Хімія в пошуках альтернативних джерел енергії 2

[ виправити ] текст може містити помилки, будь ласка перевіряйте перш ніж використовувати.

скачати

Федеральне агентство з освіти і науки РФ
Омський Державний Педагогогіческій Університет
Кафедра ОХ і МХП
Курсова робота
Тема: «Хімія в пошуках альтернативних джерел енергії».
Виконав: студент хіміко-біологічного
факультету гр. 31 хім.
Ольхович І. П.
Перевірила: к.п.н., доцент кафедри ОХ і МПХ
Терлєєва І. Б.
ОМСЬК 2007

Зміст.
Введення ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .... 3
§ 1. Класифікація та представники АІЕ .. ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .... ... ... ... ... 5 § 2. Використання біомаси як біопалива ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 10
§ 3. Біодизель ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .13
§ 4. Біогаз ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..... 15
§ 5. Біоетанол, як паливо і добавка до нього ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .20
Висновок ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... .. 25
Бібліографія ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 26
Додаток 1 ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 28
Додаток 2 ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 29
Додаток 3 ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 30

Введення.
Неважливо, коли на Землі закінчиться нафта, - через п'ятдесят, сто чи двісті років. Ясно, що джерело енергії вичерпаємо в принципі і, отже, йому рано чи пізно доведеться шукати альтернативу. У 60-х роках через доступність дешевого рідкого і газоподібного палива частка альтернативних видів палива в паливному балансі країни постійно знижувалася і становила менше 2%, відповідно, різко скоротився обсяг дослідних і проектних робіт. Тільки до кінця 80-х років інтерес до альтернативних джерел енергії (АІЕ) в Росії знову зріс. Змінилися в останні роки економічні умови і пов'язаний з ними зростання цін на традиційні види палива зажадали змін у структурі балансу, перш за все для віддалених територій Росії. Потрібна максимальна заміщення привізного палива місцевими паливно-сировинними ресурсами. В даний час вирішення проблеми енергетичного використання місцевих паливних ресурсів стало однієї і з невідкладних завдань соціально-економічного розвитку та життєзабезпечення багатьох регіонів Росії [3].
В даний час можна виділити безліч причин до переходу на АІЕ; це збільшення забруднення навколишнього середовища, порушення теплового балансу атмосфери, що призводить до глобальної зміни клімату, це і дефіцит енергії і обмеженість паливних ресурсів з приводу наростання гостротою показують неминучість пошуку нових джерел енергії. Основні причини, що вказують на важливість якнайшвидшого переходу на АІЕ це:
1. Глобально-екологічний: сьогодні загальновідомий і доведений факт згубного впливу на навколишнє середовище традиційних енергодобивающіх технологій, їх використання неминуче веде до катастрофічного зміни клімату вже в перших десятиліттях XXI столітті.
2. Економічний: перехід на АІЕ дозволить зберегти теплові ресурси для переробки в хімічній та інших галузях промисловості.
3. Соціальний: чисельність і щільність населення постійно зростають. При цьому важко знайти райони для будівництва АЕС, ГРЕС і ТЕЦ, добре відомий і шкоду, яку гігантськими рівнинними ГЕС, - все це збільшує соціальну напруженість [2].
У цій роботі я спробую представити основні види альтернативного палива, а так само джерела сировини для його отримання.

§ 1. Класифікація та представники АІЕ.
Альтернативне паливо (від лат. Alter-другий, один з двох), отримують в основному з сировини не нафтового походження, застосовують для скорочення споживання нафти з використанням (після реконструкції) енергоспоживаючих пристроїв, що працюють на нафтовому паливі.
Альтернативні види палива можна класифікувати наступним чином:
· За складом: вуглеводневі-кислотні (спирти), ефіри, естери, водневі палива з добавками;
· По агрегатному стані: рідкі, газоподібні, тверді;
· За обсягами використання: цілком, як добавки;
· За джерелами сировини: з вугілля, торфу, сланців, біомаси, горючого газу, електроенергії та інші [10].
Розглянемо коротко кожен з найбільш поширених видів альтернативного палива.
Природний газ.
Природний газ у більшості країн є найбільш поширеним видом альтернативного моторного палива. Природний газ в якості моторного палива може застосовуватися як у вигляді компримованого, стисненого до тиску 200 атмосфер, газу, так і у вигляді зрідженого, охолодженого до -160 ° С газу. В даний час найбільш перспективним є застосування зрідженого газу (пропан-бутан). У Європі це паливо називається LPG (Liquefied petroleum gas - скраплений бензиновий газ). У той час як стиснутий газ (метан) знаходиться в баках під тиском 200 бар, що саме по собі представляє підвищену небезпеку, LPG сжіжівается при тиску 6-8 бар.
Газовий конденсат.
Використання газових конденсатів в якості моторного палива зведено до мінімуму з-за наступних недоліків: шкідливий вплив на центральну нервову систему, неприпустиме іскроутворення в процесі роботи з паливом, зниження потужності двигуна (на 20%), підвищення питомої витрати палива [20].
Діметілефір.
Діметілефір є похідною метанолу, який виходить в процесі синтетичного перетворення газу в рідкий стан. Існують розробки з переобладнання дизельних двигунів під діметілефір. При цьому істотно поліпшуються екологічні характеристики двигуна.
На сьогоднішній день у світі споживання діметілефіра становить близько 150 тисяч тонн на рік.
В останні роки розробляються технологічні процеси одержання діметілефіра з синтетичного пального газу, виробленого з вугілля.
