Использование биотоплива для энергетических целей

Размещено на http://allbest.ru

Министерство образования и науки РФ

ФГБОУ ВПО Удмуртский государственный университет нефти и газа им. М.С. Гуцириева

Кафедра ТЭ

Реферат

По дисциплине: Физические основы нетрадиционной и возобновлемой энергетики

Использование биотоплива для энергетических целей

Выполнил:

Студент группы ОПБ-13-03-02-11

Волков Дмитрий Витальевич

Проверил:

Доцент кафедры ТЭ ИНГ

Мезрин В.В.

Ижевск, 2015

Содержание

биотопливо энергетика пеллеты

Введение

1. Классификация биотоплива

2. Использование биотоплива для энергетической цели

3. Пеллеты и их особенности

4. Технология производства пеллет

Литература

1. Биотопливо. Классификация биотоплива

Одной из наиболее перспективных тем в области развития альтернативных источников энергии является изучение потенциала биоэнергетики, то есть получение энергии из органических материалов.

Главное преимущество этого вида альтернативных источников энергии - это большое разнообразие сырья и объектов его практического применения. Ведь растительный мир планеты чрезвычайно разнообразен и в качестве топлива можно использовать многие виды растений. Кроме того, существует возможность создания экологически чистых видов горючего. Разработка и производство биотоплива также поможет решить проблему мусора, который может приносить энергию, являясь сырьём.

Биотомпливо -- это топливо из биологического сырья, получаемое, как правило, в результате переработки стеблей сахарного тростника или семян рапса, кукурузы, сои. Существуют также проекты разной степени проработанности, направленные на получение биотоплива из целлюлозы и различного типа органических отходов.

Существуют различные классификации биологических топлив. Наиболее общей из них является классификация по консистенции, согласно которой биотопливо подразделяется на:

- жидкое (для двигателей внутреннего сгорания, например, этанол, метанол, биодизель),

- твёрдое (дрова, солома),

- газообразное (биогаз, водород).

Наиболее распространенные виды сырья для производства твердого биотоплива следующие:

1. Древесина:

- отходы лесозаготовки;

- отходы лесопиления и деревообработки;

- древесина с энергетических плантаций.

2. Отходы сельскохозяйственного производства:

- лузга подсолнечника, шелуха гречихи, проса и т.д.;

- солома, тростник;

-подстилка домашних животных и птиц;

3. Торф.

2. Использование биотоплива для энергетической цели

Вопрос производства и использования биотоплива ныне относится к наиболее важным не только для России, но и для многих других стран планеты. Это связано все с тем же «парниковым эффектом» и прогнозируемым в связи с этим кардинальным изменением климата на планете. Наступающие изменения климата Земли, наблюдаемые в настоящее время, происходят значительно быстрее, чем если бы это происходило без участия человека. Очень важно, чтобы парниковый эффект и биоэнергетика воспринимались серьезно.

От этого во многом зависит будущее современной цивилизации. К тому же традиционные виды топлива - нефть, газ, уголь - относятся к невосполнимым источникам энергии. Рано или поздно, но придется искать им замену.

Выход из этой ситуации - альтернативная энергетика. Это единственный путь развития энергетики Европы. В Европе давно воплощается план методичного перехода на альтернативные виды топлива, но, к сожалению, продвигается он очень медленно. Рассматривать нужно любые варианты, начиная от строительства новых АЭС, заканчивая использованием солнечной энергии и энергии ветра.

Учёные всего мира давно бьются над проблемой замещения традиционных источников энергии.

3. Пеллеты и их особенности

Пеллеты - это топливо из биологического сырья или биотопливо. Они представляют из себя древесные топливные гранулы, цилиндры диаметром 4-10 мм, длиной 2-5 см.

Само по себе производство гранул не является открытием 20-го века. Эта технология использовалась еще в 19 веке для превращения в компактную форму органических и неорганических материалов. Однако гранулирование древесины для получения древесных гранул с целью их дальнейшего использования в отопительных устройствах начало широко использоваться относительно недавно. В качестве сырья для изготовления пеллет обычно используются отходы деревообработки: опилки, стружка, горбыль, обрезки и т.п. Также при производстве древесных топливных гранул перерабатываются лесосечные отходы: тонкомерная и дровяная древесина, верхушки, ветки, искривленные стволы. Гранулы можно изготавливать как из чистой древесины, так и из древесины в смеси с корой. И те, и другие имеют свою стоимость и востребованы на рынке. Гранулы с низким содержанием коры до 0,5%, имеют самый низкий процент зольности, считаются продуктом высокого качества, наиболее экологически чистым и идут в основном на отопление частных домов. При производстве промышленных гранул допускается наличие коры до 10% от общего объема перерабатываемого сырья. Эти гранулы используются при производстве тепла в больших и средних тепловых установках.

