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.
|
|
2.5. Биологический и химический способы использования солнечной энергии Выбор для данного предприятия теплового, фотоэлектрического или прямого способа использования солнечного излучения определяется не их КПД, а прежде всего, потребностью предприятия в тех или иных видах энергии (табл. 2.1.). Это обусловлено тем, что производимую этими способами энергию нельзя надежно, без потерь и в больших объемах аккумулировать. Таблица 2.1 Эффективность применения способов использования солнечной энергии
С этой точки зрения, биологический и химический способ более перспективны, так как производят химическую энергию, которую можно практически без потерь аккумулировать в больших объемах. Биологический способ использования солнечной энергии основывается на способности растений путем фотосинтеза превращать солнечную энергию в химическую форму энергии, широко используемую человеком. В простейшем виде этот способ включает выращивание, сбор и сжигание растений, наиболее пригодных для этого. В настоящее время проводят исследования по использование биотоплива на качественно новом уровне. Представляет интерес получения биотоплива имеющего оптимальные характеристики: быстрорастущие и с высокой плотностью накопление горючих компонентов, экологически чистое, удобное для утилизации. Проводятся экспериментальные исследования получения высококалорийного топлива путем использования солнечного света для выращивания быстрорастущих микроводорослей и других растений, накапливающих органическую биомассу. Использование морских водорослей для утилизации предполагается осуществлять на морских фермах и прудах очистки сточных вод. Химический способ использования солнечной энергии заключается в использовании процессов разложения и синтеза веществ под действием солнечных лучей. Одним из наиболее перспективных методов считается разложение воды на водород и кислород под действием видимого света. Как известно, лучи ультрафиолетового спектра разлагают воду на свои составляющие: водород и кислород. Однако эти составляющие солнечной радиации поглощаются в верхних частях атмосферы. Поэтому вода на поверхности Земли не разлагается на свои составляющие, а испаряется под действием солнечных лучей. Но в присутствии определенных катализаторов разложение воды под действием видимого солнечного света возможно. Уже найден ряд катализаторов для основных стадий разложения воды видимым светом. Разложение воды на составляющие ее водород и кислород можно осуществить также с помощью фотоэлектрических элементов. Под действием света на фотоэлементе возникает напряжение, в результате чего происходит электролиз воды. Коэффициент полезного действия таких установок пока низок. По стоимости этот способ еще не может конкурировать с другими источниками энергии. 3. БИОЭНЕРГЕТИКА 3.1. Классификация, характеристики и способы сжигания биотоплива 3.1.1. Биотопливо и ее источники Биотопливом называют вещества растительного или животного происхождения, а также отходы, получаемые в результате их переработки. Основа биотоплива – органические соединение углерода, которые в процессе соединения с кислородом при сгорании или в результате естественного метаболизма выделяют тепло. Уникальная роль углерода в живой природе обусловлена тем, что химические связи между атомами углерода могут быть разорваны в сравнительно мягких физиологических условиях. Первоначальная энергия биотоплива возникает в процессе фотосинтеза, являющегося естественным вариантом преобразования солнечной энергии. Фотосинтез – это процесс образования органических веществ (биомассы) и аккумулирование химической энергии под действием солнечного излучения. При фотосинтезе происходят химические реакции, в которых в основном участвуют углерод, водород, кислород, минеральные вещества и солнечное излучение. Одни из основных фотосинтезических реакций имеют вид: CO2 + 2H20  О2 + CH2O + H2O,где CH2O – основной компонент углеводов, 6CO2 + 12H20  6О2 + C6H12O6 + 6H2O,где C6H12O6 – глюкоза. В результате фотосинтеза образуются химические соединения этих элементов, энергия которых больше, чем энергия исходных материалов на величину поглощенной солнечной энергии. При этом биомасса является основным исходным веществом (рис. 3.1.) для образования ископаемых топлив (торфа, угля, нефти, газа). Таким образом, биомасса и образованные из нее ископаемые являются аккумулятором солнечной энергии. Биомасса – наиболее дешевая и крупномасштабная форма аккумулирования энергии. Ежегодный прирост органического вещества на Земле составляет 21011 тонн или примерно 31021 Дж. Это в десять раз больше необходимой энергии для человечества.  