Энергия для производства удобрений
Министерство образования и науки Алтайского края
Краевое государственное бюджетное профессиональное образовательное учреждение «Егорьевский лицей профессионального образования»
ЭНЕРГИЯ ИЗ ОРГАНИЧЕСКИХ УДОБРЕНИЙ
Работа студента 215 группы
Руководитель: Ишимов С.М.,преподаватель физики
ЭНЕРГИЯ ИЗ ОРГАНИЧЕСКИХ УДОБРЕНИЙ
В настоящий момент мир стоит на пороге энергетического кризиса. Большая часть используемых в мировом хозяйстве топливных ресурсов не возобновляема. Выход из сложившейся проблемы один – находить, изучать и внедрять в хозяйство альтернативные виды получения топлива/энергии. Сейчас среди уже найденных способов получения энергии имеются: ветряные, солнечные, геотермальные. Однако все они требуют дорогостоящего оборудования и зависят от территориального фактора – энергию с их помощью можно получить только в определенных местах. Одним из «забытых» видов сырья является и биогаз, использовавшийся еще в Древнем Китае и вновь «открытый» в наше время. Сырьё для получения биогаза можно найти практически в любой местности, где развито сельское хозяйство, в первую очередь животноводство, затраты на создание установок для биогенераторов относительно невелики, а само производство экологически чисто. Для переработки используются дешевые отходы сельского хозяйства – навоз животных, помёт птицы, солома, отходы древесины, сорная растительность, бытовые отходы и органический мусор, отходы жизнедеятельности человека и т.п.
Нас заинтересовал этот довольно необычный способ получения топлива, поэтому нашаработа посвящена именно исследованию биогаза.
Целями работы является следующее:
- Удостовериться, действительно ли биогаз является одним из самых выгодных альтернативных видов топлива.
- Исследовать способы бытового применения биогаза.
- Выяснить насколько экологически чистым является производство биогаза.
2.1. Что такое биогаз и как он образуется?
Биогаз – смесь газов. Его основные компоненты: метан, углекислый газ, а также в очень малых количествах другие газы, например – сероводород (Н2S).
Так как биогаз на 2/3 состоит из метана – горючего газа, составляющего основу природного газа, его энергетическая ценность (удельная теплота сгорания) составляет 60-70% энергетической ценности природного газа, или порядка 7000 ккал на м 3 . Эквивалентом для 1м 3 биогаза может быть 700 г мазута и 1,7 кг дров.
Биогаз получается в результате анаэробной, то есть происходящей без доступа воздуха, ферментации органических веществ самого разного происхождения. 
«Метановое сбраживание» происходит при разложении органических веществ в результате жизнедеятельности двух основных групп микроорганизмов. Одна группа микроорганизмов, обычно называемая кислотообразующими бактериями, расщепляет сложные органические соединения (клетчатку, белки, жиры и др.) в более простые, при этом в сбраживаемой среде появляются первичные продукты брожения – летучие жирные кислоты, низшие спирты, водород, окись углерода, уксусная и муравьиная кислоты и др. Эти менее сложные органические вещества являются источником питания для второй группы бактерий – метанообразующих, которые превращают органические кислоты в требуемый метан, а также углекислый газ и др.
Как кислотообразующие, так и метанообразующие бактерии встречаются в природе повсеместно, в частности в экскрементах животных. Считается, что в навозе крупного рогатого скота имеется полный набор микроорганизмов, необходимых для его сбраживания. И подтверждением этому является то, что в рубце и кишечнике жвачных животных постоянно идет процесс метанообразования. Следовательно, нет необходимости применять для получения биогаза чистые культуры метанообразующих бактерий для того, чтобы вызвать процесс брожения. Достаточно лишь обеспечить для уже имеющихся в биомассе бактерий подходящие условия для их жизнедеятельности.
Итак, биогаз – это доходы из отходов.
2.2. Биогазовые установки. Строение и классификация.
Все известные биогазовые установки сходны по своему строению. Основными элементами аппаратов являются: реактор для биомассы (биореактор или метантенк), газгольдер, нагревательное устройство и устройство для перемешивания биомассы.
Биогазовые установки различаются по нескольким критериям: форме биореакторов, способам перемешивания и подогрева биомассы.
Биореактор может быть разнообразной формы, однако наиболее распространены цилиндрические.
Рассмотрим каждую из составных частей биогазовой установки.
- Отличительные черты биореактора:
- полная герметичность без всякого газообмена и протечек жидкости через стенки;
- надежная теплоизоляция;
- стойкость к коррозии.
При этом внутренняя часть камеры должна быть доступной для обслуживания, обязательны простые устройства для загрузки камеры навозом и ее опорожнения.
Биореакторы часто заглубляют в землю, что обеспечивает хорошую их теплоизоляцию и герметизацию. В бродильных камерах обязательно предусмотрена возможность надежной вентиляции.
Подогрев в биореакторах с перемешивающими устройствами осуществляется с помощью шлангов, труб и других теплообменных устройств, через которые пропускают горячую воду,температура которой не превышает 60°С,так как более высокая температура вызывает налипание на поверхностном теплообменнике частиц биомассы.
Приспособления для перемешивания:
Для эффективной работы биореактора в нем предусматривается мешалка для перемешивания сбраживаемой массы и предотвращения образования корки. Конструкции мешалок разнообразны. Они бывают механическими (с ручным или электрическим приводом), а также гидравлического или пневматического действия.
Эти аппараты выполняются в виде надстроек на биореакторе, а также отдельно стоящими, соединенными с ними трубопроводами.
2.3. Биомасса – сырьё для получения биогаза.
Биомасса – это главное, и единственное сырьё биогенератора (не считая воды, конечно). В состав биомассы могут входить любые органические отходы, причём только органические. Ими могут быть: экскременты крупного и мелкого рогатого скота, птиц, растительные и бытовые пищевые отходы.
В зависимости от своего состава биомасса влияет на объём получаемого из неё газа
Таблица 3. Содержание и выход метана в различных видах органических отходов.
Выход СН4, м 3 /кг сухого вещества
Источник
Ученые построили плазменный минизавод для производства удобрений
Использование современной плазменной технологии для производства дешевых удобрений для мелких фермеров стало реальностью. Исследователи из Технологического университета Эйндховена (TU / e) построили небольшую плазменную установку, которая производит жидкие удобрения на основе азота только с использованием солнца, воды и воздуха.
Читайте «Хайтек» в
Мини-завод по производству удобрений прост в настройке и очень эффективен. Ученые уж провели испытания в Уганде, результаты оказались успешными. Теперь исследователи планируют вывести мини-завод на рынок, чтобы он стал доступен фермерам по всему миру.
Прокормить растущее население мира — огромная проблема. Согласно прогнозам, в 2030 году на Земле планете будет проживать 8,6 млрд человек, а в 2050 году — почти 10 млрд. Искусственные удобрения, в частности — азотные, играют ключевую роль в решении этой проблемы.
Азот является одним из трех основных макроэлементов, используемых растениями для роста (наряду с фосфором и калием). В 2015 году примерно каждый второй человек получал пищу, выращенную с использованием азотных удобрений.
Хотя искусственные удобрения широкодоступны в развитом мире, в развивающихся странах они не так распространены. В Африке, где у 60% всех фермеров в своем распоряжении менее одного гектара земли, на удобрения зачастую не хватает денег, чтобы купить эту продукцию. Кроме того, удобрения часто производятся крупными транснациональными корпорациями, которые доставляют их только оптом.
Мини-завод по изготовлению удобрений Leap-Agri пригодится как раз в таком случае. В его конструкции есть небольшой реактор для производства жидких азотных удобрений, которые может использовать любой фермер, имеющий доступ к солнечному свету и воде.
Хотя технология, лежащая в основе этого, довольно современная, приложение очень низкотехнологичное. Система небольшая, простая и очень быстрая. После включения она начнет производить удобрения за считанные секунды. В мини-заводе используется плазменная технология. Плазма является четвертым состоянием материи и состоит из ионизированных атомов и молекул.
Плазма, используемая на заводе по производству удобрений, является нетепловой: в то время как электроны, управляющие реакцией, достигают чрезвычайно высоких температур, окружающий газ может оставаться относительно холодным. Это экономит энергию.
Это делает плазменную технологию привлекательной альтернативой традиционному способу производства азота, так называемому процессу Габера – Боша, который требует как высокого давления, так и высоких температур. По оценкам, процесс Хабера-Боша потребляет от 1 до 2% всей мировой энергии, выбрасывая в воздух около 300 миллионов тонн двуокиси углерода ежегодно.
При производстве азотных удобрений в плазменном реакторе используется процесс, известный как фиксация азота. Хотя 78% воздуха состоит из N2, этот газ не вступает в реакцию с другими элементами (он химически инертен). Это затрудняет использование растений. Фиксация азота решает эту проблему. Он превращает азот (N2) из воздуха в NOx, который, в свою очередь, реагирует с кислородом и водой с образованием нитрата (NO3). Затем его можно использовать в качестве ингредиента для жидких удобрений.
В случае мини-завода Leap Agri электричество для генерации плазмы обеспечивается за счет солнечной энергии, дешевого и устойчивого источника, широкодоступного в развивающихся странах.
Этот процесс очень эффективен: он производит жидкое удобрение с высоким уровнем нитратов, которое легко усваивается растениями. В Уганде исследователь NARO Стелла Кабири провела анализ, который сравнил это удобрение с другими удобрениями на местном рынке. Результат показал, что содержание нитратов составило около 20 процентов, что на 14, 42 и 51 процентный пункт выше, чем у твердых удобрений, нитрата аммония, NPK и мочевины соответственно.
Жидкие удобрения можно производить на месте и по запросу, так что каждый фермер может выбрать именно то количество удобрений и содержание нитратов, которое ему нужно для своего урожая и участка земли.
В настоящее время стоимость мини-завода все еще довольно высока (около 70 000 евро), но ученые ожидают, что цена значительно снизится, когда он будет производиться в больших масштабах.
Источник
Энергозатраты на производство удобрений (минеральные – на 1 кг д. в.,
Органические и известковые – на 1 кг физической массы)
| Вид и формы удобрений | Содержание д.в., % | Энергетический эквивалент, МДж | |
| действующего вещества | физической массы | ||
| Азотные | 80,0 | ||
| Фосфорные | 13,8 | ||
| Калийные | 8,8 | ||
| Органические (в среднем) | 0,42 | ||
| Торфо-навозные компосты | 1,70 | ||
| Известковые удобрения (в среднем) | 3,8 | ||
| Доломитовая мука | 3,6 | ||
| Азотные | |||
| Азот в сложных удобрениях | – | 152,7 | – |
| Сульфат аммония | 20,5 | 16,4 | |
| Аммиачная селитра | 34,5 | 27,6 | |
| Натриевая селитра | 16,0 | 12,8 | |
| Кальциевая селитра | 17,0 | 13,6 | |
| Мочевина | 46,0 | 26,8 | |
| КАС | 28,0 | 22,4 | |
| Аммиачная вода | 20,5 | 16,4 | |
| Аммиак жидкий | 82,0 | 65,0 | |
| Фосфорные | |||
| Фосфор в сложных удобрениях | – | 27,3 | – |
| Сульфат простой гранулированный | 20,0 | 13,8 | 2,8 |
| Суперфосфат двойной | 46,0 | 13,8 | 6,3 |
| Суперфосфат аммонизированный | N8P33 | 51,5 | 21,1 |
| Калийные | |||
| Калий в сложных удобрениях | – | 29,4 | – |
| Хлористый калий | 8,8 | 5,3 | |
| Калийная соль | 8,8 | 3,5 | |
| Сульфат калия | 8,8 | 4,2 | |
| Комплексные | |||
| Нитрофоска | NPK по 12% | 51,5 | 18,5 |
| Нитроаммофоска | NPK по 17% | 51,5 | 26,2 |
| Азофоска | NPK по 16% | 51,5 | 24,7 |
| Аммофосфат | N7P47 | 51,5 | 27,8 |
| Аммофос | N12P50 | 51,5 | 31,9 |
| АФК | N10 P20 K20 | 51,5 | 25,8 |
| АФК | N5 P16 K35 | 51,5 | 28,8 |
| ЖКУ | N10 P34 | 51,5 | 22,7 |
| Кристаллин | N20 P16 K20 | 51,5 | 28,8 |
| Микроудобрения | |||
| Борные | 12,5 | 18,8 | |
| Цинковые | 2,5 | 6,9 |
Примерные средние энергозатраты на погрузку, транспортировку и внесение
Органических удобрений при разных технологиях внесения
| Прямоточная | Перевалочная | ||
| Доза внесения, т/га | Энергозатраты, МДж/га | Доза внесения, т/га | Энергозатраты, МДж/га |
Приложение 59
Примерные энергозатраты на уборку, доработку и реализацию
Дополнительного урожая за счет удобрений
| Культура, угодья | Вид продукции | Урожайность, ц/га | Энергозатрты, МДж/ц |
| Озимая рожь Яровой ячмень Лен-долгунец Картофель Сахарная свекла Кормовые корнеплоды Кукуруза Улучшенные сенокосы Многолетние травы -//- -//- Многолетние травы Многолетние травы Однолетние травы Вико-овсяная и другие травосмеси | Зерно -//- Льносоломка Клубни Корнеплоды -//- Силос Зел. масса Сенаж З. м. Сенаж -//- Сено прессованное Рассыпное З. м. З. м | 30–40 30–40 30–40 150–250 250–350 600–800 300–400 170–250 80–120 40–60 30–50 160–200 200–250 |
Приложение 60
Средние энергозатраты на хранение, транспортировку и внесение 1 ц
Минеральных удобрений в зависимости от дальности перевозки, МДж
| Транспортировка от рельсового склада до хозяйственного, Км | Транспортировка от хозяйственного склада до поля, Км | ||||||
| Прямоточная технология | Перегрузочная технология | ||||||
| 53,4 | 59,9 | 69,3 | 83,9 | 129,9 | 60,9 | 70,0 | 82,7 |
| 65,1 | 71,6 | 81,5 | 96,0 | 139,0 | 73,1 | 82,1 | 94,8 |
| 82,4 | 89,9 | 98,7 | 113,2 | 156,2 | 90,3 | 99,8 | 112,0 |
| 118,1 | 124,6 | 134,1 | 147,9 | 191,6 | 125,7 | 134,7 | 147,4 |
Приложение 61
Коэффициенты перевода продукции растениеводства в зерновые единицы
| Культуры | Коэффициент |
| Пшеница, рожь, ячмень | 1,00 |
| Горох, бобы | 1,40 |
| Кукуруза | 0,80 |
| Вика | 1,20 |
| Овес | 0,80 |
| Соя | 1,80 |
| Сахарная свекла (корнеплоды) | 0,26 |
| Лен-долгунец: волокно | 3,85 |
| семена | 1,65 |
| соломка | 0,41 |
| Лен-кудряш: семена | 1,65 |
| Хлопок-сырец | 1,50 |
| Конопля среднерусская: волокно | 3,85 |
| семена | 1,63 |
| соломка | 0,40 |
| Подсолнечник | 1,47 |
| Просо | 0,9 |
| Гречиха | 1,40 |
| Картофель (клубни) | 0,25 |
| Овощи | 0,16 |
| Кормовые корнеплоды | 0,13–0,20 |
| Косточковые плоды | 0,14 |
| Виноград | 0,22 |
| Семечковые плоды | 0,26 |
| Цикорий | 0,26 |
| Клещевина | 1,75 |
| Эфиромасличные | 1,27 |
| Сено: однолетних трав | 0,40 |
| многолетних трав | 0,50 |
| Кукуруза на силос и зеленый корм | 0,17 |
| Силосные культуры (без кукурузы) | 0,12 |
| Горчица | 1,56 |
| Табак | 1,65 |
| Кунжут | 1,75 |
| Махорка | 1,47 |
| Мак | 1,14 |
| Солома: озимых культур | 0,20 |
| яровых культур | 0,25 |
| Ягоды | 0,12 |
Приложение 62
Коэффициенты для пересчета продукции растениеводства
В кормовые единицы
| Сельскохозяйственные культуры (основная продукция с учетом побочной) | Коэффициент пересчета |
| Зерновые культуры (в среднем) | 1,44 |
| Озимая пшеница | 1,36 |
| Озимая рожь | 1,45 |
| Яровая пшеница | 1,37 |
| Ячмень | 1,50 |
| Овес | 1,31 |
| Смесь колосовых | 1,39 |
| Гречиха | 2,19 |
| Просо | 0,96 |
| Горох | 1,40 |
| Кормовые бобы | 1,29 |
| Вика и виковые смеси на зерно | 1,40 |
| Люпин | 1,16 |
| Сераделла | 1,40 |
| Чечевица | 1,40 |
| Фасоль | 1,17 |
| Прочие зернобобовые | 1,39 |
| Рапс озимый и яровой | 2,04 |
| Лен-долгунец: семена | 2,04 |
| волокно | 7,00 |
| волокно с учетом семян | 8,50 |
| Сахарная свекла (корни с учетом ботвы) | 0,31 |
| Сахарная свекла (корни без ботвы) | 0,26 |
| Картофель | 0,30 |
| Овощи открытого грунта | 0,13 |
| Кормовые корнеплоды (корни с учетом ботвы) | 0,18 |
| Кукуруза на зеленую массу | 0,20 |
| Силосные культуры без кукурузы | 0,19 |
| Бахчи кормовые | 0,09 |
| Однолетние травы, сенокосы и пастбища: | |
| на сено | 0,49 |
| на зеленый корм | 0,18 |
| на выпас | 0,18 |
| на семена | 2,0 |
| Многолетние травы посева текущего года и прошлых лет | |
| на сено | 0,51 |
| на зеленый корм | 0,21 |
| на выпас | 0,21 |
| на семена | 12,0 |
Нормативы затрат питательных элементов удобрений (кг) для
Формирования 1 ц урожая основной продукции сельскохозяйственных культур
(с учетом побочной) в Беларуси
| Культура | N | P2O5 | K2O |
| Озимая рожь | 2,8 | 2,5 | 3,3 |
| Озимая пшеница | 2,4 | 2,2 | 2,5 |
| Яровая пшеница* | 3,7 | 3,5 | 2,9 |
| Ячмень | 2,6 | 2,3 | 2,9 |
| Овес | 2,7 | 2,6 | 2,8 |
| Гречиха | 4,4 | 5,1 | 6,4 |
| Горох | 1,7 | 2,6 | 2,6 |
| Лен-долгунец | 4,6 | 9,9 | 13,5 |
| Кукуруза (силос) | 0,29 | 0,21 | 0,23 |
| Сахарная свекла | 0,48 | 0,37 | 0,52 |
| Кормовая свекла | 0,25 | 0,17 | 0,29 |
| Картофель | 0,40 | 0,42 | 0,55 |
| Однолетние травы (сено) | 2,2 | 1,6 | 2,1 |
| Многолетние травы (сено) | 0,7 | 1,1 | 1,5 |
Справочник приоритетов минеральных удобрений
| Культуры | Коды культур | Азот | Фосфор | Калий | ||
| Основное внесение | Первая подкормка | Вторая подкормка | Основное внесение (подкормка трав) | |||
| Коды удобрений | ||||||
| Озимые зерновые (зерно) Озимые + травы | 111–114 116–119 | 68, 61–64 | 68, 61–64 | |||
| Озимые (зеленая масса) | 68,61–64 | – | 68,61–64 | |||
| Яровые зерновые (зерно) Яровые + травы | 121–127 131–135 | 12–16 61–64 | 17,16 | – | 61–64 | |
| Кукуруза (зеленая масса) | 12–16 61–64 | – | 61–64 | |||
| Яровые (зеленая масса) | 12–16 61–64 | – | – | 61–64 | ||
| Рапс (семена) | 431–432 | 12,13, 61–64 | – | – | 61–64 | 52,53,51 |
| Лен | 68, 12–16 | – | – | 68, 61–64 | 68,51 | |
| Конопля | 68, 12–16 | – | – | 68, 61–64 | 68,51 | |
| Зернобобовые (зерно) | 211–218 | 61–64 | – | – | 61–64 | |
| Картофель | 511–513 | 12,13 61–64 | – | – | 61–64 | 51–53 |
| Сахарная свекла | 12–16, 61–64 | 12,13,15 | – | 61–64 | 54,51 | |
| Кормовые корнеплоды | 561–566 | 12–16, 61–64 | 12,13,15 | – | 61–64 | 54,51 |
| Гречиха | 12–16, 61–64 | – | – | 61–64 | 52,53,51 | |
| Бобово-злаковые смеси | 620–621, 651 687–688 | 12–16, 61–64 | – | – | 61–64 | 51,54 |
| Крестоцветные (семена) | 433–436 | 12,13 61–64 | – | – | 61–64 | 51,52,53 |
| Крестоцветные (зеленая масса) | 641–646 | 12,13 61–64 | – | – | 61–64 | 51,52,53 |
| Злаковые травы | 651–658 681-686, 696 | 16,16 61–64 | 17,16 | 17,16 | 61–64 | 54,51 |
| Бобовые травы | 611-618, 691–695,698 | 61–64 | – | – | 61–64 | 54,51 |
| Сенокосы | 711–713 | 12–16, 61–64 | 16,17 | 16,17 | 61–64 | 54,51 |
| Пастбища | 721–723 | 12–16, 61–64 | 16,17 | 16,17 | 61–64 | 54,51 |
| Овощи | 521–528 | – | – | 61–64 | 52,53 | |
| Сады, ягодники | 813–814 | – | – | 61-64 | 52,53 |
Курсив – сопутствующие элементы питания
Энергетические затраты на погрузку, транспортировку и внесение
Твердых органических удобрений (МДж/т)
Источник