Дисциплина:
Физика и энергетика
Вид работы:
контрольная работа
Язык:
российский
Внедрение энергии биомассы для получения других видов моторных топлив для движков внутреннего сгорания, их преимущество; разработка производства биогазов, биоэтанола и биодизеля из сельскохозяйственных и бытовых отходов; забугорный опыт.

Государственный авиационный институт

Факультет летательных аппаратов

Кафедра Химмотологии

Домашнее задание

по дисциплине

ГСМ и контроль их свойства ч.1

Тема:

Другие горючего из биомассы

Выполнила:

Студентка ФЛА 309

Фернандес Медина А.Х.

Управляющий:

к.х.н., доц. Новикова В.Ф.

Киев 2007

Содержание

Вступление

1. Внедрение энергии биомассы

2. Биотопливо — другой вид горючего

3. Получение моторных топлив из газов газификации растительной биомассы

4. Забугорный опыт

Вступление

За последнее столетие добыча нефти в мире выросла практически в 20 раз и продолжает расти довольно стремительно. По оценкам профессионалов, в течение 40—50 лет припасы углеводородов будут фактически исчерпаны. Потому в почти всех странах огромное внимание уделяется поиску путей использования энергии, накапливаемой растениями за счет фотосинтеза, для технических потребностей, а именно для подмены обычного водянистого горючего на автотранспорте биотопливом (этанолом и биодизелем). Как понятно, биомассой принято обозначать все органические вещества как растительного, так и животного происхождения, источником которых служит сейчас существующая биосфера нашей планетки. Биомасса уже издавна употребляется в качестве сырья для производства различного вида горючего, к примеру, горючего газа и этанола (этилового спирта). Раз в год на Земле с помощью фотосинтеза появляется около 120 миллиардов. тонн сухого органического вещества, что энергетически эквивалентно более 40 миллиардов. тонн нефти. Внедрение биомассы может проводиться в последующих направлениях:

Прямое сжигание — создание биогаза из сельскохозяйственных и бытовых отходов — создание этилового спирта для получения моторного горючего

Таким сырьем служат мусор, пищевые и бытовые отходы, опилки и другие отходы лесной и лесоперерабатывающей промышленности, какашки сельскохозяйственных животных, трава, избытки зерна и т.п.

По данным Интернационального Энергетического Агентства (International Energy Agency), за четверть века создание этанола в мире подросло в 8 раз (с 4368 миллионов л. в 1980 году до 32665 миллионов — в 2004), при этом особо приметный прирост был зарегистрирован в последние годы, с ростом цен на нефть

Сейчас разработка позволяет создавать 1 литр биодизельного горючего приблизительно из 1,2 литра соевого масла. Цена этого горючего сейчас приблизительно равна цены бензина. По производству и потреблению топливного этанола мировым фаворитом уже более 2-ух десятилетий является Бразилия, где его создание составляет половину мирового, и значимая часть автотранспорта работает на чистом (95%) этаноле или на консистенции этанола (25%) с бензином(75%). Создание биотоплив для движков внутреннего сгорания стремительно развивается в США и в почти всех европейских странах (сначала в Испании и Франции). Этанол уже стал объектом интернациональной торговли: к примеру, по данным агентства Reuters, Бразилия уже импортирует этот продукт в США, Индию и ряд других стран. Потенциально этот рынок будет развиваться: только за последние годы законы, ставящие собственной целью поощрить перевод автомобилей на биотопливо, приняли Южная Корея, Филиппины, Япония и Мадагаскар.

1. Внедрение энергии биомассы

Внедрение энергии биомассы в Украине находится в зачаточном состоянии, хотя условия для ее освоения (особенности климата, потенциал земельного сектора экономики, наличие рабочей силы) довольно благоприятны. Потому полностью естественным представляется формирование весной текущего года мотивированной всеохватывающей программки исследований НАН Украины ВлБиомасса как топливное сырьеВ» (ВлБиотопливаВ»). Как можно судить по концепции обозначенной программки, ее создатели лицезреют единственно вероятный путь использования биомассы для автотранспорта — тот, по которому идут страны-лидеры этого направления (будем именовать этот вариант обычным). В связи с этим появляется вопрос: вероятны ли другие варианты использования биомассы для автотранспорта?

