10493

91

при их освоении приходится решать вопросы предотвращения коррозии оборудования ГеоТЭС и загрязнения окружающей среды (удаление конденсата из-за высокой степени его засоленности);

3)месторождения геотермальной воды (содержат горячую воду или пар и воду): представляют собой, так называемые, геотермальные резервуары, которые образуются в результате наполнения подземных полостей водой атмосферных осадков, нагреваемой близко лежащей магмой;

4)сухие горячие скальные породы, разогретые магмой (на глубине 2 км и более): их запасы энергии наиболее велики;

5)магма, представляющая собой расплавленные горные породы, нагретые до

1300 ° С.

Геотермальная энергия может быть использована двумя основными способами

— для выработки электроэнергии и для обогрева домов, учреждений и промышленных предприятии.

Кода вода вырывается из-под земли в виде "сухого пара" (без взвешенных частиц воды), он может быть непосредственно использован для вращения турбины и выработки электроэнергии, а отработанный пар в виде конденсата можно возвращать в землю (рис. 5.57).

Рис. 5.57. Геотермальная паровая электростанция

92

В местах, где имеется смесь воды с паром (влажный пар), пар дополнительно осушают в испарителе (во избежание повреждения турбин каплями воды) и затем используют для вращения турбин (рис. 5.58).

Рис. 5.58. Гидротермальная электростанция

Рис. 5.59. Геотермальная электростанция с бинарным циклом

93

Вбольшинстве месторождений есть только горячая вода, и энергию здесь можно вырабатывать, пользуясь этой водой для перевода изобутана в парообразное состояние, с тем, чтобы этот изобутановый «пар» вращал турбины. Такой процесс называют системой с бинарным циклом (рис. 5.59).

Врайонах, отличающихся газотермальной активностью для отопления используются парогеотермальные источники. Применение этого способа отопления лимитируется наличием в мире соответствующих районов. Тем не менее, имеется потенциальная возможность его расширения путем прокачивания геотермальных вод через горячие подземные породы, где они находятся на умеренной глубине.

Применение геотермальных вод не может рассматриваться как экологически чистое потому, что пар часто сопровождается газообразными выбросами, включая сероводород и радон - оба считаются опасными. На геотермальных станциях пар, вращающий турбину, должен быть конденсирован, что требует источника охлаждающей воды, точно так же как этого требуют электростанции на угле или ядерном топливе. В результате сброса как охлаждающей, так и конденсационной горячей воды возможно тепловое загрязнение среды. Кроме того, там, где смесь воды и пара извлекается из земли для электростанций, работающих на влажном паре,

итам, где горячая вода извлекается для станций с бинарным циклом, воду необходимо удалять. Эта вода может быть необычно соленой (до 20% соли), и тогда потребуется перекачка ее в океан или нагнетание в землю. Сброс такой воды в реки или озера мог бы уничтожить в них пресноводные формы жизни. В геотермальных водах нередко содержатся также значительные количества сероводорода — обладающего резким неприятным запахом газа, опасного в больших концентрациях.

Несмотря на то, что Россия не является лидером в области применения геотермальной энергетики в мире, у нас также имеется опыт работы с этим источником энергии, например, на Мутновской ГеоАС, расположенной в юговосточной части полуострова Камчатка.

ЭНЕРГИЯ БИОТОПЛИВА

Под биомассой или биоматерией понимают совокупную массу растительных

94

или животных организмов, которые присутствуют в исторически связанном сообществе, тесно связанных между собой обменом веществ и энергии живой и неживой природы, называемой биогеоценозом.

Биомасса может служить источником энергии путем её непосредственного сжигания. Хорошим примером могут послужить топливные пеллеты – цилиндрические гранулы, получаемые из торфа, древесных отходов (некачественная древесина, кора, опилки и т.д.) и отходов сельскохозяйственного производства (отходы кукурузы, лузга подсолнечника и т.д.) (рис. 5.60), которые сжигаются в специальных гранульных котлах, либо в печах для индивидуального отопления.

Рис. 5.60. Топливные пеллеты.

Если биомассу и продукты, получаемые из биомассы, обозначить как биотопливо, то можно выделить три большие группы:

∙твердое биотопливо (к этой группе относятся описанные ранее топливные пеллеты, а также дрова, щепа, брикеты и т.д.);

∙жидкое биотопливо (этанол, метанол, биодизель);

∙газообразное биотопливо (водород, биогаз, синтез-газ - смесь монооксида

углерода и водорода).

