БИОМАССА Как источник энергии

Стандартное состояние

На рис. 2 схематически изображена равновесная термодинамическая си­стема. Сырье, окислитель (если требуется) и водяной пар (если требует­ся) определяют граничные условия этой системы при заданной темпера­туре Тг. Продукты (горения, газификации или сжижения) покидают систему при температуре Тг. Обычно биомасса содержит углерод, водо­род, кислород, азот и серу; ее состав для сухого и беззольного вещества может быть выражен формулой C^HbOcNdSe.

Для описания стандартного состояния можно воспользоваться урав­нением вида

C^HbOcNbSeCt) + п02 (г) * ЛС02 (г) +

(1)

+ (1/2)ВНгО(ж) + (l/2)DN2(r) + ЈS02(r), где (т), (ж) и (г) соответственно твердое, жидкое и газообразное состоя­ния при Тг, а коэффициент п определяется стехиометрией реакции. Со-

Таблица 1. Теплота сгорания древесины, типичной для Новой Англии [34]

Вид древесины

Теплота сгорания,

КДж/кг

Ясень американский

20730

Смолистая кора пихты

21 150

Береза желтая

20100

Кора желтой березы

22940

Белый кедр

19 520

Кора вяза

17660

Тсуга канадская

20030

Кора канадской тсуги

20660

Клен красный

19940

Кора красного клена

19030

Дуб (белый)

20470

Сосна (желтая)

22330

Сосна Веймутова

20920

Кора сосны (желтой)

20750

Тополь

20730

Кора тополя

20 470

Окислитель (f0)

— Границы

Биомасса (сырье)

Т термодинамической. г системы

Сухая обеззоленная биомасса:

CaHbOcn^e (fcux)___________

\ Продукты

Система

Влага сырья: (Гн 0)

Зола сырья

Водяной nap(fs)

Рис. 2. Границы термодинамической системы.

Гг-стаидартная температура; /-скорость подачи сырья, моль/время.

Ответствующая энтальпия определяется как /іі-знтальпия1> компоненты і (Дж/кг-моль) при Тг, Ьу-энтальпия1' сырья (Дж/кг-моль) при Тг. В этом случае для 1 моля сырья, согласно уравнению (1), получим Теплота, поступающая в систему = 1 х hf + nho2, Теплота, выходящая из системы = АИсог + (V2)B/ih2o (ж) + + (1/2) 1>Им2 + Јhso2- Если пренебречь потерями тепла и изменениями потенциальной и кинетической энергии, то теплота реакции AHr Может быть выражена следующим образом:

TOC \o "1-3" \h \z АН R, Т = [X ^продукт — X ^реагент] IТ > (2а)

AHr, т = Ahco2 + (1/2)В/ін2о(ж) + (1/2 )DANj + EhSo2 - hf - nhQi. (26)

Принимая энтальпию следующих компонент при температуре Тг, равной

Hco1 = hn1o(x) = ha2 = hso1z=ho1 = 0, (3)

Получаем

AHR, T=-hf, (4)

Зола

Г

Где знак минус означает, что тепло выделяется. Допустим, что Тг = = 25е С-температура, при которой определяется теплота сгорания. В этом случае из уравнений (3) и (4) следует, что при соответствующем подборе с учетом энтальпии топлива или сырья (твердое или жидкое) при температуре 25°С термодинамическая система включает и теплоту сгорания. При этом топливо или сырье могут представлять собой твер­
дое вещество (биомасса, городские отходы, уголь или лигнит) или жид­кость (нефтяные дистилляты или остаточные фракции).

Температурная зависимость теплоты сгорания, или энтальпии, мно­гих соединений (например, Н2, С02) может быть выражена в виде куби­ческой, квадратичной или другой математической зависимости от тем­пературы при допущении, что газ имеет идеальные характеристики; например, давление системы равно 0 кПа:

Cp. i(T) = at + Ь{Т + с, Т[8] + dtT3 для 7\ < Т < Т2, (5а)

Hi(T) = е{ +/іГ+ д(Гг +j(T3 для Тъ < Т < Т4, (56)

Где СР (-теплоемкость компонент вида і,

Hi-энтальпия компоненты і выше произвольной температуры, аи..., ji~экспериментально определяемые коэффициенты, Тх, Т2, Тъ, ТА допустимые температурные интервалы.

Для подстановки исходных данных из уравнения (3) в уравнение (4) значение энтальпий компонент ограничивается определенными значе­ниями при данной температуре 25°С следующим способом: <

• Энтальпия топлива вида і при температуре Т есть hj(T), (5в)

• Модифицированная энтальпия ft'j(T) компонент вида і при температу­ре Т, ограниченная числовым значением Vt при Т = 25°С, имеет вид

Л'і(Т) - МТУ - Л((25°р + F,. (6)

В табл. 2 приведены девять соединений и значения их F,-. Значения V\ для 02, N2, С02 и S02 отражают исходные условия уравнения (3); зна­чение Vj для Н20 (v) представляет собой ее теплоту парообразования при 25°С; значения V, для Н2, H2S, С02 и СН4 представляют собой высшую теплоту сгорания при 25°С.