В Институте технической теплофизики (ИТТФ) НАН Украины разработаны метод и устройство для энерготехнологической переработки биомассы (древесной породы, травы, подсолнечной лузги и др.). В итоге таковой переработки получают два продукта: горючий
газ и древесный уголь (полукокс), который представляет собой фактически беззольное высокореакционное жесткое горючее. Тут принципиально выделить, что прямое внедрение биомассы, а именно древесной породы в более совершенных, современных пылеугольных котлах связано со значительными трудностями, если вообщем может быть. Дело в том, что пылевая разработка сжигания предугадывает непременное измельчение горючего до частиц размером ~ 200 мкм, а мельницы, которыми оборудованы пылеугольные энергоблоки, полностью неприменимы для размола биомассы (к примеру, древесных отходов), но просто управляются с измельчением древесного угля. Не считая того, для стабилизации горения пылеугольного горючего употребляется ВлподсветкаВ» факела дефицитным и дорогостоящим природным газом, но его полностью можно поменять дешевеньким и легкодоступным горючим, который выходит при энерготехнологической переработке биомассы по технологии ИТТФ. Из имеющихся технологий получения горючего из биомассы уплотнением всераспространены: пеллетирование (гранулирование), брикетирование на прессах и брикетирование экструзионное (с внедрением шнеков).

ООО ВлЭККОВ» г. Черкассы, это предприятие, разрабатывающее экструзионные технологии на базе серийных экструдеров, выпускаемых ОАО ВлЧеркассыэлеватормашВ», и обратившее своё внимание на экструзионное брикетирование отходов из биомасс.

В базе технологии производства топливных брикетов лежит процесс прессования шнеком отходов (шелухи подсолнечника, гречихи и т.п.) и мелко размельченных отходов древесной породы (опилок) под высочайшим давлением при нагревании от 250 до 350СВ°. Получаемые топливные брикеты не содержат в себе никаких связывающих веществ, не считая 1-го натурального — лигнина, содержащегося в клеточках растительных отходов. Температура, присутствующая при прессовании, содействует оплавлению поверхности брикетов, которая благодаря этому становится более крепкой, что важно для транспортировки брикета.

Любопытно сопоставить характеристики обычного и альтернативного вариантов. Тесты установки ИТТФ для энерготехнологической переработки биомассы проявили, что ее КПД (т.е. отношение теплотворной возможности товаров переработки к теплотворной возможности начального сырья) порядка 90%. Допустим, что КПД перевоплощения биомасса — биотопливо такой же. Наилучшие современные транспортные движки внутреннего сгорания имеют КПД менее 40 %. Таким макаром, обычный вариант использования биомассы может обеспечить итоговый КПД менее 36%. Для оценки способностей альтернативного варианта представим, что электроэнергия, которая употребляется в электромобилях, вырабатывается на ТЭЦ с КПД ~ 75%. Так как энергопотери в электродвигателе ничтожно малы, КПД альтернативного варианта ~ 67%, т.е. чуть не в два раза выше. Что касается экологического нюанса, то, разумеется, сжигание товаров переработки биомассы в больших современных котельных установках с массивными системами чистки товаров сгорания приведет к наименьшему загрязнению среды, чем внедрение биотоплива в движках внутреннего сгорания.

Очередное беспрекословное преимущество альтернативного варианта при сопоставлении его с обычным заключается в том, что Влв делоВ» может идти вся биомасса (к примеру: стволы подсолнечника, кукурузы, ветки деревьев, торжественные елки и т.д.). В классическом варианте — только относительно маленькая часть биомассы (зерна кукурузы, сои, рапса и т.д.), при этом та, которая может быть применена для производства пищевых товаров для людей.

Очень прибыльно использовать другой вариант использования биомассы в больших городках, где накапливается огромное количество биомассы и имеется много отопительных котлов. Расчеты демонстрируют: если использовать другой вариант для утилизации биомассы, которая накапливается в г. Киеве (древесная часть городского мусора, обрезки деревьев и т.д. — всего более 24 тыс. м3 в год), то можно фактически даром иметь раз в год доход в размере более 1 млн. долл. При использовании в пылеугольных котлах древесной подсветки по другому варианту можно уменьшить на 13—15% расход природного газа, который употребляется угольными электрическими станциями на подсветку.