Рис. 3.1. Естественная трансформация биомассы в природе При последующем взаимодействии полученных в результате фотосинтеза веществ с кислородом солнечная энергия высвобождается в виде тепла, а продукты реакции могут вновь преобразовываться в биотопливо. Таким образом, в природе существует биологический круговорот (рис. 3.2). Следовательно, использование биотоплива позволяет обеспечить непрерывный процесс получения энергии без загрязнения окружающий среды.  Рис. 3.2. Круговорот биомассы в природе Источники биотоплива и нетрадиционные топлива, характерные для РБ, могут быть сгруппированы следующим образом: древесная биомасса (деревья, кустарник и продукты их переработки) – оцениваемый потенциал 3 млн. т у.т./год. отходы от возделывания зерновых культур (солома, стебли, ботва, шелуха от зерен и др.) – 2 млн. т у.т./год. отходы животноводства (навоз, помет) – 0,17 млн. т у.т./год. отходы промышленности и бытовые отходы (мусор) – 0,47 млн. т у.т./год. энергетическая биомасса (растения, выращиваемые с целью получения топлива) – 1–3 млн. т у.т./год. торф – 0,5 млн. т у.т./год (запасы 2,2 миллиарда т у.т). сланцы – запасы 792 млн. т у.т.. Следует отметить, что отходы от возделывания зерновых культур, животноводства, промышленные и бытовые отходы, по сути, являются вторичными энергетическими ресурсами и рассмотрение их характеристик и способов переработки не должно иметь место в рамках этого курса. С другой стороны получение энергии из этих видов биотоплива является для нашей страны пока еще нетрадиционной энергетикой, а любая сельскохозяйственная культура при определенных условиях может стать энергетическим топливом. Промышленно освоенной технологии эффективной утилизация сланцев не разработано в нашей стране, а следовательно этот способ получения энергии является нетрадиционным. Кроме того, запасы сланцев в нашей стране очень значительны и поэтому рассмотрение способов их возможной утилизации будет отведено достаточно много места в данном курсе. 3.1.2. Характеристики топлива Топливом называется вещество, которое при сгорании образует продукты, нагретые до высоких температур, за счет содержащейся в топливе химически связанной энергии. Состав топлива (содержанием в нем отдельных элементов) характеризуется следующим уравнение: Cp + Hp + Op + Np + Ap + Wp = 100%, где Cp, Hp, Op, Np, Ap, Wp – содержание в топливе соответственно углерода, водорода, кислорода, азота, золы и влаги. В состав любого топлива в виде основных горючих элементов входят углерод С, водород Н и сера S. Теплота сгорания водорода превышает теплоту сгорания углерода в 4 раза, но содержание водорода в топливе обычно невелико. Сера может сгорать и выделять теплоту, образуя сернистый и серный ангидрид. Кроме того топливо содержит негорючие элементы (кислород О, азот N), а также влагу W и золу А. Кислород обычно связывает некоторое количество горючих элементов, уменьшая этим выделение теплоты при сгорании топлива. Азот не участвует в процессе горения, но на его подогрев и выделение затрачивается определенное количество энергии. Если топливо нагреть без воздуха до температуры около 850С, то из топлива выделятся летучие вещества и останется твердый нелетучий осадок (кокс). Чем больше выход летучих и ниже температура начала их выделения, тем легче воспламеняется топливо и лучше горение. Золу (SiO2, Al2O3, TiO2, Fe2O3, CaO, MgO, Na2O, K2O и др.) прошедшую стадии плавления компонентов (температура плавления 1000–1200С), при которых она частично разлагается и превращается в спекшуюся массу называют шлаком. Влажность (относительная или рабочая влажность) топлива это отношение массы влаги к массе влажного топлива:  ,где m – общая масса топлива, m0 – масса сухого топлива. Величина влажности топлива может изменяться в диапазоне  , где значение  отвечает абсолютно сухому топливу, а значение  соответствует влаги в отсутствии топлива.Влагосодержание (абсолютная влажность) топлива это отношение массы влаги к массе сухого топлива:  .