Тема 10.Ветровая энергия

К важнейшим глобальным факторам следует отнести неравномерную обеспе­ченность солнечной энергией экваториальной и полярной зон планеты, различия в формировании радиационного и теплового балансов над поверхностью мате­риков и океанов, вращение Земли и угол наклона оси вращения Земли к эклип­тике. Под влиянием этих факторов формируются глобальные устойчивые или сезонно изменяющиеся воздушные течения, а также другие динамические про­цессы изменения характера и направленности воздушных потоков в атмосфере.

К региональным факторам, влияющим на формирование локальных воздуш­ных течений и определяющим их высокую изменчивость, следует отнести рельеф местности и наличие водоемов в пределах рассматриваемого региона или при­брежных зон раздела суши и моря. При этом скорость ветра как одна из важней­ших характеристик энергии воздушного потока существенно зависит от совпа­дения или несовпадения направленности общих и местных циркуляционных про­цессов в атмосфере, а также от характера рельефа местности.

Здания различной этажности с учетом характера и плотности застройки представляют собой антропогенный фактор изменения рельефа местности и сами влияют не только на изменение скорости и направления ветра у поверхности Земли, но и на высотное распределение этих параметров в приземном слое.

Энергия ветра изменяется под влиянием многих факторов, к числу которых относятся колебания плотности атмосферы в зависимости от температуры и вы­соты над уровнем моря, шероховатости подстилающей поверхности и т. д. Кроме того, на результаты определения энергии ветра существенно влияет точность отсчета показаний прибора, тип и расположение анемометра, репрезентатив­ность условий площадки, выбранной для измерения скорости ветра. ветра на сооружения изучено недо­статочно для нормативных обобще­ний, и при разработке наиболее чув­ствительных к нему элементов зданий или сооружений требуется экспери­ментальная проверка путем модели­рования процессов в аэродинамиче­ской трубе или иными методами. К таким элементам или агрегатам от­носятся в первую очередь трансфор-мируемые и ветроэнергоактивные конструкции зданий. Практически важная задача заключается в определении критического уровня динамических воздействий, при которых ветроактивный элемент должен быть отключен или переведен в наиболее устойчивое и безопас­ное положение.

Тема 11 Геотермальная и гидротермальная энергия

Гео- и гидротермальная энергия как источник тепло- и холодоснабжения зданий в настоящей работе рассматривается с позиций опреде­ления энергетических характеристик водоносных или сухих слоев грунта в райо­нах городской, промышленной или сельской застройки в различных климати­ческих зонах и не связывается исключительно с районами, имеющими природные

выходы или легкодоступные ресурсы гидро- и геотермальной энергии повышен­ного потенциала.

Поставленная в настоящей работе задача заключается в оценке и использо­вании теплоэнергоресурсов земельных участков, прилегающих к зданиям с естественным или улучшенным энергетическим потенциалом. При этом суще­ственное значение имеют следующие факторы:

геологическое строение и характеристика температурного режима припо­верхностного слоя, прилегающего к нему массива грунта и расположенных под ним пород на глубину до 20 м от дневной поверхности;

водосодержание слоев грунта в окрестностях здания, степень извлекаемости воды и ее температурное состояние;

теплоемкость и теплопроводность; пород основания под зданием и в его окре­стностях, включая водоносные и водонасыщенные слои;

температурный режим и извлекаемые в экологически безвредных масшта­бах запасы теплоты из прилегающих к району застройки естественных или искусственных водоемов; длительность сезона отрицательной температуры и сезонные изменения нулевой изотермы в грунте. ¹

К основным теплофизическим параметрам почв как элемента теплоаккуму-лирующего массива относятся объемная теплоемкость, тепло- и температу-ро-проводность. Объемная теплоемкость с_р грунтового массива представ­ляет произведение удельной теплоемкости с на объемную массу р: с_р=ср и зависит от удельной теплоемкости твердой фазы и степени увлажнения. Удель­ная теплоемкость твердой фазы определяется соотношением минеральной части и химически связанной воды, а при наличии карбонатов и органических веществ — их содержанием.

В грунтозаполненных массивных элементах энергоактивных зданий воз­можно применение теплоаккумулирующих сердечников из предварительно вы­сушенного грунта. Ниже приведены значения удельной теплоемкости различ­ных видов грунтов и почв в сухом состоянии при положительной температуре кДж/(кг- К):

Песок.......................................... 0,754

Супесь........................................... 0,837

Суглинок...................................... 0,963 -

Чернозем..................................... 1,047

Торф'........................................... 2,177

Каштановая почва........................ 0,837

Влияние изменения плотности и влажности грунта на удельную теп­лоемкость в реальных условиях не гидроизолированных слоев в ограж­дениях и аккумуляторах.

Дальнейший рост теплоемкости пропорционален увеличению водосодержания

грунта и достигает максимальных значений при полном водонасыщении. Влияние температуры на теплоемкость грунтового массива незначитель­но, и при изменении температуры в диапазоне от —20 до +60°С теплоемкость возрастает на 10—15%. Таким образом, основным инженерным средством повы­шения теплоемкости грунтового массива следует считать увеличение его водосодержания.

Теплопроводность грунта су­щественно зависит от дисперсно­сти, плотности, влажности и в меньшей степени — от температу­ры. Изменение температуры в диа­пазоне от —50 до +50°С отража­ется на межпоровой конвекции и излучении и может изменить коэффициент теплопроводности на 20%, в то время как изменение влажности песка на 20% в диапа­зоне от 10 до 30% может увели­чить теплопроводность более чем в 2 раза. Точно так же увеличение размера зерен от пыли до крупно­зернистого песка приводит к увеличению теплопроводности в 2 раза. Влияние структурного фактора на теплопроводность объясняется важной ролью контакт­ной составляющей передачи теплоты. Применительно к грунтовым аккумулято­рам теплоты необходимо отметить, что с увеличением плотности трамбования грунта увеличивается теплопроводность массива и улучшается протекание теплообменных процессов при эксплуатации.