2. Биотопливо — другой вид горючего

Соевое, арахисовое, пальмовое, переработанные подсолнечное и оливковое масла (использованные, к примеру, при изготовлении еды), также животные жиры. Биодизельное горючее — это экологически незапятнанный вид горючего,
другой по отношению к минеральным видам, получаемый из растительных масел, и применяемый для подмены (экономии) обыденного дизельного горючего, это на сто процентов сгорающее другое горючее, которое делается из растительных материалов либо биомассы, таковой как сладкий тростник либо пальмовое масло. Оно может употребляться в дизельных движках либо смешиваться с обыденным дизельным топливом. Сырьем для производства биодизеля могут быть разные растительные масла: рапсовое. С хим точки зрения биодизель представляет собой метиловый эфир. При его производстве, в процессе этерификации, масла и жиры вступают в реакцию с метиловым спиртом и гидроксидом натрия, служащим катализатором, в итоге чего образуются жирные кислоты, также побочные продукты: глицерин и другие.

Биодизель может употребляться в обыденных движках внутреннего сгорания, как без помощи других, так и в консистенции с обыденным дизтопливом, без внесения конфигураций в конструкцию мотора.

Владея приблизительно схожим с минеральным дизельным топливом энергетическим потенциалом, биодизель имеет ряд существенных преимуществ:

В· он не токсичен, фактически не содержит серы и канцерогенного бензола;

В· разлагается в естественных критериях (приблизительно так же, как сахар);

В· обеспечивает существенное понижение вредных выбросов в атмосферу при сжигании, как в движках внутреннего сгорания, так и в технологических агрегатах;

В· наращивает октановое число горючего и его смазывающую способность, что значительно наращивает ресурс мотора;

В· имеет высшую температуру воспламенения (более 100В°С), что делает его внедрение относительно неопасным;

В· его источником являются возобновляемые ресурсы; создание биодизеля просто организовать, в т.ч. в критериях маленького фермерского хозяйства, при всём этом употребляется дешевое оборудование

По прогнозу Интернационального Энергетического Агентства, к 2020 году мировое создание биотоплива, как минимум, учетверится и достигнет 120 млрд л. в год. К 2010 году мировой автопром выпустит, как минимум, 2 млн. единиц автомобилей, способных работать на спирте и биодизельном горючем.

Пока же толика «био» автомобилей в автопарке США малозначительна, невзирая на то, что с конца 1970-х годов федеральные власти и власти неких штатов приняли ряд законов, устанавливающих налоговые льготы для производителей подобного горючего, механических устройств для его использования (авто, системы хранения и рассредотачивания и пр.) и для покупателей схожих автомобилей.

Эффективность этанола и биодизеля довольно нередко подвергается сомнению. Например, в 2003 году Корнуэлльский Институт (Cornell University) опубликовал результаты исследования, согласно которому был изготовлен пессимистичный вывод: если считать, что с 1-го поля, на котором выращиваются сельскохозяйственные культуры, можно получить 100 л. спирта, который может быть перевоплотить в энергию, то издержки на создание этой энергии составят 79 л. в «спиртовом» эквиваленте. Вобщем, есть исследования, доказывающие высшую энергоемкость биоэнергетических культур.

Но перспективы у схожих автомобилей можно признать радужными. Значимые средства, вложенные в исследования по использованию био горючего, равномерно начали приносить итог. Косвенным свидетельством этого являются данные Государственной Лаборатории по Исследованию Возобновляемой ЭнергииNational Renewable Energy Laboratory: число выданных патентов на изобретения в этой сфере в 1998 году подросло в 25 раз по сопоставлению с уровнем 1981 года. Не считая того, приметно поменялись настроения американских потребителей, многие их их серьезно рассматривают возможность приобретения более экономного автомобиля, в том числе такового, который не употребляет в качестве горючего нефтепродукты.

3. Получение моторных топлив из газов газификации растительной биомассы

Рассмотрен новый способ получения экологически незапятнанных водянистых моторных топлив из растительной биомассы. Горючего не содержат серу, а выделяющийся при их горении диоксид углерода вновь участвует в образовании растений. Горючего получаются из газов газификации биомассы воздухом при низком давлении и температуре. Дискуссируются препядствия ресурсов горючих ископаемых и растительной биомассы в мире и в нашей стране.

В текущее время энерго потребности мира составляют ~ 11—12 миллиардов. т условного горючего (у. т.) и удовлетворяются за счет н
ефти и газа на 58—60%, угля — на 30%, гидро- и атомной энергии — на 10—12%. Разведанные припасы нефти, угля и газа приведены в табл. 1 и 2.

