Содержание
| Введение……………………………………………………….………………… | |
| 1. Общая характеристика биомассы……...……………………….…………… | |
| 2. Энергетические запасы биомассы по Украине и другим странам мира…………………………………………………………………..…………… | |
| 3. Очитка и обогащение биомассы. Технологические схемы очистки и получения биомассы……………………………………………………..……... | |
| 3.1 Сухая перегонка, газификация и сжигание……………..………………… | |
| 3.1.1 Термическое повышение начальной биомассы……………………..….. | |
| 3.1.2 Подготовка биомассы…………………………………………………….. | |
| 3.1.3 Сухая перегонка…………………………………………………………... | |
| 3.1.4 Технология сухой перегонки……………………………………………... | |
| 3.1.5 Окислительная газификация……………………………………………... | |
| 3.1.6 Сжигание/восстановление………………………………………………... | |
| 3.2 Конвертирование биомассы в топливо без промежуточных этапов…….. | |
| 4. Применение биомассы в энергетике………………………………………... | |
| 5. Расчёты основных энергетических характеристик………………………… | |
| 6. Экономическая оценка целесообразности использования биомассы…….. | |
| 6.1 Компоненты для расчёта экономической доступности…………………... | |
| 6.2 Вычисление времени транспортировки…………………………………… | |
| 6.3 Заключение………………………………………………………………….. | |
| Выводы…………………………………………………………………………... | |
| Список использованной литературы………………………………………….. |
ВВЕДЕНИЕ
В последние годы в мире возникла большая заинтересованность в использовании биомассы для выработки тепловой и электрической энергии, ее вовлечение в топливно-энергетический баланс регионов и стран в целом. Об этом говорят многочисленные исследования в странах Европейского союза и США, направленные на выявление оптимальных путей использования биомассы в энергетике, а также в России.
Интерес к широкому использованию биомассы определен следующими основными обстоятельствами.
1. Экологическими, связанными с необходимостью решения, в том числе, глобальных климатологических задач.
2. Необходимостью снижения потребления невозобновляемых источников энергии (газ, нефть, уголь), активно истощаемых в обозримом будущем, и заменой их возобновляемыми источниками.
Масштабное использование природных энергетических ресурсов для производства энергии на тепловых электрических станциях приводит к значительному загрязнению природной окружающей среды такими вредными выбросами в атмосферу, как диоксид углерода (СО2), оксиды серы (SO2 и др.), азота (NОх), а также твердой пылевзвеси. Обычный каменный уголь выделяет, например, около 3 т СО2 на каждую тонну сожженного топлива. В то же время такой выброс, как СО2, является основным компонентом парникового газа. Несмотря на то, что климатологи мира не могут окончательно договориться о причинах глобального потепления (за 100 лет на 0,6 °С, а по различным сценариям к концу столетия температура на планете может возрасти на 1,5…2 и даже 6 °С) международными экологическими протоколами на уровне ООН для стран–производителей энергии устанавливаются ограниченные квоты на массовые выбросы СО2. Такие протоколы приняты в Монреале, Рио-де-Жанейро и Киото. Известно, что доля США, например, составляет 35 % мировых выбросов углекислого газа, а в России – 17 %.
Киотский протокол предусматривает добровольное обязательство стран с развитой экономикой с 2008 по 2012 годы увеличивать выбросы СО2 не более 5,2 % по сравнению с уровнем 1990 г.
Если страна-участница протокола сократит выбросы сверх утвержденной нормы, она может продать сэкономленные выбросы условного топлива «перебравшим» лимиты государствам. Те же государства, которые «выбросили» слишком много парниковых газов, должны будут либо купить квоты, либо заплатить штраф. Санкции могут быть настолько большими (до 300…400 долларов за каждую лишнюю тонну углекислого газа), что странам-нарушителям придется или тратить огромные деньги на техническое перевооружение, или закрывать энергозатратные производства. По расчетным прогнозам цена квоты за тонну углекислого газа может составлять от 5 до 80 евро. Энергетика в России эмитирует до 45 % парниковых газов.
Рациональными путями снижения выбросов СО2, повышения экологической безопасности при производстве энергии являются:
· повышение эффективности использования органического топлива;
· активное внедрение энергосберегающих технологий;
· использование биомассы как энергетического топлива.
При этом использование биомассы является одним из радикальных путей решения проблемы снижения выбросов парниковых газов (СО2) в топливоиспользующих установках, а также снижения выбросов других вредных ингредиентов:
· деревья и растения, составляющие основной состав биомассы, сами поглощают выбросы СО2, т.е. в них происходит рециркуляция: сколько СО2 поглощено, столько и выделяется при сжигании и при этом не увеличивается его содержание в атмосфере;
· в биомассе практически нет серы, малое содержание азота и золы.
Кроме того, эффективное использование биомассы как энергетического топлива снижает негативное ее влияние на окружающую среду от гниения, сжигания в случайных установках и условиях с целью очистки от них и др.
