|
| |
|
Главная -> Экология
Системе теплоснабжения города нужнажесткая рука. Переработка и вывоз строительного мусораТ.А. Железная, Г.Г. Гелетуха Термохимическая газификация представляет собой процесс частичного окисления углеродсодержащего сырья, такого, как биомасса, торф или уголь с получением газообразного энергоносителя – генераторного газа. Полученный газ состоит из моноксида углерода, водорода, метана, диоксида углерода, небольшого количества углеводородных соединений более высокого порядка, таких как метан и этан, содержит пары воды, азот (при воздушном дутье) и различные примеси, такие как смолы, частицы углистого вещества и золы. В качестве окислителя при газификации могут использоваться воздух, кислород, пар или смеси этих веществ. Максимальная температура процесса составляет 800...1300 0С. При воздушной газификации производится генераторный газ с высшей тепотворной способностью 4...6 МДж/м3 (низкокалорийный газ). Этот газ можно сжигать в котлах, после очистки – в газовых двигателях или турбинах, но он не пригоден для транспортировки по трубооводу, ввиду низкой энергетической плотности. Газификация с использованием кислорода дает среднекалорийный газ (10...12 МДж/м3), пригодный для ограниенной транспортировки по трубопроводу и для использования в качестве синтез-гас целью получения метанола и газолина. Среднекалорийный газ (15...20 МДж/м3) может быть получен также путем паровой (пиролитической) газификации. Это двухстадийный процесс, реализуемый в двух реакторах кипящего слоя. Наиболее широко в настоящее время применяется воздушная газификация. При этом исклюются все затраты и трудности, связанные, во-первых, с производством и исользованием кислорода, во-вторых, с необходимостью двух реакторов при паовой газификации [1]. По типу слоя сырья и способу подвода окислителя основные технологии могут быть разделены на газификацию в плотном (неподвижном) слое с восходящим/ нисходящим/ поперечным движением газа, газификацию в кипящем слое (стационарный КС, ЦКС, два реактора КС) и газификацию в потоке. Детальная характеристика этих технологий приведена в [2]. Характерной чертой реактора с НДГ является движение газа вниз через опускающийся плотный слой сырья. Такая технология обеспечивает получение относительно чистого генераторного газа с содержанием смол 50...500 мг/нм3. ГГ может использоваться в газодизельных электростанциях небольшой мощности. В гафикаторах плотного слоя с ВДГ биомасса, поступающая сверху вниз, сначала просушивается ГГ, который движется вверх. Затем твердое сырье пиролизируется с образованием углистого вещества, которое продолжает двигаться вниз и проходит стадию газификации. Парообразные продукты пиролиза уносятся вверх гоячим ГГ. Смолы, содержащиеся в этих продуктах, конденсируются на холодном опускающемся сырье или уносятся из реактора произведенным газом. Таким обраом, концентрация смол в генераторном газе увеличивается и может достигать 10...100 г/нм3. Ввиду значительного содержания смол, без дополнительной очистки газ может только сжигаться в котле, расоложенном в непосредственной близости от установки. Газификаторы с ПДГ в работе во многом сходны с газификаторами с НДГ. Воздух или смесь воздуха с паом подводятся в реактор через боковую стенку в нижней части корпуса реактора. ГГ отводится из реактора с противоположной стороны. Широкого распространения газификаторы данной конструкции не получили. Отличительными особенностями газификаторов с КС по сравнению с реакторами плотного слоя являются высокие скоости тепло- и массопереноса и хорошее перемешивание твердой фазы, что обесечивает высокие скорости реакции и близкую к постоянной температуру слоя. Частицы сырья должны быть более мелкими, чем при газификации в плотном слое, то есть необходимо дополнительное измельчение. Реакторы с КС – единственный вид газификаторов, работающих с изотермическим слоем сырья. Производится ГГ с содержанием смол 5...10 г/нм3, что является средним показателем между газификацией с ВДГ и НДГ. При газификации в ЦКС частицы, унесенные из реактора потоком газа, отделяются от ГГ в циклоне и возвращаются обратно в слой для увелиения степени конверсии углерода. Проведенный ГГ большинстве коммерческих приложений используется для сжигания в котлах. Технология газификации биомассы в КС и ЦКС может быть реалиована как при атмосферном, так и при высоком давлении. Установка, работающая под давлением, является существенно более сложной и дорогостоящей по сравнению с атмосферной