Таблица 1

Мировые припасы горючих ископаемых, применимые для промышленной добычи, миллиардов. т н. э. Нефть + газ

Уголь

Соотношение

Литература

226

687

1:3,0

[4]

230

741

1:3,2

[3]

Таблица 2

Извлекаемые припасы горючих ископаемых и прирост биомасссы, миллиардов. т н. э. Наименование

В СНГ

В мире

Нефть

8—10

145

Уголь

~ 200

720

Газ

~ 40

104

Образование растительной биомассы в год

~ 15—20

80

В качестве источника энергии употребляется также растительная биомасса (дрова и др.) — порядка 1 миллиардов. т у. т., либо 0,7 миллиардов. т нефтяного эквивалента (н. э.), что составляет практически четвертую часть из добычи и употребления нефти в мире (~3 миллиардов. т). Потребность в нефти и других видах современной энергии, возможно, будет возрастать и сразу будут усовершенствоваться способы энергетического использования растительной биомассы (кроме прямого сжигания).

В истинной работе рассматриваются способности получения компонент водянистых топлив приемущественно из растительной биомассы, средством ее газификации и синтеза из газа водянистых углеводородов. В общем виде эти процессы представлены на рис. 1.

Применение возобновляемой растительной биомассы для производства моторных топлив целенаправлено и даже нужно в связи с ограниченностью припасов нефти. По данным XIII Нефтяного конгресса (1991 г.), разведанные припасы нефти в мире оцениваются в 140—145 миллиардов. т (160 миллиардов. м3), которых при современном потреблении нефти в мире может хватить на 35—45 лет.

По отдельным регионам задачи с припасами нефти стоят более остро: 76% припасов находится на Ближнем и Среднем Востоке, в Латинской Америке. На другие регионы остается 24%, из которых 6—7% приходится на СНГ. Беря во внимание уровень добычи нефти в 1990 г., этих припасов может хватить на 15—18 лет.

Потребность нефти в Русской Федерации — 270—300 млн. т, в целом по СНГ — 450 млн. т (для сопоставления — США потребляют около 800 млн. т нефти). В предстоящем потребление нефти в мире будет возрастать, потому, беря во внимание недостаток нефти, нужно развивать новые пути получения водянистых моторных топлив. Создание моторных топлив из жестких горючих ископаемых не очень широко. Так, в ЮАР получают 5 млн. т моторных топлив, зачем затрачивается 27—30 млн. т бурого угля. Эта разработка базирована на парокислородной газификации угля и получении моторных топлив из синтез-газа на металлическом катализаторе. Создание синтетических топлив в больших масштабах с целью подмены нефти представляет тяжелую задачку. Для производства 150 млн. т синтетических топлив (1/2 потребности Рф) пригодилось бы около 1 миллиардов. т бурого угля (добыча угля в 1990 г. в Русском Союзе составила около 700 млн. т, в США — 800 млн. т).

Легкодоступным и возобновляемым сырьем для производства синтетических моторных топлив является биомасса растений. К примеру, в Канаде лесная и лесоперерабатывающая индустрия более 70% нужной энергии получает из отходов древесной породы (газификацией и другими способами). В Русском Союзе в период 1940—1950 гг. были сделаны установки, работавшие на лесных и сельскохозяйственных отходах при их газификации воздухом с получением газообразного моторного горючего. Каждогодний прирост биомассы растений на Земле составляет от 170 до 200 миллиардов. т, считая на сухое вещество, что в пересчете на нефтяной эквивалент соответствует приблизительно 70—80 миллиардов. т.

До середины XIX в. население земли использовало в качестве теплоносителя для бытовых и промышленных целей (металлургия, паровые машины и др.) практически только биомассу растений и продукты ее переработки (древесный уголь).

При использовании в качестве энергоэлемента газа, нефти и угля появляется ряд заморочек, связанных с ограниченными припасами горючих ископаемых, в особенности нефти. Кроме истощения припасов нефти необходимыми неуввязками являются перевозка на огромные расстояния и хранение всех видов топлив.

