Биотопливо

ТЕПЛОЕМКОСТЬ ТОПЛИВА

ТЕПЛОЕМКОСТЬ РЕАЛЬНЫХ ПРОДУКТОВ СГОРАНИЯ

При сжигании топлива образующиеся продукты сгорания отличают­ся по составу от подсчитанного по стехиометрическим уравнениям вследствие содержания избыточного воздуха, а при неполноте сгорания также горючих компонентов СО, Н₂ и СН₄. В соответствии с этим сред­нюю теплоемкость продуктов сгорания подсчитывают по формуле:

С=0,01 (С_СО2RO₂ +С_Н20Н₂0 + C_N2N₂ +С₀₂0₂ + С_соСО + С_H2Н2 + С_СН4СН₄).

При незначительном содержании в продуктах сгорания СH₄ и соот­ношении СН₄: R0₂ порядка 0,01—0,05 можно суммировать объемы RО₂ и СН₄. В этих условиях подсчет ведут по формуле

С=0,01/С_СО2(RO₂ + СН₄) + С_Н20Н₂О + C_N2(N₂ + 0₂ + CO + H₂)

Теплоемкость твердого топлива С определяют по формуле:

C_T=0,01W^p +0,01C_т^c (100—W^p),

где C_т^c — теплоемкость сухой массы твердого топлива, ккал/(кг-°С);

W^р — содержание влаги в рабочем топливе, %.

Среднюю теплоемкость мазута от 0 до t °C можно подсчитать по формуле:

С=0,415 + 0,0006t ккал/(кг^оС).

Объемную теплоемкость газообразного топлива определяют по фор­муле:

С=0,01(Сн₂Н₂ + С_coСО + С_СН4СН₄ + С_С2н₄С₂Н₄ + С_С2Н6С₂Н₆ + С_С3Н8C₃Н₈ + С_С4Н10С₄Н₁₀ + С_СО2СО₂ + С_N2N₂) ккал/(м³С)

где С_Н2, С_СО, С_СН4 и т. д. — соответственно объемные теплоемкости компонентов газообразного топлива; Н₂, СО, СН₄ и т. д. — содержание в газе водорода, окиси углерода, метана и других компонентов, % (объемн.).

Возобновляемый источник энергии — источ­ник энергии, использующий энергию Солнца, ветра, Земли, биомассы, морей и океанов, рек (с использованием мини- и микроГЭС), которые существу­ют постоянно или периодически возникают в окружающей среде.

Биомасса — неископаемые органические вещества би­ологического происхождения.

Первичная биомасса — растения, непосредственно (или без химической обработки) используемые для получе­ния (добычи) энергии. К ним относятся, прежде всего, отходы сельского и лесного хозяйства.

Вторичная биомасса — остатки переработки первич­ной биомассы веществ — прежде всего в результате их пот­ребления человеком и животными или переработки в домаш­нем хозяйстве или промышленности. К ним относятся, преж­де всего, навоз, жидкий компост, жидкие стоки очистных со­оружений.

Биотопливо — отходы сельскохозяйственного произ­водства, пищевой и других видов промышленности, органи­ческое вещество сточных вод и городских свалок — отходы, состоящие из биологического сырья — веществ биологичес­кого происхождения.

Биоэнергетическая установка — энергетическая ус­тановка, преобразующая энергию биомассы, биогаза, жид­кого навоза и т. д. а другие виды энергии, например, в элек­трическую и тепловую.

По данным ООН, истощение зале­жей угля предполагается в 2082г.

На современном уровне за счёт биомассы можно перекрыть 6-10% от общего количества энергетических потребностей промышленно развитых стран.

Ежегодно на Земле при помощи фотосинтеза образуется около 120 млрд. тонн сухого органического вещества, что энергетически эквивалентно более 400 млрд. тонн нефти. Использование биомассы проводится в следующих направлениях: прямое сжигание, газификация, производство эти­лового спирта для получения моторного топлива, производ­ство биогаза из сельскохозяйственных и бытовых отходов. Биомасса, главным образом в форме древесного топлива, является основным источником энергии приблизительно для 2 млрд. человек. Биомасса, как источник энер­гии, играет важнейшую роль и в развитых странах. В целом биомасса дает седьмую часть мирового объема топлива, а по количеству полученной энергии занимает наряду с при­родным газом третье место. Из биомассы получают в 4 раза больше энергии, чем дает ядерная энергетика.

В США также реализуется большая программа замены бензинового топлива этанолом, который получают путем переработки излишков кукурузы и других зерновых культур.

Использование спирта в качестве топлива получило под­держку и в некоторых европейских странах, в частности, во Франции и Швеции. В Украине проблема замены бензина спиртом пока не рассматривалась. Изучается возможность выращивания рапса в районах, зараженных радиоактивными элементами с целью получения рапсового масла, использо­вания его в качестве топлива в дизельных двигателях. Эта идея в данное время разрабатывается специалистами Укра­ины и Германии.

