Возобн. источн. энерг. Тексты лекций. Курс лекций для студентов специальности энергоэффективные технологии и энергетический менеджмент Минск 2009 удк620. 9(042. 4)

• Название: Курс лекций для студентов специальности энергоэффективные технологии и энергетический менеджмент Минск 2009 удк620. 9(042. 4)
• Дата: 20.06.2022
• Размер: 6.34 Mb.
• Имя файла: Возобн. источн. энерг. Тексты лекций.doc
• Тип: Курс лекций; #606643
• страница: 15 из 24

3.3.8. Целесообразность промышленного освоения

горючих сланцев в РБ

Несмотря на все положительные стороны комплексного безотходного способа переработки горючие сланцы не смогут заменить традиционные виды топлива (нефть и природный газ). Это связано, прежде всего, с ограниченной способностью промышленного и сельскохозяйственного комплекса республики по полной утилизации сланцевой золы. В результате термической обработки горючих сланцев образуются продукты, которые могут быть использованы в энергетике, химической промышленности, производстве строительных материалов, дорожном строительстве и сельском хозяйстве. Эффективность использования их, в первую очередь, определяется уровнем потребности и затратами на производство.

Производство таких продуктов, как бензол, толуол, сольвент, а также фенолов, кетонов и кислот путем пиролиза газового бензина не должно вызывать больших сложностей, поскольку в стране имеются опытные специалисты и технологии нефтеперерабатывающих заводов. Потребность этих химических элементов также не вызывает сомнения, однако вклад их в повышение рентабельности предприятия скорее всего будет незначителен из-за небольшого объема производства.

Сложность промышленного использования горючих сланцев во многом связана с решением экологической проблемы – утилизации зольных отходов, остающихся в больших количествах (более 70% сырья) в результате переработки сланцев. Однако при намеченной большой строительной программе в РБ имеются значительные и возникнут еще большие потребности в вяжущих материалах. Использование сланцевой золы может осуществляться для производства материалов, как для дорожного, так и промышленного строительства. При этом утилизация сланцевой золы в цементном производстве может осуществляться в крупных масштабах.

В области сельского хозяйства применение сланцевой золы для улучшения структуры торфяных почв также может быть сопряжено с большими объемами. В настоящее время в республике насчитывается 700 тыс. га торфяных почв, улучшение плодородия которых может обеспечено внесением в них более 1 млрд. тонн сланцевой золы.

Возможность использования горючих сланцев рассматривался в СССР еще в середине 20 века. Однако на тот период их использование было не эффективно из-за доступности более энергоемких ресурсов. В настоящее время при росте себестоимости традиционных видов топлива и новом уровне современных технологий комплексное промышленное освоение горючих сланцев может стать экономически оправданным.
3.3.9. Другие термохимические способы переработки биомассы

Биомасса может сжигаться или подвергаться пиролизу непосредственно после предварительной сортировки и измельчания. Однако она может быть обработана химически для того, чтобы получить исходный материал для спиртовой ферментации или вторичное топливо. Рассмотрим несколько наиболее важных примеров из большого числа возможных.

Получение метилового спирта. Метиловый спирт (метанол) – ядовитая жидкость, получаемая в процессе каталитической реакции между H₂и COпри температуре 330 °С и давлении 15 МПа:

2H₂ + CO = CH₃OH.

Водород H₂и угарный газ CO– компоненты синтетического газа, которые могут получаться при газификации биомассы. Метанол можно использовать в качестве заменителя бензина с теплотой сгорания 23 МДж/кг.

Гидрогенизация. Измельченную, разложившуюся или переваренную биомассу, например навоз, нагревают в атмосфере водорода до температуры около 600°С при давлении около 5 МПа. Получаемые при этом горючие газы, преимущественно метан СН₄ и этан С₂Н₅, при сжигании дают около 6 МДж на 1 кг сухого сырья.

Гидрогенизация с применением CO и пара. Ведется аналогично предыдущему процессу, но нагревание производится в атмосфере CO и водяного пара при температуре 400 °С и давлении 5 МПа. Из продуктов реакции извлекается газ и синтетическая нефть, которую можно использовать как топливо. Соответствующие реакции идут в присутствии катализатора:

,

.