В связи с недостатком нефти целенаправлено использовать местные виды топлив — растительную биомассу, бурый уголь, торф, сланцы, разные твердые органич
еские отходы (мусор в городках) при переработке в жидкое горючее. Полное количество разных жестких органических отходов (лесодобыча и лесопереработка, сельское хозяйство, индустрия, бытовой мусор в городках) может быть очень велико. К примеру, в США оно добивается 1—1,2 миллиардов. т в год. Из этого количества можно получить около 1/4 моторных топлив, т. е. более 100 млн. т. Но большая часть отходов не употребляется, некую часть используют для получения биогаза (смесь СН4 с СО2), другая часть сжигается.

К примеру, компания тАЬБоингтАЭ спаливает биомассу (отходы древесной породы и городской мусор) для получения приблизительно 60% тепла, нужного для подогрева завода тАЬБоингтАЭ площадью 550 тыс. м2 являющегося наикрупнейшим в мире производственным комплексом.

Ресурсы раз в год возобновляемой растительной биомассы энергетически в 25 раз превосходят добычу нефти. В текущее время сжигание растительной биомассы составляет ~10% от потребляемых энергоресурсов (приблизительно 1 миллиардов. т у. т.), в дальнейшем ожидается существенное расширение использования биомассы в виде товаров ее переработки (водянистых, жестких топлив и др.), и сначала отходов, которые накапливаются и распадаются, загрязняя окружающую среду.

Биомасса перерабатывается в топливные и хим продукты разными способами: пиролизом, гидролизом, газификацией, гидрогенизацией и др. Эти процессы осуществляются на передвижных либо стационарных установках.

4. Забугорный опыт

В Норвегии используются передвижные установки на лесосеках, где перерабатываются растительные отходы способом пиролиза. Производительность отдельной установки от 10 до 30 т древесного угля в день. При пиролизе из 1 т отходов (щепа) выходит 280 кг угля, 200 кг смолы пиролиза и около 222 кг газообразного горючего. Газообразное горючее употребляется для поддержания процесса пиролиза. Смола пиролиза применяется как котельное горючее либо подвергается гидрооблагораживанию под давлением водорода для получения бензина и дизельного горючего. Стационарные установки пиролиза могут иметь до 40 печей, и рассчитаны на переработку 300—350 тыс. т органических отходов в год.

Разработан процесс ожижения растительной биомассы способом гидрогенизации при 350В°С под давлением водорода при 6,4 МПа. Из 1 т биомассы получают 24 кг синтетической нефти и 160 кг остатка типа асфальта.

Одним из способов получения водянистых моторных топлив является тепловое растворение древесной породы в нефтяных фракциях при 380—450В°С под давлением 10,0 МПа. При всем этом происходит ожижение древесной породы.

В США имеется экспериментальная установка, где из 1000 кг древесной щепы выходит 300 кг горючего типа сырой нефти. Процесс ведут при давлении 28 МПа и температуре 350—375В°С. В качестве катализатора используют карбонат натрия.

В ряде государств (Италия, ФРГ, Аргентина и др.) сделаны особые энерго плантации быстрорастущих пород древесной породы и других пород на землях, не применимых для сельского хозяйства.

Плантации ветлы в Швеции на заболоченных землях дают 25 т древесной породы с 1 га в год. Сбор древесной породы осуществляется через 2 года особыми комбайнами в зимнее время года, когда заболоченная земля леденеет. С 1 млн. га выходит 15 млн. т древесной породы в виде сухого древесного горючего, что эквивалентно 20% энергии, нужной для этой страны.

В рамках Западноевропейской программки развития возобновляемых энергоресурсов в Италии пущен большой биоэнергетический комплекс, рассчитанный на каждогодную переработку 300 тыс. т быстрорастущей биомассы и органических отходов. Кроме газа и томных остатков будет получено 20 тыс. т водянистого горючего. В Германии имеются огромные плантации рапса, из которого получают смазочные масла и дизельное горючее.

В Латинской Америке, США и Франции из биомассы (отходов сладкого тростника, кукурузы и др.) получают этанол, используя обычно процессы брожения. В Бразилии выходит более 10 млн. т этанола, который используют как основное горючее для автомобилей (96%-ный этанол) либо в консистенции с бензином — горючее тАЬГазохолтАЭ (22 % этанола с 78 % бензина). В США из кукурузы получают более 3 млн. т этанола, который используют в качестве добавки к бензину (5—10%) для увеличения октанового числа и улучшения процессов сгорания.

Для использования в моторных топливах предложены производные метанола и этанола, которые не корродируют аппаратуру, безобидны, отлично смешиваются и имеют выс