Один микробиологический способ обезвреживания навоза, да и любых других органических остатков, известен давно — это ком­постирование. Отходы складывают в кучи, где они под действием микроорганизмов-аэробов понемногу разлагаются.

При этом куча разогревается примерно до 60 °С и происходит есте­ственная пастеризация — погибает большинство патогенных микро­бов и яиц гельминтов, а семена сорняков теряют всхожесть (пишут к. т. н. А. А. Упит, А. В. Дарклиныш на http://www. patlah. ru)

Но качество удобрения при этом страдает: пропадает до 40 % содержащегося в нем азота и немало фосфора. Пропадает и энер­гия, потому что впустую рассеивается тепло, выделяющееся из недр кучи, — а в навозе, между прочим, заключена почти половина всей энергии, поступающей на ферму с кормами. Отходы же от свиноферм для компостирования просто не годятся: слишком они жидкие.

Но возможен и другой путь переработки органического веще­ства — сбраживание без доступа воздуха, или анаэробная фермента­ция. Именно такой процесс происходит в природном биологическом реакторе, заключенном в брюхе каждой буренки, пасущейся на лугу.

Там, в коровьем преджелудке, обитает целое сообщество микробов. Одни расщепляют клетчатку и другие сложные органические соеди­нения, богатые энергией, и вырабатывают из них низкомолекулярные вещества, которые легко усваивает коровий организм. Эти соедине­ния служат субстратом для других микробов, которые превращают их в газы — углекислоту и метан. Одна корова производит в сутки до 500 литров метана; из общей продукции метана на Земле почти четверть — 100—200 млн. тонн в год! — имеет такое «животное» про­исхождение.

Метанообразующие бактерии — во многом весьма замечательные создания. У них необычный состав клеточных стенок, совершенно своеобразный обмен веществ, свои, уникальные ферменты и кофер — менты, не встречающиеся у других живых существ. И биография у них особая — их считают продуктом особой ветви эволюции.

Примерно такое сообщество микроорганизмов и приспособили латвийские микробиологи для решения задачи — переработки отхо­дов свиноферм. По сравнению с аэробным разложением при компо­стировании анаэробы работают медленнее, но зато гораздо экономнее, без лишних энергетических потерь. Конечный продукт их деятель­ности — биогаз, в котором 60—70 % метана,— есть не что иное, как концентрат энергии: каждый кубометр его, сгорая, выделяет столько же тепла, сколько килограмм каменного угля, и в два с лишним раза больше, чем килограмм дров.

Во всех прочих отношениях анаэробная ферментация ничуть не хуже компостирования. А самое важное — что таким способом прекрасно перерабатывается жидкий навоз со свинофермы: пройдя через биореак­тор, эта зловонная жижа превращается в прекрасное удобрение.

Методика использования тепловой энергии океана

За счет вертикальной разности температур тропического океана, вовлекая в процесс преобразования 5% энергии от солнечного излуче­ния на площади 4х1013м2 можно стабильно обеспечить генерирующие мощности на 10 000 ГВт (рис. 5.8).

К сожалению, то, что ни в коем случае нельзя допускать, реализо­вано во всех экспериментальных установках.

Примечание.

Ни в коем случае нельзя поднимать холодную воду к поверхности океана. Подъем воды создает трудно решаемые проблемы, которые сводят на нет все затраченные усилия, что практически и наблю­дается.

Первая проблема — большие энергетические затраты для работы насосов, поднимающих воду. Вторая проблема —выделение раство-

ренных газов из глубинных слоев при снятии давления. Третья проб­лема — обрастание теплообменных узлов, постоянно находящихся в теплой воде. Четвертая проблема — необходимость иметь техни­ческие и энергетические стартовые мощности для запуска станции (www. watervigorous. com).

После установки рабочего тела в районе работы, оно в теплооб­менных узлах автоматически приобретает необходимую температуру. Проблемы обрастания решаются периодическим изменением глубины и температуры работы теплообменных узлов, т. е. теплообменные узлы меняют местами, а периодическая смена условий существования не дает развиваться морским организмам.

В результате решения этих проблем появляется возможность соз­дания электростанций, береговых кондиционеров с дополнительной выработкой пресной воды, скоростных мобильных объектов и т. д.

В этой системе с помощью теплых поверхностных вод, подаваемых на теплообменник — испаритель, рабочее тело (аммиак, пропан и др.), превращается в пар, в результате чего создается повышенное давле­ние. Проходя через турбину и выделив на ней механическую энергию, пар конденсируется на поверхности второго теплообменника, омы­ваемого холодной водой глубинных слоев.