Биодизель - это многокомпонентное жидкое топливо, состоящее из метиловых

95

или этиловых эфиров высших ненасыщенных и жирных кислот, получаемых в результате химической реакции, в основном путем этерификации (реакции образования сложных эфиров при взаимодействии кислот и спиртов) растительных масел (рапсового, соевого, пальмового, подсолнечного, льняного и др.), а также путем реакции (переэтерификации) обмена структурных элементов животных и кормовых жиров (рис. 5.61).

Рис. 5.61. Цветы и семена рапса.

В качестве примера получения биодизеля рассмотрим технологический процесс, проходящий на оборудовании мини-завода для производства дизельного биотоплива МЗДП-1 (рис. 5.62): семена (рапса, сои или подсолнечника) автоматически, с помощью шнекового транспортера, подаются на отжимной пресс 7, из которого масло поступает в отстойник-очиститель 9, где освобождается от шлама (фуза), который насосом возвращается для дополнительного отжимания в пресс.

Предварительно очищенное масло из отстойника 9 для полной очистки от фосфатов подается в фильтр-пресс 6, а потом в сборник чистого масла 8, в котором очищается абсорбентом "Фосфолисорб" и подогревается до заданной температуры. Подогретое и предварительно очищенное масло насосом подается в реактор 1. Туда же перекачивается из емкости 2 раствор катализатора в метаноле. При постоянном кавитационном смешивании и подогревании реагентов с помощью водонагревателя 11 и водяного контура, в реакторе проходит реакция переэтерификации масла,

96

благодаря чему образуются дизельное биотопливо РМЕ (эстеры), которые по характеристикам близки к нефтяному дизельному топливу.

Рис. 5.62. Получение биодизеля из рапса на примере мини-завода МЗДП-1: 1 - реактор; 2 - вместимость для смеси метанола и КОН; 3 - аппарат ректификационный; 4 - адсорбер; 5 - вакуумнасос; 6 - фильтр-пресс; 7 - отжимной пресс; 8 - емкость для накопления масла; 9 - отстойник; 10 - шкаф управления; 11 - водонагреватель; 12 - вместимость для воды; 13-сепаратор

Вреакторе из топлива удаляется глицерол (сырой глицерин), остатки каталитического раствора и, с помощью кислого или нейтрального мойного раствора, который подается насосом из ёмкости 12, отбираются остатки мыла, метанола, поверхностно-активных веществ.

Полученные эстеры масла высушиваются в ректификационном аппарате 3, а остатки воды и метанола конденсируются в адсорбере 4. Регенерируемый метанол может возвращаться в сборник 2, или нейтрализоваться в адсорбере. Освобожденные от воды и метанола масличные эстеры, пройдя через систему фильтров, дополнительно очищаются от воды и механических примесей в сепараторе 13, адсорбируются сорбентом "Амберлайт" и подаются в сборную емкость для дальнейшего использования в качестве дизельного биотоплива.

Вкачестве альтернативы биодизелю рассмотрим получение Биоэтанола. Биоэтанол получают сбраживанием сахара по технологии, которая используется в

97

производстве пива и пищевого спирта. Крахмал из зерен и клубней растений с помощью ферментов превращается в простые сахара. Затем эти или природные сахара из сахарной свеклы, сахарного тростника или сорго сбраживаются дрожжами в бражку, то есть смесь спирта, воды и несброженные остатки (рис. 5.63).

Рис. 5.63. Получение биоэтанола сухим способом.

Этанол отделяют от бражки в дистилляционных колоннах и дополнительно очищают в ректификационных колоннах, на выходе которых получают смесь этанола с водой. На этапе обезвоживания из этой смеси удаляют остатки воды, и получают безводный биоэтанол, который можно смешивать с бензином в качестве окислителя и высокооктанового компонента.

В неэтилированном бензине в качестве высокооктанового компонента широко применяется МТБЭ (метил-третбутиловый эфир). Его канцерогенные свойства вызывают серьезную озабоченность и заставляют искать ему замену. Биоэтанол, как возобновляемое и безопасное для окружающей среды вещество, является

98

подходящим решением (рис. 5.64).

Рис. 5.64. Получение биоэтанола мокрым способом.

При производстве биоэтанола стоит рассмотреть следующие этапы.

Помол и подготовка сырья. Сырье составляет существенную часть себестоимости биоэтанола. Равномерный помол зерна ускоряет переработку, снижает себестоимость и повышает выход продукта. На этапе подготовки из сырья также извлекаются компоненты, не используемые при получении биоэтанола, но являющиеся сырьем для производства других продуктов. Например, с помощью мокрого помола из сырья получают крахмал А и В. Крахмал А перерабатывается в глюкозу и другие сахаристые вещества, а крахмал В служит сырьем для производства биоэтанола. Из зародышей пшеницы и кукурузы можно извлечь ценные масла.

Сжижение, осахаривание и сбраживание. Ожижение и осахаривание - это

99

превращение полисахарида крахмала в сбраживаемые моносахариды. Ожижение начинается с затирания, то есть добавления в муку теплой воды с получением суспензии. Затем, её нагревают паром в разварнике, где крахмал под действии тепла и альфа-амилазных ферментов превращается в гель и ожижается. Альфа-амилаза расщепляет длинные молекулы крахмала (этот процесс называется гидролизом), превращая крахмал в мальтодекстрин, т.е. раствор олигосахаров. Этот гидролизованный крахмал подвергается дальнейшей переработке - осахариванию, в ходе которой глюкоамилазные ферменты в условиях регулируемой температуры и рН превращают декстрин в пригодную для сбраживания глюкозу. Часть осахаренного сусла отбирается из осахаривателя и подается в дрожжегенератор. Осахаренное сусло из осахаривателя смешивается с закваской в бродильном аппарате. Перемешивание обеспечивает оптимальный контакт дрожжей с сахарами, а регулирование температуры и содержания питательных веществ поддерживает требуемую скорость сбраживания. Дрожжи превращают молекулу глюкозы в 2 молекулы этанола и 2 молекулы углекислого газа.

Дистилляция и ректификация. Дистилляция начинается с бражной колонны. Здесь из продукта брожения, бражки, отгоняется смесь этанола и воды. Дальнейшая очистка происходит в ректификационной колонне, где спирт максимально освобождается от воды и состав паров приближается к азеотропной точке.

Обезвоживание и очистка этанола. Чтобы получить топливный этанол, из спирта-сырца требуется удалить воду. Воду можно удалять с помощью молекулярных сит, диффузионного испарения через мембрану или азеотропной перегонкой с разделяющими агентами.

Технология молекулярных сит. Использование молекулярных сит (адсорбентов)

– это самая современная низкоэнергетическая технология обезвоживания. Перегретая смесь паров этанола и воды проходит через слой цеолита, т.е. пористого материала с очень точно выдержанным размером пор. Молекулы воды чуть меньше размера пор и в силу своей высокой полярности удерживаются в порах электростатическими силами. В то же время более крупные молекулы этанола

100

проходят сквозь молекулярные сита, не задерживаясь. В результате образуется безводный этанол.

Диффузионное испарение - это альтернативный метод осушения, в котором применяются гидрофильные мембраны. С одной стороны мембраны создается вакуум. В силу различия диффузионного сопротивления и парциального давления этанола и воды происходит разделение этих веществ на мембране. Вода проходит сквозь нее, а обезвоженный этанол остается.

Азеотропная перегонка. В этих системах в смесь спирта и воды добавляется разделяющий агент, который образует азеотроп с этанолом или водой. Затем в регенерационной колонне этот азеотроп разделяется на разделяющий агент и компонент исходной смеси.

Отходам производства биоэтанола находится широкое применение. Чаще всего из них производят высушенную дробину с растворимыми веществами барды, - богатый белками и питательными веществами корм для КРС, свиней и птицы. Также полученную биомассу можно использовать как топливо для производства электрической и тепловой энергии или как сырье для выработки другого биотоплива

– метана.

Рис. 5.65. Коллекторы с водорослями

Весьма интересным направлением является, существующее пока еще в виде экспериментальной модели получение биоэтанола из водорослей (рис. 5.65). Заполненные водой плоские панели установлены на освещенных участках, внутри этих ёмкостей имеются некие водоросли. Под воздействием света и поглощая из