Промышленные схемы организации производства биогазового топлива
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ УКРАИНЫ
Украинский Государственный Химико Технологический
Университет
Кафедра: БТ и БЖД
Реферат
На тему
«Промышленные схемы организации производства
биогазового топлива»
Днепропетровск 2012г.
План
. Основные
источники топлива и современные проблемы энергетики
2. Способы
использования биомассы
. Оборудование
для производства биогаза
. Биоконверсия
растительного сырья
. Методы
газификации
6. Производственные
схемы получения биогаза
Список
литературы
1 Основные источники топлива и современные
проблемы энергетики
Современные проблемы энергетики могут быть
решены только при рациональном использовании всех существующих на Земле и
околоземном пространстве источников топлива и энергии. Среди них биомасса, как
постоянно возобновляемый источник топлива, занимает существенное место.
Что касается расширения энергетической базы за
счет биологических ресурсов, то это возможно лишь при системном подходе и
тщательной оценке конкретных условий. Расчеты показали, что попытка найти выход
из энергетического кризиса с помощью возобновляемых источников энергии не даст
желаемых результатов и все усилия были направлены на поиск энергосберегающих
технологий. Таковым к примеру является малоэнергоемкое биотехнологическое производство
биомассы различного назначения с применением микроорганизмов.
Биомасса - термин, объединяющий все органические
вещества растительного и животного происхождения. Биомасса делится на первичную
(растения, животные, микроорганизмы и т.д.) и вторичную - отходы при
переработке первичной биомассы и продукты жизнедеятельности человека и
животных. В свою очередь отходы также делятся на первичные - отходы при
переработке первичной биомассы (солома, ботва, опилки, щепа, спиртовая барда и
т.д.) и вторичные - продукты физиологического обмена животных и человека.
Ежегодное количество органических отходов по
разным отраслям народного хозяйства России составляет более 390 млн. т.
Сельскохозяйственное производство дает 250 млн. т, из них 150 млн. т приходится
на животноводство и птицеводство, 100 млн. т -на растениеводство. Лесо- и
деревопереработка дают 700 млн. т, твердые бытовые отходы городов - 60 млн. т,
коммунальных стоков - 10 млн. т (все приведенные значения даются на абсолютно
сухое вещество.
. Получение растительных углеводородов
(растительные масла, высокомолекулярные жирные кислоты и их эфиры, предельные и
непредельные углеводороды и т.д.). Например, для южных регионов России это
может быть рапсовое масло, добавляемое к дизельному топливу.
. Термохимическая конверсия биомассы (твердой,
до 60%) в топливо: прямое сжигание, пиролиз, газификация, сжижение,
фест-пиролиз.
. Биотехнологическая конверсия биомассы (при
влажности от 75 % и выше) в топливо: низкоатомные спирты, жирные кислоты,
биогаз.
2 Способы использования биомассы
Наиболее оптимальный способ использования
биомассы - её газификация с последующим срабатыванием в газовых турбинах.
Предварительные расчеты, проведенные в Принстонском университете, показывают,
что турбогенераторы, работающие на продуктах газификации биомассы, могут
успешно конкурировать с традиционными тепловыми, ядерными и гидравлическими
энергоустановками. Наиболее перспективными областями применения таких
турбогенераторов уже в ближайшем будущем могут стать отрасли экономики, в
которых скапливаются большие объемы биомассы (в частности, сахарные и
винокуренные заводы, перерабатывающие сахарный тростник). Так, в Бразилии при
использовании биомассы с винокуренных предприятий образуется столь значительный
избыток электроэнергии, что её реализация делает спирт дешевле нефти. Только из
сахарного тростника может быть произведено 50% энергии, которая вырабатывается
сейчас всеми источниками в 80-ти развивающихся странах, где выращивают эту
культуру.
