Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Нетрадиционные источники энергии. Учебное пособие для СПО
.pdf
но 60 % исходного продукта. Выход газа составляет примерно от 0,2
до 0,4 м на 1 кг сбраживаемого сухого материала при нормальных условиях и при расходе 5 кг сухой биомассы на 1 м воды. Известно, что
существует три характерных уровня температур, предпочтительных
для определенных видов бактерий. Сбраживание при более высоких
температурах идет быстрее, чем при низких, и характеризуется примерно удвоением выхода газа на каждые 5 °С. Низший уровень температуры – псикрофилический, около 20 °С, средний – мезофилический, около 30 °С, высший – термофилический, около 55 °С. В тропиках сбраживание идет без подогрева при температуре почвы в пределах 20–30 °С, сбраживание соответствует псикрофилическому с временным интервалом 14 дней. В странах с более холодным климатом
среду для сбраживания следует подогревать, возможно, используя
часть получающегося биогаза, до температуры примерно 35 °С. Некоторые бактерии «работают» при 55 °С. Их используют, если ставят
целью поскорее разложить материал, а не получить дополнительное
количество биогаза.
Биохимические процессы при сбраживании имеют три стадии,
причем каждая обеспечивается собственной группой анаэробных бактерий.
1. Нерастворимые разлагаемые биологически материалы (на-
пример, целлюлоза, полисахариды, жиры) расщепляются на углеводы
и жирные кислоты. В работающем биогазогенераторе это происходит
при температуре 25 °С за сутки.
2. Кислотопродуцирующие бактерии образуют преимуществен-
но уксусную и пропионовую кислоты. Эта стадия при такой же температуре также идет сутки.
3. Бактерии, образующие метан, медленно, в течение примерно
14 суток, при температуре 25 °С полностью сбраживают исходные
продукты, вырабатывая 70 % СН4 и 30 % СO2 с малыми примесями
Н2 и, возможно, H2S. Существенную роль может играть H2, некоторые бактерии (например, Клостридиум) на самом деле продуцируют
водород.
51
Метанобразующие бактерии чувствительны к величине рН: условия в среде должны быть среднекислыми (рН от 6,6 до 7,0), рН должен
быть не ниже 6,2. Требуется определенное содержание азота и фосфора: около 10 и 2 % массы сухого сбраживаемого материала соответственно. Для обеспечения успешного сбраживания необходимо поддерживать постоянные условия температуры и подачи исходных материалов. В стабильных условиях могут быть выведены подходящие популяции бактерий, пригодных именно для этих условий.
Агрохимические способы получения топлива
К таким способам относят получение топлива в процессе жизнедеятельности растений, урожай которых можно использовать для
производства масел и растворителей с минимальной переработкой.
Случаи, когда растения полностью уничтожаются, в агрохимических
методах не рассматриваются.
Можно разделить продукцию растений на следующие категории.
1. Семена (подсолнечник с массовым содержанием масла, рав-
ным 50 %, или рапс).
2. Орехи (пальмовое масло, копра кокосов, массовое содержание
масла в них составляет до 50 %).
3. Плоды (оливки).
4. Листья (эвкалипт, содержание масел составляет 25 %).
5. Стволы, корни.
6. Сок растений (каучук).
7. Переработка отходов – масла и растворители до 15 % сухой
массы, например, скипидар, канифоль, маслянистые смолы из сосны,
масло из листьев эуфорбии.
Лауреат Нобелевской премии Мелвин Кальвин считает агрохимические методы получения различных топлив предпочтительными.
Возможность реализации ферм по производству агрохимических топлив обсуждается в связи с тем, что зачастую получаемые таким образом продукты по своим химическим свойствам гораздо ценнее, чем
просто топливо. В то же время речь идет о создании ферм именно для
производства моторного топлива.
52
К недостаткам агрохимических методов относят: низкую урожайность – 2–10 т (от средней до максимальной) с одного гектара в
год в отличие от зерновых, дающих примерно 40 т/га; вытеснение
производства пищевых культур, если не используются бросовые земли; трудоемкость (с точки зрения производителя). К достоинствам
данных методов относят: хорошее химическое сырье для получения
высококачественных моторных топлив (ценных химических продуктов); экологичность методов производства (растения не уничтожаются, не требуется тяжелых сельскохозяйственных машин, возможно
облагораживание бросовых земель); интеграция различных вариантов
сельскохозяйственного производства (с зерновыми и скотоводческими комплексами); высокая трудоемкость (с точки зрения рабочих) [4].
2.6. ОСНОВНЫЕ КОМПОНЕНТЫ БИОГАЗОВЫХ СИСТЕМ
Процесс биометаногенеза осуществляется в герметически закрытой
емкости – метантенке, в которой создаются оптимальные условия для
жизнедеятельности метанобразующих бактерий. Метантенк, таким образом, составляет основу любой БЭУ по производству биогаза. Общее
устройство и принцип работы всех биогазовых систем одинаков.