Динамика роста коэффициента теплопроводности при увлажнении средне-дисперсных и крупнодисперсных грунтов такова: вначале идет очень быстрый рост теплопроводности вследствие замещения в порах малотеплопроводного воз­духа высокотеплопроводной водой, а после насыщения пор рост коэффициента теплопроводности прекращается. В слабодисперсных грунтах вначале коэффи­циент теплопроводности изменяется слабо, пока воды не хватает для полного обволакивания массы частиц или образования системы водяных мостиков повы­шенной теплопроводности, затем нарастание теплопроводности интенсифици­руется. Изменение коэффициента теплопроводности по глубине слоя в массиве грунта происходит в соответствии с изменениями плотности и влажности и в интервале глубин от 0,05 до 0,5 м может возрастать в отдельных случаях в 3 раза.

Температуропроводность грунта как производная от теплопроводности по объемной теплоемкости практический интерес для энергоактивных зданий, работающих с использова­нием геотермальной энергии низкого потенциала. Именно слой толщиной 1,5— 3 м по теплотехническим и экономическим соображениям может рассматривать­ся как естественный аккумулятор легкодоступной и имеющейся повсеместно гео­термальной энергии.

Значения среднемесячной и среднегодовой темпера­туры воздуха и почвы на глубинах 0,2; 0,4; 0,8; 1,6; 3,2 м в Петропавловске-Камчатском. Из сопоставления приведенных данных следует, что с октября по апрель, т. е. практически на протяжении всего отопительного периода, тем­пература почв на глубине 0,8—3,2 м положительна и превышает среднюю тем­пературу наружного воздуха. Такое же соотношение среднегодовых температур наблюдается для всех указанных глубин почвы. Отсюда вытекает, что геотер­мальную энергию низкого потенциала можно использовать следующим образом:

для снижения тепловых нагрузок на отопительную систему зданий, по край­ней мере на протяжении части отопительного сезона, путем извлечения непреобразованной теплоты низкого потенциала из грунта и подводки ее к наружным ограждениям;

для расширенного использования геотермальной энергии низкого потен­циала для тепло- и холодоснабжения зданий посредством систем с тепловым насосом.

Эффективность использования геотермальной энергии может быть повыше­на путем применения двухконтурных систем с расположением внешнего контура в массиве грунта и назначения режима работы, обеспечивающего отбор тепло­ты из массива в диапазоне температур, соответствующем попеременному замо­раживанию и оттаиванию примыкающей к теплообменнику массы грунта, т. е. в режиме фазовых превращений грунтовой влаги, а также применением инже­нерных средств, повышающих энтальпию грунта в летний период.

Аналогично решаются вопросы оценки и использования в энергоактивных зданиях низкопотенциальной теплоты гидротермальной энергии, рассматривае­мой как энергия грунтовых вод в водонасыщенных слоях почвы. Эффективность использования низкопотенциальной гидротермальной энергии в гидроэнерго-активных зданиях существенно возрастает в районах расположения глубинных термальных запасов воды, вызывающих дополнительный подогрев массивов земли под зданиями.

Дополнительные сведения о максимуме и минимуме температуры, глубине промерзания, датах наступления и продолжительности безморозного периода, температурных амплитудах могут быть получены из Справочника по климату СССР, либо путем проведения расширенных термогидрологических иссле­дований района предполагаемого строительства энергоактивных зданий, в ко­торых используются рассматриваемые виды возобновляемой энергии. Результа­том такого рода рекогносцировочных исследований является развернутая ин­формация о ресурсах тепловой энергии грунтового массива обследуемого уча­стка, включая водосодержащие слои, а также о сезонных эволюциях энтальпии и экологически безвредно извлекаемых (возобновляемых) запасах теплоты или холода.

Тема 12.Энергия тепловых выбросов

К этой категории относятся непроизводительные затраты теплоты, возника­ющие в системах отопления и других системах энергоснабжения зданий, а также затраты, сопутствующие различным технологическим процессам. Тепловые вы­бросы отрицательно сказываются на экономике, увеличивая общие энергозат­раты антропогенных систем, а также наносят вред внешней экологической си­стеме в виде тепловых и других сопутствующих загрязнений окружающей среды.

Классификация энергии тепловых выбросов возможна по отраслевой при­надлежности, т. е. виду процесса, порождающего тепловые потери, типу тепло-рассеивающей среды, оптимальным методам повышения экономичности за счет снижения потерь при утилизации энергии и по другим критериям.

По отраслевой принадлежности можно выделить следующие тепловые выбросы:

жилых, общественных и сельскохозяйственных зданий и сооружений, сопут­ствующие работе систем отопления, вентиляции, кондиционирования, горячего водоснабжения, биологическим тепловыделениям и различного рода бытовым и технологическим процессам, не связанным с работой промышленных печей и аналогичных тепловых агрегатов;

плавильных печей, химических реакторов, автоклавов и других тепловых агрегатов перерабатывающих и обрабатывающих отраслей промышленности с интенсивными тепловыми процессами;

градирен, брызгальных бассейнов и других укрупненных централизованных теплообменных агрегатов на промышленных предприятиях;

систем водяного охлаждения энергетических централей — ТЭЦ, ГРЭС, АЭС, СЭС или ВЭС;

систем охлаждения ЭВМ и других электронных агрегатов и устройств;

систем активной солнцезащиты зданий, сооружений и мобильных установок;

остывающей продукции всех отраслей промышленности, связанных с тепло­вой обработкой материалов или изделий;

от сжигания сопутствующего сырья или отходов производства в добываю­щих отраслях промышленности (газовой, нефтяной, лесной, торфяной) и отхо­дов сельскохозяйственного производства;

от саморазогрева или самовозгорания отходов горнодобывающей (уголь­ной) и других отраслей промышленности;

технологических жидких и газообразных отходов, удаляемых через системы канализации и вытяжной вентиляции;

остаточного разогрева отработанных нефтяных скважин;

подземных и других видов взрывов, осуществляемых в замкнутом объеме;

систем охлаждения генераторов энергии;

систем охлаждения и удаления отработанного вещества из двигателей ста­ционарных установок и транспортных средств;

то же, испытательных стендов авиационных, ракетных и других двигателей, ускорителей и пусковых агрегатов;

теплообменных агрегатов холодильных установок с закрытой циркуляцией теплоносителя;

других систем охлаждения промышленных и иных агрегатов с экзотерми­ческими технологическими процессами.

