Продолжение № 64

Экологическая чистота энергоблока обеспечивается применением в схеме системы закачки конденсата, содержащего вредные примеси в скважину захоронения, а также использование специальных шумоглушителей. В проточной части влажнопаровой турбины выполнена внутриканальная периферийная сепарация и кроме того установлена высокоэффективная ступень.

Использование ступени сепаратора позволяет снизить степень влажности за турбиной с 15 до 10 %. Относительный внутренний к.п.д. – 0,7-0,84. Подвод и регулирование расхода рабочего тела турбины осуществляется поворотной регулирующей диафрагмой.

Некоторые технические характеристики турбоустановок блочных ГеоЭС средней мощности:

Мощность, кВт 600 1200 2300

Давление на входе, МПа 0,2 0,6 0,7

Расход пара, т/ч 7,5 90 170

Давление за турбиной, МПа 0,01 0,0085 0,012.

Технико-экономические расчеты показывают, что наряду со строительством крупных ГеоЭС, таких как Мутновская и Паужетская с блоками 23 и 6 МВт для малонаселенных районов Курильских островов, Камчатки, Сахалина целесообразно создание модульных геотермальных энергетических установок относительно небольшой мощности 0,5; 1,7; 2,5; 4 МВт.

Одним из наиболее перспективных геотермальных районов является Камчатка. Прогнозируемая установленная мощность ГеоТЭС здесь может составить 1500 МВт по электроэнергии и 2000 МВт по теплоте. Первая, Паужетская ГеоТЭС мощностью 0,6 МВт по бинарному циклу была построена в 1967 г., сейчас она реконструирована по одноконтурной схеме и ее мощность равна 11 МВт. Параметры пара в устье скважин 417-473 К (140-200 ^оС), давление 0,2-0,4 МПа, глубина скважин 220-480 м, минерализация воды 1-3,4 г/л. Вода после сепаратора, имеющая температуру 370-380 К частично используется для теплоснабжения, частично сбрасывается в реку.

В 1998 г. на Камчатке построена Верхне-Мутновская ГеоТЭС мощностью 12 МВт (3 х 4 МВт). Это первая в мире экологически чистая геотермальная электростанция с воздушными конденсаторами, обратной закачкой воды в пласт и предварительным растворением в этой воде неконденсирующихся газов. Геотермальная двухфазная среда, поднимаемая из скважин на Мутновском месторождении, содержит 40 % насыщенного пара при 440 К (167 ^оС) и 60 % насыщенной воды. Общая мощность ГеоТЭС на Мутновском месторождении составит 300 МВт. В настоящее время строится первая очередь ГеоТЭС мощностью 50 МВт (пуск в 2001 г.). В дальнейшем готовится пуск серии ГеоТЭС с одноконтурным, комбинированным и бинарным циклами.

В настоящее время общая установленная мощность ГеоТЭС превышает 7000 МВт по электроэнергии и 11500 МВт по теплоте. 50 стран мира уже пользуются геотермальной энергией и 80 стран потенциально заинтересованы в ее использовании.

№ 65

Способы и устройства использования отходов производства или сельского хозяйства для энергоснабжения. Биоэнергетика

Рассматриваются возможности использования биомассы в качестве коммерческого источника газообразного топлива и энергии в мире и в отдельных странах.

Известный английский исследователь и один из авторитетных экспертов Д. Холл, дает достаточно подробную оценку современного состояния этой проблемы в мире и в отдельных странах, перспективам развития причинам, тормозящим более интенсивное применение биомассы как энергетической составляющей в энергобалансе развитых и развивающихся стран.

Основной источник биомассы на Земле - фотосинтез. Биомасса или биоресурсы – мощный потенциальный мировой источник топлива и химии. Это возобновляемые ресурсы, составляющие ежегодно 220 млрд. т (по сухому веществу) и имеющие в запасе в виде энергии химических связей около 4 × 10²¹ Дж. Общие мировые энергетические запасы биомассы на земной поверхности составляют 36 × 10²¹ Дж, а ежегодное мировое коммерческое использование всей энергии – всего 3,9 × 10²⁰ Дж. В среднем 1 т биомассы содержит всего 2 × 10¹⁰ Дж или эквивалента 0,625 т у.т.