Последняя реакция описывает превращение углеводов в нефтеподобные углеводороды. Эффективность преобразования энергии в этом процессе составляет примерно 65%.
3.4. Термическая переработка

твердых бытовых и промышленных отходов
3.4.1. Недостатки термической переработки

твёрдых бытовых отходов

Все термические технологии обладают одним общим недостатком – повышенной экологической опасностью при бункерном хранении, связанной с гниением отходов и с наличием вторичных отходов. Неудовлетворительная экологическая чистота связывается главным образом с отходами, содержащими хлорорганические вещества и выделяющие другие высокотоксичные органические соединения (фураны и диоксины). Выброс диоксинов происходит при протекании реакций с участием углерода, хлора и кислорода в присутствии катализаторов (Сu). Диоксинообразующими компонентами твердых бытовых и промышленных отходов являются такие материалы как картон, газеты, пластмассы, изделия из поливинилхлорида и т.п.

В результате термической переработки органической части отходов образуются диоксид углерода, пары воды, оксиды азота и серы, аэрозоль, оксид углерода, бензопирен и диоксины. Зола, имеющая в своем составе соли тяжелых металлов, накапливается в нижней части печи и периодически вывозится на полигоны для захоронения или используется в производстве цемента.

При технологии сжигания твердых бытовых и промышленных отходов при температуре менее 900С остаётся 25–30% вторичных твёрдых отходов, заражённых высокотоксичными веществами и требующих, в свою очередь, обезвреживания или специального захоронения. Кроме этого, при сжигании отходов при указанной температуре и медленном нагреве идет интенсивное образование диоксинов и полиароматических углеводородов, как в процессе сжигания отходов, так и в процессе охлаждения газов, где главную функцию синтеза и их транспортировки выполняют аэрозоли сажи. В результате этого происходит загрязнение окружающей среды на расстоянии до 30 км и, как правило, (из зарубежной практики) заводы по переработке твердых бытовых и промышленных отходов закрываются (Нидерланды, Голландия, Польша и т.д.) или переводятся на дорогостоящую систему очистки газов.

Основополагающим при переработке твердых бытовых и промышленных отходов является проблема образования диоксидов. Впервые о диоксинах заговорили в середине 1950-х гг. в связи с таинственной болезнью «хлоракне», поражавшей работников некоторых химических предприятий. Но после того как американцы стали использовать во Вьетнаме так называемый «Agent Orange», не только уничтожавший растительность джунглей, но и поражавший людей и уродующий их потомство, на информацию о диоксинах был наложен гриф «Совершенно секретно».

Оказалось, что не меньшую опасность, чем боевые отравляющие вещества и «Agent Orange», представляют газообразные продукты сгорания твердых бытовых отходов (ТБО), то есть, попросту говоря, обычного бытового мусора.

Диоксины относятся к группе ксенобиотиков, то есть веществ, совершенно чужеродных для всего живого. В медико-биологическом плане диоксины опасны тем, что способны, подобно радиации, накапливаться в организме и приводить к повреждению печени, повреждение центральной нервной системы, снижение иммунной зашиты и возникновению мутаций у потомства. Причем было установлено, что безопасных доз диоксинов вообще не существует: даже в исчезающе малых концентрациях они поражают все живые существа – от бактерий до теплокровных.

Одна лишь молекула любого из диоксинов способна нарушить деятельность клетки и вызвать затем цепь биохимических реакций, полностью нарушающих все функции организма. Так, диоксины влияют на рецепторы, ответственные за работу всех гормональных систем; с молоком матери они передаются младенцам, в результате чего те отстают в развитии, а впоследствии у них возникают заболевания, характерные только для стариков («синдром преждевременного старения»).

Одна из самых неприятных особенностей диоксинов заключается в том, что они чрезвычайно устойчивы и крайне неохотно разрушаются под действием обычных химических и биологических факторов и начинают разлагаться лишь при температуре выше 1200–1250С.

Реально снижают содержание диоксинов в отходящих газах только угольные фильтры, на которых диоксины необратимо связываются, а также специальные каталитические дожигатели. Именно в силу трудностей нейтрализации диоксинов очистные сооружения современных заводов стоят очень дорого.

Однако, опыт переработки твердых бытовых и промышленных отходов термическими методами позволил сделать вывод, что при сжигании отходов диоксины не образуются, если соблюдаются следующие условия:

– температура превышает 1250С;

– процесс происходит в окислительной среде (при коэффициенте избытка воздуха более  > 1,1);

– уничтожение отходов длится более двух секунд, причем температура практически мгновенно достигает рабочего значения.
3.4.2. Технологии термической утилизации отходов

Существует большое количество агрегатов для термической переработки отходов, однако, на данный момент эти конструкции имеют ряд существенных недостатков:

–образование соединений группы диоксинов и других опасных веществ;

– дороговизна эксплуатации агрегата, т.е. не обеспечивается экономическая выгода;

– большие выбросы в атмосферу;

– не полного выгорания отходов и т.д.