После подготовки сырья, заключающейся в доведении его
до нужной кондиции по влажности и фракционному составу в специальной емкости, оно подается в метантенк (рис. 6), где создаются условия для оптимизации анаэробного процесса сбраживания, посредством
подогревающего и перемешивающего устройств метантенка. В наиболее совершенных установках предусматриваются также средства контроля и автоматизации процесса сбраживания в метантенке.
По условиям статической прочности и для биогазовыделения
предпочтительны метантенки яйцеобразной геометрической формы
(рис. 7, а), однако высокая стоимость изготовления таких резервуаров
ограничивает их применение. Поэтому из-за относительно простой
технологии изготовления, в сельском хозяйстве наиболее широко
применяются стальные и пластиковые конструкции цилиндрической
формы (рис. 7, б).
53
Рис. 6. Общее устройство биогазовой системы
для анаэробной переработки органических отходов
Рис. 7. Варианты конструктивного выполнения метантенка:
а – метантенки яйцеобразной геометрической формы; б – стальные и пластиковые
конструкции цилиндрической формы:
1 – герметичный резервуар; 2 – плавающая корка; 3, 4 – вход и выход сбраживаемой
биомассы; 5 – водяная рубашка метантенка; 6 – тепловая изоляция;
7, 8 – вход и выход теплоносителя; 9, 10 – вал и лопасти мешалки;
11– привод механической мешалки; 12 – ветряное колесо
Для достижения и поддержания необходимого температурного
режима сбраживания в метантенке предусматривают подогревающее
устройство в различных конструктивных исполнениях, учитывая, что
температура теплоносителя, непосредственно соприкасающегося со
54
сбраживаемой биомассой, не превышала 60–70 °С. Более высокая
температура повышает риск налипания взвешенных частиц на поверхности теплообменника.
Перемешивание с целью разрушения плавающей корки и равномерного распределения температуры без расслаивания биомассы
в процессе сбраживания в метантенке небольшой вместимости могут
обеспечить механические мешалки с ручным 11 или ветряным 12
приводом (см. рис. 7, б). Конструктивно они представляют собой установленный параллельно центральной оси цилиндрической емкости
вал 4, на котором закреплены лопасти 2.
Таким образом, простейшая биоэнергетическая установка (БЭУ)
для получения биогаза состоит из следующих элементов (рис. 8): камеры сбраживания (реактора, метантенка), нагревательного устройства (теплообменника), устройства для перемешивания и газгольдера.
Рис. 8. Основные компоненты биоэнергетической установки:
1 – биореактор с водяной рубашкой; 2 – газгольдер;
3 – нагревательное устройство с теплообменником;
4 – перемешивающее устройство; 5 – узел очистки биогаза
К настоящему времени разработаны и используются множество
БЭУ по производству биогаза путем анаэробной переработки отходов
сельского хозяйства, которые разнообразно классифицируются
в зависимости от их отличительных признаков.
По литературным данным БЭУ, интенсивность работы которых
колеблется в пределах 0,3–1,0 м3 биогаза с единицы объема камеры
55
сбраживания в сутки, считаются низкопроизводительными, а выше –
соответственно высокопроизводительными установками. При этом
подразумевается, что создаваемая БЭУ должна быть как можно более
высокоэффективной по выработке биогаза. С этой точки зрения
предпочтительны установки с непрерывным (квазинепрерывным) режимом сбраживания, которые по сравнению с циклическим режимом
сбраживания дают более равномерное производство биогаза, за счет
загрузки в реактор небольших порций свежего сырья через короткие
отрезки времени (например, ежесуточно), удаляя соответствующий
объем сброженного шлама.
В этих условиях под действием имеющихся в биомассе бактерий,
навоз и птичий помет разлагаются с выделением метана (CH4) – 60–
70 %, углекислого газа (CO2) – 30–40, небольшого количества серо-
водорода (H2S) – 0–3 %, примесей водорода, аммиака и окислов азота.
Теплота сгорания 1 м3 биогаза достигает порядка 22 МДж
(в топливе 6,1 кВт·ч), что эквивалентно сгоранию: 0,6 л бензина,
0,85 л спирта, 1,75 кг дров или выработке 2 кВт·ч электроэнергии.
2.7. РАСЧЕТ БИОГАЗОГЕНЕРАТОРА
Возможная выходная мощность установки на биогаз E, Вт, определяется соотношением
, (2.1)
где η – КПД горелочного устройства. Следует отметить, что некоторое количество сгорающего метана идет на подогрев СО2, входящего
в биогаз, и за счет этого не может быть израсходовано на другие цели, в результате снижается КПД; Нб – теплота сгорания на единицу
объема биогаза, Дж/м3; Vб – объем получаемого биогаза, м3/с.
