Нетрадиционные источники энергии: биоэнергетика
Покупка
Основная коллекция
Издательство:
НИЦ ИНФРА-М
Год издания: 2023
Кол-во страниц: 129
Дополнительно
Вид издания:
Учебное пособие
Уровень образования:
ВО - Бакалавриат
ISBN: 978-5-16-018790-7
ISBN-онлайн: 978-5-16-111688-3
Артикул: 434900.07.01
К покупке доступен более свежий выпуск
Перейти
Учебное пособие состоит из введения и пяти разделов, посвященных основным технологиям получения энергии из биомассы. В пособии рассмотрены вопросы, включенные Федеральным государственным образовательным стандартом высшего образования последнего поколения в учебные программы основных общепрофессиональных и специальных дисциплин для подготовки специалистов, а также приведены развернутые примеры инженерных расчетов технологического оборудования.
Учебное пособие предназначено для студентов дневной и заочной форм обучения по направлению 13.03.01 «Теплоэнергетика и теплотехника».
Тематика:
ББК:
УДК:
- 620: Испытания материалов. Товароведение. Силовые станции. Общая энергетика
- 621: Общее машиностроение. Ядерная техника. Электротехника. Технология машиностроения в целом
ОКСО:
- ВО - Бакалавриат
- 13.03.01: Теплоэнергетика и теплотехника
- 13.03.02: Электроэнергетика и электротехника
- 13.03.03: Энергетическое машиностроение
- ВО - Специалитет
- 13.05.01: Тепло- и электрообеспечение специальных технических систем и объектов
- 13.05.02: Специальные электромеханические системы
ГРНТИ:
Скопировать запись
Нетрадиционные источники энергии: биоэнергетика, 2024, 434900.08.01
Нетрадиционные источники энергии: биоэнергетика, 2021, 434900.06.01
Нетрадиционные источники энергии: биоэнергетика, 2020, 434900.05.01
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов.
Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в
ридер.
НЕТРАДИЦИОННЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ БИОЭНЕРГЕТИКА С.Н. КУЗЬМИН В.И. ЛЯШКОВ Ю.С. КУЗЬМИНА Москва ИНФРА-М 202УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ Допущено УМО по образованию в области электро- и теплоэнергетики в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению подготовки 13.03.01 «Теплоэнергетика и теплотехника»
УДК 621.311.26(075.8) ББК 31я73 К89 Кузьмин С.Н. Нетрадиционные источники энергии: биоэнергетика : учебное пособие / С.Н. Кузьмин, В.И. Ляшков, Ю.С. Кузьмина. — Москва : ИНФРА-М, 2023. — 129 с. — (Высшее образование). —17709. ISBN 978-5-16-018790-7 (print) ISBN 978-5-16-111688-3 (online) Учебное пособие состоит из введения и пяти разделов, посвященных основным технологиям получения энергии из биомассы. В пособии рассмотрены вопросы, включенные Федеральным государственным образовательным стандартом высшего образования последнего поколения в учебные программы основных общепрофессиональных и специальных дисциплин для подготовки специалистов, а также приведены развернутые примеры инженерных расчетов технологического оборудования. Учебное пособие предназначено для студентов дневной и заочной форм обучения по направлению 13.03.01 «Теплоэнергетика и теплотехника». УДК 621.311.26(075.8) ББК 31я73 К89 ФЗ № 436-ФЗ Издание не подлежит маркировке в соответствии с п. 1 ч. 4 ст. 11 Подписано в печать 12.05.2023. Формат 6090/16. Бумага офсетная. Гарнитура Newton. Печать цифровая. Усл. печ. л. 8,06. ППТ12. Заказ № 00000 ТК 434900-2059568-080216 Отпечатано в типографии ООО «Научно-издательский центр ИНФРА-М» 127214, Москва, ул. Полярная, д. 31В, стр. 1 Тел.: (495) 280-15-96, 280-33-86. Факс: (495) 280-36-29 © Кузьмин С.Н., Ляшков В.И., Кузьмина Ю.С., 2016 Р е ц е н з е н т ы: В.Я. Губарев, канд. техн. наук, профессор, заведующий кафедрой «Промышленная теплоэнергетика» Липецкого государственного тех- нического университета; В.