Category Archives: Альтернативные источники энергии и энергосбережение

Сухая перегонка, газификация и сжижение

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;

Тяжелое

масло

Метанол

Рис. 7.2. Термическое обогащение биомассы

image433

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.

Установки закрытого цикла

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.

image412Примечание.

Скважина Скважина

эксплутационная нагнетательная

Рис. 6.4. Принципиальная тепловая схема турбокомпрессорной установки закрытого цикла

Подпись: Скважина Скважина эксплутационная нагнетательная Рис. 6.4. Принципиальная тепловая схема турбокомпрессорной установки закрытого цикла

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.

Опасности, связанные с использованием биогаза

Следует упомянуть о двух важных обстоятельствах, связанных с подготовкой и использованием биогаза при самостоятельном его изготовлении. Во-первых, смесь метана с воздухом взрывоопасна, и, во-вторых, что более серьезно, сероводород присутствующий в био­газе, крайне токсичен. В промышленных условиях применяются соот­ветствующие меры безопасности, однако недостаточно осторожное обращение с этим газом может оказаться роковым.

Удаление сброженного осадка

Заключительной проблемой, связанной как с использованием энер­гии, так и с охраной окружающей среды, является удаление осадка из автоклава, объем которого может достигать 50—60% исходного коли­чества твердых частиц. Что касается коммунальных отходов, то этот объем составляет 10—15%.

Н

Примечание.

Там где возможно, эти осадки вносят в почву как удобрения, правда использовать их на тяжелых глинах и заболоченных почвах не реко­мендуется.

Возможно, возникнет необходимость транспортировки сброжен­ных осадков в места отсыпки грунта и к морю. Для сокращения транс­портных расходов используется отстаивание, коагуляция и другие методы обезвоживания.

Содержание меди, цинка и других токсичных металлов в сбро­женном осадке затрудняет его использование в качестве удобрения. Имеется предложения по переработке осадка в корм для животных; технически это осуществимо.

Были проведены некоторые эксперименты по включению осадка в корма, однако сомнительно, чтобы это соответствовало критериям, определяющим требования к к здоровью животных и вкусовым качествам корма. Экстрагирование и очистка белкового компонента осадка, по-видимому, нерентабельны.

Тепловые насосы в вопросах и ответах

По каким причинам следует выбирать тепловой насос? Универ­сальность. Подходит для использования как в промышленном, так и в частном строительстве. Экономичность. Низкое энергопотре­бление достигается за счет высокого коэффициента полезного дей­ствия (КПД). Экологичность. Экологически чистый метод отопле­ния и кондиционирования как для окружающей среды, так и для людей, находящихся в помещении. Безопасность. Нет открытого пла­мени, нет выхлопа, нет сажи, нет запаха солярки, исключена утечка газа, разлив мазута. Нет пожароопасных хранилищ для угля, дров, мазута или солярки. Надежность. Защита от перебоев электроэнер­гии. Практически не требует обслуживания. Срок службы теплового насоса составляет 15—25 лет. Комфорт. Работает практически бес­шумно (не громче холодильника). Гибкость. Совместим с любой цир­куляционной системой отопления, а современный дизайн позволяет устанавливать его в любых помещениях.

Какой принцип действия теплового насоса? Тепловой насос — это устройство, которое температуру окружающей среды (земли, воды, воз­духа) преобразует в высокую температуру, которая используется для отопления и производства горячей воды. Тепло забирается из земли через пластиковый трубопровод.

В трубах циркулирует незамерзающая жидкость, которая передает собранное тепло в испаритель теплового насоса. В испарителе незамер­зающая жидкость отдает свою энергию фреону, который преобразуется в пар и сжимается в компрессоре. Из-за резкого увеличения давления температура паров фреона резко поднимется.

Далее горячие пары попадают в конденсатор, где передают тепло в тепловую систему. Остывшая незамерзающая жидкость по трубам возвращается в грунт, где далее собирает тепло. Энергия используется только для переноса тепла, поэтому этот способ обогрева является одним из самых дешевых. По такому же принципу работает холодиль­ник, только здесь тепло забирает изнутри и передается в окружающую среду через решетки находящиеся на задней стенке холодильника.

