Биоэнергия: технология, термодинамика

ОТ ПЕРВИЧНЫХ ПРОДУКТОВ ФОТОСИНТЕЗА К ЦЕННЫМ ВИДАМ ТОПЛИВА

Проблемы использования биомассы. Растительная биомасса пред­ставляет собой проблему с точки зрения использования ее как топли­ва. Она объемиста, обладает высокой влажностью и даже в высушенном состоянии характеризуется низкой теплотворной способностью. Цен­ность биомассы как топлива по сравнению с углем является низкой (табл. 20). Биомасса, содержащая более 2/з воды, не будет гореть; на практике топливо, используемое для непосредственного сжигания, должно содержать менее 30 % воды (по массе). Кроме того, биомасса находится в твердом состоянии, что исключает возможность получения надбавок к ценам, которые устанавливаются для жидких видов топлива.

Таблица 20. Топливная ценность биомассы и угля

Свойства

Биомасса

Уголь

Содержание влаги, %

30-90

0,5-20

Содержание кислорода в су­хом веществе, %

30-40

2-20

Теплотворная способность су­хой массы, ГДж/т

16-24

29-37

Содержание золы в сухом ве-

ществе, %

1-13 «

5-25

Энергетическая плотность сы­рого материала, ГДж/м3

<1-15

43

С учетом этих фактов был сделан ряд предложений, направленных на повышение теплоты сгорания биомассы. Более горючие компоненты могут быть отделены или превращены химическим или биохимическим путем в ценные виды топлива.

В таблице 21 представлен типичный состав сухого растительного материала. Растения представляют собой сложную смесь различных соединений. Одни из них обладают высокой теплотворной способностью, например жиры и масла, другие занимают промежуточное положение

Таблица 21. Типичный состав растений

Компоненты

% в сухом веществе

Водорастворимые соединения (сахара, крахмал, аминокис­лоты, мочевина, соли аммо­ния)

5-30

Протеин

5-40

Целлюлоза и гемицеппюлоза

25-90

Лигнин

5-30

Зола

1-13

Содержание влаги

30-90% в сырой биомассе

по содержанию энергии, например сахара, полисахариды и белки. В со­став растения входят также остатки неорганических солей (или зола), не обладающие топливной ценностью. Теплотворная способность компо­нентов растительного материала может быть повышена; в таблице 22 приводятся некоторые растительные компоненты и соединения, которые могут быть получены на основании переработки биомассы, а также их теплотворная способность. Процессы, используемые для осуществле­ния этих преобразований, кратко описаны ниже.

Таблица 22. Теплотворная способность растительных компонентов и полученных на их основании видов топлива

Виды сырья и топлива

Теплота сгорания, ГДж/т

Растительные компоненты

Общая биомасса

16-24

Углеводы

16-17,5

Масла

~40

Полученные виды топлива

Оксид углерода

10,1

Метанол

22,4

Этанол

29,8

Углерод

32,8

Углеводороды

~47

Метан

55,7

Водород

143

Древесина. Древесина как тип биомассы стоит особняком вслед­ствие высокой плотности и низкого содержания влаги (даже в сырой массе). Тысячелетиями древесина служила человеку в качестве топлива и до сих пор играет существенную роль в удовлетворении потребностей человека в энергии (хотя в количественном отношении охарактеризо­вать потребление древесины как топлива в мировом масштабе затрудни­тельно). Древесина часто может использоваться в качестве горючего материала без повышения его теплотворной способности; во многих

Таблица 23. Состав сухой древесины и коры лжетсуги тисолистной, %

Топливо

Водород

Углерод

Азот

Кислород

Зола

Древесина

6,3

52,3

ОД

40,5

0,8

Кора

5,8

51,2

0,1

39,2

3,7

процессах она также является предпочтительным видом сырья. В табли­це 23 [20] дается состав сухой древесины и коры. Содержание золы яв­ляется низким по сравнению с некоторыми типами углй, но содержание кислорода высокое (около 40%). Содержание серы незначительно. Раз­личные виды древесины характеризуются аналогичным составом. Свеже - срубленная древесина имеет содержание влаги 30—60 %.