На відміну від зрідженого природного газу, діметілефір менше конкурентоспроможний, в основному через те, що теплотворна здатність на тонну діметілефіра на 45% нижче теплотворності на тонну скрапленого природного газу. Також для виробництва діметілефіра потрібно не тільки більш високий рівень попередніх капіталовкладень, але й більший обсяг сировинного газу для виробництва продукту з еквівалентною теплотворною здатністю.
У майбутньому діметілефір можна розглядати тільки в якості продукту, що має обмежені можливості, тому що виробництво зрідженого природного газу характеризується більш значною економією за рахунок масштабів виробництва, більш низьким рівнем капітальних витрат і більш високою ефективністю процесу виробництва.
Шахтний метан.
Останнім часом до числа альтернативних видів автомобільних палив стали відносити і шахтний метан, що добувається з вугільних порід. Так, до 1990 р. в США, Італії, Німеччини та Великобританії на шахтному метані працювали понад 90 тис. автомобілів. У Великобританії, наприклад, він широко використовується в якості моторного палива для рейсових автобусів у вугільних регіонах країни. Вміст метану у шахтному газі коливається від 1% до 98%. У США за період з 1988 по 2000 рр.. видобуток вугільного метану із спеціальних свердловин зросла від 1 млрд. м 3 до 40 млрд. м 3 і в майбутньому ще подвоїться. Прогнозується, що газова видобуток метану у вугільних басейнах світу вже найближчим часом складе 96-135 млрд. м 3. Загальні ресурси метану у вугільних пластах Росії становлять, за різними джерелами, 48-65 трлн. м 3.
Етанол і метанол.
Етанол (етиловий спирт), що володіє високим октановим числом і енергетичною цінністю, добувається з відходів деревини і цукрового очерету, забезпечує двигуну високий ККД і низький рівень викидів і особливо популярний в теплих країнах. Так, Бразилія після свого нафтової кризи 1973 р. активно використовує етанол - в країні більше 7 млн. автомобілів заправляються етанолом і ще 9 млн. - його сумішшю з бензином (газохол). США є другим світовим лідером щодо масштабного виготовлення етанолу для потреб автотранспорту. Етанол використовується як "чисте" паливо в 21 штаті, а етанол-бензинова суміш становить 10% паливного ринку США і застосовується більш ніж в 100 млн. двигунів. Вартість етанолу в середньому набагато вище собівартості бензину. Сплеск інтересу до його використання в якості моторного палива за кордоном обумовлений податковими пільгами.
Метанол як моторне паливо має високу октанове число і низьку пожежна небезпека. Дані обставини забезпечують його широке застосування на гоночних автомобілях. Метанол може змішуватися з бензином і служити основою для ефірної добавки - метилтретбутилового ефіру, який в даний час заміщає у США більшу кількість бензину та сирої нафти, ніж всі інші альтернативні палива разом узяті.
Синтетичний бензин.
Сировиною для його виробництва можуть бути вугілля, природний газ та інші речовини. Найбільш перспективним вважається синтезування бензину з природного газу. З 1 м 3 синтез-газу отримують 120-180 г синтетичного бензину. За кордоном, на відміну від Росії, виробництво синтетичних моторних палив з природного газу освоєно в промисловому масштабі. Так, у Новій Зеландії на установці фірми "Мобіл" з попередньо отриманого метанолу щорічно синтезується 570 тис. тонн моторних палив. Проте в даний час синтетичні палива з природного газу в 1,8-3,7 рази (залежно від технології отримання) дорожче нафтових. У той же час розробки по отриманню синтетичного бензину з вугілля досить активно ведуться в даний час в Англії [12].
Паливні елементи.
Паливні елементи - це пристрої, що генерують електроенергію безпосередньо на борту транспортного засобу, - у процесі реакції водню і кисню утворюються вода і електричний струм. Як водородосодержащіх палива, як правило, використовується або стиснений водень, або метанол. У цьому напрямку працює досить багато зарубіжних автомобільних фірм, і якщо їм у результаті вдасться наблизити вартість автомобілів на паливних елементах до бензинових, то це стане реальною альтернативою традиційним нафтовим палив у країнах, що імпортують нафту. В даний час вартість закордонного експериментального легкового автомобіля з паливними елементами складає близько 1 млн. доларів США. Крім того, до недоліків застосування паливних елементів слід віднести підвищену вибухонебезпечність водню і необхідність виконання спеціальних умов його зберігання, а також високу собівартість одержання водню.
Біодизельне паливо.
В останні роки в США, Канаді та країнах ЄС зріс комерційний інтерес до біодизельного палива, особливо до технології його виробництва з ріпаку (можливо також виробництво з відпрацьованого рослинного масла). В Австрії таке паливо вже зараз становить 3% загального ринку дизельного палива за наявності виробничих потужностей до 30 тис. т / рік; у Франції ці потужності становлять 20 тис. т / рік; в Італії - 60 тис. т / рік. У США планується на 20% замінити звичайне дизельне паливо біодизельним і використовувати його на морських суднах, міських автобусах і вантажних автомобілях. Застосування біодизельного палива пов'язане, в першу чергу, зі значним зниженням емісії шкідливих речовин у відпрацьованих газах (на 25-50%), поліпшенням екологічної обстановки в регіонах інтенсивного використання дизелів (міста, річки, ліси, відкриті розробки вугілля (руди), приміщення парників і т.п.) - Зміст сірки в біодизельному паливі складає 0,02%.
