常に再生可能な燃料源としてのバイオマス。スキーム、説明

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バイオエネルギーのインスタレーション。継続的に再生可能な燃料源としてのバイオマス。無線エレクトロニクスと電気工学の百科事典

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バイオマスとは、植物および動物由来のすべての有機物質を含む用語です。バイオマスは、一次バイオマス（植物、動物、微生物など）と二次廃棄物（一次バイオマスと人間や動物の廃棄物を処理する際の廃棄物）に分けられます。次に、廃棄物は、一次バイオマスの処理中の廃棄物（わら、茎、おがくず、木材チップ、アルコール蒸留廃液など）と動物や人間の生理学的代謝の二次生成物にも分類されます。

ロシアの国民経済のさまざまな分野における有機性廃棄物の年間量は390億250万トンを超え、農業生産で150億100万トンが発生し、そのうち700億60万トンが畜産と養鶏、10億トンが農作物生産から出ています。木材および木材加工により XNUMX 億トン、都市固形廃棄物 - XNUMX 万トン、都市廃水 - XNUMX 万トンが生成されます（すべての値は完全に乾燥した物質について示されています）。

一次および二次バイオマスに貯蔵されたエネルギーは、いくつかの方法で技術的に使用可能な燃料またはエネルギーに変換できます。

植物性炭化水素（植物油、高分子量脂肪酸とそのエステル、飽和および不飽和炭化水素など）の入手。たとえば、ロシアの南部地域では、ディーゼル燃料に菜種油を添加する場合があります。
バイオマス (固体、最大 60%) の燃料への熱化学変換: 直接燃焼、熱分解、ガス化、液化、熱分解。
バイオマス (含水率 75% 以上) を燃料 (低アルコール、脂肪酸、バイオガス) にバイオテクノロジー的に変換します。

ロシアの経済発展の現段階では、国家科学技術計画「環境的にクリーンなエネルギー」に従って、再生可能エネルギーは最後のXNUMXつの方向に発展している。

バイオマスの熱化学的変換

固体バイオマスのガス化装置の開発と製造は、発電機ガスで動作する自律型熱発電プラントを作成するために最も活発に行われています。

このようなガス発生装置に基づいて、原材料があり、エネルギー供給が不足している国内のあらゆる地域の消費者に熱と電力を供給するために、集中電源に依存しない自律型設備またはステーションを作成できます。これらの地域には主にシベリア、極北の地域のほか、林業廃棄物（おがくず、樹皮、木材チップ、木の切り株）や作物生産（わら、ヒマワリの茎、トウモロコシなど）があるほとんどの農村地域が含まれます。

バイオマスの生物工学的変換

バイオテクノロジー変換では、原則としてバイオマスが使用され、まず第一に、少なくとも75％の水分含有量を有するさまざまな有機廃棄物が使用されます。

バイオマスの燃料とエネルギーへの生物学的変換は、主に XNUMX つの方向で発展しています。

エタノール、低級脂肪酸、炭化水素、脂質を生成するための発酵 - この方向性は、実際に長い間成功裏に使用されてきました。
バイオガスの入手。

現在、バイオガスの生産は主に畜産業、養鶏、農作物生産、食品産業、アルコール産業、都市廃水および降水からの廃棄物の処理と処分に関連しています。

開発された技術によると、その主要な段階は生産条件下でテストされており、液体肥料は凝集剤・凝集剤で前処理され、大部分の有機物質が凝集します。後者は、25 および 50 m3/h の容量の分離遠心分離機によって除去されます。得られた含水率 70% のペーストを熱堆肥化し、有機肥料 (33 ～ 35 トン/日) を得ることができます。水分含有量99%の液体画分は、微生物叢が固定された「第5世代」の蒸解釜で2500日間の保持時間で発酵されます。バイオガスの推定収量は 23 m25/日、発熱量は 3-360 千 kJ/m370 (通常の条件下) です。発酵した塊（3〜20 m5）は、表面積6ヘクタールの池システムでさらに洗浄されます。この技術により設備投資額は6～XNUMX分のXNUMXに減少します。池の表面積とそのための土地の撤去はXNUMX分のXNUMXに減少します。「第 XNUMX 世代」の蒸解釜を作成し、微生物叢を固定するための基質担体を選択するには、真剣な研究が必要です。