Другим стимулом использования биомассы в энергетике является вовлечение ее, как источника химической энергии, в топливно-энергетический баланс в качестве возобновляемого источника в структурно-энергетическом балансе (наряду с механической энергией гидро- и ветроэнергетики, тепловой энергией градиента температур и геотермальных установок).
Известно, что уже в обозримом будущем человечество может начать испытывать дефицит в природных энергетических ресурсах. С учетом темпов их наращивания, обеспеченность в мире запасами органических топлив при существующих темпах ежегодного спроса на электроэнергию в цивилизованных странах 2,5…3 % в год составляет (по разным источникам): нефти 25–48 лет; газа 35–64 года; угля 228–330 лет (кстати, запасы урана также могут быть исчерпаны в 30–60 лет).
В то же время последними исследованиями установлено, что экономически оправданное использование биомассы, как энергетического топлива, позволяет покрыть 26 % мировой энергетической потребности.
При этом, как показано, за счет использования биомассы в качестве возобновляемого источника энергии сохраняются природные ресурсы, в значительной степени решается проблема выбросов СО2, повышается экологическая безопасность за счет снижения вредных выбросов.
Между тем существуют факторы, препятствующие широкому внедрению биомасс:
· недоступность определенной доли растительных ресурсов для рентабельного использования;
· распределение некоторых видов биомасс относительно мелкими партиями, трудность их сбора (концентрации) и транспортировки;
· сезонность рынка некоторых биомасс, особенно годичного цикла;
· трудности длительного хранения биомасс;
· сложившийся стереотип и отсутствие в нашей стране законодательного и экономического стимулирования.
Растительные биомассы считаются одним из наиболее «благородных» видов топлива и во многих странах рассматриваются, как перспективный источник энергии на ближайшее будущее. Ежегодный воспроизводимый потенциал биомасс оценивается в 10 раз выше мировой добычи полезных ископаемых. При этом, однако, необходимо учитывать, что доступность и экономическая целесообразность использования разных видов биомасс различна. И все же, в конечном счете, при любом способе энергетического использования биомасс как возобновляемых источников энергии:
· сохраняются природные ресурсы;
· кардинально решается проблема выбросов парникового газа СО2;
· уменьшается загрязнение атмосферы выбросами SO2, NОх, золы;
· снижается стоимость вырабатываемой энергии.
Все это делает весьма перспективной проблему использования биомасс в энергетике.
Однако следует учитывать, что ряд их характеристик имеют уникальные особенности и кардинально отличаются от освоенных и используемых в энергетике углей. Это обстоятельство ограничивает и затрудняет их использование и требует разработки и внедрения нового оборудования и модернизации существующего.
Указанным обстоятельствам по внедрению и оптимизации способов использования биомассы как возобновляемого источника энергии в крупной энергетике в последнее время стали активно уделять внимание во многих странах мира. Об этом говорят многочисленные публикации в разных изданиях. К сожалению, в России этим вопросам уделено пока недостаточно внимания. Однако в малой (промышленной) энергетике и в России выполнен большой комплекс исследований и разработок по использованию биомасс различного происхождения.
Хотя обеспокоенности по отношению к запасам угля не существует (по сравнению с ограниченными запасами нефти и газа, которые не смогут быть использованы как энергетическое топливо в ближайшем будущем, запасов угля может хватить на многие сотни лет), однако его использование в энергетике (объемы использования постоянно растут) создает проблему совместимости существующих технологий его сжигания и окружающей среды.
Сжигание угля вызывает значительные выбросы в атмосферу таких вредных веществ, как SОx, NОx, золовые частицы, тяжелые металлы, а также увеличивает массовые выбросы относительно безвредного но создающего парниковый эффект диоксида углерода (СО2).
Уже в течение многих лет общественность озабочена выбросами в атмосферу таких загрязнений, как SОx, NОx, золовые частицы и тяжелые металлы. В 2004 г. разработаны нормы для регламентирования выбросов тяжелых металлов, что потребует новых затрат для их соблюдения. При этом будет осуществлен переход на ограничение выбросов микрочастиц (2,5 микрона и менее), так как в них концентрируется содержание вредных тяжелых металлов (ртути и др.). Эти нормы потребуют значительно более совершенных и дорогостоящих способов очистки газа. Особое внимание в последнее десятилетие будет уделяться в дальнейшем и выбросам диоксида углерода (СО2) – конечного продукта сжигания ископаемого топлива. Это объясняется главным образом его влиянием на изменение климата. Вред природе наносят не сами выбросы СО2, а их накопление в атмосфере. Проведенные измерения показали, что концентрация СО2 в атмосфере выросла с 280 ррm (в так называемый доиндустриальный период, середина XVIII в.) до 370 ррm в 2003 г. Более половины выбросов СО2, образовавшихся при сжигании ископаемых топлив, не поглощается биосферой и поверхностью океана, а накапливается в атмосфере. Темп роста концентрации СО2 составляет 47 ррm/год.
