Зарегистрированных посетителей: 22207
Адрес редакции: 105066, Москва, Токмаков пер., д. 16, стр. 2, пом. 2, комн. 5
Редакция:
Телефон: +7 (499) 267-40-10
E-mail: red@solidwaste.ru
Отдел подписки:
Прямая линия: +7 (499) 267-40-10
E-mail: podpiska@vedomost.ru
Отдел рекламы:
Прямая линия: +7 (499) 267-40-10 +7 (499) 267-40-15
E-mail: reklama@vedomost.ru
Вопросы работы портала:
E-mail: support@solidwaste.ru
|
.gif)
 "Газификация твердых топлив: оборудование и технологии"
|
| В. В. Копытов, к.т.н., ФГУП «ММПП «Салют» | Начиная с 30-х гг. XX века сначала в Германии и США, а затем и в других промышленно развитых странах мира получили широкое распространение технологии газификации твердых топлив в целях последующего синтеза из компонентов, образующих генераторный газ (монооксида углерода и водорода), различных химических соединений, в том числе искусственных жидких топлив (например, по методу Фишера–Тропша). В связи с активным использованием в химической промышленности генераторный газ получил новые имена – «синтез-газ» (или «сингаз») и «продукт-газ».
В настоящее время технологии и оборудование газификации твердых топлив (ГТТ) из раритетов прошлого постепенно превращаются в спутники настоящего и будущего. Данное предположение, хоть и косвенно, подтверждает динамика инвестиций в альтернативную энергетику (с 10 млрд долл. в 1998 г. до 66 млрд долл. в 2007 г. и, по прогнозам экспертов, почти до 350 млрд долл. к 2020 г.) и анализ количества патентов, заявленных на оборудование ГТТ.
Оборудование ГТТ предназначено для преобразования (конверсии) органической части твердого 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.
Кроме того, в результате более полного (в сравнении с прямым сжиганием ТТ) сгорания газообразного топлива образуется значительно меньшее (в несколько раз, а по некоторым позициям, и на порядки) количество вредных для окружающей среды химических соединений (как в дымовых газах, так и в зольном остатке). Это позволяет существенно сэкономить на дорогостоящем оборудовании газоочистки дымовых газов, выбрасываемых в атмосферу (стоимость такого оборудования, например в составе мусоросжигающих заводов, составляет более 50 %).
В настоящее время на «ММПП «Салют» ведутся работы по созданию оборудования ГТТ параллельно по двум направлениям:
I. Создание крупногабаритного оборудования ГТТ с противоточным «вертикальным» либо с прямоточным «горизонтальным» процессом газификации.
Основной характеризующий признак, отличающий это оборудование, – сравнительно большая единичная электрическая (от 1,0 МВт) и тепловая (от 2,0 Гкал/ч) мощность. «Платой» за это является необходимость проведения строительно-монтажных работ, в том числе работ по устройству фундаментов, при вводе оборудования в эксплуатацию (средняя трудоемкость не менее 3 000 чел.-ч).
К данному оборудованию можно отнести твердотопливную электростанцию ТЭС‑1 (энергетический комплекс), комплекс газификации (изд. 44), «горизонтальный» комплекс газификации «туннельного» типа, разрабатываемый для утилизации отходов нефтепереработки.
Наиболее рациональное применение данного оборудования – переработка (использование, утилизация) твердых бытовых, промышленных и сельскохозяйственных отходов с получением некоторого количества тепловой и (или) электрической энергии (как правило, путем подмешивания к природному газу или иному топливу), и в первую очередь для собственных нужд организаций, эксплуатирующих оборудование ГТТ.
Предполагаемые места эксплуатации – крупные населенные пункты (или их окрестности) с развитой инфраструктурой, в том числе с централизованными системами тепло- и электроснабжения, не в полной мере удовлетворяющими имеющиеся потребности по приемлемым ценам, поблизости от источников образования отходов различного происхождения.
Примером такого применения крупногабаритного оборудования ГТТ может служить проект переработки бытовых и промышленных отходов в г. Мишкольце (Венгерская Республика).
