А. Н. КартАшевич в. С. товСтыка а в. ГордееНКо топливо, СмАзочНые мАтериАлы
 Скачать 2.39 Mb.
|
термохимические методы конверсии биомассыСжиганиебиомассы является наидревнейшим способом полу- чения теплоты для приготовления пищи и обогрева жилья. Сжигание древесины для производства тепла является основ- ным процессом, применяемым в мировой биоэнергетике; при этом постоянно ведутся работы по его усовершенствованию и сниже- нию выбросов. В зависимости от размера можно выделить не- сколько топочных систем. В небольших отопительных системах для домохозяйств, как правило, используются пеллеты или дрова. В средних системах целесообразно сжигать древесную щепу в ре- шетчатых бойлерах. В крупных бойлерах можно сжигать широкий спектр топлив, включая древесные отходы и некондиционное то- пливо. В настоящее время основным методом производства электри- чества и когенерации тепловой и электрической энергии является сжигание, однако при этом появляются и новые технологии, такие как газификация, а в среднесрочной перспективе и пиролиз. Влагосодержание древесного топлива существенно влияет на механизмы и эффективность процессов горения и теплообмена в энергогенерирующих установках. Устойчивое, стабильное горе- ние происходит при влажности, например топливной щепы, до 40…45 %. Горение возможно также и при влажности щепы до 56…57 % с коэффициентом избытка воздуха от 2 до 4…5, но оно неустойчиво. В отдельных дорогостоящих топочных устройствах можно сжигать щепу с предельно допустимой влажностью 60 и даже 65 % или использовать дополнительные источники тепла, сжигая другое топливо (газовая, мазутная подсветка и т.д.). Такие технологии целесообразно использовать для утилизации древес- ных отходов, а не для производства тепловой энергии. Другими важнейшими факторами, существенно влияющими на эффективность топочных процессов, являются неоднородность и непостоянство физико-механических характеристик первичных видов древесного топлива. Необходимо также отметить, что техно- логии энергетического использования первичного древесного то- плива требуют дорогостоящего, сложного и громоздкого оборудова- ния при его заготовке, измельчении, хранении и транспортировке. Для эффективного использования древесного топлива необхо- димо должным образом подготовить исходную топливную древе- сину: высушить, гомогенизировать, т.е. придать ей стабильные физико-химические и механические параметры и свойства. Это позволит в 2–3 раза повысить удельную теплотворную способ- ность древесины, оптимизировать топочные процессы, увеличить КПД теплогенерирующего оборудования, его эффективность (в 1,3–2,8 раза), а также снизить стоимость оборудования и затра- ты на его эксплуатацию. Использование рафинированных видов древесного топлива и эффективное теплопроизводящее оборудо- вание позволят получить в 2–4 раза больше тепловой энергии из имеющегося потенциала топливной древесины по сравнению с технологиями сжигания, газификации и т.д. первичных видов древесного топлива. Сжигание газа и жидких видов топлива не требует каких бы то ни было особых конструкций котла. Все просто: соответствующая горелка и простейший водотрубный теплообменник, никаких фу- теровок топки, никаких отдельных устройств топливоподачи. Местные же виды топлива (торф и его продукты, опилки, стружка, пеллеты, дрова, солома низкокачественный уголь и т.д.) требуют создания специальных условий для сжигания. Мало того, чтобы уйти от ручной загрузки топлива, необходимо снабжать котел до- статочно сложными устройствами подачи топлива. К специальным условиям сжигания можно отнести конструк- цию топки. В газовых или жидкотопливных котлах топливо пре- красно сгорает в факеле, формируемом горелкой, топка является активной частью теплообменника и отбирает солидную долю тепла, передаваемую излучением. Котлы для твердого топлива (особенно низкокалорийного) содержат топки различных конструкций. Дело в том, что если отбирать лучистую часть энергии в топке, то при поступлении новой порции топлива она может не разгореться (не хватит энергии разогреть новую порцию до температуры горения). Отбор лучистой энергии блокируется футеровкой топочного про- странства, материал которой, нагреваясь, аккумулирует тепло, а затем отдает его новой порции топлива, способствуя поддержа- нию горения. Также существуют различные способы организации поддува воздухом. Они улучшают процесс горения, способствуют при правильной организации более полному сжиганию топлива и повышению общего КПД. Отдельной частью является устройство подачи топлива в топ- ку. Разработано достаточное количество методов реализации та- ких устройств, все они имеют те или иные преимущества и недо- статки. Самой распространенной является шнековая подача ввиду своей простоты и надежности. Однако подача шнеком сильно ограничена по фракции топлива. Второй по распространенности является подача поршнем. В этом случае увеличивается макси- мальный размер фракции подаваемого топлива. Например, брикет, уголь, древесные отходы с включениями от 3535 до 5035 авто- матически в топку можно подать только поршнем. Далее поданное топливо необходимо сжечь. Несмотря на то что сжигание твердого топлива для различных видов имеет общие черты, имеется и ряд существенных различий. Дрова, например, имеют низкую зольность и не шлакуются, уголь имеет существенно более высокую зольность и шлакуется. Под каждый вид твердого топлива есть оптимизированные топки с неподвижными элемента- ми, они надежны и относительно дешевы. Более универсальными являются топки с подвижными колосниками, которые позволяют эффективно сжигать в одной конструкции и уголь, и древесные отходы различной фракции. Пиролиз — термическое разложение биомассы в процессе ее нагрева без кислорода или частичное сжигание при малом количе- стве кислорода. Среди современных технологий энергетического использова- ния растительной биомассы термохимическая конверсия (пиро- лиз, или сухая перегонка) является наиболее универсальной. Она позволяет получать качественное, экологически безопасное твер- дое, жидкое и газообразное топливо из практически любого сырья (древесина, отходы при переработке древесины, твердые бытовые отходы, уголь, подсушенный навоз, включая полимеры искусствен- ного происхождения), содержащего органические компоненты. При этом энергетические затраты на обеспечение термохимиче- ского процесса обычно не превышают 5 % от теплотворной способ- ности получаемых энергетических продуктов. Чтобы процесс пиролиза шел успешно, должны соблюдаться определенные условия. Подаваемый материал предварительно со- ртируют для снижения негорючих примесей, подсушивают (сле- дует в то же время избегать подачи пересушенного материала), из- мельчают. Критическим параметром, влияющим на температуру и на соотношение видов получаемых продуктов, является соотно- шение воздух — горючее. Проще всего управлять блоком, работаю- щим при температуре ниже 600 С. При более высоких температу- рах (от 600 до 1000 С) блоком управлять труднее, но количество водорода в вырабатываемом газе увеличивается. При температуре ниже 600 С можно выделить четыре стадии перегонки: 100…120 С — подаваемый в газогенератор материал, опу- скаясь вниз, освобождается от влаги; 275 С — отходящие газы состоят в основном из N2, СО и СО2; извлекаются уксусная кислота и метанол; 280…350 С — начинаются экзотермические реакции, в про- цессе которых выделяется сложная смесь летучих химических ве- ществ (кетоны, альдегиды, фенолы, эфиры); свыше 350 С — выделяются все типы летучих соединений; одновременно с образованием СО происходит увеличение образо- вания Н2, часть углерода сохраняется в форме древесного угля, смешанного с зольными остатками. Разновидности топлива, получаемого в результате пиролиза, обладают меньшей по сравнению с исходной биомассой суммар- ной энергией сгорания, но отличаются большей универсальностью применения [31]: твердый остаток (максимальная массовая доля 25…35 %). Современные установки для получения древесного угля, работаю- щие при температуре 600 С, преобразуют в требуемый продукт от 25 до 35 % сухой биомассы. Древесный уголь на 75…85 % состоит из углерода, обладает теплотой сгорания около 30 МДж/кг; жидкости (конденсированные испарения, максимальная массовая доля около 30 %). Делятся на вязкие фенольные смолы и текучие жидкости, пиролигенные кислоты, в основном уксусную кислоту, метанол (максимум 2 %) и ацетон. Жидкости могут быть отсепарированы либо могут использоваться вместе в качестве не- обработанного топлива с теплотой сгорания около 22 МДж/кг; газы (максимальная массовая доля, получаемая в газогене- раторах, составляет примерно 80 %). Смесь выделяющихся при пиролизе газов с азотом известна как древесный газ, синтетиче- ский газ, генераторный газ или водяной газ. Теплота сгорания на воздухе составляет 5…10 МДж/кг (от 4 до 8 МДж/м3 при нормаль- ных условиях). Эти газы могут быть использованы непосредствен- но в дизелях или в карбюраторных двигателях с искровым зажи- ганием, при этом основная трудность — избежать попадания в цилиндры золы и конденсирующихся продуктов пиролиза. Газы в основном состоят из N2, H2 и CO с малыми добавками CH4 и CO2. Их можно накапливать в газгольдерах при давлении, близ- ком к атмосферному. Для повышения выхода пиролизного газа технологический цикл может также включать стадию дополнительного нагрева па- рообразных продуктов до 900...1500 С. Дополнительный нагрев осуществляется непосредственно в реакторе пиролиза раститель- ной биомассы или в отдельной камере. Путем изменения ограни- ченного количества технологических параметров, таких как темпе- ратура и время обработки, удается в широких пределах изменять химический состав продуктов и, соответственно, выход твердой, жидкой и газообразной фракций биотоплив. Самое молодое направление термохимической технологии производства биотоплива — «быстрый» пиролиз. Эксперимен- тально было установлено, что при умеренных температурах (450...600 С) и небольшой продолжительности (в пределах 2 с) термического воздействия на растительную биомассу удается по- высить выход бионефти — жидкого продукта технологического процесса — до 75...80 % от сухой массы исходного органического вещества. Было предложено несколько способов реализации про- цесса быстрого пиролиза, из которых наибольшее распростране- ние получил метод кипящего слоя. Во многом это объясняется тем, что к моменту зарождения быстрого пиролиза технология ки- пящего слоя уже давно и широко использовалась в котлах, рабо- тающих на твердом топливе. Реакторы кипящего слоя представля- ют собой достаточно громоздкие и сложные сооружения, требующие больших капиталовложений, которые окупаются только при до- статочно большом объеме производства биотоплива. Оценки по- казывают, что установки производительностью менее 0,5 т сухой массы в час нерентабельны даже при нулевой стоимости расти- тельного сырья. Производительность первого коммерческого ком- бината по производству бионефти из древесных отходов, постро- енного в Канаде компанией DynaMotive Energy Systems, составляет 10 т/ч. В соответствии с проектом комбинат будет перерабатывать в бионефть 100 т отходов древесины в сутки. Это даст деревообра- батывающему предприятию годовую экономию природного газа, которая в энергетическом выражении составит 400 000 ГДж (при цене 7 дол. США за 1 ГДж). При температуре 450…500 С можно получить наилучший по качеству древесный уголь, теплота сгорания которого 30 МДж. Он широко применяется в качестве топлива в быту в развивающихся странах, в медицине, химической и металлургической промыш- ленности. Термическая газификация — термальная обработка биомассы при помощи окислителя (например, воздуха) с ограниченной по- дачей кислорода, в результате чего образуется газовая смесь (со- держащая CO и H2), которая может использоваться для энергети- ческих нужд. В настоящее время имеются два освоенных в промышленных масштабах способа энергетического использования растительной биомассы: одностадийное (прямое) сжигание и двухстадийное сжигание. Традиционный одностадийный способ сжигания широко при- меняется для получения тепловой энергии из древесины и отхо- дов ее переработки. Однако трудности в обеспечении полноты сгорания твердого топлива и неравномерность температурного поля в факеле пламени приводят к образованию вредных ПАУ и термических окислов азота. По данным различных исследовате- лей, содержание ПАУ и NOхв продуктах сгорания влажной дре- весины может доходить соответственно до 400 мг/кг и 1000 мг/кг. В дымовых газах может также присутствовать значительное коли- чество угарного газа (до 30 г/кг). Существенную долю в объеме растительной биомассы, доступной для использования, составля- ют сельскохозяйственные отходы (солома, лузга семян, кукуруз- ные стержни и др.). При их сжигании в топочных устройствах ча- сто возникают технические проблемы (шлакование колосников, унос мелкой фракции, отложения на поверхностях нагрева и др.), которые существенно снижают показатели работы оборудования. Указанные выше недостатки практически полностью устраня- ются при использовании способа двухстадийного сжигания, вклю- чающего стадию термической переработки растительной биомассы в горючий газ (газификацию) и стадию сжигания генераторного газа. Так, по данным финских исследователей, выбросы вредных ве- ществ при двухстадийном сжигании существенно снижаются, не превышая по окиси углерода 4 г/кг, по ПАУ — 100 мг/кг. Темпе- ратура горения низкокалорийного генераторного газа не превы- шает 1500 С, что исключает образование термических окислов азота. Перевод топочного устройства, сжигающего жидкое или га- зовое