По виду процесса, порождающего тепловые потери, можно выделить:

высокотемпературные излучения при термоядерных процессах (управляемые реакции синтеза легких элементов и деления тяжелых);

высокотемпературные излучения и инфракрасные излучения факелов, топок, прожекторов, мощных ламп накаливания и аналогичных источников;

испарение и комплекс сопутствующих процессов тепломассопереноса с от­крытой поверхности кипящих сред, при разливе и открытой транспортировке металлов, неметаллических композиций (в том числе органических), кипящих жидкостей, псевдоожиженных композиций, сыпучих или гранулированных ма­териалов;

удаление в атмосферу газообразных продуктов горения с высокой энталь­пией;

удаление нагретых отработанных сточных вод в систему внешней канализа­ции;

остывание нагретой продукции на открытом воздухе;

теплопередачу во внешнее окружающее пространство через ограждающие конструкции;

вынос теплого воздуха помещений в окружающее пространство через каналы вытяжной вентиляции либо в результате эксфильтрации;

фазовые превращения теплоносителя в аккумуляторах тепловой энергии и теплообменных устройствах.

По типу теплорассеивающих сред различаются:

примыкающие к источнику тепловыделений или находящиеся в окрестностях (в зоне прямой видимости) конструктивные элементы тепловыделяющего и дру­гих агрегатов, а также конструкции здания или сооружения, в котором распо­ложен источник;

окружающая атмосфера;

примыкающие к источнику тепловыделений бассейны, отстойники, шламо-накопители с водой или другими жидкостями, суспензиями, взвесями, водона-сыщенными композициями;

грунтовой или иной литосферный массив основания, обваловки или иного примыкания к источнику тепловыделений или объекту, в котором он распо­ложен;

вакуум;

защитное силовое поле.

По методам повышения экономичности за счет снижения потерь или утили­зации энергии тепловых выбросов перечисленные выше источники необходимо подразделить на две группы:

группа А, для которой тепловые потери вредны, снижают эффективность и экономичность технологического процесса (собственно процессы плавки, вар­ки, горения или транспортировки теплоносителя с заданными параметрами). Для этой группы основные конструктивные или технологические мероприятия должны быть направлены в первую очередь на снижение тепловых потерь и лишь частично — на утилизацию их неустранимой составляющей;

группа Б, для которой удаление и отбор теплоты от источника тепловыделе­ний безвредны, полезны или необходимы (процессы остывания готовой продук­ции, отбора теплоты уходящих газов или отработанных жидкостей, охлаждения радиаторов теплообменников или защиты зданий от перегрева). Для этой груп­пы основные мероприятия должны быть направлены на утилизацию теплоты и возвращение ее в актив теплового баланса основного, смежных или других объектов.

Основу методов снижения энергетических потерь тепловых выбросов со­ставляют следующие мероприятия:

повышение компактности тепловых агрегатов и их блокировка, сокращение протяженности коммуникаций теплоносителя;

концентрация каналов теплоносителя и их объединение в пакеты, одно­родные по тепловому режиму;

повышение тепловой защиты тепловыделяющего объекта, переходных зон, технологических, смотровых и иных проемов, вводов, иллюминаторов и анало­гичных элементов;

изоляция от других объектов с повышенной теплоемкостью, теплопровод­ностью и низким собственным тепловым потенциалом, находящихся в контакте с неограниченной теплорассеивающей средой (атмо-, гидро- или литосферой).

Возможные методы утилизации энергии тепловых выбросов в системах энер­гоактивных зданий могут быть систематизированы следующим образом:

размещение на пути уходящей теплоты экранирующего элемента, снабжен­ного теплообменником и наглухо перекрывающего тепловой поток;

размещение теплообменника в виде системы обтекаемых элементов в пото­ке теплоносителя с повышенным или пониженным содержанием теплоты;

размещение в стенках или в толще ограждений канала, по которому удаляют в окружающую среду теплоноситель (газ, жидкость), в том числе с невысокой энтальпией, элементов теплообменника в виде выступающих в канал и турбули-зирующих поток ребер;

использование теплоты, уходящей от ограждений печей или конвейеров термической обработки продукции, для тепловой доводки, например сушки сырья и полуфабрикатов данного или скооперированного производства;

интенсифицированный обдув горячей продукции (слитки металла, прокат, поковки, керамзитовый гравий) воздухом, направляемым затем в систему обо­грева наружных ограждений смежного здания либо пропускаемым через тепло­обменник подогревателя технологической воды (аккумулятор теплоты);

зигзагообразная в плане или по высоте компоновка конвейеров термической

обработки дискретной продукции или пакетная блокировка в трех измерениях линейных конвейеров с непрерывной подачей продукции, не допускающей раз­воротов или изгибов, (например, непрерывная прокатка стеклокристаллических материалов);

размещение конвейеров термической обработки или других протяженных тепловыделяющих технических агрегатов тоннельного типа непосредственно под ограждениями смежного производственного или иного обитаемого блока отап­ливаемого здания или в контакте с ними;

прямое или осуществляемое через контактный разделительный элемент пле­ночного типа охлаждение горячей продукции или полуфабрикатов потоками жидкости (преимущественно воды), направляемой после нагрева в утилизатор теплоты, либо размещение на необходимый период готовой продукции в жидкой теплоотбирающей среде емкости утилизатора теплоты;

пропуск через дискретную массу полуфабрикатов (например, необожжен­ный керамзитовый гравий) раскаленных газов из дымовой трубы скоопериро­ванного производственного предприятия с целью сушки и повышения энтальпии полуфабрикатов перед основной операцией обжига.

