Category Archives: Альтернативные источники энергии и энергосбережение

Гидролиз

Перед ферментацией олигосахариды и полисахариды обычно сле­дует гидролизовать до моносахаридов в отдельном реакторе.

Гидролизуемость материалов (легкость с которой происходит гидролиз) в значительной степени варьирует. Крахмал и пентозаны (гемицеллюлозы) требуют относительно мягких условий. При их гидролизе используют разбавленные кислоты и невысокие темпера­туры; гидролиз целлюлозы происходит при более высоких темпера­турах, с использованием более сильных кислот и реакторов под дав­лением.

Все полисахариды также разлагаются до некоторой степени под действием ферментов. Крахмал гидролизуется относительно легко под действием как кислоты, так и ферментов, в то время как целлю­лоза обычно требует предварительной обработки для высвобождения

связанного лигнина перед тем, как она будет повреждена фермента­тивному гидролизу.

Скорость гидролиза целлюлозы при участии ферментов низкая. Наиболее часто встречающиеся моносахариды в гидролизованой рас­тительной биомассе — это глюкоза, фруктоза и ксилоза.

Практически все природные сахара имеет в своей основе пять (пентоза) или шесть (гексоза) атомных углеродных групп. Технология гидролиза крахмала является хорошо обоснованной. Обычным про­мышленным сырьем являются кукуруза и другие зерновые, а также картофель, переработка которых проходит в одну или две стадии (двойная кислота Кислота/фермент или двойной фермент).

Крахмал растворяется при нагревании в воде, что вызывает «раз­жижение» полисахаридов с расщеплением полимерных цепей кисло­той или альфа амилазой. Гидролиз до моносахаров (сахарификация) осуществляется снова кислотой или амилоглюкозидазой.

Продуктивность ферментативного процесса является низкой по сравнению с химическими методами, и для осуществления максималь­ной сахарификации необходимо не менее трех дней. Хотя в прошлом специфичность реакции была хуже для кислого гидролиза, ферменти­руемые сахара получают теперь в пределах минут, а не часов, и сейчас фактически возможно получение большого выхода моносахаридов.

В настоящее время промышленный гидролиз целлюлозы в странах свободного рынка не осуществляется, так как разработанные ранее тех­нологии, такие, как процессы Сколлера и Мэдисона, по имеющимся дан­ным, являются неэкономичными. В настоящее время в литературе поя­вились описания усовершенствованных процессов кислого гидролиза целлюлозы, а также новейших ферментативных процессов, включающих многофазовые реакции при различных температурах, предварительную обработку целлюлозы и использование новых видов ферментов.

Схемы геотермальных энергоустановок

image406Способы получения энергии на ГеоТЭС Определение.

Геотермальная электростанция (ГеоЭС)— вид электростанций, которые вырабатывают электрическую энергию из тепловой энергии подземных источников.

Существует несколько способов получения энергии на ГеоТЭС:

♦ прямая схема: пар направляется по трубам в турбины, соединей — ные с электрогенераторами;

♦ непрямая схема: аналогична прямой схеме, но перед попаданием в трубы пар очищают от газов, вызывающих разрушение труб;

♦ смешанная схема: аналогична прямой схеме, но после конденса­ции из воды удаляют не растворившиеся в ней газы.

Бензин из пластиковых бутылок

Компания Envion из Вашингтона нашла способ превращать пласти­ковые бутылки в нефть. Разработанный компанией генератор Envion Oil Generator™ способен производить 7000 т нефти из 10 000 т пла­стика в год, сообщает www.1000ideas. ru. Стоимость одной тонны при таком способе производства составляет USD 17. При этом он легок в эксплуатации и установке, имеет высокую производительность и не загрязняет окружающую среду вредными выбросами.

Технология производства нефти основана на экстрагировании угле­водородов из пластика без применения катализатора путем охлажде­ния сырья термическим крекингом в вакууме.

Этот инновационный метод переработки пластика в нефть спосо­бен сразу решить несколько проблем:

♦ во-первых, проблему отходов, которые засоряют окружающую среду;

♦ во-вторых, проблему закупки нефти, цены на которую вновь стали расти.

По данным компании, в Америке идет на повторную переработку только 4% пластиковых бутылок, остальные просто выбрасываются, засоряя природу.

