Возобн. источн. энерг. Тексты лекций. Курс лекций для студентов специальности энергоэффективные технологии и энергетический менеджмент Минск 2009 удк620. 9(042. 4)
 Скачать 6.34 Mb.
|
|
3.5.7. Подготовка к использованию и аккумулирование биогаза При подготовке биогаза к использованию могут проводиться следующие мероприятия: удаление H2S (обессеривание), удаление CO2, компримирование и сжижение. Обессеривание биогаза проводят для удаление ядовитой части биогаза и для предотвращения сернокислотной коррозии в процессе сжигания биогаза. Наиболее экономичный и безопасный метод считается каталитический метод с применением Fe(OH)3. Этот метод можно представить в виде формулы: 2Fe(OH)3 + 3H2S = Fe2S3 + 6H2O + 61,92 Дж. Регенерация массы в присутствии воздуха выражается зависимостью: Fe2S3 +1,5O2 + 3H2O = 2Fe(OH)3 + 3S + 60,28 Дж. Удаление CO2 проводят для повышения теплоты сгорания биогаза, что позволяет использовать его в стандартных газомазутных котлах. Абсорбционная очистка биогаза от CO2 очень затратная и будет рациональна и экономична при очень высоком суточном выходе газа и утилизации удаляемого CO2. Компримирование и сжижение биогаза проводят для использования его в качестве топлива в двигателях внутреннего сгорания. Как показал практический опыт компримирование и сжижение (при атмосферном давлении и температуре – 161С) биогаза нецелесообразном по двум причинам: из–за большой дополнительной массы баллонов для переработаного газа и высокой стоимости компримирования и сжижения биогаза. Например, для одной смены работы трактора понадобится восемь балонов весом 50кг. каждый. Для рационального использования генераторного газа, необходимо предусмотреть аккумулирование газа в определенном объеме, поскольку производство газа и его потребление не соответствует одно другому. Для биогазовых установок небольших предприятий можно применять газгольдер высокого давления, мокрый газгольдер низкого давления, сухой газгольдер низкого давления. Газгольдеры высокого давления обычно имеют сферическую форму и работают при рабочем давлении 0,8–1 МПа, имеют вместимость 10–100 тыс. м3. К их преимуществам относится сравнительно небольшие габариты и отсутствие каких-либо движущихся частей. Недостатком считается необходимость в компрессорной установке. Для использовании биогаза в качестве топлива, требуется после газгольдера понизить его давление до 1–5 кПа. М  окрые газгольдеры низкого давления имеют вместимость 500–3000 м3 (рис.3.13). Их недостаток – опасность замораживания зимой, что вызывает необходимость в их обогреве или применение незамерзающей жидкости. Достоинства – поддерживают постоянное давление, обусловленное весом колпака; простота и надежность. Мокрые газгольдеры низкого давления получили широкое распространение в Восточной Азии, которые почти всегда плавают непосредственно в бродильной камере. Сухой газгольдер низкого давления может быть манжетного, оболочкового, баллонного или другого типа. Для сохранения постоянного давления служит помещенный сверху груз, который может перемещаться по вертикали. Они имеют номинальную вместимость 5–300000 м3, рабочее давление составляет 2–5 кПа. В среднем такой газгольдер на 20% дешевле, чем мокрый. Стоимость газгольдеров достаточна высока (20–30% от стоимости биогазовой установки). Поэтому исходя из экономических соображений, газгольдер нужно строить небольшого размера, чтобы он использовался только для выравнивания суточных пиков в потреблении газа. Нужно попытаться планировать более равномерное потребление газа, без пиков. В случае неравномерного сезонного потребления биогаза, следует предусмотреть резервный источник энергии. Расчет газгольдера. Давление в газгольдере низкого давления определяется весом колокола или груза:  , где m, S – масса и площадь горизонтальной проекции колокола или груза, соответственно. Объем газгольдера определяется из уравнения Менделеева-Клеперона:  ,где R – газовая постоянная биогаза, T – температура биогаза, m – масса биогаза. Перепад жидкости снаружи и под колоколом в мокром газгольдере определяется из основного уравнения гидростатики:  .3.5.8. Получение тепловой энергии при аэробном окислении Кроме методов анаэробной биоконверсии биомассы в топливо возможен другой микробиологический процесс получения энергии – аэробное окисление твердой биомассы (отходов) с выделением больших количеств тепла. Твердое органическое сырье погружается в шахту, снизу подается воздух. В результате окислительных процессов, осуществлямых микроорганизмами, происходит интенсивное выделение тепловой энергии и проходящие газы нагреваются до 80С. С помощью компрессии температуру газов можно увеличить до 100–110С и получаемую энергию аккумулировать в виде горячей воды или пара. Коэффициент полезного действия установок с учетом затрат электроэнергии на эксплуатацию воздуходувок составляет 95%. Такие установки промышленного типа работают в Японии. Образующийся шлам используется в качестве высокоэффективного органо-минерального удобрения. 