ГАЗИФИКАЦИЯ ТВЁРДЫХ ТОПЛИВ: Специфические качества технологического процесса и возможные области использования газогенераторной техники.

English version

The Timber Industry Worker

Журнал "Лесопромышленник"

Интернет-журнал "Лесопромышленник"

СЕГОДНЯ: БИОЭНЕРГЕТИКА

  

ГАЗИФИКАЦИЯ ТВЁРДЫХ ТОПЛИВ

Специфические качества технологического процесса и возможные области использования газогенераторной техники

В.В. Копытов, к.т.н.

Газификация конденсированных топлив

Копытов В.В. Газификация конденсированных топлив: ретроспективный обзор, современное состояние дел и перспективы развития.

В настоящей книге представлен иллюстрированный исторический путь зарождения, становления, расцвета, временного забвения, современного уровня развития и перспектив технологий и оборудования газификации конденсированных топлив. Рассмотрены основные направления их применения.

Приобрести книгу можно в издательствах:

"Инфра-Инженерия" (электронная версия - http://infra-e.ru/)

"Агрорус XXI" (бумажная версия - www.agroxxi-shop.ru).

Газификацией твёрдых топлив (ГТТ) называется процесс преобразования (конверсии) органической части твёрдого топлива (ТТ) в генераторный газ (ГГ), удобный для последующего сжигания, как в горелках котлов различного назначения, так и в камерах сгорания (внешних и внутренних) двигателей различных типов.

В основе технологического процесса газификации лежит способность органической части ТТ переходить при определённых условиях из твёрдого в газообразное состояние с образованием монооксида углерода (угарного газа) и водорода. Назначение оборудования газификации твёрдых топлив – создать такие условия.

Одним из таких необходимых условий является процесс термохимической деструкции ТТ, называемый пиролизом. Пиролиз внутри реакторов газогенераторов происходит в результате нагрева топлива при отсутствии кислорода. В автотермическом режиме нагрев ТТ обеспечивается за счёт окисления части газифицируемого топлива (≈ 10…30% в зависимости от характеристик ТТ и оборудования газификации) без подвода теплоты извне. Отсутствие кислорода в зонах формирования генераторного газа и пиролиза (восстановительной зоне и зоне коксования) объясняется тем, что подаваемые в реактор газифицирующие агенты, сбалансированы таким образом, что весь содержащийся в них кислород используется в зоне окисления (зоне горения).

В процессах пиролиза ТТ, обычно происходящего при температуре ≈ 400…900 0С, и взаимодействия продуктов пиролиза с кислородом газифицирующих агентов при температуре, как правило, ≈ 900…1 350 0С по экзотермическим химическим реакциям С + О2 = СО2 + 409 кДж / моль и 2С + О2 = 2СО + 246 кДж / моль выделяется теплота. Эта теплота используется в процессах:

  • сушки ТТ при температуре ≈ 150…400 0С;
  • взаимодействия продуктов пиролиза с диоксидом углерода и водяным паром при температуре ≈ 750…1000 0С по эндотермическим химическим реакциям (С + СО2 = 2СО – 162 кДж / моль и С + Н2О = СО + Н2 – 137 кДж / моль);
  • подогрева газифицирующих агентов при температуре теплоносителей (продуктов газификации) ≈ 200…900 0С.

В результате вышеприведённых химических реакций происходит образование монооксида углерода и водорода – основных горючих компонентов генераторного газа. Результаты других химических реакций, имеющих место при газификации ТТ, в виду их незначительного влияния на состав и калорийность генераторного газа, можно не рассматривать. Условия, необходимые для протекания химических реакций газификации и сопутствующих им процессов в соответствующих зонах реактора, обеспечиваются правильной организацией тепломассообмена.

Таким образом, при правильно сбалансированных потоках топлива, инертного материала (при наличии) и газифицирующих агентов, подаваемых в реактор, а также при правильной организации тепломассообмена внутри реактора исходное ТТ с достаточно высокой эффективностью (химический КПД газификации 0,65…0,9) преобразуется в конечные продукты термохимической деструкции сложных органических веществ – горючий генераторный газ и твёрдый зольный остаток.

