Курсовая_1 / Chabannyi_Pal_mast_Mater_kn1

Газоподібне паливо

шар палива в газогенераторах можебути розділений начотири зони: горіння, відновлення, сухоїперегонкитапідсушку(рис. 1.40).

У зоні горіння кисень повітря вступає в реакцію з вуглецем та воднем палива, внаслідок їх окислення утворюються СО2 та Н2О, а часто і СО. Температура в зоні горіння підвищується при цьому до 1200...15000С. Продукти горіння, піднімаючись через зону відновлення (газифікації) і стискаючись з розжареним вуглецем, відновлюються до оксиду вуглецю та водню, при цьому температура знижується до 900…1100 0С. Якщо температура знизиться нижче 9000С, процес газифікації палива припиниться. В зоні відновлення відбувається також розкладання водяної пари, що міститься у паливі.

Рис. 1.40. Газогенератори з різними процесами газифікації палива:

а– з прямим; б – з оберненим; в – з горизонтальним; І – зона горіння;

ІІ– зона відновлення; ІІІ – зона сухої перегонки; ІV – зона підсушки

Узоні сухої перегонки гарячі газоподібні компоненти діють на тверде паливо. Оскільки кисню в зоні горіння не має, відбувається процес сухої перегонки з виділенням газо- і пароподібних продуктів, смолистих речовин. Паливо перетворюється спочатку у напівкокс, потім у кокс. Генераторний газ, який утворюється в другій зоні, піднімається до гори, змі-

шується з продуктами сухої перегонки і ця суміш, прямуючи до вихідного отвору, нагріває вищі шари палива до 150…200 0С.

161

І.М. Осипов

Недоліком прямого процесу газифікації є те, що генераторний газ значно забруднюється продуктами сухої перегонки (смолистими речовинами, органічними сполуками, вугільним пилом тощо). Перед використанням такого газу в ДВЗ, його попередньо обов’язково очищують.

Ці недоліки усунено в газогенераторах з оберненим і горизонтальним процесами. В них генераторний газ відводиться з низу газогенератора зразу ж після зони газифікації, а продукти зон сухої перегонки і підсушки, проходячи через зону горіння згорають і не засмічують газ. Це дозволяє значно спростити установку очищення газу, що має велике значення для транспортних машин.

Склад генераторного газу залежить від палива, яке газифікується за умов в яких проходить процес (табл. 1.27).

Генераторний газ, одержаний із різних видів твердого палива, може бути використаний для роботи ДВЗ. Для роботи газогенераторів з метою одержання генераторного газу можна використовувати дрова, торф, деревне, буре та кам’яне вугілля, кокс і напівкокс, брикети з різних сільськогосподарських відходів (тирса, лузга тощо).

Таблиця. 1.27

Склад генераторного газу, % за об’ємом

162

Газоподібне паливо

5.5. Особливості одержання і використання біогазу

Біомасою називають все те, з чого складаються рослини та тварини, а також відходи їх життєдіяльності. Біомаса рослин на суші нашої планети становить 2,4 1012 т. В океані щорічно утворюються 0,6•1010 т рослинної маси. Шляхом фотосинтезу виробляється 173 млрд т речовин (на суху масу), що приблизно у 20 разів перевищує енергію корисних копалин, що видобуваються у світі.

За даними ООН, від різних злакових рослин, вирощуваних на планеті, щорічно утворюється 1700 млн т соломи, велика частина якої не використовується. Не використовується, як правило, 120 млн т відходів після обробки цукрової тростини. Аналогічна картина із стеблиною бавовнику. Великі відходи тваринництва та птахівництва.

Із загальної кількості біомаси тільки 0,5% використовується людиною для їжі. Біомаса як акумулятор значної енергії може її віддавати при використанні відповідних біохімічних процесів.

За типом енергетичних процесів, пов’язаних із переробкою біомаси, розрізняють такі способи:

-пряме спалювання для безпосереднього одержання тепла. Основні вимоги до біопалива: висока теплотворна здатність, низька вологість та зольність;

-піроліз. Відбувається нагрівання до значних температур біомаси при повній або частковій відсутності кисню. Якщо піроліз провадиться з єдиною метою – отримати горючий газ, то процес ще називають газифікацією біомаси. Горючий газ (в

основному Н2 і СО із малими домішками СН4), одержуваний при цьому, має теплоту згоряння 4…8 МДж/м3;

-спиртова ферментація. Етиловий спирт або еталон – летке, рідке паливо, яке можна використати замість бензину. Його можна одержати як за допомогою хімічного синтезу, так і при спиртовому бродінні;

163

І.М. Осипов

- анаеробна переробка. Біомаса під впливом певних груп мікроорганізмів при відсутності кисню може розкладатися на метан (СН4), вуглекислий газ (СО2) та попутні гази. Ця суміш одержала назву біогаз, який має високу теплотворну здатність. При виробництві біогазу, крім біомаси рослинного походження, широко застосовують відходи тваринництва, фізіологічні відходи людини, промислові та міські відходи органічного походження.

У природних умовах розкладання біомаси відбувається під дією багатьох бактерій, що називають анаеробними. При цьому мають бути наявні волога і теплота та відсутнє світло. У присутності атмосферного кисню вуглець біомаси розкладається (згоряє) до вуглекислого газу. Якщо біомаса перебуває в обмеженому об’ємі із недостатнім надходженням кисню із зовнішнього середовища, то за певних умов розвиваються анаеробні бактерії. Під впливом цих бактерій вуглець біомаси розподіляється між повністю відновленим – СН4 і повністю окисленим – СО2.

