Способ использования солнечной энергии

Изобретение относится к области лесного хозяйства. В способе древесные материалы сжигают в присутствии кислорода с получением тепла и смеси газов, содержащих углекислый газ. Затем углекислый газ выделяют из смеси и получают сухой лед. Сухой лед доставляют в зону лесного массива, регазифицируют, распределяют по площади зоны путем перемешивания с воздухом до получения избыточной среднесуточной концентрации углекислого газа от 0,05 до 0,2% по объему. Углекислый газ в дальнейшем поглощается в результате фотосинтеза деревьями, которые впоследствии сжигают. Способ позволяет удалять из атмосферы углекислый газ и способствует ускоренному выращиванию лесов. 1 табл.

 

Предлагаемое изобретение относится к областям энергетики и экологии и, в частности, к способам ведения лесного хозяйства, а также к способам химической и биологической очистки отходящих газов от загрязнения промышленными выбросами углекислого газа.

Использование древесины в качестве возобновляемого топлива известно как наиболее доступный способ использования солнечной энергии. Вместе с тем, при сжигании всех видов органического топлива выделяется углекислый газ, который представляет собой однин из главных загрязнителей атмосферы, борьба с которыми объявлена Киотским протоколом. В то же время лес является естественным и масштабным поглотителем углекислого газа. Развивая этот природный цикл круговорота углерода, можно избежать энергетического и экологического кризисов.

Известен Способ выращивания древесных растений по патенту РФ №2017402 (кл. МПК A01G 23/00), по которому лес наращивают за счет регулярного ухода.

Известен также Способ повышения продуктивности леса по патенту №2054242, по которому в лесу выбирают и доращивают деревья главного пользования.

Известен также Способ биологической защиты окружающей среды от экотоксикантов по патенту №2092031, по которому лес используют для поглощения токсичных газов.

Известен также Способ создания защитных насаждений вокруг промпредприятий по патенту №2197079, по которому для поглощения вредных выбросов предприятий рядом с ними высаживают деревья с созданием террас и систем орошения.

Известна Система очистки воздуха от диоксида углерода по патенту РФ №2097115 (кл. МПК B01D 53/62), по которому углекислый газ (УГ) поглощают в слое сорбента адсорбера, а затем регенерируют.

Известно также Устройство для извлечения УГ из газовых смесей по патенту №2207185, по которому УГ извлекают из смесей путем их охлаждения и промывки с абсорбцией УГ агентом, циркулирующим в замкнутом цикле через абсорбер.

Известен также Способ утилизации дымовых газов по патенту №2185323, по которому дымовые газы охлаждают, а УГ извлекают из смеси путем их мокрой фильтрации.

Известны также способы конденсации УГ в жидкость и сухой лед.

Известен Способ получения углекислотного льда по авт. св. СССР №1703617, по которому замораживание части жидкой углекислоты производят путем ее переохлаждения при возгонке и отводе газообразной фазы.

Известен также Способ производства сухого льда по авт. св. СССР №1112202 (кл. МПК С01В 31/22), по которому УГ сжимают, охлаждают, сжижают и дросселируют до давления образования сухого льда.

Последний способ принят за прототип предлагаемого способа. Описанный способ не решает задачи удаления УГ с получением солнечной энергии.

По предложенному способу древесные материалы, как любое углеводородное топливо, сжигают с кислородом с получением тепла и смеси газов, содержащих углекислый газ (УГ), последний выделяют из смеси и конденсируют в жидкость или сухой лед.

В отличие от известного способа полученный конденсат доставляют в зону лесного массива, регазифицируют, распределяют по площади зоны и смешивают с воздухом до получения избыточной среднесуточной концентрации УГ от 0,05% до 0,02% по объему для поглощения его в результате фотосинтеза деревьями, которые впоследствии сжигают.

Полезными эффектами предложенного способа являются использование древесных материалов в качестве возобновляемого носителя солнечной энергии, удаление выделяемого УГ из атмосферы и ускоренное выращивание лесов для восстановления и обогащения природной среды обитания. В результате предложенного цикла использования древесины содержание УГ в атмосфере будет существенно уменьшаться, так как при сжигании древесины большая часть энергии выделяется за счет сгорания водорода при круговом обороте углерода.