Термин биомасса описывает все компоненты, являющиеся производными от первичной фотосинтетической продукции: растительный и животный мир, продукты переработки биомассы, разнообразные органические отходы. Например, энергетическое содержание производимых в мире сельскохозяйственных отходов составляет 93 × 10¹⁸ Дж/год. Если из них реально использовать только 25 %, то можно обеспечить около 7 % мировой энергии.

Городские твердые отходы (ТБО) также могут быть важным источником энергии. Только в США их ежегодно образуется около 200 млн. т (по 1 т/год на человека). В развивающихся и слаборазвитых странах эти значения несколько меньше, но можно предположить, что ежегодно в мире в городах накапливается 2-3 млрд. т ТБО. Если считать, что в среднем они содержат 60-65 % органических веществ растительного и животного происхождения, то по аналогии с фотосинтетической биомассой ежегодное накопление энергии в ТБО может составлять 4-6 × 10¹⁸ Дж.

В последние годы прогнозируется, что вклад биомассы в производство энергии составит от 59 до 145 × 10¹⁸ Дж к 2025 г. и от 94 до 280 × 10¹⁸ Дж к 2050 г. (см. таблицу). Доля энергетической биомассы, которая будет в 21 в. входить в общую энергетику, зависит от многих факторов, которые трудно предвидеть на данном этапе.

Современные технологии конверсии биомассы в топливо.

Технологии получения твердых, жидких и газообразных топлив из различных видов биомассы – от фотосинтетической до органических отходов – развиваются по двум направлениям: термохимическому и биотехнологическому.

В свою очередь термохимические технологии включают в себя следующие процессы:

- прямое сжигание; - пиролиз;

- газификацию; - сжижение;

- быстрый пиролиз; - синтез.

К биотехнологическим технологиям относятся такие процессы, как:

- биогазовые технологии; - производство эталона;

- получение биодизельных топлив, жирных кислот, растительных углеводородов; - получение тепловой энергии.

Прямое сжигание – древнейший, но наименее выгодный процесс с к.п.д. получения тепловой энергии 15-18 %. Однако существуют такие виды биомассы, которые выгоднее сжигать при условии создания тепловых агрегатов с более высоким к.п.д. К таким видам биомассы относятся:

- солома злаковых и крупяных культур; - стебли подсолнечника и кукурузы, из которых готовят топливные гранулы;

- некоторые виды древесины; - древесные отходы;

- твердые отходы сельскохозяйственного производства;

- городские твердые отходы;

- отходы производства сахара из сахарного тростника – багасса, которая при прямом сжигании используется для производства пара, электричества, пульпы, бумаги, картона, корма для животных. В 1995 г. во всем мире было получено около 200 млн. т багассы, из которых 95 % использовалось как топливо для производства сахара, заменив 40 млн. т нефти.

Пиролиз – термохимическая конверсия сырья без доступа воздуха при температуре 450-550 ^оС позволяет из 1 м³ абсолютно сухой древесины получать: 140-180 кг древесного угля, не содержащего ни серы, ни фосфора и используемого для получения лучших сортов стали, 280-400 кг жидких продуктов – метанола, уксусной кислоты, ацетона, фенолов; 80 кг горючих газов – метана, монооксида углерода, водорода.

Газификация – сжигание биомассы при температуре 900-1500 ^оС в присутствии воздуха или кислорода и воды с получением синтез-газа, состоящего из смеси монооксида углерода, водорода и стеклообразной массы (7-10 % массы исходного материала), применяемой как наполнитель для дорожных покрытий. Газификация – более прогрессивный и экономичный способ использования биомассы для получения тепловой энергии, чем пиролиз. Синтез-газ имеет высокий к.п.д. тепловой конверсии. Он может употребляться для получения метанола.