Існує ряд умов, що забезпечують ефективність дії анаеробних бактерій. До найбільш значних відносяться підтримання постійної температури. Як правило, виділяють три характерні рівні температур, що відповідають певному виду анаеробних бактерій.

Нижчий рівень температур, за якого відбувається псикрофілічне бродіння, становить до 200С. Ця група бактерій діє при температурі навколишнього середовища у теплий період року. За рахунок бродіння відбувається розкладання біомаси у трясовині боліт і утворення “болотного” газу, який є біогазом.

При середньому рівні температур, що становить30…40 0С (оцінка значення температур наводиться приблизно), розвивається зоофільна група бактерій. При цьому оптимальним вважається значення температури 32…34. 0С. Вищий рівень визначається значенням температур 45…850С. При цьому відбувається термофільне бродіння. Оптимальним вважають значення температури у межах 52…550С.

164

Газоподібне паливо

Термофільне та мезофільне бродіння не може відбуватися без додаткових затрат енергії на піднімання заданої температури процесу. Причому анаеробні бактерії дуже хворобливо реагують не тільки на величину, а й на різні зміни температури. Збільшення температури процесу призводить до збільшення виходу біогазу, а отже, і до зменшення повного часу розкладання біомаси. Вважається, що збільшення температури процесу на 50С веде до подвоєння виходу біогазу.

Більшість метаноутворюючих бактерій добре розвивається у нейтральному середовищі із pH=6,5…7,5. Потрібний певний вміст азоту і фосфору: близько 10% та 2% маси сухого зброжувального матеріалу відповідно. При повному зброджуванні біомаси утворюються 50…75% СН4, 45…20% СО2, 1% H2S

інезначні кількості азоту, кисню, водню та закису вуглецю. У середньому вважають, що 1 м3 біогазу при згорянні може дати 20…25 МДж енергії, або енергія, що міститься у 1 м3 біогазу еквівалентна енергії 0,6 м3 природного газу, 0,74 л нафти або 0,66 л дизельного палива.

Тривалість зброджування гною залежить від виду біомаси

ітемператури зброджування. Для гною великої рогатої худоби та курячого посліду тривалість становить приблизно 20 діб, для свинячого гною – 10 діб. Активність мікробної реакції значною мірою визначається співвідношенням вуглецю та азоту. Найбільш сприятливі умови створюються при співвідношенні

C/N=10…16.

За добу від однієї тварини можна одержати таку кількість біогазу: велика рогата худоба (масою 500…600 кг) – 1,5 м3, свиня (масою 80…100 кг) – 0,2 м3, курка, кріль – 0,015 м3.

Для одержання біогазу можуть бути використані силос, солома, харчові відходи та ін.

Усередньому 1 м3 біогазу може дати 21…29 МДж енергії,

яку можна використовувати для різних потреб сільського господарства. Від 1 м3 біогазу за допомогою електричного генератора, що приводиться у дію газовим двигуном, можна отримати 1,6 кВт-год електроенергії.

165

І.М. Осипов

Біогаз можна спалювати як паливо у пальниках опалювальних установок, водогрійних котлів, газових плит, в автотракторних двигунах, агрегатах інфрачервоного випромінювання.

У тваринництві для підігріву води потреба у біогазі на одну тварину становить: дійної корови – 21…30 м3, свині – 1,5…5 м3. Великі значення цифр відносяться до малих ферм, менші – до середніх. Потреба у біогазі для опалення доїльних приміщень дорівнює: при кількості корів 40 – 160/330 м3/рік, при кількості корів 60 – 120/140 м3/рік, при кількості корів 80 – 260/530 м3/рік (у чисельнику вказані дані при температурі зовнішнього повітря до -100С, у знаменнику – при температурі нижче -100С).

Для опалення птахівницьких ферм при зовнішній температурі -100С і внутрішній 180С потрібно приблизно 1,2 м3/год біогазу на 1000 голів.

Залишок (метанову бражку) можна використовувати як добриво.

Залежно від особливостей технологічної схеми розрізняють три типи біогазових установок (БГУ): безперервні, періодичні та акумулятивні

При безперервній (протоковій) схемі (рис. 1.41) свіжий субстрат завантажують у камеру зброджування безперервно або через певні проміжки часу (від 2 до 10 разів за добу), видаляючи при цьому заброджену масу. Ця система дає можливість одержати максимальну кількість біогазу, але вимагає більших матеріальних витрат.

166

І.М. Осипов

зброджування і зберігання перебродженого гною до його вивантаження (рис. 1.43).

Рис. 1.43. Схема акумулятивного зброджування:

1 – реактор і сховище; 2 – газгольдер

Біогазові установки складаються із таких елементів: камери зброджування (прийняті також назви – реактор, ферментатор, метантенк), нагрівального пристрою (теплообмінника), пристрою для перемішування і газгольдера.

Метантенки виконують надземними, напівзаглибленими і заглибленими в грунт.

Камери зброджування виготовляють різної форми: циліндричні, кубічні, у вигляді паралелепіпеда і більш складної конструкції. Вони бувають одно- і двосекційними, встановлюють вертикально, горизонтально-похило. Метантенки виготовляють з металу, пластмаси, залізобетону. Схема заглибленого односекційного метантенка наведена на рис. 1.44.

168