10228

71

МЗДП-1 (рис. 72): семена (рапса, сои или подсолнечника) автоматически, с помощью шнекового транспортера, подаются на отжимной пресс 7, из которого масло поступает в отстойник-очиститель 9, где освобождается от шлама (фуза), который насосом возвращается для дополнительного отжимания в пресс.

Предварительно очищенное масло из отстойника 9 для полной очистки от фосфатов подается в фильтр-пресс 6, а потом в сборник чистого масла 8, в котором очищается абсорбентом "Фосфолисорб" и подогревается до заданной температуры. Подогретое и предварительно очищенное масло насосом подается в реактор 1. Туда же перекачивается из емкости 2 раствор катализатора в метаноле. При постоянном кавитационном смешивании и подогревании реагентов с помощью водонагревателя 11 и водяного контура, в реакторе проходит реакция переэтерификации масла, благодаря чему образуются дизельное биотопливо РМЕ (эстеры), которые по характеристикам близки к нефтяному дизельному топливу.

Рис. 72. Получение биодизеля из рапса на примере мини-завода МЗДП-1: 1 - реактор; 2 - вместимость для смеси метанола и КОН; 3 - аппарат ректификационный; 4 - адсорбер; 5 - вакуум-насос; 6 - фильтр-пресс; 7 - отжимной пресс; 8 - емкость для накопления масла; 9 - отстойник; 10 - шкаф управления; 11 - водонагреватель; 12 - вместимость для воды; 13сепаратор

Вреакторе из топлива удаляется глицерол (сырой глицерин), остатки каталитического раствора и, с помощью кислого или нейтрального мойного раствора, который подается насосом из емкости 12, отбираются остатки мыла, метанола, поверхностно-активных веществ.

Полученные эстеры масла высушиваются в ректификационном аппарате 3, а остатки воды и метанола конденсируются в адсорбере 4. Регенерируемый метанол может возвращаться в сборник 2, или нейтрализоваться в адсорбере. Освобожденные от воды и метанола масличные эстеры, пройдя через систему фильтров, дополнительно очищаются от воды и механических примесей в сепараторе 13, адсорбируются сорбентом "Амберлайт" и подаются в сборную емкость для дальнейшего использования в качестве дизельного биотоплива.

Вкачестве альтернативы биодизелю рассмотрим получение Биоэтанола. Биоэтанол получают сбраживанием сахара по технологии, которая используется в производстве пива

ипищевого спирта. Крахмал из зерен и клубней растений с помощью ферментов превращается в простые сахара. Затем эти или природные сахара из сахарной свеклы,

72

сахарного тростника или сорго сбраживаются дрожжами в бражку, т.е. смесь спирта, воды и несброженные остатки.

Рис. 73. Получение биоэтанола сухим способом.

Этанол отделяют от бражки в дистилляционных колоннах и дополнительно очищают в ректификационных колоннах, на выходе которых получают смесь этанола с водой. На этапе обезвоживания из этой смеси удаляют остатки воды, и получают безводный биоэтанол, который можно смешивать с бензином в качестве окислителя и высокооктанового компонента.

В неэтилированном бензине в качестве высокооктанового компонента широко применяется МТБЭ (метил-третбутиловый эфир). Его канцерогенные свойства вызывают серьезную озабоченность и заставляют искать ему замену. Биоэтанол, как возобновляемое и безопасное для окружающей среды вещество, является подходящим решением.

73

Рис. 74. Получение биоэтанола мокрым способом.

При производстве биоэтанола стоит рассмотреть следующие этапы.

Помол и подготовка сырья. Сырье составляет существенную часть себестоимости биоэтанола. Равномерный помол зерна ускоряет переработку, снижает себестоимость и повышает выход продукта. На этапе подготовки из сырья также извлекаются компоненты, не используемые при получении биоэтанола, но являющиеся сырьем для производства других продуктов. Например, с помощью мокрого помола из сырья получают крахмал А и В. Крахмал А перерабатывается в глюкозу и другие сахаристые вещества, а крахмал В служит сырьем для производства биоэтанола. Из зародышей пшеницы и кукурузы можно извлечь ценные масла.

Сжижение, осахаривание и сбраживание. Ожижение и осахаривание - это превращение полисахарида крахмала в сбраживаемые моносахариды. Ожижение начинается с затирания, т.е. добавления в муку теплой воды с получением суспензии. Затем ее нагревают паром в разварнике, где крахмал под действии тепла и альфаамилазных ферментов превращается в гель и ожижается. Альфа-амилаза расщепляет длинные молекулы крахмала (этот процесс называется гидролизом), превращая крахмал в мальтодекстрин, т.е. раствор олигосахаров. Этот гидролизованный крахмал подвергается дальнейшей переработке - осахариванию, в ходе которой глюкоамилазные ферменты в условиях регулируемой температуры и рН превращают декстрин в пригодную для сбраживания глюкозу. Часть осахаренного сусла отбирается из осахаривателя и подается в дрожжегенератор. Осахаренное сусло из осахаривателя смешивается с закваской в бродильном аппарате. Перемешивание обеспечивает оптимальный контакт дрожжей с сахарами, а регулирование температуры и содержания питательных веществ поддерживает требуемую скорость сбраживания. Дрожжи превращают молекулу глюкозы в 2 молекулы этанола и 2 молекулы углекислого газа.

Дистилляция и ректификация. Дистилляция начинается с бражной колонны. Здесь из продукта брожения, бражки, отгоняется смесь этанола и воды. Дальнейшая очистка

74

происходит в ректификационной колонне, где спирт максимально освобождается от воды и состав паров приближается к азеотропной точке.

Обезвоживание и очистка этанола. Чтобы получить топливный этанол, из спиртасырца требуется удалить воду. Воду можно удалять с помощью молекулярных сит, диффузионного испарения через мембрану или азеотропной перегонкой с разделяющими агентами.

Технология молекулярных сит. Использование молекулярных сит (адсорбентов) – это самая современная низкоэнергетическая технология обезвоживания. Перегретая смесь паров этанола и воды проходит через слой цеолита, т.е. пористого материала с очень точно выдержанным размером пор. Молекулы воды чуть меньше размера пор и в силу своей высокой полярности удерживаются в порах электростатическими силами. В то же время более крупные молекулы этанола проходят сквозь молекулярные сита, не задерживаясь. В результате образуется безводный этанол.

Диффузионное испарение - это альтернативный метод осушения, в котором применяются гидрофильные мембраны. С одной стороны мембраны создается вакуум. В силу различия диффузионного сопротивления и парциального давления этанола и воды происходит разделение этих веществ на мембране. Вода проходит сквозь нее, а обезвоженный этанол остается.

Азеотропная перегонка. В этих системах в смесь спирта и воды добавляется разделяющий агент, который образует азеотроп с этанолом или водой. Затем в регенерационной колонне этот азеотроп разделяется на разделяющий агент и компонент исходной смеси.

Отходам производства биоэтанола находится широкое применение. Чаще всего из них производят высушенную дробину с растворимыми веществами барды, - богатый белками и питательными веществами корм для КРС, свиней и птицы. Также полученную биомассу можно использовать как топливо для производства электрической и тепловой энергии или как сырье для выработки другого биотоплива - метана.

Рис. 75. Коллекторы с водорослями Весьма интересным направлением является, существующее пока еще в виде

экспериментальной модели получение биоэтанола из водорослей. Заполненные водой плоские панели установлены на освещенных участках, внутри этих ёмкостей имеются некие водоросли. Под воздействием света и поглощая из воды углекислый газ, растения насыщают воду этанолом. Впоследствии эта вода сепарируется в специальном аппарате и возвращается в цикл, а отделенный раствор этанола аккумулируется для дальнейшей переработки или использования.

75

Рис. 76. Схема получения биоэтанола из водорослей С позиции возобновляемых источников энергии нас также интересует вещество,

получаемое в результате водородного или метанового брожения биомассы – биогаз. Получение биогаза экономически оправдано и является предпочтительным при

переработке постоянного потока отходов (стоки животноводческих ферм, скотобоен, растительных отходов и т.д.).

Биогаз можно конвертировать в тепловую и электрическую энергию, использовать в двигателях внутреннего сгорания для получения синтез-газа и искусственного бензина.

76

Рис. 77. Общий вид завода по производству биогаза.

Рис. 78. Потоки движения биогаза для получения электрической энергии.

Производство биогаза из органических отходов даёт возможность решать одновременно три задачи: энергетическую, афохимическую и экологическую.

Установки по производству биогаза размещают, как правило, в районе крупных городов, центров переработки сельскохозяйственного сырья. Исследуются возможности и разрабатываются способы получения биотоплива путём сжигания, сухой перегонки, гидролиза, ферментации, аэробного и анаэробного разложения биомассы и отходов.

Биогаз оказался эффективным видом топлива для когенерационных установок. Когенерационные установки представляют собой оборудование для комбинированного

78

землю. Днище метантенка имеет значительный уклон к центру. Кровля метантенка может быть жёсткой или плавающей. В метантенках с плавающей кровлей снижается опасность повышения давления во внутреннем объёме.

Сверху в метантенк по трубе поступает осадок и активный ил. Для ускорения процесса брожения метантенк подогревают, а содержимое перемешивают. Подогрев осуществляется водяным или паровым радиатором. В условиях отсутствия кислорода из органических веществ (жиров, белков и т. д.) образуются жирные кислоты, из которых при дальнейшем брожении образуется метан и углекислый газ.

Сброженный ил высокой влажности удаляется из нижней части метантенка и направляется на сушку (например, иловые площадки). Образовавшийся газ отводится через трубы в кровле метантенка. Из одного кубического метра осадка в метантенке получается 12—16 кубометров газа, в котором около 70 % составляет метан.

Биогаз можно получать с помощью биогазовых станций, сооруженных около водоочистительных станций, свалок коммунальных отходов или земледельческих организаций, специализирующихся в животноводческом производстве.

Нельзя также отдельно не отметить потенциал развития биогаза свалок коммунальных отходов или свалочного биогаза.

Рис. 81. Схема использования свалочного биогаза.

Ha первом этапе строительства устройств для использования энергии свалочного биогаза создаётся принимающая ёмкость (котлован), рассчитанный на 10—20 лет пользования. На дне котлована укладывается слой глины толщиной 1 метр (или полиэтиленовая плёнка) для предотвращения проникновения загрязненных вод в почву. В процессе строительства мусор вносится в котлован порциями в специальные ячейки, соответствующими суточной норме его поступления на свалку. Каждая такая ячейка высотой от 2 до 4 метров изолируется глиной от предшествующих и последующих слоев.

После заполнения котлована мусором, его закрывают «кровлей» — глиной, плёнкой, засыпают землёй, сверху высаживают траву. Котлован оснащается инженерными сооружениями для отвода жидких и газообразных продуктов разложения мусора. В теле котлована закладываются скважины, трубы, устанавливается насосное оборудование. Полученный газ передаётся по трубопроводам на электростанции, котельные, печи обжига, микротурбины и т. д.

Первые 2—3 месяца из закрытого котлована с мусором выходит, в основном, CO2. Затем начинается выделение полноценного свалочного газа, которое продолжается до 30—70 лет. После 25 лет выработка метана начинает медленно сокращаться. После прекращения выработки газа территория, занятая котлованом, может быть вновь использована для повторного использования и переработки муниципального мусора.

Как видно из данного раздела биотопливо это широчайшая область возобновляемых источников энергии, включающая в себя с одной стороны самую привычную и

79

традиционную технологии использования дров в качестве источника энергии, и заканчивая еще экспериментальными, но уже зарекомендовавшими себя с положительной стороны биореакторами с водорослями. Биотопливо определенно займет свою нишу как возобновляемый источник энергии, причем в промышленных масштабах. Это касается не только заводов по производству жидкого или газообразного биотоплива, но и использование, например, в автомобильной технике.

Пожалуй, самая большая проблема использования биотоплива это сроки окупаемости данных установок при первоначально высокой стоимости (в том числе и получение лицензии на подобный род деятельности) и т.д. Например, использование свалочного газа в России весьма проблематично, поскольку практически во всех городах отсутствует сортировка мусора, в отличии, скажем, от Финляндии, где эта технология процветает.

Тепловые насосы

Если задаться вопросом, какой из возобновляемых источников энергии самый популярный, то еще не известно выйдет ли на первый план солнечная энергетика, поскольку в последнее время огромное распространение получили низкопотенциальные источники теплоты – тепловые насосы.

Термодинамически тепловой насос представляет собой обращенную холодильную машину и, по аналогии, содержит испаритель, конденсатор и контур, осуществляющий термодинамический цикл. Основные типы термодинамических циклов - абсорбционный и, наиболее распространенный, парокомпрессионный. Если в холодильной машине основной целью является производство холода путем отбора теплоты из какого-либо объема испарителем, а конденсатор осуществляет сброс теплоты в окружающую среду, то в тепловом насосе складывается иная ситуация. Конденсатор является теплообменным аппаратом, выделяющим теплоту для потребителя, а испаритель - теплообменным аппаратом, утилизирующим низкопотенциальную теплоту: вторичные энергетические ресурсы и (или) нетрадиционные возобновляемые источники энергии.

В основу принципа действия компрессионного теплового насоса положены два физических явления:

-явление поглощения и выделения теплоты веществом при изменении агрегатного состояния - испарении и конденсации соответственно;

-изменение температуры испарения и конденсации при изменении давления;

-использование жидкостей, имеющих низкую температуру кипения.

Основные элементы парокомпрессионного контура - теплообменник-испаритель, теплообменник-конденсатор, компрессор и дроссель.

Тепловой насос работает следующим образом:

1. В теплонасосных установках существует 3 основных контура – внешний (первичный), внутренний и отопительный (вторичный). Внешний контур - это конструкции, с помощью которых можно отобрать теплоту из окружающей среды. В зависимости от источника теплоты это может быть водяной, земляной, воздушный и другие внешние контуры (в основном представляет собой трубопроводы, по которым циркулирует теплоноситель – жидкость, имеющую низкую температуру замерзания, «антифриз»). Температура теплоносителя на входе в этот контур должна быть меньше температуры окружающей среды. Теплоноситель, проходя по внешнему контуру, нагревается на несколько градусов, забирая теплоту от низкопотенциального источника тепла (грунт, воздух, водоём и т.д). Далее он поступает в испаритель.