При изготовлении пеллет для промышленных котлов могут использоваться отходы сельского хозяйства: солома, костра льна и торф. В частных домах Западной Европы уже используют топливные гранулы из мискантуса - высокорослой травы зольностью около 3%. Однако, обращаем ваше внимание, что такие пеллеты отличаются большей зольностью (например, из лузги подсолнечника - около 7%, из торфа - от 2 до 15%), чем древесные гранулы и их применение для малых пеллетных котлов нежелательно. Отдельно рассмотрим энергетических характеристики отдельных пород древесины.

И естественную зольность некоторых пород древесины:

Топливные характеристики макулатуры, гранул и брикетов из нее:

Особенности торфяных гранул:

Особенности отходов МДФ и ДСП с точки зрения энергетического использования:

Различают 2 типа пеллет.

Первый тип - это гранулы для отопления жилых домов, которые из-за особой белизны называют «белыми».

Этот качественный вид гранул продается по более высоким ценам, чем гранулы для больших котельных - промышленные пеллеты, которые, как правило, большего диаметра, чем «белые» и содержат высокую долю коры. Цена на пеллеты для отопления жилых помещений составляет от 140 до 160 евро за тонну. Цена на промышленные пеллеты составляет в среднем 85 евро за тонну.

Гранулы больших размеров называются брикетами. Это второй тип пеллетов. Топливные брикеты выпускаются на специальном оборудовании. Также серийно выпускаются прессы, которые могут выпускать одновременно и гранулы и брикеты, и они уже используются в России. Древесностружечные брикеты, как правило, используются для бытовых систем отопления и имеют различные размеры и форму. Соотношение выпуска топливных брикетов и гранул в мире составляет примерно 1:20. Стандартные пеллеты имеют следующие характеристики:

Плотность - 1200 кг/ куб. м, т.е. топливные гранулы тонут в воде. Влажность - 8%. Теплота сгорания - около 4200 ккал/кг = 17600 кДж/кг = 4,9 кВтч/кг.

4. Технология производства пеллет

Крупное дробление

Крупные дробилки измельчают сырье для дальнейшей просушки. Измельчение должно дойти до размеров частиц не более 25x25x2 мм. Крупное дробление позволяет быстро и качественно высушивать сырье и подготавливает его к дальнейшему дроблению в мелкой дробилке.

Сушка

Обычно влажные древесные отходы хранятся на бетонном полу, чтобы избежать смешивания с песком или камнями. Сырье подается в систему сушки с помощью скребкового устройства. Оператор может брать сырье с различных площадок и подавать необработанный продукт в систему сушки. Древесные отходы с влажностью более 15% очень плохо прессуются особенно прессами с круглыми матрицами. Кроме этого, изготовленные гранулы с повышенной влажностью не подходят для котлов. Поэтому сырье перед прессованием должно иметь влажность между 8 и 12%. Для качественного продукта влажность должна составлять 10% +/ - 1%. Сушилки бывают барабанного и ленточного типа. Выбор типа сушилки определяется видом сырья (щепа, опилки), требованиями к качеству продукции и источником получаемой тепловой энергии. В пеллетном производстве сушка является наиболее энергоемким процессом. Для сушки опилок расходуется приблизительно 1 МВт энергии на тонну выпариваемой влаги или для практического расчета можно принимать, что на 1 т гранул требуется теплота сгорания от 1 плотного мі древесины. Оптимальным решением является сжигание коры в топке сушильной установки.

Мелкое дробление

В пресс сырье должно заходить с размерами частиц менее 4 мм. Поэтому дробилка измельчает сырье до необходимых размеров. Для качественного продукта насыпной вес после измельчения должен составлять 150 кг/мі +/- 5%, а размер частиц не более 1,5 мм. Молотковые мельницы - наиболее подходящие устройства для измельчения волокнистой стружки, опилок или щепы.

Водоподготовка

Сырье с влажностью менее 8% плохо поддается склеиванию во время прессования. Поэтому слишком сухое сырье также плохо. Для этого нужна установка дозирования воды в смесительной емкости. Лучший вариант - это шнековые смесители, в которых встроены входы для подачи воды или пара. Добавление горячего пара требуется, если прессуются твердые сорта древесины (дуб, бук), или сырье залежалое, некачественное. Для мягких сортов древесины хвойных пород достаточно добавления воды в смесителе.

Прессование

Производится в пресс-грануляторах, с плоской или цилиндрической матрицей. При этом диаметр матрицы может быть более метра, а мощность пресса до 500 кВт, в зависимости от заданной производительности. Так же на производительность пресса в пределах 20% влияет размер получаемых гранул, обычно 6 мм для частного потребления и 10 мм для промышленного.

Охлаждение

Охлаждение обеспечивает получение качественного конечного продукта. Оно нужно для осушения гранул, нагретых после прессования до 70°…90°С. Затем пеллеты можно просеивать и упаковывать.