У Європі біодизельне паливо застосовується за двома принциповими схемами: "німецької" і "французької". В даний час в Німеччині діє близько 12 централізованих і 80 децентралізованих заводів з виробництва ріпакової олії, а паливо "Biodiesel" випускає вісім німецьких фірм. "Французька" схема передбачає централізоване виробництво diestera на потужних установках (5-10 тис. тонн на рік) [6,5].
Біогаз.
Являє собою суміш метану і вуглекислого газу і є продуктом метанового бродіння органічних речовин рослинного і тваринного походження. Біогаз відноситься до палив, які добувають з місцевої сировини. Хоча потенційних джерел для його виробництва досить багато, на практиці коло їх звужується внаслідок географічних, кліматичних, економічних та інших факторів.
Відпрацьоване масло.
В даний час на ряді підприємств різних країн світу, досить ефективно працюють установки, перетворюють відпрацьоване масло (моторне, трансмісійне, гідравлічне, індустріальне, трансформаторне, синтетичне і т. д.) в стан, що дозволяє повністю використовувати його в якості дизельного або пічного палива. Установка підмішує високоочищені (в установці) масла у відповідне паливо, в точно заданої пропорції, з утворенням назавжди стабільною, неподільні паливної суміші. Отримана суміш має більш високі параметри по чистоті, обезводнення і теплотворної здатності, ніж дизельне паливо до його модифікації в установці [15].
Бітумінозні піски.
Це корисна копалина, органічна частина якого являє собою природний бітум. За змістом бітуму діляться на багаті або інтенсивні (більше 10% за масою бітуму), середні (5-10%) і пісне (до5%). Бітуми поділяють на кілька типів: Мальти (в'язкі рідини, щільністю 0,86-1,03 г / см 3, динамічні в'язкість 10 Па * с); асфальти (тверді легкоплавкі речовини, щільність дорівнює 1,03-1,10 г / см 3, температура пл. <100 ° С); асфальтити (тверді речовини, щільністю 1,05-1,20 г / см 3, температура пл. 100-300 ° С); керіти (тверді неплавкі речовини, щільністю 1,7 - 2,0 г / см 3). Зміст смолисто-асфальтенових речовин в бітумах цих типів становить відповідно 35-60%, 60-75%, 75-90% і більше 90%. У бітумах бітумних пісків виявлено понад 25 хімічних елементу.
Бітум з пісків, здобутих кар'єрним або шахтним методом, витягають гарячої флотацією водними розчинами гідроксидів, карбонатів або силікатів лужних металів, а також екстракцією органічними розчинниками (низкокипящие ароматичні, парафінові, нафтенові вуглеводні, бензин, гас, спирти, альдегіди та ін.) Бітум з пісків Атабаски (Канада) має такі властивості: щільність 0,97 г/см3, кінематична в'язкість 3 * 10-3 м 2 / с (40 ° С); зміст S-3,80%, N-0,6%, Fe - 0,044%, V-0,02%, Ni-0,006%; зольність-0,7%; зміст фракцій, що википають в межах 195-345 ° С, - 13%, вище 345 ° С - 87%.
У результаті комплексної переробки бітуму, першою стадією якої є коксування, отримують кокс, Н 2, вуглеводні C 1-C 4, синтетичне рідке паливо, змащувальні масла [20].

§ 2. Використання біомаси як біопалива.
Поняття біомаса включає два види: рослинну біомасу, що утворюється на основі фотосинтезу і включає різні рослини, і біомасу тваринного походження, що представляє відходи життєдіяльності та переробки тварин. Методи енергетичного використання біомаси вельми різноманітні.
Біомаси тваринного походження, в основному, переробляється біохімічними методами (зброджування, ферментація), що дозволяють отримати метан, так званий біогаз.
Рослинна біомаса переробляється шляхом безпосереднього спалювання і шляхом термохімічної газифікації, що дозволяє отримати горючий газ, основні горючі компоненти якого - водень, і окис вуглецю. Біохімічна переробка рослинної біомаси дозволяє отримати паливний спирт і горючий газ, відомі також методи хімічної переробки рослинної біомаси з одержанням рідких палив та ін
Рослинна біомаса - один з найбільш поширених і доступних поновлюваних джерел енергії на Землі, що зростає інтерес до якого пов'язаний з екологічними чинниками, що викликають у людства все більшу увагу. Викопні палива завдають значної шкоди навколишньому середовищу в місцях видобутку і при транспортуванні. При спалюванні органічних палив в атмосферу викидаються значні кількості оксидів азоту, сірки і двоокису вуглецю, а при спалюванні вугілля ще й твердих частинок. Існує думка, що викидається в атмосферу двоокис вуглецю обумовлює парниковий ефект, який веде до потепління клімату. Тому світове співтовариство було змушене прийняти конвенцію, що встановлює для всіх країн квоти на викиди в атмосферу шкідливих речовин. Природно, що такі обмеження в найближчі роки будуть чинником, що стримує розвиток традиційної енергетики [2].
Переваги рослинної біомаси як джерела енергії добре відомі. Крім поновлювальності даного виду палива можна відзначити такі якості, як екологічна чистота в порівнянні з викопними паливами, а також відсутність впливу на баланс вільного вуглецю в атмосфері. Останнє пов'язано з тим, що при згорянні рослинної біомаси виділяється і викидається в атмосферу менше вуглекислого газу, ніж поглинається рослинами з атмосфери в процесі фотосинтезу. Таким чином, кількість вільного вуглецю в атмосфері при спалюванні біомаси не збільшується. При спалюванні рослинної біомаси утворюється в 20-30 разів менше окислів сірки і три-п'ять разів менше золи в порівнянні з вугіллям. Вважається, що за рахунок рослинного палива може бути реалізовано до 20-30% глобальної потреби в енергії [15].
