Упрощенные уравнения энергетического баланса

Расчеты энергетического баланса, основанные на первом законе термо­динамики, можно существенно упростить при условии, что: 1. Тепло не добавляется к системе и не отводится из нее: АЯ = Q. Изменение энтальпии поступающих или выходящих потоков должно быть равно теплообмену между системой и окружающей средой. 2. Никакая работа и адиабатическое действие не производятся (Q = = 0): АН = 0. Общая энтальпия поступающих потоков должна быть равна общей энтальпии действующих потоков.

Производства топливного этанола

В настоящее время нет единого мнения относительно целесообразности производства топливного этанола ферментацией. Более того, до сих пор продолжаются дебаты по поводу возможного сопоставления стоимости энергии, содержащейся в этаноле, со стоимостью энергии, затра­ченной на его производство [3, 4]. Однако помимо этих проблем суще­ствуют проблемы технического характера, связанные с производством этанола. Одна из них заключается в процессе отгонки этанола.

ЦЕНЫ НА СЫРЬЕ

Цены на сырье, вообще говоря, можно рассматривать в зависимости от его наличия почти на всех региональных рынках: чем больше сырья, тем ниже его стоимость [1]. При увеличении цен на сырье возможность 24-89 Таблица 2. Стоимость биомассы (1979 г.) Сырье Первоначальная Пределы конъюнктурных Стоимость, долл./т колебаний, долл./т Сухой массы сухой массы Древесные растения 19 0-36 Навоз (со скотоводческих ферм промыш­ Ленного типа) 5 0-10 Целлюлозный материал (с низким содер­ Жанием влаги) 25 6-40 Растения с высоким содержанием Сахаров 15 0-30 Морские водоросли (бурые) 60 30-120 Сельскохозяйственные культуры с высо­ Ким содержанием влаги 35 10-60 Его приобретения, как правило, возрастает вдвое, но при этом цены на сырье могут существенным образом зависеть от района и конъюнктуры рынка (табл.

ЭФФЕКТИВНОСТЬ (К. П. Д.) УСТАНОВКИ ПО ПРОИЗВОДСТВУ ЭТАНОЛА

Общая эффективность установки зависит не только от технологии пре­вращения биомассы в этанол. При проектировании установки прежде всего следует исходить из необходимости производства топливного эта­нола. Важное значение также имеет территориальное расположение установки, так как она не представляет собой изолированного сооруже­ния и, кроме то

ТОПЛИВА ДЛЯ ГАЗИФИКАТОРОВ

Надлежащим образом спроектированный газификатор может быть ис­пользован для производства топливного газа из любых твердых орга­нических отходов или биомассы. Низкокалорийный газ может быть по­лучен путем газификации различных видов биомассы: 11 David P. Chynoweth, Institute of Gas Technology. [14] Sambhunath Ghosh, Institute of Gas Technology. [15] Donald L. Klass, Institute of Gas Technology.

ВЛИЯНИЕ МИКРООРГАНИЗМОВ НА ПРОИЗВОДСТВО ЭТАНОЛА

Не все микроорганизмы пригодны для промышленного производства этанола. Кроме того, ни одна из известных культур не является идеаль­ной для эффективной конверсии или сильного разжижения перечис­ленных выше субстратов. Наиболее интенсивно используются дрож­жевые культуры [15-17], особенно Saccharomyces. Сравнительно высоко­температурная этанольная ферментация осуществлялась с участием бактериальных культур Bacillus и Clostridium [18]. Для промышленного производства алкогольных напитков, в том числе и спирта, используются в основном два типа дрожжевых культур, которые относятся к Saccharomyces.

Процессы превращения

Пиролиз древесины. Общий энергетический баланс системы по пиролизу древесины (рис. 3) приведен в табл. 6 [7]. Этот тип энергетического ба­ланса соответствует применению первого закона термодинамики к изо­термической системе при Ws = 0. Поступающая энергия рассчитывается по максимальной теплоте сгорания древесины, равной 2200 кДж/кг су­хой массы. Выходящая энергия рассчитывается по максимальной тепло­те сгорания топливной жидкости (28 377 кДж/кг), углистого вещества (30703 кДж/кг) и физическому теплу образовавшихся газов и охлаждаю­щей воды при температуре 25°С. Теплота, покидающая систему, пред­ставляет собой тепловые и механические потери.

Производство этанола ферментацией биомассы

Д. Брандт1] Одним из наиболее эффективных способов обработки биомассы является пре­вращение ее в этанол; последний широко используется как в качестве жидкого топлива, так и сырья для химической промышленности. Такая обработка биомассы состоит из нескольких технологических стадий. При этом система подачи сырья должна обеспечивать выделение требуемого ко­личества ферментирующихся углеводов и может включать операции начиная от сбора сырья и до подачи подготовленных веществ на ферментацию.