М. Зайченко, д-р техн. наук, старш. науч. сотрудник, заведующий отделом распределенных энергетических систем Объединенного ин- ститута высоких температур Российской академии наук А в т о р ы: С.Н. Кузьмин, канд. техн. наук, доцент кафедры «Энергообеспечение предприятий и теплотехника» Тамбовского государственного техниче- ского университета; В.И. Ляшков, канд. техн. наук, профессор кафедры «Энергоэффек- тивные системы» Тамбовского государственного технического универ- ситета; Ю.С. Кузьмина, аспирантка ISBN 978-5-16-018790-7 (print) ISBN 978-5-16-111688-3 (online)
Введение Энергетика является одной из ключевых отраслей экономики любой страны. Именно энергетика обеспечивает энерговооружен- ность, а следовательно, и высокую производительность труда, со- здавая предпосылки для экономической мощи страны и благосо- стояния ее населения. Уровень производства энергии во многом определяется запасами энергоресурсов, которые подразделяются на традиционные невозобновляемые, истощающиеся по мере их потре- бления, и возобновляемые, полностью восстанавливающиеся через некоторый период времени после их использования. В последние годы в обществе все чаще заговаривают о необходи- мости существенной модернизации в области промышленного про- изводства, сельского хозяйства, образования и науки, политической организации общества, государственного регулирования рыночных отношений и др. Модернизация и развитие промышленности должны основываться на применении новых методов организации производства, внедрении новейших энерго- и ресурсосберегающих технологий и современного оборудования, отличающегося широким применением приемов энергосбережения, в частности регенерации и утилизации тепла, трансформации различных видов энергии друг в друга в одном энергетическом агрегате и т.д. Это позволит обеспе- чить выпуск конкурентоспособной на мировом рынке отечественной продукции. К сожалению, поспешно осуществленное реформирование энер- гетики не принесло обещанных результатов (на это неоднократно указывал действующий Президент страны), что вызывает неуверен- ность в выполнении планов развития топливно-энергетического комплекса, зафиксированных в Энергетической стратегии России на период до 2020 г., принятой в 2003 г. В этом правительственном документе установлено, что для преодоления проблем, тормо- зящих развитие производства, ежегодный темп роста потребления (а значит и производства) энергии должен составлять почти 5%. Однако за истекшие годы такие темпы роста не были достигнуты. В новом документе – «Энергетической стратегии России на период до 2030 года», принятой в 2009 г., невыполнение намеченных ранее рубежей объясняется влиянием мирового экономического кризиса, а все намечаемые горизонты прописаны общими направлениями с минимальными цифровыми прогнозами. В настоящее время уровень производства энергии в России чуть выше уровня 1990 г. и не может обеспечивать все возрастающие потребности страны. Сегодня практически в каждом четвертом
субъекте Российской Федерации ощущается дефицит энергии, об- условленный практической выработкой ресурсов генерирующих установок, предельным износом электрических и теплофикаци- онных сетей и неурегулированными экономическими отношениями между субъектами вновь созданной инфраструктуры, предназна- ченной для энергообеспечения потребителей. Несколько сгладить проблему дефицита энергии позволяет уни- кальная единая энергосистема России, позволяющая передавать энергию на огромные расстояния, практически через всю страну. Однако такая передача увеличивает цену каждого переданного ки- ловатт-часа