Основным принципом утилизации энергии тепловых выбросов следует считать отбор уходящей теплоты и ее кратчайшую передачу смежному потребителю — системам отопления здания и подогрева вентиляционного воздуха и воды — или включение ее в актив теплового баланса скооперированного здания, блока или технологического агрегата, нуждающихся в теплоте, соответствующего потенциала, без коррекции тепловых параметров или с промежуточным повыше­нием энтальпии, осуществляемым через тепловой насос.

Тема 13.Биотехнологические основы конверсии солнечной энергии

Наряду с другими формами использования солнечной энергии в различных странах получает развитие технология конверсии биомассы в жидкое и газо­образное топливо.

Биомасса — один из наиболее мощных природных аккумуляторов солнечной энергии. Это растительные и животные материалы, которые могут быть преобра­зованы в тепловую и другие виды энергии. К ним относятся деревья, кустарники, различные виды древесной растительности, травы, травянистые растения, водо­росли, водные растения, отходы сельскохозяйственного производства, животно­водства и птицеводства, лесообработки, твердые и другие промышленные отхо­ды, сточные воды. В настоящее время биомасса обеспечивает от 6 до 13% всех мировых энергетических потребностей, что эквивалентно примерно 1 млн. т неф­ти в сутки. Она является основным источником энергии в сельских районах раз­вивающихся стран, где проживает примерно половина населения земного шара. Ежегодное производство биомассы только в лесах составляет около 74 млрд. т, что эквивалентно энергосодержанию, в 3 раза превышающему ежегодное по­требление энергии в мире.

Первичным источником биомассы является фотосинтез. В целом фотосинтез конвертирует 3- 10²⁴ Дж солнечной радиации, падающей на поверхность Земли в течение года, превращая ее в химическую энергию различного рода соедине­ний; при этом ассимилируется 2-10" т углерода.

Основным производителем биомассы являются континентальные леса. Мор­ской фотосинтез обеспечивает 31,8% биомассы по содержанию. На культивиру­емых в настоящее время землях производится 5,3% биомассы, что составляет 76% общего объема биоматериалов на Земле. Для сравнения интересно ука­зать, что добыча и использование ископаемых топлив (газ, нефть, уголь) со­ставляет 1,8 • 10⁹ т/год, или 1,05% мирового ежегодного прироста био­массы.

Основной материал биомассы — лигноцеллюлоза, или древесина. Послед­няя относится к малоэнергоемким материалам, при прямом сжигании она за­грязняет окружающую среду продуктами пиролиза. Важным шагом вперед в энергетическом и химическом использовании лигноцеллюлозы следует считать ее термохимическую и биохимическую конверсию в энергоемкие, транспорта­бельные и экологически чистые виды топлива. Однако широкое использование лигноцеллюлозы для получения различных видов топлива в настоящее время наталкивается на ряд трудностей. Для переработки древесины можно приме­нять термохимические способы, однако при этом теряется часть товарной тепло­вой энергии, так как процессы протекают в диапазоне температур от 250 до 700° С. Например, термохимический гидролиз древесины применяется для по­лучения гидролизного этанола. Но широкое распространение этого метода сдер­живается высокой степенью коррозионности процесса.

В последние годы серьезные успехи достигнуты в разработке биохимического способа переработки древесины, или ферментативного ее гидролиза. Основным препятствием на пути внедрения этого способа является присутствие лигнина, не поддающегося ферментативному разложению.

В состав биомассы, кроме того, входит значительное число различных ор­ганических соединений, которые без особых трудностей могут быть превращены посредством биоконверсии в жидкие и газообразные виды топлива.

Биомассу по влажности можно разделить на два типа: с влажностью менее 50 и более 50%. Для конверсии в топливо и энергию биомассы первого типа це­лесообразно использовать термохимические способы, второго типа — биологи­ческие или биотехнологические. Термохимическое преобразование связано с ис­пользованием высокой температуры для переработки биомассы и включает сле­дующие процессы:

непосредственно сжигание для производства теплоты;

пиролиз для получения газа, пиролитических жидкостей, химических ве­ществ, растительного и животного угля;

газификацию для производства газов с низкой и промежуточной теплотой сгорания, при этом получаемый газ может подвергаться процессу непосред­ственного сжигания для получения аммиака и метилового спирта или преобра­зовываться в «синтез-газ»;

сжижение для получения жидких топлив

Биотехнологическое преобразование связано с производством энергии ме­тодом ферментативного разложения биомассы микроорганизмами в анаэробных (без доступа воздуха) условиях. В него входят следующие процессы:

метановое брожение— получение метана;

этиловая ферментация— получение жидкого топлива, этанола; анаэробная ферментация с получением ацетона, бутанола и других раство­рителей, а также органических кислот;

анаэробная ферментация с получением водорода;

ферментативная деполимеризация лигноцеллюлозных материалов в простые соединения, которые легко могут быть использованы для процессов биокон­версии.