Методы термической утилизации отходов можно разделить на группы:

• 
  слоевое сжигание;
  
• 
  сжигание в кипящем слое;
  
• 
  сжигание в кипящем расплаве;
  
• 
  газификация.
  

Слоевое сжигание отходов в котлоагрегатах. Метод слоевого сжигания исходных отходов наиболее распространен и изучен. При данном способе обезвреживания сжигаются все поступающие на завод отходы без какой-либо предварительной подготовки или обработки. Однако сжигание отходов происходит при сравнительно низких температурах – от 600 до 900С. А именно при такой температуре и происходит наиболее интенсивное образование ядовитых продуктов, а то, что сгореть не может (силикаты, металлы), оказывается зараженным все теми же диоксинами. Поэтому все современные мусоросжигательные заводы оборудованы высокоэффективными устройствами для улавливания твердых и газообразных загрязняющих веществ, стоимость их достигает 30% кап. затрат на строительство мусоросжигательного завода.

К недостаткам данной печи следует отнести наличие движущихся элементов в зоне высоких температур; необходимость применения дорогостоящих жаростойких материалов для изготовления колосникового узла и скребков, подвергающихся воздействию высоких температур; необходимость частой замены скребков вследствие прогорания их в местах погружения в горящий слой и механической поломки.

Печи для сжигания отходов в кипящем слое. Сжигание в кипящем слое осуществляют за счет создания двухфазной псевдогомогенной системы ''твердое – газ'' путем превращения слоя отходов в ''псевдожидкость'' под действием динамического напора входящего потока газа, достаточного для поддержания твердых частиц во взвешенном состоянии. Слой напоминает кипящую жидкость, и его поведение подчиняется законам гидростатики.

К основным достоинствам метода относят: интенсивное перемешивание твердой фазы, приводящее к полному выравниванию температур, концентраций и других параметров по объему псевдожиженного слоя; высокая удельная производительность слоя; отсутствие движущихся и вращающихся частей; сравнительно простое устройство реактора; обеспечивается наилучший режим теплопередачи.

К наиболее существенным недостатком данного метода – это неравномерность времени пребывания в слое обрабатываемых частиц твердой фазы; возможность слипания и спекания твердых частиц; необходимость установки мощных пылеулавливающих устройств на выходе дымовых газов из слоя; необходимость во многих случаях подогрева ожижающего агента; ограниченность рабочих скоростей ожижающего агента.

Печи для сжигания отходов в расплаве (печь Ванюкова). Для термической переработки твердых бытовых отходов (ТБО) при температуре 1350–1400°С были предложены металлургические печи Ванюкова.

Сущность технологического процесса переработки ТБО в печи Ванюковка заключается в высокотемпературном разложении (плавке) компонентов рабочей массы в слое, находящегося в ванне печи, барботируемого шлакового расплава при температуре 1350 – 1400С и выдерживании их в течение 2–3 секунд. Сбрасываемые в ванну ТБО погружаются в интенсивно перемешиваемый вспененный расплав. При этом происходит полный разрыв связей в структурной цепочке сложных органических соединений, что предотвращает появление диоксинов и фуранов, имеющих техногенную природу образования.

Недостатком печи является потеря металлов в шлаке. Создание без инерционной системы автоматического регулирования процесса сложно, и соответственно, сложно поддержание заданной температуры без дополнительного расхода энергии, тепловой КПД низок. Запуск печи достаточно сложен и занимает 7 – 8 суток.

Газификация – способ переработки в вихревых реакторах или печах при температурах 600–1100С в атмосфере газифицирующего агента (воздух, кислород, водяной пар, диоксид углерода или их смесь). В результате реакции образуются синтез-газ (H₂, СО), туман из жидких смолистых веществ, бензопирена и диоксинов. Реакция газификации протекает в среде с восстановительными свойствами, поэтому оксиды азота и серы практически не образуются.

Сжигание твердых бытовых и промышленных отходов по технологии газофикации сложнее технически, как на стадий пиролиза и сжигания отходов, так и на стадии газоочистки.

