На главную

Статьи, публикации, архив номеров  

«     2017     2016  |   2015  |   2014  |   2013  |   2012  |   2011  |   2010  |   2009  |   2008  |   »
«     Январь  |   Февраль  |   Март  |   Апрель  |   Май  |   Июнь  |   Июль  |   Август  |   Сентябрь  |   Октябрь  |   Ноябрь  |   Декабрь     »

Наука для практики

01.11.2013 Газогенераторные технологии для промышленности строительных материалов

 

Газогенераторные технологии для промышленности строительных материалов

 

Present processing technologies for biomass and combustible organic waste are outdated nowadays, as analysis says. One of the perspective ways to obtain combustible gases from that alternative energy sources is their further use in cogeneration plants for heat and electric energy generation. Thus new gasifier had been developed. Novelty of this plant is the creation of duel-zone gas generator module with inverted combustion process. Gasifier construction allows joint gasification of solid and liquid waste including wood, rape straw, heavy oil residues and resins. Economic efficiency means saving of fuel resources.

 

Поиск альтернативных источников энергоресурсов сегодня активно ведется во всем мире. Один из таких источников – энергия, выделяемая при сгорании биомассы (древесины, отходов производства и переработки сельхозпродукции, быстрорастущих лесных культур) и горючих технологических отходов. Актуальными задачами становятся разработка и выпуск новых образцов техники, которые позволяют вовлекать в оборот местные энергоресурсы.

Как показал анализ, существующие технологии переработки биомассы и горючих технологических отходов получения топлива значительно устарели и не отвечают современным требованиям по экологическим, экономическим и техническим показателям [1–12].

 

В связи с этим в ряде стран (Канада, Россия, США, Германия, Финляндия, Швеция и др.) приняты государственные программы по разработке высокоэффективных технологий производства топлива из биомассы и горючих органических отходов.

Одно из перспективных направлений создания таких технологий – получение горючих газов из биомассы и горючих органических отходов с последующим их использованием в когенерационных установках для получения тепловой и электрической энергии. В начале XX века газификация угля, торфа и древесины была одним из основных методов производства горючего газа. Газификация осуществлялась в специальных аппаратах, называемых конверторами, реакторами, газогенераторами или газификаторами. Получаемый горючий газ часто содержал значительное количество твердых частиц и мог использоваться только в котельных, обжигательных печах и в других топках и лишь после охлаждения, очистки и сушки – в качестве топлива в двигателях внутреннего сгорания.

Наиболее широкое промышленное развитие газификация получила к началу 1960-х гг. Однако вследствие быстрого роста добычи природного газа, развития сети газоснабжения и ужесточения требований к охране окружающей среды газификацию практически перестали применять. В последнее время возрос интерес к горючим газам на основе биомассы и горючих органических отходов.

Газ может быть получен путем газификации различных видов биомассы и горючих органических отходов:

• органических бытовых отходов, в том числе бумаги и резины;

• отходов лесозаготовки и деревопереработки, в том числе коры, обрезков деревьев, щепы, опилок и древесного угля;

• сельскохозяйственных отходов, в том числе соломы злаковых культур и рапса, стеблей кукурузы, льняных отходов, рисовой шелухи, скорлупы орехов и др.

Полученный газ имеет удельную теплоту сгорания от 4 до 20 МДж/м3 (теплота сгорания природного газа – 33–36 МДж/м3). В условиях значительного повышения цен на жидкое топливо и природный газ особое значение приобретает возможность их замещения газом, получаемым из биомассы и горючих технологических отходов [13–18].

Одна из таких возможностей – использование генераторного газа для производства тепло- и электроэнергии малыми автономными когенерационными установками, роль которых в развитии локального энергообеспечения предприятий и индивидуальных потребителей в ближайшие годы будет возрастать.

Учеными ГНУ «Институт тепло- и массообмена им. Лыкова НАН Беларуси» разработан новый газогенератор. Новизна разработки заключается в создании двухзонного газогенераторного модуля обращенного процесса горения. Он может перерабатывать многокомпонентное сырье для снижения концентрации сернистых соединений в получаемом газе за счет их хемосорбции с компонентами золы топлива (CaO + SO2 + 0,5O2 ®

® CaSO4), повышения теплоты сгорания вырабатываемого газа и снижения вредных выбросов в окружающую атмосферу по сравнению с используемыми твердотопливными котлами.