К системам сжигания древесной биомассы относятся открытый огонь (печи), брикетные, бойлерные и аппараты для сжигания в кипящем слое. В настоящее время создаются печи и системы непосредственного сжигания, в которых будет использоваться до 80% энергии, содержащейся в биомассе. При применении открытого огня используется только 5—10% энергии. Если биомасса имеет низ­кое содержание влаги (менее 50%), то к. п. д. систем прямого Для регенерации энергии из городских твердых отходов применяют системы двух типов: насыпные или навальные системы (обычное сжигание), в которых отходы поступают на наклонные движущиеся решетчатые установки и сжигают­ся в них, и системы для сжигания предварительно подготовленных отходов во взвешенном состоянии. В последних материалы предварительно измельчаются, пропускаются через воздушный сепаратор и сортируются с помощью магнита для обеспечения однородности состава используемого сырья.

Пиролизом называют термическое разложение углеводов в отсутствие ки­слорода при температуре 450—550° С. Из 1 м³ древесины можно получить 140—180 кг древесного угля, не содержащего ни серы, ни фосфора, который может быть использован при производстве некоторых видов высококачествен­ной стали, 280—400 кг жидких продуктов (метанола, уксусной кислоты, ацето­на, фенолов и др.), 80 кг горючих газов (метана, оксида углерода, водорода). Пиролизу могут подвергаться любые твердые органические вещества, поэтому он представляет большой интерес для рациональной утилизации твердых город­ских отходов и некоторых твердых отходов сельскохозяйственного производства (солома) и лесопереработки с целью получения топлива и сырья для химической промышленности.

Биогаз представляет собой конечный продукт разложения микроорганизма­ми в анаэробных условиях сложных органических веществ фотосинтетического происхождения. На 50—80% он состоит из метана и на 50—20% — из угле­кислого газа (диоксида углерода). Теплота сгорания чистого биометана— 42 МДж/м³, теплота сгорания биогаза варьируется в зависимости от содержа­ния диоксида углерода и в среднем составляет около 25,2 МДж/м³. При полу­чении биогаза энергия Солнца конвертируется в доступное, удобное для техни­ческого использования топливо и химическое сырье.

Биотехнологическое получение метана имеет ряд преимуществ:

сырьем для получения метана может служить биомасса с высокой влаж­ностью, а также разнообразные органические остатки — отходы сельскохо­зяйственного производства (солома, ботва, травы, листья, отходы животновод­ства и птицеводства), пищевой, текстильной и других отраслей промышлен­ности, отходы коммунального хозяйства, сточные воды. Получение биогаза мо­жет быть экономически выгодным даже при использовании органического мате­риала с малой концентрацией его в воде;

коэффициенты конверсии энергии в системах получения биогаза из орга­нического сырья весьма высоки. Теплота сгорания органических веществ более чем на 80% конвертируется в биогаз;

полученный биогаз можно использовать как топливо не только для получе­ния теплоты, но и для автомобильных, тракторных двигателей и для газовых двигателей с целью получения электроэнергии. Сжигание 1 м³ биогаза в таких двигателях может дать 1 —1,5 кВт - ч электроэнергии. Октановое число биогаза равно 110—115 при низшем пределе температуры вспышки 645° С;

анаэробная переработка отходов приводит к минерализации азота и фос­фора — основных слагаемых удобрений — и их сохранению в отличие от тради­ционных способов приготовления органических удобрений, при которых теря­ется 30—40% азота;

при образовании биогаза до 90% углерода субстрата может быть превра­щено в газ, а поскольку метановое брожение является наиболее радикальным и эффективным способом очистки сточных вод, то это весьма существенно для решения важнейших проблем охраны окружающей среды и регенерации воды;

при получении биогаза источник топлива оказывается вблизи крупных про­изводств, что увеличивает их автономность и сокращает расходы на транспорти­ровку топлива или электроэнергии по газопроводам и линиям электропередач к относительно мелким потребителям.

Все изложенное выше позволяет считать биогаз одним из видов горючего, получение которого технически несложно, а применение экологически выгодно.

Получение биогаза, или метановое брожение, — сложный многоступенчатый последовательный распад разнообразных биополимеров в анаэробных условиях под действием бактериальной флоры, конечным результатом которого является образование метана и диоксида углерода (углекислого газа). Бактериология этого сложного процесса изучена еще слабо, но можно выделить основные этапы деградации сложных органических веществ до метана и СОг.

На первом этапе анаэробного сбраживания происходит ферментативное гидролитическое расщепление органических веществ широким спектром экзо­генных гидролаз— ферментов, выделяемых в среду анаэробными бактериями, получившими название бактерий-гидролитиков. Под действием гидролаз высо­комолекулярные соединения (полисахариды, жиры, белковые вещества) транс­формируются в низкомолекулярные. Последние под действием кислотогенных бактерий (второй этап) превращаются в летучие жирные кислоты, органические кислоты, спирты, альдегиды, кетоны, аммиак, сероводород, диоксид углерода, водород и воду. Образовавшиеся органические кислоты, за исключением уксу­сной и муравьиной, под действием особой группы бактерий—ацетогенов — превращаются в уксусную и муравьиную кислоты, водород и СОг. В результате первых трех этапов — гидролитического, кислотогенного и ацетогенного — в среде накапливаются уксусная и муравьиная кислоты, метиловый спирт, метил­амин, водород, оксид и диоксид углерода, аммиак, сероводород, оксид фосфо­ра. Указанные соединения являются основными субстратами для энергетиче­ского и конструктивного обмена веществ особой группы анаэробных бактерий — метаногенных, синтезирующих метан.

Метаногенные бактерии венчают сложный процесс распада биополимеров в анаэробных условиях. Эти микроорганизмы по целому ряду уникальных био­химических особенностей выделены в особую группу всего живого мира — груп­пу «архебактерий», или древнейших бактерий. В эволюционной истории всего развития метаногены насчитывают 3—3,5 млрд. лет. Они возникли задолго до появления фотосинтеза и, как предполагают, были одними из первых живых ор­ганизмов, возникших на Земле.