Сжижение – это производство жидкого топлива из биомассы путем термической конверсии: термический пиролиз или газификация в присутствии катализаторов. Реакция происходит так, чтобы в качестве основного продукта получалось жидкое топливо, и при этом можно производить уголь и газ.

Быстрый пиролиз – биомасса в течение короткого времени подвергается воздействию экстремально высоких температур (700-1400 ^оС), в результате которого происходят быстрое разложение исходных продуктов и образование новых соединений: этанола, пропилена, углеводородов, близких к бензину. Газ, получаемый с помощью быстрого пиролиза, содержит водород, метан, этилен, пропилен. Использование быстрого пиролиза биомассы выгоднее, чем пиролиза угля, так как биомасса содержит значительно меньше золы, и ее можно подвергнуть воздействию более низких температур. Этому направлению, очевидно, принадлежит будущее.

Синтез – каталитический синтез метанола из газов, образующихся из термической конверсии биомассы. Изменяя температуру и давление, а также используя уникальные катализаторы, кроме метанола можно получить целый ряд других соединений. Промежуточные соединения образуются из лигнина. Из 1 т древесины можно синтезировать 410-540 л метанола. Если синтез производить в присутствии водорода, получающегося при электролизе воды, то выход метанола увеличивается до 1400 л.

Биогазовые технологии. Биогаз – смесь метана и углекислого газа – продукт метанового брожения органических веществ растительного и животного происхождения, осуществляемого специфическим природным биоценозом анаэробных бактерий различных физиологических групп. Метановое брожение протекает при температурах от 10 до 55 ^оС в трех четко определенных диапазонах: 10-25 ^оС – психрофильное; 25-40 ^оС – мезофильное; 52-55 ^оС – термофильное; влажность составляет от 8 до 99 , оптимальная – 92-93 %.

Содержание метана в биогазе варьируется в зависимости от химического состава сырья и может составлять от 50 до 90 %. В зависимости от природы исходного сырья изменяется и выход биогаза: от 200 до 600 л на 1 т абсолютно сухого вещества.

К настоящему времени разработано и применяется множество технологий получения биогаза, основанных на использовании различных вариаций температурного режима, влажности, концентраций бактериальной массы, длительности протекания биореакций.

Производство этанола. Этанол, а также другие низшие спирты, альдегиды и кетоны – продукты спиртового брожения разнообразных сахаро- и крахмалосодержащих субстратов. Однако наиболее распространенными видами сырья для производства этанола являются отходы сахарного производства: багасса или меласса (сахарная свекла), а также крахмал кукурузы, сорго, картофеля, пшеницы и риса. До недавнего времени в России этанол получали при брожении гидролизной целлюлозы.

Наиболее значительный интерес в мире к жидким биотопливам (особенно к этанолу) для использования на транспорте высоким ценам на нефть. Однако и в настоящее время в развивающихся странах он имеет тенденцию к продолжению вследствие экологический проблем.

В некоторых странах этанол в чистом виде или в смеси с бензином (газохол) широко применялся в 70-е годы для двигателей внутреннего сгорания.

Биодизельное топливо имеет те же характеристики, что и обычные дизельные масла, которые могут использоваться в дизельных двигателях. Биодизельное топливо может быть получено из любого маслосодержащего растения – семян рапса, сои, кактусов и т.д. Преимущество биодизельного топлива состоит в том, что его производство основано на широко известных технологиях получения растительных масел с их дальнейшим метилированием и растительных углеводородов.

В 80-е годы возрос интерес к растительным углеводородам. Как правило, эффективные продуценты углеводородов и масел являются представителями тропической и субтропической флоры. Однако и в умеренном климате имеются культурные растения, семена которых содержат значительные количества масел, - подсолнечник, конопля, лен, рапс и др.