80%

Процесс использует Одна тонна пластика

низкотемпературное приносит от 3 до 6

термическое инфракрасное баррелей нефти, что

раздробление в вакууме. составляет 60000

Газы используются для баррелей в год

генерирования электроэнергии

пластиковых

отходов

пригодно для обработки в генераторе нефти Envion

image456

Поэтому, потенциал коммерциализации этой идеи производства нефти их пластиковых отходов велик, равно как и прибыль, кото­рую компания собирается получать буквально из мусора. Тем более что технология производства позволяет не сортировать пластиковые бутылки и не мыть их перед загрузкой в генератор. Технология произ­водства нефти показана на рис. 7.9.

В современной экономике стало появляться все больше компаний, которые начали применять инновационные технологии переработки вторсырья для производства новых продуктов. Эта тенденция сви­детельствует о том, что мы наблюдаем глобальные изменения в эко­номике, которые способны превратить ее из сырьевой экономики в высокотехнологичную «зеленую» экономику, которая рационально использует природные ресурсы и не загрязняет окружающую среду.

Перспективы использования тепловых насосов

Широкому распространению теплонасосов мешает недостаточная информированность населения. Потенциальных покупателей пугают довольно высокие первоначальные затраты: стоимость насоса и мон­тажа системы составляет $300—1200 на 1 кВт необходимой мощности отопления. Но грамотный расчет убедительно доказывает экономиче­скую целесообразность применения этих установок: капиталовложе­ния окупаются, по ориентировочным подсчетам, за 4—9 лет, а служат теплонасосы по 15—20 лет до капремонта.

Еще более многообещающей является система, комбинирующая в единую систему теплоснабжения геотермальный источник и тепловой насос. При этом геотермальный источник может быть как естествен­ного (выход геотермальных вод), так и искусственного происхожде­ния (скважина с закачкой холодной воды в глубокий слой и выходом на поверхность нагретой воды).

Другим возможным применением теплового насоса может стать его комбинирование с существующими системами централизован­ного теплоснабжения. К потребителю в этом случае может подаваться относительно холодная вода, тепло которой преобразуется тепловым насосом в тепло с потенциалом, достаточным для отопления. Но при этом вследствие меньшей температуры теплоносителя потери на пути к потребителю (пропорциональные разности температуры теплоноси­теля и окружающей среды) могут быть значительно уменьшены. Также будет уменьшен износ труб центрального отопления, поскольку холод­ная вода обладает меньшей коррозионной активностью, чем горячая.

Технология

Опилки (стружка) или щепа засыпаются в бункер, оборудован­ный «ворушителями», которые предотвращают «налипание» сырья, и далее поступают в шнековый транспортер. Он работает в автомати­ческом режиме «подача-пауза» в соответствии с заданной на контрол­лере программой (подробности см. на http://kes. ucoz. ua).

Шнек осуществляет дозированную подачу топлива в газогенера­тор, в котором происходит процесс газификации, т. е. процесс прак­тически полного превращения топлива в горючие газы (остаточная зольность менее 0,5%).

Дальнейшая реакция между углеродом и кислородом воздуха обе­спечивает температуру, достаточную для образования окиси угле­рода — главного горючего компонента вырабатываемого газа. Смолы и масла разлагаются на газы, которые содержат водород, реализуется принцип «чистой трубы».

Факел горящего газа направляется в камеру сгорания котла, в кото­ром происходит нагрев воды. Обрезки и кусковые отходы сжигаются непосредственно в топке котла. Контроллер — программатор обеспе­чивает поддержание и регулировку температуры теплоносителя с точ­ностью ± 1 град. Циркуляция воды в системе обеспечивается насосом.

Волновое устройство

Среди специалистов, занимавшихся энергией морских волн, суще­ствует общая точка зрения: энергия морских волн может быть исполь­зована довольно просто, но, в первую очередь, не в полосе прибоя, как многие думали раньше, а в открытом море, причем мощность устано­вок будет весьма скромная (http://physiclib. ru/).

В качестве примера подобной установки приведем представленное на рис. 5.6 устройство.

