Альтернативные источники энергии и энергосбережение

7.1. Что такое «биомасса»

Биомасса — это органические вещества, сохранившие в себе энергию Солнца, благодаря процессу фотосинтеза.

Источниками топлива из биомассы являются наземная и водная растительность, отходы сельскохозяйственного и лесозаготовительного производства, муниципальные отходы и отходы животноводства. Она образуется в ходе работы пищевой цепочки. В первоначальном виде существует в форме растений, затем передается травоядным животным, а если их съедят — то и плотоядным. Человек тоже ест растения и животных.

Биомасса характеризуется способностью к возобновлению, низкой ценой, небольшим объемом выбросов, исключением повышения содержания С0₂ в атмосфере, неэкономичностью транспортировки на большие расстояния и сильной тенденцией образования нагара и шлака при сжигании.

При сгорании биомассы (древесины, высушенной растительности) освобождается накопленная энергия и углекислый газ.

В принципе, биомасса — это любой материал органического происхождения, не только растения и животные, но и экскременты животных или остатки растений, такие как солома. Бумага и целлюлоза, отходы бойни, органические отходы, растительное масло и этанол — все это биомасса и может быть использовано для производства энергии.

Используются разные методы для превращения этих материалов в жидкий, твердый или газообразный источник энергии. Часто существует несколько путей превращения биомассы в энергию. Она, например, может быть сожжена в энергетической установке для получения тепла, переброжена в анаэробном реакторе, чтобы потом получить газ и затем электричество и тепло или может быть преобразована в синтетический газ или топлива путем термохимической газификации.

7.2. Прямое сжигание биомассы

Простейшим методом получения полезной энергии из сухой биомассы является ее сжигание на воздухе. Теплота реакции составляет от 16 до 24 ГДж/т абсолютно сухой биомассы, в зависимости от ее типа. Если количество кислорода недостаточно для полного окисления горючего материала, тогда происходит образование углерода, оксида углерода, углеводородов и других газов, а теплота реакции снижается. Азот и другие элементы, присутствующие в биомассе, превращаются в газообразные продукты и золу (http://www.bio-energetics.ru).

Вода также снижает температуру пламени и скорость сжигания. Однако использование печей с псевдо сжиженным слоем материала позволяет проводить сжигание при содержании воды до 55 %.

Были предложены регенеративные печи, повторно использующие тепло испарившейся воды и газообразных продуктов сгорания; в этих условиях теоретически возможно сжигание материалов, насыщенных влагой. Сжигание в соответствующих камерах сгорания может явиться одним из наиболее эффективных методов использования энергетического потенциала биомассы.

В печах прямого нагрева и паровых котлах использование тепла составляет 85 %, однако многие установки на практике являются значительно менее эффективными.

Перед сжиганием тем или иным способом большинство типов биомасс необходимо определенным образом подготовить. Типы биомасс могут варьировать:

♦ от плотных, относительно сухих материалов, таких, как древесина;

♦ до очень влажных, обладающих низкой теплотворной способностью, таких как канализационные стоки и морские водоросли.

Другие материалы, такие как солома, обладая низкой влажностью, имеет малую плотность, и поэтому работа с ними является затруднительной. Наиболее важными этапами подготовки биомассы являются:

♦ измельчение;

♦ сортировка по размерам частиц;

♦ сушка;

♦ хранение.

Необходимые размеры древесины получают путем распила, раскола и измельчения. Предварительная сушка на воздухе проводится не всегда, в зависимости от техники сжигания. Используют и другой метод подготовки древесины, называемый «уплотнением». В ходе этого процесса древесину сушат, измельчают, сортируют по размерам частиц и добавляют связующие агенты. Полученный материал брикетируют или прессуют в более плотную массу с содержанием влаги около 7 %.

Этот процесс является дорогостоящим и может более чем в двое повысить цену топлива. Но он, тем не менее, обеспечивает получение материала, способного заменить обычные виды топлива; в некоторых районах потребители готовы оплачивать эти лишние издержки.

Для транспортировки к месту использования солому прессуют в кипы. Кипы имеет низкую плотность (62—200 кг/м³ в зависимости от типа пресс-подборщика). Они должны быть небольшими для облегчения погрузочно-разгрузочных работ вручную, что ведет к высоким транспортным расходам. Кроме того кипы соломы неудобны для автоматической подачи в печи для сжигания. Делались предложения относительно измельчения соломы перед использованием, но это еще больше увеличивало издержки по подготовке биомассы.

Твердые отходы животноводства содержат обычно 70–85 % воды. Перед сжиганием необходима предварительная сушка, которую также можно осуществить путем использования топочных газов. Аналогичные методы применимы к другим материалам с высокой влажностью. При этом количество получаемого тепла в значительной мере снижается вследствие использования его части для высушивания топлива.

Хранение биологического сырья представляет особую проблему вследствие его большого объема, зачастую сезонного его поступления, а также склонности к биологическому разложению. Обычные виды топлива не имеет подобного рода недостатков. В некоторых случаях невозможно обеспечить подачу топлива в соответствии с необходимым выделением тёпла, поэтому необходима установка печей (бойлеров), способных работать как на обычном топливе, так и на биомассе.

Самый простой метод сжигания биомассы — это сжигание на открытом огне. В этих случаях эффективность сжигания очень низка. При сжигании топлива в традиционных печах отношение выделившейся энергии к подведенной энергии может быть менее 10 %. В последние годы были сконструированы эффективные дровяные печи и бойлеры.

Значительная потеря тепла в простых топках происходит из-за чрезмерной тяги в дымоходе.

В настоящее время имеется значительно более эффективные дровяные печи. Комната, где установлена такая печь, получает до 70 % энергии сгорания топлива или в результате излучения, или в результате конвекции. Однако средняя эффективность дровяных печей составляет все еще около 50 %.

Основным недостатком многих систем является:

♦ трудность обеспечения автоматической подачи топлива;

♦ необходимость постоянного внимания со стороны пользователей.

В целях частичного решения проблемы были созданы системы,

предназначенные для использования многих видов топлива; при желании работа в автоматическом режиме достигается путем переключения на ископаемые виды топлива.

Основной проблемой небольших систем сжигания биомассы является накопление агрессивных масел и смол в более холодных частях дымохода. Эти скопления необходимо периодически удалять; дымоход можно очищать также путем пропускания через него горячих газов (однако наряду с удалением нежелательных соединений теряется и полезное тепло).

Биомасса обычно используется в промышленности в качестве топлива только в тех случаях, когда она представляет собой остатки от переработки биологических материалов другие, более ценные, продукты. Это имеет частичное значение с точки зрения охраны окружающей среды, так как удаление остатков является часто затруднительным.

Два вида топлива биологического происхождения уже используются в промышленности, и методы сжигания их являются документально обоснованными:

♦ солома, получаемая в сельском хозяйстве:

♦ древесные отходы деревообрабатывающей промышленности.

Ниже дается некоторые комментарии по используемой технологии.

Сжигание соломы на фермах практикуется в некоторых районах, а печи для сжигания соломы производятся в Дании в широком масштабе. Однако, по крайней мере, в Великобритании, после закупки в 70-х годах тысяч небольших бойлеров интерес к последним упал, и, по имеющимся данным, в настоящее время используется менее половины закупленного оборудования.

Причина тому, по-видимому, неудобство работы с этим оборудованием, сгорание неустойчивое и неэффективное, а дым и сажа вызывают загрязнение окружающей среды. Выход тепла был ниже, чем это было гарантировано производителем. Появились усовершенствованные варианты с непрерывным сжиганием и разделением печи и бройлера (для повышения полноты сгорания), однако эти устройства стали более дорогостоящими, и они вышли из употребления.

Отрасли деревообрабатывающей промышленности используют древесные остатки для парообразования на месте производства. Пар используется для поддержания температурных условий процесса и для выработки электроэнергии. Горячие продукты сгорания могут использоваться для сушки.

Общие отходы деревообрабатывающей промышленности могут составлять до 50 % от массы сырья. Содержание влаги в отходах составляет 30–50 %. Паровые установки, использующие эти отходы, сжигают до 250 т/ч. Используется несколько типов бойлеров и печей — например, датские печи, печи с механической загрузкой, печи с наклонной решеткой.

Сжигается как влажная (до 30 % влаги), так и сухая древесина. Эффективность может быть такой же высокой, как и при сжигании других видов твердого топлива. Однако оборудование для сжигания часто включает высокоэффективные газовые и масляные установки (на случай отсутствия отходов).

Сжигание широко используется в целях утилизации городских и промышленных отходов. Несмотря на существование множества проектов по использованию полученного тепла для обогрева жилых домов, в большинстве случаев это тепло не используется. Стоимость сжигания может быть неожиданно высокой, но здесь первостепенное значение имеет борьба с загрязнением окружающей среды, а для некоторых отходов сжигания является единственно приемлемым способом их утилизации.