На рис. 5.9 показан термодинамический цикл такой тепловой машины в координатах абсолютная температура-энтропия. Полезная работа, совершаемая паром в турбине, определяется ветвью 1-2, на участке 2-3 происходит конденсация, затем насосом рабочее тело подается в испаритель 3-4, где нагревается (ветвь 4-5) и испаряется (ветвь 5-1).

Таким образом, подвод рабочего тела к системе тепла осущест­вляется на ветви 3-4-5, а отвод — на ветви 2-3. Дополнительную работу приходится затрачивать на закачку конденсата в испаритель (3-4) и на перекачивание воды сквозь нагреватель и холодильник. Максимальный теоретический КПД такой системы определяется раз­ностью температур воды, перекачиваемой через нагреватель и холо­дильник, как КПД эквивалентного цикла Карно.

Для перепадов температур между поверхностными и глубинными слоями воды в пределах от 15 до 26 °С он, соответственно, изменяется в диапазоне от 5 до 9 %. Реальный КПД, как правило, существенно ниже.

Это связано с конструктивными ограничениями, не позволяющими в реальной установке довести температуру паров и конденсата до тем­пературы теплых и холодных вод, соответственно (на рис. 5.9 это под­черкнуто с помощью разностей температур).

Можно подсчитать, что при теоретическом КПД, равном 7,3 %, на турбине получаем величину примерно в 2 раза меньшую — 3,6%.

Рис. 5.10. Тепловая океанская станция

Причем она не учитывает потери на собственные нужды станции, которые сведут КПД до величины, порядка 2,5%.

Принимая во внимание, что теплообменные узлы являются опреде­ляющими по массе, габаритам и стоимости, можно, допустив неко­торый резерв, предположить что, водоизмещение станции составит порядка 75 000 т/ГВт.

На рис. 5.10 приведена экспериментальная станция. Основным и наиболее дорогим материалом для строительства станций является титан, ежегодный расход которого при крупномасштабном строи­тельстве может составить порядка 1 миллиона тонн, что может быть легко достигнуто мировой промышленностью.

Газогенератор использует простой, хорошо проверенный способ преобразования твердого топлива в газообразное. На стадии гази­фикации топливо и кислород воздуха, подаваемого в ограниченном количестве в камеру газообразования, нагреваются раскаленным реак­тором и вступают между собой в реакцию. В результате нее топливо разлагается на углерод, водяной пар, смолы и масла. Дальнейшая реак­ция между кислородом и углеродом обеспечивает температуру, доста­точную для образования окиси углерода (СО) — главного горючего компонента вырабатываемого газа.

Смолы и масла разлагаются на газы, содержащие водород и неко­торое количество метана. Минимальная теплотворная способность газа— 1100 ккал/м3. Газогенераторы позволяют при совместной работе с серийно выпускаемыми водогрейными или паровыми кот­лами, воздушными теплообменниками осуществлять теплоснабжение зданий и сооружений различного назначения, получать горячую воду, пар или горячий воздух для обеспечения технологических процессов (запарка кормов, стерилизация, сушка древесины, зерна и др.).

В качестве топлива для газогенераторов может применяться дре­весная щепа, кусковой торф (объем кусков от 1см3 до 200 см3), смесь кускового торфа с опилками или стружками в соотношении примерно 1:1 по объему. Топливом могут быть и только опилки и стружка. Хорошим топливом для газогенераторов являются отходы гидролиз­ной переработки древесины — лигнин, сформованный в топливный брикет (кусок).

Важной особенностью газогенераторов является их «всеядность». В них может использоваться топливо практически любой «сорт­ности». Так, газогенераторы работают на измельченной древесине любых пород и любого качества (с корой, хвоей, подгнившая и т. п.). Существенную роль играет только влажность. Возможно применение топлива влажностью до 45—50%.

Для наиболее эффективной работы и обеспечения максимального срока службы агрегата рекомендуется применять топливо с влажно­стью не выше 35%.

Газогенератор — агрегат модульной конструкции, легко приспоса­бливаемый к работе с различными водонагревательными и воздухо­нагревательными устройствами.

Газогенератор состоит из трех основных узлов: камеры газообразо­вания, трубы горения и бункера для топлива.

Как сказано выше, что для получения максимальной работы, а, сле­довательно, и максимальной эффективности паротурбинной геотер­мальной установки необходимо расширение геотермальной воды до вполне определенной температуры.

