Пиролиз и перспективы газификации твердых топлив
Опубликовано: 01 июля 2011 г.
1141
В. Копытов, к. т. н.
Газификацией твердых топлив (ГТТ) называется процесс 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.
Подписаться на статьи можно на главной странице сайта.
В основе технологического процесса газификации лежит способность органической части ТТ переходить при определенных условиях из твердого в газообразное состояние с образованием монооксида углерода (угарного газа) и водорода. Назначение оборудования ГТТ – создать такие условия.
Одним из 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 счет окисления части газифицируемого топлива (≈ 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, обычно происходящего при температуре ≈ 400–900 оС, и взаимодействия продуктов пиролиза с кислородом газифицирующих агентов при температуре, как правило, ≈ 900–1350 oС по экзотермическим химическим реакциям (1, 2) выделяется теплота.
С + О2 = СО2 + 409 кДж/моль (1)
2С + О2 = 2СО + 246 кДж/моль (2)
Теплота, выделившаяся в результате реакций пиролиза, используется в процессах:
- сушки ТТ при температуре ≈ 150–400 oС;
- взаимодействия продуктов пиролиза с диоксидом углерода (3) и водяным паром (4) при температуре ≈ 750–1000 oС по эндотермическим химическим реакциям:
С + СО2 = 2СО – 162 кДж / моль (3)
С + Н2О = СО + Н2 – 137 кДж / моль; (4)
- подогрева газифицирующих агентов при температуре теплоносителей (продуктов газификации) ≈ 200–900 oС.
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 (химический КПД газификации – 0,65–0,9) преобразуется в конечные продукты термохимической деструкции сложных органических веществ – горючий ГГ и твердый зольный остаток.
Рис. 1. Схема установки производства генераторного газа.
Пиролизные котлы
Вышеприведенные химические процессы реализуются в топках современных пиролизных котлов, внедрение которых сегодня представляет собой одно из перспективных направлений теплоэнергетики, эффективно использующее энергию такого восстанавливаемого источника энергии, как древесное биотопливо.
В пиролизных котлах, которые также называют газогенераторными, дрова загружаются в герметичную верхнюю камеру. В нее при помощи дутьевого вентилятора в небольших количествах подается первичный воздух и в ней же происходят вышеописанные процессы пиролиза. Образующийся в результате генераторный газ через сопло из огнеупорного материала (особый бетон или керамика) поступает в нижнюю камеру, где и сгорает при температуре порядка 1200 оС. Для более полного сгорания ГГ в районе сопла к нему подмешивается вторичный воздух. Газообразные продукты сгорания отдают тепло нагреваемой воде, проходя по дымогарным трубам, а затем направляются в дымоход.
Рис. 2. Бытовой пиролизный (газогенераторный) котел.
Загрузка топлива в такие газогенераторные котлы и удаление золы ( 1 раз в 3–7 дней) осуществляются вручную, что можно считать их недостатком. При нормальной отопительной нагрузке древесного топлива, загружаемого в камеру котла, хватает примерно на 8–12 ч работы. К другим преимуществам пиролизных котлов относятся полное сжигание топлива и большие возможности регулирования работы котла за счет изменения частоты вращения дутьевого вентилятора. В автоматическом режиме этот процесс управляется термостатом или программируемым устройством.
Сегодня на рынке присутствуют как бытовые пиролизные котлы от ряда производителей – Dakon (Чехия), Atmos (Чехия), Viessmann (Германия), Eko-Vimar Orlanski (Польша) и др., так и модели промышленной мощности. Например, модельный ряд отечественных твердотопливных пиролизных котлов «Буржуй-Ктэс» включает модели мощностью от 10 кВт до 5 МВт.
Рис. 3. Пиролизный (газогенераторный) котел промышленной мощности.
Несмотря на большой потенциал древесного топлива в России, при расточительном подходе, чреватым вредом экологии, и эти запасы не безграничны. Для интенсификации воспроизводства древесного биотоплива ученые Иркутского института физиологии и биохимии растений СО РАН создают новые виды быстрорастущих тополей, древесина которых может быть сырьем для газификации и служить топливом пиролизных котлов, а при необходимости – использоваться для синтеза искусственных газообразных и жидких моторных топлив, масел и смазок.
Как известно, технологии получения ГГ и искусственных жидких топлив из ГГ были широко распространены и весьма эффективно использовались в середине XX в. Сегодня, когда по мере расходования запасов разведанных углеводородов все более обостряется вопрос поиска альтернативных топлив, интерес к ГТТ-технологиям вновь возрастает.
Перспективы ГТТ в энергетике
Как отмечалось выше, возможностью применения пиролизных котлов в теплоэнергетике перспективы использования процессов ГТТ не исчерпываются.
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 особых 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 (требования современных двигателей внутреннего сгорания в части содержания в топливе смолистых веществ и твердых частиц по сравнению с началом и серединой прошлого века серьезно ужесточились), 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.
Рис. 4. Схема установки производства газогенераторного топлива с использованием его для выработки электроэнергии.