РАСХОДЫ НА ЭКСПЛУАТАЦИЮ И ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБСЛУЖИВАНИЕ

Эксплуатационные расходы включают стоимость материалов для мате­риально-технического обслуживания и снабжения, оплату работы опера­торов, административные расходы, налоги, страхование и накладные расходы. При этом к административным работам и работам по мате­риально-техническому обслуживанию относят деятельность директора завода, инженеров-технологов, технического состава лабораторий, слу­жащих, секретарей, телефонистов, сторожей, охраны и пожарников.

Независимая установка

В случае независимой, т. е. сооружаемой на новом участке, установки по производству этанола возникает ряд трудностей, которые должны быть преодолены, чтобы обеспечить разработку жизнеспособного проекта. Рассматриваемая инже независимая установка предназначена для пере­работки специально для нее выращиваемой биомассы (хлебных злаков). Установка не связана с внешними системами снабжения сырьем нлн распределения продуктов.

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.

РАСЧЕТ ДОХОДОВ

Расчет доходов производится с учетом: - ежегодных расходов (ежегодные капиталовложения и эксплуата­ционные расходы, исключая побочные продукты и кредиты); - среднегодового дохода (принимая во внимание будущие поступле­ния, приведенные к совместной стоимости); - распределения среднегодового дохода на годовое производство продуктов в единицах измерения (литры этанола, кубометры топливной жидкости и т. п.) для определения годовой стоимости каждой единицы Таблица 3. Теплосодержание различных видов топлива Теплосодержание, кДж Нефть, M3 Древесина сухая, т Остатки сухой сельскохозяйственной культуры, Аммиак, т Бензин, л Регулярный высокооктановый Котельное топливо № 2, л Природный газ или синтез-газ, м3 Среднекалорийный газ, м3 Низкокалорийный газ, м3 Метанол, л Этанол, л Электроэнергия, кВт-ч 38490000 15 825000-18 990000 т 13715000-17935000 18990000-20005000 33 750 32 500 37000 27-33 9-15 3,0-3,2 15 330-16170 21 740-22 580 35 870-36080 Произведенного продукта.

Объединенная установка

Общую эффективность производства топливного этанола можно повы­сить за счет объединения производства этанола с другими производ­ственными объектами. Такое объединение позволяет снизить расход ре­сурсов, потребляемых этанольньгм производством, путем распределения затрат на их доставку или производственных расходов между всеми подразделениями производства. Преимущества объединенного про­изводства становятся очевидными при рассмотрении, например, отходя­щих потоков.

РН ферментационной среды

Важным фактором для роста клеток является рН среды [23, 24]. Дрож­жевая ферментация большей частью проводится при рН ниже 4,5, хотя возможно, что это и не оптимальное значение. Дрожжевые культуры могут расти в среде, рН которой меняется от 3 до 8, причем опти­мальный рост происходит обычно в слегка кислых средах. Сдвиги в рН могут также влиять на соотношение органических продуктов, произво­димых дрожжевыми культурами. Таким образом, оптимальный рН для ферментационного процесса должен обеспечивать баланс между образо­ванием этанола, ростом клеток микроорганизмов и физиологическим влиянием на обмен с сырьем.

Критерии

Для сравнения различных систем переработки биомассы надо опреде­лить их границы и основу. 1. Граница системы. Было принято, что система для завода, произво­дящего топливо, включает все операции от приема биомассы у ворот завода до подготовки конечного продукта для транспортирования по назначению. Если система предназначена для производства энергии (во­дяной пар, электричество), то ее границы должны «отражать» эту энер­гетическую форму при выходе.

Конструкция установки для предварительной подготовки сырья

Система подачи сырья определяется его видом. Так, например, хлебные злаки могут подаваться на установку непосредственно без предвари­тельного отбора побочного продукта. Однако такое сырье необходимо подвергнуть предварительной обработке-измельчению для изменения зерновой структуры, чтобы обеспечить доступ к ферментирующимся твердым веществам. Для подачи твердого сырья в дробилки требуются специальное оборудование и помещение для хранения сырья.

Доходы от нерегулируемой части производства

Для получения предполагаемой прибыли на капиталовложения в тече­ние срока службы установки исследуется характер будущих поступле­ний, приведенных к современной оценке [2]. Денежная наличность для любого года представляет собой сумму активных и пассивных статей, состоящую из полученного дохода, эксплуатационных расходов, подо­ходного налога, доли акционера в капиталовложениях и уплаты ссудно­го процента на задолженность.