Какая жидкость циркулирует в коллекторе? В коллекторе цир­кулирует незамерзающая жидкость. Основой жидкости может быть этанол или гликоль. Основное требование к жидкости — температура замерзания должна быть не выше -16 °С.

Какая труба используется для коллектора? Для коллектора исполь­зуется полиэтиленовая труба, которая не ржавеет, не гниет — поэтому такая система долговечна. Диаметр трубы — 40 мм.

На какую глубину закапывается коллектор? Производитель реко­мендует закапывать коллектор на глубину 2 метра и более. На такой глубине тепла достаточно в течение круглого года, и тепловой насос работает эффективно. Таким образом, обеспечивается нормальная температура работы коллектора необходимая для работы теплового насоса (от -5 °С до + 20 °С).

Что лучше — скважина или горизонтальный коллектор? Боль­шинство тепловых насосов монтируются с горизонтальным коллекто­ром. Из-за высокой цены скважина, как источник тепла, используется там, где недостаточно места для установки горизонтального коллек­тора, а так же если участок у дома уже приведен в порядок.

От чего зависит длина коллектора или глубина скважины? Длинна коллектора или глубина скважины зависит от тепловых особенно­стей дома — теплопотери, внутренней системы отопления, мощности выбранного теплонасоса и особенностей грунта.

Какая площадь участка требуется для укладки коллектора? Обычный горизонтальный коллектор занимает площадь в 2—3 раза больше отапливаемой площади дома.

Растет ли трапа на том месте, где закопан коллектор? Коллектор не влияет на произрастающую над ним растительность. В местах, где планируется посадка деревьев, рекомендуется коллектор закопать поглубже. На месте где закопан коллектор, строительство запрещено.

Можно ли использовать одну и ту же скважину и для теплового насоса и для питьевой воды? Для теплового насоса и для питьевой воды необходимы разные скважины, так как их оборудуют по разным принципам. Тепловой насос охлаждает скважину, и было бы не рацио­нально ту же самую воду дома нагревать.

Сколько места занимает котельная с тепловым насосом? Для уста­новки теплового насоса достаточно небольшого помещения, напри­мер, для наиболее популярного Fighter 1220 с трубами достаточно нескольких квадратных метров. Если выбран тепловой насос с отдель­ным бойлером необходима несколько большая квадратура (примерно 4—6 м2, в зависимости от конфигурации котельной).

Какие требования предъявляются к котельной? Никаких специ­альных требований нет. Нет необходимости в наличии окон, дымо­хода. Поэтому, уже проектируя дом не обязательно предусматривать котельную у наружной стены. Однако не рекомендуется устанавли­вать тепловой насос у стены, за которой находится спальня.

Громко ли работает тепловой насос? Конструкция тепловых насо­сов такова, что компрессор и холодильная часть находятся в отдель­ном корпусе. Это означает, что компрессор теплового насоса помещен в двойном корпусе, что обеспечивает низкий уровень шума.

Какое напряжение необходимо для теплового насоса? Тепловому насосу требуется трехфазный электрический привод, однако некото­рые модели могут использовать напряжение в 220 В.

Что происходит с тепловым насосом при перепаде напряжения? При исчезновении, а затем при появлении напряжения, тепловые насосы включатся, и далее будут работать в том же режиме, как и ранее. Все ранее заданные параметры сохраняются.

Можно ли отапливать одним тепловым насосом несколько отдельных домов? Технически это возможно, но невозможно будет обсчитать использованное отдельными домами тепло, т. к. затраты на тепло зависят не только от площади отапливаемого помещения, но и от термических характеристик дома — отопительной системы, под­держиваемой в комнатах температуры, использования горячей воды.

Какую максимальную температуру в отопительной системе может обеспечить тепловой насос? Максимальная температура в отопитель­ной системе достигаемая с помощью компрессора 55—70 °С, в зависи­мости от модели теплового насоса.