И тем не менее существует способ прямого
производства биологического топлива с помощью бактериального сбраживания,
который оказался достаточно выгодным. Это процесс превращения отходов сельского
хозяйства в метан, который по способу получения называют -биогазом. Биогазовые
установки - метантанки - были разработаны на основе использования сообществ
анаэробных метанобразующих бактерий (в глобальном масштабе эти бактерии
являются единственным источником биологического метана на Земле).
В сельскохозяйственном производстве, где
постоянная нехватка органических удобрений в земледелии, нескончаемые горы
отходов на животноводческих фермах могут решить проблему сырья для производства
биогаза, а отработанное сырье проблему нехватки удобрения, проблемы отходов,
обеспечить электроэнергией. Переработанный на биогаз навоз идеален в качестве
удобрения еще и потому, что из него не прорастают семена попавшие в желудки
животных во время приема пищи, а из навоза, как правило, произрастают сорняки
засоряющие поля.
В основе технологии получения биогаза лежит
анаэробная биотехнология, то есть ферментация органической массы растительного
происхождения в условиях полного отсутствия кислорода.( в метантанках). Во всем
мире биогаз вызывает повышенный интерес как источник нетрадиционных
энергоресурсов. Во всех странах Западной Европы созданы национальные программы
по получению и использованию биогаза.
3 Оборудование для производства биогаза
Для большинства стран - членов ЕЭС биотопливо,
включая биогаз, имеет важное значение с точки зрения экономии ископаемых видов
топлива и прежде всего нефти. Так, на сельскохозяйственной выставке Euro
Tier-2002 проходившей в Ганновере и организованной Немецким
сельскохозяйственным обществом, большой наплыв посетителей был именно у стенда
со специальной экспозицией на тему: «Биогаз: используйте свой шанс». Данная
выставка и показанные последние достижения фирм-изготовителей биогазовых
установок вселила большие надежды фермерам, что они смогут в дальнейшем успешно
заниматься выработкой и поставкой электроэнергии.
Интересной в этом отношении является технология,
предложенная фирмой «Фарматик», позволяющая путем обогащения довести качество
биогаза до уровня природного газа. Эта новинка имеет решающее значение для
возможного применения биогаза в ДВС.
Фурор в этой связи произвела запущенная недавно
в производство установка: она позволяет переработать биогаз с помощью
(альтернативно простаивающих!) тракторов или комбайнов в электрическую энергию
и достичь небывалого скачка эффективности его энергетического использования
(система «ЭноТрак» Технического университета г. Коттбуса) .
До 1990 г. в России в сельском хозяйстве
ежегодно образовывалось около 100 млн. т. органических отходов по сухому
веществу, при этом на долю животноводства приходилось 60…70, на долю
растениеводства - 30…40 млн.т. Комплексная переработка биомассы может дать в
год до 90 млрд. м3 биогаза, 35 млн т. этанола, 20 млн т. удобрений. Например,
солома и ботва - только часть энергопотенциальной биомассы в России (не
более25%), но при биоконверсии 130 млн т. соломы и 20 млн т. ботвы можно
получить соответственно 18 и 5 млрд м3 биогаза.
На сегодня биомасса (деревья, культурные и
высшие дикие растения, водоросли и др.) и органические отходы (солома, навоз,
отходы перерабатывающего и бумажного производства, пищевой промышленности и
бытовые отходы городского населения) позволяет получать дополнительное
количество энергии, эквивалентное 75 млн. т. нефти, что соответствует 7.5%
современной потребности в энергии стран-членов ЕЭС.
4 Биоконверсия растительного сырья
Решая экологическую (оздоровление окружающей
среды), энергетическую (получение биогаза) и агрохимическую (производство
заменителей химических удобрений и биологически активных веществ) проблемы,
современная техническая биоэнергетика имеет два основных направления
превращения органических отходов в технически удобные виды топлива и энергии.