Это устройство представляет собой нечто подобное плавающему на воде ящику (платформе), обращенному открытой стороной вниз. Устройство имеет довольно большие линейные размеры для того, чтобы колебания ящика под действием волн были небольшими.

Платформа разделена на открытые снизу секции, заполненные воз­духом, играющие роль цилиндров поршневой воздушной машины. Волны, проходя под платформой, сжимают поочередно находящийся в секциях воздух. Таким образом, вода играет роль поршня.

Следовательно, в секциях поочередно по мере прохождения под ними волн давление будет то больше, то меньше. Когда данная сек­ция находится над гребнем волны, объем находящегося в? ієй воз­духа уменьшается, воздух сжимается, давление его растет. Когда

image368

Направление движения морских волн Рис. 5.6. Волновое устройство

же секция находится над межволновой впадиной, давление воздуха снижается.

Если дать возможность воздуху из секции с большим давлением перетекать в секцию с меньшим давлением, а на пути потока воздуха установить небольшую воздушную турбину, соединенную с элек­трическим генератором, то такое устройство будет преобразовывать энергию волн в электрическую энергию.

Направление протекания воздуха из одной секции в другую будет периодически изменяться. При штиле устройство, очевидно, работать не будет. Поэтому в необходимых случаях на платформе должен быть уста­новлен хорошо защищенный от влаги электрический аккумулятор.

Все сказанное иллюстрируется рис. 5.6. В Японии подобные устройства используются для питания электроэнергией плавающих буев. Пока еще рано говорить об экономической эффективности опи­санного и других подобных устройств (например, с использованием гидравлических турбинок), все это пока первые шаги.

Ферментация

В анаэробных условиях моносахариды могут быть превращены в спирт с помощью различных микроорганизмов. Выход спирта при превращении гексоз с участием дрожжей рода Saccharomyces состав­ляет при благоприятных условиях до 90% от теоретической стехиоме­трии реакции: С6Н1206 = 2С2Н5ОН + 2С02.

Однако здесь может образовываться ряд других продуктов, осо­бенно при высоких значениях pH, как это показано в табл. 7.2.

Продукты ферментации глюкозы Таблица 7.2

Продукт

Ферментировано углерода (глюкозы), %

pH 3,0

pH 7,6

Этанол

57,3

43,3

Двуокись углерода

30,2

24,8

Глицерон

3,10

16,0

2,3-Бута ндиол

0,5

0,5

Молочная кислота

0,4

0,7

Янтарная кислота

0,3

0,5

Уксусная кислота

0,2

5,0

Муравьиная кислота

0,1

0,1

Клетки

Примерно 4

Если реакция доходит до конца, превращение ферментируемых сахаров может быть 100%-ным. Если концентрация спирта достигает ингибиторного уровня (8—10%), превращение может быть неполным. Рост дрожжей становится ограниченным вследствие низкого обеспе­чения энергией в ходе реакции; таким образом, образовавшийся спирт препятствует увеличению калорийности субстрата.

Многие другие организмы, включая другие виды грибов, бактерий и зеленых растений, могут в анаэробных условиях превращать сахара в спирт, причем некоторые организмы осуществляют эти превраще­ния с высокой эффективностью.

Однако выход спирта часто бывает значительно меньше, чем при участии дрожжей. При этом происходит образование большого коли­чества других продуктов, таких как ацетаты, лактаты и глицерол.

Некоторые микроорганизмы, разлагающие целлюлозу, могут соче­тать оба процесса гидролиза и ферментации. Такие реакции проте­кают медленно, и выход спирта является низким.

Продуктивность спиртового брожения является высокой по срав­нению с продуктивностью многих биологических реакций, но низкой по сравнению с продуктивностью реакций, протекающих в среде син­тез газа, используемых для получения больших объемов химических.

Биологические катализаторы (дрожжи) также менее эффективны, чем химические, эти наблюдения важны при сравнении стоимости химических и биологических процессов.

В своей простейшей форме ферментация осуществляется парти­ями в сосудах вместимостью от 200 до 1000 м3. Микробная «закваска» готовится заранее в неполных аэробных условиях с использованием того же субстрата, что и для ферментации.