Какую отопительную систему лучше выбрать для дома, используя тепловой насос? Так как эффективность теплового насоса зависит от температуры, подаваемой в отопительную систему и от температуры, получаемой из грунта, лучше выбирать низкотемпературную ото­пительную систему. Наиболее эффективно тепловой насос работает, если в доме установлена напольная система отопления.

Готовят ли тепловые насосы горячую воду? Тепловые насосы отапливают помещения и готовят горячую воду. При помощи ком­прессора температура горячей воды может повышаться до 65 °С, при помощи электрического ТЭНа до 80 °С.

Требуется ли техническое обслуживание и сколько оно стоит? Никакого специального обслуживания тепловой насос не требует, поэтому никаких дополнительных расходов с ним не связано.

Сколько времени будет служить тепловой насос? Срок службы теплового насоса рассчитан на продолжительную работу — без про­блем он должен прослужить не менее 20 лет.

Можно ли тепловыми насосами подогревать воду в бассейне? Тепловые насосы содержат такую функцию, а также функцию кон­троля процесса обогрева.

Можно ли управлять тепловыми насосами на расстоянии?

Смонтировав дополнительное устройство, тепловыми насосами можно управлять через Интернет и GSM. Это особенно актуально, если тепловой насос смонтирован в усадьбе и более высокая темпера­тура нужна изредка.

Для чего нужен электрический ТЭН в тепловом насосе? Электри­ческий ТЭН в тепловом насосе может быть использован как источник энергии, когда вся система смонтирована, кроме коллектора, — тогда тепловой насос работал бы как электрический котел. При помощи электрического тэна мойсно так же повысить температуру горячей воды до 80 °С (при помощи компрессора — 65 °С).

Так же можно увеличить количество горячей воды или дезинфици­ровать бойлер, чтобы избежать развития болезнетворных бактерий. Повышение температуры горячей воды может осуществляться перио­дически, установив временной интервал и необходимую температуру в тепловом насосе, или в случае необходимости одноразового произ­водства большего количества горячей воды.

Электрический ТЭН может быть использован и как вспомогатель­ный инструмент обогрева, в том случае, если изменяется потребность в тепле — например, при увеличении отапливаемой площади поме­щения.

В этом случае нет необходимости в реконструкции системы отопле­ния, дополнительное количество тепла можно получить при помощи электроэнергии Максимальная мощность электрического тэна уста­навливается 3,6 или 9 кВт, в зависимости от мощности электропро­водки и потребности потребителя. Установленная мощность включа­ется постепенно, в зависимости от потребности, 3 уровнями — напри­мер, если установлено 6 кВт то будет включаться 2+2+2 кВт.

Может быть лучше выбрать более мощный тепловой насос? Тепловой насос нужно подбирать в зависимости от отапливаемой площади помещения. Более мощный насос будет работать не эффек­тивно, кроме того, установка более мощного насоса повлечет допол­нительные финансовые затраты.

Можно ли самому смонтировать тепловой насос? Да.

Какими недостатками обладает отопительная система с тепловым насосом? Отопительная система с тепловым насосом одна из самых передовых. Влияние на выбор оказывает условно высокая начальная инвестиция, однако это один из самых дешевых способов отопления и сроки окупаемости системы достаточно короткие.

SHAPE * MERGEFORMAT

image425

Как построить биореактор

Биогазовая установка может быть создана в любом хозяйстве из мест­ных, доступных материалов силами специалистов самого хозяйства.

Ферментация навоза идет в анаэробных (бескислородных) усло­виях при температуре 30—55 °С (оптимально 40 °С). Длительность ферментации, обеспечивающая обеззараживание навоза, не менее 12 суток. Для анаэробной ферментации можно использовать как обыч­ный, так и жидкий, бесподстилочный навоз, который легко подается в биореактор насосом.

При ферментации в навозе полностью сохраняются азот и фосфор. Масса навоза практически не изменяется, если не считать испаряе­мой воды, которая переходит в биогаз. Органическое вещество навоза разлагается на 30—40 %; деструкции подвергаются в основном легко разлагаемые соединения — жир, протеин, углеводы, а основные гуму­сообразующие компоненты — целлюлоза и лигнин — сохраняются полностью.