Имеются в виду, во-первых, термохимическая конверсия (прямое сжигание, пиролиз,
газификация, сжижение, синтез), во-вторых, биоконверсия ( получение спиртов,
водорода, биогаза, органических кислот, растительных масел и т.д.). Для
биоконверсии в качестве растительного сырья могут быть использованы зеленая
масса растений, фуражная мука, солома, отходы чаеводства, хлопководства,
виноделия, пищевой, микробиологической, лесной, деревообрабатывающей
промышленности и др.
Биоконверсию растительного сырья можно
осуществлять как в аэробном, так и анаэробном процессах. Целесообразность
использования того или иного процесса определяется тем, какой продукт должен
быть получен в результате биоконверсии. Если использовать её с целью кормов, то
следует иметь в виду, что выход микробной биомассы значительно выше при
аэробном процессе, чем при анаэробном (соответственно 50% и 5%). В анаэробных
условиях 90% энергии субстрата переходит в биогаз.
При экспериментальных исследованиях, наибольший
выход биогаза получен из капустных и картофельных отходов, несмотря на то, что
по содержанию органического вещества в исходной массе их превосходят яблочные и
морковные отходы. Эти результаты подтверждают целесообразность использования
отходов растениеводства в качестве перспективного сырья для производства
биогаза [86].
Только в Китае в 1992 году работало 17 млн.
метантанков разного размера и обеспечивало до 30% своих потребностей в
энергоносителях. Постоянно проявляющая заботу об энергосбережении Америка
обеспечивает 2% энергопотребления за счет биогаза. Конгрессом этой страны
принята программа «энергия из отходов». За счет биогаза и других источников,
которые восстанавливаются, можно ожидать обеспечения около 40%
энергопотребления. Принятый конгрессом США акт «Об использовании биомассы» по
существу сформулировал государственную программу и было выделено финансирование
на первый год, 500 млн. долларов, для университетов и лабораторий которые
займутся разработкой технологий. А все началось с предложения Б.Клинтона в
конгресс США, когда он был президентом, направить усилия ученых, промышленников
и аналитиков на подготовку государственной программы по переводу химической
промышленности страны на растительное сырье.
Цель была поставлена четко и конкретно: через
5-7 лет разработать дешевую технологию, а через 25 лет перевести 25% химической
промышленности страны на растительное сырье- на ту же самую кукурузу, только в
данном случае на переработку пойдут стебли и другой мусор, который раньше
сжигали.
ферментация с получением этанола, низших жирных
кислот, углеводородов;
получение биогаза.
Получение биогаза связано, прежде всего, с
переработкой и утилизацией отходов животноводства, птицеводства,
растениеводства, пищевой, спиртовой промышленности, коммунально-бытовых стоков
и осадков. Проблемами разработки биогазовых технологий, созданием установок,
оборудования и станций занимаются достаточно много как частных, так и
государственных организаций и компаний России, да и Украина имеет достаточно
серьезные наработки и практические внедрения.
5 Методы газификации
В зависимости от характера контакта частиц
биомассы с газовой фазой методы газификации могут быть классифицированы на
систему с неподвижным слоем (одна или несколько ступеней), систему с
псевдоожиженным слоем и прочие системы (например, система с проталкиванием
сырья или с жидким теплоносителем).
Типы газификаторов, разработанные министерством
энергии. Ряд новых газификаторов для переработки твердых отходов и остатков
рассматривается в работе []. Удобное диаграммное представление различных видов
материалов, пригодных для саморазвивающегося термического процесса, было
предложено автором работы []. Согласно данным этой работы, при содержании золы
1-2% и влаги более 70%, например в древесине без предварительной обработки,
термическая переработка древесины без введения дополнительного топлива
практически неосуществима. Кроме того, не рекомендуется проводить термическую
переработку водорослей с содержанием 82% воды или торфа с содержанием 90% воды
без их предварительной подготовки. Снижение влажности до приемлемых пределов
может быть достигнуто механическим обезвоживанием или сушкой в полевых
условиях. Согласно экспериментальным данным, расход тепла при термической
переработке обычного горючего сырья находится в пределах, близких к 21000
кДж/кг.