Конструкция газогенератора обеспечивает возможность совместной газификации твердых и жидких отходов, в том числе древесины, рапсовой соломы и тяжелых остатков нефтепродуктов и смол. Горючие растительные отходы в виде пеллет, брикетов или же измельченные будут подаваться в газогенератор в автоматическом режиме. Повышение тепловой эффективности газогенераторного модуля (КПД до 90 %) будет обеспечено за счет предварительного подогрева воздушного дутья путем использования тепла отработавшей парогазовой смеси. Необходимый ресурс работы и экологичность установки получаются благодаря многоступенчатой системе очистки газа и продуктов его сгорания. Использование двигателя внутреннего сгорания позволит расширить область применения агрегатов, так как их эксплуатация (в отличие от паро- и газотурбинных установок) будет доступна более широкому кругу пользователей.

Дополнительное тепло от охлаждения генераторного газа в теплообменнике агрегата может использоваться для отопления (водяное или воздушное) или направляться на технологические нужды. Тепловая эффективность газогенератора, КПД которого на 6 % выше, чем у прототипа, определяется возвратом обратно в топочную зону части тепла от нагретых отработавших газов и снижением тепловых потерь при их последующей транспортировке в охлажденном виде. Повышение калорийности получаемого газа (выше, чем у лучших известных аналогов) обеспечено совместной газификацией твердых и жидких отходов, в том числе соломы, древесной щепы и опилок, мазута, смол и других отходов в измельченном виде или при их предварительном брикетировании, а также более полным термохимическим разложением отходов на легкие горючие компоненты в двухзонной топочной камере.

Оборудование позволит получать генераторный газ с теплотой сгорания не менее 6,3 МДж/м3 и жаропроизводительностью до 2 000 °C (у природного газа жаропроизводительность достигает 2 050 °C). По удельному расходу топлива разработка соответствует лучшим мировым образцам техники. Данный газоэлектротеплогенератор будет обладать большей рентабельностью, чем известные аналоги, вследствие удешевления его изготовления за счет замены дорогих коррозионно-стойких сталей на черные с относительно недорогими защитными покрытиями.

Экономическая эффективность технологии и оборудования определяется экономией топливных ресурсов.

При эксплуатации оборудования для газификации древесных отходов с расходом Мт = 0,33 кг/с и теплотой сгорания rт =

= 10 200 кДж/кг получается генераторный газ с расходом Gг = 0,6 м3/с и теплотой сгорания rг = 4 175 кДж/м3 при нормальных условиях. Эффективность базового варианта оборудования составляет: КПД =

= Gгrг / (Мтrт) = 0,6 ´ 4 175 / (0,33 ´ 10 200)=

= 71 %. Затраты топлива при этом: 0,33 кг /

/ 0,6 м3 = 0,55 кг топлива/м3 = 14­•10–5 кг/кДж.

При установке рекуперирующего теплообменника обратно через подогрев воздуха в камеру газификации можно возвратить тепло выходящих из газификатора генераторных газов в количестве:

N = cGг(tвх – tвых) = 504 кВт,

где с = 1,4 кДж/(м3град) – теплоемкость генераторного газа;

Gг = 0,6 м3/с – расход газа;

tвх = 720 °С – температура газа на входе в рекуператор;

tвых = 120 °С – температура газа на выходе из рекуператора.

Эффективность базового варианта оборудования с рекуператором повысится до КПД = Gгrг / (Мтrт – N) = 83 %. Для получения газа с таким же расходом потребуется топлива Мтр = (Мтrт – N) / rт =

= (0,33 ´ 10 200 – 504) / 10 200 = 0,28 кг/с. Затраты топлива составят: 0,28 кг / 0,6 м3 =

= 0,47 кг/м3 = 11,8•10–5 кг/кДж.

В качестве топлива может использоваться смесь отходов древесины (соломы и т. д.) с отходами нефтепродуктов (отработанные масла, мазут). Смесь топлива, состоящая из 85 % древесины и 15 % углеводородных отходов с теплотой сгорания 35 700 кДж/кг, будет иметь общую теплоту сгорания rт =

= 14 000 кДж/кг = 0,48•10–3 т у.т./кг. Из нее получится генераторный газ с выходом 1,8 м3/кг и теплотворной способностью 6 300 кДж/м3.

Эффективность разрабатываемого оборудования составит:

• без рекуперации: КПД = 1,8 ´ 6 300 /

/ 14 000 = 81 %, затраты топлива – 1 кг /

/ 1,8 м3 = 0,56 кг/м3 газа = 8,8•10–5 кг/кДж;

• с рекуперацией: КПД = 1,8 ´ 6 300 /

/ (14 000 – 1 460) = 90 %,

причем расход топлива будет Мтр = (0,33 ´

´ 14 000 – 504) / 14 000 = 0,30 кг/с. Удельные затраты топлива составят: 0,30 кг /

/ 0,6 м3 = 0,5 кг/м3 газа = 7,9•10–5 кг/кДж производимого тепла.