3.6. Получение спиртов 3.6.1. Методы получения спирта Возможность широкого использования низших спиртов: метанола, этанола, бутанола, бутандиола, а также ацетона и других растворителей в качестве моторного топлива для двигателей внутреннего сгорания и дизельных двигателей вызвала большой интерес к получению перечисленных соединений биоконверсией из растительной биомассы. Микробиологическое получение этилового, бутилового спиртов и бутандиола из углеводов достаточно хорошо изучено и имеет многолетний промышленный опыт. Этиловый спирт (этанол) C2H5OH в естественных условиях образуется из cахаров соответствующими микроорганизмами в кислой среде, pH –от 4 до 5. Подобный процесс спиртовой ферментации во всем мире используют для получения питьевого спирта. Наиболее часто используемые микроорганизмы – дрожжи вида Saccharomyces cerevisiae – погибают при концентрации спирта выше 10%, поэтому для повышения концентрации используют перегонку. После перегонки (дистилляции) получается кипящая при постоянной температуре смесь: 95% этанола и 5% воды. Обезвоженный этанол в промышленных условиях производится путем совместной перегонки с растворителем типа бензола. При брожении теряется лишь 0,5% энергетического потенциала cахаров, остальные затраты энергии связаны с перегонкой. Необходимую тепловую энергию можно получить, сжигая остающиеся отходы биомассы. Этиловый спирт обычно получают с помощью брожения, вызываемого дрожжами: С6Н12О6 (сахароза)  2С2Н5ОН + 2 СО2,С12Н22О11 + H2O 4С2Н5ОН + 4 СО2.В качестве сырья используются меласса (отходы сахарного производства), зерновой, картофельный, кукурузный крахмал, который предварительно осахаривается. Этиловый спирт образуют в большом количестве бактерии, например из рода Zymomonas (Z. mobilis, Z. anaerobica), Sarcinaventriculiи Erwiniaamylovora. Среди продуцентов этанола имеются и клостридии, к их числу относятся Clostridiumthermocellumи Cl. thermohydrosulphuricum. В последнее время эти микроорганизмы интенсивно изучают, так как некоторые из них способны использовать в качестве сбраживаемого субстрата не только крахмал, но такой непищевой и дешевый продукт, как целлюлоза. Бутиловый спирт и ацетон в промышленности также получают с помощью бактерий из рода клостридий. Использование этанола и бутанола как моторных топлив требует их промышленного производства в объеме десятков миллионов тонн. Для этого требуется множество непищевого, дешевого и легкоконвертируемого сырья. В некоторых странах (например, в Бразилии) для производства технического этанола используют отходы сахарного тростника багассу, в других странах – маниок, батат, сладкое сорго, топинамбур (земляная груша). Указанные культуры являются представителями южных растений. Для стран с умеренным климатом и обладающими большими лесными массивами дешевым сырьем, для крупнотоннажного производства спиртов служит древесина. Ниже перечислены процессы производства этанола из различных культур в порядке возрастания трудностей переработки. 1. Непосредственно из сахарного тростника. Обычно промышленную сахарозу получают из сока сахарного тростника, а остающуюся патоку используют для получения спирта. На практике выход ограничивается конкурирующими реакциями и потреблением сахарозы на увеличение массы дрожжей. Промышленный выход составляет около 80% выхода. 2. Из сахарной свеклы вначале получают сахар для сбраживания, но свекла не дает достаточного количества отходов для получения тепла. Из-за этого этанол дорожает. 3. Из растительного крахмала, например, из злаковых, который можно также подвергнуть гидролизу на сахар. Это основной энергоаккумулирующий углевод растений. Состоит из двух компонентов с большой молекулярной массой, амилозы и амилопектина. Эти крупные молекулы четко линейны и состоят из глюкозных остатков, соединенных углеродными связями, которые могут быть разрушены ферментами солода, содержащегося в некоторых культурах, например в ячмене, или ферментами подходящих плесеней (грибков). Разрушить углеродные связи в крахмале можно и при обработке их сильными кислотами (pH ≈ 1,5) при давлении 0,2 МПа, но выход сахаров при этом снижается, а сам процесс по сравнению со сбраживанием