Получение тепловой энергии активным компостированием (микробным окислением). Использование этого метода для утилизации твердой биомассы и, прежде всего, твердых органических отходов также может внести существенный вклад в энергетику, в частности, в производство тепловой энергии. Метод основан на процессе бактериального окисления твердых органических веществ с образованием тепловой энергии, которая повышает температуру пропускаемого воздуха до 80…90 ^оС. Путем компрессии температуру выходящих газов можно поднять до 110 ^оС. В некоторых странах, например в Японии, разработаны опытно-промышленные установки к.п.д. которых достигает 95 %.

Зарубежный опыт использования биомассы для получения топлива и энергии

Биомасса является важным источником энергии для многих отраслей промышленности как в индустриальных, так и в развивающихся странах. Промышленное применение биомассы в индустриальных странах включает в себя получение:

- древесного угля; - электричества;

- тепловой энергии в многоквартирных домах, коттеджах, виллах и дачах; - малое промышленное применение;

- децентрализованное получение энергии.

Например, во Франции в 1992 г. для этого было использовано около 22 млн. м³ дров.

В странах Европейского Союза в среднем применение биомассы для энергетических нужд составляет ежегодно до 3 % (180 × 10¹² кДж) общего энергобаланса, но их доля различна: так, в Австрии она равна 12, в Швеции – 8, в Финляндии – 23 %.

Прогнозируется, что к 2010 г. около 540 × 10¹² кДж (8,5 %) общей энергии может быть получено из биомассы. В индустриальных странах это направление развивается более интенсивно.

В развивающихся странах биомасса является главным источником энергии для многих ремесленников и малых производств: хлебопечение, пивоварение, текстильная мануфактура, производства табака, кофе, чая, копченостей, кирпича и т.п. Например, в Азии около 20 % регионов используют дрова в сельскохозяйственном производстве и при переработке сельхозпродуктов. Древесный уголь применяется при производстве железа, стали, цемента и т.д.

В Бразилии для тяжелой промышленности требуется ежегодно свыше 6 млн. т древесного угля. Здесь для получения топлива и энергии эффективно используется багасса. Оценка энергетического потенциала остатков багассы после обеспечения всей энергии, необходимой для сахарного производства и получения этанола, составляет 6000 МВт. В 1995 г. имелось 12 заводов мощностью 114,8 МВт по производству спирта, использующих багассу. Несмотря на очевидную выгодность ее энергетического использования, в Бразилии имеются проблемы, уменьшающие масштабы применения последней: ограничения на использование частного капитала для развития промышленного производства электроэнергии; длительные сроки окупаемости оборудования, применяющего багассу; сезонность потребления багассы и трудности ее хранения; сложности связывания национальных и региональных энергосетей в большинстве далеких сельских районов; низкие тарифы на электроэнергию и необходимость правительственных субсидий.

В Индии программа децентрализации производства энергии, инициированная в 1995 г., обеспечила поддержку проектов по производству энергии мощностью от 10 до 15 МВт в малых сельских общинах. Предусматривалось на период 1970-2000 гг. выполнить проекты установок общей мощностью 500 МВт. Проект включал в себя создание около 1600 систем газификации мощностью 16 МВт главным образом для получения электроэнергии в сельской местности. Для Индии потенциальные возможности использования багассы оцениваются в пределах 2800-5100 МВт.

В Китае к 2010 г. планируется создание станции мощностью 300 МВт по газификации багассы, соломы и опилок.

В США реализуются проекты: государственной электростанции на Гавайях (сжигание багассы в псевдоожиженном слое) мощностью 3…5 МВт и электростанции в штате Вермонт мощностью 45 МВт, работающей на древесной щепе.

Страны ЕС также активно размещают системы газификации биомассы. В 1990 г. их мощность составила 15 МВт, к 2000 г. планировалось довести эти мощности до 20-30 МВт, а к 2005 г. до 5-80 МВт.