Газогенераторная установка (сжигатель, рис. 7.1), производит газ и тепловую энергию из отходов деревообработки (древесная щепа, опилки, обрезки, стружки и горбыль и т. д.), и прочих отходов биомассы (лузга подсолнечника, солома, некондиция семян растений).

Газогенераторная установка решает одновременно две задачи:

♦ утилизация отходов;

♦ очень дешевое теплообеспечение.

Рис. 7.1. Внешний вид газогенераторной установки

Сжигатель комплектуется бункером и автоматизированной шнековой подачей топлива, благодаря которой, повышается комфорт обслуживания и длительность одноразовой загрузки до 5 суток.

Газогенераторная установка разработана для котлов марки «КЭС». Также газогенератор можно применить в существующие котельные для других котлов отечественного или импортного производства с чугунным или металлическим теплообменником.

Опилки (стружка) или щепа засыпаются в бункер, оборудованный «ворушителями», которые предотвращают «налипание» сырья, и далее поступают в шнековый транспортер. Он работает в автоматическом режиме «подача-пауза» в соответствии с заданной на контроллере программой (подробности см. на http://kes.ucoz.ua).

Шнек осуществляет дозированную подачу топлива в газогенератор, в котором происходит процесс газификации, т. е. процесс практически полного превращения топлива в горючие газы (остаточная зольность менее 0,5 %).

Дальнейшая реакция между углеродом и кислородом воздуха обеспечивает температуру, достаточную для образования окиси углерода — главного горючего компонента вырабатываемого газа. Смолы и масла разлагаются на газы, которые содержат водород, реализуется принцип «чистой трубы».

Факел горящего газа направляется в камеру сгорания котла, в котором происходит нагрев воды. Обрезки и кусковые отходы сжигаются непосредственно в топке котла. Контроллер — программатор обеспечивает поддержание и регулировку температуры теплоносителя с точностью ± 1 град. Циркуляция воды в системе обеспечивается насосом.

В настоящее время для теплоснабжения зданий и сооружений, получения горячей воды для технологических нужд, получения пара и горячего воздуха для различных технологических процессов применяются водогрейные котлы, паровые котлы и теплогенераторы, в основном использующие дорогостоящие электроэнергию, каменный уголь, нефтепродукты и природный газ. В то же время имеются значительные запасы топливосодержащих бросовых материалов и низкокачественного топлива (отходы лесозаготовительного, деревообрабатывающего, гидролизного, сельскохозяйственного и других производств, торф, сланцы, бытовые отходы).

Газогенераторы позволяют утилизировать многие из указанных материалов, которые до сих пор используются в несущественных объемах. Их хозяйское, рациональное применение может привести к весьма значительной экономии угля, электроэнергии, жидкого топлива, природного газа.

Широкое внедрение газогенераторов позволяет одновременно содействовать разрешению и не менее важной задачи экологического плана — очистке значительной территорий от указанных отходов.

При выборе типоразмера газогенератора для системы отопления можно исходить из следующих норм:

♦ для отопления помещений с высотой потолков до 3 м на каждые 10 м² требуется 1 кВт тепловой мощности газогенератора;

♦ для отопления более высоких помещений на 100 м² требуется 4–5 кВт тепловой мощности газогенератора.

Газогенератор использует простой, хорошо проверенный способ преобразования твердого топлива в газообразное. На стадии газификации топливо и кислород воздуха, подаваемого в ограниченном количестве в камеру газообразования, нагреваются раскаленным реактором и вступают между собой в реакцию. В результате нее топливо разлагается на углерод, водяной пар, смолы и масла. Дальнейшая реакция между кислородом и углеродом обеспечивает температуру, достаточную для образования окиси углерода (СО) — главного горючего компонента вырабатываемого газа.

Смолы и масла разлагаются на газы, содержащие водород и некоторое количество метана. Минимальная теплотворная способность газа— 1100 ккал/м³. Газогенераторы позволяют при совместной работе с серийно выпускаемыми водогрейными или паровыми котлами, воздушными теплообменниками осуществлять теплоснабжение зданий и сооружений различного назначения, получать горячую воду, пар или горячий воздух для обеспечения технологических процессов (запарка кормов, стерилизация, сушка древесины, зерна и др.).

В качестве топлива для газогенераторов может применяться древесная щепа, кусковой торф (объем кусков от 1 см³ до 200 см³), смесь кускового торфа с опилками или стружками в соотношении примерно 1:1 по объему. Топливом могут быть и только опилки и стружка. Хорошим топливом для газогенераторов являются отходы гидролизной переработки древесины — лигнин, сформованный в топливный брикет (кусок).

Важной особенностью газогенераторов является их «всеядность». В них может использоваться топливо практически любой «сортности». Так, газогенераторы работают на измельченной древесине любых пород и любого качества (с корой, хвоей, подгнившая и т. п.). Существенную роль играет только влажность. Возможно применение топлива влажностью до 45–50 %.

Для наиболее эффективной работы и обеспечения максимального срока службы агрегата рекомендуется применять топливо с влажностью не выше 35 %.

Газогенератор — агрегат модульной конструкции, легко приспосабливаемый к работе с различными водонагревательными и воздухонагревательными устройствами.

Газогенератор состоит из трех основных узлов: камеры газообразования, трубы горения и бункера для топлива.

7.3. Сухая перегонка, газификация и сжижение

Основной целью всех процессов повышения качества биомассы является превращение ее в стабильное транспортабельное топливо, способное заменить ископаемые виды топлива без использования специального оборудования для погрузочно-разгрузочных работ. Путем сочетания нагрева и частичного сжигания биологических материалов можно получить твердые, жидкие и газообразные соединения, обладающие, по крайней мере, некоторыми свойствами угля, нефти и природного газа.

В Интернете описано много процессов, широко использовавшихся в прошлом; производство газа для использования его в качестве топлива путем сухой перегонки и газификации угля и биомассы было начато почти 200 лет назад. Различные термические процессы повышения качества биомассы, предлагаемые в настоящее время и использовавшиеся в прошлом, имеет много общих черт. Схематически используемые процессы представлены на рис. 7.2.

Рис. 7.2. Термическое обогащение биомассы

При нагревании биомассы происходит распад углеродсодержащих молекул с образованием ряда газообразных, жидких и твердых продуктов. Специфические продукты реакции определяются:

♦ температурой реакции;

♦ тепловой мощностью;

♦ степенью измельчения;

♦ типом биомассы;

♦ присутствием неорганических примесей и катализатора.

Тепло, необходимое для осуществления этих изменений, носящих эндотермический характер, подводится или из внешнего источника, или путем введения воздуха или кислорода в реактор и сжигания части биологического материала.

Термины «сухая перегонка», «газификация» и «сжижение» не имеют точного значения в литературе. Газификация и сжижение биомассы происходят как в присутствии, так и в отсутствие окислительных (О₂, воздух) и восстановительных (СО, Н₂) газов, обычно связанных с этими процессами.

В настоящем исследовании сухая перегонка рассматривается отдельно как анаэробный процесс. Превращение биомассы в газы при сжигании на месте рассматривается как газификация. Понятие «сжижение» охватывает восстановление биомассы до масел под действием восстановительных газов, полученных также из биомассы.

Высокая влажность биомассы представляет собой непосредственную проблему при осуществлении всех процессов повышения качества биотоплива вследствие затрат энергии на испарение воды и разбавления-продуктов реакции не прореагировавшим паром.

Большинство методов включают стадию высушивания при использовании уже частично высушенных материалов; однако в материале допускается определенное количество воды, которое необходимо для образования синтез газа (паровая газификация). Биомасса, содержащая более 30 % воды, потребует, очевидно, сушки перед осуществлением любых процессов.

Для облегчения процесса сушки, а также достижения требуемой скорости реакции в процессе тепловой обработки биомасса должна быть измельчена с получением соответствующих размеров частиц. Технологическая схема включает дробильные, измельчительные и размалывающие установки. Если биологический материал представляет часть общих отходов, необходим предварительный отсев негорючих и других примесей. «Уплотненная биомасса», о которой говорилось выше, может быть использована для процессов обогащения без дальнейших обработок.

Нагрев биомассы приводит к удалению влаги (ярко выраженный эндотермический процесс). При температуре выше 100 °C биомасса начинает разлагаться, а между 250 и 600 °C основными продуктами являются уголь и маслянистая кислая смесь дегтя и различных количеств метанола, уксусной кислоты, ацетона и следы других органических веществ. До развития нефтехимической промышленности источником этих соединений была перегонка древесины.