В целом экономичность разрабатываемого оборудования по сравнению с базовым по топливу составит 43 % ((14•10–5 – 7,9•10–5) / 14•10–5).

На окончательном этапе при выработке электроэнергии от электрогенератора с КПД 80 %, подключенного к двигателю внутреннего сгорания с КПД 30 %, вырабатываемая электроэнергия составит 0,8 ´

´ 0,3 = 24 % от полученной в результате сжигания генераторного газа в двигателе тепловой энергии. Иными словами, для выработки электроэнергии мощностью 1 кВт необходимо затратить 1 / 0,24 =

= 4,2 кВт тепловой мощности от сжигания в двигателе генераторного газа или топлива в газогенераторе с расходом 4,2 кВт ´

´ 7,9•10–5 кг/кДж = 0,33•10–3 кг/с. Для электрогенератора мощностью 100 кВт необходим двигатель внутреннего сгорания 140 кВт и газогенератор с теплопроизводительностью по вырабатываемому газу 400 кВт с расходом реального многокомпозитного топлива до 0,03 кг/с.

На 400 кВт полученной тепловой мощности и электрической до 100 кВт за 1 год при 3-сменной работе и коэффициенте годовой загрузки у пользователя будет израсходовано 500 т/год топлива в виде местных отходов, что заместит импортируемые ресурсы в эквиваленте 600 т у.т./год. Поскольку 1 т у.т. энергетически эквивалентна 840 м3 природного газа ценой 500 долл. за 1 000 м3, то пользователь агрегата мощностью 100 кВт за 1 год сэкономит на импортируемых топливных ресурсах по теплу 600 ´ 840 м3/т у.т. ´

´ 500 долл. / 1 000 м3 = 252 000 долл./год. При таком вовлечении в оборот местных отходов у пользователя будет выработано 100 кВт ´ 24 ч/сут. ´ 0,5 ´ 365 сут. =

= 438 000 кВт•ч = 376 Гкал тепловой энергии, или 105 000 кВт•ч электрической энергии стоимостью 10 500 долл. при цене электроэнергии 0,1 долл./кВт•ч. При цене агрегата с тепловой мощностью 400 кВт до 100 000 долл. и эксплуатационных расходах до 2 000 долл. в месяц затраты пользователя окупятся менее чем за 1 год (при использовании своих собственных отходов).

Маркетинговые исследования показывают, что основными потребителями новой техники могут быть предприятия – производители строительных материалов, сельского и жилищно-коммунального хозяйства, а также потребители, удаленные от централизованных систем энергообеспечения.

 

 

На рисунке представлена схема опытного образца газогенератора, разработанного для получения тепловой энергии. Он работает на топливе – смеси горючих производственных отходов нефиксированного состава: загрязненный нефтепродуктами обтирочный материал, отходы пластика, в том числе пленочного полиэтилена и пропилена, отходы лакокрасочных средств, смет с территории, древесные отходы, картонно-бумажные упаковочные отходы, кухонно-пищевые отходы, отходы горюче-смазочных материалов и др. Газогенератор имеет тепловую мощность 200 кВт и габариты (без бойлера с водой, не показанного на рисунке) длиной 1,9 м, шириной 1,1 м и высотой 3,0 м. По принципу действия в основу оборудования заложена конструкция шахтного газогенератора Пинча. Образующиеся продукты сухой перегонки (смолы, кислоты) проходят через активный слой топлива (зона восстановления) сверху вниз, частично сгорают, а частично подвергаются крекинг-процессу (разлагаются с выделением горючих газов). Благодаря последнему исключается засмоление выходящего газового тракта и получается обессмоленный газ. Генераторный газ из камеры газификации подается на дожигание в жаровую трубу. Подача первичного и вторичного воздуха регулируется соответствующими заслонками. Рабочий объем исходной топливной смеси содержится в бункере. Негорючая минеральная фракция и зола накапливаются в зольнике под колосниковой решеткой. Дверца служит для периодической очистки зольника. Первичный розжиг генератора осуществляется через горловину с дверцей. Герметично прилегающая крышка бункера выполняет также функцию взрывного клапана. Горячие продукты сгорания, выходящие из жаровой трубы, подаются в теплообменник бойлера с водой (на рисунке не показан) для накопления и последующего потребления тепловой энергии. Габариты бойлера: длина – 2,8 м, ширина – 5,7 м, высота – 2,9 м, емкость по воде – 25 м3.

 

Выводы

 

1. Резервом снижения себестоимости продукции промышленности строительных материалов и сельского хозяйства, повышения ее конкурентоспособности, а также повышения рентабельности предприятий жилищно-коммунального хозяйства является использование энергетического потенциала горючих твердых бытовых отходов.