Введение многоступенчатого расширения геотермального тепло­носителя, не позволяет добиться существенного сокращения потерь с уходящей из парогенератора водой. Не дает возможность снизить эти потери в должной мере и применение в цикле паротурбинной уста­новки в качестве рабочего тела низкокипящего вещества.

Таким образом, в геотермальной энергоустановке с паротурбин­ным преобразователем энергии на генерацию рабочего тела (пара) отводится меньшая часть тепловой энергии геотермального теплоно­сителя, причем эта часть тем меньше, чем ниже температура геотер­мального теплоносителя.

Учитывая, что большинство самоизливающихся источников имеет температуру теплоносителя около 373 К, а проекты скважин рассчи­таны на температуру около 423—473 К (например, температура воды на выходе из скважины ПЦС Каясулинского месторождения составляет 110 К), потери теплоты со сбрасываемой водой требуют существенного сокращения (отмечает Дорош И. А. на www. renewable. com. ua).

Один из способов уменьшения этих потерь описан ниже. Согласно этому способу, пар из насыщенной воды генерируется не в «чисто» паровой среде, а в газовом (воздушном) потоке. Если предварительно нагретую жидкость подать в диспергированном виде в газовый нена­сыщенный поток высокого давления, как показано на рис. 6.3, то по закону равновесного состояния парогазожидкостных смесей, капли жидкости под действием движущихся сил теплового и массового обмена начнут охлаждаться, стремясь к температуре термодинамиче­ского равновесия, которой является температура мокрого термометра. Выделяющаяся при этом теплота расходуется на парообразование.

При генерации пара в газовом потоке, вода охлаждается темпе­ратуры термодинамического равновесия, которая значительно ниже температуры насыщения при том же давлении среды. Это позволяет существенно повысить температурный перепад воды, срабатываемый в парогенераторе, и соответственно увеличить количество генерируе­мого пара, что способствует более высокой эффективности турбоком­прессорных геотермальных установок по сравнению с паротурбин­ными.

Результат деятельности микроорганизмов

Некоторые органические молекулы биомассы могут подвергаться анаэробному разложению в результате деятельности микроорганиз­мов. Основные продукты распада — диоксид углерода, метан и боль­шое число микробных клеток. В природе этот процесс протекает в гнилостной среде.

С прошлого века его использовали для обработки больших коли­честв шлама (осадка сточных вод). Главное преимущество этого метода — сокращение числа и обезвоживания твердых частиц вто­ричного отстоя очистительных установок.

Только крупные канализационно-очистные сооружения исполь­зуют выделившийся метан как источник энергии. Небольшие очист­ные сооружения, имеющие реакторы, могут сжигать газ или исполь­зовать его для подогрева самих реакторов.

За последние годы была предложена технология удаления навоза на крупных предприятиях интенсивного животноводства; удаление стоков с предприятий, занимающихся переработкой биологических продуктов, например переработкой продуктов питания; превращения биомассы в энергию.

Эта технология — одна из наиболее простых, среди технологий получения топлива из биомассы. В результате эта технология осо­бенно пропагандировалась для использования в странах третьего мира, где устанавливается большое число реакторов.

Мировая практика использования парокомпрессионных геотер­мальных тепловых насосов насчитывает уже около 50 лет. Главными драйверами мирового рынка стали удорожание цен на традиционные энергоносители и государственное стимулирование их потребления. Объем мирового рынка парокомпрессионных геотермальных тепло­вых насосов, который на протяжении последних 10 лет ежегодно уве­личивался на 10—30%, к 2011 году достиг 300 тыс. шт. Основную часть мирового рынка составляют ПТН типа «грунт-вода/воздух».

Аккумулированное грунтом тепло передается с помощью теплоно­сителя (рассола), через вертикально расположенные теплообменники (грунтовые зонды рис. 6.8) и подается в испаритель теплообменника теплового насоса.

В испарителе хладагент теплового насоса, нагреваясь от рассола до температуры 6—8 °С, закипает и испаряется, забирая тепло от рас­сола. Охлажденный рассол, закачиваемый насосом, поступает в грун­
товый зонд, где нагревается, забирая тепло от грунта. Образовавшийся пар из испарителя поступает в компрессор, где происходит процесс сжатия пара. Пар переходит в жидкое состояние, выделяя большое количество тепла. Температура жидкости в компрессоре подымается до 35—70 °С. Эта температура в теплооб­меннике конденсатора передается рабо­чей жидкости отопительного контура.

