توليدانرژي از توده حياتي

مقدمه:
Biomss: تمام مواد آلي از سوخت هاي چوبي نا گياهان آبزي را شامل مي گردد راه هاي بسياري براي توليد انرژي به حالت هاي مناسب تر ومفيد تر همچون انرژي گرمايي الكتريكي وجود دارد. بديهي است كه زغال سنگ، نفت وگاز طبيعي كه ۳ منبع عمده انرژي هاي معمولي را تشكيل مي دهند، طي ميليون ها سال به وجود مي آيند. ما در سوي ديگر مواد آلي اصلي در تمام گياهان

(خاكي و آبي /دريايي) كه تشكيل دهنده حالات مهم Bio-mass هستند به طور طبيعي در مدت زماني كوتاه (يك سال يا كمتر) تجديد شده وبه منبع خود اضافه مي گردند اين همان فاكتور مهمي است كه Bio-mass را در دسته بندي منابع تجديد شونده مي گنجاند.

با اين حال Bio-mass تا زماني در اين رده بندي قرار مي گيرد كه هزينه كشت و رشد آن با نرخ مصرف آن برابر يكند و چنانچه نرخ مصرف از هزينه كشت فراتر رود، به عنوان يك منبع در حال تخليه رده بندي خواهد شد( مانند مصرف سوخت هاي چوبي در كشورهاي در حال توسعه) از طرفي مي توان Bio-mass را شاخه مفيدي از انرژي خورشيدي دانست چرا كه انرژي خورشيدي به طور غير مستقيم براي رشد گياهان از طريق فتوسنتز كاربرد دارد. اين مسئله به طور مشخص در نمودرا ساده انرژي نشان داده شده در Fig 0.1 معلوم است.

۱-۰ منابع Bio-mass
Bio-mass مي تواند از منابع مختلفي بدست آيد:
۱٫ ضايعاتي كه در يك منطقه مشخص تجمع مي يابند مانند زباله هاي جامه شهري (MSW)
2. باقيمانده گياهان در مزارع وجنگل ها كه در دوره برداشت محصول ويا چوب بري به جا مانده اند
۳٫ كاشت انتخابي محصولاتي كه از لحاظ انرژي كارآمد هستند بسته به نوع محتويات سوختن آنها
بعضي از گياهان قابل سرمايه گذاري از لحاظ تشكيل Bio-mass طبق آخرين دسته بندي عبارتند از:
۱٫ محصولات غذايي حاوي مقادير قابل توجه شكر و نشاسته مانند: نيشكر، چغندر ،قند .ذرت ، نشاسته كاسارو، ذرت شيرين، سيب زميني

۲٫ علف ها، بوته ها، و مخصوصا گونه هاي درختي با رشد سريع مانند اكاليپتوس (euicalyptus) ولژامينوس (lejuminous) (ka-babal)
3. بعضي گياهان هيدروكربن ساز مانند افوربيا لاتاريس (Euphorbia lathyris) و افوربيا تيروكولي (Eaphorbia tirucalli)
4. محصولاتي مانند آفتابگردان ، rapseed ، دانه سويا، بادام زميني كه از لحاظ روغن هاي گياهي غني هستند.

موارد كاربرد:
۱) فراهم كردن خط لوله انرژي به سمت لوله و پمپ هاي كشاورزي و پردازش m/cs مثل ساطورها و خرمن كوب ها
۲) فراهم كردن خط لوله انرژي به مناطق صنعتي روستايي، مثل آسياب ها مغازه هاي تجاري، آسياب هاي كوچكي برنج، نمابع متمركز انرژي الكتريكي در مراكز سلامت روستايي ،مراكز سرد نگه دارنده شير
۳) فراهم كننده ي نيازهاي خط انرژي به مناطق صنعتي متفاوت مثل لبنيات، سراميك، صنايع معادن، واحدهاي پردازش چوب، روستاهاي كوچكي كه به الكتريسته مجهز مي شوند.
توده زنده

منطقه ي خشك
منطقه ي pyrolysis
منطقه ي كاهش
منطقه ي اكسيداسيون
لايه خاكستر
صداگيرها، حائل ها

كاربردهاي متعدد، شنل هاي گازي تفكيك بالا سو
۱) پركردن ديگ هاي روغن/گاز با gasifier ها
۲) اسفنال با ديگ هاي بزرگ روغن
۳) گنجايش هاي متغير از MW 5-1

بعضي از مزاياي برجسته ي آن به شرح زير است:
۱) استفاده از مواد غني شده متفاوت /تركيب (چوب ،مواد زائد چوب تفاله هاي نيشكر، پوشال،سبوس،غيره
۲) ذرات ريز مختلف با اندازه اي متغير از چند ميلي متر تا ۱۰mm مي تواند استفاده شود
۳) توليد كننده هاي گاز داراي ارزش كالوريفيكي بين mj/Nm3 7-4 مي باشند.
۴) كارايي هاي تبديلي حرارتي بالاتر
۵) انتقال خاكسترها
۶) فرآيند تبديل سازي به گاز مي تواند بطور كامل اتومات باشد كه اين امر در نتيجه ي كنترل آسان بر روي پارامترهاي مناطق مي باشد.
۲٫۱٫۹،۰ مبدل هاي گازي تفكيك پايين سو
يك نمودار شماتيك نامگذاري شده در تصوير ۰٫۹٫۱٫۲٫۱ محل ورود هوا از طريق تايرهاي راديال نزديك به نوك جعبه هاي آتش نشان داده شده است. احتراق جزئي در منطقه ي جلوي يكي از دهانه هاي تاير بوقوع مي پيوندد. گرماي احتراق ،سرعت سوخت را در بالا مي سوزاند وگازهاي داغ از طريق رنده ها بعد از حركت به سمت پايين از طريق موانع مشتعل مي شود. در حين اينكه گاز خام از منطقه با درجه حرارت بالا عبور مي كند، بيشتر محصولات pyrolysis سوخته مي توانند به

هيدروكربن هاي گازي تفكيك شوند وگاز نسبتا تميزي بدست بيايد. اين قابليت مبدل هاي گازي تفكي پايين سو آنرا با كاربردهاي موتور بسيار سازگار مي كنند. اصلاحات درين دستر از طريق R&D منجر به ايجاد gasifier هاي بدون گلوگاه شده است و هم چنين بستر gasifier ها را آغشته به ما يع مي كند.
توده ي زنده<—
منطقه ي خشك <— >— ناودان
بادرجه حرارت بالاي ۱۲۰c
منطقه ي pyrolysis <—
200-000c
گاز <— –> منطقه ي اكسيداسيون
دهانه ي كوره <—
منطقه كاهش <—
رنده <—
گودال خاكستر

۰٫۹٫۱٫۳ مبدل هاي گازي تفكيك ميانه
درين نوع gasifier ،و گازتوليد شده از يك فضاي حلقوي اطراف gasifier عبور مي كند كه بطور همزمان هم بعنوان عايق وهم بعنوان پركننده ي گرد وغبار استفاده مي شود. همانطور كه در تصوير ۰٫۹٫۱٫۳٫۱نشان داده مي شود. هوا از طريق يك سرلوله خنك شده بوسيله آب كه در يك قسمت جعبه ي آتش قرارگرفته وارد gasifier مي شود.گاز در منطقه اي افقي در جلوي سرلوله توليد شده واز رنده ي عمودي به سمت دريچه ي داغ در سمت مقابل عبور مي كند. بخاطر طول كوتاه مسير براي واكنش هاي تبديل سازي به گاز، اين نوع از توليد گاز بسيار سريعتر براي تغيير در توليد گازعمل مي كند. بهر حال در فعاليت هاي معمولي بندرت استفاده ميشود.

۰٫۹٫۱٫۴ : gasifier هايي با بستر مايع
درين مرحله اي درك عملكرد gasifier هايي با بستر ثابت آسان است عملكرد آنها بستگي به اجزاي سوختي مثل آناليز شيميايي محتويات فرار ارزش كالوريفيك ، توزيع وزن ومحتويات خاكستر دارد از طرفي gasifier با بستر مايع بسيار گردنده است وقادر است تا منابع Bio-mass مثل گل ولاي

فاضلاب، مايعات وسبوس برنج (محتواي بالاي خاكستر) را نگه دارند. در قلب يك اجاق با بستر مايعات يك بستر گرم از مايعات متحرك وجود دارد كه در محلولي نگاه داشته ميشود و با جريان روبه رو بالاي هوا حركت مي كنند. اين راكتورها بطور كل حاوي مواد متحرك (شن) ومواد واكنشي (سنگ نمك و كاتاليست ها)هستند ماده بستر ،با بالابردن ستون گاز در وضعيت مايع نگه داشته ميشود مزاياي اصلي ومهم اين gasifier ها عبارتند از:

۱)سوخت هايي با ارزش كالوريفيك ۸۰۰-۹۰۰kcal /kg مي تواند استفاده شود.
۲) Bio-mass با رطوبت بالا و محتواي خاكستر ايجاد مشكل نمي كند بنابراين
۳)درجه حرارت طبيعي بستر مايع بين ۷۵۰c-950c است منطقه هاي خاكستر درجه حرارت فاسد كننده را دريافت نمي كنند پس از ايجاد تفاله جلوگيري ميشود.
۴) كارايي احتراق بالا
۵) خروج كم N2O,SO2 با هزينه ي منطقي
۶) سهولت اجرا در مقايسه باديگ هاي روغني

 

نمودار شماتيك يك gasifier سبوس برنج در تصوير ۰٫۹٫۱٫۴٫۱ آمده است. اينجا اجزاي اصلي سيستم عبارتند از:
الف) راكتور ب)جدا كننده ي گرد وغبار براساس جاذبه
پ) جداكننده ي گردباري ت)كوبشگر مرطوب
ث) جداكننده رطوبت ج) دمنده چ) تغذيه كننده سبوس برنج
ج)اجاق چ)سري ۵KVA DG

راكتور ساخته ي SS-310 داراي شعاع ۱۵۰mm و ارتفاع ۱۰۰mm است. يك صفحه سوراخ در بالاي منطقه ي توزيع هوا مورد استفاده قرار مي گيرد. يك صفحه سوراخ در بالاي منطقه ي توزيع هوا مورد استفاده قرار مي گيرد. يك محدوده براي تغذيه سوختي در ۲مكان كه ۳۰۰mm يا ۰۰۰mm از صفحه توزيع كننده ارتفاع دارند ساخته شده است.
راكتور نجومي مانند خطوط لوله ،عايق بندي شده است تا انرژي گرمايي از دست رفته را بدست بياورد وهم چنين از تراكم قير جلوگيري كند. سوراخ هاي درناژ خاكستر بالاي صفحات توزيع كننده قرار دارند.

براي شروع عمليات، gasifier با بستر و سرپر مي شود و ارتفاع مناسب و گرماي مناسب با استفاده از سيم پيچ الكتريكي مشتعل بوجود مي آيد. در بدست آوردن درجه ي حرارت مورد نياز سبوس برنج از بالا وهواي مايع شده از پايين به داخل دمنده فرستاده مي شوند. ۴۵ دقيقه طول مي كشد تا به سطح محكم يعني گازي با كيفيت سالم برسند.تركيب گاز بايستي بعنوان عملكرد درجه حرارت راكتور مورد بررسي قرار گيرد.

تصوير ۰٫۹٫۱٫۴٫۱ :نمودار شماتيك بستر مايع gasifier سبوس برنج سيستم فوق الذكر در دانشگاه Anna مورد اجرا قرار گرفته است و تحت حمايت مالي موسسه توسعه بين المللي سوئد بوده است. نتايج مهم بدست آمده در زير خلاصه شده است.
۱) دردرجه حرارت ۸۰۰c، تركيب گاز بدست آمده شامل %۲۰ ،مونواكسيد كربن و %۱۵ هيدروژن است.

۲) ارزش كالوريفيك بين ۸۰۰-۱۰۰۰ k cal /mm متغير بوده
۳) گاز بداخل ست DG وارد شده و ميزان مصرف مخصوص در برابر بار متغير ست DG ثبت شده است ۰۰-۵۰ درصد جايگزيني ديزل مي تواند بطور متوسط اضافه شود.
۰٫۹٫۱٫۵ :تبديل سازي به گاز با فشار براي IGCC
gasifier هاي با فشار مناسب براي ظرفيت هاي بالاي انرژي
دردو نوع ثابت و بستر مايع مناسب هستند. بعضي از خصوصيات جانبي اين نوع عملكرد عبارتند از:
۱) ميزان بالاي واكنش

۲) تغيير بالاي كربن
۳) خروج بالاي سولفور از بستر
۴) اندازه كوچكتر راكتور
۵) پتانسيل هاي بالا
۶) سازگاري باتورين هاي گاز در نوع IGCC
اين نوع gasifier ها سود مناسب را از كارايي بالاي تكنولوژي چرخه اي مركب سوخت جامد تا فرآيند تبديل سازي گاز مشتعل بدست مي آورد تصوير ۰٫۹٫۱٫۵٫۱ تصوير شماتيكي از gasifier را نشان مي دهد در حاليكه ۰٫۹٫۱٫۵٫۲ تصوير شماتيك دستگاه IGCC را پيش بيني مي كند. سيستم gasifier تصوير ۰٫۹٫۱٫۵٫۱ يك راكتور با بستر مايع و با فشار است كه توسط كربن حاصل از تبديل Bio-mass به گاز از گاز IGI.U استفاده مي كند. تغذيه سوخت با سيستم ناودان بستر وتغذيه كننده انجام ميگيرد. %۱۵-۱۰ هواي توربين گازي براي اين منظور كشيده مي شود و بعد از ماشين فشار (كمپرسور) و سيستم تبادل گرمايي به gasifier داده ميشود. مقدار كم بخار نيز در gasifier ها براي كنترل بهتر درجه حرارت وجود دارد.
محصول گازي شامل اجزاي قابل احتراقي مثل مونواكسيد كربن (%۱۲-۹) ومتان (%۱۰-۵) بهمراه حجمي از گازهاي متحرك مثل دي اكسيد كربن N2 وبخار آب مي باشد و با ارزش كالوريفيك پايين ۴-۰mj/Nm2 مشخص مي شود.

همانطور كه در تصوير ۰٫۹٫۱٫۵٫۲ ديده ميشود محصول گاز از IGCC شامل مراحل سردسازي گاز و پاكيزه كردن آن است.گاز توليدي موجد در gasifier از درجه حرارت آزاد تا ۴۵۰-۵۰۰C سرد مي شود.
در خنك كننده يگازي در قسمت تيوب آتش آن بخار اشباع تويد شده با سردكننده ي گازي، سيستم توليد كننده گرمايش يكي ميشود. كه اين امر در يك چرخه مركب بوقوع مي پيوند.يك بخش سراميك كه با شمع پرشده مسئول گرفتن گرد وغبار از محصول گاز سرد شده مي باشد. در نهايت،

محصول گازي سرد شده به سمت توربين گازي هدايت ميشود چرخه ي بخار اين دستگاه IGCC در حقيقت متشابه با چرخه ي بخاردستگاه هاي قراردادي با چرخه ي مركب است كه شامل توربين بخار HRSG وسيستم آب تغذيه اي ومتراكم است.
تكنولوژي فوق الذكر با سيستم هاي توليد كننده ي انرژي قراردادي پيشرفته رقابت مي كند و كارايي دستگاه ها %۴۰ بيشتر است.

اندازه دستگاه IGCC با اندازه توربين گازي مشخص مي شود وكارايي كليه به توربين گازي بستگي دارد.
امروزه دستگاه هاي IGCC كه برپايي Bio-mass هستند
بهمراه كربن توصيه مي شوند واز توليد كنندگان توربين گازي مثل الكتريك وستنيگهام وميتسوبيشي ضمانت دريافت مي كند. جدول ۰٫۹٫۱٫۵٫۱ وضعيت معمول Bio-mass متعدد را در عمل نشان ميدهد.

جدول ۰٫۹٫۱٫۵٫۱ توده ي زنده متعدد بر پايه ي دستگاه هاي IGCC
محل توده ي زنده گنجايش تكنولوژي وضعيت
سوئد بقاياي چوب ۰ Ahistrom اجرا تا ۱۹۹۰
فنلاند چوب ۸ كربن در ۱۹۹۸
آمريكا تفالري نيشكر ۷۵ كربن مرحله ي طراحي
هاوال تفالري نيشكر ۲۰ IGT ساخت

۱٫۰٫۱ اجاق هاي Bio-mass:
انرژي لازم جهت پخت وپز مي تواند از انواع مختلف سوخت ها تامين شود. جمعيت روستايي بخوبي بخش جمعيت شهري در كشورهاي در حال توسعه به سوخت هاي مبتني Bio-mass متوسل مي شوند. بنابراين اجاق ها پخت وپز كه Bio-mass را مي سوزانند مثل چوب سوختي ،بقاياي محصولات كشاورزي ومدفوع خشك حيوانات اجاق هاي Bio-mass ناميده مي شوند اين اجاق ها معمولا

بعنوان اجاق هاي سوختي، اجاق هاي چوبي و چولاي متعدد شناخته مي شوند. اين اجاق ها با نياز پخت وپز ۷۵ درصد جمعيت روستايي و شهري شامل تقريبا ۱۳۵ ميليون نفر منطبق است. معرفي گسترده ي وسيعي از طرح هاي ممكن از اجاق هاي Bio-mass اجزاي آن واجرايشان درين بخش آمده است.
۰٫۱٫۱ :دسته بندي اجاق هاي Bio-mass
اين اجاق ها بتوانند بر پايه صفت ذاتي شان دسته بندي شوند
۱) احتراق سوخت در اجاق
۲) ماده استفاده شده در ساختار اجاق گاز
۳) ماهيت ثابت وقابل حمل اجاق گاز

۴) تعداد ظروفي كه اجاق گاز مي تواند در يك زمان حرارت دهد

در اولين دسته بندي، اجاق مي تواند چوب را بسوزاند هم چنين مي تواندن بقاياي كشاورزي و محصولات زائد و مدفوع حيوانات را بسوزاند بطور مشابه يك اجاق كه زغال چوب را بعنوان سوخت استفاده مي كند مي توانند با سوخت هاي فسيلي مثل زغال سنگ و كك هم عمل كنند. بنابراين جايگزين هاي ممكن درين دسته بندي عبارتند از

(I اجاق هاي Bio-mass چوبي كه قادر به سوزاندن چوب ، كود حيوانات و مواد زائد محصولات كشاورزي هستند
(II اجاق هايي كه قادر به سوزاندن گرد وغبار، سبوس برنج و Bio-mass خاكي هستند
(III اجاق هاي زغال چوب كه براي سوخت هايي مناسبند كه بدون شعله مي سوزند مثل زغال سنگ و كك
بديهي است كه سوخت هايي كه در اجاق توده ي گازي مصرف مي شوند به منابع محلي در دسترسي درين منطقه در طول زمستان بستگي دارند.

اجاقي كه براي اجراي مشابه را زمانيكه سوخت تغيير نكرده است. تضمين نمي كند مواد سازنده ي اجاقها ومورد استفاده در يك منطقه به مواد محلي در دسترس براي ساخت مثل بارندگي هاي موسمي، گل رس، ورقه هاي فلزي و آهن بستگي دارد.اجاق هاي گلي مي توانند توسط خانم هاي خانه در آشپزخانه هايشان ساخته شوند.اجاق هاي سراميك و متاليك بعبارت ديگر وزن

كمتري داشته و قابل حمل اند. اينها بطور قابل توجه توده ي حرارتي پايينتري دارند و انرژي حرارتي كمتري را در بدنه شان ذخيره مي كنند. در مقابل اجاق هاي ثابت مي توانند مقدار زيادي انرژي حرارتي احتراق سوخت را جذب كنند. اجاق ها مي توانند براي گرم كردن يك ماهي تابه يا چند ماهي تابه با بخش احتراق واحد ساخته شود. در مورد اجاق گازهاي چند ماهي تابه اي مسيرهايي براي گازهاي داغ سوختي فراهم مي شود تا در زيرماهي تابه ها عبور داده شود

طرحهاي ۱و۲و۳ ماهي تابه اي در اجاق هاي سنتي به اندازه انواع اصلاح شده رايج هستند. بسياري از اجاق هاي چند ماهي تابه اي ثابت هستند اما اجاق هاي چند ماهي تابه اي قابل حمل از جنس فلز وسراميك هم در دسترس مي باشند.
۰٫۱٫۳ اجزاي اجاق هاي Bio-mass

اگر چه انواع متفاوتي از اجاق هاي Bio-mass به طور سنتي در دسترس هستند وخيلي انواع ديگر از طريق برنامه هي اصلاح اجاق هاي پخت و پز توسعه يافته اند بطور كل اجزاي اصلي يك اجاق Bio-mass ميتواند به آساني مشخص شود وعملكرد اساسي آن روشن شود.
مهم ترين بخش اجاق Bio-mass دودكش احتراق و جعبه ي اتش است. اين بخش از اجاق بستر سوختي كه در حضور هوا مي سوزد رادر خود جاي مي دهد.بالاترين درجه حرارت در اجاق گاز درين بخش بوقوع مي پيوندد.بسياري از اجاق ها شامل يك جعبه ي آتش ثانويه است كه ماده ي مزار آزاد شده از تجزيه مي سوزاند مهندسي دودكش احتراق بطور مشخص كارايي احتراق راحت تاثير

قرار ميدهد. ورودي هوا به دودكش احتراق جز مهم ديگري است كه اندازه وابعاد آن مي تواند براي عملكرد بهينه دودكش احتراق كنترل شود بعضي ذخاير اصلاح شده هوا به بستر سوخت جايي است كه سوخت مي سوزد وورودي ثانويه هوا كه هوا به در منطقه بالاي بستر سوخت ذخيره مي كند احتراق محصولات سيال تجزيه را كامل مي كند. بسياري از اجاق هاي اصلاح شده رنده ها را براي اصلاح كيفيت شده و يا ماده ي مناسب ديگري است كه در آن سوخت جامد مي سوزد چنانچه دهانه عبور هوا در رنده ۳۰-۲۵ درصد كل منطقه ي رنده باشد مصرف را بهينه مي كند.

دودكش يك لوله عمودي وصل شده به اجاق است كه محصولات احتراق را از آشپزخانه خارج مي كند. با رجوع به اجاق دودكش بايد جريان هواي لازم را براي مكش هواي ورودي فراهم كند گرماي آزاد شده از دودكش احتراق از دودكش بلند شده و به جريان هوا مي پيوندد. ارتفاع و شعاع

دودكش ميت واند بر پايه اندازه و قدرت خروجي اجاق تعيين شود. موادي كه بطور معمول براي دودكش ها استفاده ميشوند عبارتند از گل رس، لوله هاي سمايي، آهن، بارندگي هاي موسمي، خيزران وبتون آرمه. اجاقهاي قابل حمل معمولا بدون دودكش هستند ودودكش ها تنها در اجاق هاي ثابت استفاده مي شوند