Благодаря выделению метана и углекислого газа оптимизируется соотношение C/N. Доля аммиачного азота увеличивается. Реакция получаемого органического удобрения — щелочная (pH 7,2—7,8), что делает такое удобрение особенно ценным для кислых почв. По срав­нению с удобрением, получаемым из навоза обычным способом, уро­жайность увеличивается на 10—15 %.

Получаемый биогаз плотностью 1,2 кг/м3 (0,93 плотности воздуха) имеет следующий состав (%): метан — 65, углекислый газ — 34, сопут­ствующие газы — до 1 (в том числе сероводород — до 0,1). Содержание метана может меняться в зависимости от состава субстрата и техно­логии в пределах 55—75 %. Содержание воды в биогазе при 40 °С — 50 г/м3; при охлаждении биогаза она конденсируется, и необходимо принять меры к удалению конденсата (осушка газа, прокладка труб с нужным уклоном и пр.).

Энергоемкость получаемого газа — 23 мДж/м3, или 5500 ккал/м3. Оборудование представлено на рис. 7.11.

Основное оборудование биогазовой установки — герметически закрытая емкость с теплообменником (теплоноситель — вода, нагретая до 50—60 °С), устройства для ввода и вывода навоза и для отвода газа.

image460Примечание.

image462

Так как на каждой ферме свои особенности удаления навоза, исполь­зования подстилочного материала, теплоснабжения, создать один типовой биореактор невозможно. Конструкция установки во мно­гом определяется Местными условиями, наличием материалов.

Для небольшой установки наиболее простое решение — исполь­зовать высвободившиеся топливные цистерны. Схема биореактора на базе стандартной топливной цистерны объемом 50 м3 показана на рис. 7.11. Внутренние перегородки могут быть из металла или кир­пича; их основная функция — направлять поток навоза и удлинить путь его внутри реактора, образуя систему сообщающихся сосудов. На схеме перегородки показаны условно; их число и размещение зави­сят от свойств навоза — от текучести, количества подстилки.

Биореактор из железобетона требует меньше металла, но более тру­доемок в изготовлении. Чтобы определить объем биореактора, нужно исходить из количества навоза, которое зависит как от численности и массы животных, так и от способа его удаления: при смыве бесподсти — лочного навоза общее количество стоков увеличивается во много раз, что нежелательно, так как требует увеличения затрат энергии на подогрев.

image464Примечание.

Если суточное количество стоков известно, нужный объем реак­тора можно определить, умножив это количество на 12 (поскольку 12 суток— минимальный срок выдержки навоза) и увеличив полу­ченную величину на 10% (так как реактор следует заполнять суб­стратом на 90 %).

Ориентировочная суточная производительность биореактора при загрузке навоза с содержанием сухого вещества 4—8 % — два объема газа на объем реактора: биореактор объемом 50 м3 будет давать в сутки 100 м3 биогаза.

Как правило, переработка бесподстилочного навоза от 10 голо. в крупного рогатого скота позволяет получить в сутки около 20 м3 био­газа, от 10 свиней — 1—3 м3, от 10 овец — 1 — 1,2 м3, от 10 кроликов — 0,4—0,6 м3.

Тонна соломы дает 300 м3 биогаза, тонна коммунально-бытовых отходов — 130 м3).

image466Примечание.

Потребность в газе односемейного дома, включая отопление и горячее водоснабжение, составляет в среднем 10 м3 в сутки, но может сильно колебаться в зависимости от качества теплоизо­ляции дома.

Использование перепада температур океан-атмосфера

Особенность работы таких станций — так называемый «треуголь­ный» цикл: нагрев и испарение рабочего тела в результате политроп — ного процесса, адиабатное расширение через турбину, изотермическое сжатие при подаче в испаритель с одновременным отводом избыточ­ного тепла в холодильнике.

КПД такого цикла ниже термического КПД цикла Карно примерно в 2 раза. С точностью до 1 % он определяется выражением

ц = (ТОЇ—Т02)/2Т01,

где ТОЇ — температура теплой подледной воды (275 К); Т02 — темпе­ратура охлаждающего воздуха (до 233 К).

