Оптимизация с-х энергетических установок - Использование энергии биомассы

Глава 4 ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЭНЕРГИИ БИОМАССЫ
Обозначения:
А — площадь поверхности; зольность на сухую массу;
В — предельный выход газа на единицу массы;
С — стоимость; концентрация компонента;
ср — изобарная удельная теплоемкость;
cf — коэффициент трения;
d — диаметр; ширина;
D — диаметр аппарата; коэффициент диффузии; доза загрузки реактора;
Е — энергия;
F — диссипативная функция;
h — удельная энтальпия; расстояние;
Н — высота; энтальпия;
I — интенсивность реакции горения; ширина отражательной перегородки;
k — коэффициент теплопередачи; число витков шнека;
К — критерий мощности; концентрация реагирующих веществ;
К — коэффициент подачи шнека;
т — массовый поток вещества;
М — масса загруженного в реактор вещества;
N — мощность;
р — давление;
Р — количество продукции;
г — радиус;
R — радиус канала, аппарата;
s — толщина скребка, толщина мешалки;
S — энтропия; шаг шнека; концентрация сухого вещества;
t, Т — температура;
и — окружная скорость;
v, w — скорости;
V — объем;
q — удельная плотность теплового потока; результирующий вектор скорости;
Q — поток теплоты;
Ф — функция Рэлея;
Ц — цена продукции;
W — мощность электродвигателя;
а — коэффициент теплообмена; объемная доля частиц в смеси;
β — угол формы трапециевидного канала; температурный коэффициент объемного расширения;
γ — расчетный параметр циркуляционного потока; угол нарезки винтовой линии шнека;
δ — толщина ребра шнека;
λ — теплопроводность; коэффициент гидравлического сопротивления;
μ — коэффициент динамической вязкости;
цт — максимальная удельная скорость роста биомассы за сутки;
ν — коэффициент кинематической вязкости;
р — плотность;
τ — время; параметр тангенциального потока; межфазное напряжение;
ω — угловая скорость;
ξ — коэффициент местного сопротивления;
ср — угол закрутки;
ψ — критерий оптимизации; максимальная производительность.
Критерии подобия:
Еп — Эйлера;
Fr — Фруда;
Gr — Грагкофа;
Nu — Нуссельта;
Re — Рейнольдса;
Ре — Пекле;
Рг — Прандтля;
We — Вебера.
Индексы:
б — биомассы; биогаза; вх — на входе;
вых — на выходе;
м — метана; мешалки н — нормативный;
р — реактора;
г — грунта;
гидравлический;
D — диаметр;
ж — жидкости;
з.с — загруженного сырья;
и — иглы;
к — кинетический;
кр — критический;
об — объемный;
орг — органический;
τηθ — теплообменника;
т — тепловой энергии полезной;
тр — при транспортировке;
сб — сбраживания;
V — в единице объема;
э — эквивалентный;
эл — электроэнергии;
ш — шнека;
г, ζ, φ — цилиндрических координат.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Использование методов биологической конверсии органических отходов с целью получения газообразного или жидкого топлива в настоящее время является весьма перспективным. Это позволяет решить не только энергетическую проблему, но также экономическую и экологическую, поэтому привлекает внимание специалистов-экологов, энергетиков, экономистов, биотехнологов. Она весьма существенна для сельского хозяйства, где имеется большое количество органических отходов. Перспективным сырьем в биоэнергетике являются также отходы пищевой, микробиологической, лесоперерабатывающей промышленности, сточные воды коммунального хозяйства.
Под термином биомасса (БМ) обычно понимают углеродсодержащие органические вещества растительного и животного происхождения (древесина, солома, навоз и т.п.). Часто к понятию БМ относят и органическую часть твердых городских отходов. Биомасса является четвертым по значению топливом в мире, которое эквивалентно 1250 млн. т у.т. и составляет около 15 % первичных энергоносителей в мире (в развивающихся странах — до 38 %) [1]. Она играет существенную роль и в промышленно развитых странах — в среднем 2,8 % общего энергопотребления (ОЭП): в США ее доля составляет 4 % [1], в Дании — 6 [2], в Канаде — 7 [3], в Австрии — 13 [4], в Швеции — 16 [5], в Финляндии — 20 % (максимальная доля для развитых стран) [6]. Преимущества БМ как топлива: полное отсутствие или незначительное количество выбросов соединений серы и сохранение равновесия углекислого газа СО2 в атмосфере. Наиболее широко используемой в настоящее время является растительная БМ.
Биомасса растениеводства на суше Земли равна 2,4-1012 т. По другим данным она составляет 84011 т (Р.Б. Ахмедов), 1,8·1012 т (А. Сассон), что эквивалентно 3-1021 Дж [7].
Путем фотосинтеза вырабатывается более 170 млрд. т вещества (в расчете на сухую массу), что примерно в 20 раз превышает энергию полезных ископаемых. Человечество использует в качестве еды лишь 0,05 % выращиваемой ежегодно на Земле растительной массы.
В морях и океанах ежегодно образуется 0,6·1012 т растительной массы. По данным ООН, от разных злаковых растений, выращиваемых на нашей планете, ежегодно образуется 1700 млн. т соломы, большая часть которой не используется. Переработка 100 млн. т соломы может дать 20 млрд. м³ биогаза, либо 50 млн. т этанола. Не используются полностью 120 млн. т отходов после обработки сахарного тростника. Аналогичная картина с листьями сахарной свеклы, со стеблями хлопчатника, рисовой соломы и пр.
По данным американских специалистов, суммарное количество энергии, которую можно получить в США при использовании отходов в процессе заготовки леса, равна 1,3·101ύ кДж/год.
По литературным данным [7], отходы сельского хозяйства в странах СНГ составляют 360 млн. т в год, из которых в животноводстве — 230 млн. т, а в растениеводстве — 130 млн. т.
Прогноз мирового энергетического совета (МИРЭС) относительно вклада БМ в энергетику будущего наряду с другими возобновляемыми источниками энергии (ВИЭ) приведен в табл. 4.1 [8]. Термин «современная биомасса» подразумевает использование современных промышленных технологий получения энергии из БМ (исключается бытовое использование БМ для получения теплоты и приготовления пищи). В соответствии с прогнозом доля БМ составит 42...46 % от общей доли ВИЭ в 2020 г., существенно превышая вклад солнечной, ветровой, геотермальной и других видов ВИЭ.
Таблица 4.1. Оценка возможной доли новых нетрадиционных ВИЭ в мире до 2020 г. (прогноз МИРЭС)

На практике используются следующие методы переработки биомассы с целью получения энергии:

1. прямое сжигание для непосредственного получения теплоты;
2. пиролиз (сухая перегонка), направленный на получение максимального газообразного топлива (преимущественно водорода и СО). Генераторный газ имеет теплоту сгорания в пределах 4...8 МДж/м³;
3. спиртовая ферментация с целью получения из биомассы этилового спирта (этанол);
4. анаэробное сбраживание, являющееся наиболее перспективным средством получения топлива из органической массы. В результате действия анаэробных бактерий из биомассы получают биогаз, состоящий в основном из метана (50...80 %) и двуокиси углерода (20...50 %) со следами сероводорода, аммиака и других веществ.

В сутки из экскрементов одного животного (птицы) можно получить количество биогаза, м³:
крупный рогатый скот (живая масса 500...600 кг) — 1,5;
свинья (живая масса 80... 100 кг) — 0,2;
курица — 0,015.
Оценочные расчеты показывают, что в России из навоза при полной переработке биоконверсией можно получить около 70 млрд. м³ биогаза в год [9].
При оценке экономической эффективности следует учитывать, что биогазовая установка обеспечивает одновременно обеззараживание навоза и производство удобрений. Она относится также к системе мер по защите окружающей среды. В таком случае биогазовые установки всегда будут иметь положительный экономический эффект.
Биогаз получают также из коммунальных (городских и поселков городского типа) сточных вод. Его выход составляет 0,001 м³ на 1 м³ сточных вод.
Известны следующие режимы анаэробного метанового сбраживания:
психофильный (температура процесса сбраживания t = 15...17 °C);
мезофильный (t = 33...35 °C);
термофильный (t = 53...55 °C).
Различают три типа технологических процессов анаэробного сбраживания биомассы [2]: непрерывный; периодический; аккумулятивный.
Кроме того, различают схемы одноступенчатого и двух- или многоступенчатого сбраживания.