Евгений Панцхава - Биоэнергетика. Мир и Россия. Биогаз. Теория и практика. Монография

• Название: Биоэнергетика. Мир и Россия. Биогаз. Теория и практика. Монография
• Автор: Евгений Панцхава
• Жанр: Детская образовательная литература
• Год: 2014
• ISBN: 978-5-4365-0155-0

Предлагаемая читателю монография, прежде всего, посвящается выдающимся отечественным ученым и специалистам, стоявшим у истоков создания отечественной биоэнергетики задолго до ее активного развития за рубежом. В книге представлены зарубежные и отечественные достижения по всем современным направлениям бурно развивающейся биоэнергетики как самостоятельного сектора общей мировой энергетики, ее теоретическим основам, технологиям, оборудованию и практическому применению.

Большое внимание уделяется теории и практики природного метаногенеза как сложнейшего биологического процесса, активно участвующего в кругообороте углерода в биосфере, роли этого процесса в эволюции живого на земле, его глобальному участию в образовании ископаемых углеводородов.

Книга рекомендуется для специалистов России, работающих в указанной области, для студентов, аспирантов и преподавателей кафедр, факультетов, вузов, изучающих и развивающих отечественную биоэнергетику.

---

3-48. Вместо бензина автомобили будут заправлять биотопливом, изготовленным из водорослей, biointernational.ru.

3-49. Я. М. Паушкин, Г. С. Головин, А. Л. Лапидус, А. Ю. Крылова, Е. Г. Горлов, В. С. Ковач, Получение моторных топлив из газов газификации растительной биомассы, www.promeco.h1.ru.

3-50. Биотопливо – плюсы и минусы, e-ypok.ru.

3-51. Наша позиция в отношении биотоплива 3-52. Автомобили: использование биотоплива, http://europa.eu. 3-53. Перспективы производства электрической энергии из биомассы …www.uabio.org

3-54. Поколения биотоплива., www.bionovosti.ru.

3-55. Third generation biofuels from microalgae – Formatex Research. www.formatex.info.…

3-56. Historical Overview – Biogas-china.org., www.biogas-china.org.

3-57. Бензин и этанол – мировые перспективы – рынок топлива., www.samoupravlenie.ru.

Глава 4. Технологии, используемые для производства исходного сырья из биомассы для синтеза моторных топлив разного класса

Ниже представлены короткие описания различных способов переработки биомассы: термохимические методы переработки, физикохимические методы переработки биомассы, а также биохимические методы.

Рис. 4–1. Технологии переработки биомассы. Переработка биомассы [4–1]

4.1. Термохимические технологии

4.1.1. Прямое сжигание

Древнейший, но наименее выгодный процесс с КПД получения тепловой энергии 15… 18 %. Однако существуют такие виды биомассы, которые выгоднее сжигать при условии создания тепловых агрегатов с более высоким КПД. К таким видам – биомассы относятся:

• солома злаковых и крупяных культур, стебли подсолнечника и кукурузы, из которых готовят топливные гранулы – пеллеты;

• некоторые виды древесины, древесные отходы;

• твердые отходы сельскохозяйственного производства;

• городские твердые отходы [4–2];

• отходы производства сахара из сахарного тростника – багасса, которая при прямом сжигании используется для производства пара, электричества, пульпы, бумаги, картона, корма для животных [4–3]. В 1995 г. во всем мире было получено около 200 млн. т багассы, из которых 95 % использовалось как топливо для производства сахара, заменив 40 млн т нефти.

Существует множество типов и размеров систем прямого сжигания биомассы, в которых можно сжигать различные виды топлива: птичий помет, соломенные тюки, дрова, муниципальные отходы.

Тепло, получаемое при сжигании биомассы, может использоваться для отопления и горячего водоснабжения, для производства электроэнергии и в промышленных процессах. Одной из проблем, связанных с непосредственным сжиганием, является его низкая эффективность.

Сжигание древесины может быть разбито на 4 фазы: – Кипение воды, содержащейся в древесине. Даже древесина, высушенная в течение нескольких лет, содержит от 15 до 20 % воды в клеточной структуре. – Выделение газовой (летучей) составляющей. Очень важно, чтобы эти газы сгорали, а не "вылетали в трубу". – Выделяющиеся газы смешиваются с атмосферным воздухом и сгорают под воздействием высокой температуры. – Сгорание остатков древесины (преимущественно углерод). При хорошем сжигании энергия используется полностью. Единственным остатком является небольшое количество золы.

Для эффективного сжигания необходимы три условия: 1. Достаточно высокая температура. 2. Достаточное количество воздуха. 3. Достаточное время для полного сгорания. [4–4].

Один кубический метр сухой древесины содержит 10 ГДж энергии (десять миллионов кДж). Для нагревания 1 литра воды на 1 градус требуется 4,2 кДж тепловой энергии. Для того, чтобы довести до кипения литр воды, потребуется менее 400 кДж, содержащиеся в 40 кубических сантиметрах древесины – то есть небольшая деревянная палочка. На практике на открытом огне потребуется, по крайней мере, в 50 раз большее количество древесины. Эффективность преобразования не превышает 2 %.[4–4] Разработка печей или котлов, способных эффективно использовать энергию топлива, требует понимания процессов сгорания твердого топлива. Первым процессом, потребляющим энергию, является испарение содержащейся в древесине воды. Для относительно сухого топлива на испарение используется лишь несколько процентов от общего количества выделяемой энергии. В самом процессе сгорания всегда имеются две стадии, потому что любое твердое топливо содержит две сгораемые составляющие. Летучие компоненты выделяются из топлива при повышении температуры в виде смеси паров и испаренных смол и масел. При сжигании этих продуктов образуются небольшие пиролизные струи. [4–4]. Современные устройства для сжигания (котлы) обычно производят тепло, пар, используемый в промышленных процессах, или электроэнергию. Устройство систем прямого сжигания варьируется в зависимости от варианта использования. Выбор топлива также влияет на дизайн и эффективность систем сжигания. Системы прямого сжигания биомассы подобны аналогичным устройствам, сжигающим уголь. На практике биомасса может сжигаться совместно с углем в небольшой пропорции в существующих угольных котлах. Биомасса, сжигаемая совместно с углем, представляет собой дешевое сырье, например отходы лесного или сельского хозяйства. Это помогает уменьшить выбросы в атмосферу, обычно связанные с использованием угля. [4–4]

4.1.2. Пиролиз

Термохимическая конверсия сырья без доступа воздуха при температуре 450…550 °C позволяет из 1 м3 абсолютно сухой древесины получать: 140… 180 кг древесного угля, не содержащего ни серы, ни фосфора и используемого для получения лучших сортов стали, 280.. 400 кг жидких продуктов – метанола, уксусной кислоты, ацетона, фенолов; 80 кг горючих газов – метана, монооксида углерода, водорода [4–2].

Разные виды высокоэнергетического топлива могут быть получены с помощью нагрева сухой древесины и даже соломы. Процесс использовался в течение столетий для получения древесного угля. [4–4].

Традиционный пиролиз заключается в нагреве исходного материала (который часто превращается в порошок или измельчается перед помещением в реактор) в условиях почти полного отсутствия воздуха, обычно до температуры 300 – 500 °C до полного удаления летучей фракции. Остаток, известный под названием древесный уголь, имеет двойную энергетическую плотность по сравнению с исходным материалом и сгорает при значительно более высоких температурах. В зависимости от влажности и эффективности процесса, 4-10 тонн древесины требуется для производства 1 тонны древесного угля. В случае если летучие вещества не собираются, древесный уголь содержит две трети энергии исходного сырья.[4–4].

Пиролиз может проводиться в присутствии малого количества кислорода (газификация), воды (паровая газификация) и водорода (гидрогенизация). Одним из наиболее полезных продуктов в этом случае является метан, представляющий собой топливо для производства электроэнергии с помощью высокоэффективных газовых турбин.

Более сложная техника пиролиза позволяет собрать летучие вещества. Кроме того, контроль температуры позволяет контролировать их состав. Жидкие продукты могут использоваться в качестве жидкого топлива. Однако они содержат кислоты и должны очищаться перед использованием.[4–4]. Получение древесного угля.

Производство древесного угля охватывает широкий диапазон технологий от простых и рудиментарных земляных устройств до сложных, обладающих большой мощностью реторт. Использование различных технологий приводит к получению древесного угля разного качества.

Типичные параметры качественного древесного угля: – Содержание золы – 5 %. -Содержание углерода – 75 %. -Содержание летучих компонентов – 20 %. -Плотность – 250–300 кг/м3. Физические параметры – Умеренно рыхлый.

Усилия по оптимизации производства древесного угля направлены на оптимизацию приведенных выше параметров при минимальных инвестициях и затратах на обслуживающий персонал и максимальном выходе угля по отношению к количеству древесины на входе. [4–4] Производство древесного угля состоит из шести главных этапов:

• Подготовка древесины.

• Сушка или уменьшение влажности.

• Предварительная карбонизация – уменьшение количества летучих компонентов.

• Карбонизация – дальнейшее уменьшение количества летучих компонентов.

• Завершение карбонизации – увеличение содержания углерода.

• Охлаждение и стабилизация древесного угля.

Первый этап состоит из сбора и подготовки основного сырья – древесины. [4].

Второй этап получения древесного угля выполняется при температурах от 110 до 220 °C, заключающийся в уменьшении количества воды в древесных порах, воды, содержащейся в клетках и химически связанной воды.

Третий этап проводится при температурах от 170 до 300 °C и называется этапом предварительной карбонизации. На этом этапе выделяются пиролизные жидкости в форме метанола и уксусной кислоты, а также малое количество окиси и двуокиси углерода.