Таблица 2. Значения К,- для различных соединений [35]

Вид соединения_______________________ Значения Vj при 25°С, кДж/кг

О2 о

Н2 141666

H20(v) 2440

H2S 16 507

N2 0 '

СО 44954

Со2 о

So2 о

СН4 55453

Темпера - Энтальпия компоненты, кДж/кг-ш>ль тура, °С ------------------------

Таблица 3. Энтальпия идеальных газов

О,

Н2

Н2о

H2S

N2

Со

СО 2

So2

Сн4

50

721

286544

44819

563 871

709

283675

958

1015

891 223

100

2199

288000

46 501

565615

2151

285119

2947

3118

893249

150

3708

289456

48218

567409

3611

286 584

5013

5294

895400

200

5245

290912

49966

569249

5086

288068

7154

7 539

897675

250

6808

292370

51743

571134

6 575

289 569

9 366

9 849

900069

300

8 393

293 830

53 550

573061

8079

291 087

11647

12220

902 581

350

10001

295294

55 384

575030

9 596

292620

13993

14648

905 210

400

11629

296761

57247

577040

11 127

294169

16400

17129

907954

450

13277

298233

59138

579090

12672

295 734

18 865

19660

910813

500

14943

299710

61 056

581180

14 230

297 313

21 383

22235

913 785

550

16626

301 193

63002

583 309

15 801

298906

23952

24852

916870

600

18325

302682

64975

585476

17 386

300515

26 567

27 506

920067

650

20039

304178

66976

587682

18985

302137

29 224

30193

923375

700

21 768

305681

69004

589926

20 598

303774

31919

32909

926793

750

23 509

307192

71060

592 206

22224

305425

34 650

35651

930320

800

25263

308711

73143

594 524

23 865

307089

37411

38 414

933957

850

27 028

310239

75254

596 879

25 520

308 768

40199

41 195

937702

900

28 804

311 776

77 393

599269

27189

310460

43009

43 989

941555

950

30 589

313323

79 559

601 696

28 872

312166

45 839

46792

945 514

1000

32383

314880

81 754

604158

30 570

313 886

48684

49601

949 580

1050

34185

316448

83976

606655

32283

315620

51 541

52412

953751

1100

35993

318027

86227

609187

34011

317 367

54404

55221

958027

1150

37 807

319618

88 506

611 753

35 754

319127

57272

58023

962408

1200

39 626

321 222

90 813

614354

37 512

320901

60138

60815

966 892

1250

41449

322838

93148

616988

39 286

322688

63001

63 592

971 480

1300

43276

324467

95 512

619656

41 075

324488

65 855

66352

976169

Движным слоем1' (одна или несколько ступеней), систему с псевдоожи - женным слоем и прочие системы (например, система с проталкиванием сырья или с жидким теплоносителем).

Типы газификаторов, разработанные министерством энергии, приве­дены в табл. 4. Ряд новых газификаторов для переработки твердых от­ходов и остатков рассматривается в работе [5]. Удобное диаграммное представление различных видов материалов, пригодных для саморазви­вающегося термического процесса, было предложено автором работы [6]. 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 21 ООО 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 высокотемпературно­го окисления углерода, в которой образуются горючие газы, и зону сбо­ра и выгрузки золы (зола может быть гранулированной или шлако- образной в зависимости от применяемой технологии). Система с неподвижным слоем чувствительна к размеру частиц подводимого сы­рья, поскольку наличие больших частиц может привести к образованию непроницаемого слоя. Помимо газообразных углеводородов тяжелее метана в газификаторах с неподвижным слоем можно получать смолу и жидкие продукты.

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).

Используются печи со сложными системами горения, вращающиеся печи и пиролизные реакторы.

Таблица 4. Данные о экспериментальных установках

Фирма-нсполнитель/раз - Технологический метод Нормальная производительность, работник. т/сут

Биомасса подсушенное сырье

С 50% с 10% влаги влаги

Battelle Columbus Di - Псевдоожиженный vison слой измельченного

0,18

Материала с 10% вла­ги

Battelle Pacific North - Перемешиваемый 1,09 west Divison псевдоожиженный

1,00

0,54

3,27

1,81

Garrett Energy Re - Печь со сложной сис - 3,63 search and Engi - темой горения (ти - neering па Геррешофа)

Gilbert/Common- Различные способы 3,29-5,44 1,54-2,72 2,81-4,90 wealth Companies; переработки Environmental Energy Engineering