Удельная мощность, получаемая сім2 площади океана, при раз­ности температур воды и воздуха, равной 10 °С, составляет примерно 18 кВт/м2 при разности 20 °С — 60 кВт/м2, а при разности 30 °С — 125 кВт/м2.

В этих оценках величина скорости движения воды принята равной 0,02 м/с — характерная скорость для прибрежных районов Северного Ледовитого океана. Таким образом, при отсутствии ограничений по глу­бине океана в зоне размещения полярной ОТЭС и мощности в 1 МВт она будет возмущать тепловой режим на площади всего около 20 м2.

На рис. 5.12 приведена разработанная А. К. Ильиным и В. В. Тикменовым схема АОТЭС с обдуваемыми воздухом теплооб­менниками. В ней использован дополнительный контур с промежу-

-30вС

2,6вС; 0,29 МПа

Испаритель

основного

контура

2°С

Патрубок /’ЇЧ

сброса vJy

отработанной

Турбина с электрогенератором

-Q

0°С; 0,14 МПа

Насос для подачи

рабочего тела

Конденсатор 24,5°С Ґ6*4!

0°С

■в-

Насос для подачи

-22°С

■в-

Насос для Теплообменник контура

морской воды подачи охлаждения промежуточного

Дводы ДВодозаборник хладагента рабочего тела

Рис. 5.12. Схема арктической ОТЭС на перепаде вода-воздух

image383
Подпись: -30вС

точным теплоносителем, позволяющий существенно снизить потери энергии на собственные нужды станции.

Схема напоминает обычные тепловые станции с градирнями для охлаждения отработавшей воды. Но данные градирни действуют в условиях, когда температура наружного воздуха много ниже нуля, а охлаждаемая жидкость имеет температуру всего на несколько граду­сов выше.

Н

Примечание.

Поэтому в охлаждающем контуре такой станции необходимо использовать рассол с низкой температурой замерзания.

В качестве промежуточного теплоносителя применяется водный раствор хлористого кальция с концентрацией не менее 26 кг на 100 кг воды, который достаточно широко используется в холодильной тех­нике. Рабочим телом в основном контуре станции служит фреон-12, пары которого приводят в движение турбину с электрогенератором.

Промежуточный теплоноситель охлаждается путем разбрызгива­ния через форсунки оросительного охладителя. Причем важно обе­спечить определенное распыление, чтобы, с одной стороны, капли теплоносителя не выносились потоком холодного воздуха, а с дру­гой — успевали охладиться во время падения.

Для того чтобы капля диаметром 1 мм охладилась на 2 °С при дви­жении в воздухе со средней разностью температур 30 °С ей необхо­димо пролететь в свободном падении чуть более 3 м. Распыляя таким образом раствор хлористого кальция, можно добиться удельного съема энергии более 230 Вт/(м2К).

Такие значения коэффициентов теплоотдачи, конечно, уступают получаемым в настоящее время в конструкциях водо-водяных тепло­обменников традиционных ОТЭС (до 5 кВт/(м2К)), но превышают примерно в 5 раз характерные величины для простейших воздушных теплообменников станций без промежуточного теплоносителя.

Это позволяет снизить металлоемкость конденсаторов и примерно на 20 % увеличить выработку полезной энергии.

Сухая перегонка

Летучие соединения 14% Вода 12%

Уголь 6% С026%

Рис, 7,3, Пиролиз целлюлозы

Подпись:

Дёготь 61%

Подпись: Дёготь 61% image437Нагрев биомассы приводит к удалению влаги (ярко выраженный эндотермический процесс). При температуре выше 100 °С биомасса начинает разлагаться, а между 250 и 600 °С основными продуктами являются уголь и маслянистая кислая смесь дегтя и различных коли­честв метанола, уксусной кислоты, ацетона и следы других органи­ческих веществ. До развития нефтехимической промышленно­сти источником этих соединений была перегонка древесины.

На рис. 7.3 показан в качестве примера пиролиз целлюлозы. При температуре свыше 600 °С жидкие продукты пиролиза могут быть газифицированы, а свыше 800°С газифицируется также и уголь в результате эндотермической реак­ции углеродсодержащих молекул с водой с образованием синтез газа, смеси оксида углерода и водорода.