Проходя через сбросной клапан, сбрасы­вающий давление, хлодоген мгновенно охлаждается и снова попадает в испари­тель, замыкая цикл. Рабочая жидкость, нагретая в теплообменнике испарителя, поступает в тепловой акку­мулятор (буферная емкость), необходимый для накопления тепло­вой энергии и стабилизации работы теплового насоса (уменьшается частота включений). Далее нагретая рабочая жидкость используется в отопительных контурах. Для приготовления санитарной воды кон­тура горячего водоснабжения используется высокоэффективный бой­лер косвенного нагрева.

Опытная установка, производящая биогаз, вот уже четыре года работает на одной из свиноферм совхоза «Огре». Рядом стоит еще один реактор, импортный, пущенный в прошлом году. В общем, как считают в совхозе, можно было обойтись и без импорта: зачем тра­тить валюту на то, что вполне можно делать своими силами?

Оба реактора, объемом по 75 кубометров каждый, перерабатывают все отходы с фермы на 2500 свиней, давая совхозу остро необходи­мое всякому хозяйству высококачественное удобрение и по 300—500 кубометров газа в сутки.

Не газом окупает, а экологическим благополучием: иначе пришлось бы строить и навозохранилища, и очистные сооружения, тратить большие деньги и очень много энергии. Кроме того, совхоз получает хорошее удобрение: в нем нет, как в свежем навозе, семян сорняков, способных прорасти, а значит, меньше надо расходовать гербицидов. Опять-таки, экологическая выгода.

Биогаз же — как бесплатное приложение: приятно, но не обяза­тельно.

Именно поэтому не так просто подсчитать экономическую эффек­тивность подобных разработок. Обычно считают как раз по биогазу: затраты такие-то, газа получено столько-то, соотйетствующее количе­ство солярки стоит столько-то. Получается в общем тоже выгодно, но сроки окупаемости не рекордные…

Тут есть еще одна тонкость. Бактерии метанового брожения в отличие от аэробов при компостировании сами тепла не выделяют, а работают они только в тепле. Для одних, термофильных, нужно поддерживать температуру около 55 °С, для других, мезо-фильных — около 37 °С. Вопрос о том, какой вариант лучше, еще не решен, и даже в Институте микробиологии существуют разные мнения. Академик М. Е. Бекер считает, что термофильный процесс эффективнее, а лабо­ратория биотехнических систем, которой руководит кандидат техни­ческих наук А. А. Упит, стоит за мезофильный. Но так или иначе, в нашем климате реактор большую часть года приходится подогревать. И если в жаркой Индии и Китае, где биогазовые установки насчиты­вают миллионами, такой проблемы не возникает, то в совхозе «Огре» на это уходит в среднем около половины биогаза, Полученного за год.

Это, естественно, ухудшает показатели экономической эффектив­ности, если считать только по сэкономленному топливу. Но даже в таких условиях остающегося биогаза хватает, чтобы обеспечить треть энергетических потребностей фермы: тут и отопление, и горячая вода.

Конечно, картина получилась бы совершенно иная, если бы к энер­гетическому эффекту прибавить еще эффект экологический, переведя его в рубли. Но как это сделать, пока еще, кажется, не знает никто.

Во всяком случае, можно сказать одно: работников совхоза «Огре» результаты первого опыта вполне устраивают, и они намерены расши­рять дело. В этом году начнется строительство биогазовой установки для большого совхозного свинокомплекса. Уже не на 2500, а на 20000 голов. Ожидается, что эта установка, даже если считать только по газу, окупится за 5—6 лет. И гигантские навозохранилища, о которых гово­рилось в начале раздела, строить не придется.

Сам термин «преобразование тепловой энергии океана» (ОТЕС) — «ocean termal energy conversion» — означает преобразование некото­рой части этой тепловой энергии в работу и далее в электроэнергию.

Схема установки, работающей по открытому циклу Клода, показана на рис. 5.11. В качестве рабочего тела здесь использована морская вода, подаваемая в испаритель через деаэратор, освобождающий воду от рас­творенных в ней газов (http://renewables. ru/pdf_doc/lecturel4.pdf).

Предварительно из полостей испарителя и конденсатора удаля­ется воздух, так что давление над поверхностью жидкости определя-

ется только давлением насыщенных паров, которое сильно зависит от температуры. При характерных для ОТЭС температурах этот перепад составляет примерно 1,6 кПа (при замкнутом цикле на аммиаке около 500 кПа), под действием этого перепада пары воды приводят в движение турбину, попадают в конденсатор, где и превращаются в жидкость.