В Российской Федерации созданием технологий и оборудования газификации твёрдых топлив, в частности, занимаются следующие организации и предприятия:

  • Институт проблем химической физики РАН, г. Черноголовка Московской области;
  • ГНУ ВИЭСХ, г. Москва;
  • ФГУП «НПЦ газотурбостроения «Салют» (до марта 2011 г. ФГУП ММПП «Салют»), г. Москва;
  • ЗАО «Энергетические схемы и технологии», г. Москва;
  • ООО «БиоРЕКС», г. Москва / г. Тольятти Самарской обл.;
  • ООО «ЦНИДИ», г. Санкт-Петербург;
  • ЗАО «ТУРМАЛИН», г. Санкт-Петербург;
  • ЗАО Концерн «ЕвразЭнергоПром», г. Екатеринбург;
  • ООО «Адаптика-завод» / ООО «ИНТЕРРЕМАШ», г. Брянск.

Например, ФГУП «НПЦ газотурбостроения «Салют» ведёт работы по созданию оборудования газификации твёрдых топлив параллельно по двум направлениям:

I. Создание крупногабаритного оборудования газификации твёрдых топлив с противоточным «вертикальным» либо с прямоточным «горизонтальным» процессами газификации (см. Рис. 1 и Рис. 2).

Рис. 1 Визуализация 3 D модели твёрдотопливной электростанции ТЭС 1

Рис. 2 Визуализация 3 D модели комплекса газификации туннельного типа

Основной характеризующий признак, отличающий это оборудование, – сравнительно большая единичная электрическая (от 1,0 МВт) и тепловая (от 2,0 Гкал/час) мощность. «Платой» за это является необходимость проведения строительно-монтажных работ, в т.ч. работ по устройству фундаментов, при вводе оборудования в эксплуатацию (средняя трудоёмкость не менее 3 000 чел часов).

II. Создание компактного модульного оборудования газификации твёрдых топлив с прямоточным «вертикальным» процессом газификации (см. Рис. 3 и Рис. 4).

Рис. 3 Твёрдотопливная модульная электростанция ТЭС 100

Рис. 4 Твёрдотопливная модульная электростанция ТЭС 100 / П 200

Основной характеризующий признак, отличающий модульное оборудование, – сравнительно небольшая единичная электрическая (до 500 кВт) и тепловая (до 1,0 Гкал/час) мощность. Однако при этом отсутствует необходимость проведения строительно-монтажных работ, в т.ч. работ по устройству фундаментов, при вводе оборудования в эксплуатацию (время развёртывания на неподготовленной грунтовой площадке силами бригады из 4 х человек составляет не более 16 часов; средняя трудоёмкость – не более 64 чел-часов).

В последнее время в периодических изданиях стали появляться отдельные сообщения об интересе к технологиям газификации твёрдых топлив и со стороны отечественных предприятий, в т.ч. двигателестроителей (в частности ОАО «Авиадвигатель», г. Пермь), крупных инжиниринговых (например, ОАО «ЭМАльянс», г. Москва) и научных центров (таких как, Институт проблем химической физики (в г. Черноголовке) РАН и Новосибирский институт биоорганической химии СО РАН).

Учёные Иркутского института физиологии и биохимии растений СО РАН создают новые виды быстрорастущих тополей, которые могут быть сырьём для газификации и, при необходимости, последующего синтеза искусственных моторных топлив, масел и смазок.

Если рассматривать вопрос в принципе, то получаемый в результате газификации ТТ генераторный газ может использоваться в системах лучистого обогрева (при условии применения горелок инфракрасного излучения, работающих на генераторном газе), в качестве котельного топлива в котлах различного назначения (при условии применения специальных горелок для сжигания генераторного газа), а также как топливо двигателей внутреннего (при условии применения оборудования очистки и охлаждения генераторного газа) и внешнего (при условии применения горелок, аналогичных котельным) сгорания.

Последний тип двигателя следует признать предпочтительным с точки зрения эффективности и экономичности использования генераторного газа. Это обусловлено тем, что в результате снижения (либо снятия совсем) требований по очистке генераторного газа не только упрощается и удешевляется оборудование газоочистки (требования современных двигателей внутреннего сгорания (ДВС) в части содержания в топливе смолистых веществ и твёрдых частиц по сравнению с началом и серединой прошлого века серьёзно ужесточились), но и повышается теплотворная способность газа за счёт содержащихся в нём горючих низко- и высокомолекулярных органических соединений (например, спиртов и, особенно, смол). Кроме того, в связи со снятием требований по охлаждению генераторного газа одновременно с экономией на соответствующем оборудовании и хладагентах свой вклад в нагрев рабочего тела энергоустановок с внешними камерами сгорания внесёт и физическое тепло горячего генераторного газа.