На рис. 7.3 показан в качестве примера пиролиз целлюлозы. При температуре свыше 600 °C жидкие продукты пиролиза могут быть газифицированы, а свыше 800 °C газифицируется также и уголь в результате эндотермической реакции углеродсодержащих молекул с водой с образованием синтез газа, смеси оксида углерода и водорода.

Рис. 7.3. Пиролиз целлюлозы

Какие химические реакции протекают в процессе тепловой обработки биомассы, точно определить трудно вследствие очень сложной химической природы биомассы. Правда, основными компонентами многих типов растительного материала являются целлюлоза и крахмал, и нам известны некоторые реакции сухой перегонки этих продуктов и их термодинамика. Сначала происходит карбонизация или обугливание.

Реакция является, в некоторой степени, экзотермической, т. е. такой же, как и получение пиролитического масла. В качестве средней молекулярной формулы пиролитического масла принимается формула С₆Н₈О (энтальпия=2,1 ГДж/т).

Образование синтез газа является в высшей степени эндотермической реакцией. При быстром нагревании целлюлозы, как при «мгновенном» пиролизе, может образоваться некоторое количество олефинов в ходе другой эндотермической реакции.

Несмотря на некоторые утверждения относительно автотермального характера (или близкого к автотермальному) процесса сухой перегонки биомассы, термическое обогащение биомассы обычно требует затрат теплоты, составляющих до 10 % теплоты сжигания сухой биомассы (примерно до 2 ГДж/т). Эта доля может быть значительно выше, например, при производстве угля, где происходит потеря летучих продуктов.

За исключением производства высокоценного древесного угля, используемого как в качестве топлива, так и для других целей, сухая перегонка биомассы в промышленном масштабе не используется в развитых странах. Древесный уголь обычно получают путем нагревания древесины до 350 °C в пиролитическом реакторе. Выход составляет около 35 % топлива с энергоемкостью примерно 29 ГДж/т, то есть сохраняется около 50 % энергии древесины.

Ниже даются комментарии по другим предложенным процессам. В одном из процессов используется пиролиз при 500–600 °C и давлении 20 бар с получением синтеза газа. Наконец, быстрый пиролиз сухой биомассы при 800 °C ведет к образованию олефинов, которые могут быть полимеризованы в автомобильный бензин (его заменитель).

В «западном» процессе (ранее процесс Гаррота) сырье должно быть высушено и тонко размолото. Теплота, необходимая для осуществления пиролиза, получается в результате реакции. Газы удаляются из угля в циклонном сепараторе до очистки от жидкостей и остающихся твердых частиц, а затем уголь и газы возвращаются в пиролизатор. Схематическая диаграмма этого процесса показана на рис. 7.4.

Рис. 7.4. Пиролиз биомассы

В целях максимизации выхода жидкости время пиролиза сокращается до нескольких секунд. Выход пиролитического масла составляет около 40 % в расчете на сухое сырье. Пиролитическое масло не смешивается с топливной нефтью, имеет коррозионные свойства, аналогичные свойствам уксусной кислоты, и может храниться только в течение примерно двух недель вследствие продолжающихся химических реакций.

Для использования этого масла в качестве топлива необходимо специальное оборудование. Теплотворная способность пиролитического масла составляет около 53 % теплотворной способности топливной нефти (по массе). Выход угля составляет от 20 до 50 %,содержание золы в угле до 50 %. Газы имеют низкую теплотворную способность и содержат до 65 % двуокиси углерода и до 8 % сероводорода.

Свойства пиролитического масла. Углерод — 57,5 %. Водород — 7,6 %. Кислород — 33,4 %. Энергоемкость — 24 ГДж/т. Плотность — 1,3 г/см³.

В ходе процесса древесные стружки проходят через печь с продуктами реакции. В качестве катализатора добавляется древесная зола. Газы, жидкости и уголь газифицируются с помощью пара, присутствующего в древесине. Этот процесс считается авто термическим вследствие экзотермического характера разложения древесины и переноса тепла от горячих продуктов в систему.

Третий процесс включает быструю паровую газификацию биомассы с образованием смеси олефиновых углеводородов. Высушенную биомассу размалывают в муку, насыщают паром и остаточными газами полимеризационного реактора и нагревают до 800 °C.

Эндотермическая реакция поддерживается путем сжигания пиролитического угля (побочного продукта) и отходящих газов. Образовавшиеся газы содержат около 4 % по массе этилена, полимеризующегося до высших углеводородов при давлении около 56 кг/см³ и температуре 500 °C. Однако побочные продукты не обеспечивают достаточного количества теплоты для протекания процесса, что вызывает необходимость сжигания дополнительного количества древесины. Выход автомобильного бензина и масла определяется термической эффективностью 11,9 % в расчете на сухое древесное сырье.

Газификация биомассы кислородом дает газ средней энергоемкости, содержащий в основном оксид углерода и водород. Аналогичная реакция происходит на воздухе, но образующиеся газы разбавляются азотом, снижающим теплотворную способность. Химические процесс газификации представляет собой сочетание химического процесса сжигания с некоторыми “реакциями пиролиза, описанными в предыдущем разделе. Уголь, полученный в результате пиролиза, реагирует с паром или диоксидом углерода с образованием синтез газа.

Пиролитеческие масла претерпевают аналогичные реакции. При температуре выше 1000 °C единственно стабильными молекулами топливного газа являются молекулы СО и Н₂. При более низких температурах стабильны молекулы этилена, метана и другие молекулы с небольшим весом.

Газификаторы классифицируют следующим образом: газификаторы восходящего тока, нисходящего тока, кипящего слоя и взвешенного потока. Схематические диаграммы газификаторов восходящего и нисходящего токов показаны на рис. 7.5.

Рис. 7.5. Газификация способом нисходящего и восходящего токов

Последний тип широко использовался в период второй мировой войны на транспортных средствах, трейлерах и небольших силовых установках. Недавно газификаторы, работающие на угле, использовались на Филиппинах для различных форм транспорта. Такие газификаторы нуждаются в постоянном уходе и внимательном отношении при запуске, регулировании и техническом обслуживании.

Воздушные газификаторы нуждаются в постоянном уходе и внимательном отношении при запуске, регулировании и техническом обслуживании. Воздушные газификаторы представляются как первые биотопливные системы будущего для замены существующих бойлеров и для обеспечения процессов необходимой теплотой с использованием отходов отраслей промышленности, перерабатывающих биомассу, например продовольствие и бумагу. Состав типичных газов, полученных с использованием кислородного газификатора, дает возможность химического их превращения, например в метанол и аммиак.

Сжижение/восстановление

Были разработаны предложения по превращению биомассы в жидкость, напоминающую тяжелую топливную нефть, путем реакции ее с восстановительными газами (оксид углерода и водород) в присутствии катализатора. Обычно необходимо давление 250 бар и температура 600–700 °C. Процессы сжижения обычно предполагают подготовку восстановительных газов путем пиролиза или окислительной газификации большего количества биомассы. В редких случаях можно получить дешевый водород из других источников, например при электролизе воды на гидроэлектрических установках.

Древесину высушивают до влажности 4 %, размалывают в муку и смешивают с частью продуцированной нефти. В качестве катализатора добавляют карбонат натрия в количестве 5 % по массе. Смесь древесины, нефти, пара и катализатора подвергают первоначальному давлению 29 бар и нагревают до 300 °C в течение часа для обеспечения 99 %-ного превращения древесины и выхода нефти 56 %. Схематически процесс показан на рис. 7.6. Нефть рекомендована для использования в качестве бойлерного топлива.

Состав и свойства сжиженной нефти. Углерод — 76,1 %. Водород — 7,3 %. Кислород — 16,6. Плотность — 1,1 г/см³. Энергоемкость — 31,4 ГДж/т.

Рис. 7.6. Сжижение древесины

7.4. Гидролиз и ферментация

Все виды растительной биомассы содержат моно- и полисахариды, служащие как для аккумулирования энергии и углерода, так и в качестве структурного компонента. Хотя простые сахара встречаются в соке всех растений, только экстрагирование их из сахарного тростника и сахарной свеклы носит промышленный характер.

Тем не менее, эти растения являются основным источником производства сахара в мире. Полимерные сахара являются основными компонентами растительной биомассы и служат главными продуктами питания человека, животных, используются в качестве материалов для строительства, производства одежды, а также в целом ряде других отраслей экономики.

Углеводы можно экстрагировать из сырой биомассы путем использования целого ряда химических и механических методов от применения простого давления при переработке сахарного тростника до химического экстрагирования с высокими затратами энергии и сульфатной варки древесины. В табл. 7.1 представлены некоторые виды сахаров (мономеры, олигомеры и полимеры), полученные из различных видов растений и отходов биомасс.

Выход углеводов колеблется в широком диапазоне (в расчете на сухую биомассу) и может составлять до 60 % (целлюлоза) в древесине и около 15–20 % (сахароза) в сахарном тростнике и сахарной свекле.

Перед ферментацией олигосахариды и полисахариды обычно следует гидролизовать до моносахаридов в отдельном реакторе.

Гидролизуемость материалов (легкость с которой происходит гидролиз) в значительной степени варьирует. Крахмал и пентозаны (гемицеллюлозы) требуют относительно мягких условий. При их гидролизе используют разбавленные кислоты и невысокие температуры; гидролиз целлюлозы происходит при более высоких температурах, с использованием более сильных кислот и реакторов под давлением.

Все полисахариды также разлагаются до некоторой степени под действием ферментов. Крахмал гидролизуется относительно легко под действием как кислоты, так и ферментов, в то время как целлюлоза обычно требует предварительной обработки для высвобождения связанного лигнина перед тем, как она будет повреждена ферментативному гидролизу.

Скорость гидролиза целлюлозы при участии ферментов низкая. Наиболее часто встречающиеся моносахариды в гидролизованой растительной биомассе — это глюкоза, фруктоза и ксилоза.

Практически все природные сахара имеет в своей основе пять (пентоза) или шесть (гексоза) атомных углеродных групп. Технология гидролиза крахмала является хорошо обоснованной. Обычным промышленным сырьем являются кукуруза и другие зерновые, а также картофель, переработка которых проходит в одну или две стадии (двойная кислота Кислота/фермент или двойной фермент).

Крахмал растворяется при нагревании в воде, что вызывает «разжижение» полисахаридов с расщеплением полимерных цепей кислотой или альфа амилазой. Гидролиз до моносахаров (сахарификация) осуществляется снова кислотой или амилоглюкозидазой.

Продуктивность ферментативного процесса является низкой по сравнению с химическими методами, и для осуществления максимальной сахарификации необходимо не менее трех дней. Хотя в прошлом специфичность реакции была хуже для кислого гидролиза, ферментируемые сахара получают теперь в пределах минут, а не часов, и сейчас фактически возможно получение большого выхода моносахаридов.

В настоящее время промышленный гидролиз целлюлозы в странах свободного рынка не осуществляется, так как разработанные ранее технологии, такие, как процессы Сколлера и Мэдисона, по имеющимся данным, являются неэкономичными. В настоящее время в литературе появились описания усовершенствованных процессов кислого гидролиза целлюлозы, а также новейших ферментативных процессов, включающих многофазовые реакции при различных температурах, предварительную обработку целлюлозы и использование новых видов ферментов.

В анаэробных условиях моносахариды могут быть превращены в спирт с помощью различных микроорганизмов. Выход спирта при превращении гексоз с участием дрожжей рода Saccharomyces составляет при благоприятных условиях до 90 % от теоретической стехиометрии реакции: С₆Н₁₂О₆ = 2С₂Н₅ОН + 2СО₂.

Однако здесь может образовываться ряд других продуктов, особенно при высоких значениях pH, как это показано в табл. 7.2.

Если реакция доходит до конца, превращение ферментируемых сахаров может быть 100 %-ным. Если концентрация спирта достигает ингибиторного уровня (8—10 %), превращение может быть неполным. Рост дрожжей становится ограниченным вследствие низкого обеспечения энергией в ходе реакции; таким образом, образовавшийся спирт препятствует увеличению калорийности субстрата.

Многие другие организмы, включая другие виды грибов, бактерий и зеленых растений, могут в анаэробных условиях превращать сахара в спирт, причем некоторые организмы осуществляют эти превращения с высокой эффективностью.

Однако выход спирта часто бывает значительно меньше, чем при участии дрожжей. При этом происходит образование большого количества других продуктов, таких как ацетаты, лактаты и глицерол.

Некоторые микроорганизмы, разлагающие целлюлозу, могут сочетать оба процесса гидролиза и ферментации. Такие реакции протекают медленно, и выход спирта является низким.

Продуктивность спиртового брожения является высокой по сравнению с продуктивностью многих биологических реакций, но низкой по сравнению с продуктивностью реакций, протекающих в среде синтез газа, используемых для получения больших объемов химических.

Биологические катализаторы (дрожжи) также менее эффективны, чем химические, эти наблюдения важны при сравнении стоимости химических и биологических процессов.

В своей простейшей форме ферментация осуществляется партиями в сосудах вместимостью от 200 до 1000 м³. Микробная «закваска» готовится заранее в неполных аэробных условиях с использованием того же субстрата, что и для ферментации.

Реакция ферментации в разбавленном растворе сахара. За последние годы был использован ряд новых типов ферментатаров, включая ферментаторы непрерывного действия и типа клеточной рециркуляции. Некоторые из этих ферментаторов используются в промышленности, особенно для производства этилового спирта.

Периодическая ферментация предпочтительна при производстве спиртных напитков, а также в большинстве случаев производства этилового спирта, так как технология периодического производства относительно проста, не требует тщательного контроля, как при непрерывном типе производства.

Цель начального этапа перегонки — отделение жидкости от твердых частиц в сбраживаемой массе. Фракционирование дистиллята дает раствор, содержащий 50–70 % спирта, а при последующих (водных) перегонках концентрация спирта может быть 90–94 %.

Более высокие концентрации обычно невозможны вследствие образования азеотропной смеси спирт+вода при концентрации этанола около 95 %. Таким образом, в последующих перегонках используют азеотропообразователь (например, бензол, циклогексан) с получением 99,9 %-ного этанола.

Кроме спирта, процессы брожения и перегонки дает остатки и стоки, которые следует удалять. Остаток от перегонки имеет высокую способность к поглощению кислорода вследствие наличия несброженных сахаров и других компонентов биомассы. Объем этих остатков в 15 раз больше объема произведенного спирта. Остатки обычно сбрасывают в реки и моря, а также вносят в почву.

На рис. 7.7 схематически показан типичный процесс получения топливного спирта из древесины. В литературе описано множество других вариантов с использованием иных источников углеводов, начиная от соломы и отходов бумажной промышленности, кончая городским мусором.

Рис. 7.7. Превращение древесины в спирт

7.5. Анаэробное разложение

Некоторые органические молекулы биомассы могут подвергаться анаэробному разложению в результате деятельности микроорганизмов. Основные продукты распада — диоксид углерода, метан и большое число микробных клеток. В природе этот процесс протекает в гнилостной среде.

С прошлого века его использовали для обработки больших количеств шлама (осадка сточных вод). Главное преимущество этого метода — сокращение числа и обезвоживания твердых частиц вторичного отстоя очистительных установок.

Только крупные канализационно-очистные сооружения используют выделившийся метан как источник энергии. Небольшие очистные сооружения, имеющие реакторы, могут сжигать газ или использовать его для подогрева самих реакторов.

За последние годы была предложена технология удаления навоза на крупных предприятиях интенсивного животноводства; удаление стоков с предприятий, занимающихся переработкой биологических продуктов, например переработкой продуктов питания; превращения биомассы в энергию.

Эта технология — одна из наиболее простых, среди технологий получения топлива из биомассы. В результате эта технология особенно пропагандировалась для использования в странах третьего мира, где устанавливается большое число реакторов.

Технология

Современная очистная установка может быть вместимостью от 500 до 4500 м³. Крупные емкости строятся из бетона и стали. Стальные емкости покрывают изоляционным материалом, а поверхность, находящуюся в контакте с содержимым реактора, — эпоксидной смолой или аналогичным материалом.

Содержимое перемешивают с помощью крыльчатки или винтового насоса, расположенных в емкости, а также путем прокачки жидкости через внешний обводной трубопровод или путем повторной циркуляции отходящих газов. Перемешивание и нагрев часто чередуются или осуществляются одновременно. Перемешивание служит в основном для предотвращения образования поверхностных корок, особенно при переработке сельскохозяйственных отходов.

Нагревание необходимо потому, что при умеренной температуре окружающей среды реакция протекает слишком медленно. Нагрев до 30–45 °C одновременно обеспечивает высокую скорость реакции и в тоже время позволяет избежать чрезмерных расходов.

Для обеспечения непрерывной подачи материала устанавливается специальная емкость, а для отвода используется уровень. Небольшие очистные сооружения часто имеют систему загрузки партиями (при наличии первичных и вторичных сточных осадков). Время нахождения жидкости в реакторе обычно составляет от 10 до 30 дней. В случае трудно сбраживаемых материалов и при температурах, ниже оптимальных, эти сроки могут увеличиваться до нескольких месяцев.

Реакторы для навоза, других органических отходов и растительных остатков мало отличаются от систем описанных выше. Поскольку стоимость реакторов для отбросов и. сточных вод при проектировании их только для производства биотоплива крайне высокая, был предложен ряд более дешевых вариантов, например:

♦ резинопластиковые надувные емкости;

♦ емкости, вырытые в земле и выстланные специальными материалами.

