XIII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2021

Для проведения анализа вторичных ресурсов, определим, что подразумевать под вторичными энергетическими ресурсами.При производстве любых продуктов потребления затрачивается энергия, которая и идет на производство работы по созданию продукта. Учитывая обратимость работы и энергии, часть энергии можно вернуть, "испортив" продукт, например, путем сжигания. Если продукт исчерпал свой срок службы или выполнил возлагаемые на него функции, то желательно вернуть хотя бы часть затраченной на его производство энергии. Если это удастся, то полученную энергию можно использовать для производства другой работы или для получения тепла. То есть, часть энергии, затраченной на производство продукции, можно использовать вторично. В соответствии с этим, те материальные объекты, которые могут вернуть часть энергии, называются вторичными энергоресурсами. С учетом этого, вторичными энергоресурсами можно считать только те, которые позволяют высвободить энергии больше, чем требуется для ее высвобождения. Теперь, когда мы окончательно установили, что называть вторичными энергоресурсами, приступим к их анализу и классификации.

Очевидно, вторичные энергоресурсы могут содержать и впоследствии высвобождать только ту часть энергии, которую использовали рукотворно для производства работы по их созданию. А могут содержать и затем высвобождать и часть энергии, полученной ими естественным путем, например, в процессе фотосинтеза. Таким образом, мы можем разделить эффективные вторичные энергоресурсы на два вида:

-вторичные энергоресурсы, содержащие и способные высвободить только искусственно подведенную энергию;
-вторичные ресурсы, содержащие и способные высвободить возобновляемую энергию.
Вторичные энергоресурсы первого вида не могут добавить энергии, а способны только экономить энергию, используя часть ее вторично. Вторичные ресурсы второго вида могут быть источниками дополнительной энергии, полученной ими естественным путем от ВИЭ.

Далее заметим, что подведенная энергия (возобновляемая и невозобновляемая) тратиться не только на получение целевого продукта, но и на отделение отходов. Отходы представляют ту часть объекта, которую нельзя использовать по целевому назначению. Заметим, что в отходы может превращаться и отработавшая свой срок службы продукция. Кроме того, отходы могут скапливаться в месте производства продукции, а могут рассредоточиваться вместе с распространением целевого продукта. Например, при производстве деревянных изделий, неизбежны отходы в виде стружек, опилок и обрезков, которые сосредоточены вместе производства целевых деревянных изделий. А если товар требует упаковки (бумажный коробок или деревянный ящик), то упаковка перейдет в разряд отходов только после приобретения товара, следовательно, в месте использования его по назначению, то есть, вдали от места производства. В отходы пойдет и целевой продукт по истечению срока его службы, причем, тоже по месту использования. Если эти отходы могут быть вторичными ресурсами, то их по этому признаку можно разделить на сосредоточенные и рассредоточенные.
Очевидно рассредоточенные отходы, представляющие вторичные энергоресурсы, могут быть смешаны с другими отходами, не представляющими энергетической ценности, что потребует затрат не только на их сбор, но сортировку. Заметим, что отходы растительного и животного происхождения (биомасса) могут быть сосредоточенные и условно сосредоточенные. К условно сосредоточенным отходам относятся пожнивные остатки, оставленные на полях. Условно рассредоточенные отходы биомассы не требуют сортировки перед использованием в качестве вторичных энергоресурсов.
Таким образом, биомасса является наиболее эффективным видом вторичных ресурсов, которые, кроме того, относятся к возобновляемым источникам энергии. Это объясняется тем, что растительная биомасса образуется не только в результате потребления питательных веществ, но и в процессе фотосинтеза, при котором энергия фотонов идет на образования хлорофилла, следовательно, на наращивание биомассы. Так как растительная биомасса идет, в том числе, и на корм животных, то отходы животной биомассы также возобновляемы. При освобождении энергии биомассы, например, путем ее сжигания, продукты сгорания возвращаются в окружающую среду и восстанавливаются в новой волне биомассы.

Использование биомассы для получения тепловой и электрической энергии.

Так как биомасса содержит горючие вещества (углеводороды и их соединения), то наиболее очевидно ее использование в качестве биотоплива для получения тепла. Хотя биомасса уже первоначально способна гореть, все же требуется некоторая ее подготовка. Так биомасса и ее отходы содержат большое количество воды, и перед сжиганием требует сушки.Характеристикой любого топлива является его калорийность или теплотворная способность, то есть, удельное количество теплоты, которое можно получить при сжигании единицы массы или объема топлива. Чем выше калорийность топлива, тем меньше его требуется для получения одного и того же количества теплоты. Теплотворная способность биотоплива различна, и зависит от того, в каком виде оно используется. Вспомним, что из биомассы можно получать твердое, газообразное и жидкое биотопливо.Наиболее просто получать твердое биотопливо, для чего биомассу высушивают. Таким образом, в качестве твердого биотоплива может использоваться сухая древесина или высушенные экскременты животных. Если используются отходы древесины, то для повышения технологичности биотоплива их брикетируют.
Биогаз получают в процессе брожения, и его производство наоборот требует увлажнения биомассы, а затем подогрева и перемешивания.Так как биомассу можно преобразовывать в твердое, газообразное или жидкое биотопливо, то ее можно использовать практически во всех процесса, требующих тепла, включая и паровые и тепловые машины. На рисунке 1.показана схема возможного применения биотоплива.

