Курсовая работа
Тема: «Химия в поисках альтернативных источников энергии»
Выполнил: студент химико-биологического
факультета гр. 31 хим. Ольхович И. П.
Проверила: к.п.н., доцент кафедры ОХ и МПХ Терлеева И. Б.
ОМСК 2007
Содержание
Введение.......................................................................................................... 3
Природный газ............................................................................................. 5
Газовый конденсат....................................................................................... 6
Диметилэфир................................................................................................ 6
Шахтный метан............................................................................................ 7
Этанол и метанол......................................................................................... 7
Синтетический бензин.................................................................................. 8
Топливные элементы.................................................................................... 8
Биодизельное топливо................................................................................. 9
Биогаз......................................................................................................... 10
Отработанное масло.................................................................................. 10
§2. Использование биомассы в качестве биотоплива.................................. 12
§3. Биодизель................................................................................................ 16
§4. Биогаз...................................................................................................... 19
§5. Биоэтанол, как топливо и добавка к нему.............................................. 24
Заключение.................................................................................................... 29
Библиография................................................................................................ 31
Введение
Неважно, когда на Земле закончится нефть, - через пятьдесят, сто или двести лет. Ясно, что источник энергии исчерпаем в принципе и, следовательно, ему рано или поздно придётся искать альтернативу. В 60-х годах из-за доступности дешёвого жидкого и газообразного топлива доля альтернативных видов топлива в топливном балансе страны постоянно снижалась и составляла менее 2%, соответственно, резко сократился объём исследовательских и проектных работ. Только к концу 80-х годов интерес к альтернативным источникам энергии (АИЭ) в России снова возрос. Изменившиеся в последние годы экономические условия и связанный с ними рост цен на традиционные виды топлива потребовали изменений в структуре баланса, прежде всего для удалённых территорий России. Требуется максимальное замещение привозного топлива местными топливно-сырьевыми ресурсами. В настоящее время решение проблемы энергетического использования местных топливных ресурсов стало одной и из неотложных задач социально-экономического развития и жизнеобеспечения многих регионов России [3].
|
|
В настоящее время можно выделить множество причин к переходу на АИЭ; это увеличение загрязнения окружающей среды, нарушение теплового баланса атмосферы, которое приводит к глобальному изменению климата, это и дефицит энергии и ограниченность топливных ресурсов с всё нарастающей остротой показывают неизбежность поиска новых источников энергии. Основные причины, указывающие на важность скорейшего перехода на АИЭ это:
1. Глобально-экологический: сегодня общеизвестен и доказан факт пагубного влияния на окружающую среду традиционных энергодобывающих технологий, их использование неизбежно ведет к катастрофическому изменению климата уже в первых десятилетиях XXI веке.
2. Экономический: переход на АИЭ позволит сохранить тепловые ресурсы для переработки в химической и других отраслях промышленности.
|
|
3. Социальный: численность и плотность населения постоянно растут. При этом трудно найти районы для строительства АЭС, ГРЭС и ТЭЦ, хорошо известен и вред, наносимый гигантскими равнинными ГЭС,- всё это увеличивает социальную напряжённость [2].
В данной курсовой работе я попытаюсь представить основные виды альтернативного топлива, а так же источники сырья для его получения.
Классификация и представители АИЭ
Альтернативное топливо (от лат. alter-другой, один из двух), получают в основном из сырья не нефтяного происхождения, применяют для сокращения потребления нефти с использованием (после реконструкции) энергопотребляющих устройств, работающих на нефтяном топливе.
Альтернативные виды топлива можно классифицировать следующим образом:
· по составу: углеводородно-кислотные (спирты), эфиры, эстеры, водородные топлива с добавками;
· по агрегатному состоянию: жидкие, газообразные, твердые;
· по объемам использования: целиком, в качестве добавок;
· по источникам сырья: из угля, торфа, сланцев, биомассы, горючего газа, электроэнергии и другие [ 10 ].
Рассмотрим кратко каждый из наиболее распространенных видов альтернативного топлива.
Природный газ
Природный газ в большинстве стран является наиболее распространенным видом альтернативного моторного топлива. Природный газ в качестве моторного топлива может применяться как в виде компримированного, сжатого до давления 200 атмосфер, газа, так и в виде сжиженного, охлажденного до -160°С газа. В настоящее время наиболее перспективным является применение сжиженного газа (пропан-бутан). В Европе это топливо называется LPG (Liquefied petroleum gas - сжиженный бензиновый газ). В то время как сжатый газ (метан) находится в баках под давлением 200 бар, что само по себе представляет повышенную опасность, LPG сжиживается при давлении 6-8 бар.
|
|
Газовый конденсат
Использование газовых конденсатов в качестве моторного топлива сведено к минимуму из-за следующих недостатков: вредное воздействие на центральную нервную систему, недопустимое искрообразование в процессе работы с топливом, снижение мощности двигателя (на 20%), повышение удельного расхода топлива [20].