Росія має як певними традиціями та досвідом у галузі енергетичного використання рослинної біомаси, так і значними її ресурсами. Крім того, в містах утворюються значні кількості твердих побутових відходів (понад 400 кг. На людину в рік), їх органічна частка перевищує 50%. У цілому доступні для енергетичного використання ресурси рослинної біомаси в Росії еквівалентні приблизно 400 млн. т у.п., а за деякими оцінками навіть 1 млрд. т у.п.
Отримання з біомаси газоподібного палива дозволяє використовувати просту за конструкцією енергетичну установку. Генераторний газ може використовуватися безпосередньо в двигунах внутрішнього згоряння і газових турбінах, в останньому випадку вимоги по очищенню газу більш жорсткі. Рослинна біомаса відрізняється високим виходом летких, тому краща її газифікація. Існує безліч схем і режимів газифікації, що відрізняється напрямком руху робочих середовищ, способом подачі і видом окислювача.
Найпростіший і перевірений у вітчизняних умовах спосіб - це шарова газифікація при атмосферному повітряному або паро-повітряному дуття. Численними експериментальними і теоретичними дослідженнями встановлено, що на остаточний склад генераторного газу вирішальний вплив справляє висота активної зони камери згоряння газогенератора, яка визначає швидкість руху газоподібних продуктів у камері згоряння газогенератора та швидкість йдуть в камері згоряння хімічних реакцій:
Основні фактори:
· Відбір газу за одиницю часу;
· Розмір газогенератора;
· Температура і вологість первинного повітря і вологість газифікованого палива;
· Реакційна здатність палива;
· Фракційний склад палива;
Низька температура згоряння генераторного газу, одержуваного при повітряному дуття, визначається наявністю в ньому значної кількості (близько 50%)
баластного газу (азоту), що надходить з повітря. Для підвищення калорійності газу до 15-20 МДж / нм 3 процес слід вести на кисневому дуття, що в умовах промислової експлуатації енергетичних газогенераторів малої потужності - мало ймовірно інженерної точки зору.
Існує і розробляється ряд технологічних процесів отримання з рослинної біомаси рідкого палива як безпосередньо, так з газу, як проміжного продукту. При цьому використовується швидкісний нагрів дрібнодисперсного палива (флеш-піроліз), а також зрідження під дією різних каталізаторів. Однак, на думку авторів, у найближчі роки дані технології можуть бути застосовані тільки для отримання моторного палива. Доцільність їх реалізації у «великій» енергетиці усередині існуючих теплових систем проблематична, оскільки зазначені технології практично можуть реалізовуватися тільки на великих заводах [7].

§ 3. Біодизель.
Альтернативою дизельним палив на основі сирої нафти служить біодизельне паливо. Біодизелем, називають паливо, отримане хімічною реакцією між рослинними оліями або тваринними жирами і спиртами (метиловим, етиловим або ізопропіловим спиртами) у присутності каталізатора (луг або кислота). З хімічної точки зору біодизель - це моноалкіловий ефір. За допомогою процесу, що називається етерифікації, масла і жири вступають у реакцію з метиловим спиртом і гідроксидом натрію, який служить каталізатором, в результаті чого утворюються жирні кислоти, а також побічні продукти: гліцерин, гліцеринові підстави, розчинна поташ і мило. [Додаток 1]
Хоча енергетична цінність біодизеля приблизно дорівнює енергетичної цінності звичайного дизельного пального (118000 БТЕ (британських теплових одиниць) проти 130500 БТЕ за еквівалентом крутить сили і кількості кінських сил), однак біодизель є набагато чистішим паливом і безпечнішим при зберіганні і використанні в порівнянні зі звичайним дизельним пальним. У результаті дослідів, проведених Дослідницьким інститутом Колорадо по горючих та двигунів, було встановлено, що при використанні суміші пального, що містить 20% біодизеля, спостерігається зниження вихлопних газів на 14%, вуглеводнів - на 13% і окису вуглецю - на більш ніж 7% [ 4].
Біодизель (включаючи суміш В20) в даний час визнаний Агентством з охорони навколишнього середовища та Міністерством Енергетики (США) в якості альтернативного пального, відповідного вимогам щодо захисту атмосферного повітря і навколишнього середовища. До того ж, біодизель має ряд істотних переваг.
· Не токсичний (його токсичність становить лише 10% від токсичності кухонної солі);
· Розкладається в природних умовах (приблизно за той же час, що і цукор);
· При попаданні у воду не завдає шкоди рослинам і тваринам;
· Практично не містить сірки і канцерогенного бензолу;
· Його джерелом є поновлювані ресурси, які не сприяють накопиченню газів, що викликають парниковий ефект, що характерно для пального, отриманого на основі нафти.
Прямі переваги, одержувані при використанні біодизеля у вигляді 20% суміші із звичайним дизельним паливом, включають в себе:
· Збільшення сетанового числа і здатності, що змазує, що продовжує життя двигуна;
· Значне зниження шкідливих викидів (включаючи СО, СО 2, SO 2, дрібні частинки та летючі органічні сполуки);
· Сприяння очищенню інжекторів, паливних насосів і каналів подачі пального.
Ці переваги легко доступні і не вимагають витрат на модифікацію двигунів або зміни в інфраструктурах. До того ж, додавання каталізатора може знизити викиди оксидів азоту, що надає В20 гнучкість щодо дотримання вимог до чистоти атмосферного повітря.