Рисунок 1.Структура использования биотплива.

Qc-тепло на сушку, подогрев,
Eм– механическая энергия на перемешивание,
Qт– теплота твердого топлива,
Qб– теплота биогаза,

Qж-Теплота жидкого топлива

Возможность получения качественного тепла путем сжигания биотоплива обусловливает и возможность получения электроэнергии в тепловых электростанциях, в которых приводом генератора является тепловая машина.

Достоинствами применения биотоплива для работы в тепловых электростанциях являются:
-полная управляемость процессом, так как поступление биотоплива абсолютно прогнозируемо;
-возможность использования существующих тепловых электростанций, особенно автономных, так как теплотворная способность жидкого и газообразного биотоплива эквивалентна теплотворной способности традиционного углеводородного топлива;
-неисчерпаемость запасов биотоплива при правильном его воспроизводстве

ПОЛУЧЕНИЕ ГАЗООБРАЗНОГО И ЖИДКОГО БИОТОПЛИВА

Как уже отмечалось, наиболее ценным является газообразное и жидкое биотопливо. Преобразование энергии биотоплива практически не отличается от преобразования энергии любого углеводородного топлива, поэтому практический интерес представляют только вопросы его получения.
Биотопливо может использоваться для прямого получения тепла (в этом случае сжигают высушенную биомассу или получаемый из нее древесный уголь) или для производства электроэнергии (в этом случае из биотоплива получают метан, который используют в автономных топливных электростанциях в качестве газообразного топлива приводных двигателей).
Процесс получения метана (СН4)
из биомассы называется анаэробной переработкой. Как следует из названия процесса (анаэробная) он протекает в отсутствии кислорода воздуха.

На рисунке 2. показана функциональная схема анаэробной установки, а на рисунке 3. её схематическое устройство.

Рисунок 2.Функциональная схема анаэробной установки производства биогаза.

Рисунок 3.

Установка для получения биогаза: 1 – вентиль, 2 – корпус, 3 – поршень,

4-биомасса.

Получение биогаза происходит следующим образом.
Поршнем 3 выдавливается воздух из биомассы. Затем вентиль закрывается и производится подогрев биомассы без доступа воздуха.
Подогретая биомасса интенсивно перемешивается поршнем, имеющим лопатки. В перемешиваемой нагретой биомассе протекают процессы анаэробного брожения и начинает выделяться биогаз, в котором большинство составляет метан СН4.Под давлением биогаза поршень приподнимается, и газ выпускается в промежуточную емкость. Метан из промежуточной емкости после очистки компрессором закачивается в резервуар для хранения и последующего использования.Применение установок для получения биогаза в настоящее время становится все более перспективным.Кроме получения газообразного топлива из биомассы можно получать твердое (брикетированное или гранулированное) топливо и жидкое топливо (метанол).Функциональная схема установки для получения жидкого топлива приведена на рисунке 4. Полученное топливо представляет собой метиловый спирт и может использоваться совместно с бензином в определенных пропорциях.Обобщающим способом получения твердого (древесный уголь), газообразного (биогаз) и жидкого (смолы и масла) биотоплива является пиролиз. Схема пиролиза приведена на рисунке 5.КПД пиролиза определяется отношением теплоты сгорания произведенного биотоплива к теплоте сгорания исходной биомассы, и достигает довольно высоких значений. Например, газогенератор на древесине, производящий водород и СО, имеет КПД 90% [18]. Некоторая потеря энергии компенсируется получением биотоплива, пригодного для использования в обычных тепловых двигателях. Это позволяет уменьшить потери энергии по сравнению с простым сжиганием биомассы. Так, используя продукты пиролиза при производстве электроэнергии можно достигать более высоких значений КПД, чем при использовании паровых котлов.

Рисунок 4. Функциональная схема установки для производства метанола

Рисунок 5. Функциональная схема пиролизной установки Пиролиз протекает в четыре стадии, отличающиеся температурой процесса.

100-200°С– подаваемый в газогенератор материал, опускаясь вниз, освобождается от влаги;
275°С– отходящие газы состоят из Nв виде конденсата выделяются смолы и масла, которые могут быть переработаны в метанол или метан;
280-350°С– протекают экзотермические реакции, в процессе которых выделяются летучие вещества.;
350-600°С– образуется водород, метан и СО, часть углерода переходит в форму древесного угля.

Во Всероссийском институте электрификации сельского хозяйства создана промышленная пиролизная установка, производительностью 1 литр метанола за час или 1,5 м 3
метана за час, перерабатывающая растительные сельскохозяйственные отходы, например, подсолнечную лузгу. Такие установки могут с успехом применяться в небольших фермерских хозяйствах.
Естественно, установка по производству биотоплива не сможет решить всех энергетических проблем фермера, но способна значительно уменьшить его зависимость от рынка традиционного углеводородного топлива. В будущем применение установок по производству жидкого или газообразного топлива станет еще более эффективным.

Список Литературы

1. Беззубцева М.М., Волков В.С. Нетрадиционная и возобновляемая энергетика: конспект лекций для обучающихся по направлению подготовки 35.04.06 «Агроинженерия», профиль «Энергетический менеджмент и инжиниринг энергосистем». — СПб: СПбГАУ, 2016. — 96с.

2. Лабейш В.Г. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии. - СПб: СЗТУ, 2003