В случае применения оборудования ГТТ для переработки твердых бытовых (коммунальных и городских) отходов (ТБО) нужно иметь в виду, что отходы, которые допустимо и целесообразно направлять на газификацию (либо сжигание), в среднем составляют около 20–30 % от общего объема ТБО. Часть отходов из состава ТБО подвергать газификации технологически недопустимо (например, металлы и стекло), часть – недопустимо по экологическим соображениям (например, химические источники электрического тока (аккумуляторы, батарейки), ртутные лампы, термометры, другие ртутьсодержащие отходы, электронный скрап, некоторые виды пластмасс и других синтетическиеких материалов, предметы бытовой химии, лаки, краски и т.п.), часть – экономически нецелесообразно (например, бумагу, ткани и пищевые отходы) и, наконец, часть – просто бессмысленно (например, керамику, минералы, строительные и другие отходы, не содержащие углерод).
В ведущих странах ЕС наиболее значительную часть ТБО (около 30–50 %) подвергают рециклингу (возвращению в промышленность в качестве вторичных материальных ресурсов), вторую по величине горючую часть отходов (около 20–30 %) отправляют на сжигание и (или) газификацию с получением тепловой и (или) электрической энергии, биоразлагаемую часть ТБО (около 15–25 %) – на анаэробное (метанирование) и (или) аэробное (компостирование) сбраживание с получением биогаза и (или) компоста и, наконец, оставшуюся часть отходов (около 10–20 %), не подлежащих рециклингу, переработке и утилизации, – на полигоны захоронения (рис. 1).
Рис. 1. Распределение потоков твердых бытовых отходов при их переработке (утилизации) в ведущих странах ЕС
Кроме того, нужно понимать, что оборудование ГТТ предназначено для газификации не отходов, а твердого топлива, произведенного из отходов (refusederivedfuel(RDF) путем сортировки, сушки, размельчения и брикетирования или пеллетирования, а в случае с ТБО и другими низкокалорийными отходами желательно и после смешивания с более калорийными компонентами типа кокса, угля, древесины и т. п.
II. Создание компактного модульного оборудования ГТТ с прямоточным «вертикальным» процессом газификации.
Основной характеризующий признак, отличающий модульное оборудование, – сравнительно небольшая единичная электрическая (до 500 кВт) и тепловая (до 1,0 Гкал/ч) мощность. Однако при этом отсутствует необходимость проведения строительно-монтажных работ, в том числе работ по устройству фундаментов, при вводе оборудования в эксплуатацию (время развертывания на неподготовленной грунтовой площадке силами бригады из 4 человек составляет не более 16 ч; средняя трудоемкость – не более 64 чел.-ч).
Наиболее рациональное применение данного оборудования – децентрализованное распределенное преобразование химической энергии местных углеводородных ТТ в тепловую и (или) электрическую энергию (в том числе в составе локальных сетей энергоснабжения) с использованием в качестве промежуточного энергоносителя горючего ГГ, получаемого при газификации этих топлив. К местным топливам обычно относят дрова и другие топлива, произведенные из фитомассы, каменные и бурые угли, торф, горючие сланцы и т.п.
Предполагаемые места эксплуатации – небольшие населенные пункты с неразвитой инфраструктурой, в том числе без централизованных систем тепло- и электроснабжения (например, отдаленные районы Сибири, Дальнего Востока и Крайнего Севера), а также регионы с дефицитом тепловой и электрической энергии.
Кроме того, модульные электростанции могут быть востребованы геологическими партиями, археологическими экспедициями, учреждениями ФСИН, в местах добычи полезных ископаемых, на лесозаготовительных участках и т.п.
Наконец, благодаря авиатранспортабельности и малому времени развертывания, в том числе силами МЧС, модульные электростанции могут быть использованы для оперативного восстановления энергоснабжения и снижения ущерба от аварий природного и техногенного характера, связанных с выходом из строя существующих систем тепло- и электроснабжения.
Примером такого применения компактного модульного оборудования ГТТ может служить проект замены дизельных электростанций в поселках Сангар и Жиганск (Республика Саха-Якутия, Россия) на электростанции ТЭС‑75/100, предназначенные для работы на местном ТТ (каменном угле, добываемом в шахте «Джебарики-Хая»).
Все создаваемое на сегодняшний день ФГУП «ММПП «Салют» оборудование ГТТ, за исключением оборудования «туннельного» типа, предназначено для автотермической паровоздушной среднетемпературной газификации при атмосферном давлении крупно-, средне- и мелкозернистых ТТ в псевдостационарном опускающемся слое с сухим золоудалением и получением горючего ГГ с низкой теплотой сгорания для энергетических целей.