энергии. Кроме того, переброска энергии часто невоз- можна, потому что лишь треть территории страны (густонаселенная часть) обеспечивается централизованным энергоснабжением, а две трети получают энергию из автономных источников. Таким образом, энергообеспечение отдаленных районов страны остается сложной и дорогой для государства задачей, в решении которой огромную роль играет наличие местных топлив и энергетических установок для его эффективного сжигания. Поскольку запасы добываемых природных энергоресурсов по- степенно истощаются и, понимая свою ответственность перед буду- щими поколениями соотечественников, в упомянутой энергетической стратегии вслед за Европейскими и другими странами намечается заметное расширение использования возобновляемых источников энергии. Важнейшими и самыми перспективными среди них явля- ются солнечная энергетика и биоэнергетика с учетом огромного ко- личества биомасс, не вовлеченных в сельскохозяйственное исполь- зование и пригодных для выращивания. К биоэнергетике относится все, что связано с получением энергии в промышленных масштабах из различного возобновляемого сырья биологического происхождения. Как бы подчеркивая значимость возобновляемых источников энергии, в Федеральном государственном образовательном стан- дарте 3-го поколения (ФГОС-3) заложена рекомендация разрабатывать учебники и учебные пособия по дисциплине «Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии». Будущие технические специалисты, умом и руками которых должны быть решены задачи модернизации в области энергетики и энергомашиностроительного производства, должны знать и уметь использовать в своей практической деятельности современные достижения науки и практики, направления и тенденции развития нашей отрасли. Это позволяет уменьшить продолжительность, стоимость выполняемых работ и обеспечить высокий качественный уровень принимаемых решений. В соответствии с ФГОС-3 бакалавр по направлению подготовки 140100.62 «Теплоэнергетика и теплотехника» в стенах своей Альма-
матер должен получить набор компетенций, позволяющих успешно решать практические задачи в соответствии со всеми видами его будущей профессиональной деятельности. Тщательно изучив учебный материал, приведеный в настоящем пособии, студенты должны: знать: • основные нетрадиционные источники энергии, их энергетический потенциал, принципы и методы практического использования; • термодинамические процессы и циклы преобразования энергии, протекающие в теплотехнических установках; • основы устройства паровых и водогрейных котлов, работающих на биотопливе; • основы устройства и фунционирования установок для предвари- тельной обработи биомассы перед сжиганием; • основы устройства и работы газификационных и биогазовых уста- новок; уметь: • проводить термодинамический анализ циклов тепловых машин в целях оптимизации их рабочих характеристик и максимизации КПД; • составлять и анализировать тепловые балансы теплоэнергетиче- ских установок и отдельных его агрегатов; • читать чертежи и схемы, выполнять технические изображения в соответствии с требованиями стандартов ЕСКД; владеть: • проблематикой применения нетрадиционных и возобновляемых источников энергии на основе систематического изучения отече- ственного и зарубежного опыта; • инженерными методиками расчетов водогрейных котлов, газоге- нераторов и биогазовых установок. Отдавая на суд читателя свой скромный труд, авторы надеются, что их работа хотя бы в какой-то мере поможет ему понять и освоить основные подходы и особенности конструирования, расчетов и эк- сплуатации различных технологических процессов и специального оборудования для биоэнергетики.