Такие варианты должны рассматриваться как экспериментальные, так как их срок службы значительно короче, чем срок службы более прочных и надежных систем, описанных выше.

В табл. 7.4 показаны выход, продуктивность и степень превращения сырья при анаэробном разложении биомассы. Цифры представляют собой типичные значения, взятые из литературы; соответственно ясно, что все три параметра не высоки по сравнению с другими методами обогащения биомассы.

Наиболее легко превращаемым материалом является навоз нежвачных животных, а также легкогидролизуемый крахмал, белки и моносахариды. Растительные остатки, отходы целлюлозы и навоз жвачных трудно разлагаются и требуют длительного нахождения в реакторе.

Загрузка реактора зависит от типа материала. Обычно поступающий материал содержит 3 % твердых частиц при максимальном их содержании 5 %.

Разлагаемая часть отходов (летучие твердые частицы) может составлять до 90 % общего количества твердых частиц, но обычно их доля составляет около 70 %.

Были предложены и испытаны другие типы реакторов (автоклавов):

♦ клеточно-рециркуляционный (контактный) реактор;

♦ анаэробные фильтры;

♦ реакторы с псевдосжиженным слоем и с восходящим взвешенным слоем осадков.

Последний тип получил распространение, так как флоккулированная биомасса остается в реакторе, сток является сравнительно чистым, а закачка сырья, служащего пищей микроорганизмам, проводится в основание реактора.

При такой конструкции время нахождения жидкости в реакторе значительно короче, однако эта конструкция пригодна только для обработки растворов и суспензий с низким содержанием органического вещества. Такая технология больше подходит для очистки сточных вод, чем для производства биотоплива.

Хранение биогаза обычно считается крайне дорогостоящим. Стоимость газометров может в 4 раза превышать капитальные затраты, на строительство самого реактора.

Газ используется, прежде всего, для нагревания реактора до рабочей температуры. При наличии излишков, биогаз может быть использован в силовых установках или в качестве топлива для двигателей.

Для нагрева автоклавов могут также быть использованы вода, охлаждающая генераторы, или выделившееся теплота. Состав биогаза делает его малопригодным для подобного использования, так как он высокоагрессивен и приводит к разрушению большинства обычных насосов и трубопроводов. Сероводород способствует коррозии двигателя и должен быть удален; диоксид углерода и влага, содержащаяся в газе, снижает ценность топлива для двигателей внутреннего сгорания, которые не будут работать на смесях, содержащих более 45 % СО₂.

Состав газа, выделяющегося при анаэробном разложении. Метан — 20–80 %. Двуокись углерода — 15–16 %. Вода — 2–3 %. Азот — 0,5–1 %. Сероводород — до 1 %.

Однако теплотворная способность биогаза обычно достаточна для использования его в модифицированных бойлерах, дизельных и карбюраторных двигателей, устанавливаемых, в частности на крупных очистных сооружениях. Для транспортных средств необходимы компрессоры для снижения объема газа до приемлемого уровня.

Опасности, связанные с использованием биогаза

Следует упомянуть о двух важных обстоятельствах, связанных с подготовкой и использованием биогаза при самостоятельном его изготовлении. Во-первых, смесь метана с воздухом взрывоопасна, и, во-вторых, что более серьезно, сероводород присутствующий в биогазе, крайне токсичен. В промышленных условиях применяются соответствующие меры безопасности, однако недостаточно осторожное обращение с этим газом может оказаться роковым.

Удаление сброженного осадка

Заключительной проблемой, связанной как с использованием энергии, так и с охраной окружающей среды, является удаление осадка из автоклава, объем которого может достигать 50–60 % исходного количества твердых частиц. Что касается коммунальных отходов, то этот объем составляет 10–15 %.

Возможно, возникнет необходимость транспортировки сброженных осадков в места отсыпки грунта и к морю. Для сокращения транспортных расходов используется отстаивание, коагуляция и другие методы обезвоживания.

Содержание меди, цинка и других токсичных металлов в сброженном осадке затрудняет его использование в качестве удобрения. Имеется предложения по переработке осадка в корм для животных; технически это осуществимо.

Были проведены некоторые эксперименты по включению осадка в корма, однако сомнительно, чтобы это соответствовало критериям, определяющим требования к к здоровью животных и вкусовым качествам корма. Экстрагирование и очистка белкового компонента осадка, по-видимому, нерентабельны.

Места отсыпки грунта

Основная масса городских отходов в развитых странах удаляется путем их транспортировки в места отсыпки грунта, где находятся свалки мусора. Эти свалки представляют собой гигантский биореактор, загруженный сырьем при фактически нулевой стоимости. Метан, медленно образующийся в биомассе, должен быть собран и использован аналогично тому, как это имеет место в обычных реакторах.

Экономика этого процесса будет рассмотрена позднее; по имеющимся данным, она значительно более благоприятна, чем при использовании реакторов интенсивного типа.

7.6. Технология получения биодизельного топлива «ТЕКМАШ»

Уникальность технологии «ТЕКМАШ» основывается на гидродинамической обработке компонентов реакции в виде растительного масла и метилового спирта, что приводит к интенсификации протекания реакции трансэтерификации — основной реакции получения биодизельного топлива (http://new.tekmash.ua).

Увеличение полноты протекания реакции происходит:

♦ во-первых, за счет гидромеханического воздействия на молекулярном уровне на компоненты реакции;

♦ во-вторых, за счет эффективного перемешивания среды, что обеспечивает транспортировку метилового спирта и гидроокиси калия или натрия в требуемой пропорции в любую область прохождения реакции.

Интенсификация процесса протекания реакции происходит за счет кавитационного воздействия на компоненты реакции в специально спроектированных неразрушаемых насадках.

Известно, что при кавитационном воздействии на обрабатываемую среду, давление и температура в локальной зоне воздействия повышаются до тысяч градусов и атмосфер. При таких условиях реакция трансэтерификации происходит практически мгновенно и при минимальном энергопотреблении.

Для эффективного перемешивания компонентов реакции используется специальная технология «ТЕКМАШ» и оборудование в виде струйно-вихревых гидродинамических нагревателей типа ТЕК-БД.

В выпускаемых компанией «ТЕКМАШ» замкнутых гидродинамических аппаратах полностью отсутствуют застойные зоны, что обеспечивает 100 %-ую полноту прохождения реакции трансэтерификации.

Использование подхода «ТЕКМАШ» позволило при получении биодизеля осуществить основную реакцию этерификации с максимальной полнотой. Это дало возможность вписаться в американский стандарт качества биодизельного топлива ASTM, получив при этом:

♦ минимальное количество отходов, требующих утилизации (не более 2 % от массы растительного масла);

♦ минимальное энергопотребление (не более 10–20 кВт-ч) на 1 тонну произведенного биодизельного топлива.

Для сравнения, при производстве биодизельного топлива по классической технологии с применением нагрева с помощью электрокотла энергопотребление для получения 1 тонны биодизеля лежит в пределах 50—100 кВт-ч, т. е. практически в 3 раза больше, чем по технологии «ТЕКМАШ».

Сравнительная таблица (табл. 7.5) использования технологии «ТЕКМАШ» и классической технологии получения биодизельного топлива (из расчета производительности одна тонна в час).

Линия по производству биодизельного топлива (рис. 7.8) работает следующим образом.

Рис. 7.8. Линия по производству биодизельного топлива

Растительное масло из емкости перекачивается насосом Н1 в реактор-трансэтерификатор, куда добавляется порция спирта и гидроокиси калия (КОН) или натрия (NaOH) из дозатора. После заполнения реактора включается насос установки ТЕК-БД и компоненты реакции многократно циркулируют через зону гидромеханического воздействия по схеме:

«емкость —> ТЕК-БД —> насос —> турбулентная насадка — > емкость». При этом температура в реакторе ТЕК-БД поднимается на 10–12 °C. По окончании циркуляции продукты реакции перекачиваются насосом НЗ в одну из емкостей для разделения на биодизель и глицерин (процесс разделения длится 15–20 минут).

После разделения биодизель и глицерин перекачиваются насосами Н4 и Н5, соответственно, в свои емкости. После заполнения этих емкостей готовый продукт поступает на хранение или использование.

Перед началом работы линии предварительно готовится 4–5 порций смеси КОН (или NaOH) и спирта в реакторе, куда подается спирт и КОН из своих емкостей. Процесс приготовления смеси занимает 10 минут. С помощью насоса Н2 готовая смесь перекачивается в дозатор.

7.7. Горючее для автомобиля своими руками

Достоинства

Одним из перспективных видов автомобильного горючего, в настоящее время, является метиловый спирт (http://ugle-kislota.narod.ru).