Нарешті, біодизель дає можливість власникам і керуючим автопарків, які використовують дизельне паливо (включаючи рухомий склад і автомобілі, виключені з нього, а також морські судна, оснащені дизельними двигунами), дотримуватися без особливих зусиль вимоги до чистоти повітря, не витрачаючи значні кошти, як у випадку з іншими альтернативними видами палива [6].
В даний час в країнах ЄС використовують Aquazole, що представляє собою суміш біодизельного палива і води, під маркою Elf пропонується споживачам з 2005 року. З води та біодизельного палива з допомогою присадки виходить однорідна суміш, яка виділяє на 80% менше сажі і на 30% оксидів азоту.
На сьогоднішній день найбільш конкурентоспроможні результати серед різних альтернативних видів палива показав біодизель [5].
§ 4. Біогаз.
Метанове бродіння або біометаногенез - процес перетворення органічної речовини в анаеробних умовах під дією бактеріальної флори. Біогаз, виходить вході в біометаногенеза, являє собою суміш газів; кисню, азоту, водню, вуглекислого газу, з яких 50-80% складає метан.
Згідно сучасним уявленням, анаеробне перетворення практично будь-якої біомаси в метан проходить через чотири послідовні етапи: фаза гідролізу (розщеплення), складних біополімерний молекул (білків, ліпідів, полісахаридів) на більш прості, наприклад, мономери, амінокислоти, вуглеводи та інші; фаза ферментації утворилися мономерів до ще більш простих речовин-нижчих кислот і спиртів, аміаку і сірководню; ацетогенная фаза (освіта Н 2, СО 2, Форміат і ацетату) і безпосередньо метаногенних фаза, яка призводить до кінцевого продукту розщеплення-метану [17].
Дослідники, крім чотирьох етапів конверсії біомаси в метан, окремо виділяють дві стадії. У різних авторів вони мають різні назви: "неметаногенная" і "метаногенних", "кислотна" і "слаболужна" і т.д. Перша стадія (кислотна) пов'язана з утворенням летючих жирних кислот як основних проміжних продуктів розкладання органічних речовин до метану, друга стадія (слаболужна або метаногенних) - з фізико-хімічною характеристикою середовища і утворенням метану.
Технологічно метанове бродіння ділять на етап дозрівання метанового біоценозу і етап ферментації (безперервний і періодичний).
Протягом першого етапу розвиваються групи мікроорганізмів, що беруть участь в розкладанні вихідних складних субстратів та продуктів їх розпаду. У результаті фізіологічної діяльності цих мікроорганізмів створюються оптимальні умови для активного метангенерірованія (четверта фаза). Після досягнення цих умов ферментація перекладається на безперервний або періодичної режим.
Метанове бродіння може протікати при температурі 10-60 ° С. Термофільного метанового бродіння (45-65 ° С) в 2-3 рази інтенсивніше мезофільного бродіння (25-35 ° С), причому зміна температури впливає лише на швидкість процесу, а не на якісний склад продуктів, що утворяться. [Додаток 2].
Метанобразующие бактерії або метаногени є анаеробами, чутливими до кисню. Група метанобразующих організмів налічує на сьогоднішній день близько 50 видів, по температурному режиму подразделяющихся на псіхрофілов (існують при температурі 4-25 ° С), мезофіли (30-35 ° С) і термофіли (50-70 ° С). Для забезпечення нормальної життєдіяльності метаногенів необхідно:
1) сталість температури і тиску;
2) суворий анаеробіоз;
3) відсутність світла;
4) нейтральна або слаболужна середовище.
Виділення в навколишнє середовище горючих та токсичних речовин, що входять до складу біогазу, чинить негативний вплив на природу, є причиною вибухів і пожеж. На рекультивованих землях газ витісняє з кореневої системи повітря, що негативно позначається на їх зростанні.
Світовий досвід свідчить, що вилучення біогазу з товщі твердих побутових відходів (ТПВ) і його використання екологічно необхідно (у тому числі, з точки зору безпеки).
У силу досить низький вміст в ТПВ органічних речовин та при їх малій вологості - головний показник, що впливає на освіту газу, одержання з них біогазу неефективно без використання додаткових компонентів. В якості такої добавки можна використовувати осад стічних вод (ОСВ). Відповідно до вимог СНиП 2.04.03.-85 співвідношення компонентів суміші ТПВ і ОСВ має бути стабільним і становитиме 2:1 за масою. Мулові опади, що мають підвищену вологість - 98%, як побутове сміття, що має низьку вологість - 45%, компенсуються і утилізуються сепаратно кратно неефективно. Оптимальна вологість органічного субстрату, яка забезпечує інтенсивні анаеробні процеси, становить 60-70%. У тих умовах відбувається ефективне біотермічні зневоднення ОСО і ТПВ, а так само активне розкладання органічного субстрату з виділенням біогазу за рахунок взаємодії компонентів, що сприяють інтенсифікації процесу; зокрема, досягається оптимальне співвідношення вуглецю та азоту, підвищується пористість мулових опадів, зменшується відносний вміст у суміші інертних включень. Спільна переробка ТПВ і ОСВ дозволяє скоротити необхідні площі приблизно на 20% і кількість обслуговуючого персоналу. При цьому скорочуються і енергетичні витрати, оскільки знезараження осаду досягається в процесі компостування без застосування будь-яких додаткових пристроїв. Компостування суміші ОСО і ТПВ дозволяє вести біотермічні процеси при температурі 50-70 ° С, що забезпечує ефективне знешкодження всієї маси. Процес біотермічного розкладання органічних речовин, за даними досліджень, призводить до загибелі яєць гельмінтів, личинок мух і різкого скорочення патогенних мікроорганізмів.