топливо, на местные растительные отходы не связан со зна- чительной реконструкцией топки, если реализуется двухстадий- ная схема. В этом случае модернизация топки сводится только к замене горелочного устройства. Эксплуатационные характери- стики котлоагрегата на генераторном газе выше, чем на твердом топливе. Устраняется необходимость периодической остановки котла для очистки конвективных поверхностей нагрева от внеш- них отложений и для ремонта колосниковой решетки. В настоящее время в промышленности разных стран работают газогенераторные установки разнообразных конструкций и прин- ципов действия. Существуют многочисленные способы газифика- ции: слоевая газификация по прямому и обращенному процессам, газификация с кипящим и циркулирующим кипящим слоем, атмо- сферная газификация и под давлением, газификация при воздуш- ном, паровоздушном и кислородном дутье и др. Наибольшее рас- пространение получили газогенераторы «плотного» и «кипящего» слоя. В соответствии с современными тенденциями газогенераторы «кипящего» слоя обслуживают энергетические установки тепловой мощностью 10…100 МВт по сжигаемому газу. Для установок малой и средней мощности (до 10 МВт), работающих на влажном поли- фракционном топливе, при необходимости широкого диапазона ре- гулирования их работы наиболее эффективно применение газогене- раторов «плотного» слоя. Определенные достижения в создании газогенераторных установок на растительной биомассе в Финлян- дии и России были достигнуты благодаря государственным про- граммам, поддерживающим развитие этого направления. Усилия белорусских ученых были объединены программой «Экологически чистая энергетика» (1992–1997 гг.). В ходе ее осуществления раз- работаны газогенераторы, отличительной особенностью которых является работа по обращенной схеме газификации. Эта схема (рис. 2.7) предусматривает движение слоя биомассы и образующе- гося газа в одном направлении (прямотоком). Растительная биомасса загружается в верхнюю часть газогене- ратора и движется в нижнюю часть аппарата по мере выгорания материала. При этом происходит ее сушка и термолиз за счет тепла, выделяющегося в зоне горения, и тепла, отводимого от генератор-   Рис. 2.7. Схема газогенератора: 1— биомасса; 2— зона горения; — теплообменник; 4 — колоснико- вая решетка; 5 — отвод пара; 6— выгрузка золы; 7— футеровка ного газа при его движении вдоль внутренних стенок аппарата. Для поддержания реакций горения в газогенератор через фурны по- дается дутьевой воздух, который предварительно нагревается во встроенном в корпус газогенера- тора теплообменнике. В нижней части аппарата находится колос- никовая решетка, при вращении которой выгружается зола и кок- совый остаток — остаточные про- дукты процесса. Генераторный газ отводится из-под колосников и по- сле охлаждения выводится из аппарата. Получаемое газовое топливо содержит малое количе- ство паров смол и кислот (менее 5 г/м3), так как продукты термо- лиза проходят через высокотем- пературную (около 1100 С) зону горения, где осуществляется их  крекинг. Основными горючими компонентами генераторного газа являются СО (10…20 %), Н2 (10…15 %) и CnHm(1…3 %). В газе также содержатся СО2 (10…15 %), N2 (40…50 %) и Н2О (10…25 %). Теплота сгорания сухого генераторного газа в зависимости от его состава меняется от 3,5 до 5,5 МДж/м3. Она может быть повышена до 10…12 МДж/м3 при переходе на кислородное дутье в газогене- раторе.Достигнутые в ходе эксплуатации параметры работы россий- ских газогенераторов различной мощности приведены в табл. 2.31. Таблица2.31 Параметры работы газогенераторов
Окончаниетабл.2.31
* Газогенератор работает по схеме противотока. Газогенераторы, представленные в табл. 2.31, были созданы, чтобы снабжать газом различные энергетические установки. На- пример, газогенератор 2,8 МВт вырабатывал газ для котлоагрегата КЕ-10-14 МТ, газогенератор 0,6 МВт поставлял газ в камеру сго- рания сушилки АВМ-0,65 РЖ, а газогенератор 0,1 МВт обеспечи- вал работу двигателя внутреннего сгорания мощностью 35 кВт. Подготовка генераторного газа к сжиганию в топочном устрой- стве обычно ограничивается его очисткой от пылевидных частиц в инерционно-осадительном аппарате. Сжигание генераторного газа в двигателе внутреннего сгорания требует более тщательной очистки газа от пыли (до 0,02 г/м3) и низкокипящих смол (до 0,03 г/м3), а также охлаждения до температуры около 40 С. Спо- собы охлаждения и очистки в основном известны и базируются на использовании серийного оборудования (рекуперативные тепло- обменники, циклоны, скрубберы, электрофильтры и др.). Таким образом, газогенераторы, получающие горючий газ из биомассы, позволяют решить проблему самообеспечения потреби- телей, удаленных от централизованных источников энергии, те- пловой и электрической энергией, т.