Глава 1 БиоэнерГетика 1.1. оБщие сВедения Биоэнергетическая отрасль занимается вопросами преобразо- вания биомассы в тепло, механическую или электрическую энергию. К биомассе относятся все органические вещества растительного и животного происхождения, рассматриваемые как постоянно воз- обновляемый источник энергии (ВИЭ). Первичная биомасса — растения, животные, микроорганизмы и т.д. Вторичная биомасса — отходы переработки первичной биомассы и продукты жизнедеятельности животных и человека. К энергетической биомассе (рис. 1.1), используемой в промыш- ленных масштабах, относятся [1]: • торф; • древесина и ее отходы; • специальные энергетические растения для непосредственного сжигания (реже) или выработки энергоносителей после допол- нительной переработки; • отходы сельскохозяйственного и других производств; • отходы жизнедеятельности человека и животных, в том числе и твердые бытовые отходы. Биоэнергетика — это фундаментальное и прикладное направ- ление, возникшее и развивающееся на границах соприкосновения современных биотехнологий, химической технологии и энергетики, изучающее и разрабатывающее пути биологической конверсии сол- нечной энергии в топливо и биомассу, биологическую и термохими- ческую трансформацию последней в топливо и тепловую или элек- трическую энергию. 1.2. Биомасса и ее потенциал Биомасса — органическое вещество, генерируемое растениями в результате фотосинтеза. При попадании солнечного света на листья растений содержащийся в них хлорофилл активизируется и вступает в реакцию с углекислым газом воздуха. В результате реакции в атмос- феру выделяется кислород, и возникают простейшие углеводороды, которые идут на построение сложных органических соединений (жиров, белков и углеводов), составляющих вещество биомассы. Ежегодно на Земле за счет фотосинтеза образуется 150 млрд т ор- ганических веществ. При этом усваивается 300 млрд т углекислого
рис. 1.1. Энергетическое биосырье Энергетическое биосырье Природное Сельскохозяйственные отходы Промышленные отходы Бытовые отходы Энергетические плантации Торф Лес Растениеводство Животноводство и птицеводство Бытовой мусор Канализационные стоки Солома Ботва Шелуха Навоз Помет Энергетическая древесина Древесные отходы Древесные Травяные Морские Деревообработка Отходы целюлозно- бумажных комбинатов Упаковка Макулатура
газа и выделяется 200 млрд т свободного кислорода. При окислении биомассы образуется тепловая энергия, эквивалентная энергии, полученной в процессе фотосинтеза. Хотя коэффициент полезного действия (КПД) фотосинтеза не превышает 1%, энергосодержание биомассы примерно в 10 раз больше сегодняшней потребности в энергии всех жителей Земли. Распределение биомассы неравномерно и не совпадает с техно- логическими потребностями человечества. Небольшая часть всей биомассы после переработки (или без нее) служит пищей для людей и животных, источником для изготовления товарных ценностей или получения тепловой энергии. Древесные отходы составляют 62,0 млн т условного топлива (у.т.) или 85,2% всего объема энерге- тической биомассы. Особую группу составляет бытовой мусор (10% или 7,3 млн т у.т.), во многом состоящий из органических веществ, а также отходы сельскохозяйственного производства (4,8% или 3,5 млн т у.т.). Последние ежегодно обновляются и являются малои- спользуемым ресурсом. Под землей биомасса очень медленно (миллионы лет) трансфор- мируется в каменный уголь по цепочке: древесина и травянистые растения → торф (при малом количестве биомассы — чернозем) → бурый уголь → молодой каменный уголь → каменный уголь старый (тощий с малым содержанием летучих веществ) → антрацит. Останки микро- и макроскопических животных постепенно би- тумизируются и превращаются в жидкие углеводороды. Выделяемый в процессе трансформации биомассы природный газ скапливается в осадочном слое земной поверхности, а также частично выходит наружу в атмосферу. Процесс консервации и трансформации биомассы начинается на поверхности в присутствии кислорода, и часть ее окисляется в дву- окись углерода как за счет прямого контакта с воздухом, так и в ре- зультате жизнедеятельности аэробных микроорганизмов. Затем из-за выпадения пыли и нанесения грунта процесс трансформации био- массы идет сначала при недостатке, затем при отсутствии кислорода, когда за работу берутся анаэробные бактерии. В соответствии со «сроком жизни» топливо органического про- исхождения классифицируется следующим образом. Древесина и травянистые растения относятся к ВИЭ. Торф считается условно возобновляемым ископаемым (период накопления — несколько тысяч лет). Все другие горючие ископаемые, включая каменные угли, сланцы, нефть и природный газ, являются невозобновляе- мыми источниками энергии (НВИЭ). Скорости их накопления (де- сятки тысяч и миллионов лет) и современного потребления (сотни лет) несоизмеримы. Оставшийся для всеобщего потребления от- носительно доступный ресурс нефти и газа составляет по разным