Физические процессы. Первый и традиционно наиболее важный ме­тод подготовки растений и других биологических остатков для использо­вания их в качестве топлива — удаление влаги. Наиболее дешевый спо­соб удаления влаги — высушивание на солнце или на открытом воздухе. Высушенные древесина, солома, навоз до сих пор служат топливом во многих частях земного шара. Искусственная сушка, даже при использо­вании части материала в качестве топлива, является слишком дорого­стоящей и может быть оправданной только для высокоценных продук­тов, таких, как зерно.

Высококалорийные растительные масла извлекают способами пере­гонки, экстрагирования и механического давления. Все растения содер­жат соединения, подобные углеводородам, которые могут быть экстра­гированы и использованы в качестве непосредственных заменителей нефти. Растительные масла в течение долгого времени используются в пищевых целях, как топливо и для других целей. Одно время большая часть лампадного масла в Европе производилась из культур масличных семян, например рапса.

В ходе всех процессов повышения качества материала биомассу необходимо довести до объема, способного обеспечить приемлемые скорости горения. Объем полученных твердых материалов должен так­же быть пригодным для их окончательного использования.

Термохимические методы повышения качества материала. Тради­ционным методом повышения теплотворной способности биомассы является перевод ее в древесный уголь; при этом сжигание в ограни­ченном объеме воздуха вызывает карбонизацию биомассы. В результа­те получается продукт с высоким содержанием углерода и теплотвор­ной способностью, приближающейся к теплотворной способности угле­рода (33 ГДж/т). Существуют более сложные современные варианты, такие, как сухая перегонка и газификация. Различные сочетания тепла, кислорода и пара (кроме восстановления углеродсодержащих молекул до углерода) также дают легковоспламеняющиеся газы и жидкости в зависимости от температуры, давления и присутствия катализаторов. При высоких температурах (свыше 600 °С) продукты представляют со­бой в основном легковоспламеняющиеся восстановительные газы, ок­сид углерода и водород.

Другим химическим процессом превращения биологических мате­риалов в полезные виды топлива является восстановление. Целью вос­становления является удаление кислорода и азота и увеличение содер­жания углерода и водорода в полученном топливе. Однако все восста­новители являются энергоемкими и очень дорогостоящими соединения­ми. При производстве биотоплива обычно используют оксид углерода и водород, образовавшиеся в ходе предварительной газификации био­массы. В итоге происходит сжижение материала с образованием продук­та, схожего с сырой нефтью, но содержащего высокий процент кисло­рода.

Биохимические процессы. В результате этих процессов происходит перераспределение энергии в биомассе с образованием молекул высоко­го и низкого энергетического уровня. В отличие от химических и физи­ческих процессов эти процессы протекают в водных суспензиях биоло­гического материала с образованием летучих видов топлива, относи­тельно легко выделяемых из смеси. В ходе ферментации сахар (16 ГДж/т) превращается в спирт (29 ГДж/т) и диоксид углерода (0,0 ГДж/т):

СпН220ц + Н20-*4С2Н50Н + 4С02.

В анаэробных условиях сахара, например, превращаются в метан (55 ГДж/т) и диоксид углерода :

с6н12о6 + зсн4+зсо2.

В обоих случаях сахара получают или непосредственно из растений, или путем химического или биохимического гидролиза природных по­лисахаридов.

Восстановление воды до составляющих ее элементов в ходе фото­синтеза считается биохимическим путем образования топлива. Обычно конечным результатом этого процесса является образование никотин - амиднуклеотидов и аденозинтрифосфата, играющего важную роль в фиксации С02. Может, однако, представиться возможность добиться выделения элементарного водорода из клеток или их компонентов с использованием его в качестве топлива.

ЛИТЕРАТУРА

REFERENCES

[1] Solar Energy Research in Australia, Australian Academy of Science Report no. 17, 1973.

[2] Solar Energy: its potential «contribution within the United Kingdom. Energy paper No. 17, HMSO, London, 1976.