Отходы сельского хозяйства И леса

П. Риссер1} Начиная с 50-х годов ведется интенсивное изучение возможностей производства топлив из биомассы [1]. Уже сейчас некоторые виды промышленности исполь­зуют биомассу в небольших масштабах в качестве источника энергии. Так, ус­пешно прошла испытания газификационная установка для производства газа с низкой теплотой сгорания из ореховой скорлупы (фирма Diamond-Sunsweet, Stockton, шт. Калифорния). Оценочная стоимость получаемого газа равна при­мерно 1 долл.

Непосредственное сжигание

Ф. Шафизаде1) Процесс горения даже простых или гомогенизированных топлив оказывается довольно сложным, и для его описания требуются сведения из области физиче­ской химии, в частности о химической кинетике, тепло - и массопередаче, инже­нерной гидравлики и прикладной математики. Трудность количественного описания процесса горения биомассы в значи­тельной степени обусловлена ее неоднородностью.

Процесс сжижения

Предполагалось, что в процессе сжижения происходит всего одна реак­ция-реакция восстановления древесины с помощью СО: С6н9д04,12 + 2,625 СО - QH^O^s + 2,625 С02 (1) Древесина Моноксид Синтетическое Диоксид Углерода топливо углерода И при этом поглощается столько водорода, сколько его образуется в во­дяном газе. Древесина используется для конверсии ее в топливную жидкость, в качестве источника СО и для генерирования водяного пара.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ОСНОВЫ ПРОЦЕССА

SYNGAS При проектировании реактора для получения метана были использо­ваны данные о газификации углистого вещества. В экспериментальной программе особое внимание уделялось удалению летучих фракций и ги­дрогазификации сырья [1]. В процессе разработки экспериментальной программы было устано­влено, что в реакторе яля получения метана скорость превращения твердых городских отходов ограничивается теплопередачей при темпе­ратуре 538-649°С. Поскольку органические компоненты твердых отхо­дов представляют собой, как правило, бумагу, имеющую небольшую толщину, скорость теплопередачи обычно очень высокая.

Эксплуатационная характеристика системы

Оценку эксплуатационной характеристики системы биометаногенеза обычно производят после того, как процесс достиг устойчивого состоя­ния. Для этого используются такие показатели, как выход газа и содер­жание в нем метана, скорость производства метана, наличие летучих жирных кислот, рН, щелочность и конверсия органического вещества. Несмотря на то что в анаэробные перегниватели сырье поступает дважды в день, метаногенез происходит при непрерывном изменении кинетики вследствие медленного роста бактерий.

Предисловие редактора перевода

Непрерывный рост цен на нефтяные топлива и природный газ вследствие усили­вающегося энергетического кризиса в западных странах, в том числе в США, стимулировал проведение многочисленных исследований возможных новых ис­точников энергии. Одним из таких источников является биомасса, которая по своему составу может быть углеродсодержащей (растительный материал, дре­весная щепа, опилки, морские водоросли, зерно, бумага, упаковочная тара) или сахаросодержащей (сахарная свекла, сахарный тростник, сорго). Естественно, что за счет энергии и топлив, получаемых из биомассы, нельзя полностью удовле­творить энергетические потребности промышленно развитых стран, однако даже та небольшая доля энергии (порядка 6-10%), которая может быть покрыта за счет биомассы, заслуживает внимания.

Фитопланктон и бентос

И. Шоу1) В течение длительного периода времени непрерывно и тщательно исследовалась только одна морская культура-крупная бурая водоросль (Macrocystic pyrifera). Первоначально целью таких исследований было выяснение возможностей воз­делывания Macrocystic pyrifera в естественных для растения условиях. Подобные работы проводились в соответствии с программой «Океан-источник пищи и энергии» специальными океанологическими хозяйствами, созданными Цен­тром военно-морских сил США.

Теплота сгорания

Значения теплоты сгорания углей, древесной биомассы и других видов потенциального сырья приводятся, как правило, при температуре 25 или 15°С. В некоторых случаях теплоту сгорания можно определить с по­мощью хорошо известных методов, исходя из теплот образования. Выс­шее значение теплоты сгорания получают, когда вода реакции при стан­дартной температуре остается в жидком состоянии; низшее значение— когда вода реакции при стандартной температуре учитывается " Stephen М. Kohan, Electric Power Research Institute.

Процесс Pur ox

А. Чаттерджи1) Фирма Union Carbide разработала технологию переработки городских и промы­шленных отходов, а также использованных упаковочных материалов в то» пливный газ среднего теплосодержания, получившую название процесса Purox. Этот процесс представляет собой газификацию органического материала в при­сутствии кислорода. Особенность процесса состоит в том, что тепло генерирует­ся в зоне окисления и, следовательно, может быть использовано для превраще­ния неоіганических компонент твердых отходов в текучий шлак; кроме того, топливії їй газ не разбавляется азотом, и поэтому имеет теплоту сгорания по­рядка 11,8-15,4 МДж/нм3 (высшая). Такой газ может быть использован непос­редственно в качестве топлива для теплоцентралей, обжиговых печей, котельных и нагрева другого оборудования, а также для производства метанола, аммиака и легких углеводородных топлив.