В системе газификации с неподвижным слоем при
противоточном или прямоточном движении газа или твердых материалов в
газификаторе образуются различные температурные зоны, способствующие
превращению связанного углерода в газ. В противоточных системах газификации
нисходящий слой проходит через зоны сушки/удаления летучих компонент при
высокой (низкой) температуре; зону разложения паром и реакций, снижающих
содержание углерода; зону высокотемпературно-я углерода
Возможны комбинированные системы с неподвижным
слоем сырья с использованием поворотных печей для твердых материалов
(Арканзасский университет) и с движущимся, периодически перемешиваемым слоем
(фирма Garrett Energy Research and Engineering).
Выбор наиболее подходящего метода газификации
часто определяется типом и условиями подвода сырья, требованиями к содержанию
влаги и зольных элементов (например, высокое или низкое содержание кремния,
высокое или низкое содержание щелочных металлов).
Зола и непревращенный углерод выводятся с
образующимся потоком газов. В одноступенчатых газификаторах первого поколения
потери углерода зависят от температуры в нижней части газификатора, которая
ограничивается эксплуатационными требованиями и должна быть ниже температуры
размягчения золы, чтобы свести к минимуму возможность образования клинкера. В
многоступенчатых газификаторах потери углерода могут быть снижены в результате
правильного ведения процесса в оптимальном температурном интервале с
агломерацией золы.
В промышленности для газификации угля
применяются системы проталкивающего типа (процесс Koppers-Totzek). Общим
требованием для таких систем с малым временем контакта частиц биомассы с
газовой фазой является увеличение скорости реакции измельченного угля. Однако в
случае переработки биомассы измельчение может оказаться непрактичным или
нежелательным, поскольку биомасса содержит много влаги, а многие виды ее
обладают мягкой и волокнистой структурой
В проточной системе (при непрерывном или
квазинепрерывном процессе) субстрат загружают в реактор непрерывно или через,
короткие отрезки времени (например, ежесуточно), удаляя соответствующий объем
шлама. Всегда постоянный объем субстрата рассчитывается в соответствии с
заданным гидравлическими расчетами временем пребывания массы в реакторе. Если
обеспечивается постоянство условий производства, а именно подачи массы,
концентрации сухого вещества и загрузки рабочего пространства, т. е.
концентрация способного к брожению органического вещества при загрузке,
оптимальная температура брожения и равномерное перемешивание массы, то этот вид
производства позволяет получить максимальный выход газа при непрерывном
процессе газообразования.
Система с попеременным использованием реакторов
характеризуется прерывистым процессом, протекающим не менее чем в двух
одинаковых по размерам и форме реакторах. В случае (например) ежесуточной
загрузки свежего субстрата реакторы при образовании определенного количества
шлама (так называемого затравочного шлама) попеременно заполняются свежим
субстратом и по истечении заданного срока брожения опорожняются так, что в них
остается только затравочный шлам. Поскольку при постоянном количестве
подаваемого в реактор материала загрузка рабочего пространства во время
процесса заполнения будет постоянно снижаться по сравнению с оптимальным
значением, соответствующим исходному количеству шлама, потенциальная
производительность этой системы будет использоваться не полностью. Кроме того,
если учитывать наличие порожнего объема реактора во время процесса заполнения, то
эта система требует большего рабочего объема, чем проточная; по американским
исследованиям, он должен быть вдвое больше
Еще одна особенность рассматриваемой системы
заключается в том, что ее нельзя использовать без газового аккумулятора
(газгольдера) с постоянным запасом газа, достаточным для заполнения
освобождающегося при выгрузке шлама объема реактора.
Это требуется для предотвращения попадания
воздуха в рабочее пространство реактора.