З причини безперервного процесу освіти звалищного відкладень і постійної емісії біогазу, це джерело можна віднести до возобновляющимся.
Залежно від специфічних промислових вимог біогаз можна використовувати різними способами: у теплоустановках, в газогенераторах для одночасного отримання теплової та електричної енергії; подавати в газові мережі для комунальних і побутових потреб; стискати для подальшого зберігання в газгольдерах. При подачі біогазу в комунальні газові мережі необхідне проведення осушування і очищення газу, що збільшує капітальні витрати по біогазової технології.
ТПВ можна розглядати як значний потенційний джерело отримання біогазу. Процес починається у верхніх шарах складованих відходів в аеробних умовах за рахунок кисню, що міститься в порожнечах і проникаючого з атмосфери. Біогаз при цьому не утворюється. При подальшому нарощуванні шарів ТПВ, їх механічного та природному ущільненні розвиваються анаеробні процеси і починається виділення біогазу. При не щільної укладки відходів вихід біогазу зменшується. Існують наступні способи механічного попередньої обробки ТПВ - збільшення щільності складованих відходів: пресування, укладання брикету, попереднє дроблення сміття, трамбування спеціальними катками, збільшення глибини звалища. Інші фактори, що впливають на утворення біогазу:
1) вологість сміття;
2) показник кислотності рН;
3) температура;
4) морфологічний склад сміття;
5) умови складування - площа, обсяг, глибина звалища.
Живильним середовищем для метанових бактерій є водень, азот, фосфор, калій, магній, кальцій, сірка та їх сполуки, що містяться в ТПВ.
Оптимальне співвідношення водню та азоту - 1:16. Вихід біогазу максимальний при вологості ТПВ 60-70%, рН в межах 6,5-8,0 і при більшій концентрації органічних речовин. Органічні речовини, що містяться у відходах, можна розділити на три класи, кожному з яких відповідає певний вихід метану;
· Вуглеводи - 0,42-0,47 м 3 метану / кг;
· Білки - 0,45-0,55 м 3 / кг;
· Жири - до 1 м 3 / кг.
Теплотворна здатність біогазу з ТПВ складає 20-28% МДж / м 3 [14]. Він може з високою ефективністю використовуватися або безпосередньо як паливо, або за допомогою газогенераторів трансформуватися в електричну і теплову енергію. Біогаз також може використовуватися як моторне паливо. На полігонах ТПВ компостування, де не проводиться збір біогазу, газ, дифундує через товщу відходів, неорганізовано надходить в атмосферу, при цьому можуть утворюватися вибухонебезпечні концентрації. Після рекультивації земель триває генерація газу і виходу його в атмосферу. За деякими оцінками, в результаті безконтрольного викиду зі звалищ земної кулі щорічно викидається в атмосферу 30-70 млн. тонн біогазу [15].

§ 5. Біоетанол, як паливо і добавка до нього.
Сама ідея використовувати спирт як палива не нова. У 1860 році німецький винахідник Ніколаус Отто використовував спирт у своєму чотириразове автомобільному моторі, оскільки нафти в ті часи було предостатньо, то його ноу-хау залишилося без уваги. Частково тому, що спирт-ректифікат містить приблизно 6% мас, води, яка в бензині не розчиняється, а веде до розшарування цих рідин, при низьких температурах замерзає, утворюючи крижані "пробки" в трубопроводах і каналах карбюратора. Отримання ж безводного ("абсолютованого") спирту в ті часи було дуже дорогим. А перша радянська балістична ракета Р-1, випробувана в 1948 році, працювала на суміші кисню і 75% водному розчині етилового спирту. Тому звернення до етанолу, як потужного джерела енергії, цілком природно. Минув той час, коли етанол був відомий лише як розріджувач палива вузького застосування. Тепер він вважається важливою складовою бензину і високо цінується завдяки вмісту кисню та високому октановим числом (як у бензину марки Аі-108). Крім того, виробництво етанолу може бути налагоджене в сільській місцевості, забезпечуючи такі необхідні там робочі місця і податкові надходження, етанол вносить цінний внесок в енергетичну і економічну безпеку країни і є найкращим з наявних засобів боротьби з газами, що викликають парниковий ефект [12].
Що ж таке біоетанол і з чого він виробляється?
Звичайний паливний етанол є високооктановий спирт, одержуваний шляхом ферментації цукру, який, у свою чергу, отримують з крохмалю зернових, наприклад, кукурудзи чи пшениці, але процес отримання спирту не обмежений лише цими культурами. Біоетанол отримують ферментацією цукрів, що добуваються з рослинного волокна з поновлюваних джерел сировини - таких, як деревина або солома. Незалежно від призначення етанолу його виробництво включає такі технологічні етапи:
· Вихідна сировина розмелюється і піддається гідролізу;
· Суміш, цукрів зброджується дріжджами;
· Одержаний розчин надходить у перегінну колону, де відганяється спирт-сирець;
· Спирт-сирець потім використовується для отримання чистого етанолу шляхом ратифікації [Додаток 3].
При згорянні етанолу з рослинного волокна виділяється в 10 разів менше вуглекислого газу, ніж при згорянні бензину (а вуглекислий газ - одна з причин парникового ефекту та глобального потепління). У США, Швеції та Бразилії етанол вже додають до бензину, щоб зменшити виділення вуглекислого газу.