газификацией. Премущества этой технологии проявляются при использовании в крупных парогазотурбинных установках с внутрицикловой газификацией БМ. В этом случае не требуется дополнительного сжатия ГГ перед подачей в камеру сгорания газовой турбины. Установка с двумя реакторами КС позволяет получить ГГ с более высокой теплотворной способностью, чем в случае одного КС с воздушным дутьем. Первый реактор по своей функции близок к пиролизе. Теплота привносится в него горячим песком, циркулирующим между двумя ректорами. Смесь генераторного газа, угстого вещества, золы и песка из газификатора поступает в циклон, где твердая фракция отделяется и попадает во второй реактор с КС (камеру сгорания). Углистое вещество сгорает, а нагретый песок возвращается в первый реактор. Произведенный генераторный газ имеет высокую тепотворную способность, однако содержит много смол, поскольку процесс конверсии сырья близок к пиролитическому. При газификации в потоке частицы сыья захватываются потоком окислителя (обычно кислорода или пара). Образующаяся суспензия проходит по всей длине ректора, где и происходит процесс газификации. При газификации в потоке генеторный газ содержит мало смол. До настоящего времени имеется небольшой опыт работы с БМ в таких установках. Среди других видов реакторов можно выделить [1]: • Реактор с движущимся слоем (горионтальный слой, наклонный слой, многокамерная печь, печь со шнеком): механическое перемещение слоя сыья. Газификация в таком реакторе обычно является низкотемпературной. • Вращающаяся печь: в основном исользуются для переработки отходов ввиду хорошего контакта газа и твердых частиц и хорошего перемешивания сырья. Необходима тщательно продуманная конструкция для избежания уноса твердых частиц. • Циклонные и вихревые реакторы: высокие скорости движения частиц обесечивают высокие скорости протекания реакций. Циклонные газификатоы отличаются простотой конструкции. Однако они лишь недавно стали применяться для конверсии биомассы, и технология еще не до конца отработана. Обзор коммерческих и демонстрационных установок газификации БМ с целью выработки теплоты в Европейских странах и США Газификация БМ с целью получения тепловой энергии достигла коммерческого уровня. Это означает, что производитесоответствующего оборудования дают гарантию на свою продукцию, а сама технология является конкурентоспособной с другими технологиями производства тепоты. Наиболее известными сегодня являются газификаторы с ВДГ Bioneer компании Bioneer Oy (теперь Foster Wheeler Energia Oy, Финляндия) и реакторы PRM Energy Systems, Inc. (США), газификаторы с ЦКС Pyroflow компании A. Ahlstrom Oy (теперь Foster Wheeler Energia Oy) а также компаний Lurgi Energie und Umwelt (Германия) и TPS Termiska Processer AB (Швеция). Foster Wheeler Energia Oy входит в состав Foster Wheeler Corporation с главным офисом в США [3]. Кроме упомянутых выше, в мире имеется около 25 производителей газификаторов с НДГ и более 10 производителей газификаторов с КС и ЦКС; ряд компаний выпускает реакторы с ВДГ и другие виды. Производители газификаторов с НДГ – это, в основном, мелкие компании, выпускающие газификационные системы небольшой мощности (ректор + двигатель внутреннерго сгорания) и уже соорудившие 1-2 демонстрационные установки. Среди крупных производителей газификаторов можно выделить PRIMENERGY Inc. (США, ВДГ), Babcock & Wilcox Volund ApS (Дания, ВДГ), KARA Energy Systems BV (Нидерланды, НДГ, КС), Kvaerner Pulping AB Power Division (Швеция, ЦКС), Future Energy GmbH (Германия, НДГ, газификация в потоке). В таблице 1 собраны данные о действующих в Европе, США и других странах коммерческих и демонстрационных установках для газификации БМ с целью выработки теплоты (и электроэнергии). На установках, производящих только тепловую энергию, генераторный газ, в основном, сжигается в котх или используется в печах для обжига извести. В середине 1980-х гг. VTT и Bioneer Oy провели широкомасштабные исследования по газификации различных видов сырья, таких как древесная щепа, лесные отходы, торф, солома, гранулы из горючей части ТБО, смесь угля с древесной щепой, смесь горюей части ТБО с древесной щепой. Исследования были выполнены на пиотном газификаторе Bioneer мощностью 1,5 МВтт. Содержание пара в воздушном дутье поддерживалось в пределах 0,15...0,19 кг Н2О/кг сухого воздуха. Мощность газификатора при проведении исследований составля50...100% от номинальной мощности. Типичный состав генераторного газа при работе на