Система с накоплением газа и шлама выполняется
только с одним жидкостным реактором. Последний играет роль бродильной камеры и
накапливает шлам до момента вывозки в поле. Поэтому реактор никогда не
опорожняют полностью; остаток шлама служит затравкой для новой порции
субстрата. При непрерывной подаче свежего субстрата постоянно снижается время,
отводимое для брожения. В результате этого газовый потенциал накопившейся в
реакторе массы используется не полностью.
. Производственные схемы получения биогаза
В настоящее время используются два основных
направления переработки навоза и помета для получения тепловой и электрической
энергии.
. Получение газа с использованием штаммов
бактерий. (Биогаз)
. Получение горючих газов путем температурного
разложения органики (Синтез-газ) с доступом воздуха (газификация) и без него
(пиролиз).
Обработка отходов проводится в реакторах
термо-химической конверсии при температурах выше 8000С, с продувкой воздухом.
Процесс обеспечивает получение топливного газа, основу которого составляют СО,
Н2, N2 и который может быть использован в качестве топлива в котельных, газовых
турбинах и двигателей внутреннего сгорания.
Процессы пиролиза протекают при температурах
ниже 8000С. Продуктами являются высококалорийные газы, требующие очистки от
паров смол. Газы, получаемые при газификации и пиролизе, могут быть
использованы для получения моторных топлив.
При термическом разложении биомассы образуются
золы, которые направляются на утилизацию. Объем золы зависит от содержания в
биомассе минеральных примесей, но, по-видимому, не будет превышать 0.5% от
массы исходного сырья.
газификатор биогаз биоконверсия
топливо
Структурная схема установки по
производству СИНТЕЗГАЗА.
. Гидравлический пресс подачи
сырья; 2. Съемная крышка реактора; 3.Дутьевые фурмы; 4.Гидравлический пресс
отбора золы; 5.Корпус реактора; 6.Проточный вентилятор; 7.Аэродинамический
преобразователь; 8.Рама.
Для получения биогаза, с использованием штаммов
бактерий, используются биогазовые установки (станции), которые производят
биогаз путем брожения навозов, пометов и энергетических культур в анаэробных
условиях.
Брожение осуществляется в реакторах, куда
загружаются чаще жидкие (фекальными насосами) или твердые (шнеками) отходы
биомассы.
Биогаз может использоваться для производства
электроэнергии в газовых турбинах, поршневых двигателях и котельных агрегатах.
При обработке биогаза возможно получение моторного топлива.
Продуктом процесса являются обеззараженные и
обезвреженные удобрения, объемы которых, как правило, несколько меньше исходных
объемов сырья.
Структурная схема установки по
производству БИОГАЗА
Рис. 2 Схема установки для получения биогаза
На рисунке 2 приведена схема установки для
получения биогаза. Органические стоки, обычно жидкий навоз, поступают в
приемник-теплообменник 1, где подогреваются нагретым шламом, подаваемым по
трубе-теплообменнику насосом 9 из метантенка 3, и разбавляются горячей водой.
Дополнительное разбавление стоков горячей водой
и подогрев до нужной температуры проводится в аппарате 2. Сюда же для создания
нужного соотношения С/N подаются отходы полеводства. Биогаз, образующийся в
метантенке 3, частично сжигается в нагревателе воды 4, и продукты горения
выводятся через трубу 5. Остальная часть биогаза проходит через устройство
очистки 6, сжимается компрессором 7 и поступает в газгольдер 8. Шлам из
аппарата 1 поступает в теплообменник 10, где дополнительно охлаждаясь
подогревает холодную воду. Шлам представляет собой обеззараженное
высокоэффективное естественное удобрение, способное заменить 3-4 т минерального
удобрения типа нитрофоски.
Список литературы
1.
В.Баадер, Е. Доне, М.Бренндерфер Биогаз. Теория и практика.
.
Barbara Eder. Heinz Schulz. 1996. Перевод на рус. Биогазовые установки.