Биоэнергетическая технология
Биоэнергетическая технология
1) Альтернатива.
Темпы роста CO2 в атмосфере.
С 1958 до 1980 г. количество CO2 в атмосфере увеличилось на 17%, тогда как за предыдущие 100 лет на 15%.Уголь, нефть, газ дают миру 98% энергии. 2%а – гидро- и атомные станции. Электричество: 8-10% - атомные станции, 20% - гидростанции, 70% - ТЭС. Запасы газа на 40 лет, угля на 200-300 лет, нефти на 30 лет.
Парниковый эффект, охрана окружающей среды. В настоящий момент ежегодный экологический ущерб от сжигания ископаемых топлив оценивается экспертами в 1700 млрд. $.
Необходимы экологические чистые (солнца, ветра) технологии получения энергии. При фотосинтезе энергии солнца конвертируется в энергию химических связей органических веществ, объединяемых общим термином «биомасса». Продукт фотосинтеза – биомасса (экологически чистый источник топлива).
Биотехнологической конверсией получают этил, метил и другие спирты, органические кислоты из биомассы, биогаз и водород.
Технологическая конверсия – получение жидкого, твёрдого и газообразного топлива (пиролиз, газификация).
Содержание биомассы (по условному топливу - уголь-500млрд. т., газ-100млрд.т., нефти-200млрд. т.) в биосфере оценивается в 800 млрд. т., приём 90% - древесина. 200 млрд. т. ежегодно возобновляется!
В мире используют древесину как топливо ~1 млрд. чел. Сейчас 1/7 часть энергии обеспечивает биомасса. В Бразилии уже сейчас производят ~6 млн. т. этанола из биомассы (отходы сахарного тростника). Автомобили работают на газохоле (этанол +5% H2O или этанол +бензин). В развивающихся странах (Эфиопия, Судан, Бангладеш) 90-95% энергетики зависит от переработки биомассы. США – 3-4%; Швеция – 10%; Финляндия – 17%. Германия – из биомассы 500 т. этанола в год, добавка к бензину (2,5%). Франция – 15 млн. т. соломы, метанол.
В 21 веке 25% энергии от биомассы. Сейчас 4%.
Биоэнергетика экологически чиста, не даёт вредных SO2, не меняет баланс CO2 в атмосфере. Термин биомасса расширяется на все виды веществ растительного и животного происхождения, продукты жизнедеятельности человека и животных. Количества и виды топлив из «биомассы» зависит от её влажности, состава органических веществ, физических особенностей биомассы. Проблемы: маленький КПД фотосинтеза, сложность хранения, климат, агроусловия, нужно земельные площади, вода, удобрение, и т.д. Значительная её часть содержит >50% H2O, что удорожает технологии получения топлива и энергии. Из биологических методов конверсии биомассы основных 2: 1 – производство биогаза; 2 – производство C2H5OH.
2) Метановое брожение.
Русский учёный В.Л. Омелянский в своих работах начала XX века, что процесс образования CH4 на поверхности земли (болота, лиманы, сточные воды, реки, озёра и т.д.) биологический и осуществляют его микроорганизмы, находящиеся в анаэробных условиях. В дальнейшем было подтверждено (член корр. С.И. Кузнецов), что процессы деструкции органических веществ до CH4 широко распространены в осадочных отложениях, и что промышленные месторождения природного газа – продукт биологических процессов. Вывод – возможность промышленной биоконверсиейи биомассы в CH4 в масштабах, близких к современной добыче природного газа. В качестве сырья – органические отходы сельскохозяйственного производства; различных отраслей промышленности; городов и посёлков.
Состав биогаза: 70% - CH4; 30% - CO2; +небольшие H2S; H2; N2. Теплотворная способность от 5 тыс до 8 тыс. ккал/м3. Сравним с лучшими видами известных топлив. По стоимости производимой тепловой энергии он в 1,5-3 раза дешёвле электроэнергии, керосина, угля. На 1 т. органического вещества образуется 250-500 м3 биогаза. Промышленное получение биогаза из органических отходов имеет ещё ряд существенных преимуществ: фактически происходит санитарная обработка сточных вод (особенно животноводческих и комунально-бытовых), уничтожаются яйца , патогенная микрофлора и семена сорняков. Кроме того, анаэробная переработка отходов животноводства, растениеводства приводит к минерализации N2 и P – основных слагаемых удобрений, что обеспечивает их сохранение , тогда как при традиционных способах приготовления удобрений методами компостирования безвозвратно теряется до 30-40% N2; P.
Метановое брожение отличает высокий КПД превращения энергии органических веществ в биогаз, достигающий 80-90%. Биогаз может с высокой эфективностью использоваться как топливо. С помощью газогенераторов (КПД-83%) его можно трансформировать в электроэнергию (33%) и тепловую (55%) энергию. Пригоден он и для ДВС и дизельных двигателей. Биогазовые установки легко разместить в любом районе, они не требуют строительства дорогостоящих газопроводов.
Китай уже имеет > 7 млн. биогазовых установок с V-реакторов 8*10м3. Это обеспечивает теплом 30 млн. крестян. К 2000 году КНР планирует построить 30 млн. установок. Индия имеет ~500 тыс. семейных установок. В странах ЕЭС ~600 установок, из них 17 перерабатывает в биогаз городской твёрдый мусор. В США во множестве работают крупные биогазовыеустановки по переработке городского твёрдого мусора со ср. N до 100 млн.м3 биогаза в год. Отходы животноводческих ферм перерабатывают реакторы объёмом от 100 до 300 м3. ~90 реакторов (V – 1-5 тыс. м3) обрабатывают стоки. В настоящее время биогазовые установки, перерабатывающие в основном отходы животноводческих ферм имеют Германия, Финляндия, Франция, Бельгия, Швеция, Италия. В каждой ~до 100 установок эксплуатируются.
В биогазовых установках для переработки отходов сельскохозяйственного производства применяют в основном обычную одноступенчатую схему, а для промышленных установок, перерабатывающих стоки, применяют применяют современные технологии с подготовкой массы к сбраживанию и стабилизации вводимых в реактор микроорганизмов. Подавляющее число установок работают в мезафильном режиме (т.е. сбраживание осуществляется при to=35oC). Термофильные процессы редко (to=50-60oC) – Швеция. Перспективным считается сбраживание при to окружающей среды (психрофильный процесс).
- – экологической;
- – продовольственной (получения высококачественных удобрений);
- – энергетической (получения топлива).
Устойчивое получение CH4 бактерии (метаногены) превращают значительную часть органического субстрата в ценное топливо.
У нас в стране животноводчество и птицеводство – нетронутый источник электроэнергии. Одного навоза 560 млн. т./год. Для его переработки потребуется 30 тыс. биоустановок с V реакторов 250-300 м3 и 5-суточной экспозицией сбраживания. В 1984 г. на СМНПО «Фрунзе» (Сумы) на свиноферме на 3 тыс. голов была пущена в эксплуатацию биогазовая установка с реактором на 300 м3. Окупаемость 3-4 года. Должны выпускаться серийно эти установки.
Первая крупная промышленная установка (87 г.) Эстония.
Жидкий навоз (влажность 93-95%) сбраживают в течении 16 суток в 2-х метантенках V=3260 м3каждый, мезофильный режим (to=35-38oC).
P=400 мм. вод. ст. Q=6210 м3/сутки. Ещё строят 5 таких установок.
Украина, Днепропетровская область, Апостоловский район: 108 тыс. свиней + 10 тыс. крупного рогатого скота. Qгод по биогазу – 2,8 млн. м3/год.
Кроме биогаза можно получать высококонцентрированное обеззараженное органическое удобрение без запаха, с влажностью 65-70%. процесс метанового сбраживания за счёт совершенствования конструкции метантенков, использование активных заквасок, максимальное исключение тепловых потерь, использование раздельного способа сбраживания и т.д. Проблема: (слишком жидкие стоки 2-4% на сухое) центрифуги, отстойники, виброгрохоты – для сгущения навоза. Метод анаэробной переработки биомассы в биогаз и удобрения с инженерной точки зрения довольно хорошо изучен в лабораторных условиях. Получены результаты уд. Q по биогазу ~4 м3 с 1 м3 реактора позволяет действительно эффективно получать товарную энергию из органических отходов в виде биогаза.
– создан и внедрён в сельсохозяйственное производство высокопроизводительных технологий и установок для производства биогаза и концентрации органических удобрений для крупных и средних животноводческих комплексов где проблема переработки жидких навозных стоков (400-3500 м3/сутки) давно назрела.
Полезная информация: