Библиографическое описание:

Узаков Г. Н., Раббимов Р. Т., Алиярова Л. А., Рахимов С. А. Эффективность применения пиролизной технологии для получения альтернативного топлива из местных органических отходов // Молодой ученый. — 2014. — №4. — С. 280-283.

Важнейшим направлением в энергосбережении является вовлечение в энергобаланс нетрадиционных возобновляемых источников энергии (НВИЭ). В этом случае не только удовлетворяется часть потребности в энергоресурсах, но и уменьшается экологическая нагрузка на окружающую среду. Непрерывный рост цен на традиционные энергоносители (нефть, природный газ, уголь), вследствие усиливающегося энергетического кризиса, с 1973 года во всем мире способствовал интенсификации работ в использовании альтернативных источников энергии.

Поэтому внедрение альтернативных источников энергии является одним из важнейших задач в области энергосбережения и инновационного развития экономики нашей страны. Актуальность данного направления еще раз была подчеркнута в Указе Президента Узбекистана «О мерах по дальнейшему развитию альтернативных источников энергии» от 1марта 2013года [1].

Одним из возобновляемых источников энергии является биомасса, при переработке которой может быть получено жидкое и газообразное топливо. Особенно важное значение имеет тот факт, что биомасса в отличие от ископаемых источников энергии — нефти, природного газа и угля — представляет собой возобновляющийся источник энергии, и при правильной организации ее воспроизводства, сбора и переработки, доля энергии и топлива, получаемых из биомассы, может существенно возрасти.

Получение топлива и энергии из биомассы и местных органических отходов позволит: во-первых, решить проблему утилизации сельскохозяйственных и растительных отходов, во-вторых, получить дешевую энергию, в третьих снизить количество экологических вредных выбросов в атмосферу. Оценка возможности переработки биомассы показывает широкие перспективы их энергетического использования.

Однако энергоемкость переработки биомассы в существующих установках достигает до 70–80 % в общем тепловом балансе, что приводит к определенным трудностям внедрения и снижает их энергетическую эффективность.

Получение топлива и энергии из биомассы с помощью солнечной энергии, прежде всего, представляет интерес для автономных и удаленных потребителей систем централизованного энергоснабжения в виде небольших сельских жилых зданий, фермерских хозяйств и отдельных домов.

В настоящее время в условиях мирового финансово- экономического кризиса руководством нашей страны разработан комплекс мероприятий, направленный на решение ключевых задач, по сокращению энергоемкости технологических процессов и внедрению эффективных систем энергоснабжения, бесперебойному энергоснабжению автономных потребителей, реализации мер по ускоренному развитию на селе промышленного производства и строительства.

Создание и внедрение энергосберегающих установок по получению газообразных, жидких и твердых альтернативных топлив из местных отходов сельскохозяйственных растений и биомассы являются первостепенными задачами в системах автономного энергоснабжения локальных потребителей. Ресурсы биомассы в различных ее видах имеются практически во всех регионах нашей республики, и почти в каждом из них может быть налажено производство энергии и топливо из биомассы. Биомасса является классическим возобновляемым источником энергии. Ежегодно в земле при помощи фотосинтеза образуется около 120 млрд. тонн сухого органического вещества, что энергетически эквивалентно более 40 млрд. тонн нефти. Принято, что 1 тонн биомассы эквивалентна 0,625 тонн условного топлива [2].

Поэтому переработка растительной биомассы для получения топлива, тепловой и электрической энергии и обеспечение ими сельских потребителей, особенно в труднодоступных и энергодефицитных районах, становится актуальной задачей.

Применение биомассы в натуральном виде связано с рядом проблем, основными из которых являются экология и недостаточная эффективность преобразования и использования сырья. Предварительная переработка биомассы в жидкую и газообразную формы представляется наиболее перспективной. Выработанное из растительной биомассы альтернативное топливо (жидкое, твердое и газообразное) более универсально, экологически приемлемо и имеет большое энергосодержание по сравнению сырьём.

Термохимические технологии получения твердого, жидкого и газообразного альтернативного топлива из различных видов биомассы включает в себя следующие процессы: прямое сжигание, пиролиз, газификацию, синтез. Среди современных термохимических технологий биомассы пиролиз является наиболее универсальной, которая позволяет получать качественное, экологически безопасное твердое, жидкое и газообразное топливо практически из любого органического сырья.

В связи с этим нами разработана пиролизная установка для получения газообразных, жидких и твердых альтернативных топлив из органических отходов и биомассы (рис.1). Установка предназначена для переработки всех видов органических отходов фермерского хозяйства, имеющего в своем хозяйстве 6–8 голов крупного рогатого скота и ресурсы биомассы (навоз, стебли хлопчатника, полевые отходы овощных и бахчевых культур, и.т.п.), для получения биотоплива. Установка содержит реактор, солнечный концентратор, конденсатор-охладитель, газгольдер и ёмкость для сбора жидкого топлива. Биоэнергетическая установка работает автономно, используя часть выработанной энергии и энергию солнца на собственные нужды.

Использование данной установки позволяет повысить эффективность переработки биомассы на 20–30 % по сравнению с аналогами и обеспечивает комплексное использование возобновляемых источников энергии, т. е. энергии солнца и биомассы. Получение топлива из местных органических отходов и биомассы, прежде всего, решает проблему бесперебойного энергоснабжения, представляет особенный интерес для автономных и удаленных потребителей энергии в виде небольших сельских жилых зданий, фермерских хозяйств и отдельных домов.

Рис.1. Установка для получения альтернативных топлив из биомассы и местных органических отходов сельскохозяйственного производства: люк; реактор; выход первичного продукта пиролиза; параболацилиндрический солнечный концентратор; холодильник-конденсатор; неконденсируемый газ (пиролизный газ); бак для нефтеподобной жидкости (бионефть); газовая горелка реактора.

Необходимое сырье для переработки обеспечивается из собственного хозяйства фермеров, так как, одна единица крупного рогатого скота весом 200–250 кг обеспечит навозом в сутки в количестве 10÷20 кг. Значит 8 единиц крупного рогатого скота обеспечить в среднем 120 кг в сутки экскремента, а в месяц — 120 х 3 = 3600 кг (3,6 тонна).

Сырье для получения биотоплива имеется во всех регионах нашей республики, и почти в каждом из них может быть налажено производство энергии и топлива из биомассы. Для тех же целей возможна утилизация ботвы овощей, соломы, диких трав и др. В сельском хозяйстве Узбекистана на плодоовощную продукцию отведено свыше 600 тыс. гектар земли. Животноводство Узбекистана является основной сырьевой базой для развития производства биотоплива из органических местных отходов. В фермерских хозяйствах и других хозяйствах всех категорий республики имеются свыше 5806,4 тыс. голов крупного рогатого скота, в том числе 2546,3 тыс. коров, 10634,5 тыс. голов овец и коз, 16743,4 тыс. голов птиц. При переработке 1 тонн растительной биомассы (стебли хлопчатника) получены: 15–20 % древесного угля, 20–30 % пиролизного газа и до 65 % нефтеподобной жидкости. Внедрение предложенной установки позволяет повышению технологичности энергетического использования биомассы и уменьшению затраты тепловой энергии на процесс 15–25 %.

Для переработки биомассы в реакторе способом пиролиза требуется создании температурного режима в пределах

.

Расход тепловой энергии для разложения биомассы (органические отходы) и создания требуемого температурного режима в реакторе определяется по формуле

,     кДж (1)

где, Срб-удельная теплоемкость биомассы, ;

mб — масса биомассы, кг; t1 — началная температура биомассы (до переработки), 0С;

t2 — конечная температура биомассы (температура пиролиза) 0С;

В качестве биомассы в установке использованы отходы хлопчатника (стебли хлопчатника, коробочки, несозревшие сухие плоды и корни). Расход тепловой энергии для переработки отходов хлопчатника, при следующих данных равна:

Ср= 1,4÷1,6 кДж /(кг·к); mб =100 кг; t1 = 200С; t2 = 4500С.

Тепловой баланс установки имеет следующий вид:

, (2)

Q — общий расход тепловой энергии, кДж; Qпер — расход теплоты на переработки, кДж; Qпотер — потери теплевой энергии при переработки биомассы в реакторе, кДж; Qр — количества солнечной энергии, подводимая на переработки, кДж.

Составим уравнение материального баланса:

           (3)

где, Gб — количество загружаемой биомассы, кг; Gду — количество древесного угля, получаемая в процессе переработки, кг; GТТ — количесво твердого топлива, кг; GБН — количество бионефти, получаемая в процессе переработки, кг.

Биореактор имеет размеры d=0,8 м и h=1,0 м. Объем стального биореактора

Насыпная плотность древесных отходов, в т. ч. для отходов хлопчатника составляет около кг/м3. При искусственном уплотнении насыпная плотность растительных отходов (опилок, гуза-паи, камыш, диких полевых трав) может быть повышена на 30–50 %.

При насыпном плотности биомассы (отходы хлопчатника)  и средней влажности 40 % масса загружаемой биомассы в реактор составляет m=100 кг. Экспериментом установлено, что при переработки 100 кг исходного сырья (отходы хлопчатника-биомассы) получены 15–20 кг древесного угля; 20–30 кг пиролизного газа и до 65 кг нефтеподобной жидкости(бионефть).