Диметилэфир
Диметилэфир является производной метанола, который получается в процессе синтетического преобразования газа в жидкое состояние. Существуют разработки по переоборудованию дизельных двигателей под диметилэфир. При этом существенно улучшаются экологические характеристики двигателя.
На сегодняшний день в мире потребление диметилэфира составляет около 150 тысяч тонн в год.
В последние годы разрабатываются технологические процессы получения диметилэфира из синтетического горючего газа, производимого из угля.
В отличие от сжиженного природного газа, диметилэфир менее конкурентоспособен, в основном по причине того, что теплотворная способность на тонну диметилэфира на 45% ниже теплотворности на тонну сжиженного природного газа. Также для производства диметилэфира требуется не только более высокий уровень предварительных капиталовложений, но и больший объем сырьевого газа для производства продукта с эквивалентной теплотворной способностью.
В будущем диметилэфир можно рассматривать только в качестве продукта, имеющего ограниченные возможности, так как производство сжиженного природного газа характеризуется более значительной экономией за счет масштабов производства, более низким уровнем капитальных затрат и более высокой эффективностью процесса производства.
Шахтный метан
В последнее время к числу альтернативных видов автомобильных топлив стали относить и шахтный метан, добываемый из угольных пород. Так, к 1990 г. в США, Италии, Германии и Великобритании на шахтном метане работали свыше 90 тыс. автомобилей. В Великобритании, например, он широко используется в качестве моторного топлива для рейсовых автобусов в угольных регионах страны. Содержание метана в шахтном газе колеблется от 1% до 98%. В США за период с 1988 по 2000 гг. добыча угольного метана из специальных скважин возросла от 1 млрд. м3 до 40 млрд. м3 и в будущем еще удвоится. Прогнозируется, что газовая добыча метана в угольных бассейнах мира уже в ближайшее время составит 96-135 млрд. м3. Общие ресурсы метана в угольных пластах России составляют, по различным источникам, 48-65 трлн. м3.
Этанол и метанол
Этанол (этиловый спирт), обладающий высоким октановым числом и энергетической ценностью, добывается из отходов древесины и сахарного тростника, обеспечивает двигателю высокий КПД и низкий уровень выбросов и особо популярен в теплых странах. Так, Бразилия после своего нефтяного кризиса 1973 г. активно использует этанол - в стране более 7 млн. автомобилей заправляются этанолом и еще 9 млн. - его смесью с бензином (газохолом). США является вторым мировым лидером по масштабному изготовлению этанола для нужд автотранспорта. Этанол используется как “чистое” топливо в 21 штате, а этанол-бензиновая смесь составляет 10% топливного рынка США и применяется более чем в 100 млн. двигателей. Стоимость этанола в среднем гораздо выше себестоимости бензина. Всплеск интереса к его использованию в качестве моторного топлива за рубежом обусловлен налоговыми льготами.
Метанол как моторное топливо имеет высокое октановое число и низкую пожароопасность. Данные обстоятельства обеспечивают его широкое применение на гоночных автомобилях. Метанол может смешиваться с бензином и служить основой для эфирной добавки - метилтретбутилового эфира, который в настоящее время замещает в США большее количество бензина и сырой нефти, чем все другие альтернативные топлива вместе взятые.
Синтетический бензин
Сырьем для его производства могут быть уголь, природный газ и другие вещества. Наиболее перспективным считается синтезирование бензина из природного газа. Из 1 м3 синтез-газа получают 120-180 г синтетического бензина. За рубежом, в отличие от России, производство синтетических моторных топлив из природного газа освоено в промышленном масштабе. Так, в Новой Зеландии на установке фирмы “Мобил” из предварительно полученного метанола ежегодно синтезируется 570 тыс. тонн моторных топлив. Однако в настоящее время синтетические топлива из природного газа в 1,8-3,7 раза (в зависимости от технологии получения) дороже нефтяных. В то же время разработки по получению синтетического бензина из угля достаточно активно ведутся в настоящее время в Англии [12].