Основное отличие цикла как раз и состоит в малости перепада дав­лений, что требует использования соответствующих гигантских тур­бин диаметром в несколько десятков метров. Это, пожалуй, основной технический недостаток систем открытого цикла. Основное же их достоинство — отсутствие гигантских нетехнологичных теплообмен­ников. Кроме того, при работе систем открытого цикла могут быть получены большие количества пресной воды, что немаловажно в жар­ком поясе планеты.

Термическое повышение качества биомассы

Основной целью всех процессов повышения качества биомассы является превращение ее в стабильное транспортабельное топливо, способное заменить ископаемые виды топлива без использования спе­циального оборудования для погрузочно-разгрузочных работ. Путем сочетания нагрева и частичного сжигания биологических материалов можно получить твердые, жидкие и газообразные соединения, обла­дающие, по крайней мере, некоторыми свойствами угля, нефти и при­родного газа.

В Интернете описано много процессов, широко использовав­шихся в прошлом; производство газа для использования его в каче­стве топлива путем сухой перегонки и газификации угля и биомассы было начато почти 200 лет назад. Различные термические процессы повышения качества биомассы, предлагаемые в настоящее время и использовавшиеся в прошлом, имеет много общих черт. Схематически используемые процессы представлены на рис. 7.2.

При нагревании биомассы происходит распад углеродсодержащих молекул с образованием ряда газообразных, жидких и твердых про­дуктов. Специфические продукты реакции определяются:

♦ температурой реакции;

♦ тепловой мощностью;

♦ степенью измельчения;

♦ типом биомассы;

♦

присутствием неорганических примесей и катализатора.

Тепло, необходимое для осуществления этих изменений, носящих эндотермический характер, подводится или из внешнего источника, или путем введения воздуха или кислорода в реактор и сжигания части биологического материала.

Термины «сухая перегонка», «газификация» и «сжижение» не имеют точного значения в литературе. Газификация и сжижение био­массы происходят как в присутствии, так и в отсутствие окислитель­ных (02, воздух) и восстановительных (СО, Н2) газов, обычно связан­ных с этими процессами.

В настоящем исследовании сухая перегонка рассматривается отдельно как анаэробный процесс. Превращение биомассы в газы при сжигании на месте рассматривается как газификация. Понятие «сжи­жение» охватывает восстановление биомассы до масел под действием восстановительных газов, полученных также из биомассы.

Принципиальная схема турбокомпрессорной установки закрытого цикла изображена на рис. 6.4.

При работе установки парогазовый поток с высоким паросодержанием поступает в конденсатор, куда с другой стороны насосом из градирни подается охлаждающая вода. При их контакте вследствие конденсации парогазовый поток осушивается, и с малым паросодержанием направ­ляется в компрессор. Там он сжимается в политропном процессе за счет подведенной от турбины работы. При этом паросодержание потока оста­ется постоянным, но его относительная влажность уменьшается.

После компрессора сжатый газ при давлении Р2 и температуре Т2 поступает в нижнюю часть парогенератора. А в верхнюю часть паро­генератора во встречном направлении газовому потоку насосом в дис­пергированном виде подается цикловая вода, предварительно подогре­тая в теплообменнике геотермальным теплоносителем, подаваемым из эксплуатационной скважины. После теплообменника геотермальный теплоноситель насосом направляется в нагнетательную скважину.

Примечание.

В отличие от одноконтурных паротурбинных геотермальных установок в рассматриваемой турбокомпрессорной установке нет необходимости в процессе дегазации геотермального тепло­носителя для уменьшения содержания несконденсировавшихся газов в конденсаторе и стабилизации рассола.

Здесь, подобно двухконтурным установкам, процесс передачи теплоты от геотермального теплоносителя в теплообменнике может осуществляться без понижения его давления. Это исключает наруше­ние углекислого равновесии, а, следовательно, и выпадение солей.

Для повышения КПД установки на выходе из теплообменника можно установить дегазатор. В этом случай выделившийся газ направ­ляется в парогенератор и служит источником дополнительного рабо­чего тела цикла, на которое не затрачивается работа сжатия.

Одновременно он вместе с цикловым газом создает газовую среду для испарения жидкости. Правда, в этом случае часть циклового газа необходимо постоянно выбрасывать атмосферу для поддержания материального баланса, причем цикловой газ по составу должен быть идентичным газу, содержащемуся в геотермальной воде.