بخش اول
BIOMASS & BIOGAS
مقدمه
تاریخچه استفاده از انرژی
زیست توده یا بیومس
منابع انرژی زیست توده
تولید برق از زیست توده
فرآیندهای احتراق مستقیم
فرآیندهای ترموشیمیایی
فرآیندهای بیوشیمیایی
مقدمه
از اعمال مجموعه ای از فرآیندهای فیزیکی، شیمیایی و زیست محیطی بر روی منابع مختلف زیست توده مانند تجزیه، تخمیر و غیره در یک محفظه، گازی به دست می آید که اصطلاحاً بیوگاز نام دارد. پس از فرآیندهای تصفیه ای و زیست محیطی استاندارد این گاز تبدیل به یک حامل انرژی می شود. این حامل انرژی را می توان به عنوان سوخت اولیه در نیروگاه ها به کار برد.
با سوختن این گاز ژنراتورها و توربین ها حرکت کرده و مشابه سیکل سنتی رایج در تمام نیروگاه ها، برق تولید می کنند. با این تفاوت که این بار نه تنها سوخت مورد نیاز بویلر از دل زمین بیرون کشیده نشده بلکه با کاربرد بهینه از آلودگی محیط زیست انسانی نیز جلوگیری به عمل آمده است. در سال ۲۰۰۰ بیش از ۱۰ درصد عرضه انرژی اولیه جهان از منابع زیست توده تامین گردیده است. طبق اعلام جهانی ظرفیت نیروگاهی نصب شده جهت بهره برداری از انرژی زیست توده در کشورهای عضو (OECD) معادل ۲۳۰۰۰ مگا وات بوده است.
تاریخچه استفاده از زیست توده
استفاده از انرژی بیوماس به آغازی ترین دوره های تاریخ باز می گردد، زمانی که آتش شناخته شد. انسان نخستین از چوب و برگ خشک درختان برای روشن کردن آتش استفاده می کرد. قدیمی ترین مورد خروج گاز و اشتعال ناقص آن به وسیله دفن زباله در زمین، توسط پیلی نی روس گزارش شده است. او خروج گاه به گاه گاز طبیعی و اشتعال ناقص آن را از طبقات زیرین زمین مشاهده کرد.ولی وان هلمونت در سال ۱۶۳۰ این گاز شناسایی و اشتعال آن را رسماً اعلام کرد.
در سال ۱۶۶۷ دانشمندی به نام شرلی، گاز مرداب را کشف نمود ولی اصلی ترین تاریخچه استفاده از گاز متان به عنوان ترکیب اصلی بیوگاز حاصل از مواد تخمیر شده، توسط ولتا در سال ۱۷۷۶ ثبت شده است. وی در یافت مقدار گاز متان تولید شده بستگی به میزان خاک و برگ پوسیدگی گیاهان دارد. از طرفی پی برد در صورتی که نسبت معینی از گاز متان با هوا ترکیب شود تولید انفجار می نماید. در سال ۱۸۸۴ فردی طرحی را به اجرا در آورد که بوسیله انرژی بیوماس روشنایی خیابان های شهر زیبای پاریس را تامین نمود.
امروزه منابع مفید و کاربردی بیوماس تنها به چوب و برگ خشک محدود نمی شود و طیف وسیعی از مواد مانند ضایعات جامد و مایع شهری و ضایعات صنعتی و غیره را نیز در بر می گیرد. در طول سال های ۱۹۸۵ تا ۱۹۹۰ میانگین مصرف سالانه ی انرژی بیوماس در جهان معادل ۱۴ کوادریلیون بوده است.
شاید شما نیز بدانید که از پاریس به عنوان «شهر چراغ ها» یاد می شود، اما علت این نام گذاری چیست؟ پاریس یکی از نخستین شهرهای اروپایی بود که خیابان های خود را با استفاده از چراغ های گازی روشن ساخت. در سال ۱۸۲۰ میلادی، بیش از ۵۰ هزار لامپ گازی به کار گرفته شد تا خیابان ها و بلوار ها روشن گردند. منظره دیدنی پاریس در شب سبب گشت که چنین لقبی به عروس شهرهای دنیا داده شود.
در ایران هم استفاده از زیست توده سابقه ای قدیمی دارد. شیخ بهایی از نخستین کسانی بود که از زیست توده به عنوان سوخت یک حمام در اصفهان استفاده کرد. اولین هاضم تولید کننده گاز متان در ایران در روستاهای نیاز آباد لرستان (۱۳۵۴) ساخته شد. این دستگاه به گنجایش ۵ متر مکعب فضولات گازی روستا را به بیوگاز مصرفی حمام تبدیل می کرد. در سال ۱۳۵۹ دو واحد کوچک آزمایشی در دانشگاه بوعلی سینا همدان احداث گردید. در کشور ما همچنین به صورت عمده تاسیسات استخراج بیوگاز از محل دفن زباله در سه شهر شیراز، مشهد و اصفهان به اجرا در آمده است و در تهران هم به دلیل حجم بالای زباله های تولید شده و فاضلاب های شهری و صنعتی مطالعات مقدماتی به پایان رسیده است.
بیوماس هر ارگانیسم زنده ای که انرژی خورشید را جذب و به صورت کلروفیل در خود ذخیره کند بیوماس نامیده می شود. بیوماس اصطلاحی است که برای توصیف رشته ای از محصولات حاصل از عمل فتوسنتز در زمینه ی انرژی به کار می رود. هر ساله انرژی خورشید از طریق فتو سنتز چند برابر بیشتر از انرژی مصرفی سالیانه جهان در برگ ها، تنه و شاخه های درختان ذخیره می شود.
لذا در میان منابع انرژی های تجدیدپذیر، بیوماس از جهت ذخیره کردن انرژی خورشید منحصر به فرد است. همچنین بیوماس تنها منبع تجدیدپذیر کربن بوده و می توانند به سوخت های جامد، مایع و گازی مناسب تبدیل شود. امروزه حتی می توان با اعمال مجموعه ای از عملیات های شیمیایی بر روی بیوگاز حاصل از بیوماس به هیدروژن رسید. صنایع کشاورزی و جنگل داری ذخایر اصلی و پایه ای بیوماس محسوب می شوند.
بیومس یا زیست توده
منابع انرژی زیست توده
بخشی از تشعشع خورشید که به اتمسفر زمین می رسد، به دلیل فرآیند فتوسنتز در گیاهان جذب می شود. بیشترین راندمان تبدیل انرژی خورشیدی بین ۵ تا ۶ درصد است. حدود ۹۰ درصد این انرژی که در درختان ذخیره می شود معادل ذخایر سوخت های فسیلی قابل استخراج و به ثبت رسیده می باشد. منابع بیوماسی که برای تولید مناسب هستند به طور کلی به شش گروه تقسیم می شوند:
سوخت های چوبی
زائدات جنگلی، کشاورزی، باغداری و صنایع غذایی
ضایعات جامد زباله های شهری
فضولات دامی
فاضلاب های شهری
فاضلاب ها، پس ماندها و زائدات آلی صنعتی
تولید برق از زیست توده
تکنولوژی هایی که برای تبدیل زیست به انرژی به کار برده می شود از سیستم بخاری های ساده که در جهان در حال توسعه برای پخت و پز استفاده می شوند تا واحدهای پیرولیز پیشرفته تولید کننده سوخت های جامد، مایع و گازی را شامل می شوند. تکنولوژیهای تبدیل بیومس می توانند به سه دسته اساسی تقسیم شوند.
فرایند احتراق مستقیم
فرایند ترمو شیمیایی
فرایند بیوشیمیایی
صنایع غذایی (تولید بخار و تولید گرمای مورد نیاز فرآیندهای پخت) صنایع آجر و سفال و سرامیک صنایع چوب و کاغذ (تولید بخار و تولید گرمای موردنیاز فرآیندها) صنایع ذوب فلزات (مانند کشور برزیل که از ذغال چوب بهره گیری می کنند) بویلر نیروگاه ها
حرارت یا بخار تولید شده به این روش برای تولید الکتریسیته و یا فراهم کردن حرارت مورد نیاز برای مصارفی نظیر فرآیندهای صنعتی، گرمایش فضا و یا گرمایش نواحی مختلف شهری مصرف می شود.
فرایند احتراق مستقیم
فرایند احتراق مستقیم
کاربرد خانگی
کاربرد صنعتی
خرد کننده
مخزن
دستگاه غبارگیر
دودوکش
خاکستر های ریز
خاکستر های درشت
مخزن احتراق
فرایند خرد کردن
گرد گیری و غبار گیری
مخزن اندازه گیری
فرایند انتقال به اتاق حریق
اتاق حریق
فرایند جمع اوری خاکستر
دیگ بخار –بخار ساز
خنک کننده –کوندانسور
فرایند خاکستر گیری خاکستر های ریز
دودکش و آزاد کردن دود و بخار
– فرآیندهای ترموشیمیایی
پیرولیز از اساسی ترین فرآیندهای ترموشیمیایی در تبدیل زیست توده به محصولات با ارزش و مناسب است. محصولات تولید شده عبارتند از یک مخلوط گازی، یک مایع و چیزی شبیه زغال کربنی خالص.
توزیع این محصولات به میزان و حجم ذخیزه، دما و فشار واکنش و نیز مدت زمان حضور گاز در محل احتراق و نرخ گرمایش بستگی دارد.
پیرولیز با دمای بالا (۱۰۰۰ درجه سانتی گراد) مقدار تولید گاز را ماکزیمم می کند و پیرولیز دما پایین کمتر از (۶۰۰ درجه سانتی گراد) قرن هاست که برای تولید زغال چوب استفاده می گردد.
فن آوری پیرولیز (آتشکافت)
آتشکافت فرآیندی است که در آن مواد آلی بوسیله گرما در غیاب اکسیژن تخریب می شوند و بخار آب، گازهای جدید، مواد فرار، قطران و ذغال بوجود می آید، از اینرو به این فرآیند، تقطیر تخریبی نیز می گویند.
واکنش پیرولیز برای زیست توده در دمای 300 تا 375 درجه سلسیوس آغاز می شوند. ذغال، مایعات آلی، گاز و آب با نسبت های متفاوتی از این فرآیند بدست می آیند و نسبت و مقدار آنها بستگی به دمای عملیاتی، نرخ گرمادهی، زمان ماند، نوع مواد خام و درصد رطوبت آنها دارد. در دماهای بالا و زمان ماند طولانی، گاز بیشتری پدید می آید در حالی که ذغال و مایعات بیشتر، در دمای پایینتر و زمان ماند کوتاه تولید می گردند.
مواد جامد پدید آمده در این فرآیند ذغال (از نوع کربن فعال) و خاکسترمی باشد. مایعات بدست آمده، ترکیبات آلی با وزن مولی سبکتر از ترکیبات ماده خام را در خود دارند. از جمله این ترکیبات می توان اسیدها، الکلها، آلدئیدها، ستن ها، استرها، ترکیبات فنلی را نام برد. در گاز بوجود آمده نیز ترکیبات زیر بیشتر به چشم می خورند: منوکسید کربن، هیدروژن، دی اکسید کربن، متان، اتان، اتیلن، بخار آب و دیگر هیدروکربنها به مقدار ناچیز.
ذغالی که از فرآیند آتشکافت بدست می آید، به نسبت ذغال معمولی، 30 مرتبه فعالتر است، بنابراین یکی از مزیت های این فرآیند تولید ذغال (کربن) فعال است که کاربرد فراوانی در پالایش و زدایش ناخالصی از انواع مواد دارد (بویژه در تصفیه آب از ترکیبات شیمیایی). در دمای پایین تر(500-300 درجه سلسیوس) و زمان ماند کوتاه (حدود ثانیه) بازده تولید ذغال افزایش می یابد. به این فرآیند، ذغال سازی با کربنیزاسیون هم گفته می شود.
Deer island wastewater energy plant Boston,Masachoset
رآکتورهای گوناگونی برای فرآیند پیرولیزساخته شده اند که انواع زیر را می توان نام برد:
_ راکتورهای بستر ثابت( fixed bed reactors)
_ راکتورهای بستر متحرک( moving bed reactors)
_ راکتورهای بستر معلق(suspended bed)
_ راکتورهای بستر سیال( fluidized bed)
_ راکتور ایستا با بستر ساکن ( stationary vertical shift)
_ کوره دوار شیبدار( Inclined Rotating Klin)
_ کوره افقی( Horizontal Klin)
فن آوری های بیو شیمیایی:
در این فن آوری ها، تولید کننده انرژی فرآورده هایی هستند که بوسیله عمل سوخت و ساز موجودات زنده پدید آمده و به خاطر داشتن ارزش گرمایی بالا به عنوان سوخت به کار می روند. گاز متان و الکل اتیلیک (اتانول) از مهمترین فرآورده های این چنینی می باشند. بدین ترتیب مهمترین فرایند های بیو شیمیایی عبارتند از: • هضم بی هوازی (Anaerobic digestion) • تخمیر الکلی (Alcoholic fermentation)
فرایند های بیوشیمیایی
BIOCHEMICAL PROCESS
هضم بی هوازی تکنیک هضم است که در آن مواد آلی به صورت بیوشیمیایی تجزیه پذیر به مواد شیمیایی CH 4 ، CO 2 ، H 2 O و H2S تجزیه می شوند. باکتری های فاکتوریل و بی هوازی تحت شرایط بی هوازی. هضم بی هوازی به طور گسترده در فاضلاب مدفوع و درمان زباله های زیستی شهری استفاده می شود.
هضم بی هوازی مواد آلی جامد را به مواد آلی محلول تبدیل می کند و انرژی موجود در ضایعات را به سوخت های زیست محیطی برای احتراق یا تولید انرژی تبدیل می کند تا منابع و انرژی را بازیابی کند. پس از هضم بی هوازی، میزان باقی مانده کوچک و پایدار است؛ ممکن است به علت خواص مناسب آب بندی تجهیزات واکنش، انتشار گاز بوی بد را کنترل کنند.
هضم بی هوازی به میزان قابل توجهی توازن انرژی فرایند تصفیه زباله را بهبود می بخشد و از مزایای اقتصادی و محیط زیستی برخوردار است.