Уксусная и муравьиная кислоты, метиловый спирт, оксид углерода, метил­амин, диоксид углерода и водород используются различными видами метаногенов (к настоящему времени описано около 20 видов) для энергетического и конструк­тивного обмена, аммиак, сероводород и фосфор — для конструктивного обмена.

Образование биогаза из продуктов фотосинтеза можно представить в виде двух взаимосвязанных систем. Первая из них связана с накоплением продуктов фотосинтеза, или биомассы, которая является субстратом — сырьем для второй системы, образующей метан. Согласно этой схеме, все задачи, связанные с реше­нием проблемы промышленного производства биогаза, делятся на три основные группы: первая группа — задачи, связанные с проблемой сырья и его подготов­кой; вторая группа — задачи, связанные с трансформацией биомассы в биогаз, или непосредственное метановое брожение; третья группа — задачи, связанные с рациональной утилизацией продуктов метанового брожения.

Сырье является основной проблемой в производстве биогаза. Главное требо­вание к сырью — массовость, доступность, низкая стоимость и быстрая транс­формация в метан. Следовательно, не все виды биомассы могут непосредственно без предварительной подготовки использоваться в биогазовой промышленности. Сырье или биомассу, используемые для производства биогаза, можно разделить на две большие группы.

1. Биомасса как непосредственный продукт фотосинтеза, например водо­росли, водные растения, травы, кустарники и т. д. В ряде стран имеется уже определенный опыт по выращиванию водорослей и водных растений и производ­ству из них метана. Разрабатываются также проекты по масштабному производ­ству метана из морских водорослей (США). Возможно, что в недалеком буду­щем в США водоросли станут основным сырьем для производства биогаза в рамках большой энергетики.

2. Биомасса как отходы при производстве продуктов питания и некоторых технических продуктов из сельскохозяйственного сырья. Это наиболее перспек­тивное сырье для получения биогаза.

Подсчитано, что в развитых странах на одного человека в год приходится до 5 т сухих органических отходов, а для СССР и США (в пересчете на все насе­ление) эта цифра составляет около 2,4 млрд. т. Переработка их в метан может дать до 700 млрд. м³, или 1 млрд. т условного топлива.

Отходы делятся на первичные и вторичные. К первичным относятся отходы сельскохозяйственного производства (солома злаковых, ботва и т. д.), пищевой, микробиологической, текстильной и других отраслей промышленности, исполь­зующих сельскохозяйственное сырье, а также отходы лесопереработки. Ко вто­ричным отходам относятся отходы животноводства, птицеводства, коммуналь­ные отходы и сточные воды городов.

Технологические принципы получения биогаза из сточных вод городов до­статочно отработаны и не вызывают сомнений. Например, станции аэрации, перерабатывающие сточные воды Москвы, производят в год до 110 млн. м³ био­газа, который используется на собственные нужды предприятий. Общий выход сточных вод крупных городов в СССР составляет около 6,5 млн. т. по сухому ве­ществу. При их переработке можно получить до 2 млрд. м³ биогаза в год.

Например, отходы 15 человек могут дать 0,540 м³ газа в сутки, что позволит при использовании газового двигателя с генератором получить 1,14 кВт • ч элек­троэнергии, а отходы 15 тыс. человек позволяют получить до 2 млн. м³ биогаза в год. При использовании метантенка объемом 5600 м³ в сутки подается 376 м³ (6,7%) отходов, при концентрации сухих веществ 4%. Наиболее выгодно использовать биогаз в газовом двигателе с генератором для получения энергии. Коэффициент превращения тепловой энергии в механическую равен 38%, меха­нической в электрическую — 94%, а общий к. п. д. равен 33%. Однако общий коэффициент переработки газа выше за счет получения дополнительной отрабо­танной теплоты и составляет 80%. Ежегодно за счет указанных количеств газа можно получать 11400 кВт- ч электроэнергии. После обеспечения электро­энергией помпы и газового компрессора (3400 кВт- ч/сут) и затрат на подачу воздуха для аэротенка (4000 кВт-ч/сут) остается 4000 кВт • ч. Дополнитель­ная тепловая энергия (отработанная теплота) составляет в день 1200 МДж. В итоге полученная электроэнергия и отработанная теплота соответствуют затратам 630 кг мазута в сутки. Таким образом, 1 м³ газа с учетом получения электроэнергии и отработанной теплоты равноценен 1,3 кг мазута.

В СССР уже длительное время успешно действуют два крупных цеха по ме-тангенерации на отходах ацетоно-бутилового производства и один цех — на отходах спиртового производства. Каждый такой цех вырабатывает в год до 3,5 млн. м³ биогаза, что позволяет экономить производствам до 25% природного газа. Кроме того, одновременно с получением биогаза производится кормовой препарат В12 для животноводства. После пуска в эксплуатацию цехов по метан-генерации такие предприятия стали безотходными. Только за счет переработки отходов пищевой промышленности Украинской ССР методами биоконверсии можно будет получать в год до 850 млн. м³ биогаза, или 850 тыс. т условного топлива.

В проточной системе (при непрерывном или полупрерывном процессе) суб­страт загружают в реактор непрерывно или через короткие отрезки времени (на­пример, ежесуточно). Если обеспечиваются оптимальные параметры процесса (подача массы, концентрация сухого вещества, загрузка рабочего пространства, температура брожения) и равномерное перемешивание массы, то этот вид про­изводства позволяет получить максимальный выход газа при непрерывном процессе газообразования.

Система с попеременным использованием реакторов характеризуется пре­рывистым процессом, протекающим не менее чем в двух одинаковых по разме­рам и формам реакторах.

При ежесуточной загрузке свежего субстрата реакторы при образовании определенного количества шлама попеременно заполняются свежим субстра­том и по истечении заданного срока брожения опорожняются так, что в них остается только затравочный шлам. Такая система требует наличия газового аккумулятора (газгольдера) с постоянным запасом газа, достаточным для за­полнения освобождающегося при выгрузке шлама объема реактора. Это тре­буется для предотвращения попадания воздуха в рабочее пространство реак­тора.