е. перейти на автономное энергообеспечение на основе местных ресурсов. Именно это на- правление автономного энергообеспечения признано перспектив- ным для лесоизбыточных стран в отчете FAO. Возможно также использование генераторного газа для газоснабжения сельских и лесных поселков, для получения синтез-газа (смесь окиси угле- рода с водородом) с последующим производством метанола, эта- нола, бензина. Введенные в эксплуатацию российские газогенера- торы вырабатывают горючий газ в основном из древесных отходов, имеющих низкую зольность (около 1 %) и относительно высокую температуру плавления золы (1400 С). В технологиях по газификации достигнут значительный про- гресс. Газификаторы с циркулирующим кипящим слоем успешно применяются при производстве газа, служащего топливом для су- ществующих угольных бойлеров, например в Лати (Финляндия), Руен (Бельгия), Амер (Нидерланды) и т.д. Подобная технология позволяет использовать влажные топлива и топлива, полученные за счет утилизации мусорных отходов, при относительно низких удельных инвестициях и операционных затратах. В настоящее время технологическая проблема заключается в использовании очищенного газа. Недавно созданная технология обращенного га- зогенератора с неподвижным слоем может применяться на малых станциях когенерации (мощность газификатора до 1 МВт тепловой энергии) благодаря относительно высокой электрической эффек- тивности. Некоторые компании в Европе уже предлагают данную технологию. В свете поиска новых жидких топлив для транспортного сек- тора открываются новые возможности для газификации. Синтез- газ содержит большое количество водорода, который можно из- влекать более эффективными способами по сравнению с традици- онными процессами гидролиза и ферментации. Синтез-газ может быть также переработан в метанол, диметиловый эфир или дизель по методу Фишера — Тропша. В настоящее время такой дизель производится на экспериментальном уровне и характеризуется бо- лее благоприятными химическими свойствами с точки зрения воз- действия на окружающую среду, биоразложимости, внедрения в существующую топливную инфраструктуру. Экологическая оценка использования местных видов топливаКак указывалось выше, древесное топливо имеет малую золь- ность (0,4…1,5 %), незначительное содержание серы (менее 0,05 %) и углекислотную нейтральность, так как при его сжигании выде- ляется такое же количество диоксида углерода (СО2), как и при естественном гниении древесины (табл. 2.32). Средние значения эмиссии СО2 и SO2 топлива Таблица2.32
* Данный показатель измерен в кг СО2/1000 м3. Тот углекислый газ, который образуется при сжигании биото- плива, т.е. древесины и ее компонентов, не засчитывается в общий объем выбросов парниковых газов, потому что он является частью непосредственного природного карбонового цикла. Солома — воспроизводимый ресурс, и она поддерживает ба- ланс двуокиси азота в атмосфере: сколько СО2 выделится при ее сжигании, столько потом будет потреблено в течение следующего лета в ходе роста зерновых. Необходимо подчеркнуть чрезвычайно положительную эколо- гическую роль торфа при его использовании, которая включает в себя: а) снижение уровня загрязнения CO2 атмосферного воздуха; б) повышение экологической чистоты сельскохозяйственных продуктов и детоксикации почв при применении торфа в качестве органического удобрения и использовании торфяной золы как ми- нерального удобрения, богатого микроэлементами; в) при добыче торфа происходит снижение агрессивной ланд- шафтной составляющей болот, в первую очередь олиготрофной, изменяющей (уменьшающей) площади и структуру лесных масси- вов в сторону их заболачиваемости; г) получение широкого ассортимента продукции (сорбентов, нефтепоглотителей, фильтров и т.д.), применяемой для решения проблем охраны окружающей среды. Например, при замене угля, сланцев и мазута на торф снижа- ется загрязнение атмосферного воздуха выбросами оксидов серы: по сравнению с углем — в 4–24 раза (в зависимости от зольности и угольного бассейна), со сланцем — в 9 раз, с мазутом — в 6 раз, а выброс твердых взвешенных частиц — в 2–19 раз по сравнению с углем, в 36 раз — по сравнению со сланцем. Оставшаяся от торфа зола прекрасно утилизируется как удобрение.  Глава | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||