Генераторный газ имеет высокую детонационную стойкость (способность топлива противостоять самовоспламенению при сжатии), т.к. его октановое число находится в диапазоне от 110 до 140 (для сравнения: у бензина – 91…98; у природного газа – 120…130). Это позволяет повышать степень сжатия и / или ресурсные показатели двигателей (по сравнению с работой на жидких видах топлив).

В силу объективных причин себестоимость твёрдотопливных электростанций значительно превышает себестоимость аналогичных энергогенерирующих комплексов, работающих на продуктах нефтепереработки и природном газе. Поэтому экономическая целесообразность применения такого оборудования напрямую зависит от эксплуатационных расходов, прежде всего от разницы между стоимостью жидких, газообразных и твёрдых топлив.

В связи с этим, предполагаемые места эксплуатации твёрдотопливных электростанций – это, как правило, небольшие населенные пункты с неразвитой инфраструктурой, в т.ч. без централизованных систем тепло- и электроснабжения, расположенные в отдалённые районы Сибири, Дальнего Востока и Крайнего Севера, а также другие регионы с высокой стоимостью жидких и газообразных видов топлив.

Энергетические комплексы на базе оборудования газификации твёрдых топлив могут производить электроэнергию как в жесткой привязке к внешним электросетям (в режиме «Grid Connect»), так и автономно, независимо от внешних электросетей (в режиме «Stand Alone»). Возможна (и в большинстве случаев целесообразна) также работа комплексов в режимах когенерации (производство одновременно электроэнергии и тепла) и тригенерации (электроэнергия + тепло + холод).

В виду наличия водорода в составе генераторного газа, последний может также рассматриваться в качестве энергоносителя для получающих всё большее распространение топливных элементов (в английской терминологии: «fuel cells») и других направлений водородной энергетики.

Ещё один перспективный вариант применения оборудования газификации твёрдых топлив в сфере «зелёной» энергетики – создание «симбиоза» с фотобиореакторами для выращивания водорослей в целях получения биотоплива (см. Рис. 5).

Рис. 5 Фотобиореактор для выращивания водорослей

В этом случае конечные продукты газификации используются для создания оптимальных условий роста, жизнедеятельности, размножения и наращивания фитомассы водорослей (электроэнергия – для питания автономных источников света, тепловая энергия – для создания нужного температурного режима, углекислый газ – для обеспечения реакции фотосинтеза, азот и минерализованный зольный остаток – в качестве составляющих питательной среды). Из отходов производства биотоплива, в свою очередь, может формироваться топливо для газификации, а выделяемый при фотосинтезе кислород из фотобиореакторов – подаваться в реакторы-газогенераторы, исключая «кислородное отравление» водорослей.

При такой технологической схеме выращивать водоросли и производить биотопливо можно непрерывно в базовом режиме (без остановок на ночь, и снижения объёмов выработки зимой), в т.ч. в местах с дефицитом солнечного света и тепла, и без использования централизованных систем энергоснабжения.

Водоросли также могут служить сырьём для производства удобрений, фармацевтических препаратов и продуктов питания.

Технологии и оборудование газификации твёрдых топлив, кроме использования в энергетике, при утилизации отходов и в химической промышленности, имеет и другие возможные сферы применения.

При организации неполной газификации ТТ (пиролиза) возможно получение дополнительного ценного продукта – газогенераторного среднетемпературного кокса, способного служить заменителем классическому коксу в металлургической промышленности.

Возможно также использование оборудования газификации твёрдых топлив в теплофикационных и технологических целях. Например, в системах лучистого обогрева, обжиговых печах и сушильных камерах. При этом физическое тепло генераторного газа может быть использовано для термообработки стеновых панелей и изделий из полимербетона, сушки и обжига концентратов цветных металлов, осуществления других технологических процессов в строительстве и металлургии, а также для сушки сырья, полуфабрикатов и готовой продукции в иных отраслях промышленности и сельском хозяйстве.

В качестве одного из последних примеров такого применения можно привести запуск в эксплуатацию 12.11.10 г. в п. Балахта Красноярского края комплекса сушки зерна на базе газогенераторного блока, работающего на калиброванном буром угле Большесырского месторождения (см. Рис. 6).