Соотношение (2.1) для чистого метана, входящего в биогаз, имеет вид
, (2.2)
где Hm – удельная теплота сгорания метана, Дж/м3; fm – доля метана в
биогазе (около 0,7).
56
Объем биогаза определяется из выражения
, (2.3)
где с – выход биогаза из сухой биомассы (0,2–0,4 м3/кг), m0 – масса
сухого сбраживаемого материала (например, 2 кг на одну корову
в сутки).
Объем жидкой массы, заполняющей биогазогенератор, составляет
, (2.4)
где ρm – плотность сухого материала, распределенного в массе (около
50 кг/м3).
Объем биогазогенератора определяется выражением
, (2.5)
где Vf – скорость подачи сбраживаемой массы в генератор; τr – время
пребывания очередной порции в генераторе (от 8 до 20 суток).
ЗАДАЧИ И ВОПРОСЫ К РАЗДЕЛУ 2
1. Определите объем биогаза, который получается в биогазогенераторе, утилизирующем навоз пяти коров, и обеспечиваемую им
мощность. Время цикла сбраживания – 15 суток, температура 35 °С,
подача сухого сбраживаемого материала от одного животного идет со
скоростью 2,3 кг/сут, выход биогаза составляет 0,25 м3/кг, эффективность горелочного устройства 0,75, содержание метана в получаемом
биогазе 0,8.
2. На ферме имеется 60 голов свиней. Предполагается использовать их навоз для получения биогаза в качестве автомобильного топлива. Оцените энергию, которой обладает получаемый таким образом
биогаз, и затраты на его сжатие до требуемого объема для приведения
автомобиля в действие. Предложите другие способы использования
биогаза на ферме.
3. Бак объемом 5 м3 используется в качестве биогазогенератора.
Каждый день через него проходит 0,3 м3 массы, содержащей 4,5 кг
57
сбраживаемого материала. Предполагая, что основная реакция
в биогазогенераторе
и что она идет в течение 8 суток, определите количество получаемого
биогаза и теплоту его сгорания.
4. Что такое биотопливо? Какие его виды Вы знаете?
5. Что такое энергетические фермы?
6. Расскажите о достоинствах и недостатках развития энергетики
за счет использования сельскохозяйственных культур в виде топлива.
7. В чем заключаются процессы пиролиза и газификации?
8. Расскажите о сжигании древесных отходов.
9. Какие способы получения биогаза Вы знаете?
10. Обсудите вероятность широкого использования энергии био-
массы на территории РФ, существующую стадию развития, перспективы направления отрасли.
ВЫВОД К РАЗДЕЛУ 2
Данная глава посвящена вопросам развития биоэнергетической
отрасли в мировой энергетике, рассмотрены вопросы, основные виды
и источники биомассы, способы производства топлива из биомассы и
т.д. Для более полного знакомства с тематикой вопроса рекомендуется ознакомиться с дополнительной литературой из списка.
58
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В учебном пособии рассмотрены основные вопросы, связанные с
использованием ветроэнергетики и энергии биомассы как нетрадиционных источников энергии. Безусловно, развитие данной сферы энергетики идёт в одном направлении с техническим прогрессом. Новые
технологии, инновации обеспечивают интенсивное развитие отрасли,
поэтому со временем и теоретические основы и практические достижения будут пополнять базу знаний и предоставлять возможность
решать новые, более инновационные задачи.
Конечно, направление нетрадиционных источников энергии
с каждым днём будет играть всё большую роль в жизни людей. Не
стоит забывать, что данный вид получения энергии является экологически безопасным и не зависит от запасов, а опирается только
на источник получения энергии (солнце, ветер, вода и т.д.).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Твайдел Дж., Уэйр А. Возобновляемые источники энергии / Пер. с англ. –
М.: Энергоатомиздат, 1990. – 392 с.
2. Лабунцов Д.А. Физические основы энергетики. – М.: Изд-во МЭИ, 2000.
3. Калашников Н.П. Альтернативные источники энергии. – М.: Знание, 1987.
4. Васильев Ю.С., Хрисанов Н.И. Экология использования возобновляющихся
энергоисточников. – Л.: Изд-во Ленингр. ун-та, 1991. – 343 с.
5. Данилов Н.И., Щеклеин С.Е., Велкин В.В., Шестак А.Н., Малетин А.П. Во-
зобновляемая энергетика – альтернативная в электрификации удаленных
районов // Эффективная энергетика. – Екатеринбург: Изд-во УГТУ, 2001.
6. Ушаков В.Г. Нетрадиционные возобновляемые источники энергии. – Ново-
черкасск: Изд-во НГТУ, 1994. – 120 с.
7. Городов Р.В., Губин В.Е., Матвеев А.С. Нетрадиционные и возобновляемые
источники энергии: учеб. пособие. – Томск: Изд-во Томского политехнического ун-та, 2009. – 294 с.
59
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]