Топливные элементы
Топливные элементы - это устройства, генерирующие электроэнергию непосредственно на борту транспортного средства, - в процессе реакции водорода и кислорода образуются вода и электрический ток. В качестве водородосодержащего топлива, как правило, используется либо сжатый водород, либо метанол. В этом направлении работает достаточно много зарубежных автомобильных фирм, и если им в итоге удастся приблизить стоимость автомобилей на топливных элементах к бензиновым, то это станет реальной альтернативой традиционным нефтяным топливам в странах, импортирующих нефть. В настоящее время стоимость зарубежного экспериментального легкового автомобиля с топливными элементами составляет порядка 1 млн. долларов США. Кроме того, к недостаткам применения топливных элементов следует отнести повышенную взрывоопасность водорода и необходимость выполнения специальных условий его хранения, а также высокую себестоимость получения водорода.
Биодизельное топливо
В последние годы в США, Канаде и странах ЕС возрос коммерческий интерес к биодизельному топливу, в особенности к технологии его производства из рапса (возможно также производство из отработанного растительного масла). В Австрии такое топливо уже сейчас составляет 3% общего рынка дизельного топлива при наличии производственных мощностей до 30 тыс. т/год; во Франции эти мощности составляют 20 тыс. т/год; в Италии - 60 тыс. т/год. В США планируется на 20% заменить обычное дизельное топливо биодизельным и использовать его на морских судах, городских автобусах и грузовых автомобилях. Применение биодизельного топлива связано, в первую очередь, со значительным снижением эмиссии вредных веществ в отработанных газах (на 25-50%), улучшением экологической обстановки в регионах интенсивного использования дизелей (города, реки, леса, открытые разработки угля (руды), помещения парников и т.п.) - cодержание серы в биодизельном топливе составляет 0,02%.
В Европе биодизельное топливо применяется по двум принципиальным схемам: “немецкой” и “французской”. В настоящее время в Германии действует около 12 централизованных и 80 децентрализованных заводов по производству рапсового масла, а топливо “Biodiesel” выпускает восемь немецких фирм. “Французская” схема предусматривает централизованное производство diestera на мощных установках (5-10 тыс. тонн в год) [6,5].
Биогаз
Представляет собой смесь метана и углекислого газа и является продуктом метанового брожения органических веществ растительного и животного происхождения. Биогаз относится к топливам, получаемым из местного сырья. Хотя потенциальных источников для его производства достаточно много, на практике круг их сужается вследствие географических, климатических, экономических и других факторов.
Отработанное масло
В настоящее время на ряде предприятий различных стран мира весьма эффективно работают установки, преобразующие отработанное масло (моторное, трансмиссионное, гидравлическое, индустриальное, трансформаторное, синтетическое и т. д.) в состояние, которое позволяет полностью использовать его в качестве дизельного или печного топлива. Установка подмешивает высокоочищенные (в установке) масла в соответствующее топливо, в точно заданной пропорции, с образованием навсегда стабильной, неразделяемой топливной смеси. Полученная смесь имеет более высокие параметры по чистоте, обезвоживанию и теплотворной способности, чем дизельное топливо до его модификации в установке [15].
Битуминозные пески
Это полезное ископаемое, органическая часть которого представляет собой природный битум. По содержанию битума делятся на богатые или интенсивные (более 10% по массе битума), средние (5-10%) и тощие (до5%). Битумы подразделяют на несколько типов: мальты (вязкие жидкости, плотностью 0,86-1,03 г/см3, динамичные вязкость 10 Па*с); асфальты (твердые легкоплавкие вещества, плотность равна 1,03-1,10 г/см3, температура пл. <100°С); асфальтиты (твердые вещества, плотностью 1,05-1,20 г/см3, температура пл. 100-300°С); кериты (твердые неплавкие вещества, плотностью 1,7-2,0 г/см3).Содержание смолисто-асфальтеновых веществ в битумах этих типов составляет соответственно 35-60%, 60-75%, 75-90% и более 90%. В битумах битумных песков обнаружено свыше 25 химических элемента.
Битум из песков, добытых карьерным или шахтным методом, извлекают горячей флотацией водными растворами гидроксидов, карбонатов или силикатов щелочных металлов, а также экстракцией органическими растворителями (низкокипящие ароматические, парафиновые, нафтеновые углеводороды, бензин, керосин, спирты, альдегиды и др.). Битум из песков Атабаски (Канада) имеет следующие свойства: плотность 0,97г/см3, кинематическая вязкость 3*10-3 м2/с (40°С); содержание S- 3,80%, N- 0,6%, Fe - 0,044%, V- 0,02%, Ni- 0,006%; зольность- 0,7%; содержание фракций, выкипающих в пределах 195-345°С, - 13%, выше 345°С - 87%.
В результате комплексной переработки битума, первой стадией которой является коксование, получают кокс, Н2, углеводороды C1-C4, синтетическое жидкое топливо, смазочные масла [20].