В основе технологического процесса газификации лежит способность органической части ТТ переходить при определенных условиях из твердого состояния в газообразное с образованием монооксида углерода (угарного газа) и водорода. Назначение оборудования ГТТ – 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. Нагрев ТТ обеспечивается за счет окисления части газифицируемого топлива (около 10– 30 % в зависимости от характеристик ТТ и оборудования газификации) без подвода теплоты извне. Отсутствие кислорода в зонах формирования ГГ 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, происходящего при температуре около 400– 900 °С, и взаимодействия продуктов пиролиза с кислородом газифицирующих агентов при температуре около 900–1 350 °С по экзотермическим химическим реакциям С + О2 = СО2 + + 409 кДж/моль и 2С + О2 = 2СО + Рециклинговая часть ТБО, подвергаемая возвращению в промышленность в качестве вторичных материальных ресурсов (30–50 %) Горючая часть ТБО, подвергаемая газификации (сжиганию) с получением тепловой и (или) электрической энергии (20–30 %) Биоразлагаемая часть ТБО, подвергаемая анаэробному (метанированию) и (или) аэробному (компостированию) сбраживанию с получением биогаза и (или) компоста (15–25 %) Неперерабатываемая часть ТБО, подвергаемая захоронению на полигонах твердых отходов (10–20 %) + 246 кДж / моль выделяется теплота. Эта теплота используется в процессах:
• сушки ТТ при температуре около 150–400 °С;
• взаимодействия продуктов пиролиза с диоксидом углерода и водяным паром при температуре около 750–1 000 °С 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) около 200–900 °С. В результате вышеприведенных химических реакций происходит образование монооксида углерода и водорода – основных горючих компонентов ГГ.
Результаты других химических реакций, имеющих место при газификации ТТ, ввиду их незначительного влияния на состав и калорийность ГГ 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 (КПД газификации – 0,65–0,9) пре- образуется в конечные продукты термохимической деструкции сложных органических веществ – горючий ГГ и твердый зольный остаток. Нужно отметить, что ТТ растительного происхождения, произведенное из специально выращиваемой быстрорастущей фитомассы (тепличные и фотобиореакторные водоросли, древесные, кустарниковые и травянистые «энергетические леса» и т.п.), а также топливо, произведенное из отходов, являются возобновляемыми источниками энергии.
В связи с предпринимаемыми в настоящее время усилиями мирового сообщества по снижению эмиссии (выбросов) парниковых газов примечательно, что эксплуатация энергетических установок на базе оборудования ГТТ, использующих ТТ из специально выращиваемой фитомассы, не приводит к повышению концентрации углекислого газа в атмосфере. Это обусловлено тем, что объем СО2, получаемый при сгорании ГГ, не превышает объема диоксида углерода, поглощаемого растениями при их росте в процессе фотосинтеза. Таким образом, ТТ из фито- массы является СО2-нейтральным топливом. Кроме того, если фитомассе дать возможность естественным образом разложиться на воздухе, то ввиду преобладания в этом процессе окислительных реакций произойдет выделение того же объема углекислого газа, что и при ее 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.
Еще одним важным преимуществом ТТ из фитомассы перед другими, особенно ископаемыми, видами топлив является почти полное отсутствие в нем серы (S) и других вредных для оборудования ГТТ и окружающей среды химических элементов и соединений.
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 ГГ), в качестве котельного топлива в котлах различного назначения (при условии применения специальных горелок для сжигания ГГ), а также как топливо двигателей внутреннего (при условии применения оборудования очистки и охлаждения ГГ) и внешнего (при условии применения горелок, аналогичных котельным) сгорания.
Последний тип двигателя следует признать предпочтительным с точки зрения эффективности и экономичности использования ГГ. Это обусловлено тем, что в результате снижения (либо снятия совсем) требований по очистке ГГ не только упрощается и удешевляется оборудование газоочистки, но и повышается теплотворная способность газа за счет содержащихся в нем горючих низко- и высокомолекулярных органических соединений (например, спиртов и особенно смол). Кроме того, в связи со снятием требований по охлаждению ГГ одновременно с экономией на соответствующем оборудовании и хладагентах свой вклад в нагрев рабочего тела энергоустановок с внешними камерами сгорания внесет и физическое тепло горячего ГГ.
Ввиду наличия водорода в составе ГГ последний может также рассматриваться в качестве энергоносителя для получающих все большее распространение топливных элементов (fuelcells).