древесной щепе влажностью 41%: СО 30%, Н2 11%, СН4 3%, N2 49%; высшая теплота сгорания 6,2 МДж/нм3. Концентрация смол в сухом генераторном газе находилась в диапазоне 50...100 г/нм3. Газификатор Bioneer с восходящим движением газа Газификатор Bioneer с ВДГ был разработан в Финляндии компанией VTT в сотдничестве с SME Company. Bioneer проводит низкокалорийный генераторный газ с большим содержанием смол. Генеторный газ может применяться на теповых станциях 1...15 МВтт и мини-ТЕЦ 1...3 МВтэ, на дизельных электростанциях посе каталитической очистки, а также в суьных и технологических печах. В 19821986 гг. были построены девять газификаторов Bioneer (4...5 МВтт) и введены в экстацию на коммерческом уровне в Финляндии и Швеции. Практически все они до сих пор работают: восемь – на теповых станциях малой мощности, один – в паре с сушильной печью. Производитель газификаторов – компания Bioneer Oy – была выкуплена корпорацией A. Ahlstrom Oy, затем Foster Wheeler Energia Oy приобела A. Ahlstrom Oy, после чего в 1996 г. была построена десятая тепловая станция с газификатором Bioneer в Ilomantsi (Финяндия). Позднее газификаторы Bioneer в эксплуатацию не вводились, хотя сейчас компания Condens Oy (Финляндия) представляет на рынке современную модификацию этого газификатора. Газификаторы Bioneer полностью автоматизированы и достаточно терпимы к характеристикам используемого сырья (фракционный состав, влажность). Поскольку эти газификаторы работают только с целью получения теплоты, большое содержание смол и пыли в генераторном газе не вызывает проблем. В настоящее время технология газификации, подобная Bioneer, предлагается также компанией Carbona Oy (Финяндия) [4]. На тепловой станции Kauhajoki (Финяндия) мощностью 5 МВтт газификатор Bioneer работает в паре с котлом. Газификатор состоит из питателя, шахтного реактора, футерованого огнеупорным материом и вращающейся конусной решетки. Сырье подается в газификатор сверху и, перемещаясь вниз, проходит последовательно зоны сушки, пиролиза, газификации и горения. Зола, оставшаяся после гоения, удаляется через решетку в нижней части газификатора. Температура в зоне горения регулируется путем изменения влажности воздушного дутья. Воздух и пар подаются в газификатор снизу через вращающуюся решетку. Генераторный газ по короткой теплоизолированной трубе поступает в горелку, сконструированную специально для сжигания низкокалорийного газа. На тепловой станции Kauhajoki, как и на всех других тепловых станциях с газификатором Bioneer, генераторный газ сжигается в котле с целью выработки гоячей воды, которая подается потребитеям. Вследствие высокого уровня содержания смол, газ, произведенный Bioneer, не может транспортироваться на большие расстояния или непосредственно испольоваться в двигателях внутреннего сгорания [4, 5]. Сырье, перерабатываемое газификаторами Bioneer, должно удовлетворять следующим требованиям (спецификация производителя): максимальное содержание мелких частиц 30...50% масс., влажность не более 50%, температура плавления золы не ниже 1190 0С (DIN 51730), тепотворная способность 0,65...1,7 МВт.ч/м3. В 1998 г. VTT собрала и проанаовала данные по эксплуатации газификатора Bioneer на тепловых станциях. Оказалось, что на практике для газификаторов данного типа используют сырье влажностью не более 45% в обычном режиме работы и не более 40% – в случае работы газификатора при максимальной нагрузке в течение длительного периода. При несоблюдении этого условия, горение генераторного газа с большим содержанием аэрозолей смол и паров воды становится нестабильным [4]. В целом, газификация в плотном слое с ВДГ проявила себя как надежная и экономически жизнеспособная технология для использования на тепловых станциях небольшой мощности. Требования к качеству сырья соответствуют способу применения генераторного газа – сжигание в коте. Наиболее подходящим топливом является древесная щепа, тогда как газификация измельченной коры, опилок и измельченной строительной древесины выывает определенные проблемы. Кроме того, смолы, содержащиеся в генераторном газе, вызывают засорение каналов, соединяющих газификатор с котлом. Это приводит к необходимости частой прочистки каналов. Так, например, на тепловых станциях Финляндии, оборудованных гафикатором Bioneer, прочистка каналов, по которым проходит генераторный газ, выполняется каждые 2-6 недель в зависимости от свойств сырья и мощности газификатора. Газификатор Pyroflow с циркулирующим кипящим слоем Газификатор