Чому біоетанол?
Паливні суміші, що містять етанол, сьогодні успішно використовуються у всіх типах автомобільних двигунів, що працюють на бензині. Промислове виробництво біоетанолу і використання його в якості палива значно знижує залежність від безлічі факторів:
· По-перше, октанове число біоетанолу вище октанового числа бензину, що дозволяє збільшити компресію, і як наслідок, надає нові можливості збільшення потужності двигуна;
· По-друге, додавання біоетанолу істотно зменшує виділення шкідливих домішок, супутніх 100% бензиновому паливу.
· По-третє: виробництво біоетанолу в багатьох країнах світу дозволяє їм зменшувати свою енергетичну залежність від постачальників нафтових і газових ресурсів [9].
Як правило, зазвичай етанол використовується в суміші з бензином. Всі автомобілі та легкі вантажівки, експлуатовані сьогодні в США, використовують паливні суміші з вмістом від 10% до 85% етанолу, у відповідності з гарантіями своїх виробників. Вміст спирту в загальновідомих паливних сумішах наступне: паливо E10 - містить 10% етанолу і 90% бензину.
E10 схвалено до використання в будь-якому автомобілі, виробленому або поставляється в США. Велика кількість американських виробників настійно рекомендують до використання в своїх автомобілях саме цей вид палива. Паливо E85 - містить 85% етанолу і 15% бензину.
E85 є ще одним альтернативним варіантам палива, придатним до використання в двигунах із зміненою спеціально для цього конструкцією. Зміна конструкції двигуна у варіанті з паливом Е85 є ключовим фактором, тому що практично всі автомобілі можуть використовувати E10 без зміни конструкції двигуна.
Суміш Е85 швидко стає найбільш популярним видом палива на сучасному паливному ринку. При цьому, деякі виробники поставляють на автомобільний ринок двигуни спеціальної конструкції (FFVs), що працюють на будь-якому співвідношенні бензину і етанолу, включаючи E85. Масштаби використання біоетанолу як автомобільного палива постійно зростають. У Російській Федерації для виробництва паливного біоетанолу є досить серйозні: сировинна, технологічна і промислова бази [18]. Перший завод з виробництва біоетанолу буде побудований в Омську. 22 листопада 2006 в Омську Групою компаній «Титан» за підтримки Уряду Омської області та Міністерства сільського господарства Російської Федерації була проведена урочиста церемонія початку будівництва першого в Росії біокомплексу з річним обсягом виробництва біоетанолу до 150000 тонн, клейковини - 59000 тонн, вуглекислого газу - 115000 тонн, сухий кормової барди (DDGS і висівки) - 240000 тонн. На першому етапі в рамках цього проекту буде здійснено будівництво заводу з виробництва паливного біоетанолу. Інноваційна технологія полягає в тому, що зерно пшениці піддається глибокої переробки. На виході виходить зневоднений денатурований етиловий спирт (біоетанол) і супутні продукти: суха барда, суха клейковина, вуглекислий газ. Комплекс зможе переробляти близько 600 тисяч тонн зерна на рік.
Омська область має гарні перспективи для реалізації проекту, оскільки володіє великими запасами відтвореного натурального біологічної сировини (біомаси), від продуктів переробки сільськогосподарської сировини до лісових ресурсів. Застосовувана компанією технологія виробництва біоетанолу, нативної клейковини, вуглекислого газу і кормових дріжджів забезпечує дотримання всіх необхідних екологічних норм. Даний вид діяльності безпечний для навколишнього середовища. Не використовуються речовини, що створюють радіоактивні або високотоксичні відходи, а також відходи, здатні викликати інфекційне зараження. Шкідливі стоки відсутні. На початковому етапі планується поставляти паливо на зовнішній ринок. Продукт - ЕТБЕ високо затребуваний у державах Євросоюзу і деяких країн Південно-Азіатського регіону [13].
Головне достоїнство етанолвмісних палив - зменшення кількості монооксиду вуглецю, оксидів азоту та сажі у відпрацьованих газах двигунів. Крім того, етанол має високі антидетонаційними властивостями: він є найбільш ефективною антидетонаційної добавкою серед аліфатичних спиртів. Дуже важливо і те, що його можна одержувати з відновлюваної (рослинного) сировини.
На жаль, етанол має недоліки, через які він до теперішнього часу широкого розповсюдження в Росії не отримав:
· Перший з таких недоліків - майже на 30% менша, ніж у бензину, теплотворна здатність, а отже, і менша потужність, що розвивається двигуном. Однак, як показав досвід США, даний недолік в значній мірі компенсується більшою повнотою згоряння "спиртованого" бензину: збільшення витрат палива при переході від бензину до газохол Е10 практично не виявлено.
· Другий недолік спиртовмісних палив - фазова їх нестабільність при обводнюванні, тобто розшарування сумішей. Але рішення проблеми вже знайдено: це - введення в етанолвмісних паливо певних добавок, а також забезпечення умов, що перешкоджають попаданню води в паливо.
· Третя вада - наявність у спиртах полярної гідроксильної групи, яка робить їх хімічно активнішими, ніж ефіри і традиційні види палив. Скажімо, той же етанол навіть при малому вмісті води набуває високу електропровідність, тому сприяє корозії металів.
Причому він особливо агресивний по відношенню до цинку, латуні, свинцю, алюмінію, а також сталі, покритої сплавом свинцю та олова (припої на свинцевій основі). Тому, наприклад, на бразильських автомобілях, які використовують бензіноетанольное паливо, деякі мідні й цинкові деталі довелося замінити на нікелеві [20].