Еще один перспективный вариант применения оборудования ГТТ в сфере «зеленой» энергетики – создание «симбиоза» с фотобиореакторами для выращивания водорослей в целях получения биотоплива. 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 объемов выработки зимой), в том числе в местах с дефицитом солнечного света и тепла, и без использования централизованных систем энергоснабжения.
Технологический процесс генерирования электрической и (или) тепловой энергии путем газификации возобновляемых источников энергии (специально выращиваемой быстрорастущей фитомассы и отходов различного происхождения) представлен на рис. 2.
Кроме того, необходимо решить задачу утилизации (обезвреживания) вторичных отходов (эффлюента), появившихся в процессе подготовки и газификации ТТ, генерирования электрической и (или) тепловой энергии.
Часть вторичных отходов (например, жидкие отходы, образующиеся в процессе очистки ГГ) может быть утилизирована с помощью источника их появления (оборудования ГТТ).
При этом вторичные отходы можно рассматривать и в качестве сырья для получения дополнительных товарных продуктов. Так, твердые продукты газоочистки и зольный остаток (шлам) можно использовать при производстве строительных материалов (зольный гравий, асфальтобетон, цементные смеси, бетоны и т.п.) и изделий (кирпичи, блоки и т.п.), вносить в почву в качестве удобрений, раскислителей и стабилизаторов, использовать при ландшафтном строительстве и в других подобных целях. Жидкие отходы в виде газового конденсата (фугата) могут служить сырьем для синтеза различных химических соединений, в том числе искусственных жидких топлив.
В результате проведенных экспериментальных и теоретических исследований было показано, что используемый метод термохимической переработки ТТ отличается высоким энергетическим КПД и позволяет резко снизить образование токсичных продуктов горения, в первую очередь диоксинов, полиароматических углеводородов и сажи. Это было подтверждено в промышленном масштабе на примере переработки промышленных отходов (опытно-промышленная установка в г. Электростали, Московская обл., Россия) и твердых бытовых отходов (мусороперерабатывающийминизавод в г. Лаппеенранта, Финляндия).
На технологию газификации получено заключение Российской государственной экологической экспертизы, подтверждающее технологическую безопасность и конструктивную надежность используемого оборудования (приказ МПР России от 22 января 2002 г. № 15).
В 2004 г. Российским научно-исследовательским центром чрезвычайных ситуаций Минздрава РФ были проведены анализы химического состава генераторного и дымовых газов, а также зольного остатка и дана оценка воздействия установки на окружающую среду.
На 5-м Международном форуме «Высокие технологии ХХI века» (апрель 2004 г.) проект «Установка по переработке твердых бытовых отходов методом паровоздушной газификации» занял первое место.
На установку газификации ТТ получены сертификат соответствия № 6540155 от 05.09.05 г. и патент на полезную модель «Комплекс для переработки твердых бытовых отходов» № 61844 от 14 августа 2006 г.
На установку для получения энергии (модульную твердотопливную электростанцию ТЭС-100) получен патент на изобретение № 2342542 от 27 декабря 2008 г.
Рис. 2. Технологический процесс генерирования электрической и (или) тепловой энергии путем газификации возобновляемых источников энергии
Данная статья является отрывком из книги «Газификация конденсированных топлив: ретроспективный обзор, современное состояние дел и перспективы развития». Полный вариант к вышел в издательствах «Инфра-Инженерия»(электронная версия - http://infra-e.ru/books/YEnergetika/960.html ) и «Агрорус XXI» (бумажная версия - www.agroxxi-shop.ru).
|
|
|
Вторчермет, ООО
➊ Компания "Вторчермет" покупает и вывозит лом черных и цветных металлов в оптовых объемах! Работаем с частными и юридическими лицами Москвы и Московской области на постоянной основе, заключае...
ГП Стальмаш, ООО
Продажа железного купороса, железо сернокислое. Тарированного в МКР, мешки по 50кг и насыпью. Отгрузка от 100 кг.
Продажа щебня серпентинитового, гали серпентинитовой...
Металло-промышленная компания, ООО
Компания производит и продает:
- металлические контейнеры,бункеры для сбора и вывоза строительно-промышленного мусора, ТБО, металлолома, снега.
- металлоизделия для благоустройства территорий.
ВСЕ ПРЕДПРИЯТИЯ 
|
