2015-05-05
1497
Так как биомасса содержит горючие вещества (углеводороды и их соединения), то наиболее очевидно ее использование в качестве биотоплива для получения тепла. Хотя биомасса уже первоначально способна гореть, все же требуется некоторая ее подготовка. Так биомасса и ее отходы содержат большое количество воды, и перед сжиганием требует сушки.
Характеристикой любого топлива является его калорийность или теплотворная способность, то есть, удельное количество теплоты, которое можно получить при сжигании единицы массы или объема топлива. Чем выше калорийность топлива, тем меньше его требуется для получения одного и того же количества теплоты. Как упоминалось в главе 1, теплотворная способность биотоплива различна, и зависит от того, в каком виде оно используется. Вспомним, что из биомассы можно получать твердое, газообразное и жидкое биотопливо.
Наиболее просто получать твердое биотопливо, для чего биомассу высушивают. Таким образом, в качестве твердого биотоплива может использоваться сухая древесина или высушенные экскременты животных. Если используются отходы древесины, то для повышения технологичности биотоплива их брикетируют.
|
|
|
Биогаз получают в процессе брожения, и его производство наоборот требует увлажнения биомассы, а затем подогрева и перемешивания.
Эти примеры здесь приведены для понимания, что использование биомассы в качестве биотоплива требует подвода какого-то количества энергии, которое должно потом компенсироваться получением тепловой энергии.
Так как биомассу можно преобразовывать в твердое, газообразное или жидкое биотопливо, то ее можно использовать практически во всех процесса, требующих тепла, включая и паровые и тепловые машины. На рисунке 15.1 показана схема возможного применения биотоплива.
  |
Рисунок 15.1. Структура использования биотоплива
QС – тепло на сушку, подогрев, ЕМ – механическая энергия на перемешивание, QТ – теплота твердого топлива, QБ – теплота биогаза, QЖ – теплота жидкого топлива
Возможность получения качественного тепла путем сжигания биотоплива обусловливает и возможность получения электроэнергии в тепловых электростанциях, в которых приводом генератора является тепловая машина.
Достоинствами применения биотоплива для работы в тепловых электростанциях являются:
§ полная управляемость процессом, так как поступление биотоплива абсолютно прогнозируемо;
§ возможность использования существующих тепловых электростанций, особенно автономных, так как теплотворная способность жидкого и газообразного биотоплива эквивалентна теплотворной способности традиционного углеводородного топлива;
|
|
|
§ неисчерпаемость запасов биотоплива при правильном его воспроизводстве.
Получение газообразного и жидкого биотоплива
Как уже отмечалось, наиболее ценным является газообразное и жидкое биотопливо. Преобразование энергии биотоплива практически не отличается от преобразования энергии любого углеводородного топлива, поэтому практический интерес представляют только вопросы его получения.
Биотопливо может использоваться для прямого получения тепла (в этом случае сжигают высушенную биомассу или получаемый из нее древесный уголь) или для производства электроэнергии (в этом случае из биотоплива получают метан, который используют в автономных топливных электростанциях в качестве газообразного топлива приводных двигателей).
Процесс получения метана (СН4) из биомассы называется анаэробной переработкой. Как следует из названия процесса (анаэробная) он протекает в отсутствии кислорода воздуха. На рисунке 15.2 показана функциональная схема анаэробной установки, а на рисунке 15.3 – ее схематическое устройство.
Рисунок 15.2. Функциональная схема анаэробной установки
производства биогаза
Рисунок 15.3. Установка для получения биогаза
1 – вентиль, 2 – корпус, 3 – поршень, 4 – биомасса
Получение биогаза происходит следующим образом.
Поршнем 3 выдавливается воздух из биомассы. Затем вентиль закрывается и производится подогрев биомассы без доступа воздуха. Подогретая биомасса интенсивно перемешивается поршнем, имеющим лопатки. В перемешиваемой нагретой биомассе протекают процессы анаэробного брожения и начинает выделяться биогаз, в котором большинство составляет метан СН4. Под давлением биогаза поршень приподнимается, и газ выпускается в промежуточную емкость. Метан из промежуточной емкости после очистки компрессором закачивается в резервуар для хранения и последующего использования.
Применение установок для получения биогаза в настоящее время становится все более перспективным.
Кроме получения газообразного топлива из биомассы можно получать твердое (брикетированное или гранулированное) топливо и жидкое топливо (метанол).
Функциональная схема установки для получения жидкого топлива приведена на рисунке 15.4. Полученное топливо представляет собой метиловый спирт и может использоваться совместно с бензином в определенных пропорциях.
Обобщающим способом получения твердого (древесный уголь), газообразного (биогаз) и жидкого (смолы и масла) биотоплива является пиролиз. Схема пиролиза приведена на рисунке 10.5.
К.п.д. пиролиза определяется отношением теплоты сгорания произведенного биотоплива к теплоте сгорания исходной биомассы, и достигает довольно высоких значений. Например, газогенератор на древесине, производящий водород и СО, имеет к.п.д. 90% /9/. Некоторая потеря энергии компенсируется получением биотоплива, пригодного для использования в обычных тепловых двигателях. Это позволяет уменьшить потери энергии по сравнению с простым сжиганием биомассы. Так, используя продукты пиролиза при производстве электроэнергии можно достигать более высоких значений к.п.д., чем при использовании паровых котлов.
Рисунок 15.4. Функциональная схема установки
для производства метанола
   |
Рисунок 15.5. Функциональная схема пиролизной установки
Пиролиз протекает в четыре стадии, отличающиеся температурой процесса /9/:
§ 100 – 120оС – подаваемый в газогенератор материал, опускаясь вниз, освобождается от влаги;
§ 275оС – отходящие газы состоят из N2, CO, CO2; в виде конденсата выделяются смолы и масла, которые могут быть переработаны в метанол или метан;
§ 280 – 350оС – протекают экзотермические реакции, в процессе которых выделяются летучие вещества.;
|
|
|
§ 350 – 600оС – образуется водород, метан и СО, часть углерода переходит в форму древесного угля.
[1] В океане незначительная часть энергии солнечного излучения может использоваться на буйках.
[2] Так как ресурсы ВИЭ не ограничены, то под их запасом следует понимать ту часть энергии, которую можно использовать.
[3]) Последние наблюдения за климатом показали, что прирост средней температуры происходит более интенсивно, чем ожидалось.
[4] В последствии, в условиях роста цен на нефть, США приняли программу дальнейшего развития атомной энергетики, повысив требования к ее безопасности. В этой же программе увеличена доля и возобновляемых источников энергии.
[5] ) в соответствии с программой Международного геофизического года в исследованиях участвует и Россия (прежде СССР)