Висновок.
На закінчення мені хотілося б відзначити, що виробництво та застосування тих чи інших видів альтернативного палива в окремо взятій країні пов'язано з рядом обмежень. Наприклад, у Росії практично немає сировинної бази для одержання етанолу і біодизельного палива (необхідно зазначити, що найбільш ефективними продуцентами для їх палив є представники тропічної і субтропічної флори). З іншого боку, використання LPG, враховуючи величезні запаси газу в нашій країні, вкрай актуальне. З усіх видів моторних палив, одержуваних з місцевої сировини, тільки біогаз, з точки зору промислового виробництва і застосування в двигунах транспортних засобів, становить серйозний практичний інтерес для Росії. Крім того, шахтний метан вже в даний час може розглядатися як перспективне джерело альтернативного моторного палива для вугільних регіонів нашої країни, наприклад Кузбас. Однак без належного розвитку інфраструктури та підтримки економічно обгрунтованого попиту ні один з видів альтернативного палива не може розглядатися як повноцінна заміна бензину і дизельного палива. Ефект від використання установок з виробництва біодизельного палива, синтетичного бензину, по перетворенню відпрацьованого масла і т.п. поза рамками реалізації масштабної державної програми може носити лише виключно локальний характер. У зв'язку з цим залишається тільки сподіватися, що частина тих величезних фінансових ресурсів, які настільки значними темпами акумулюються в даний час державою і нафтовими компаніями при реалізації нафти і нафтопродуктів піде на своєчасну розробку і впровадження високоефективних енергозберігаючих технологій, а також альтернативних енергоресурсів. Факти свідчать про те, що нафтова ейфорія в Росії триватиме ще недовго, рано чи пізно нашій країні доведеться перейти на альтернативні джерела енергії.

Бібліографія.
1. Альтернативні види палива / / URL: http / / www.rokf.ru//oddities/3950.html
2. Аніскін В. Н., Голубковіч А.В. Перспективи використання рослинних відходів як біопалив / / Теплоенергетика. 2004., № 5. З 60-65.
3. Басалаєва І. Нові дизельні палива / / Автомобільний транспорт. 2004. № 8. З 41-42.
4. Біодизель-усі новини про паливо / / URL: http / / www.biodiesel.com.ua
5. Біодизель (обладнання для біодизеля) / / URL: http / / www.neftebaza.info/ forum_ontzy.php? Id = 4839
6. Біодизель. Біодизельне паливо. Виробництво. / / URL: http / / www.biodiesel. dp.ua
7. Боровков В.М., Зисін Л.В., Сергєєв В.В. Підсумки та науково-технічні проблеми використання рослинної біомаси та органовмісних відходів в енергетиці / / Известия РАН. Енергетика. 2002. № 6. З 13-19.
8. Діденко О.М. Методика отримання рідкого палива з вугілля / / Известия РАН. Енергетика. 2002., № 5. З 115-117.
9. Кирилов Н.Г. Моторне паливо XXI століття / / Енергія. 2007. № 8. З 2-5.
10. Кричко А.А., Лебедєв В.В., Фарберов І.Л. Непаливної використання вугілля / / URL: http / / www.xumuk.ru/encyklopedian/174.html
11. Напольский Б., Доманов В. Альтернативні види палива / / URL: http / / www.oilworld.ru/news.php?view=3020
12. Орлов П. Без бензину / / Вогник. 2006. № 4. З 22-23.
13. Сайт ГлобалОмск.ру - Омські новини / / URL: http / / www.globalomsk.ru / news
14. Утилізація та переробка ТПВ з метою отримання біогазу / / URL: http / / www.solidwaste.ru/dictionary/2.html&view=A
15. Федоров М.П. Вторинні ресурси / / Известия РАН. Енергетика. 2002. № 6. З 7-11.
16. Федоров М.П., ​​Донченко В.К. Екологічна безпека енергетики як напрям інтеграції науки і вищої освіти / / Доповідь III всеросійської науково-практичної конференції «Нове в екології і безпеки життєдіяльності». СПб.: Вид-во РАПН, 1999. Т.1.
17. Федоров М.П., ​​Єлістратов В.В. Використання ресурсів малої та нетрадиційної енергетики в Ленінградській області / / Науково-технічні відомості СПБДТУ. 1998. № 4 (14).
18. Шамонін А.В, Макаров В.В. Спирти як добавки до бензинів / / Автомобільна промисловість. 2005. № 8. З 11-12.
19. Шувалов А.М., Самодуров А.В. Енергетичне використання лузги гречки / / Техніка в сільському господарстві. 2005. № 4. З 19-20.
20. Енциклопедія «Вікіпедія» / / URL: http / / ru.wikipedia.org / wiki / паливо
Додати в блог або на сайт

Цей текст може містити помилки.

Хімія | Курсова
85кб. | скачати


Схожі роботи:
Хімія в пошуках альтернативних джерел енергії
Використання альтернативних джерел енергії та енергосберегающ
Застосування альтернативних джерел енергії в сільському господарстві
Використання альтернативних джерел енергії та енергозберігаючих технологій
Розробка енергозберігаючої системи з використанням альтернативних джерел енергії
Проблеми нових джерел енергії
Коментарі до закону про невідновлюваних джерел енергії
Аналіз можливих схем електрохімічних генераторів для автономних джерел електричної енергії
Хімія і Стоматологія Хімія у моїй майбутній професії
© Усі права захищені
написати до нас