Какие химические реакции протекают в процессе тепловой обработки биомассы, точно определить трудно вследствие очень сложной хими­ческой природы биомассы. Правда, основными компонентами многих типов растительного материала являются целлюлоза и крахмал, и нам известны некоторые реакции сухой перегонки этих продуктов и их тер­модинамика. Сначала происходит карбонизация или обугливание.

Реакция является, в некоторой степени, экзотермической, т. е. такой же, как и получение пиролитического масла. В качестве средней молекулярной формулы пиролитического масла принимается фор­мула СбН80 (энтальпия=2,1 ГДж/т).

Образование синтез газа является в высшей степени эндотермиче­ской реакцией. При быстром нагревании целлюлозы, как при «мгно­венном» пиролизе, может образоваться некоторое количество олефи­нов в ходе другой эндотермической реакции.

Несмотря на некоторые утверждения относительно автотерма ль — ного характера (или близкого к автотермальному) процесса сухой перегонки биомассы, термическое обогащение биомассы обычно тре­бует затрат теплоты, составляющих до 10% теплоты сжигания сухой биомассы (примерно до 2 ГДж/т). Эта доля может быть значительно выше, например, при производстве угля, где происходит потеря лету­чих продуктов.

Установки открытого цикла

Турбокомпрессорная геотермальная установка закрытого цикла, рассмотренная выше, позволяющая значительно снизить потери теплоты за счет недоохлаждения воды в парогенераторе. Однако она обладает рядом крупных недостатков, которые препятствуют ее реа­лизации. Эти недостатки, связанные со сложностью конструкции и низкими значениями полезной удельной работы, устраняются в тур­бокомпрессорных геотермальных установках открытого цикла.

В качестве холодного источника в этих установках используется окружающая атмосфера, поэтому они не требуют конденсатора и гра­дирни с обслуживающими их агрегатами. Кроме того, турбокомпрес­сорные установки открытого цикла не нуждаются в специальных регу­лирующих устройствах, поддерживающих заданную массу несконден — сировавщегося газа в цикле. Это необходимо для установок закрытого цикла. А их тепловая схема позволяет в полной мере использовать газ, содержащийся в геотермальном теплоносителе, что существенно повышает эффективность использования геотермальной энергии.

Безусловно, реализация турбокомпрессорной установки открытого цикла связана с основной сложностью непосредственного использова­ния минерализованных геотермальных вод в цикле, заключающейся в трудности удаления солеотложений.

Однако последние научные исследования, выполненные в этом направлении, показывают, что процесс генерации пара в турбоком­прессорных установках за счет соответствующего повышения давления

за компрессором можно производить без нарушения углекислотного равно­весия геотермального теплоносителя.

Рис. 6.5. Принципиальная тепловая схема турбокомпрессорной геотермальной установки открытого цикла

Подпись:Это позволяет избежать выпадения солей кальция и магния, создающих основную минерализацию воды.

Принципиальная тепловая схема турбокомпрессорной геотермальной установки открытого цикла изобра­жена на рис. 6.5.

Воздух непосредственно из атмос­феры (холодного источника) заби­рается компрессором, сжимается и поступает в парогенератор, куда с другой стороны из эксплуатационной скважины подается геотермальная вода. При контакте газообразной и жидкой фаз, по описанной выше схеме, происходит насыщение воз­духа паром за счет охлаждения воды. Одновременно при этом паро­воздушная смесь разбавляется газом, выделяющимся из геотермаль­ной воды вследствие понижения ее давления.

Охлажденная в парогенераторе вода забирается насосом и направля­ется в скважину. Полученная паровоздушная смесь направляется в тур­бину, где, расширяясь, выполняет техническую работу и далее направля­ется в окружающую атмосферу, отдавая теплоту холодному источнику.