В нетрадиционной энергетике особое место занимает переработка биомассы (органических сельскохозяйственных и бытовых отходов) метановым брожением с получением би­огаза, содержащего около 70% метана, и обеззараженных органических удобрений. Чрезвычайно важна утилизация би­омассы в сельском хозяйстве, где на различные технологичес­кие нужды расходуется большое количество топлива и непре­рывно растет потребность в высококачественных удобрениях. Всего в мире в настоящее время используется или разраба­тывается около 60-ти разновидностей биогазовых технологий.

Биогаз — это смесь метана и углекислого газа, образу­ющаяся в специальных реакторах — метантенках, устроенных и управляемых таким образом, чтобы обеспечить максималь­ное выделение метана. Биогаз используют для освещения, отопления, приготовления пищи, для приведения в действие механизмов, транспорта, электрогенераторов.

Этот процесс включа­ет в себя два этапа. На первом этапе сложные орга­нические полимеры (клетчатка, белки, жиры и др.) под дей­ствием природного сообщества разнообразных видов ана­эробных бактерий, разлагаются до более простых соедине­ний: летучих жирных кислот, низших спиртов, водорода и оки­си углерода, уксусной и муравьиной кислот, метилового спир­та. На втором этапе метанообразующие бактерии превраща­ют органические кислоты в метан, углекислый газ и воду.

Температура в значительной степени влияет на анаэроб­ное сбраживание органических материалов. Наилучшим об­разом сбраживание происходит при температуре 30—40 °С (развитие мезофильной бактериальной флоры), а также при температуре 50—60 °С (развитие термофильной бактериаль­ной флоры.

При эксплуатации реакторов необходимо проводить контроль за показателем рН, оптимальное значение которо­го находится в пределах 6,7—7,6. Регулирование этого по­казателя осуществляется путем добавления извести.

При нормальной работе реактора получаемый биогаз содержит 60—70% метана, 30—40% двуокиси углерода, не­большое количество сероводорода, а также примеси водо­рода, аммиака и окислов азота. Наиболее эффективны реак­торы, работающие в термофильном режиме при 43—52 °С. При продолжительности обработки навоза 3 дня выход био­газа на таких установках составляет 4,5 л на каждый литр по­лезного объема реактора. В исходную массу для интенсифи­кации процесса анаэробного сбраживания навоза и выделе­ния биогаза добавляются органические катализаторы, кото­рые изменяют соотношение углерода и азота в сбраживаемой массе (оптимальное соотношение С/N=20/1 - 30/1). В ка­честве таких катализаторов используются глюкоза и целлю­лоза. Получаемый при брожении биогаз имеет теплоту сго­рания 5340—6230 ккал/м3 (6,21+7,24 кВт.ч/ м3).

В бродильных камерах необходимо производить энер­гичное перемешивание для предупреждения образования в верхней части слоя всплывающего вещества.

Остаток, образующийся в процессе получения биогаза, содержит значительное количество питательных веществ и может быть использован в качестве удобрения. Состав ос­татка, полученного при анаэробной переработке животновод­ческих отходов, зависит от химического состава исходного сырья, загружаемого в реактор. В условиях, благоприятных для анаэробного сбраживания, обычно разлагается около 70% органических веществ, а 30% содержится в остатке.

Таблица 4

Выход метана (биогаза) при метановом сбраживании сельскохозяйственных отходов

Органические отходы	Выход СН4, м^3/кг сухого вещества	Содержание СН4 (%)
Помёт индеек	0,640	62,0
Молочные отходы	0,625	82,0
Свиной навоз	0,580	77,5
Помёт кур	0,370	54,0
Навоз быков+меласа	0,300	48,0
Навоз быков	0,290	56,2
Силосные отходы	0,250	84,0
Навоз быков+солома	0,220	52,0
Навоз коров	0,208	55,0

Фирма Сaterpillar производит автономные ЭС (энерго­системы), оснащенные двигателями с искровым зажигани­ем, способные использовать биогаз, образующийся в резуль­тате разложения отходов на свалках. В Норвегии установле­на первая из двух таких ЭС мощностью 360 кВт. ЭС полнос­тью автоматизирована, коммутационная аппаратура способ­на синхронизировать работу ЭС с местной электросетью. Газ подается из 36 скважин глубиной 14м, проникающих к слою отходов двадцатилетней давности. При этом обеспечивается расход биогаза 300 м3/час. Содержание метана в биогазе составляет 48—57%. В юго-восточной части Англии две ЭС на основе биогаза обеспечивают суммарную мощность 1000 кВт для гаэоперерабатывающего завода, из которой только 360 кВт используются для нужд завода, а остальные 650 кВт поступают в национальную электросеть.

Для эффективной работы установки, производящей биогаз, кроме строго анаэробной среды, придется соблюдать ряд требований. Во-первых, поддерживать в реакторе опти­мальные температурный и кислотный режимы. Во-вторых, постоянно следить за наличием питательных веществ в сбра­живаемой среде, обеспечивая низкое содержание в данной среде веществ-ингибиторов, то есть веществ, препятствую­щих жизнедеятельности микроорганизмов.

Дата добавления: 2014-01-11