удорожается 4. Из целлюлозы, которая содержит до 40% всей сухой биомассы и потенциально является обширным возобновляемым источником энергии. К растительным материалам, используемым для получения сахара с последующей их биоконверсией в спирты, относят различные виды отходов лесопиления и деревообработки, сельскохозяйственного производства (солома, хлопчатник, кукурузная кочерыжка, подсолнечная лузга, костра льна, конопли, малоразложившийся торф). В растениях целлюлоза тесно связана с лигнином, препятствующим ее гидролизу до сахаров. Соответствующие связи молекул глюкозы в целлюлозе значительно труднее поддаются гидролизу, чем у крахмала. Древесина может использоваться как сырье при условии разрушения структурных связей лигнина с целлюлозой и гидролизом последней, т.е. требуется определенная химическая или биохимическая предобработка. Это сдерживает широкое использование древесины для получения спиртов. Для возможного применения древесины в целях получения биопродуктов в настоящее время интенсивно разрабатываются различные технологии деструкции лигноцеллюлоз: механические (размалывание), физические (гамма-облучение), физико-химические (паровой взрыв, или парокрекинг), химические (гидролиз) – превращение целлюлозы в сахара возможно путем нагревания ее в серной кислоте биологические (ферментативный гидролиз) различные комбинации перечисленных методов. К наиболее перспективным следует отнести сочетание «парокрекинга» с ферментативным гидролизом– это предварительная обработка лигноцеллюлоз паром при высокой температуре и высоком давлении, при котором происходит взрыв кристаллических структур указанных субстратов и отделение лигнина от целлюлозы с последующим гидролизом клетчатки. Большие перспективы для использования целлюлозы в качестве сырья для получения самых разных продуктов открывает ферментативный гидролиз, осуществляемый некоторыми грибами и бактериями. Гидролиз протекает при 40–60°С и рН 4,0–7,0, не требует больших энергозатрат и коррозионностойкого оборудования. Но в этом случае процесс идет очень медленно. В основе промышленного процесса лежит использование измельченной древесной массы или старых газет. Механическое разрушение древесины – наиболее энергоемкая и дорогая стадия процесса. В ряде стран в течение многих лет существует промышленное производство этилового спирта путем брожения гидролизатов древесины. Такой способ основан на кислотном или щелочном гидролизе древесины, которые далее сбраживаются дрожжами до этанола. Но такая технология достаточно энергоемкая и требует использования коррозионно-устойчивого оборудования (основное препятствие ее широкого использования в практике). Из одной тонны древесины можно получить до 170–180 л этанола, из тонны картофеля – 100 л этанола, из тонны зерна ржи – до 270 л этилового спирта. Следовательно, одна тонна древесины при производстве этанола заменяет около 0,6 т зерна или 1,7 т картофеля. 3.6.2. Использование этанола в качестве топлива Жидкие топлива чрезвычайно важны из-за удобства использования и хорошего управления сгоранием в двигателях. Можно вводить в несколько переделанные бензиновые двигатели прямо 95%-ный этанол, а можно подавать в обычный двигатель смесь из 100%-ного этанола (обезвоженный) с бензином в соотношении 1:10. Обезвоженный этанол – жидкость в интервале температур от –117 до +78С с температурой воспламенения 423С. Применение его в двигателе внутреннего сгорания требует специального карбюратора. Поэтому и смешивают бензин с обезвоженным этанолом (20% по объему) и используют эту смесь (газохол) в обычных бензиновых двигателях. Газохол в настоящее время – обычное топливо в Бразилии (этанол там получают из сахарного тростника и маниока), используют его и в США (этанол из кукурузы). Важная особенность этанола – способность выдерживать ударные нагрузки без взрыва, из-за этого он гораздо предпочтительнее добавок из тетраэтилсвинца, вызывающего серьезные загрязнения атмосферы. Превосходные свойства этанола как горючего обеспечивают двигателям 20%-ное увеличение мощности по сравнению с чистым бензином. Массовая плотность и теплотворная способность этанола ниже, чем бензина, соответственно теплота сгорания (24 МДж/м3) на 40% ниже, чем бензина (39 МДж/м3). Однако лучшее горение этанола компенсирует это уменьшение теплотворной способности. Опыт подтверждает, что двигатели потребляют примерно одинаковое количество газохола и бензина. Таким образом, биомасса при ее рациональном использовании может стать эффективным источником возобновления энергетических ресурсов с использованием микробиологических процессов. Однако вклад биомассы в общую энергетику большинства развитых стран не превысит 10%, в отдельных странах он может составить 25–30%, но не более, так как в противном случае она перестает быть возобновляемым источником. 