Первый этап, связанный с регулированием концентрации Нг

Результаты исследования [51] обменного взаимодействия между фер­ментативными бактериями и такими же бактериями и бактериями, по­требляющими водород, свидетельствуют о том, что концентрация Н2 в экосистеме играет важную роль в регулировании состава продуктов, образующихся под действием ферментативных бактерий. Образование водорода происходит в соответствии с реакцией Ътанол \ Масляная 1 кислота Пролионовая кислота Высокий рНг Низкий pHg Рис.

Типы остатков

В зависимости от того, остаются ли остатки после сбора урожая в по­чве или собираются и удаляются с поля вместе с урожаем, они делятся на две основные группы. К первой группе относится пшеничная и куку­рузная солома, а ко второй-мякина, рисовая шелуха и фруктовая кожу­ра. Первая группа в свою очередь подразделяется на остатки, которые остаются на поверхности почвы и в почве. Подгруппой второй группы являются несъедобные корни.

Предварительная обработка

Такая обработка заключается в придании сырью (морским водорослям) физической и химической формы, удобной для получения энергии, У морских растений двумя основными свойствами, влияющими на про­цесс их предварительной обработки, являются содержание воды и золь­ность. Удаление воды и зольных веществ связано с расходом энергии, Таблица 8. Содержание золы и воды в морских водорослях Вид растения Содержание золы, Содержание воды, % сухой массы % исходной массы M Laminaria (6) 5-39 70-87(7) Macrocystis (6) 3-48 86-69(7) Chondrus (к) 9-22 75-80(7) Gracilaria (К) — 72-87(7) Fucus (б) 18-24 68-82(7) Porphyra (К) 8-11 83-86(7) Eucheuma (К) — — Gigartina (К) 22-30 65-68(7) Iridea (К) 25 72-81 (7) Neogardhiella (К) — — Pelvetia (б) — — Hypnea (К) — — Sargassum (б) 37 62-84(7) Thalassia (С) 47 50-67(7) Ruppia (С) — — Популяция природного 7-44 80-95(7) Фитопланктона Enteromorpha (3) 36 71-86(7) Monostroma (3) 12 83(7) Примечание.

Стекло

Более 70% стекла, содержащегося в поступивших на переработку отхо­дах, извлекается в виде стеклянного боя (99% чистоты) смешанного цве­та. Этот стеклянный бой может быть использован в качестве сырья для производства стеклянной тары. Промышленные испытания показали, что для расплавления стеклянного боя требуется энергии примерно на 15% меньше, чем для расплавления, обычно применяемого для про­изводства стеклянной тары сырья.

Газификатор с неподвижным слоем сырья

Такой газификатор обычно представляет собой печь в виде вертикаль­ной шахты подобно вагранке или доменной печи. Сырье в газификатор подается сверху или сбоку на определенной высоте. Внутри газификато­ра сырье размещается на неподвижно закрепленной решетке либо на песчаном дне. В газификатор с неподвижным слоем сырья воздух мо­жет поступать снизу (восходящий поток), сверху (нисходящий поток) или сбоку (поперечный поток) (рис.

Ограничение загрязнения окружающей среды

Анаэробная ферментация является эффективным средством не только реализации отходов животноводства, но и предотвращения загрязнения окружающей среды [61 -63]. В результате такого превращения твердые органические вещества теряют запах и становятся менее привлека­тельными для грызунов и насекомых [40, 53]. Не говоря даже о том, что в процессе перегнивання разрушаются болезнетворные микроорга­низмы [40]. Кроме того, в результате конв

МЕТОДЫ АНАЛИЗА

1) Мстительным отходом является любой материал, остающийся после ^^лечения желательной части растения. Отходы леса включают древе - Paul G. Risser, Illinois Natural History Survey. Определение потенциальных ресурсов биомассы выращиваемых в нас­тоящее время сельскохозяйственных культур и лесных растений Определение потенциальных ресурсов растительной биомассы каждого вида Коэффициент отходов Энергоемкость Потенциальные возможности и доступное в настоящее время коли­чество отходов Вид леса Минеральные и биохимические компоненты Содержание целлюлозы, лигнина и протеина Содержание влаги Содержание золы Суммарные возможности производства энергии по регионам и стране Схема географического распределения и сезонной доступности био­массы.