[3] Handbook of Solar Resources, VoL 1, part 2, Ed. O. R. Zaborsky, CRC Press, Flo­rida, 1982.

И1 World Development Report, World Bank/Oxford University Press, 1982.

[5j Lund, P. J., Slater, J. M., Agricultural land: its ownership, price and rent, Economic Trends, Dec. 1979, 97-110.

[6] Economic Survey of Private Forestry, Income and Expenditure England and Wales Dept. Forestry, University of Oxford, 1977.

[7] Wilcox, H. A., Leese, T. M., Converting seaweed to SNG, Hydrocarbon Processing, April 1976, 86-89.

[8] Jones, J. L., Methane from kelp, Stanford Research Institute Datalog File No. 79- 366, 1979.

[91 Photosynthesis and Productivity in Different Environments, Ed. J. P. Cooper, Cam­bridge University Press Cambridge, 1975.

[10] Boyer, J. S., Plant productivity and the environment, Science, 218,1982,443-448.

[11] Crop Physiology, Ed. L. T. Evans, Cambridge University Press, 1975.

[12] Oxford Economic Atlas, 4th edition, Oxford University Press, 1978.

[13] Jarvis, P. G., Production efficiency of coniferous forest in the UK, Chap. 5 in Phy­siological Processes Limiting Plant Productivity, Ed. С. B. Johnson, Butterwoths, 1981.

[14] Annual Report 1972-1973 Environmental Research Laboratory, University of Arizona/Arid Lands Research Center, Abu Dhabi.

[15] Povich, M. J., Fuel Farming - Water and nutrient limitations, Symposium ’Rene­wable Sources of Energy and Chemical Feedstocks’, AIChE, Symposium no. 181.

[16] Sargeant, K., Scope for increased industrial feedstock production from European agriculture, Symposium ’Economic Aspects of Fermentation Processes: Political and Economic Aspects of Raw Materials Markets’ Society of Chemical Industry, London, 1982.

[17] Digest of UK Energy Statistics 1982, Dept, of Energy, HMSO, London.

[18] Purdy, J., Silage costs under the microscope, Farmers Weekly, June 1,1979, 83-87.

[19] Varani, F. T., Materials handling in anaerobic digestion systems, pp. 140-142 in Proceedings of the Symposium ’Bio-energy 80’, April 21-24, Atlanta, Georgia.

[20] Cheremisinoff, N. P., Wood for. Energy Production, Ann Arbor Science, Michigan, 1980.

<

©

ГЛАВА

Биоэнергия: технология, термодинамика

ЭНЕРГИЯ И ДЕНЕЖНЫЕ ЗАТРАТЫ

Хотя ранее говорилось о том, что привлекательность процессов по производству биотоплива будет определяться не столько энергетически­ми затратами, сколько денежными расходами, непосредственное сравне­ние этих двух категорий расходов по отдельным продуктам прояснит …

ОПРЕДЕЛЕНИЕ СТЕПЕНИ РИСКА. ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ БИОЭНЕРГИИ,. ЕЕ СОЦИАЛЬНОЕ ЗНАМЕНИЕ. И БЕЗОПАСНОСТЬ. ДЛЯ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ. 6.Т. АНАЛИЗ СТЕПЕНИ РИСКА

Важным элементом в развитии использования возобновляемых Ри­дов энергии является риск, связанный с основной альтернативой источ­никам энергии на земном шаре в будущем — ядерной энергией. Риск, или возможные отрицательные последствия для …

РАСТИТЕЛЬНЫЕ МАСЛА

Масла, парафин, смолы и другие растворимые в растворителях сое­динения встречаются во всех растениях. Маслянистые соединения могут составлять до 40—50% биомассы, и они относительно легко экстраги­руются. Эти соединения — сырье для …

Как с нами связаться:

Украина:
г.Александрия
тел./факс +38 05235  77193 Бухгалтерия
+38 050 512 11 94 — гл. инженер-менеджер (продажи всего оборудования)

+38 050 457 13 30 — Рашид - продажи новинок
e-mail: msd@msd.com.ua
Схема проезда к производственному офису:
Схема проезда к МСД

Оперативная связь

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