2. Экологически чистое производство обеспечивается при использовании газогенераторных технологий выработки тепла из твердых бытовых отходов вместо их прямого сжигания.

 

Геннадий ЖУРАВСКИЙ, доктор технических наук, заведующий отделением энергоэффективных технологий,
Олег МАРТИНОВ, научный сотрудник,
Дмитрий ПОЛЕССКИЙ, научный сотрудник,
Николай ШАРАНДА, научный сотрудник, ГНУ «Институт тепло- и массообмена им. Лыкова НАН Беларуси»

 

(Статья поступила в редакцию 27.11.2013 г.)

 

Литература

 

1. Бельков В. М. Методы, технологии и концепции утилизации углеродсодержащих промышленных и твердых бытовых отходов // Химическая промышленность. – 2000. – № 11.

2. Железная Т. А., Гелетуха Г. Г. Современные технологии получения жидкого топлива из биомассы быстрым пиролизом. Обзор. Часть 1 // Промышленная теплотехника. – 2005. – Т. 27. – № 4.

3. Nunoura T., Antal M. J. The black gold from green waste project at the University of Hawaii. Proc. of the Second World Biomass Conference. Rome, Italy, 10–14 May 2004. – ETA – Florence and WIP – Munich, 2004.

4. Железная Т. А., Гелетуха Г. Г. Современные технологии получения жидкого топлива из биомассы быстрым пиролизом. Обзор. Часть 2 // Промышленная теплотехника. – 2005. – Т. 27. – № 5.

5. Anything into Oil // DISCOVER Vol.24 No.5 (May 2003). – http://www.changingworldtech.com/.

6. Планковский С. И. Плазменные технологии утилизации ТБО. Современное состояние и перспективы / Сотрудничество для решения проблемы отходов: материалы IV Междунар. конф. – Украина, 2007.

7. Моссэ А. Л., Симон У., Савчин В. В., Зиновенко И. Н. Мобильная плазменная установка для уничтожения токсичных галогенорганических отходов / Сотрудничество для решения проблемы отходов: материалы IV Междунар. конф. – Украина, 2007.

8. Аристархов Д. В., Журавский Г. И., Полеcский И. П., Пермяков Б. А. Технология переработки отходов растительной биомассы, технической резины и пластмассы // ИФЖ. – 2001. – Т. 74.

9. Матвейчук А. С. Совершенствование технологии и конструкций оборудования для термической деструкции органических материалов в паровой среде // Канд. диссерт. – Минск: ИТМО НАНБ, 2005.

10. Aristarkhov D. V., Zhuravskii G. I. Modeling of the Vapor Thermolysis of Rubber Waste // Journal of Engineering Physics and Thermophysics. – Vol. 74. – 2001. – № 6.

11. Zhuravskii G. I., Sychevskii V.A. Numerical Calculation of Vapor Thermolysis of Organic Wastes // Journal of Engineering Physics and Thermophysics. – Vol. 674. – 2003. – № . 6.

12. Альтшуллер В. С. Новые процессы газификации твердого топлива. – М.: Недра, 1976.

13. Соуфер С., Заборски О. Биомасса как источник энергии. – М.: Мир, 1985. – 368 с.

14. Минько Ф. Ф., Равинский А. М. Материалы международной научно-технической конференции. – Минск, 2001.

15. Фалюшин П. Л., Жуков В. К., Куликов Н. С., Бохан Н. И. Материалы международной научно-технической конференции. – Минск, 2001.

16. Фалюшин П. Л. и др. Газогенератор для твердого топлива. Патент РБ № 1732, заявка 950098, 1997 г.

17. Аристархов Д. В., Егоров Н. Н., Журавский Г. И., Полесский Э. П., Шаранда Н. С. Паровой термолиз органических отходов. – Минск: Институт тепло- и массообмена им. А. В. Лыкова НАН Беларуси, 2001.

18. Бохан Н. И., Фалюшин П. Л., Ловкис В. Б. Получение горючих газов из твердого топлива // Материалы международной научно-технической конференции «Мобильная энергетика, энергосбережение». – М., 2000 г.

 

Контакты

Беларусь: 220121, г. Минск
а/я 72
Тел.: +375 (17) 385-94-44,
385-96-66

Факс: +375 (17) 392-33-33
Gsm: +375 (29) 385-96-66 (Vel)

Е-mail: energopress@energetika.by
E-mail отдела рекламы:
reklama@energetika.by

© ОДО Энергопресс, 2003—2009. Все права защищены.
Мониторинг состояния сайта
Создание сайта Атлант Телеком