Система с накоплением газа и шлама выполняется только с одним жидкост­ным реактором. Последний играет роль бродильной камеры и накапливает шлам до момента его выгрузки. Поэтому реактор никогда не опорожняется полностью; остаток шлама служит затравкой для новой порции субстрата. При непрерывной подаче свежего субстрата постоянно снижается время, отводимое для брожения. В результате этого газовый потенциал накопившейся в реакторе массы исполь­зуется не полностью.

С точки зрения статической прочности, создания условий для перемешивания (затрат энергии на перемешивание), отвода осадков и разрушения плавающей корки предпочтительно использование яйцеобразного резервуара). Однако в крупных установках его делают только из бетона, поэтому высокая стоимость изготовления таких резервуаров существенно ограничивает их при­менение. Для меньших объемов (менее 30 м³) можно изготовлять реакторы ука­занной формы из полиэфирной смолы, армированной стекловолокном. В буду­щем резервуары такого типа найдут широкое применение в сельскохозяйствен­ных биогазовых установках.

Цилиндрический резервуар с конусной верхней или нижней частью, как и яйцеобразный, обладает тем преимуществом, что для него характерны небольшое пространство для накопления газа, концентрированная в органическом объеме плавающая корка, а также хороший отвод шлама. Резер­вуар такой формы, используемый в коммунальных установках для очистки и раз­ложения стоков, а также для обработки производственных сточных вод, изготов­ляют из бетона, а в последнее время из металла. В сельском хозяйстве более экономично применять стальные конструкции.

Цилиндрический резервуар создает худшие условия для пере­мешивания и из-за большой поверхности контакта сред требует более высоких затрат на удаление осадка и разрушение плавающей корки, что связано с увели­чением затрат энергии при перемешивании. Его преимущество заключается только в относительно простой технологии изготовления. Если цилиндрический резервуар разделить перегородкой на две камеры, то затраты на него будут меньше по сравнению с затратами, необходимыми для изготовления двух от­дельных резервуаров (система с попеременным использованием реакторов. При применении такой конструкции отпадает необходимость в теп­лоизоляции наружных стенок резервуара и улучшается теплопередача между обеими камерами через перегородку, выполненную из теплопроводного мате­риала. Встраивание в эту перегородку нагревательного устройства дает допол­нительные конструктивные и энергетические преимущества.

В небольших установках бродильная камера может иметь кубическую форму (в виде бассейна или ямы с крышкой). Такой реактор можно разде­лить на две части: главную бродильную камеру и камеру для окончательного этапа сбраживания и осаждения шлама. Установки этого типа не позволяют получить высокую степень разложения субстрата, так как в них не обеспечи­ваются ни равномерное перемешивание массы, ни управление загрузкой рабо­чего объема камеры и временем пребывания массы в реакторе. Разрушение плавающей корки и осадка связано с большими затратами.

В горизонтальном резервуаре субстрат перемешивается в про­дольном направлении, причем для небольших установок можно применять ци­линдрические реакторы, сделанные из стали или стеклопластика. Наклонное расположение продольной оси резервуара облегчает стекание шлама по на­правлению к выгрузному отверстию. Такая конструкция удобна для размещения простейшего перемешивающего механизма.

Бродильная камера в виде вырытой в грунте траншеи позво­ляет обрабатывать большие количества субстрата. В качестве строительного материала, как правило, используют бетон. В настоящее время принцип сбражи­вания в траншеях с наклонным дном и плавающей крышкой получил дальнейшее развитие в США.

Для получения необходимой температуры брожения прежде всего требуется подогревать до температуры брожения подаваемый субстрат. При загрузках более 20% в сутки, хорошей теплоизоляции и большом объеме реактора такого способа подогрева вполне достаточно для поддержания оптимальной темпера­туры брожения в условиях эксплуатации реакторов в средних широтах. И лишь зимой, при сильных морозах требуется дополнительный подогрев самой массы в реакторе. Для этого используют паровые инжекторы — теплообменные нагре­вательные аппараты, через которые пропускается горячая вода не выше 60° С. Подогрев можно также осуществлять путем циркуляции массы через теплооб­менники, вынесенные вне реактора. В ряде стран для подогрева используют солнечную энергию, применяя солнечные коллекторы.

Постоянное равномерное перемешивание жидкости и находящихся в ней твердых веществ служат предпосылкой беспрепятственного и эффективного про­текания процесса брожения. С этой целью используют механическое перемеши­вание с помощью мешалок и гидравлическое перемешивание с помощью струи жидкости, которая создается подвижным или неподвижным соплом. Наиболее экономичным и перспективным является перемешивание с помощью газов бро­жения, которые продуваются через жидкий субстрат, не имеющий слишком большой вязкости.

Чтобы поддерживать необходимую для процесса брожения температуру, нужно постоянно подводить теплоту к сбраживаемой массе. Потребность в ней складывается из теплоты, необходимой для подогрева субстрата, и теплоты, идущей на компенсацию потерь. Компенсационные потери составляют 8—16% от количества теплоты, необходимой для подогрева субстрата. Общая потреб­ность в теплоте для биогазовой установки определяется главным образом затра­тами на подогрев субстрата до температуры брожения. Кроме того, часть энер­гии затрачивается на работу мешалок или насосов.

Для компенсации указанных затрат энергии на эксплуатацию биогазовых установок можно использовать биогаз как источник для получения теплоты и энергии. Количество этого газа зависит от температуры брожения, объема реактора, скорости подачи субстрата, климатических условий и колеблется от 10 до 50% от получаемого биогаза. Источником теплоты может служить теплота удаляемого шлама или сброженной массы, для чего используют теплообменник или тепловой насос.