Установки получения из биотоплива жидкого и газообразного топлива.

Биотопливо может использоваться для прямого получения тепла (в этом случае сжигают высушенную биомассу или получаемый из нее древесный уголь) или для производства электроэнергии (в этом случае из биотоплива получают метан, который используют в автономных топливных электростанциях в качестве газообразного топлива приводных двигателей).

Процесс метана (СН4) из биомассы называется анаэробной переработкой. Как следует из названия процесса (анаэробная) он протекает в отсутствии кислорода воздуха. На рисунке показана функциональная схема анаэробной установки, а на рисунке - ее схематическое устройство.

Рисунок 1. Функциональная схема анаэробной установки производства

Рисунок 2. Установка для получения биогаза: 1 - вентиль, 2 - корпус, 3 - поршень, 4 - биомасса

Получение биогаза происходит следующим образом.

Поршнем 3 выдавливается воздух из биомассы. Затем вентиль закрывается и производится подогрев биомассы без доступа воздуха. Подогретая биомасса интенсивно перемешивается поршнем, имеющим лопатки. В перемешиваемой нагретой биомассе протекают процессы анаэробного брожения и начинает выделяться биогаз, в котором большинство составляет метан СН4. Под давлением биогаза поршень приподнимается, и газ выпускается промежуточную емкость. Метан из промежуточной емкости после очистки компрессором закачивается в резервуар для хранения и последующего использования. Применение установок для получения биогаза в настоящее время становится все более перспективным.

Кроме получения газообразного топлива из биомассы можно получать твердое (брикетированное или гранулированное) топливо и жидкое топливо (метанол).

Функциональная схема установки для получения жидкого топлива приведена на рисунке 3.

Полученное топливо представляет собой метиловый спирт и может использоваться совместно с бензином в определенных пропорциях. Обобщающим способом получения твердого (древесный уголь), газообразного (биогаз) и жидкого (смолы и масла) биотоплива является пиролиз. Схема пиролиза приведена на рисунке 4.

К.п.д. пиролиза определяется отношением теплоты сгорания произведенного биотоплива к теплоте сгорания исходной биомассы, и достигает довольно высоких значений.

Например, газогенератор на древесине, производящий водород и СО, имеет к.п.д. 90% /9/. Некоторая потеря энергии компенсируется получением биотоплива, пригодного для использования в обычных тепловых двигателях. Это позволяет уменьшить потери энергии по сравнению с простым сжиганием биомассы. Так, используя продукты пиролиза при производстве электроэнергии можно достигать более высоких значений к.п.д., чем при использовании паровых котлов.

Рисунок 3. Функциональная схема установки для производства метанола

Пиролиз протекает в четыре стадии, отличающиеся температурой процесса /9/:- 100 - 120оС - подаваемый в газогенератор материал, опускаясь вниз, освобождается от влаги;

- 275оС - отходящие газы состоят из N2, CO, CO2; в виде конденсата выделяются смолы и масла, которые могут быть переработаны в метанол или метан;

- 280 - 350оС - протекают экзотермические реакции, в процессе которых выделяются летучие вещества.;

- 350 - 600оС - образуется водород, метан и СО, часть углерода переходит в форму древесного угля.

Во Всероссийском институте электрификации сельского хозяйства создана промышленная пиролизная установка, производительностью 1 литр метанола за час или 1,5 м3 метана за час, перерабатывающая растительные сельскохозяйственные отходы, например, подсолнечную лузгу. Такие установки могут с успехом применяться в небольших фермерских хозяйствах. Естественно, установка по производству биотоплива не сможет решить всех энергетических проблем фермера, но способна значительно уменьшить его зависимость от рынка традиционного углеводородного топлива. В будущем применение установок по производству жидкого или газообразного топлива станет еще более эффективным. Так как ресурсы ВИЭ не ограничены, то под их запасом следует понимать ту часть энергии, которую можно использовать.

Литература

1. Аршинова А. Вадим Яковлев (ИК СО РАН) о перспективах биотоплива

2. Варфоломеев С.Д., Ефременко Е.Н., Крылова Л.П. Биотоплива // Успехи химии. 2010. Т. 79. № 6. С. 544-564.

3. Моисеев И.И., Тарасов В., Трусов Л. Эволюция биоэнергетики. Времяводорослей// The Chemical Journal. 2009. Декабрь. С. 24-29.

4. Назаренко Л.В. Биотопливо: история и классификация видов биотоплива // Вестник МГПУ. Серия «Естественные науки». 2012. № 2 (10). С. 16-32.

5. Храменков С., Козлов М. и др. Ресурс особого назначения. Использование потенциала очищенной воды городов для производства биотоплива // Вода Magazine. 2011. № 1 (41). C. 18-22.

Размещено на Allbest.ru