оценкам от 40 до 100 лет. Ресурс каменного угля оценивается при- мерно в 1000 лет. Распределение потенциала биомассы России, представленное на рис. 1.2 [2], говорит о перспективе его применения в ближайшие годы, что подтверждается Энергетической стратегией развития Российской Федерации до 2020 г., в соответствии с которой к наме- ченному сроку доля ВИЭ достигнет 4,7%. Для сравнения: в странах Европейского союза к тому времени эта доля в среднем должна составлять 20%. Солома (5,6) Энергетические плантации (5,1) Стебли кукурузы (2,4) Стебли и лузга подсолнуха (2,3) Жидкие топлива из биомассы (2,2) Древесное топливо (2,0) Твердые бытовые отходы (ТБО) в качестве топлива (1,9) Биогаз из навоза (1,6) Торф (0,6) Биогаз очистных сооружений (0,2) Биогаз (0,3) рис. 1.2. Распределение потенциала биомассы по составляющим в Российской Федерации на 2010 г., млн т у.т./год Производство энергии путем окисления кислородом воздуха видов топлива, содержащего углерод, ведет во всех случаях к нарушению установившегося баланса веществ в экосфере Земли. Это нарушение происходит вследствие накопления углекислого газа, который растения не успевают полностью поглощать из-за небольшого их количества на Земле. Таким образом, Киотский протокол поощряет как уменьшение выбросов углекислого газа (достигается преимущественно повышением КПД энергоустановок и снижением энергозатратности потребления), так и увеличение его поглощения, в том числе за счет зеленых насаждений. Следует отметить, что нарушение экологического баланса возникает при сжигании не только НВИЭ, но и биомассы, поскольку при этом не происходит ее кон- сервация вместе с углеродосодержащими веществами по указанной выше цепочке. Но выделившийся при сжигании биомассы угле- кислый газ за определенный период будет поглощен растениями,
и баланс восстановится. В результате в среднем в экосфере поддер- живается некоторый постоянный уровень содержания углекислого газа. Именно поэтому в соответствии с Киотским протоколом био- массу считают экологически нейтральным топливом с соответству- ющими экономическими льготами при ее применении в энергетике. В нашей стране с ее богатыми запасами нефти, газа и других ископаемых топлив к использованию биомассы в качестве энерге- тического сырья долгое время относились с предубеждением, по- скольку в экономическом плане биоэнергетические технологии за- метно проигрывали традиционным. Только в начале XXI в. с ростом цен на нефтепродукты и ужесточением требований к охране окру- жающей среды начали интересоваться производством биотоплива, осваивая переработку древесных отходов в топливные гранулы и брикеты, пользующиеся хорошим спросом в Западной Европе. Этот сектор биоэнергетики сегодня стал лидером по части объемов инвестиций и уровню практического интереса предпринимателей. В частности, в 2014 г. в России было произведено 1,3 млн т биог- ранул — пеллет (в основном древесных). В настоящее время можно говорить о ряде реализуемых проектов биоэнергетики, ориентированных на снижение издержек и полу- чение прибыли. Зреет надежда, что в ближайшем будущем таких проектов будет все больше. 1.3. энерГетическая перераБотка Биомассы На сегодняшний день биоэнергетика занимает ведущее место среди других ВИЭ (более 80%) и по сравнению с использованием НВИЭ имеет следующие преимущества: • практическая неисчерпаемость сезонно накапливающих энергию источников благодаря их ежегодному самовосстановлению; • принципиальная возможность (при необходимости) наращивания производства биотоплива вплоть до полного удовлетворения че- ловеческих потребностей; • меньшее нарушение природного баланса земной экосистемы; • принципиальная возможность достижения относительно низкой цены вырабатываемой энергии преимущественно за счет реали- зации локального энергопроизводства. Из биомассы могут быть получены три вида топлива: твердое, жидкое и газообразное. Биомассы в том виде, в котором они встречаются в природе, в основном малопригодны для использования в качестве топлива, поэтому, как правило, необходима их дополнительная переработка. Основные виды такой переработки: – механическая обработка; – термохимическая конверсия;
К покупке доступен более свежий выпуск
Перейти