4. ГИДРОЭНЕРГЕТИКА Гидроэнергетикой называют область энергетики, использующей энергию падающей воды (энергия рек). Кроме гидроэнергетики водными источниками энергии являются волны и приливы. Утилизация энергии рек осуществляется на гидроэлектростанцих (ГЭС) с помощью турбин. Гидроэнергетика является наиболее развитой областью энергетики на возобновляемых источниках энергии. Нетрадиционные возобновляемые источники электроэнергии, такие, как энергия солнца, ветра, геотермальных вод, не могут, по крайней мере в настоящее время, успешно конкурировать с малыми ГЭС, отличающимися большей изученностью, меньшими удельными капиталовложениями, отработанной технологией производства энергетического оборудования, более простой и дешевой эксплуатацией. Кроме того, перечисленные источники энергии, даже, может быть, в большей степени, чем реки, привязаны к конкретным географическим районам, и возможность их использования предусматривает наличие близко расположенного потребителя. При сопоставлении малых ГЭС с другими традиционными источниками децентрализованного электроснабжения в настоящее время выделяют следующие их достоинства: доступность и возобновляемость дешевого источника энергии; известная и не представляющая сложностей технология производства оборудования и строительных работ; простая эксплуатация, включающая возможность полной автоматизации обслуживания; минимальное отрицательное влияние на окружающую среду; улучшение водообмена и аэрации воды и, как следствие, улучшение кислородного режима и повышение биологической активности реки; возможность строительства ГЭС на основе специализированных водохозяйственных системам (судоходными, ирригационными водоснабжения, очистными, рыборазведения, разведения водоплавающей птицы и т.п.). По сравнению с тепловыми электростанциями ГЭС обладают следующими преимуществами: возобновляемостью (неистощимостью) энергоресурсов рек; относительно низкой себестоимостью вырабатываемой на ГЭС электроэнергии (примерно в 8 раз меньше, чем на тепловых электростанциях); срок службы механического оборудования на гидроэлектростанциях более чем в три раза больше, по сравнению с оборудованием на тепловых электростанциях (около 50 лет). Это обусловлено равномерностью режима работы, и отсутствием экстремальных температур и других нагрузок; отсутствием выбросов вредных веществ в атмосферу; высокой маневренностью ГЭС в процессе обеспечения потребителей электроэнергией, что позволяет вырабатывать более дорогую пиковую электроэнергию (в России стоимость пиковой электроэнергии в 5,5 раз выше, чем стоимость ночной электроэнергии); Вместе с тем использование энергии водотоков малыми ГЭС может сдерживаться следующими отрицательными обстоятельствами – зависимостью выработки электроэнергии ГЭС от гидрологических и метеорологических условий. Создание ГЭС связано с большими удельными первоначальными затратами (капитальными вложениями), которые на 1 кВт мощности в два и более раза выше таковых в тепловых электростанциях. Возможно также негативное влияние водохранилищных ГЭС на окружающую природную среду и условия проживания людей в зонах влияния. Это проявляется, прежде всего, в затоплении и последствиях подтопления земель. Гидроэлектростанция состоит из следующих основных элементов (рис. 4.1): водохранилище (верхний бьеф) 1, напорный водовод 2, гидротурбина 3, электрогенератор 4, отсасывающая труба 5, нижний бьеф 6. Водохранилище является источником потенциальной энергии и создается с помощью платины, которая позволяет обеспечить стабильный расход воды через турбину. Водохранилище и напорный водовод являются наиболее дорогими элементами гидроэлектростаннции. Диаметр водовода не может быть слишком маленьким, т. к. при этом возрастут потери на трение  . Обычно, рассчитывают, что  .Из анализа структуры капитальных затрат в ГЭС следует, что основной вклад в стоимость их строительства обычно вносят затраты на создание их водохранилищ в долинах равнинных рек – от 35 до 50 и более процентов. В настоящее время нет общепринятого для всех стран понятия малой гидроэлектростанции, однако во многих странах в качестве основной характеристики такой ГЭС принята ее установленная мощность. По принятой в СССР классификации к малым формам гидроэнергетики относят микро- (до 0,1 МВт), мини- (до 1 МВт) и малые ГЭС (до 25 МВт).  Рис. 4.1. Принципиальная схема ГЭС |