Основні відомості для виконання лабораторної роботи

Лабораторна робота

БІОЕНЕРГЕТИКА. БІОМАСА ЯК ДЖЕРЕЛО ЕНЕРГІЇ.

Мета роботи:ознайомитися з методикою встановлення ефективності біогазогенератора і двигун-генераторної установки

Основні відомості для виконання лабораторної роботи

Біомаса - це органічні сполуки вуглецю. Енергія біомаси виникає в результаті фотосинтезу під дією сонячного випромінювання, в процесі утворення органічних речовин і акумуляції в них хімічної енергії.

Потік сонячної енергії, що перетворюється на Землі в результаті фотосинтезу, складає 250 кВт на людину, що еквівалентне 250000 великих АЕС (по 6 млн. кВт кожна). Для порівняння - потужність електричних станцій на планеті складає біля 0,8 кВт на людину.

В результаті фотосинтезу утворюються вуглеводи, що містять вуглець в з’єднаннях з киснем і воднем (наприклад, глюкоза C₆H₁₂O₆ або сахароза C₁₂H₂₂O₁₁). В процесі з’єднання з киснем при згоранні або гнитті біомаси виділяється тепло. При спалюванні біомаси в кисні вихід тепла складає 16МДж/кг або 4,4 кВт·годин на 1 кг сухої ваги.

Основними джерелами біомаси є:

· лісорозробки і відходи переробки деревини;

· цукрова тростина;

· зернові і інші, продовольчі і технічні культури, продукція енергетичного рослинництва;

· відходи тваринництва (гній);

· міські стоки, сміття (тверді побутові відходи).

Переробка біомаси, пов’язана з витяганням енергії здійснюється термохімічними, біохімічними і агрохімічними способами.

Термохімічні способи – це пряме спалювання і піроліз, біохімічні, - спиртова ферментація і анаеробна переробка, агрохімічні, - екстракція палив прямо від живих рослин (наприклад, отримання каучуку).

Спалювання біопалива з отриманням тепла використовується для приготування їжі, обігріву жител, для сушки зерна, отримання електроенергії і так далі.

Приготування їжі і спалювання палива в традиційних, часто примітивних «пристроях» - неефективно. Їх к.к.д. часто не перевищує 5%. Великі втрати із-за неповного згорання, віднесення тепла вітром, випари з відкритого котла і т. д. Процес можна поліпшити вдосконаленням методів приготування (наприклад, парові сковорідки), зменшенням теплових втрат (теплоізоляція печей, конструкція нагрівачів), поліпшенням згораючих паливних газів, застосуванням простих і надійних методів управління нагрівачами. Застосування деревного вугілля, примусової подачі повітря дозволяє підвищити ефективність плит і печей до 50%.

Інші напрями по вдосконаленню процесу спалювання біопалива – це застосування як паливо печей біогазу, використання сонячних кухонь.

У цих процесах як біопаливо широко застосовується деревина. Деревину можна вважати поновлюваним джерелом енергії тільки за умови, що швидкість її приросту перевищує швидкість знищення.

Піроліз (суха перегонка) -це процеси нагріву або часткового спалювання органічної сировини для отримання похідних палив або хімічних сполук. Сировиною є деревина, відходи біомаси, міське сміття, вугілля. Продукти піролізу - гази, смоли і масла, деревне вугілля, зола. Різновид піролізу - газифікація - призначена для максимального отримання газоподібного палива. Піроліз здійснюється в газогенераторах. Схема газогенератора представлена на рисунку 1.

Матеріал, що подається, заздалегідь сортують для зниження негорючих домішок, підсушують, подрібнюють. Температура в печі залежить від співвідношення повітря - пальне. Найпростіше управління установкою при температурі нижче 600ºС. При вищих температурах - складніше управління, але збільшується зміст водню у виробленому газі.

Рисунок 1 - Схема газогенератора.

1 – пекта, куди подається і частково спалюється при насиченні повітрям 2 біомаса; 3 – газопровід; 4 – вихід деревного вугілля; 5 – біогаз від інших печей; 6 – сепаратор; 7 – похідні рідини і леткі з’єднання (ефіри, феноли, оцтова кислота, метанол та ін.); 8 – сушарка для сільськогосподарської продукції; 9 – обігрів приміщень і приготування їжі; 10 – газгольдер; 11 – кришка газгольдера; 12 – трубопровід генераторного газу; 13 – двигун внутрішнього згорання; 14 – електричний генератор.

Перегонка проходить в 4 стадії:

· 100…120 ºC матеріал, що подається в газогенератор, опускається вниз і звільняється від вологи;

· 275 ºC – відвідні гази в основному складаються з N₂, CO і CO₂; витягується оцтова кислота і метанол;

· 280 – 350 ºC – починається реакція виділення летких хімічних речовин таких, як ефіри, феноли та ін.

· понад 350 ºС – виділяються усі типи летких з’єднань, одночасно з утворенням вуглекислого і чадного газу відбувається збільшення утворення водню і метану CH₄, частина вуглецю зберігається у вигляді деревного вугілля, змішаного із золою.

Паливо, отримане при піролізі більш універсальне, ніж початкове, але вже має меншу енергію згорання. «Універсальність» палива – це ширший діапазон пристроїв – споживачів, менше забруднення середовища, зручність транспортування, краща керованість горінням. В результаті переробки отримують твердий залишок, рідини, гази.

Твердий залишок – деревне вугілля, складає 25…35% сухої біомаси. Він на 75…85% складається з вуглецю, має теплоту згорання 30 МДж/кг. Використовується як паливо з контрольованою чистотою, застосовується в лабораторії, в промисловості, для виплавки стали (замість коксу).

Рідини – смоли, оцтова кислота, метанол, ацетон - 30% від сухої біомаси. Вони можуть бути відокремлені або використані разом як низькоякісне паливо з теплотою згорання 22 МДж/кг.

Гази – це деревний газ (синтетичний газ, генераторний газ або водяний газ) – до 80 % в газогенераторах. Гази складаються з азоту, водню, метану, вуглекислого газу і чадного газу. Вони накопичуються в газгольдерах при тиску, близькому до атмосферного (вони не стискаються). Використовуються в дизельних і карбюраторних двигунах.

Інші термохімічні процеси: гідрогенізація і каталітична реакція між вуглецем і окислом вуглецю.

Гідрогенізація – процес нагрівання подрібненої або перевареної біомаси до 600 ºС при тиску близько 50 атм (5 МПа). Отримані при цьому горючі гази метан і етан дають при спалюванні 6 МДж на 1 кг сухої сировини.

Каталітична реакція між Н₂ і С при 330 ºC і тиску 15 МПа дає метиловий спирт (метанол) – отруйну речовину, яку можна використовувати як замінник бензину з теплотою згорання 23 МДж/кг

Спиртова ферментація (бродіння)використовується для отримання етилового спирту (етанолу) - С₂Н₅ОН. Етиловий (питний) спирт утворюється з цукрів особливими мікроорганізмами, дріжджами, в кислому середовищі.

При концентрації спирту 10 % мікроорганізми гинуть. Тому подальше підвищення концентрації виходить перегонкою (дистиляцією). В результаті отримують суміш - 95% спирту + 5% води. При бродінні втрачається 0,5% енергетичного потенціалу цукру. Необхідну для перегонки теплову енергію отримують, спалюючи відходи біомаси.

Етиловий спирт отримують з цукрової тростини, цукрового буряка, крохмалю. При отриманні спирту з цукрової тростини спочатку відділяють сік для отримання сахарози. Патоку, що залишилася, з вмістом цукру до 55% зброджують і переробляють в спирт. Реакція перетворення сахарози в етанол у присутності дріжджів:

При отриманні спирту з цукрового буряка спочатку отримують цукор для зброджування; далі процес аналогічний.

Для отримання спирту з рослинного крохмалю, наприклад, із злакових, його заздалегідь піддають гідролізу на цукор. Великі молекули крохмалю руйнуються ферментами солоду, що містяться, наприклад, в ячмені або при обробці його сильними кислотами при підвищеному тиску. Важливий вторинний продукт зброджування – відходи використовуються як корм для тварин і добрив.

Етиловий спирт – хороше рідке паливо. Він використовується в чистому вигляді (95 %) при невеликій модернізації карбюратора або в суміші з бензином 1:10 (газохол). Газохол зараз звичайне паливо в Бразилії. Застосовується воно і в США. При застосуванні газохола збільшується на 20% потужність двигунів, знижується забруднення атмосфери в порівнянні із застосуванням тетраетилсвинця.

Отримання біогазу шляхом анаеробного зброджування. У природних умовах біомаса розкладається на елементарні з’єднання в умовах вогкості, тепла, темряви у присутності кисню під дією бактерій, так званими аеробними. За участю цих бактерій вуглець біомаси окислюється до двоокису вуглецю (вуглекислого газу).

У замкнутих об’ємах з браком кисню розвиваються анаеробні бактерії, які сприяють створенню вуглекислого газу і метану. У анаеробних умовах відбувається процес «зброджування». «Біогаз» - це суміш метану і вуглекислого газу. Його отримують в біогазогенераторах. Реакція перетворення сахарози в метан у присутності бактерій:

Реакція перетворення целюлози в метан:

Ці реакції екзотермічні. В процесі їх протікання виділяється 1 МДж тепла на 1кг сухої маси зброджуваного матеріалу. Проте, цього недостатньо для необхідного підвищення температури маси.

Анаеробне зброджування і отримання біогазу з наступним його використанням як якісне паливо вигідніше, ніж просте висушування і спалювання початкового матеріалу, оскільки тільки видалення 95% вологи при сушці вимагає до 40 МДж тепла на 1кг сухого залишку. Теплота згорання сухого гною складає 12…15 МДж/кг. Крім того, після анаеробної переробки гній може бути використаний як добриво.

Отримання біогазу – економічно вигідно, якщо біогазогенератор працює на переробці існуючого потоку відходів - (стоки каналізаційних систем, свиноферм та ін.) без їх спеціального збору, наприклад, в замкнутому екологічному циклі агропромислового комплексу.

Зброджування в біогазогенераторі може відбуватися при температурі 20…30ºС за участю псикрофіличних бактерій з циклом зброджування 14 діб. При підігріванні до 35ºС в процесі беруть участь мезофіличні бактерії і процес прискорюється до 7 діб. Для підігрівання використовується частина біогазу, що отримується в біогазогенераторі. При необхідності прискорення розкладання біомаси без збільшення виходу біогазу масу підігрівають до 55ºС, що відповідає термофіличному рівню анаеробних бактерій. У будь-якому випадку необхідно підтримувати в біогазогенераторі стабільні умови по температурі і подачі біомаси для виведення відповідних для цих умов популяцій бактерій.

Процес зброджування йде в три стадії, які забезпечуються власними для кожної стадії бактеріями:

1 стадія – розщеплення нерозчинних матеріалів (целюлоза, жири, полісахариди) на вуглеводи і жирні кислоти протягом 1 доби при 20…25ºС;

2 стадія – розщеплення оцтової та інших кислот протягом 1 доби;

3 стадія – утворення метану, повне зброджування маси з отриманням біогазу (70% метану і 30% вуглекислого газу) з домішкою водню і сірководня протягом 14 діб.

Технологічна і електрична схема біогазогенератора для умов помірного клімату для утилізації гною тваринницького комплексу, що використовує електроенергію як основне джерело енергії представлена на рисункуку 2.

Гній поміщають в накопичувач, де він відділяється від незброджуваних матеріалів. Далі маса повільно проходить через місткість, заглиблену в землю, де відбувається зброджування, а потім відпрацьована маса поступає в бак для відпрацьованої маси, яка використовується для добрива. Тиск газу в газгольдері створюється важкою металевою кришкою газгольдера.

Теплота згорання деяких видів палива :

· бензин 47 МДж/кг або 34·10 -³ МДж/л;

· етиловий спирт С₂Н₅ОН 30 МДж/кг або 25·10 -³ МДж/л;

· метан СН4 55 МДж/кг або 38·10 -³ МДж/л;

· метанол СН₃ОН 23 МДж/кг або 18·10 -³ МДж/л;

· біогаз (50% СН₄ і 50% СО₂) 28 МДж/кг або 20·10 -³ МДж/л;

· генераторний газ 5^-10 МДж/кг або (4,8)·10 -³ МДж/л;

· деревне вугілля (кусковий) 32 МДж/кг;

· коров'ячий гній 12 МДж/кг;

· деревина суха 16 МДж/кг

Рисунок 2 - Схема біогазогенератора.

1- приймальна ємність з мішалкою, куди поступає очищений від соломи і інших неактивних матеріалів гній;

2- мішалка;

3- насос;

4- бак (metan tank) з мішалкою;

5- мішалка;

6- насос для перекачування гною в баку з підігріванням в зимовий час за допомогою газового нагрівача;

7- газовий нагрівач;

8- насос для перекачування відпрацьованого гною у вихідну ємність для відходів;

9- вихідна місткість;

10- компресор для перекачування отримуваного біогазу в газгольдер;

11- водяний газгольдер;

12- двигун внутрішнього згорання;

13- електрогенератор;

14- шини трансформаторної підстанції підприємства;

15- комутуючі апарати підстанції;

16- головний трансформатор підстанції підприємства;

17- приводні електродвигуни витяжної і нагнітаючої вентиляції з калориферами для обігріву приміщень, приводу механізмів кормороздачі, скребків, а також лампи освітлення.

Хід виконання роботи .

Встановіть ефективність установки біогазогенератора і двигун-генераторної установки для утилізації гною на свинофермі на 1000 голів.

Початкові дані: (1) зміст сухого зброджуваного матеріалу в гною однієї тварини 0,2 кг за добу, (2) час циклу зброджування при температурі 20ºС 14 діб, (3) сумарна теплотворна здатність сухого гною 12 МДж/кг, (4) сумарна теплотворна здатність біогазу (50% -метан і 50% -вуглекислий газ) - 20МДж/м³, (5) при повному зброджуванні за 14 діб повний вихід біогазу 0,5 м³ на 1кг сухого матеріалу, (6) ККД двигун-генераторної установки η = =30%.

1. Об’єм рідкої маси (м³), що проходить через біогазогенератор щодоби:

(1)

де m – маса сухого матеріалу в гною тварин за добу, ρ = 50 кг/м³;

ρ - зміст сухого матеріалу в 1 м³.

2. Об’єм біогазогенератора, м³:

(2)

де t - час циклу зброджування, доб.

Маса сухого матеріалу в повному біогазогенераторі, кг

(3)

Об’єм біогазу, що виділяється біогазогенератором за добу, м³:

(4)

де c – вихід біогазу з 1 кг сухого матеріалу в добу.

Річне вироблення електроенергії (кВт∙год) при використанні біогазу в двигун - генераторній установці

(5)

Номінальна потужність двигун - генератора, кВт:

(6)

де К_З = 1 - коефіцієнт запасу.

Витрата електроенергії (тис. кВт∙год) на підігрівання маси в біогазогенераторі в холодну пору року (365/2 діб) в середньому від 5 до 20^оС, вважаючи теплоємність маси 1 ккал/кг∙^оС, густина маси 900 кг/м³, 1 кВт∙год = =1 ккал/860.

. (7)

Витрата електроенергії (тис. кВт∙год) в рік двигунами насосів і мішалок біогазогенератора при їх встановленій потужності 20 кВт і коефіцієнті використання 0,1

(8)

Річна економія електроенергії (тис. кВт∙год)

(9)

Капітальні витрати (грн) на установку при питомих витратах З_пит=2млн. за 1 кВт встановленої потужності

(10)

11. Річний економічний ефект (грн) без урахування додаткових експлуатаційних витрат при тарифі на електроенергію для виробничих споживачів b =1,70 грн/кВт∙год

Е = ΔW∙b. (11)

12. Термін окупності без урахування додаткових експлуатаційних витрат, років

(12)

Контрольні питання

1. Основні характеристики біогазу.

2. Принцип роботи біогазової установки.

3. Назвіть основні способи переробки біомаси?

4. Яка ефективність спалювання біопалива? Як її можна підвищити?

5. В чому суть анаеробного зброджування?

6. Яка ефективність анаеробної переробки гною?