БИОМАССА Как источник энергии

Тепловой и энергетический к. п. д

Для составления энергетического баланса необходимо точно опреде­лить границы рассматриваемой системы. Энергетический к. п.д. может быть использован для оценки к. п.д. различных систем по переработке биомассы. Однако в тех случаях, когда процесс переработки биомассы включает стадии производства энергии (например, водяного пара или электроэнергии), более полезным будет сравнение термодинамических к. п. д., поскольку последний дает возможность установить, какая из си­стем для производства работы (энергии) лучше по сравнению с идеаль­ной. При оценке общего к. п.д. системы, исходя из к. п.д. отдельных компонент системы или ее подсистем, надо соблюдать осторожность. В случае комплексной системы для определения общего к. п.д. имеют значение производительность всей системы в целом, а не производи­тельность отдельных подсистем или группы подсистем.

К. п. д. системы является функцией ее границ и, что более важно, инже­нерной предпочтительности. При оценке данной системы по переработ­ке биомассы необходимо сравнивать технические и экономические ха­рактеристики систем Ч

Для сравнения систем можно использовать общий энергетический К. п.д. [15]:

Полученная энергия

Г\е =---------------------------------------------- . (13)

Введенная в систему энергия

Полученная энергия определяется как желательный выход ее в процессе превращения; под введенной энергией имеют в виду ее затраты на процесс.

Упрощенный процесс превращения энергии показан на рис. 4 с энер­гетическими потоками, приведенными в табл. 8.

Энергетический к. п. д. системы I выражен в виде

Чистый ввод энергии представляет собой теплоту сгорания плюс всю потребляемую энергию независимо от формы энергии, покидающей границы системы. Однако при этом игнорируется качество подаваемой энергии (т. е. 1 кДж электроэнергии эквивалентен 1 кДж теплоты сгора­ния биомассы), и поэтому этим соотношением пользоваться не следует. Расчет Т|е рекомендуется производить по формуле

3

2 + (а/г|р) + (Р/тЦ + у ' (15)

Где rip и t^j-фактические к. п.д. использования как топливного продук­та, так и биомассы для генерирования энергии и водяного пара соответственно.

Энергетический к. п.д. системы II имеет вид

П« = б/1. (16)

(Следует заметить, что рассматривается случай, когда энергия потреб­ляется только в пределах границ системы, что не всегда имеет место.)

При производстве топлива или энергии некоторые потоки, такие, как те­пло, отдаваемое охлаждающей воде, не имеют никакой экономической ценности и поэтому в рассматриваемых здесь расчетах не учитываются.

Генерирование энергии $------

Требукхцаям ^энергия І, ' ' ^ ' "~',~і

Конверсия биомассы

І Топливный ' продукт

________________ !

Топливо

\Бодяной пар |

Система I I— Т - -------------- >

І___________________________

Система IL

Рис. 4. Границы систем преобразования биомассы для подсчета к. п. д. процесса.

Таблица 8. Энергетический баланс по потокам общего процесса превраще­ния (рис. 4)

Эиергия/Время

Требуемая мощность Требуемое количество топлива Водяной пар

TOC \o "1-3" \h \z Биомасса 1

Биомасса 2

Топливные продукты 3

4

5

6

А (электрическая)

Р

У

Высшая теплота сгорания

Авторы [5, 17, 18] определяют к. п. д. как

Высшая теплота сгорания полученного продукта

Энергия, затраченная на про­изводство конечного продукта

(17)

Этот к. п. д. называют тепловым, так как для сравнения используется те­плота сгорания топлива. То же самое относится и к. п. д. котельной [16]. Однако тепловой к. п. д. не рекомендуется использовать для сравнения энергии, вводимой в систему по производству топлива или энергии. Следует иметь в виду, что определение це основано на произвольно

Выбранных потоках энергетического баланса, исходя из экономической оценки таких потоков. Согласно первому закону термодинамики, отно­шение Общее количество получаемой энергии/Общее количество вводи­мой энергии всегда равно 1,0.

Основная ошибка, возникающая при использовании энергетического к. п. д. обусловлена произвольным выбором потоков. Возможно, не пра­вомерно пользоваться т)£, для сравнения систем, в которых производит­ся энергия или которые работают по иному принципу. В таких случаях, по-видимому, более обоснованна следующая оценка теплового к. п.д. [15]:

Рабочая характеристика действительной системы

Т|( =--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- . (18)

Рабочая характеристика эквивалентной идеальной системы

Данные, необходимые для расчета r|t, обычно отсутствуют. 3.3. Термодинамический к. п.д.

Значение термодинамического к. п.д. зависит от характеристик систем (т. е. от назначения сравниваемых систем); выбора идеального процесса, поскольку существует много идеальных устройств, в которых желатель­ная цель достигается без увеличения энтропии (Sp = 0); выбора базы для установления эквивалентности размеров [15].

Для теплового двигателя % = И'реальная/^идеальная при одинаковой теплопередаче в условиях повышенной температуры. Идеальная работа получается путем отнесения баланса массы, энергии и энтропии к идеальному процессу при Sp = 0. Значение r)t будет зависеть от выбора идеального процесса. Для теплового двигателя обычной основой для сравнения является цикл Карно. В работе [15] приводятся примеры рас­чета r|t для других простых систем.

Термодинамический к. п. д. относительно редко используется ДЛЯ оценки комплексных систем, в частности систем по переработке био­массы. Авторы работы [19] показали возможность его применения для оценки производства электроэнергии путем сжигания угля в псевдоожи - женном слое. В этом случае термодинамический к. п. д. может быть определен с помощью формулы [19]

Пі = реальная = (^реальная)/!] £ МВых(НВых ~

"идеальная (1")

- TDSBblx) -£Мах(Явх - TdSвх)] ,

Где W-генерируемая электроэнергия, М-расход массы, Я и S-энталь­пия и энтропия соответственно, Г-заданная температура. Выражение (Я — TdS) известно как доступность энергии и определяется как макси­мальное количество работы, которая может быть извлечена из единицы массы в потоке при стационарном режиме без какой-либо химической реакции или каких-либо изменений кинетической или потенциальной энергии; тепловая энергия переносится при заданной температуре.

Оценка членов этого уравнения может быть осуществлена путем анализа материальных, энергетических и энтропийных балансов си­стемы [8, 15, 17]. В работе [19] продемонстрировано также подобие % и теплового к. п. д., определяемого как

Г|г = (WA)/(теплота сгорания топлив) =

= WA/(MBba Ші вых - Мвх АН с вх), (20)

Где АН'-чистая теплота сгорания потоков массового секундного расхо­да.

Автор работы [17] предлагает использовать в качестве к. п.д. «Пока­затель качества»:

Показатель _ Максимальная энергия выходящих потоков качества Максимальная энергия, содержащаяся во всех '

Вводимых потоках В данном случае учитываются все потоки, так же как при вычислении термодинамического к. п. д., т. е. исходя из идеальных процессов (Sp = 0), происходящих в реальных и идеальных условиях (298 К, 1 атм). В рабо­те [17] приводится ряд примеров расчета показателя качества для сжи­гания ископаемых топлив и процессов переработки угля. Расчеты зави­сят от величин Я, S или (Я — 7д5").