Метиловый спирт (метанол) представляет собой бесцветную воспламеняющуюся жидкость со слабым спиртовым запахом, температура замерзания -98 °C, кипения +65 °C. Хорошо смешивается с водой. Как и все спирты, он обладает высокой детонационной стойкостью, октановое число метанола составляет 114,4 единицы. Для сравнения, октановое число этанола (винный, этиловый спирт) — 111,4 ед.

Из всех антидетонационных компонентов бензина, метанол является наиболее эффективной добавкой в отношении снижения выбросов СО, СН и NOx. Может метанол использоваться и как самостоятельное автомобильное горючее, в этом случае метанол имеет определенные достоинства.

Метанол представляет собой «чисто» сгорающее топливо, обладает лучшими топливными характеристиками, чем бензин, вследствие чего, при его применении повышается КПД двигателей внутреннего сгорания. Современные бензиновые двигатели могут хорошо работать на метаноле. При этом технические характеристики двигателя улучшаются:

♦ высокая детонационная стойкость;

♦ абсолютное отсутствие сернистой коррозии двигателя и выбросов серы и сажи в выхлопе;

♦ минимальное нагарообразование в двигателе;

♦ на 50 % меньшая токсичность продуктов сгорания.

Следует отметить, что повышается КПД, благодаря внутреннему охлаждению и повышению степени сжатия высокий коэффициент наполнения цилиндров горючей смесью (по сравнению с бензином выигрыш в мощности при работе на метаноле достигает 10 %).

Указанные достоинства метанола привели к тому, что он уже давно используется как топливо на гоночных автомобилях и авиамоделях, спортивных мотоциклах, где требуются компактные и вместе с тем мощные двигатели. Многие исследовательские институты считают его топливом будущего.

Недостатки

Вместе с тем метанол имеет и недостатки. Безводный метанол хорошо смешивается с бензином в любых соотношениях, но при попадании в топливный бак влаги, топливо расслаивается. В баке получаются две несмешиваемые жидкости. Для ликвидации этой причины желательно дополнять бак фильтром-осушителем или устанавливать отдельный бак с топливопроводом.

Другим недостатком метанола является более низкая, чем у бензина, испаряемость, что вызывает затруднения при пуске двигателя на холоде. Для улучшения пуска на холоде, приходится выполнять подогрев пускового объема холодного топлива (чаще всего электрический) или производить запуск двигателя на бензине.

Для горения метанола требуется в два раза меньше воздуха, чем для бензина, поэтому при работе на чистом метаноле необходима перерегулировка карбюратора бензинового двигателя.

Отрицательным свойством метанола является его ядовитость. Хотя многие химики, авиамоделисты и гонщики, десятилетиями вплотную обращающиеся с ним (естественно с соблюдением правил техники безопасности и санитарии) без каких-либо последствий для собственного здоровья.

Превосходят метанол по опасности многие применяемые в автомобиле вещества. По токсичности метанол уступает используемой в системе охлаждения жидкости (смертельная доза этиленгликоля около 100 мл) и аккумуляторному электролиту.

Опаснее метанола, выбрасываемые в большом количестве бензиновым выхлопом:

♦ тетраэтилсвинец (предельно допустимая концентрация (ПДК) которого в воздухе составляет 0,005 мг/м³, в то время как ПДК метанола — 5 мг/м³);

♦ оксид углерода (СО, угарный газ, кровяной яд) и оксиды азота.

Санитарными правилами при работе с метанолом запрещается:

♦ изготовление политур на метаноле;

♦ выпуск продуктов (мастик, нитролаков, клеев и др.), применяемых в быту и выпускаемых в торговую сеть, в состав которых входит метанол;

♦ применение метанола для разжигания нагревательных приборов;

♦ применение метанола в качестве растворителя.

Без своевременно оказанной медицинской помощи смертельная доза 100 % метанола при приеме внутрь составляет 100–150 мл. При употреблении меньших доз метанола возможна слепота из-за поражения зрительного нерва.

Разбавленный метанол в 80 раз токсичнее этилового спирта такой же концентрации. Для лиц, постоянно контактирующим с метанолом, средством, снижающим ядовитость метанола, является 30 % этиловый спирт в дозе 100 мл в день.

При случайном употреблении метанола внутрь, до получения медицинской помощи, необходимо вызвать рвоту, принять 100 мл теплого 30 % спирта и затем принимать его каждые 2 часа по 50 мл 4–5 раз. В последующие 2–3 суток по 100 мл в день.

Вообще, все спиртные напитки содержат примеси метанола, но в организме этиловый спирт «связывает» продукты разложения метанола (формальдегид!) и токсическое действие метанола снижается.

Для сравнения, смертельная доза 96 градусного этилового спирта (питьевого неразбавленного, для умеренно пьющего человека) составляет 200–300 мл за один прием, а токсическая доза бензина при приеме внутрь равна 20–50 г.

При повышенной концентрации паров метанола в воздухе, действие его паров выражается в покраснении глаз, звоне в ушах, головной боли. С целью обнаружения повышенной концентрации паров метанола в воздухе, в салоне автомобиля можно установить датчик обнаружения паров алкоголя. Эти датчики предлагаются сейчас в большом ассортименте.

В значительно меньшей степени указанные недостатки присутствуют в бензино-метанольных смесях.

Производиться метанол может из углекислоты или любого органического вещества: уголь, древесина, сельскохозяйственные отходы и т. п. Но наиболее простой метод заключается в получении метанола из природного (сетевого) газа. Одновременная подача углекислоты и природного газа снижает расход природного газа и значительно повышает выход метанола.

Возможно изготовление комбинированной метанольно-углекислотной установки. В этом случае эти производства дополняют друг друга: на метанольную установку подается углекислота от производства СО₂, а сбрасываемый с метанольной установки отходящий горючий газ подается для сжигания в углекислотный процесс.

Основными действующими веществами в превращении природного газа в метанол являются катализаторы.

Упрощенно, технология получения метанола заключается в пропускании природного газа через фильтр для очистки газа от катализаторных ядов, затем превращение очищенного природного газа на катализаторе в другой вид газа, а затем на выходе из следующего катализатора получение готовой продукции.

Также как и при получении самогона необходимы:

♦ вода, для охлаждения змеевика;

♦ электросеть, для работы небольшого компрессора.

Производительность аппарата (литр/час) зависит от массы подаваемого на переработку сырья и объема участвующих в процессе катализаторов. Выход метанола составляет 0,6–0,7 л из 1 м³ природного газа. При повышенных требованиях к чистоте метанола его очистку от влаги и примесей можно выполнять пропусканием продукта через дополнительный фильтр.

Размеры установки зависят от ее производительности, при получении метанола в количестве 1–2 канистр в сутки, установку вполне можно разместить на столе.

Установка не требует дефицитных деталей, материалов и каких-то особых знаний, изготовить ее можно в любом гараже.

Использование метанола собственного производства в качестве горючего, является самым недорогим вариантом заправки двигателей внутреннего сгорания. С целью наибольшей оптимизации процесса сгорания топлива возможна установка дополнительных устройств в топливной системе ДВС устройства смесеобразования и гомогенизации топливной смеси, газогенерация метанола и т. п.

В тех случаях, когда токсичность метанола вызывает настороженность в обращении с ним, возможно использование в качестве автомобильного горючего этанола (этилового спирта), получаемого также из природного газа. Этанол сохраняет преимущества метанола для двигателя, но стоимость получения этанола и оборудования для его производства в два раза выше, чем при производстве метанола.

Из органических веществ возможно получение синтетического бензина. Получаться бензин может также и из природного газа в результате каталитических реакций. Октановое число получаемого бензина — до 95 единиц. При использовании синтетического бензина вносить какие-либо изменения в топливную систему автомобиля не требуется. Качество работы двигателя не ухудшается, а износ двигателя не увеличивается. Но процесс получения бензина и сама установка для получения бензина сложнее и дороже, чем при получении метанола. Выход бензина составляет 0,3 л из 1 м³ природного газа.

Выбор используемого вида горючего находится исключительно за владельцем автомобиля.

Компания Envion из Вашингтона нашла способ превращать пластиковые бутылки в нефть. Разработанный компанией генератор Envion Oil Generator™ способен производить 7000 т нефти из 10 000 т пластика в год, сообщает www.1000ideas.ru. Стоимость одной тонны при таком способе производства составляет USD 17. При этом он легок в эксплуатации и установке, имеет высокую производительность и не загрязняет окружающую среду вредными выбросами.

Технология производства нефти основана на экстрагировании углеводородов из пластика без применения катализатора путем охлаждения сырья термическим крекингом в вакууме.

Этот инновационный метод переработки пластика в нефть способен сразу решить несколько проблем:

♦ во-первых, проблему отходов, которые засоряют окружающую среду;

♦ во-вторых, проблему закупки нефти, цены на которую вновь стали расти.

По данным компании, в Америке идет на повторную переработку только 4 % пластиковых бутылок, остальные просто выбрасываются, засоряя природу.