ロシアにおける多様な農業生産の創出と、農民や独立小作農という新たな所有者の出現には、小容量で操作が簡単なバイオガスシステムの開発、構築、生産の習得が必要でした。

自然条件下では、動物の糞尿を含むあらゆる種類のバイオマスの破壊は、分解生物、菌類、細菌の作用下で元素化合物に分解されることによって土壌腐植土中で起こります。このプロセスには、湿気、熱、光がないことが好ましいです。プロセスの最終段階では、好気性または嫌気性に分類されるさまざまな細菌の作用により、完全な分解が起こります。好気性細菌は主に酸素の存在下で発生し、好気性細菌の関与によりバイオマス炭素が酸化されて CO になります。₂。嫌気性細菌は、外部環境からの酸素供給が不十分な密閉空間で発生しますが、これも炭水化物の分解によって存在します。

最終的に、炭素はその活動により、完全に酸化された CO と CO に分割されます。₂ と完全に復元されたCH₄。可溶性窒素化合物などの栄養素は土壌腐植肥料として保持されます。微生物によって行われるバイオマス分解反応は発酵プロセスも指しますが、嫌気性条件下で行われるプロセスについては、用語「発酵」（「発酵」）がより好まれることが多いです。

バイオガス-混合物CH₄ およびCO₂、特別な装置で形成されています - バイオガス発生器（図5.1）、メタンの最大放出を確実にするように設計および制御されています（これらの装置の文献では、まだ「メタンタンク」という名前を見つけることができます）。バイオガスの燃焼によって得られるエネルギーは、原料が乾燥している場合の 60 ～ 90% に達します。ただし、ガスは 95% の水を含む液体塊から得られるため、実際には収率を決定するのはかなり困難です。このプロセスのもう XNUMX つの、明らかに非常に重要な利点は、廃棄物に含まれる病原体が元の材料よりも大幅に少ないことです。確かに、すべての寄生虫や病原微生物が嫌気性消化の過程で死ぬわけではないことに注意してください。

対応するバイオガス発生装置が既存の廃棄物の流れを処理する場合、バイオガスの生成は経済的に正当化され、望ましいものになります。このような流れの例としては、下水道システム、養豚場、屠殺場などからの廃水が挙げられます。この場合の経済性は、廃棄物の事前収集、それらの供給プロセスの組織化および管理が必要ないという事実によるものです。廃棄物がいつどのくらいの量で到着するかはわかっており、あとはそれをバイオガスと肥料に処理するだけです。

図5.1。バイオガス発生装置の種類 (クリックして拡大): 1 - 材料投入。 2 - ガスパイプライン。 3 - 取り外し可能なカバー。 4 - 加工された材料の出力。 5 - 隔壁。 6 - 発酵槽。 7 - ガス。 8 - 受信機。 9 - バルブ。 10 - ミキサー。 11 - ガラス。 12 - 加工製品用の容器。 13 - ガス発生器。 14 - ガス供給。 15 - バーナー。 16 - 熱交換器。 17 - 水性ガスタンク

バイオガスの生産は、さまざまな規模の設備で可能です。これは、完全な生態学的サイクルの実現を達成することが望ましい農産業複合体において特に効果的です。このような複合施設では、肥料は嫌気性消化にさらされ、続いて開放プールで好気性処理が行われます。バイオガスは、照明、駆動機構、輸送、発電機、暖房に使用されます。藻類は家畜の餌としてプール内で増殖させることができます。好気性発酵後、完全に処理された廃棄物は、肥料として使用される前に魚の水槽や水鳥の池に与えられます。

このようなスキームの実装の成功は、プロジェクト全体のシステム研究の質、構造の標準化の程度、およびメンテナンスの定期性に直接依存します。

著者：マゴメドフA.M.

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