Реакция ферментации в разбавленном растворе сахара. За послед­ние годы был использован ряд новых типов ферментатаров, включая ферментаторы непрерывного действия и типа клеточной рециркуля­ции. Некоторые из этих ферментаторов используются в промышлен­ности, особенно для производства этилового спирта.

Периодическая ферментация предпочтительна при производстве спиртных напитков, а также в большинстве случаев производства этилового спирта, так как технология периодического производства относительно проста, не требует тщательного контроля, как при непрерывном типе производства.

Паротурбинные геотермальные энергоустановки

В качестве преобразователей тепловой энергии геотермального теплоносителя в техническую работу в настоящее время могут исполь­зоваться паротурбинные и турбокомпрессорные энергоустановки. Каждая энергоустановка имеет как ряд преимуществ, так недостат­ков, которые будут рассмотрены ниже (отмечает Дорош И. А. на www. renewable. com. ua).

При прямой схеме геотермальный теплоноситель в виде пара из Скважины направляется по трубам непосредственно в турбину. После
турбины сконденсировавшаяся вода и не сконденсировавшийся пар идут для теплофикации.

При непрямой схеме производится предварительная очистка пара от агрессивных (сильно коррозирующих) газов.

При смешанной схеме неочищенный природный пар поступает в турбину, а затем из сконденсировавшейся воды удаляются не раство­рившиеся в ней газы.

При добыче геотермального теплоносителя в жидком виде (гидро­термы), паротурбинные установки выполняются:

♦ одноконтурными;

♦ двухконтурными.

В одноконтурных установках, выполняемых по закрытой и откры­той (с противодавлением) схемам, рабочим телом турбины служит пар. Он получается непосредственно из геотермального теплоноси­теля путем его расширения в специальных расширителях — сепара­торах. Они еще называются парогенераторами.

При заданных параметрах геотермального теплоносителя одно­контурные паротурбинные установки позволяют получать рабочее тело — пар более высоких параметров, чем в двухконтурных установ­ках. При этом уменьшаются капитальные затраты и увеличивается удельная мощность — турбины (мощность, отнесенная к единице рас­хода геотермального теплоносителя). Принципиальная схема уста­новки изображена на рис. 6.2.

При работе установки геотермальный теплоноситель, как правило, в виде недогретой воды при температур Т и давлении Р из эксплуа­тационной скважины направляется в грязеотделитель (на схеме не

image408

Рис. 6.2. Принципиальная тепловая схема паротурбинной геотермальной установки с одноступенчатым расширением теплоносителя

отмечен), в котором отделяются и сбрасываются посторонние меха­нические примеси.

Пройдя далее через систему электромагнитной защиты от соле — отложения, геотермальный теплоноситель поступает в дегазатор, который состоит из двух ступеней. В первой ступени поддержива­ется такое давление, при котором из геотермальной воды выделяются только нерастворенные газы, в том числе и углекислый газ, удаляемые из дегазатор через сбросной клапан в атмосферу или для промыш­ленного использования. Так как нерастворенный углекислый газ не оказывает влияния на углекислотное равновесие, то в первой ступени дегазатора выделения солей не наблюдается.

После первой ступени дегазатора геотермальная вод направляется во вторую ступень, где за счет снижения давления из воды выделя­ются растворенный газ и соли кальция. Давление во второй ступени дегазатора поддерживается таким, чтобы из воды выделялась боль­шая часть солей кальция, в частности для Каясулинского месторожде­ния оно принято около 0,71 МПа. Выделяющиеся соли вместе с водой поступают в осветлитель, где за счет специально организованного движения потока они отделяются, оседают на дно и в дальнейшем уда­ляются из цикла системой шламоудаления. Осветленная вода пода­ется в парогенератор, где расширяется в изоэнтальпийном процессе до давления Рр и температуры Тр. В результате этого часть ее превра­щается в пар.

Здесь же, в парогенераторе, производится разделение теплоноси­теля на жидкую и парообразную фазы. Жидкость поступает к насосу и накачивается в нагнетательную скважину, а пар подается в турбину. При этом, чем выше степень сепарации в парогенераторе, тем ближе получаемый пар к сухому насыщенному пару.

В турбине пар расширяется в политропном процессе, преобра­зуя свою потенциальную энергию в техническую работу, которая с помощью электрогенератора преобразуется в. электроэнергию. Полученная после турбины пароводяная смесь поступает в конденса­тор, где конденсируется в изотермическом процессе за счет передачи теплоты охлаждающей воде, которая подается насосом из градирни. Образовавшаяся при этом вода удаляется из конденсатора насосом и подается либо в нагнетательную скважину, либо используется для других целей.

Несмотря на большой прогресс и положительные результаты в решении проблемы солеотложения на поверхностях теплообмен — ного оборудования и трубопроводах геотермального теплоносителя, пока еще нет четких отработанных технологий его использования в одноконтурных паротурбинных энергоустановках. В этой связи пред­почтительны двухконтурные паротурбинные установки, которые лишены этого недостатка. Правда, использование двухконтурных паротурбинных установок снижает параметры пара рабочего тела на входе в турбину, что ведет к снижению удельной мощности и КПД, существенно увеличивая капитальные затраты и расходы на эксплуа­тацию ГеоТЭС.

Переработка автомобильных шин

Идет непрерывное накопление изношенных шин, в основном с металлокордом, а перерабатывается всего лишь около 20% от их числа. Изношенные шины представляют собой самую крупнотоннажную продукцию полимеросодержащих отходов, практически не подвер­женных природному разложению. Поэтому переработка и вторичное использование вышедших из эксплуатации шин имеют важное эконо­мическое и экологическое значение (www. mazut. net).

Шины и пластмассы представляют собой ценное полимерное сырье: в 1 т шин содержится около 700 кг резины, которая может быть повторно использована для производства топлива, резинотехнических изделий и материалов строительного назначения. В то же время, если сжечь 1 тонну изношенных шин, то в атмосферу выделяется 270 кг сажи и 450 кг токсичных газов.

Производство состоит из участков:

♦ склад сырья (изношенные автопокрышки и пластмасс);

♦ участок подготовки сырья (разделка шин на куски);

♦ участок переработки автопокрышек и пластмасс;

♦ склады готовой продукции: склад жидкого топлива, склад тех­нического углерода, участок складирования металлолома (ме — таллокорд).

Исходное сырье собирается и свозится автотранспортом на склад сырья. Далее авторезина осматривается на предмет наличия в ней металлических дисков, колец и направляется на разделку. После раз­делки измельченное сырье подается в приемный бункер реактора.

Сырье в реакторе подвергается разложению при температуре при­мерно 450 °С, в процессе которого получаются полупродукты: газ, жидкотопливная фракция, углеродсодержащий остаток и метал — локорд. Газ частично возвращается в топку реактора для поддержа­ния процесса. Оставшаяся часть газа выбрасывается через трубу (по

внешнему виду и количеству газа на выходе сравнима с выхлопами грузовика).

Углеродсодержащий остаток после гашения и охлаждения подвер­гается магнитной сепарации (или просеивается через сито) с целью отделения проволоки металлокорда.

Через загрузочный бункер (рис. 7.10) в основную колонну загру­жаются нарезанные автошины. Затем поджигаются в нижней части колонны. При этом загрузочный бункер и отсек выгрузки закрыты.

Вся резина прогревается, но не горит (за исключением нижней части, которая тлеет). С помощью дымососа углеводородные фрак­ции, выделяемые при нагреве резины, высасываются дымососом из основной колонны через циклон с сепаратором, колонну 1 и колонну 2. В колоннах 1 и 2 углеводородные фракции охлаждаются и конденсиру­ются, превращаясь в жидкое пиролизное топливо. Те фракции, кото­рые не конденсировались, в качестве газа направляются частично в основную колонну, а частично на выброс. Вода для охлаждения явля­ется оборотной и используется повторно.

Газ для поддержания процесса, около 50%

image458

Ограничения применимости тепловых насосов

При слишком большой разнице между температурой на улице и в доме, тепловой насос теряет эффективность (предел применимости в системах отопления домов за счет откачки тепла от наружного воз­духа — около -15…-20 °С). Для решения этой проблемы применя­ются системы откачки тепла из грунта либо грунтовых вод. Для этого в грунте ниже точки промерзания укладываются трубы, в которых циркулирует теплоноситель, либо (в случае обильных грунтовых вод) через тейлонасосное оборудование прокачиваются грунтовые воды.