Отличительная особенность газификации от сжигания состоит в том, что в реакторе газовая фаза имеет восстановительные свойства. Поэтому образование оксидов азота и серы термодинамически невыгодно, и вредных газовых выбросов у газификаторов значительно меньше, чем у печей сжигания.

В результате процесса пиролиза из сырья образуются парогазовая смесь и твердый углеродистый остаток (пирокарбон).

Существуют требования к перерабатываемому материалу: крупность материала не более 200 мм (допускается крупность 250 мм для отдельных кусков бумаги и полимерной пленки) и его теплотворная способность не менее 7 МДж/кг. Все это приводит к внедрению в технологическую схему соответствующих операций, а значит дополнительные экономические расходы.
3.5. Анаэробная переработка биотоплива
Многие виды биомассы обладают достаточно высокой теплотворной способностью. Однако не всегда прямое сжигание биомассы целесообразно. Влажная биомасса требует специальной осушки для сжигания. При этом затраты на осушку могут быть выше, чем полученный эффект от сжигания биомассы. В связи с этим биомассу с достаточно высокой влажностью (боле 60%) целесообразно подвергать анаэробному способу переработки. В результате этого не только исключается загрязнение окружающей среды и производится топливо (биогаз), но и получается высокоэффективные органические удобрения.
3.5.1. Технология анаэробной переработки

В естественных условиях разрушение любых видов биомассы, в том числе и навоза животных, происходит путем разложения на элементарные соединения под действием разлагающих организмов, грибков и бактерий. Для этого процесса предпочтительна сырость, тепло и отсутствие света.

На конечной стадии разложения может происходить под действием бактерий:

1. 
   аэробных – в присутствии кислорода и получением углекислого газа СО₂,
   
2. 
   анаэробных – в отсутствии кислорода и получением смеси углекислого газа СО₂ и метана CH₄ (биогаз).
   

Биохимические процессы при анаэробном сбраживании идут в три стадии, причем с различными типами анаэробных бактерий:

1. 
   Расщепляются нерастворимые биологические материалы (например, целлюлоза, полисахариды, жиры) на низкомолекулярные органические соединения (аминокислоты, моносахариды, жирные кислоты). При температуре 25С, время – около суток.
   
2. 
   Кислотопродуцирующие бактерии образуют уксусную и пропионовую кислоты, спирт, углекислый газ, водород, сероводород, аммиак. При температуре 25С, время – около суток.
   
3. 
   Анаэробные метанообразующие бактерии вырабатывают метан и углекислый газ. При температуре 25С, время – около 14 суток.
   

Выход газа в единицу времени сначала резко увеличивается, а затем по достижению максимума постепенно уменьшается. Через 100 суток выход газа полностью прекращается.

Основное уравнение, описывающие анаэробное сбраживание, имеет вид:

.

Некоторые виды бактерий образуют метан из целлюлозы и муравьиной кислоты:



4НСООН СН₄ + ЗСО₂ + 2Н₂О

Известны метанобразующие бактерии, образующие метан из метанола, метиламина, диметиламина, триметиламина и (или) ацетата:

4СН₃ОН 3СН₄ + СО₂ + 2Н₂О

4CH₃NH₂ + 2Н₂О 3СН₄ + CO₂ + 4NH₃

СН₃СООН СН₄ + СО₂

Кроме того, большинство известных видов метаногенов образуют метан из молекулярного водорода и углекислоты:

4Н₂ + СО₂ СН₄ + 2Н₂О

Ряд видов метаногенов синтезируют метан из окиси углерода:

4СО + 2Н₂О СН₄ + ЗСО₂

В результате получается биогаз с составом: углекислый газ СО₂ = 27–45%, метан CH₄ = 55–80%, а так же малые примеси водорода H₂ = 1–1,5% и сероводорода H₂S = 0,2–0,5% (при наличии сероводорода имеется характерный запах). Теплота сгорания биогаза составляет 20–25 МДж/м³ или 28–35 МДж/кг. Выход газа составляет 0,4–0,6 м³ на 1 кг органической массы.

Получили распространение две технологии производства биогаза:

1. 
   с использованием небольших объемов (50–200 кг) органического сырья при высоких температурах 40–60С в специальных устройствах – биогазогенераторах (метантенках).
   
2. 
   с использованием больших объемов при невысоких температурах 15–30С на специальных полигонах – свалках засыпанных слоем песка (получение свалочного газа).