Рис. 6 Газогенераторный блок из состава комплекса сушки

Наибольшее распространение в нашей стране и в мире получили технологии газификации твёрдых топлив в плотном слое, в потоке и в кипящем слое.

Известны также технологии газификации твёрдых топлив под высоким давлением (например, газогенераторы Лурги), с использованием тепла атом-ных и термоядерных реакторов, с встроенными плазмотронами и множество других.

Среди последних можно отметить технологию плазменной газификации «BioSynGas», разработанную американской фирмой «Solena», технологию «PGM», прод-вигаемую на территории России и стран СНГ ООО «Эко Прогресс Энерджи» («дочкой» российско-израильской компании «Environmental Energy Resources Ltd»), технологии плазменной газификации твёрдых отходов «Московского радиотехнического института РАН» и «Института электрофизики и электроэнергетики РАН».

Особняком стоят технологии подземной газификации углей и горючих сланцев, о возможности которой российский химик Д.И.Менделеев писал ещё в 1888 г.

В его статье, опубликованной в журнале «Северный вестник», есть слова: «… Настанет, вероятно, со временем даже такая эпоха, что угля из земли вынимать не будут, а там, в земле, его сумеют превращать в горючие газы, и их по трубам будут распределять на далёкие расстояния».

Первый в мире проект подземной газификации углей был разработан в СССР в 1928 г. Эксперименты проводились на подмосковном бассейне (Шатская станция в окрестностях г. Тулы) и в Кузбассе (г. Ленинск-Кузнецкий). В настоящее время технология подземной (как, впрочем, и наземной) газификации угля развивается на Дальнем Востоке (Дальневосточный государственный технический университет и КГУП «Примтеплоэнерго» совместно с китайскими партнёрами).

На постсоветском пространстве методом подземной газификации вырабатывается газ из бурого угля на Ангренском месторождении (Узбекистан).

Для реализации этой идеи было создано специальное оборудование, в т.ч. наклонного и горизонтального бурения, поскольку в этом случае газификация горючих ископаемых происходит прямо на месте их залегания. Практическое применение в XX веке такие технологии, кроме СССР, получили в США, ФРГ, Франции и др. странах. В некоторых странах подземная газификация имеет место и в настоящее время.

Рис. 7. Схема подземной газификации

Новое звучание подземная газификация получила в последнее время применительно к газификации горючих сланцев.

В некоторых стра-нах Европы сланцевый газ рассматривается как серьёзная альтернатива российскому природному газу.

Главным преимуществом технологии газификации твёрдых топлив (по крайней мере, с экологической точки зрения) является низкий уровень негативного воздействия на окружающую среду.

Это, в первую очередь, обусловлено достаточно продолжительным (более 3-х секунд) нахождением газообразных продуктов газификации твёрдых топлив сначала в зоне окисления (горения) при температурах 1 000…1 200 0С, а затем в восстановительной (бескислородной) зоне формирования генераторного газа. При таких условиях происходит термическое разложение и восстановительное дехлорирование наиболее опасных веществ - диоксинов, фуранов, полихлорбифенилов, бенз(а)пиренов и других полициклических ароматических углеводородов.

Ещё одним преимуществом газификации в сравнении с прямым сжиганием ТТ является образование гораздо меньших объёмы газов, подлежащих очистке. Кроме того, в результате более полного (в сравнении с прямым сжиганием ТТ) сгорания газообразного топлива образуется значительно меньшее (в разы, а, по некоторым позициям, и на порядки) количество вредных для окружающей среды химических соединений (как в дымовых газах, так и в зольном остатке).

Всё это позволяет существенно сэкономить на дорогостоящем оборудовании газоочистки дымовых газов, выбрасываемых в атмосферу (стоимость такого оборудования, например, в составе мусоросжигающих заводов составляет более 50%) и оборудовании обеззараживания твёрдых вторичных отходов.

Наконец, при газификации недожог топлива сравнении с прямым сжиганием существе ниже, т.к. происходит почти 100% конверсия углерода при переходе его из твёрдого в газообразное состояние, а в генераторном газе / зольном остатке практически отсутствует сажа / непрореагировавший углерод.