Процессы сжатия потока в компрессоре, генерации пара и расшире­ния в турбине идентичны с процессами турбокомпрессорной установки закрытого цикла и совершаются в агрегатах установки. А вот процесс передачи теплоты холодному источнику (окружающей среде) соверша­ется за пределами установки. Это исключает необходимость в конденса­торе и обслуживающих его элементах (градирне и насосах охлаждающей воды), не требуя холодного источника с жидким рабочим телом.

image418Примечание.

Существенные отличия рассматриваемых установок— в возмож­ностях использования потенциальной энергии газа, содержащегося в геотермальной воде и выделяющегося при расширении в пароге­нераторе или в специально предназначенном для этой цели дегаза­торе.

В установках закрытого цикла этот газ должен удаляться из цикла, как уже упоминалось выше, для поддержания в нем постоянного рас­хода несконденсировавшегося рабочего тела. Поэтому, расширяясь в турбине, он совершает полезную работу. Но затем при отсосе из кон­денсатора и сжатии его до атмосферного давления для возможности удаления в окружающую среду, требует затрат полезной работы, т. е. компенсации.

Использование же потенциальной энергии газа, выделяющегося из геотермальной воды, в турбокомпрессорных геотермальных уста­новках открытого цикла не требует компенсации и является «чистой» добавкой работе, совершаемой паром.

Из рассмотренного следует, что турбокомпрессорная геотермаль­ная^ установка открытого цикла аналогично установке закрытого цикла позволяет значительно глубже использовать теплоту геотер­мальной воды по сравнению с паротурбинной установкой.

Одновременно она обладает намного меньшей сложностью и металлоемкостью, а использование в качестве холодного источника атмосферы обещает, ей хорошую перспективу как тепловому двига­телю, т. е. преобразователю геотермальной энергии воды в механиче­скую работу.

Места отсыпки грунта

Основная масса городских отходов в развитых странах удаляется путем их транспортировки в места отсыпки грунта, где находятся свалки мусора. Эти свалки представляют собой гигантский биореак­тор, загруженный сырьем при фактически нулевой стоимости. Метан, медленно образующийся в биомассе, должен быть собран и использо­ван аналогично тому, как это имеет место в обычных реакторах.

Экономика этого процесса будет рассмотрена позднее; по имею­щимся данным, она значительно более благоприятна, чем при исполь­зовании реакторов интенсивного типа.

ИСПОЛЬЗУЕМ ЭНЕРГИЮ БИОМАССЫ

Что такое «биомасса»

Биомасса — это органические вещества, сохранившие в себе энер­гию Солнца, благодаря процессу фотосинтеза.

Источниками топлива из биомассы являются наземная и водная растительность, отходы сельскохозяйственного и лесозаготовитель­ного производства, муниципальные отходы и отходы животновод­ства. Она образуется в ходе работы пищевой цепочки. В первоначаль­ном виде существует в форме растений, затем передается травоядным животным, а если их съедят — то и плотоядным. Человек тоже ест растения и животных.

Биомасса характеризуется способностью к возобновлению, низ­кой ценой, небольшим объемом выбросов, исключением повышения содержания С02 в атмосфере, неэкономичностью транспортировки на большие расстояния и сильной тенденцией образования нагара и шлака при сжигании.

При сгорании биомассы (древесины, высушенной растительности) освобождается накопленная энергия и углекислый газ.

image427Примечание.

На сегодняшний день эта отрасль занимает второе место после гидроэнергии из списка альтернативных источников из-за своей дешевизны и доступности. Она составляет 15% от мировой поставки энергии и до 35%— в развивающихся странах (http:// energyforever. ru).

В принципе, биомасса — это любой материал органического проис­хождения, не только растения и животные, но и экскременты животных или остатки растений, такие как солома. Бумага и целлюлоза, отходы
бойни, органические отходы, растительное масло и этанол — все это биомасса и может быть использовано для производства энергии.

Используются разные методы для превращения этих материалов в жидкий, твердый или газообразный источник энергии. Часто суще­ствует несколько путей превращения биомассы в энергию. Она, напри­мер, может быть сожжена в энергетической установке для получения тепла, переброжена в анаэробном реакторе, чтобы потом получить газ и затем электричество и тепло или может быть преобразована в син­тетический газ или топлива путем термохимической газификации.