Поэтому, потенциал коммерциализации этой идеи производства нефти их пластиковых отходов велик, равно как и прибыль, которую компания собирается получать буквально из мусора. Тем более что технология производства позволяет не сортировать пластиковые бутылки и не мыть их перед загрузкой в генератор. Технология производства нефти показана на рис. 7.9.

Рис. 7.9. Технология производства нефти

В современной экономике стало появляться все больше компаний, которые начали применять инновационные технологии переработки вторсырья для производства новых продуктов. Эта тенденция свидетельствует о том, что мы наблюдаем глобальные изменения в экономике, которые способны превратить ее из сырьевой экономики в высокотехнологичную «зеленую» экономику, которая рационально использует природные ресурсы и не загрязняет окружающую среду.

Идет непрерывное накопление изношенных шин, в основном с металлокордом, а перерабатывается всего лишь около 20 % от их числа. Изношенные шины представляют собой самую крупнотоннажную продукцию полимеросодержащих отходов, практически не подверженных природному разложению. Поэтому переработка и вторичное использование вышедших из эксплуатации шин имеют важное экономическое и экологическое значение (www.mazut.net).

Шины и пластмассы представляют собой ценное полимерное сырье: в 1 т шин содержится около 700 кг резины, которая может быть повторно использована для производства топлива, резинотехнических изделий и материалов строительного назначения. В то же время, если сжечь 1 тонну изношенных шин, то в атмосферу, выделяется 270 кг сажи и 450 кг токсичных газов.

Производство состоит из участков:

♦ склад сырья (изношенные автопокрышки и пластмасс);

♦ участок подготовки сырья (разделка шин на куски);

♦ участок переработки автопокрышек и пластмасс;

♦ склады готовой продукции: склад жидкого топлива, склад технического углерода, участок складирования металлолома (металлокорд).

Исходное сырье собирается и свозится автотранспортом на склад сырья. Далее авторезина осматривается на предмет наличия в ней металлических дисков, колец и направляется на разделку. После разделки измельченное сырье подается в приемный бункер реактора.

Сырье в реакторе подвергается разложению при температуре примерно 450 °C, в процессе которого получаются полупродукты: газ, жидкотопливная фракция, углеродсодержащий остаток и металлокорд. Газ частично возвращается в топку реактора для поддержания процесса. Оставшаяся часть газа выбрасывается через трубу (по внешнему виду и количеству газа на выходе сравнима с выхлопами грузовика).

Углеродсодержащий остаток после гашения и охлаждения подвергается магнитной сепарации (или просеивается через сито) с целью отделения проволоки металлокорда.

Через загрузочный бункер (рис. 7.10) в основную колонну загружаются нарезанные автошины. Затем поджигаются в нижней части колонны. При этом загрузочный бункер и отсек выгрузки закрыты.

Рис. 7.10. Схема установки

Вся резина прогревается, но не горит (за исключением нижней части, которая тлеет). С помощью дымососа углеводородные фракции, выделяемые при нагреве резины, высасываются дымососом из основной колонны через циклон с сепаратором, колонну 1 и колонну 2. В колоннах 1 и 2 углеводородные фракции охлаждаются и конденсируются, превращаясь в жидкое пиролизное топливо. Те фракции, которые не конденсировались, в качестве газа направляются частично в основную колонну, а частично на выброс. Вода для охлаждения является оборотной и используется повторно.

Один микробиологический способ обезвреживания навоза, да и любых других органических остатков, известен давно — это компостирование. Отходы складывают в кучи, где они под действием микроорганизмов-аэробов понемногу разлагаются.

При этом куча разогревается примерно до 60 °C и происходит естественная пастеризация — погибает большинство патогенных микробов и яиц гельминтов, а семена сорняков теряют всхожесть (пишут к. т. н. А. А. Упит, А. В. Дарклиныш на http://www.patlah.ru)

Но качество удобрения при этом страдает: пропадает до 40 % содержащегося в нем азота и немало фосфора. Пропадает и энергия, потому что впустую рассеивается тепло, выделяющееся из недр кучи, — а в навозе, между прочим, заключена почти половина всей энергии, поступающей на ферму с кормами. Отходы же от свиноферм для компостирования просто не годятся: слишком они жидкие.

Но возможен и другой путь переработки органического вещества — сбраживание без доступа воздуха, или анаэробная ферментация. Именно такой процесс происходит в природном биологическом реакторе, заключенном в брюхе каждой буренки, пасущейся на лугу.

Там, в коровьем преджелудке, обитает целое сообщество микробов. Одни расщепляют клетчатку и другие сложные органические соединения, богатые энергией, и вырабатывают из них низкомолекулярные вещества, которые легко усваивает коровий организм. Эти соединения служат субстратом для других микробов, которые превращают их в газы — углекислоту и метан. Одна корова производит в сутки до 500 литров метана; из общей продукции метана на Земле почти четверть — 100–200 млн. тонн в год! — имеет такое «животное» происхождение.

Метанообразующие бактерии — во многом весьма замечательные создания. У них необычный состав клеточных стенок, совершенно своеобразный обмен веществ, свои, уникальные ферменты и коферменты, не встречающиеся у других живых существ. И биография у них особая — их считают продуктом особой ветви эволюции.

Примерно такое сообщество микроорганизмов и приспособили латвийские микробиологи для решения задачи — переработки отходов свиноферм. По сравнению с аэробным разложением при компостировании анаэробы работают медленнее, но зато гораздо экономнее, без лишних энергетических потерь. Конечный продукт их деятельности — биогаз, в котором 60–70 % метана, — есть не что иное, как концентрат энергии: каждый кубометр его, сгорая, выделяет столько же тепла, сколько килограмм каменного угля, и в два с лишним раза больше, чем килограмм дров.

Во всех прочих отношениях анаэробная ферментация ничуть не хуже компостирования. А самое важное — что таким способом прекрасно перерабатывается жидкий навоз со свинофермы: пройдя через биореактор, эта зловонная жижа превращается в прекрасное удобрение.

Опытная установка, производящая биогаз, вот уже четыре года работает на одной из свиноферм совхоза «Огре». Рядом стоит еще один реактор, импортный, пущенный в прошлом году. В общем, как считают в совхозе, можно было обойтись и без импорта: зачем тратить валюту на то, что вполне можно делать своими силами?

Оба реактора, объемом по 75 кубометров каждый, перерабатывают все отходы с фермы на 2500 свиней, давая совхозу остро необходимое всякому хозяйству высококачественное удобрение и по 300–500 кубометров газа в сутки.

Не газом окупает, а экологическим благополучием: иначе пришлось бы строить и навозохранилища, и очистные сооружения, тратить большие деньги и очень много энергии. Кроме того, совхоз получает хорошее удобрение: в нем нет, как в свежем навозе, семян сорняков, способных прорасти, а значит, меньше надо расходовать гербицидов. Опять-таки, экологическая выгода.

Биогаз же — как бесплатное приложение: приятно, но не обязательно.

Именно поэтому не так просто подсчитать экономическую эффективность подобных разработок. Обычно считают как раз по биогазу: затраты такие-то, газа получено столько-то, соотйетствующее количество солярки стоит столько-то. Получается в общем тоже выгодно, но сроки окупаемости не рекордные…

Тут есть еще одна тонкость. Бактерии метанового брожения в отличие от аэробов при компостировании сами тепла не выделяют, а работают они только в тепле. Для одних, термофильных, нужно поддерживать температуру около 55 °C, для других, мезо-фильных — около 37 °C. Вопрос о том, какой вариант лучше, еще не решен, и даже в Институте микробиологии существуют разные мнения. Академик М. Е. Бекер считает, что термофильный процесс эффективнее, а лабо

ратория биотехнических систем, которой руководит кандидат технических наук А. А. Упит, стоит за мезофильный. Но так или иначе, в нашем климате реактор большую часть года приходится подогревать. И если в жаркой Индии и Китае, где биогазовые установки насчитывают миллионами, такой проблемы не возникает, то в совхозе «Огре» на это уходит в среднем около половины биогаза, Полученного за год.

Это, естественно, ухудшает показатели экономической эффективности, если считать только по сэкономленному топливу. Но даже в таких условиях остающегося биогаза хватает, чтобы обеспечить треть энергетических потребностей фермы: тут и отопление, и горячая вода.

Конечно, картина получилась бы совершенно иная, если бы к энергетическому эффекту прибавить еще эффект экологический, переведя его в рубли. Но как это сделать, пока еще, кажется, не знает никто.

Во всяком случае, можно сказать одно: работников совхоза «Огре» результаты первого опыта вполне устраивают, и они намерены расширять дело. В этом году начнется строительство биогазовой установки для большого совхозного свинокомплекса. Уже не на 2500, а на 20000 голов. Ожидается, что эта установка, даже если считать только по газу, окупится за 5–6 лет. И гигантские навозохранилища, о которых говорилось в начале раздела, строить не придется.