Величина влагосодержания топлива может изменяться в диапазоне  , где значение  отвечает абсолютно сухому топливу, а значение  соответствует влаги в отсутствии топлива. Поскольку величина  не изменяется в процессе сушки материала, то параметр влагосодержание удобнее использовать при технологических расчетах сушки топлива.3.1.3. Способы переработки биотоплива Переработка исходного топлива производится с целью получения другого, более эффективного топлива, удобного для автоматизированного сжигания с более высокими энергетическими показателями. Автоматизация тепловых установок позволяет увеличить экономическую эффективность при утилизации энергоресурсов. Экономическими конкурентами биотоплива является в основном жидкое топливо и природный газ, поскольку эти топлива однородны и их легко адаптировать к автоматике – изменение расхода жидкости или газа в трубе осуществляется простыми методами. Для достижения однородности и возможности осуществления надежной регулировки расхода, биотопливо должно перерабатываться. Имеются следующие способы подготовки биотоплива к сжигания: без переработки; неглубокая переработка – сушка, дробление, прессование, экстракция; глубокая (термохимической или биохимической) переработка – пиролиз, анаэробное брожение, ферментация. Сушке может подвергаться любое биотопливо с целью повышения теплоты его сгорания. Однако следует учитывать, что сушка это очень энергоемкий процесс и для его применения необходимо экономическое обоснование. Дроблению и прессованию в основном подвергается древесное топливо и торф. Экстракции (выжимке) подвергаются масленичные растения. Пиролизу подвергают биотопливо с влажностью менее 50%, анаэробному брожению и ферментации наоборот с влажностью более 50%. Источники биомассы и способы их переработки с примерным КПД представлены в таблице 3.1. Таблица 3.1 Источники биомассы и способы их переработки перед сжиганием
3.1.4. Источники и характеристики древесного топлива Древесина в зависимости от ее вида имеет различный состав. Она состоит из клетчатки 50–70% (содержащей углерод, водород и кислород), межклеточного вещества 30–50% (лигнина), азота, смолистых веществ, древесного сока в виде раствора в воде органических и минеральных веществ. Элементарный состав горючей массы древесины различных пород примерно одинаков и содержит следующие массовые доли: Сг = 50,9%, Нг = 6,1%, Ог = 41,9%, Nг = 0,8%, Sг = 0,3%. Влажность древесного топлива. Различают две формы влаги, содержащейся в древесной биомассе: свободную и связанную. Свободная влага находится в полостях клеток и в межклеточном пространстве древесины и удерживается только механическими связями. По существу такая влага ничем не отличается от разлитой жидкости на какой-нибудь поверхности. Связанная влага находится внутри стенок клеток и удерживается кроме механических дополнительными физико-химическими (адсорбционными, капиллярными, гигроскопическими и др.) связями. Затраты при сушке связанной влаги превышают теплоту испарения. В зависимости от величины влажности стволовую древесину подразделяют на мокрую, свежесрубленную, воздушно-сухую, комнатно-сухую и сухую. Мокрой называют древесину, длительное время находившуюся в воде. Влажность мокрой древесины находится в диапазоне 50–80%. Свежесрубленной называют древесину, сохранившую влагу растущего дерева. Она зависит от породы дерева и изменяется в пределах 33–60%. Влажность коры в свежесрубленном состоянии изменяется в широких пределах (от 27 до 68%). Влажность элементов кроны составляет около 50%. Воздушно-сухая это древесина, выдержанная длительное время на открытом воздухе. Получить сухую древесину сложно из-за наличия в ней связанной влаги. При сушке сначала удаляется свободная влага, затем связанная. При длительном нахождении древесины на открытом воздухе в сухую погоду (сушке) влажность топлива уменьшается до 17–25%. Комнатно-сухая это древесина, длительное время находящаяся в отапливаемом и вентилируемом помещении (влажность 7–11%). Зольность древесного топлива. Зола подразделяется на внутреннюю тугоплавкую (температура плавления выше 1450С), содержащуюся в древесном веществе, и внешнюю легкоплавкую (температура плавления 1100–1350С), попавшую в топливо при заготовке, хранении и транспортировки биомассы. Зола является нежелательной частью топлива, т. к. снижает содержание горючих элементов и затрудняет эксплуатацию топочных устройств. Содержание внутренней золы стволовой древесины изменяется в пределах от 0,2 до 1,17%. Зольность коры больше зольность стволовой древесины из-за постоянного взаимодействия коры с атмосферным воздухом, содержащего минеральные аэрозоли. Зольность коры различных пород варьируется от 0,5 до 8%. Внутренняя зольность листьев около 3,5%, веток и сучьев – от 0,3 до 0,7%. Однако в зависимости от типа технологического процесса заготовки древесины зольность коры, элементов кроны (листьев, веток и сучьев) существенно увеличивается из-за загрязнения их внешними минеральными включениями. |