ГГ 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 твердотопливных 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 твердых топлив.
В связи с этим, предполагаемые места эксплуатации твердотопливных электростанций – это, как правило, небольшие населенные пункты с неразвитой инфраструктурой, в т.ч. без централизованных систем тепло- и электроснабжения, расположенные в отдаленных районах Сибири, Дальнего Востока и Крайнего Севера, а также других регионах с высокой стоимостью жидких и газообразных видов топлив.
Энергетические комплексы на базе оборудования ГТТ могут производить электроэнергию как в жесткой привязке к внешним электросетям, так и автономно, независимо от внешних электросетей. Возможна (и в большинстве случаев целесообразна) также работа комплексов в режимах когенерации (производство одновременно электроэнергии и тепла) и тригенерации (электроэнергия + тепло + холод).
Ввиду наличия водорода в составе ГГ, последний может также рассматриваться в качестве энергоносителя для получающих все большее распространение топливных элементов и других направлений водородной энергетики.
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 т.ч. в местах с дефицитом солнечного света и тепла, и без использования централизованных систем энергоснабжения.
Рис. 5. Газогенераторная установка.
Технологии и оборудование ГТТ, кроме использования в энергетике и при утилизации отходов в химической промышленности, имеет и другие возможные сферы применения.
При организации неполной газификации ТТ возможно получение дополнительного ценного продукта – газогенераторного среднетемпературного кокса, способного служить заменителем классическому коксу в металлургической промышленности.
Возможно также использование оборудования ГТТ в теплофикационных и технологических целях. Например, в системах лучистого обогрева, обжиговых печах и сушильных камерах. При этом физическое тепло ГГ 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.
Новая жизнь ГТТ-технологий
Наибольшее распространение в нашей стране и в мире получили технологии ГТТ в плотном слое, в потоке и в кипящем слое.
Известны также технологии ГТТ под высоким давлением (например, газогенераторы Лурги), с использованием тепла атомных и термоядерных реакторов, с встроенными плазмотронами и множество других.
Среди последних можно отметить технологию плазменной газификации BioSynGas, разработанную американской фирмой Solena, технологию PGM, продвигаемую на территории России и стран СНГ ООО «Эко Прогресс Энерджи» («дочка» российско-израильской компании Environmental Energy Resources Ltd), технологии плазменной газификации твердых 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 еще в 1888 г.
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 партнерами).
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 в. такие технологии, кроме как в СССР, получили в США, ФРГ, Франции и др. странах. В некоторых странах подземная газификация имеет место и в настоящее время.
Новое звучание подземная газификация получила в последнее время применительно к газификации горючих сланцев. В некоторых странах Европы это рассматривается как серьезная альтернатива российскому природному газу.
Главным преимуществом технологии ГТТ (по крайней мере, с экологической точки зрения) является низкий уровень негативного воздействия на окружающую среду.
Это, в первую очередь, обусловлено достаточно продолжительным (более 3 сек.) нахождением газообразных продуктов ГТТ сначала в зоне окисления (горения) при температурах 1 000–1 200 оС, а затем в восстановительной (бескислородной) зоне формирования ГГ. При таких условиях происходит термическое разложение и восстановительное дехлорирование наиболее опасных веществ – диоксинов, фуранов, полихлорбифенилов, бензпиренов и других полициклических ароматических углеводородов.
Еще одним преимуществом газификации в сравнении с прямым сжиганием ТТ является образование гораздо меньших объемов 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).
Все 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 твердых вторичных отходов.
Наконец, при газификации недожог топлива в сравнении с прямым сжиганием существе ниже, т.к. происходит почти 100 % конверсия углерода при переходе его из твердого в газообразное состояние, а в ГГ/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 ГГ заданного химического состава или заданной теплоты сгорания, так как эти показатели определяются выбранной схемой газификации, а также температурой, давлением и составом применяемых газифицирующих агентов.
ТТ растительного происхождения, произведенное из специально выращиваемой быстрорастущей фитомассы (тепличные и фотобиореакторные водоросли, древесные, кустарниковые и травянистые энергетические посадки («энергетические леса») и т.п.), а также топливо, произведенное из отходов, являются возобновляемыми источниками энергии.
«Энергетические леса» представляют собой плантации высаженных плотнее, чем обычно, быстрорастущих деревьев и кустарников (ивы, тополя осинообразного, сосны ладанной, эвкалипта, ореха, ясеня, ольхи, акации и др.), а также трав (злаков, слоновой травы, камыша и др.), выращиваемых в энергетических целях для последующего производства биотоплива.
Период ротации «энергетических лесов» составляет обычно от 4 до 7 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 ГТТ, использующих твердое топливо из специально выращиваемой фитомассы, не приводит к повышению концентрации диоксида углерода 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 фитомассы 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.
Вообще, использование возобновляемых источников энергии, в т.ч. с помощью оборудования ГТТ, 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.
Статья публикована в журнале "Промышленные и отопительные котельные и мини-ТЭЦ", 3 (8)" 2011