Вторым важным и материалоемким компонентом биогазовых установок является газгольдер. Газгольдеры, так же как и реакторы, бывают разных систем и конструкций.

Газгольдер для сжиженного газа. При температуре —160° С очищенный от СОг биогаз при нормальном давлении можно перевести в жидкое состояние. При этом объем его уменьшается в 600 раз. Современные газгольдеры такого типа имеют объем от 100 до 1 00000 м³.

Метан можно растворить под давлением в жидком углеводороде (пропан-бутан), при этом запас газа в том же объеме в 4—6 раза больше, чем при исполь­зовании другого способа под тем же давлением.

Газгольдер высокого давления представляет собой сферический резервуар вместимостью 10—100 тыс. м³ с рабочим давлением 0,8—1,0 МПа.

В принципе газовые приборы с точки зрения использования первичного энер­гоносителя значительно экономичнее, чем электроприборы. В настоящее время разрабатываются отопительные устройства, в которых выпускные газы конден­сируются, в результате чего выделяется теплота испарения содержащейся в них воды.

При получении электроэнергии в помощью приводимого газовым двигателем генератора справедливо следующее соотношение: 1 м³ биогаза дает 1,6 кВт ■ ч электроэнергии.

Средняя теплота сгорания биогаза, содержащего около 60% метана, равна 22 МДж/м³. Поскольку горючая часть биогаза состоит из метана, его можно причислять к семейству природных газов. Характерная для природного газа скорость распространения пламени в метано-воздушной смеси, равная 43 см/с, при использовании биогаза снижается из-за содержания в нем СОг.

Биогаз можно использовать в следующих установках и приборах.

Горелка для отопительных установок применяется в системе отопления жилых помещений как в виде обычных горелок с забором атмосферного воздуха, так и в виде горелок с дутьем. Для нормальной работы горелок требуется давле­ние истечения газа на входе в горелку, равное 1 —1,5 кПа.

Водонагреватели стандартные, пригодные для любых газов и газовых смесей, не вызывают каких-либо трудностей в эксплуатации.

Газовые плиты с горелками на верхней поверхности и с духовками. Кухон­ные газовые плиты должны работать на биогазе с теплотой сгорания 22 МДж/м³ при рабочем давлении 0,4 кПа.

Холодильные машины абсорбционного типа. Сейчас ведутся работы по проектированию абсорбционных тепловых насосов с непосредственным исполь­зованием газа для подогрева. Такие насосы задуманы как для тепло-, так и для холодоснабжения климатических установок.

Стационарные двигатели внутреннего сгорания. В настоящее время ряд за­рубежных фирм наладил серийный выпуск газовых двигателей эффективной мощностью от 30 до 2200 кВт. Наиболее экономично использовать биогаз в ста­ционарном газовом двигателе низкого давления, например для привода вентиля­торов, насосов, транспортеров, генераторов и т. д.

Биогаз имеет октановое число 100—110 (метановое число 135), пригоден для двигателей с высокой степенью сжатия, но обладает очень низкой способностью к самовоспламенению. Обычная степень сжатия биогаза находится в пределах от 8 до 11. Биогаз може\ быть использован в одном из двух циклов сгорания, характерных для газовых двигателей: в газовом цикле Отто (с искровым зажи­ганием) и газодизельном цикле (с впрыскиванием небольшой дозы запального дизельного топлива).

Стационарные газовые двигатели для получения электроэнергии. Имеются компактные установки из газовых двигателей и генераторов на электрическую мощность 30—220 кВт. Производство электроэнергии из биогаза может быть целесообразным лишь при продолжительной эксплуатации генераторной уста­новки.

Фирма «Фиат» разработала использующую природный газ или биогаз ком­пактную теплосиловую установку «Тотем» которая вырабатывает электро­энергию (переменный ток 330 В, 15 кВт) и горячую воду (145 МДж/ч). Часовая потребность ее в биогазе составляет 10 м³ и соответствует затратам 0,113 долл.

Биогаз может найти широкое применение непосредственно в сельскохозяйст­венном производстве. В растениеводстве полностью или частично с помощью биогаза можно обеспечить энергией следующие производственные процессы: сушку зеленых кормов, сушку сена, винокурение. Кроме того, биогаз может использоваться в теплицах.

В животноводстве также можно применять биогаз для покрытия потреб­ностей в энергии отдельных процессов, в которых сегодня применяется электро­энергия или природный газ.

Сельское хозяйство помимо биогаза активно потребляет биошлам, образую­щийся после метанового брожения и используемый в качестве высокоэффектив­ных органических удобрений.

В ряде стран уже имеются значительные достижения в использовании био­газа для коммунальных и бытовых нужд, для получения теплоты и электро­энергии. На основании изложенного выше можно сделать вывод, что биогаз, получаемый конверсией биомассы, может стать важным дополнительным источ­ником топлива.

Только отходы сельскохозяйственного производства — пшеничная и рисовая солома, отходы животноводства — составляют в мире до 4,2 млрд. т, их пере­работка в метан биоконверсией может покрыть одну десятую современных ми­ровых энергетических потребностей. Основные преимущества получения био­газа состоят в том, что он относится к возобновляемым источникам энергии. Весь имеющийся мировой опыт по получению биогаза из биомассы указывает на его рентабельность и высокую эффективность.

Контрольные вопросы

1.Типы энергетических комплексов. Принципиальная схема способа экономии энергии

2.Использование энергии ветра

3. Геотермальная и гидротермальная энергия

4. Энергия тепловых выбросов

5. Биотехнологические основы конверсии солнечной энергии

6. Типы энергетических комплексов

Список литературы

1.Энергоактивные здания. / Н.П. Селиванов, А.И. Мелуа, С.В. Зоколей. Под ред. Э.В. Сарнацкого и Н.П. Селиванова, М.- Стройиздат.1988г.396с.: ил.

Дата добавления: 2014-01-07