
1.1 Состав…………………………………………………………………..…………..3
1.2Применение биомассы в энергетике………………. …………………………3
1.3 Примеры…………………………………………………………………………. 4
2 Топливные гранулы……………………………………………………………………..5
2.1 Сырье для производства……….……………………………………………….5
2.2 Технология производства……………………………………………………….5
2.3 Преимущества и недостатки……………………………………………………6
2.4 Качество и стандарты……………………………………………………………6
2.5Применение………………………………………………………………………..7
2.6 Производство……………………………………………………………………. 8
2.7 Производство в России…………………………………………………………..8
2.8 Планы, прогнозы и перспективы………………………………………………..9
3 Гранулированный уголь………………………………………………………………..10
3.1Технология производства……………………………………………………….10
4 Генераторный газ………………………………………………………………………..11
4.1 Технологияпроизводства………………………………………………………11
4.2 Теплотворная способность…………………………………………………….11
4.3 Применение……………………………………………………………………….12
5 Пиротопливо…………………………………………………………………………. 15
5.1 Технология производства………………………………………………………15
5.1.1Сырье для производства древесного угля…………………………………15
5.1.2 Технология производства древесного угля. Пиролиздревесины…….15
5.2.1 Каменноугольный кокс………………………………………………………. 16
5.2.2Технология производства каменноугольного кокса………………………17
6 Используемая литература……………………………………………………………..19
1.2 Применение биомассы в энергетике.
Использование древесной биомассы для получения энергии является традиционным для человечества на протяжении миллионов лет. Потребление энергии в промышленноразвитых странах постоянно растёт, и эти страны являются крупнейшими в мире производителями энергии. В странах с развитой лесной промышленностью наблюдается устойчивый рост производства биоэнергии, то есть энергии, получаемой из биомассы.
Биомасса — шестой по запасам из доступных на настоящий момент источников энергии.
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
Читайте также: