Газифікація біомаси

Размещено на http://www.allbest.ru/

Міністерство освіти і науки України

Національний авіаційний університет

Навчально-науковий інститут екологічної безпеки

Кафедра хімії і хімічної технології

Курсова робота

Тема: «Газифікація біомаси»

Виконала: студентка

505 групи ІЕБ Косенко Л.В.

Перевірила: доц. Кустовська А.Д.

Київ 2016



ЗМІС

ВСТУП

РОЗДІЛ 1. БІОМАСА ЯК ДЖЕРЕЛО ТЕПЛОВОЇ ЕНЕРГІЇ

1.1 Біомаса.

1.2 Види біопалива

1.3 Сировинна база для біоенергетики

РОЗДІЛ 2. БІОМАСА ЯК ОБ`ЄКТ АЛЬТЕРНАТИВНОЇ СИРОВИНИ ТА МЕТОДИ ПЕРЕТВОРЕННЯ ЇЇ В ПАЛИВА

2.1 Методи одержання енергії з біомаси

2.2 Термохімічні процесі переробки біомаси

РОЗДІЛ 3. ОДЕРЖАННЯ ПАЛИВА ШЛЯХОМ ГАЗИФІКАЦІЇ

3.1 Методи газифікації

3.2 Методи оцінки одержання продуктів газифікації біомаси

3.3 Умови газифікації

РОЗДІЛ 4. ПЕРЕВАГИ І НЕДОЛІКИ ЗАСТОСУВАННЯ БІОМАСИ, ПРОЦЕСУ ГАЗИФІКАЦІЇ БІОМАСИ

4.1 Переваги і недоліки застосування біомаси, як сировини для альтернативного палива

4.2 Переваги і недоліки процесу газифікації біомаси

ВИСНОВКИ

СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ



ВСТУП

В Україні спостерігається стійкий дефіцит енергоносіїв, тому економічно рентабельними стають певні види місцевого палива і відходів.

Інтерес до нетрадиційних і відновлюваних джерел енергії у всьому світі зумовлений двома негативними тенденціями розвитку традиційної енергетики: швидким виснаженням природних енергоресурсів і забрудненням навколишнього середовища.

Щорічне подорожчання енергетичних ресурсів призводить до зростання частки використання поновлюваних джерел енергії в усьому світі. Одним з найперспективніших видів відновлювальних джерел енергії є біомаса, сьогодні четверте за значенням паливо в світі, щорічно дає 2 млрд т. у. п. енергії, що складає близько 14 % загального споживання первинних енергоносіїв в світі (в країнах, що розвиваються, -- більше 30 %, іноді до 50...80 %). За різними оцінками загальний потенціал біомаси, доступної для виробництва енергії в Україні, складає 10,6...17,6 млн т. у. п / рік [1].

Біомаса є одним з найдавнішніх джерел енергії, однак її використання до недавнього часу зводилося до прямого спалювання при відкритому вогні або в печах і топках з відносно низьким ККД. Використання біомаси для одержання енергії на основі сучасних технологій є екологічно значно більш безпечним в порівнянні з енергетичним використанням традиційних органічних ресурсів, таких як вугілля.

Біомаса грає суттєву роль в енергобалансах промислово розвинених країн: у США її частка складає 4%, в Данії - 6%, в Канаді - 7%, в Австрії - 14%, в Швеції - 16% загального споживання первинних енергоресурсів цих країн.

Однією з суттєвих переваг біомаси як палива є її відносна дешевизна у порівнянні з традиційними паливами, в першу чергу, з природним газом, його екологічна чистота, деревина не містить сірку, хлор та інші шкідливі для атмосфери елементи. З іншого, важливим показником є ціна одиниці енергії, яка враховує теплотворну здатність різних палив. Вартість більшості видів твердих біопалив у перерахунку на одиницю енергії є суттєво меншою від вартості природного газу для промислових споживачів.

Найбільш ефективними технологіями використання біомаси в біоенергетиці є пряме спалювання, піроліз, газифікація, анаеробна ферментація з утворенням метану; виробництво спиртів і масел для одержання моторного палива.

Технологія газифікації полягає у частковому окисненні біомаси з метою одержання піролізного деревного і вугільного газу. Надалі газифікована речовина може використовуватися як енергоносій для двигунів внутрішнього згоряння, які обертають генератори електричного струму.

Процес газифікації може проходити в звичайних камерах без доступу кисню або в камерах псевдозрідженого шару та псевдозрідженого циркулюючою шару.

Для газифікації використовується також дерев'яна тирса, тріски, гранульована солома, лузга або гранульовані органічні відходи. Існуючі технології вимагають застосування біомаси з невеликим вмістом зольних залишків. Продуктом процесу газифікації деревини є суміш горючих газів, що містить оксид вуглецю (CO), водень (Н₂) та метан (СН₄) [2].

Технології використання біомаси постійно вдосконалюються, забезпечуючи одержання енергії в придатній для споживача формі й з максимально можливою ефективністю.

біомаса газифікація альтернативний паливо



1. БІОМАСА ЯК ДЖЕРЕЛО ТЕПЛОВОЇ ЕНЕРГІЇ

Джерела енергії

Джерела енергії - це матеріальні об'єкти, в яких зосереджена енергія,

придатна для практичного використання.

Джерела енергії (енергетичні ресурси) можна розподілити на непоновлювані:

• торф,

• вугілля,

• нафта,

• природний газ,

• атомна енергетика (радіоактивні елементи),

та поновлювані:

• тверда біомаса і тваринні продукти,

• газ або рідина, одержані з біомаси (біогаз),

• побутові та промислові відходи як паливо,

• енергія природних стихій.

В загальному випадку під нетрадиційними і поновлюваними джерелами енергії визначають джерела електричної і теплової енергії, що використовують енергетичні ресурси річок, водоймищ і промислових водостоків, енергію вітру, сонця, біомаси, стічних вод, твердих побутових відходів та ін. [1].

1.1 Біомаса

Біомасою називають всі види речовин рослинного й тваринного походження, продукти життєдіяльності організмів і органічні відходи, що утворюються в процесах виробництва, споживання продукції й на етапах технологічного циклу.

Біомаса рослинного походження зазвичай містить поглинену і конденсовану вологу, різні типи органічних і деякі неорганічні сполуки. Склад біомаси залежить від її походження. Для рослинної тканини характерна наявність в стінках клітин клітковини, або целюлози, а також великих порожнин (вакуолей). Протоплазма живих клітин, наприклад зеленого листя, містить деякі протеіни і значну кількість води. Деревина, або ксилема - тканина вищих рослин - складається з провідних елементів (трахеїдів, судин механічних (лібриформ) і паренхімних клітин (рис. 1.1.)).

Рис. 1.1. Схематичне зображення будови деревного волокна. 1 - міжклітинна речовина; 2 - зовнішній слой вторинної оболонки (S1); 3-внутрішній слой вторинної оболонки (S3); 4 - середній шар вторинної оболонки (S2); 5 - первинна оболонка

Вміст вологи. У механічних клітинах може міститися значна кількість вологи - конденсованої і абсорбованої, причому кількість останньої залежить від вологості навколишнього середовища. У біомасі відходів деревини та очерету вміст вологи може досягати 50%, а після повітряної сушки - 20%.

Деякі відходи сільськогосподарських культур, такі, як солома, містять близько 10 - 12% води. Волога знижує ефективність і економічність використання, а також транспортабельність палива.

Вміст золи. Вміст мінеральних речовин у рослинній біомасі залежить від типу рослин, його місцеперебування і забрудненості ґрунту. Деревина містить близько 0,5% золи, яка складається з лужних і лужноземельних катіонів у вигляді карбонатів, солей карбонових кислот і деякої кількості кремнію. Забруднення значно збільшують вміст неорганічних речовин в міських і сільськогосподарських відходах. Кремнієві та інші нерозчинні у воді неорганічні з'єднання зменшують тепловміст біомаси, а розчинні іонізовані сполуки можуть надавати каталітичний вплив на газифікацію і горіння біомаси [3].

Органічні речовини. Оболонку стінок клітин рослин утворюють целюлозні мікрофібрили, що містяться в матриці геміцелюлоз лігніну. В рослинній тканині містяться ліпіди і вуглеводні (терпени), а також вуглеводи й протеїни, розчинні в бензолі, спирті, воді. Розчинні компоненти біомаси відносяться до екстрагованих речовин, причому в листі і корі їх зазвичай більше, ніж у деревині. Склад біомаси різного типу наведено в табл. 1.1

Таблиця 1.1 Склад біомаси різного типу

Біомаса	Зола, %	Вміст, %
		Речовини, розчинні в органічних розчинниках	Речовини розчинні у воді	Легнін	Геміцелюлоза	Целюлоза
Хвойна деревина	0,4	2,0	-	27,8	24,0	41,0
Деревина твердолистових порід	0,3	3,1	-	19,5	35,0	39,0
Солома пшениці	6,6	3,7	7,4	16,7	28,2	39,9
Солома рису	16,1	4,6	13,3	11,9	24,5	30,2
Відходи цукрового очерету	2,3	8,4	10,0	18,5	29,0	33,6

Целюлоза у всіх типах біомаси складається з D-глюкопіранози, лінійно пов'язаною з в - (1 > 4) глікозидними зв'язками, і відрізняється лише ступенем полімеризації. Основну геміцелюлозу твердих порід деревини утворюють ацетил-4-О-метилглюкуроноксілан (ксилана), а основну геміцелюлозу хвойних порід утворює глюкоманнан (маннан). Лігнін деревини хвойних порід містить гваяцилпропанові сполуки (фенольні групи, що містять одну метоксильну групу), а лігнін деревини твердих порід містить ще й сіринга-пропанові сполуки (з двома метоксильними групами). Високий вміст ацетильних і метоксильних груп у деревині твердих порід дозволяє використовувати її для одержання оцтової кислоти та метанолу шляхом сухої перегонки [3].

Біомасса як джерело теплової енергії

Біомаса - відновне джерело енергії. Під терміном «загальна біомаса» розуміють загальну кількість живої речовини у деякій екосистемі. Поновлювальні енергетичні ресурси становитимуть значну частку в енергетичному балансі економіки держав, зокрема України. Біомасу можна поділити на дві групи: первинна енергетична сировина, тобто деревина, солома і стічні осади (аналог торфу); перетворена енергетична сировина, така як біогаз, етанол, метанол, ефіри ріпакової олії, макулатура.

Форми біомаси для використання є різноманітними:

* тверда біомаса деревини (відкладення) для безпосереднього спалювання;

* рідкі біопалива (біоетанол, біоспирти, ефіри рослинної олії) для трансформації на електричну енергію;

* газоподібні біопалива (метановий біогаз, біоводень);

* "зелений" бензин, оксогенні біодобавки тощо.

Згідно з європейськими визначеннями застосування поновлювальних джерел енергії у вигляді біомаси безпосереднього палива чи біосировини для подальшого перетворення на паливо, біомаса - біодеградовані відходи та залишки продукції агропромислового комплексу, лісового господарства та галезей промисловості, вуглецевовмісні органічні речовини рослинного і тваринного походження (деревина, солома, рослинні залишки переробного виробництва, гній, органічна частина твердих побутових відходів та торф).

Кількість біомаси визначається за вагою речовини живих організмів.

Абсолютна величина біомаси сучасних організмів земної кулі може бути визначена дуже приблизно. Зокрема, вага живих організмів Світового океану дорівнює приблизно 16 млрд т, організмів суші - приблизно 6 трлн т.

Ефективність біомаси як джерела енергії обумовлена легкістю її одержання та швидким поновленням запасів. Щорічний приріст біомаси еквівалентний 80 млрд тонн нафти. Світова потреба в енергії становить тільки 12 % енергії щорічного світового приросту біомаси.

Україна має доволі великий потенціал біомаси, одержання енергії. Загальні річні обсяги відновлюваних ресурсів біомаси в Україні становили понад 115 млн тонн. За даними різних джерел біомаса може забезпечити від 10...15 до 21...27 млн тонн у.п. на рік, або від 5...8 % до 13% внутрішньої загальної потреби в енергії. Зокрема, сумарний річний потенціал лише тваринницької сільськогосподарської біомаси в Україні становить близко 14 тис. т у.п. та близько 17 млн м3 метану за рік [4].

Теоретичний сумарний потенціал біопалива в Україні становить 50 млн т у.п., технічний 30,23 млн т у.п., а економічно доцільний - 27,27 млн т у.п.

Тобто, виходячи з теперішнього рівня загального споживання первинних енергоносіїв в Україні (240 млн т у.п. у 2012 p.), економічний потенціал біомаси може задовольнити близько 13% загальної потреби України в енергії.

Біомаса зараз займає одне з провідних місць серед інших видів альтернативних джерел енергії. Біомаса заміщує 1250 млн тонн у.п. щорічно, що складає 15% світового споживання первинних енергоресурсів, і є четвертим по значущості видом палива. Біомаса відіграє істотну роль в енергозабезпеченні промислово розвинутих країн: у США її частка складає близько 4%, у Даніїї 6%, у Канаді - 7%, в Австрії - 14%, у Швеції - 16% загального споживання первинних енергоресурсів.

За еколого-біоенергетичним потенціалом біомаси Україна набагато випереджає усі країни ЄС [4].

Термін «біомаса» стосується цілого ряду відновлюваних енергетичних технологій, що включають:

1. Спалювання рослинної біомаси:

а) безпосередній спосіб - у відкритих (вогнища) або закритих топках (печі, котли);

б) при попередній газифікації в спеціальних газифікаторах;

в) спалювання комунального сміття.

2. Виробництво паливної олії з олійних рослин (наприклад, ріпак).

3. Спиртову ферментацію цукрової тростини, картоплі або довільного органічного матеріалу, що піддається такій ферментації.

4. Анаеробну метанову ферментацію органічної маси відходів.

5. Енергетичне використання біогазу сміттєзвалищ.

Отже, енергетичні аргументи на користь використання біомаси: різноманітні, досить прості, без зайвих трудовитрат, методи одержання енергії з біомаси;

біомаса може вироблятися і використовуватися без значних технологічних інвестицій;

накопичена у біомасі енергія є найменш капіталомістким джерелом відновлюваної енергії; виробництво біопалив з біомаси надає додаткові робочі місця, що особливо важливо для сільських територій; використання біомаси поліпшує паливний баланс регіону;

переорієнтація частини сільськогосподарських площ на одержання біомаси зменшує негативні наслідки від перевиробництва продовольства.

1.2 Види біопалива

Біологічні види палива (біопаливо) - тверде, рідке та газове паливо, виготовлене з біологічно відновлювальної сировини (біомаси), яке може використовуватися як паливо або компонент інших видів палива. До біопалив першого покоління належать біоетанол, біодизель; біопалив другого покоління -- різні палива, одержані методами піролізу біомаси, або інші палива, відмінні від метанолу, етанолу, біодизелю; біопалив третього покоління -- біоводень, палива одержані з водоростей.

Найперспективніші види біопалива:

• тверде біопаливо;

• рідке біопаливо;

• біодизель;

• біоетанол (паливо на основі жирів тварин, рослин, мікробів та продуктів їх етерифікації);

• газове біопаливо ;

• біогаз (продукт матеноферментації відходів до суміші метану та вуглекислого газу);

• біоводень (термохімічне, біохімічне та біосинтетичне перетворення біомаси).

1.3 Сировинна база для біоенергетики

Основу сировинної бази для біоенергетики в Україні становлять органічна біомаса рослинного й тваринного походження та різні види відходів, придатні для переробки (рис. 1.2).

Згідно Закону України «Про альтернативні види палива» від 21.05.2009р. № 1391-VI. Біомаса - біологічно відновлювальна речовина органічного походження, що зазнає біологічного розкладу (відходи сільського господарства, рослинництва і тваринництва), лісового господарства та технологічно пов'язаних з ним галузей промисловості, а також органічна частина промислових та побутових відходів.

Рис. 1.2. Сировинна база та основні напрямки виробництва енергії з біологічної сировини

Біомасу можна розділити на дві категорії:

1. Деревинна біомаса. Дана категорія включає: лісоматеріали; необроблені або такі, що залишилися від переробки дерево- і тирсоматеріалів; молоді дерева, що швидко ростуть, спеціально посаджені для вирубки (наприклад, верба, тополя).

2. Недеревинна біомаса. Включає: муніципальні і промислові біовідходи; продукти життєдіяльності, що залишилася після вирощування сільськогосподарських тварин; сільськогосподарські та водні рослини; зернові, після збору урожаю з яких залишається велика кількість рослинної частини придатні для спалювання (наприклад, кукурудза, буряк, рапс) [5].

В Україні, враховуючи ґрунтово-кліматичні умови, джерела для біопалива експерти розташовують в такій послідовності: кукурудза, тритикале, пшениця, різні види сорго та проса, цукровий буряк, соняшник, ріпак, відходи сільського і лісового господарства, а також міскант, тополя, стебла і лузга соняшника; рекордсменом з накопичення енергії на гектар площі в наших умовах є картопля, але зовсім не вирішені проблеми її зберігання протягом тривалого часу до переробки.

Не визначені можливість і доцільність використання для одержання біопалива решток таких культур, як пшениця, ячмінь, кукурудза (солому, стебла кукурудзи, гичку кукурудзи, сої), враховуючи необхідність збереження органічної речовини ґрунту тощо (крім бадилля соняшника), але є перспектива їх перероблення на хімічні продукти та біопаливо за допомогою "білої" хімії.

В останні роки все більше уваги приділяють ріпаку як сировині для одержання біопалива, але не проведено ґрунтовних досліджень з економічної

ефективності його вирощування в різних регіонах України порівняно з іншими культурами, а також поки що не створено достатньо зимостійких сортів озимого ріпаку, і він періодично вимерзає на значних площах, сорти ярого ріпаку за врожайністю помітно поступаються озимому, а тому в умовах нашого аграрного виробництва підтримувати рівень 30 ц/га на 1 т складно[6].

Ще однією важливою культурою з погляду біоенергетики в Україні є цукровий буряк, технологія його вирощування, транспортування і зберігання

добре розроблена, і у разі вирішення проблеми енергетичних витрат на його

переробку можливе одержання біопалива з цієї сировини.

Значні перспективи для біоенергетики в Україні мають деякі нетрадиційні культури, здатні накопичувати велику біомасу, зокрема за рахунок того, що у них фотосинтез відбувається впродовж тривалого періоду - від ранньої весни до пізньої осені, а також швидкорослі деревні породи і нові сорти тополі, верби та інших деревних культур.



2. БІОМАСА ЯК ОБ`ЄКТ АЛЬТЕРНАТИВНОЇ СИРОВИНИ ТА МЕТОДИ ПЕРЕТВОРЕННЯ ЇЇ В ПАЛИВА

2.1 Методи одержання енергії з біомаси

Практично всі види "сирої" біомаси досить швидко розкладаються, тому лише деякі придатні для довготривалого зберігання. Через відносно низьку енергетичну щільність транспортування біомаси на великі відстані є недоцільним. Тому в останні роки значні зусилля були зроблені для пошуків оптимальних методів її використання.

Методи одержання енергії з біомаси засновані на наступних процесах:

- Пряме спалювання біомаси.

- Термохімічне перетворення для одержання збагаченого палива. Процеси цієї категорії включають піроліз, газифікацію і зрідження.

- Біологічне перетворення. Такі природні процеси, як анаеробне зброджування і ферментація призводять до утворення корисного газоподібного або рідкого палива.

У деяких з перерахованих процесів побічним продуктом є тепло. Воно зазвичай використовується на місці утворення або на невеликому видаленні для теплопостачання, в хімічних процесах або для виробництва пари і подальшого одержання електроенергії. Основним продуктом процесів є тверде, рідке або газоподібне паливо: деревне вугілля, замінники або добавки до бензину, газ для продажу або виробництва електроенергії з використанням парових або газових турбін [7].

2.2 Термохімічні процесі переробки біомаси

У даному розділі розглядаються деякі основні принципи термохімії в процесах переробки біомаси, включаючи такі процеси, як спалювання, газифікація, піроліз і зрідження. Всі ці процеси протікають при високій температурі, а іноді і при високому тиску. На рис. 2.3. схематично представлені термохімічні методи переробки лігноцелюлозної біомаси, склад якої можна виразити загальною формулою (СН₂ОН) n. Як це видно при перетворенні целюлози в метан або метанол, відношення Н / С подвоюється і залишається майже постійним, якщо біомаса зріджується над каталізатором. Збільшення відношення Н / С можна досягти шляхом введення в процес піролізу водню (у складі водяної пари) або видалення вуглецю у вигляді вуглистої речовини. Каталізатори у вигляді лужних металів при зрідженні біомаси стимулюють видалення з неї кисню з моно оксидом вуглецю. Багато видів біомаси містять невеликий відсоток сірки, азоту і зольних сполук, які в різних кількостях містяться також в рідких і твердих продуктах, одержуваних у результаті піролізу та зрідження [10].

Рис. 2.3. Загальна схема термохімічного перетворення біомаси



3. ОДЕРЖАННЯ ПАЛИВА ШЛЯХОМ ГАЗИФІКАЦІЇ

Газифікація

Базові принципи газифікації вивчаються і розвиваються з початку дев'ятнадцятого століття. Під час Другої світової війни близько мільйона автомобілів приводилися в рух за допомогою газифікаторів на біомасі. Інтерес до газифікації знову зріс під час енергетичної кризи 70-х років, а потім впав разом з зниженням цін на нафту в 80-х роках. За оцінками Світового Банку (1989) всього лише 1000-3000 газифікаторів встановлено у світі, переважно в Південній Америці для виробництва деревного вугілля.

У процесі газифікації деревини утворюється горючий газ, що є сумішшю водню, чадного газу (монооксиду вуглецю), метану та деяких негорючих супутніх компонентів. Це досягається частковим спалюванням і частковим нагрівом біомаси (з використанням тепла обмеженого горіння) у присутності деревного вугілля (природного продукту спалювання біомаси). Газ може використовуватися замість бензину. При цьому потужність автомобільного двигуна знижується на 40%. Можливо, що в майбутньому цей вид палива стане основним джерелом енергії для електростанцій [8].

3.1 Методи газифікації

Залежно від характеру контакту частинок біомаси з газовою фазою методи газифікації можуть бути класифіковані на систему з нерухомим шаром (одна або декілька ступенів), систему з псевдозрідженим шаром та інші системи (наприклад, система з проталкуванням сировини або з рідким теплоносієм). Типи газифікаторів, розроблені міністерством енергії. При вмісті золи 1-2% і вологи і більше 70%, наприклад в деревині без попередньої обробки, термічна переробка деревини без введення додаткового палива практично нездійсненна. Крім того, не рекомендується проводити термічну переробку водоростей з вмістом 82% води або торфу з вмістом 90% води без їх попередньої підготовки. Зниження вологості до прийнятних меж може бути досягнуто механічним зневодненням або сушінням в польових умовах. Згідно з експериментальними даними, витрата тепла при термічній переробці звичайного пального сировини знаходиться в межах, близьких до 21000 кДж/кг. В системі газифікації з нерухомим шаром (рис.3.1) при протиточному або прямоточному русі газу або твердих матеріалів в газифікаторі утворюються різні температурні зони, що сприяють перетворенню зв'язаного вуглецю в газ. У протиточних системах газифікації спадний шар проходить через зони сушки / видалення летких компонентів при високій (низькій) температурі; зону розкладання пором та реакцією, що знижують вміст вуглецю; зону високотемпературного окиснення вуглецю, в якій утворюються горючі гази, і зону збору і вивантаження золи (зола може бути гранульованою або шлакоподібною залежно від застосовуваної технології). Система з нерухомим шаром чутлива до розміру часток сировини, що підводиться, оскільки наявність великих часток може призвести до утворення непроникного шару. Крім газоподібних вуглеводнів важче метану в газифікаторах з нерухомим шаром можна одержувати смолу і рідкі продукти. Вибір найбільш відповідного методу газифікації часто визначається типом і умовами підведення сировини, вимогами до вмісту вологи і зольних елементів (наприклад, високий або низький вміст лужних металів).

Рис. 3.1. Система газифікації з нерухомим шаром

Системи з псевдо зрідженим шаром допускають використання твердої сировини з розмірами частинок, що змінюються в широкому діапазоні, що забезпечує досить однорідний розподіл температури завдяки гарному перемішуванню рідких і твердих матеріалів. Зола і не перетворений вуглець виводяться з утвореним потоком газів. В одноступінчатих газифікаторах першого покоління втрати вуглеводню залежать від температури в нижній частині газифікатора, яка обмежується експлуатаційними вимогами і повинна бити нижче температури розм'якшення золи, щоб звести до мінімуму можливість утворення клінкеру. У багатоступеневих газифікаторах втрати вуглецю можуть бути знижені в результаті правильного ведення процесу в оптимальному температурному інтервалі з агломерацією золи. У промисловості для газифікації вугілля застосовуються системи поштовхуваного типу (процес Koppers-Totzek). Загальною вимогою для таких систем з малим часом контакту частинок біомаси з газовою фазою є збільшення швидкості реакції подрібненого вугілля. Однак у випадку переробки біомаси подрібнення може виявитися непрактичним або небажаним, оскільки біомаса містить багато вологи, а багато видів її володіють м'якою і волокнистої структурою [9].

3.2 Методи оцінки одержання продуктів газифікації біомаси

При належній організації процесу контактування і застосуванні багатоступеневих систем (або інших пристроїв в газифікаторі специфічного типу) одні реакції можуть протікати більш інтенсивно, ніж інші. Нижче наводиться один із можливих методів оцінки одержання продуктів газифікації біомаси в одноступінчатих реакторах, що включає наступні етапи:

- визначення основи для розрахунку (наприклад, 1000 кг);

- вибір біомаси;

- вираження сировини для газифікації в молях з урахуванням вологи і золи сировини;

- вибір типу газифікатора і умов газифікації (температура, тиск) на підставі таких показників, як вологість сировини, розміри частинок і т. п., З урахуванням кінцевої характеристики одержуваного газу залежно від його призначення (наприклад, паливний газ низького тиску, синтез - газ високого тиску тощо);

- визначення деяких привходячих умов.

Рідкі продукти. У газифікаторах деякого типу (наприклад, в газифікаторах з нерухомим шаром) виходять рідкі вуглеводні, пари яких конденсуються при охолодженні продуктів газифікації до 50-100 ° С перед очищенням газу. У газифікаторах іншого типу (наприклад, проштовхуючі газифікатори, газифікатори з високими температурами: 1000-1300 °С) утворюються в основному не сконденсовані вуглеводні, оскільки потенційні рідкі продукти в такому температурному інтервалі піддаються крекінгу і перетворюються на газ. При виборі біомаси кількість і склад рідких продуктів краще всього визначати експериментально. Вуглець і водень, що містяться в конденсованих продуктах, не можуть бути використані для виробництва водню і СО без рециркуляції через газифікатор. Продукти, що конденсуються роблять також вплив на тепловий баланс газифікатора, оскільки вони виходять з нього у вигляді пари [10].

Великий вихід метану та інших вуглеводневих газів спостерігається при високих тисках і низьких температурах газифікації. При розрахунку виходу метану необхідно враховувати тип сировини і газифікатора. Очевидно, що в газифікаторах з високими температурами або з нерухомим шаром вихід метану з любої сировини буде незначним. Значні виходи метану спостерігаються у вугільних газифікаторах з нерухомим шаром зворотним потоком газів і парів. При низькотемпературній верхній зоні видалення летких речовин 5-10% поданого вуглецю може бути перетворено в метан, що досягається при переробці біомаси газифікаторів з нерухомим шаром і зворотним потоком. Вихід метану з газифікатора при переробці біомаси пропорційний частці утворення летких речовин.

3.3 Умови газифікації

Прийняті умови газифікації. Число невідомих параметрів процесу, що залишилися, дорівнює шести: продукти реакції (Н₂, Н₂О, СО і СО₂) і швидкості підведення водяної пари ѓ_пар і кисню ѓ_О2 [11].

Тепловий баланс враховує введення і виведення тепла з газифікаторів в цілому. Введення тепла включає:

- сировина з його теплотою згоряння плюс вплив будь-якого фізичного тепла, що надходить в газифікатор при температурі вище 25 °С (наприклад, після сушки);

- пар при тиску в газифікаторі або при великому тиску і відповідній температурі;

- окиснювач (повітря або кисень 95-98% чистоти) при тиску в газифікаторі або при великому тиску і відповідній температурі;

- тверда речовина (наприклад, вуглиста речовина) або конденсат (наприклад, смола, що проходить газифікатор).

Відвід тепла включає:

- газовий потік, тобто утворюються не сконденсовані при температурі на виході з газифікатора гази. Азот, що надходить як з окиснювачем, так і з неконвертованим паром, віддаляється разом з газами, що утворилися. Для визначення впливу теплових ефектів золи зручно користуватися теплоємностями порядку 1,0-1,7 кДж / кг °С, вплив неконвертованого вуглецю включає його теплоту згоряння при 25 °С (32,740 кДж / кг) плюс вплив теплових ефектів реакцій;

- теплові втрати, які можуть бути оцінені в кількості 1-2% тепла, що надходить із сировиною;

- зола і вуглиста речовина, що утворюються внизу газифікатора, при утворенні шлаків золи, щоб досягти теплоти плавлення золи (зазвичай 700-1150 кДж / кг), необхідно додаткове тепло. Зазвичай змінюється температура пари, температура окиснювача і температура на виході з газифікатора, що необхідно врахувати при складанні теплового балансу[11].

Розкладання водяної пари на Н₂ і О₂ при газифікації вугілля зазвичай коливається в межах 25-85%. У газифікаторі вугілля з нерухомим шаром зі шлакування золи розкладання пари може досягати і 100%. Розкладання водяної пари залежить від температури в газифікаторі, системи введення та проходження пари. Бажана висока ступінь розкладання пари, оскільки в цьому випадку буде потрібно менше окиснювача при меншій кількості непрореагованої пари (конденсату).

Стійкий розвиток промислового, лісового, сільськогосподарського та комунального комплексів неможливий без використання відновлюваних джерел енергії, енергозберігаючих та екологічних технологій.

Швидкоростучі рослини та біовідходи сільського, лісового, комунального господарств та промисловості створюють потужну сировинну базу для газифікації, що може служити підставою для планування мереж низової енергетики, що включає газогенератори, двигуни внутрішнього згоряння (ДВЗ) та котли. Щорічна здатність цієї сировинної бази до поновлення визначає стійкість створеної на її основі енергетичної системи. Газифікація біомаси є методом, що конкурує з її прямим спалюванням, її використання в процесі вирощування сільськогосподарських культур значно скоротить витрати, підвищить енергоефективність технології, задовольнить екологічні вимоги [12].

Найвигідніший режим газифікації залежить від правильного вибору основних параметрів процесу газифікації. Під параметрами процесу газифікації в літературі розуміють: інтенсивність газифікації; висоту активного шару палива; швидкість наддуву повітря.



4. ПЕРЕВАГИ І НЕДОЛІКИ ЗАСТОСУВАННЯ БІОМАСИ, ПРОЦЕСУ ГАЗИФІКАЦІЇ БІОМАСИ

4.1 Переваги застосування біомаси, як сировини для альтернативного палива

Використання біомаси для одержання енергії на основі сучасних технологій є екологічно значно більш безпечним в порівнянні з енергетичним використанням традиційних органічних ресурсів, таких як вугілля.

однією з суттєвих переваг біомаси як палива є її відносна дешевизна у порівнянні з традиційними паливами, в першу чергу, з природним газом.

не має географічних обмежень;

не потребує серйозних модифікацій автомобільних двигунів;

вартість більшості видів твердих біопалив у перерахунку на одиницю енергії є суттєво меншою від вартості природного газу для промислових споживачів;

ефективність біомаси як джерела енергії обумовлена легкістю її одержання та швидким поновленням запасів;

методи одержання енергії з біомаси досить різноманітні, прості і без зайвих трудовитрат;

біомаса може вироблятися і використовуватися без значних технологічних інвестицій;

накопичена у біомасі енергія є найменш капіталомістким джерелом відновлюваної енергії;

виробництво біопалив з біомаси надає додаткові робочі місця, що особливо важливо для сільських територій;

використання біомаси поліпшує паливний баланс регіону;

переорієнтація частини сільськогосподарських площ на одержання біомаси зменшує негативні наслідки від перевиробництва продовольства.

Недоліки застосування біомаси:

З деякими видами біомаси не вирішені проблеми її зберігання протягом тривалого часу до переробки;

розосередженість запасів;

необхідність підтримки екологічного балансу;

супротивники наполягають на тому, що викопної енергії в надрах Землі ще вистачить на декілька поколінь і гроші, які вкладають в розвиток і вивчення даної галузі можна було б витратити на щось актуальніше на їх думку.

4.2 Переваги процесу газифікації біомаси

Газифікація біомаси є методом, що конкурує з її прямим спалюванням, її використання в процесі вирощування сільськогосподарських культур значно скоротить витрати;

процес перетворення теплоти в енергію відбувається при вищій температурі ніж в паровому циклі, що робить процес перетворення термодинамічно більш ефективним;

процес газифікації задовольняє екологічним вимогам;

залишки біомаси після газифікації багаті на азот, калій і фосфор, що забезпечує їх ефективне використання як добрив для щорічної підкормки близько 1,5 гектара земельних угідь;

перевагами газифікації в порівнянні з прямим спалюванням є утворення набагато менших об'ємів газів, що потребують очистки;

недопал матеріалу майже відсутній, так як рівень конверсії вуглецю досягає майже 100%;

дуже низький рівень негативного впливу на навколишнє середовище через малий вміст (в порівнянні з технологіями прямого спалювання) NОx, SОx, CО та пилу.

Недоліки процесу газифікації біомаси:

великі втрати при теплопередачі;

звуження області робочих температур;

більш висока капіталоємність основних процесів та значні витрати на очистку газу від шкідливих домішок, повне спалювання частини палива для підтримання реакції;

висока енергоємність та низька ступінь використання вторинних енергоресурсів, необхідність виділення та утилізації побічних продуктів (первинні смоли).



ВИСНОВКИ

Ефективність біомаси як джерела енергії обумовлена легкістю її одержання та швидким поновленням запасів. Швидкоростучі рослини та біовідходи сільського, лісового, комунального господарств та промисловості створюють потужну сировинну базу для газифікації, що може служити підставою для планування мереж низової енергетики, що включає газогенератори, двигуни внутрішнього згоряння (ДВЗ) та котли. Щорічна здатність цієї сировинної бази до поновлення визначає стійкість створеної на її основі енергетичної системи.

Газифікація біомаси є методом, що конкурує з її прямим спалюванням, її використання в процесі вирощування сільськогосподарських культур значно скоротить витрати, підвищить енергоефективність технології, задовольнить екологічні вимоги. Встановлено що перевагами газифікації в порівнянні з прямим спалюванням твердого палива є утворення набагато менших об'ємів газів, що потребують очистки, відсутність недопалу матеріалу, рівень конверсії вуглецю досягає майже 100%, утворюється значно менша кількість шкідливих хімічних сполук (як в димових газах так і в золі), які потрібно очищати. Однією з найважливіших переваг є дуже низький рівень негативного впливу на навколишнє середовище через малий вміст NOx, SOx, CO та пилу.

Застосування технологій газифікації твердого палива, як складової біомаси, дозволяє використовувати його для роботи будь - яких типів двигунів внутрішнього згоряння.

Енергетичні аргументи на користь використання біомаси: різноманітні, досить прості, без зайвих трудовитрат, методи одержання енергії з біомаси; біомаса може вироблятися і використовуватися без значних технологічних інвестицій; накопичена у біомасі енергія є найменш капіталомістким джерелом відновлюваної енергії; виробництво біопалив з біомаси надає додаткові робочі місця, що особливо важливо для сільських територій; використання біомаси поліпшує паливний баланс регіону.



СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ

1. Дероган Д. В., Щокін А. Р., Перспективи використання енергії та палива в Україні з нетрадиційних та відновлюваних джерел.- Б.:1999. - 380с.

2. Парогазовые установки с внутрицикловой газификацией топлива и экологические проблемы энергетики. - М.: Наука, - 264с.

3. Соуфер С., Заборски О., Биомасса как источник энергии. - М.: Мир, 1985. - 368 с.

4. Андрійчук І. В., Ефективність використання альтернативних паливно-енергетичних ресурсів в регіонах. -- Л.: 2006. -- 213с.

5. Дев'яткіна, С. С., Шкварницька Т. Ю., Альтернативні джерела енергії: Навч. посібник. -- К. : НАУ, 2006. -- 92с.

6. Анискин В.И., Голубкович А.В., Перспективы использования растительных отходов в качестве биотоплив. - Теплоэнергетика, 2004. - 261с.

7. Карпенко Е.И., Мессерле В.Е., Перегудов В.С., Основные этапы совершенствования способов сжигания твердых топлив и их наиболее перспективные современные направления. - Теплоэнергетика, 2007 - 342с.

8. Ясенецький В., Клименко В. Відновлювальна енергетика ХХІ століття. - Новини агротехніки. 2007 - 67с.

9. Железная Т.А., Гелетуха Г.Г. Обзор современных технологий газификации биомассы. - Промышленная теплотехника. 2006.- 175с.

10. Гелетуха Г.Г., Кобзарь С.Г. Развитие биоэнергетических технологий в Украине.- Экотехнологии и ресурсосбережение, 2008. - 111с.

11. Халатов А.А., Борисов И.И.Сжигание и газификация альтернативных топлив. 2006. -263с.

12. Кобець М.І., Проблемні питання розвитку біодизельного виробництва в Україні. Режим доступу: http://brc.undp.org.ua/img/publications

азмещено на Allbest.ru

...