При этом благодаря распространенности лесов на Земле доставка УГ от места его выделения до места удаления в большинстве стран не представляет трудностей. В дальнейшем лесные массивы могут быть выращены вблизи объектов, генерирующих УГ. Доставка УГ в лесной массив может быть выполнена в этом случае не только подвижным транспортом, но и трубопроводом в виде смеси пылевидного сухого льда с воздухом. Конденсат УГ доставляют в лесной массив, размеры которого рассчитывают для конкретного промышленного объекта, приравнивая его производительность по выбросу УГ производительности поглощения газа во всей зоне массива. Таким образом, зона удаления УГ занимает определенную территорию. В районах, где в зимний период леса замирают и прекращают поглощение УГ, на это время могут быть устроены открытые склады сухого льда с простейшей теплоизоляцией.

Место регазификации УГ может находиться в центре или в любом месте внутри или вне зоны удаления. Регазификация УГ может осуществляться в теплообменнике с любам теплоносителем. При этом энергия регазификации позволяет поднять давление газа и использовать его для распределения и смешения газа с воздухом.

Для распределения газа по площади зоны удаления может быть использована система труб, например, расходящихся от центра зоны. Для смешения УГ с воздухом трубы могут иметь дозирующие отверстия, расположенные по длине труб.

Отличием предложенного способа является также интенсификация процесса поглощения УГ растениями за счет превышения нормальной концентрации УГ в воздухе. Вместо нормального содержания УГ в воздухе 0,03% предлагается подмешивать УГ в избыточном соотношении с воздухом от 0,05% до 0,02% по объему.

Известны результаты многих опытов по исследованию газообмена в течение большого периода времени, при которых наблюдалась тесная связь между поглощением УГ и приростом сухой биомассы.

Приведены результаты исследований суточного хода роста, фотосинтеза и у озимой пшеницы (Шевелуха, Ковалев, 1973).

Интенсивность фотосинтеза различных видов растений в значительной мере зависит от большого числа внешних факторов, среди которых наиболее важными являются: свет (интенсивность и спектральной состав), температура, концентрация CO₂ и O₂ водный режим, минеральное питание, а также - внутренних особенностей - возраста, содержания хлорофилла и др. Количественные и качественные характеристики фотосинтетической продуктивности С₃- и С₄-растений приведены в таблице.

Показатель	Размерн.	С3-растения	С4-растения	Источник
Продукты первичной фиксации СО2	-	ФГК	Яблочная к-та	То же
Оптимальная температура для фотосинтеза	°С	20-25	30-40	Raghawendra, 1978; Быков, 1980; Берри и др., 1987
Сетевое насыщение фотосинтеза	Клк	20-40	60-90	Raghawendra, 1978; Рубин 1979; Быков, 1980
СО2 - компенсационный пункт	%	>0,005	<0,005	Рубин и др. 1977; Raghawendra, 1978
Оптимальная концентрация СО2 в воздухе	%	0,007-0,10	0,03-0,04	То же
Ингибирование интенсивности фотосинтеза О2		Значительное	Не измеряется	Натр. 1984; Эдвардс и др., 1986
Максимальная интенсивность фотосинтеза	Мг (СО2) дм-2·ч-1	25-40	50-90	Salep, 1977; Натр, 1984
Транспирационный коэффициент	г Н2О г сух. Массы сут-1	400-500	200-400	Быков, 1980
Максимальные суточные приросты биомассы	Ц/га сутки	1,5-3	8-9	Устенко, 1978

Расчет энергетической эффективности фотосинтеза показывает, что на усвоение 1 молекулы СО₂ в процессе фотосинтеза требуется порядка 8-10 квантов ФАР, или в среднем 500 ккал энергии, а на усвоение 1 грамм-молекулы CO₂ используется 112 ккал, что составляет 22,4% поглощенной энергии. На дыхание растения затрачивают 20-30% запасенной энергии. Таким образом КПД поглощенной ФАР для полевых растений равен 16-8% (Ничипорович, 1978).

Содержание СО₂ в воздухе является одним из важнейших факторов, определяющих интенсивность фотосинтеза. Его концентрация в естественных условиях очень мала (0,03%, или около 300 мг/л), и каждое колебание содержания СО₂ отражается на величине фотосинтеза. Как видно из данных таблицы, у растений С₄ насыщение углекислотой происходит при более низких ее концентрациях (0,04%), чем у С₃ (0,1%).

В настоящее время в естественных условиях содержание СО₂ нередко бывает главным фактором, лимитирующим интенсивность фотосинтеза. На биологическом факультете университета в Антверпене (Nijes et al., 1988) исследовали влияние концентрации СО₂ в атмосфере на газообмен, рост и продуктивность райграса пастбищного в закрытых теплицах при содержании CO₂ 367 и 620 см³/м³. Посевы, выращенные при высокой концентрации СО₂, накапливали в среднем на 43% больше сухого вещества по сравнению с более низким содержанием углекислоты (367 см³/м³).

В лаборатории радиографической службы Франции изучали реакцию пшеницы на увеличение содержания CO₂ при различной плотности посева (Cloux et al., 1987). Растения пшеницы выращивали в контролируемых условиях при концентрации СО₂ 330 и 660 см³/м³. Отношение сухой массы растений при высокой концентрации СО₂ к сухой массе в контроле составляло через 15 дней - 1,50. Относительный прирост фитомассы возрастал в течение первых 13 дней.

Специалисты службы сельскохозяйственных исследований в штате Флорида США (Allen el et., 1987) изучали влияние концентрации углекислоты на фотосинтез, рост биомассы и урожай зерна сои при помощи полевых камер. Отмечено, что с увеличением содержания СО₂ в воздухе с 315 до 630 мкл/л повышение фотосинтеза составило 53%, биомассы растений - 43% и урожая зерна - 32%.

В ВИУА изучали в фитотроне влияние различных концентраций СО₂ в воздухе (350 и 700 мкл/л) на интенсивность фотосинтеза, рост, развитие и продуктивность различных сортов пшеницы и ячменя при температурных режимах (день/ночь) - 20/14, 23/17, 28/23°С и мощности лучистого потока 130 Вт/м² (Пухальская, 1997). Показана возможность повышения зерновой продуктивности при увеличении содержания углекислоты в два раза - пшеницы в среднем по опытам на 43% и ячменя на 54%.

Между факторами существует взаимосвязь. Как и в случае с другими жизненными процессами, проявляемся общий принцип лимитирования - скорость процесса определяется тем фактором, который находится в минимуме. Так, при содержании СО₂ в воздухе 0,02% световое насыщение фотосинтеза наступает уже при освещенности 8 клк, а с увеличением концентрации углекислоты повышается и точка светового насыщения (Образцов, 1981).

Установлено, что повышение концентрации СО₂ приводит к пропорциональному росту интенсивности фотосинтеза и, как следствие, возрастанию дыхания.

Влияние УГ на рост лесов исследовалось американскими учеными вашингтонского института Карнеги. Они установили, что повышение конденсации азота в почве в сочетании с более влажным воздухом, повышением температуры и концентрации УГ вызвало увеличение роста растений на 44%.

(Источник: The Straits Times)

Ученые из Дюкского (Duke) университета под руководством Уильяма Шлезингера (William Schlesinger) провели мониторинг роста взрослых деревьев в Дюкском лесу. Выяснилось, что деревья в "атмосфере 2050 года", то есть при удвоенной концентрации УГ, связывали на 27% больше углерода, чем деревья в контрольных участкам.

(Источник: по материалам журнала New Scientist.)

В течение прошлых шести лет Норби и его коллеги из Национальной Лаборатории ОкРиджа исследовали последствия роста уровней углекислого газа на лесополосе деревьев, находящихся в нескольких милях от них. Эксперимент состоял из постоянной искусственной закачки тонн углекислого газа в лесополосу, что поднимало концентрацию углекислого газа в среде деревьев приблизительно в 370 раз по сравнению с обычным уровнем. Последствия этого воздействия изучались на протяжении нескольких лет. Результаты показали, что молодые деревья и другие зеленые растения отвечают благоприятно на рост концентрации атмосферного углекислого газа. При этом не учитывалось, что с ростом СО₂ существенно увеличивался и рост корней деревьев.

Однако длинная жизнь деревьев и их большие размеры являются причиной того, что леса трудно насыщаемы углекислым газом.

Лесные растения в отличие от полевых имеют существенно иные условия роста. Световой поток, падающий на поля, используется недостаточно эффективно, так как значительная часть его поглощается землей, отражается от нее и от растений, а сами растения имеют ограниченную поверхность листвы. При этом повышение дневной температуры воздуха и снижение влажности отрицательно влияют на фотосинтез. В лесном массиве использование светового потока более полно. Многоярусное расположение листвы на деревьях обеспечивает снижение потерь энергии, хорошее рассеивание светового потока, значительно большую поверхность листвы, стабильное поддержание нормальной температуры и повышенной влажности воздуха в лесу. Однако при активном фотосинтезе в объеме леса снижается концентрация УГ в воздухе, что существенно замедляет процесс поглощения газа. Это подтверждается приведенными выше экспериментами. Прирост деревьев при увеличении концентрации УГ даже без учета роста корневых систем составляет объемы, намного превосходящие естественный прирост леса. Таким образом, следует ожидать в лесном массиве значительно больших степеней использования ФАР, вплоть до 60% и более. Кроме того, наблюдая в естественных условиях значительное различие в скорости роста некоторых пород деревьев, можно ожидать, что отдельные породы, такие как тополь и осина, способны более интенсивно усваивать УГ.

Таким образом, можно рассчитывать, что продуктивность лесных пород при усиленном питании углекислым газом будет повышаться с увеличением концентрации УГ. В этих условиях для поглощения выброса УГ крупной ТЭС около 200 т/час потребуется ограниченная зона удаления газа площадью несколько квадратных километров. Это вполне приемлемо для достижения поставленной цели - удаления УГ в оборудованной зоне лесного массива.

Пример 1. Обычная углесжигающая ТЭС может быть переведена на сжигание пылевидной древесины, имеющей калорийность бурого угля. Дымовые газы деревосжигающей ТЭС с расходом 1 млн. м³/час после очистки от летучей золы охлаждаются водой в мокром скруббере, а затем - хладоагентом до температуры замерзания воды. После отделения льда смесь газов захолаживается в теплообменнике хладоагентом до температуры превращения УГ в сухой лед. Расход УГ составляет 216 т/час. Твердый пылевидный УГ отделяют от газовой смеси и подают пневмотранспортом в теплоизолированный контейнер, а охлажденную газовую смесь используют в регенеративном цикле как производный хладоагент, нагревают встречным газовым потоком и выбрасывают в атмосферу. В качестве основного хладоагента используется жидкий воздух или азот. Твердый УГ с расходом около 216 т/час доставляют в контейнерах в оборудованную зону ближайшего лесного массива. Лесной массив оборудован регазификатором и сетью труб, распределяющих УГ по всей площади зоны. Регазификатор УГ может быть расположен в центре зоны. В регазификаторе УГ нагревают теплоносителем до нормальной температуры и подают в сеть труб под давлением 3-5 кПа. В качестве теплоносителя используют продукты сгорания топлива или воздух. Охлажденный в регазификаторе воздух используют в холодильном цикле при сжижении воздуха. Трубы прокладывают от центра зоны лучами и уменьшают их по диаметру по мере удаления от центра. В трубах по их длине выполнены дозирующие отверстия, через которые УГ выходит и смешивается с воздухом. При истечении УГ в атмосферу в струю эжектируется воздух и концентрация УГ снижается до 3-5%. Дальнейшее смешение УГ с воздухом происходит за счет конвективного, диффузионного, турбулентного и ветрового переноса за время до начала дневного фотосинтеза УГ. К этому времени расчетная концентрация УГ в воздухе превышает номинальную в 5,5 раз и составляет около 0,3%. В течение дня по мере поглощения УГ его концентрация в воздухе снижается до номинальной 0,05%. В зимнее время пылевидный УГ непрерывно подают на другой участок лесного массива, где накапливают весь УГ в баках теплоизолированного хладосклада. За время зимы накапливают до 1,1 млн.т УГ, который занимает объем до 700 тыс.м³. Такой хладосклад имеет сегодня реально исполнимые размеры 130×130×50 м и размеры действующих объектов - суда-газовозы вместимостью более 200 тыс.м³ для перевозки сжиженного природного газа.

Среднее значение ФАР принимается равным 1 кВт/м², или 1000 МВт/км².

УГ подается и распределяется по зоне непрерывно в течение суток. Принимая равное деление суток между ночью и днем, по 12 часов, определяем среднесуточную избыточную концентрацию УГ как 6,5-кратную часовому расходу УГ, подаваемого в зону и равного в пашен случае 60 кг/сек, или при плотности УГ 1,73 кг/м³, - 125 тыс.м³/час. Объем воздуха в зоне при высоте деревьев 15 м составляет 15 млн.м³/км². Принимая КПД фотосинтеза 17% и относя его к избыточной массе УГ, определяем энергию поглощения УГ как 280,8 кВт/г и поглощательную способность леса, равную 12,8 т/км²·час. Потребная площадь зоны составит 16,8 км², а среднесуточная концентрация УГ в зоне составит 0,05%. Таким образом, снижение концентрации УГ в зоне поглощения ниже 0,05% невыгодно, так как увеличивает размеры зоны и стоимость ее оборудования трубами.

Пример 2. Максимальная эффективность преобразования световой энергии в биомассу может составить не более 70%. Принимая для условий примера 1 КПД усвоения УГ равным 68%, определяем энергию поглощения УГ как 70,2 кВт/г и поглощательную способность леса как 51,2 т/км².час. В этом случае размер зоны поглощения УГ составит 4,2 км², а среднесуточная концентрация УГ в зоне составит 0,2%. Большее повышение содержания УГ в воздухе нецелесообразно, так как усвоение УГ будет ограничено из-за недостатка световой энергии.

Пример 3. Наиболее вероятна для леса средняя в указанном диапазоне величина эффективности поглощения УГ, то есть 34%. При условиях примера 1 определяем энергию поглощения УГ как 140,4 кВт/г и поглощательную способность леса как 25,6 т/км².час. В этом случае размер зоны поглощения УГ составит 8,4 км², а среднесуточная концентрация УГ в зоне составит 0,1%.

Приведенные расчеты показывают, что практически для предельного выброса промышленного объекта размеры зон удаления УГ во всех примерах имеют реальную величину, пригодную для необходимого обустройства.

Предложенное техническое решение имеет широкую область применения, так как основными источниками промышленных выбросов УГ являются топливосжигающие промпредпрятия: ТЭС, металлургические, химические, цементные и другие заводы, работающие, как правило, в непрерывном режиме и использующие невозобновляемые источники энергии. С другой стороны, поглощательная способность различных деревьев еще недостаточно изучена, что позволяет рассчитывать на нахождение и культивирование в зонах удаления УГ более эффективных видов деревьев, таких, например, как груша. Наконец, учитывая двойную полезность леса как источника топлива и как поглотителя самого распространенного парникового газа, предприятия должны культивировать зоны лесных массивов для поглощения УГ в непосредственной близости от себя. Кроме того, для приема УГ, вырабатываемого в зимнее время, склады с запасами сухого льда должны располагаться рядом с предприятиями и с другими зонами удаления УГ.

Способ удаления из атмосферы углекислого газа с использованием солнечной энергии, запасаемой в древесных материалах, при котором последние сжигают с кислородом с получением тепла и смеси газов, содержащих углекислый газ, последний выделяют из смеси и из него получают сухой лед, отличающийся тем, что сухой лед доставляют в зону лесного массива, регазифицируют, распределяют по площади зоны и смешивают с воздухом до получения избыточной среднесуточной концентрации углекислого газа от 0,05 до 0,2% по объему, поглощаемого в результате фотосинтеза деревьями, которые впоследствии сжигают.