Газификации могут быть подвергнуты все известные виды горючих ископаемых (каустобиолитов), а также любые углеродсодержащие отходы в конденсированном виде (по отдельности и в самых разнообразных смесях) с влажностью и зольностью до 50% и широким диапазоном гранулометрического состава (от долей до сотен миллиметров), включая осадки канализационных и сточных вод. При этом можно получить генераторный газ заданного химического состава или заданной теплоты сгорания, так как эти показатели определяются выбранной схемой газификации, а также температурой, давлением и составом применяемых газифицирующих агентов.

Нужно отметить, что ТТ растительного происхождения, произведённое из специально выращиваемой быстрорастущей фитомассы (тепличные и фотобиореакторные водоросли, древесные, кустарниковые и травянистые энергетические посадки («энергетические леса») и т.п.), а также топливо, произведённое из отходов, являются возобновляемыми источниками энергии.

«Энергетические леса» (см. Рис. 8) представляют собой плантации высаженных плотнее, чем обычно быстро-растущих деревьев и кустарников (ивы, тополя осинообраз-ного, сосны ладанной, эвкалипта, ореха, ясеня, ольхи, акации и др.), а также трав (злаков, слоновой травы, камыша и др.), специально выращиваемых в энергетических целях для последующего производства биотоплива.

Рис. 8 «Энергетический лес»

Период ротации «энергетических лесов» составляет обычно от 4 х до 7 ми лет (как правило, с применением полива и внесением удобрений). При этом прирост фитомассы в 4…6 раз превышает обычное значение для естественно растущих лесов.

В настоящее время мировое сообщество предпринимает меры по снижению эмиссии (выбросов) парниковых газов. К ним обычно относят диоксид углерода (углекислый газ) СО2, метан СН4, водяной пар Н2О, гемиоксид азота N2О, тропосферный озон О3 и фторсодержащие газы, в частности фреон. При этом к антропогенным факторам парникового эффекта относят, прежде всего, эмиссию диоксида углерода, имеющую место при сжигании ископаемых топлив (каустобиолитов). В связи с этим примечательно, что эксплуатация энергетических установок на базе оборудования газификации твёрдых топлив, использующих твёрдое топливо из специально выращиваемой фитомассы, не приводит к повышению концентрации диоксида углерода в атмосфере.

Это обусловлено тем, что объём СО2, получаемый при сгорании генераторного газа, не превышает объёма диоксида углерода, поглощаемого растениями при их росте в процессе фотосинтеза. Таким образом, ТТ из фитомассы является СО2 нейтральным топливом. Кроме того, если фитомассе дать возможность естественным образом разложиться на воздухе, то ввиду преобладания в этом процессе окислительных реакций произойдёт выделение того же объёма углекислого газа, что и при её газификации или сжигании. На основании ст. 6 Киотского протокола (в ноябре 2009 г. Россия приняла новый механизм реализации этой статьи) организации, эксплуатирующие СО2 нейтральное оборудование, имеют право продажи соответствующих квот на выбросы углекислого газа.

Ещё одним важным преимуществом ТТ из фитомассы перед другими, особенно ископаемыми, видами топлив является почти полное отсутствие в нём серы (S) и других вредных для оборудования газификации твёрдых топлив и окружающей среды химических элементов и соединений.

Вообще, использование возобновляемых источников энергии, в т.ч. с помощью оборудования газификации твёрдых топлив, наиболее полно отвечает требованиям коэволюции – сбалансированного совместного развития природы (биосферы) и современного технократического общества (техносферы), т.е. биотехносоциальной системы (ноосферы), существующей в настоящее время на планете Земля.

Продолжение - в следующем номере журнала

(Статьи опубликованы в журнале "Лесопромышленник"

и на сайте: "Альтернативная энергетика")

О Интернет-Журнале "Лесопромышленник"      Редакция     Партнеры     Реклама     Архив номеров    Ссылки о ЛПК     Каталог ссылок

 Иконка сайта сделана при помощи favicon.ru

©H&G - Studio 

© Интернет-журнал "Лесопромышленник" («The Internet-magazine «Lesopromyshlennik»)

Свидетельство о регистрации Эл № ФС77-32798  от   11.08.2008 г.

E-mail: priorov@lesopromyshlennik.ru, karpachev@mgul.ac.ru.

При цитировании информации гиперссылка на Интернет-журнал "Лесопромышленник"  обязательна.
Использование материалов журнала в коммерческих целях допускается только с  письменного разрешения редакции.

 

С целью ограничения спам-рассылок в электронных адресах символ "@" замещён на "[at]". Приносим свои извинения за причиненное неудобство.