В таком случае даже при умеренном росте мировой экономики (не превышающем 2 % в год) концентрация СО2 в атмосфере к 2050 г. превысит 500 ррm. Для прекращения роста концентрации СО2 в атмосфере необходимо в ближайшие 10–20 лет снизить его выбросы до уровня в 3 раза ниже уровня выбросов 1990 г.
Использование растительной биомассы выгодно отличается от углеводородного сырья своими экологическими достоинствами (малая зольность, практическое отсутствие серы и, безусловно, – снижение парникового эффекта) и позволяет в значительной мере решить эту климатологическую и экологическую проблему.
В мире, среди возобновляемой энергии, биомасса занимает ведущее место. Биомасса заменяет 1250 млн. тонн условного топлива ежегодно. Это 15% мирового потребления первичных энергоресурсов и является четвертым по значимости видом топлива. Биомасса играет существенную роль в энергообеспечении промышленно развитых стран, таких как США, Дания, Канада, Австрия, Швеция.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА БИОМАССЫ
Биома́сса (биоматерия) — совокупная масса растительных и животных организмов, присутствующих в биогеоценозе в момент наблюдения.
Среди наземных животных организмов наибольшую по массе часть составляют насекомые, членистоногие и подобные им, обеспечивающие существование растительных организмов. (Более 80-ти процентов сухопутной биомассы).
Человечество, как часть млекопитающих, представляет собой менее 1-го кубического километра, что составляет одну пренебрежимо малую, несоизмеримую со всей биомассой, часть всей биомассы Земли.
Как показано, биомасса состоит из разных видов и групп в пределах каждого вида. В соответствии с природой исходных продуктов, технологии их переработки, характера отходов различны их характеристики. Это необходимо учитывать при разработке технологии их практического использования.
Основные характеристики, по которым биомассы отличаются в зависимости от вида (и группы), это:
· технический состав (зольность, влажность, калорийность);
· элементный состав;
· состав минеральной части;
· шлакующие характеристики;
· экологические характеристики;
· коррозионные характеристики.
· общими особенностями биомассы, как энергетического топлива, являются (табл. 1.1…1.4):
· высокая реакционная способность (выход летучих на горючую массу составляет от 75…80 % до 92 %);
· повышенная взрывоопасность и пожароопасность (по классификации «Правил взрывобезопасности» критерий взрываемости Кт достигает > 8,4);
· крайне нестабильная влажность (в зависимости от способов получения биомассы, ее хранения и складирования влажность колеблется от 25 до 65 %);
· повышенные загрязняющие и шлакующие свойства минеральной части при низкой зольности (за счет повышенного содержания щелочных элементов К2O + Na2O, достигающего 30..35 %, «короткие» шлаки при низких температурах плавления ta → tc = 1150…1180 °C;
· высокие коррозионные свойства для биомасс годичного цикла из-за повышенного содержания калия, а также частично хлора (до 4,0 % и 4,5 % соответственно);
· возможные значительные колебания основных характеристик в пределах одной биомассы (влажности, калорийности и др.);
· затрудненность движения биомассы по тракту за счет волокнистого строения материала (питатели, бункера, течки и др.);
· ухудшенные сыпучие свойства, низкая плотность, высокая волокнистость, неоднородный гранулометрический состав, что приводит
· к возникновению проблем транспорта и размола и не всегда позволяет использовать существующее пылеприготовительное оборудование и совместный размол с другим топливом;
· неоднородный гранулометрический состав;
· обогащение шлаков щелочами при сжигании биомассы снижает их коммерческую привлекательность (в цементной промышленности, например).
Таблица 1.1 - Анализ топлив из биомассы, на сухую массу.
Таблица 1.2 - Разброс данных при анализе топлив из биомассы, включая несортированное топливо.
Таблица 1.3 - Характеристика плавления золы биомассы
Таблица 1.4 - Характеристики топлива и биомасс
Продолжение таблицы 1.4.
В то же время следует отметить достаточно высокие экологические характеристики биомассы:
· низкая зольность (Ad = 2…12 % в среднем 4 %);
· низкое содержание серы (Sdaf = 0,02…0,1 %) и азота (Ndaf = 0,3…1,2 %);
· снижение загрязнения атмосферы таким парниковым газом, как СО2, за счет рециркуляции углекислого газа (сколько поглощают сами деревья и растения СО2, столько же и выделяют при горении, не увеличивая его количества в атмосфере);
· низкое содержание хлора в минеральной части (в среднем 0,04 % и лишь для растительных отходов до 4,3 %).
В табл. 4 приводятся данные по характеристикам биомассы, которая использовалась российскими исследователями при совместном и раздельном сжигании биомассы с углем на огневом стенде УралВТИ. Как и предполагалось, принципиальных отличий в составе биомасс не наблюдается. Здесь же, для сравнения, даны характеристики для угля и торфа.