Биогазовая установка может быть создана в любом хозяйстве из местных, доступных материалов силами специалистов самого хозяйства.

Ферментация навоза идет в анаэробных (бескислородных) условиях при температуре 30–55 °C (оптимально 40 °C). Длительность ферментации, обеспечивающая обеззараживание навоза, не менее 12 суток. Для анаэробной ферментации можно использовать как обычный, так и жидкий, бесподстилочный навоз, который легко подается в биореактор насосом.

При ферментации в навозе полностью сохраняются азот и фосфор. Масса навоза практически не изменяется, если не считать испаряемой воды, которая переходит в биогаз. Органическое вещество навоза разлагается на 30–40 %; деструкции подвергаются в основном легко разлагаемые соединения — жир, протеин, углеводы, а основные гумусообразующие компоненты — целлюлоза и лигнин — сохраняются полностью.

Благодаря выделению метана и углекислого газа оптимизируется соотношение C/N. Доля аммиачного азота увеличивается. Реакция получаемого органического удобрения — щелочная (pH 7,2–7,8), что делает такое удобрение особенно ценным для кислых почв. По сравнению с удобрением, получаемым из навоза 9бычным способом, урожайность увеличивается на 10–15 %.

Получаемый биогаз плотностью 1,2 кг/м³ (0,93 плотности воздуха) имеет следующий состав (%): метан — 65, углекислый газ — 34, сопутствующие газы — до 1 (в том числе сероводород — до ОД). Содержание метана может меняться в зависимости от состава субстрата и технологии в пределах 55–75 %. Содержание воды в биогазе при 40 °C — 50 г/м³; при охлаждении биогаза она конденсируется, и необходимо принять меры к удалению конденсата (осушка газа, прокладка труб с нужным уклоном и пр.).

Энергоемкость получаемого газа — 23 мДж/м³, или 5500 ккал/м³. Оборудование представлено на рис. 7.11.

Основное оборудование биогазовой установки — герметически закрытая емкость с теплообменником (теплоноситель — вода, нагретая до 50–60 °C), устройства для ввода и вывода навоза и для отвода газа.

Для небольшой установки наиболее простое решение — использовать высвободившиеся топливные цистерны. Схема биореактора на базе стандартной топливной цистерны объемом 50 м³ показана на рис. 7.11. Внутренние перегородки могут быть из металла или кирпича; их основная функция — направлять поток навоза и удлинить путь его внутри реактора, образуя систему сообщающихся сосудов. На схеме перегородки показаны условно; их число и размещение зависят от свойств навоза — от текучести, количества подстилки.

Рис. 7.11. Оборудование для производства биогаза

Биореактор из железобетона требует меньше металла, но более трудоемок в изготовлении. Чтобы определить объем биореактора, нужно исходить из количества навоза, которое зависит как от численности и массы животных, так и от способа его удаления: при смыве бесподстилочного навоза общее количество стоков увеличивается во много раз, что нежелательно, так как требует увеличения затрат энергии на подогрев.

Ориентировочная суточная производительность биореактора при загрузке навоза с содержанием сухого вещества 4–8 % — два объема газа на объем реактора: биореактор объемом 50 м³ будет давать в сутки 100 м³ биогаза.

Как правило, переработка бесподстилочного навоза от 10 голо. в крупного рогатого скота позволяет получить в сутки около 20 м³ биогаза, от 10 свиней — 1–3 м³, от 10 овец — 1–1,2 м³, от 10 кроликов — 0,4–0,6 м³.

Тонна соломы дает 300 м³ биогаза, тонна коммунально-бытовых отходов — 130 м³).

7.8. Одновременное получение холода, тепла и электроэнергии из биогаза

Система когенерации (рис. 7.12) позволяет использовать то тепло, которое в других случаях просто теряется. При этом снижается потребность в покупной энергии, что способствует уменьшению производственных расходов. Главное преимущество состоит в том, что преобразование энергии здесь происходит с большей эффективностью.

Рис. 7.12. Распределение потоков энергии при работе когенерационной установки

Рассмотрим КПД. Любое производство электроэнергии, использующее технологию сжигания топлива, сопровождается выделением тепла. В газопоршневых агрегатах максимальный КПД по выработке электроэнергии составляет около 40 %.

Тепловой КПД таких установок составляет 40–45 %. То есть полезно используется только половина высвобождаемой энергии, а другая половина уходит с теплом в окружающую среду.

Ситуация меняется, если использовать технологию когенерации и тригенерации. Когенерационная установка, одновременно с производством электроэнергии полезно утилизирует теплоту двигателя, производя горячую воду или пар. Это резко повышает общий КПД установки. В некоторых случаях он достигает 90 %. Отношение электрической мощности к тепловой составляет 1:1,2. Тригенерация. Использование технологии тригенерации позволяет сохранить высокий КПД круглогодично. Например, летом отопление не требуется, но необходимо кондиционирование жилых помещений, офисов, больниц. В промышленности широко используется холодная вода и холод.

Недостатком когенераторов является только ограниченная мощность до 3 МВт для одной машины. Средний промышленный потребитель в России имеет установленную мощность в 1–2 МВт. При необходимости могут быть установлены несколько параллельно работающих когенераторов.

Когенераторы легко перевозить и устанавливать. Они позволяют решить острый вопрос неравномерного суточного потребления электроэнергии, неразрешимый для крупных генерирующих установок. Действительно, для когенератора, линейная зависимость потребления топлива имеет место, начиная с 15–20 % номинальной мощности… Секционируя (пакетируя) общую мощность на 4–8 блоков, работающих параллельно, появляется возможность работы с 1,5–4 % до 100 % номинальной нагрузки при расчетном удельном потреблении топлива.

При отсутствии нагрузки невостребованные когенераторы останавливаются, на этом в значительной степени экономится моторесурс первичных двигателей.

В качестве источника энергии в мини-ТЭЦ используются двигатели внутреннего сгорания (ДВС): дизельные, газовые и газотурбинные. Энергия, выделяющаяся при сгорании топлива, переходит в энергию электричества и утилизируюмую энергию тепла.

В газовых двигателях могут использоваться такие виды газов как: природный газ пропан, факельный газ, газ сточных вод, биогаз, газ мусорных свалок, коксовый газ, попутный газ, пиролизный газ, древесный газ, газ химической промышленности.

Это вызвано, прежде всего, современными требованиями к экологической чистоте окружающей среды, а также к снижению эксплуатационных расходов на органическое топливо и доступностью его использования.

Газовые двигатели используются для работы в составе генераторных установок, предназначенных для постоянной и периодической работы (снятие пиковых нагрузок) с комбинированной выработкой электроэнергии и тепла (когенерация).

Кроме того, установки могут использоваться для обеспечения работы абсорбционных холодильных установок (тригенерация) в системах кондиционирования.

Секционирование когенераторных установок из нескольких блоков, позволяет достичь эффективности такой же, как и у большой установки, при этом получая ряд значительных преимуществ.

Это точное управление мощностью. Максимальный КПД достигается при загрузке на 100 %. Это значит, что при секционировании, в минимальные часы энергопотребления, есть возможность нагрузить часть блоков, а часть — оставить в нерабочем состоянии. Это приводит к увеличению ресурса всей системы в целом.

В последнее время стремительно растет количество оборудования, которое использует для своей работы биогаз, свалочный газ, газ с водоочистных станций или другое альтернативное топливо как, например, метан. Принцип использования биогаза в когенерационных установках представлен на рис. 7.13.

Рис. 7.13. Принцип использования биогаза:

_{а — на очистных сооружений сточных вод; б — на свалке отходов; в — при использовании отходов животноводческих ферм}

Биогазовая станция строится, прежде всего, возле очистных сооружений сточных вод, на свалках коммунальных отходов или в сельскохозяйственных предприятиях, занимающихся животноводством.

Поскольку биогаз обычно возникает как побочный продукт во время обработки органических отходов, эксплуатация когенерационных установок, работающих на этом виде топлива, является с экономической точки зрения очень выгодной.

Основные технические параметры когенерационных установок (на базе когенерационных установок TEDOM) представлены в табл. 7.6.

* _{Данные параметры действительны для природного газа с низшей теплотворной способностью 34 МДж/м3. Расход приведен для биогаза, содержащего 65 % метана при нормальных условиях (0 °C, 101,325 кПа). В случае других условий данные могут отличаться.}

_{Сокращения в таблице: А — асинхронный генератор; S — синхронный генератор; Р — параллельная работа с электросетью}

Успешного Вам использования АЛЬТЕРНАТИВНЫХ ИСТОЧНИКОВ ЭНЕРГИИ!