Texas Tech University

Различной скорости 0,45

0,23

0,36

Псевдоожиженный

Слой

University of Ar­

Вращающиеся печи 36,29

18,14

32,66

Kansas

Пиролиза

University of Missouri,

Псевдоожиженный 2,27-2,72

1,09-1,36

2,00-2,45

Rolla

Слой (подача свер- (реак-

(реак­

(реак­

Ху) тор с

Тор с

Тор с

Цилинд­

Цилинд­

Цилинд­

Риче­

Риче­

Риче­

Ской

Ской

Ской

Рубаш­

Рубаш­

Рубаш­

Кой)

Кой)

Кой)

21,77 (ре­

10,89 (ре­

19,60

Актор

Актор

Без ру­

Без ру­

Башки)

Башки)

Wright-Malta

Вращающаяся печь 5,44

2,72

4,90

Повышенного дав­ления; нагрев че­рез стенку

Слой

Для газификации биомассы [36]

Вид биомассы Вид первичной Примечание

Энергии

Древесина

Навоз, опилки, ос­татки после отде­ления хлопкового волокна Древесина, кукуруз­ная солома, отхо­ды после отделе­ния хлопкового во­локна, отходы са­харного тростника Навоз, древесина, ку­курузная солома, отходы после от­деления хлопково­го волокна, соло­ма пшеницы Отходы древесины

Древесина

Газ средней калорий - Каталитическая газифи - ности кация; газификация с

Паром при рециркуля­ции нагретого материа­ла

» Каталитическая газифи­

Кация; газификация с паром, воздухом, кис­лородом и/или СО » Различные зоны горения,

Включая контактную сушку, пиролиз, сжига­ние, охлаждение зоны Газ, жидкости, угли - Псевдоожижительный стое вещество (в процесс с подачей зависимости от сырья сверху и его про - способа перера - талкиванием ботки)

Газ средней и низ - Газификация с паром, кой калорийности воздухом или кислоро­дом (в будущем)

Газ средней калорий - Технология, лицензиро - иости ванная фирмой А&Р

Coop; древесный уголь желательный продукт Газ низкой и сред - Газификатор А. Коорса,

Ней калорийности

Газификация с паром, воздухом, кислородом (в будущем), каталити­ческая газификации (в будущем)

Древесина, торф, стебли кукурузы

Газ средней кало - Газификация с катализа - рийиостн тором и паром

Системы с псевдоожиженным слоем допускают использование твер­дого сырья с размерами частиц, изменяющимися в широком диапазоне, что обеспечивает достаточно однородное распределение температуры благодаря хорошему перемешиванию жидких и твердых материалов. 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 [7].

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 (табл. 4).

БИОМАССА Как источник энергии

Температура

Скорость роста микроорганизмов и выход этанола существенно зависят от температуры [19-23]. Ферментация вина и пива обычно проводится при температуре ниже 20°С, вместе с тем при промышленном производ­стве спирта с применением дрожжевых культур температура может до­стигать 30-38°С. По мере повышения концентрации этанола снижается оптимальная температура роста клеток и производства этанола. При высокой концентрации этанола ингибирующее действие при более высо­ких температурах может быть сильнее, чем при низких температурах, вследствие большей нестабильности структуры клеточной мембраны.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ К. П. Д. СИСТЕМЫ

Биомасса представляет собой сырье, которое может быть использовано в качестве источника энергии. При этом должны производиться самые необходимые энергоемкие продукты либо продукты, производство ко­торых оказывается наиболее экономически оправданным [14].

ВЫБОР СЫРЬЯ

Ферментирующиеся твердые вещества могут быть получены из раз­личных источников в диапазоне от биомассы, предназначенной для эта - нольной ферментации, до ферментируемых отходящих потоков. Эконо­мические аспекты этого выбора являются основой для оценки рентабельности проекта установки. 11 D. Brandt, Stone and Webster Engineering Corporation.

Как с нами связаться:

Украина:
г.Александрия
тел. +38 05235 7 41 13 Завод
тел./факс +38 05235  77193 Бухгалтерия
+38 067 561 22 71 — гл. менеджер (продажи всего оборудования)
+38 067 2650755 - продажа всего оборудования
+38 050 457 13 30 — Рашид - продажи всего оборудования
e-mail: msd@inbox.ru
msd@msd.com.ua
Скайп: msd-alexandriya

Схема проезда к производственному офису:
Схема проезда к МСД

Представительство МСД в Киеве: 044 228 67 86
Дистрибьютор в Турции
и странам Закавказья
линий по производству ПСВ,
термоблоков и легких бетонов
ооо "Компания Интер Кор" Тбилиси
+995 32 230 87 83
Теймураз Микадзе
+90 536 322 1424 Турция
info@intercor.co
+995(570) 10 87 83

Оперативная связь

Укажите свой телефон или адрес эл. почты — наш менеджер перезвонит Вам в удобное для Вас время.