Таким образом, материальный баланс процесса: 100 кг биомасса = 15 кг древесной уголь + 20 кг биогаз + 65 кг бионефть.

При дневном режиме работы установки температурный режим переработки поддерживается параболацилиндрическим концентратором, установленный после реактора. При использование ПСК затрат энергии на термическую переработку сырья сокращается до 25–30 %. При падающем солнечной радиации qp = 800 Вт/м2 в условиях г. Карши дополнительно можно получить тепловой энергии в ПСК с апертурой 5 м2:

Qp = qp · Fап = 4000 Вт = 4 кВт, [3].

Таким образом, за счет концентрации солнечной энергии можно подвести допольнительно теплоту около 4 кВт · час = 4 · 3600 = 14400 кДж = 14,4 МДж.

Это теплота  составляет 24 % от общего расхода тепловой энергии.

Произведем расчет экономической эффективности применения данной установки для фермерского хозяйства, имеющего в своем хозяйстве 6–8 голов крупного рогатого скота и ресурсы биомассы (стебли хлопчатника, солома, полевые отходы овощных культур и т. п.).

Продолжительность технологического процесса (цикл) переработки биомассы способом пиролиза с учетом загрузки и выгрузки реактора составляет τ = 4 часа. Количество циклов в сутки n = 6 (24/4=6 циклов). Установка перерабатывает в сутки 100х6цикл=600 кг биомассы, а в месяц 600х30=18000 кг=18 т(в год 216 тонн).

При пиролизе 100 кг стебли хлопчатника получено 15–20 кг (15–20 %) древесного угля, 65 кг бионефть и 20 кг или 28,57 м3 пиролизный газ(биогаз). Теплота сгорания биогаза составляет около 18÷20 МДж/кг .

Если учитывать, расход тепловой энергии на переработку 60,2 МДж. Тогда  или 4,2 мз полученный биогаз покрывает расход тепловой энергии на собственную нужду. С учетом неизбежных потерь энергии, например тепловых потерь в окружающую среду расход биогаза на собственную нужду принимаем 5 кг (25 % от полученного биогаза).

Таким образом, при переработке биомассы в сутки получены (с вычетом расход топлива на собственную нужду):

а) древесный уголь: 15 кг · 6 цикл/сут = 90 кг/сут;

б) бионефть: 65 кг · 6 = 390 кг/сут;

За год будут получены:

а) 90 кг/сут · 365 сут = 32850 кг = 32,85 т древесного угля;

б) 390 кг/сут · 365 сут = 142,35 т бионефть;

в) 90 х 365 = 32,85 т биогаз или 32850 кг биогаз, при плотности газа 0,7 кг/м3 .

Стоимость 1 тонн угля — 100 000 сум, тогда 32,85 х 110 000 = 3 285 500 сум;

Стоимость бионефть: 142,35х 0,8х103 х 1000 = 113 880 000 сум;

Стоимость пиролизного газа 46930 · 151 = 7 086 430 сум.

Для определения экономической эффективности пиролизной установки необходимо произвести расчет капитальных затрат на изготовлении и монтаж. Стоимость установки составит 30 000 000 сум.

Эксплуатационные затраты складывается из затрат исходного сырья, заработной платы обслуживающего персонала, расход воды и электрической энергии на собственные нужды. Количество обслуживающего персонала п=3 чел. Всего годовые эксплуатационные затраты составит: Э= 27 844 000 сум.

Годовая экономия энергии т. е. внутренний доход равна: 124 251 430 сум. Чистый доход составит: 96 407 000 сум. Срок окупаемости капитальных вложений:   ;     (4,0 месяц).

Таким образом, использование альтернативного биотоплива из отходов сельского хозяйства позволит создать экологически чистое, безотходное производство, снизить себестоимость продукции, экономически эффективно использовать растительные отходы, экономно расходовать бюджетные средства, выделяемые на закупку топлива, а также развивать малый бизнес и создать допольнительные рабочие места.

Внедрение биоэнергетических установок является энергосберегающей, экономически оправданной технологий для обеспечния топливно-энергетическими ресурсами фермерских хозяйств и частных домов фермеров.

Литература:

1.         Указ Президента Республики Узбекистан «О мерах по дальнейшему разватию альтернативных источников энергии» УП-4512 от 01.03.2013 г.

2.         Раббимов Р. Т., Узаков Г. Н., Яхшибоев Ш. Я., Хужакулов С. М. Способ переработки биомассы с использованием солнечной энергии // Молодой ученый. — Чита, Россия: 2010.- № 8-с. 136–140.

3.         Даффи Дж.А., Бекман У. А. Тепловые процессы с использованрием солнечной энергии. М.: Мир. 1977–420 с.

Обсуждение

Социальные комментарии Cackle