Pyroflow с ЦКС был разработан компанией A. Ahlstrom Oy. Первый коммерческий газификатор мощностью 35 МВтт был установлен в 1983 г. для обжиговой печи компании Wisaforest Oy (Финляндия). После этого еще три газификатора мощностью 15...35 МВтт были установлены для коммерческого испольования полученного газа в обжиговых печах в Швеции и Португалии. Несмотря на многочисленные технические проблемы в начале эксплуатации (засорение систем сушки и загрузки сырья, износ дробиок, коррозия и эрозия труб), все газификаторы до сих пор работают. Попытки коммерциализации газификаторов Pyroflow, соединенных с газодизельным двигателем, окончились неудачей вследствие высокого уровня содержания смол в генераторном газе. Простая технология газификации, реаованная на ТЭЦ Kymijarvi, подходит только для древесной биомассы и чистой горючей части отходов. При такой техноогии много золы вместе с генераторным газом попадает в угольный котел. Испольование ряда других потенциальных видов биомассы (солома, энергетические культуры) и отходов (промышленные, ТБО) практически невозможно, поскольку они содержат большое количество хлора, щелочных металлов и алюминия, которые вызывают коррозию и засорение трактов котла. Газификатор Lurgi с циркулирующим кипящим слоем Немецкая компания Lurgi Energie und Umwelt является известным разработчиком и производителем газификаторов с циркулирующим кипящим слоем. С 1983 г. в исследовательском центре Lurgi действует экспериментальный газификатор мощностью 1,7 МВтт, который наработал более 8000 часов. Первый коммерческий газификатор мощностью 27 МВтт был установлен в 1987 г. на крупной бумажной фабрике в P?ls (Австрия) и работал на древесной коре. Процесс газификации протекал при давлении около 1 бара, проведенный ГГ частично охлаждался и сжигался в печи для обжига извести. В процессе эксплуатации газификатора окаось, что высокое содержание частиц золы в ГГ приводит к нежелательному загрязнению извести. Поэтому в настоящее время газификатор работает лишь периодически в экспериментальных и исследовательских целях. С 1996 г. реактор Lurgi 100 МВтт эксплуатируется на цементном заводе в Rudersdorf (Германия). Степень конверсии углерода в этом газификаторе оказалась существенно ниже, чем ожидаось (всего 84%) вследствие высокого уноса частиц сырья в циклон. Генераторный газ используется в кальцинаторе цементной печи, обеспечивая 30...40% необходимой тепловой энергии. Зола применяется для производства цемента. Газификатор работает только на достаточно чистой биомассе (древесных отходах), поскольку в противном случае это отрицательно сказывается на качестве цемента. Lurgi имеет также установки на электростанциях в Нидерландах и Италии (однако, в Италии газификатор Lurgi сейчас заменяется реактором компании Carbona Inc.). Газификатор PRM Energy Systems с восходящим движением газа PRM Energy Systems (США) уже более 20 лет специализируется на коммерческих газификаторах ВДГ и имеет 19 установок, работающих на пяти континентах мира. Ежегодно на этих установках перерабатывается около 500 тыс. т биомассы, в основном, рисовой шелухи. Как правило, произведенная тепловая энергия испольется в промышленных сушильных аппатах или в промышленных технологических процессах в виде насыщенного пара низкого давления. Ряд установок также вырабатывают электроэнергию. На своем экспериментальном газификаторе PRM Energy Systems в 1984-1988 гг. успешно отботала получение чистого ГГ из различных видов биомассы: рисовая шелуха, соома риса, куриный помет, древесные опилки, щепа и кора, торф, солома пшеницы, початки и стебли кукурузы и многие другие. Первые два коммерческих газификатора были внедрены на крупной фабрике по переработке риса в 1982 г. в США. Произведенный ГГ сжигается в коте, замещая потребление природного га, а пар используется в сушильных аппатах. С 1985 г. газификаторы этой компании работают в Австралии, с 1987 г. – в Малайзии, с 1995 г. – в Коста-Рике. Одна из последних установок PRM Energy Systems (4 МВтэ) построена в 2003 г. в Rossano (Италия). Она состоит из газификатора PRMES KC-18, системы охлаждения, очистки и контроля качества генераторного газа, а также шести газовых двигателей Guascor S.A. (Испания). Газификатор работает на жмыхе маслин (потребление 4500 кг/час) без какой-либо предвательной подготовки сырья. Газификационная система включает систему подачи и дозирования сырья, газификатор, выложенный изнутри огнеупорным материаом, автоматическую водоохлаждаемую систему беспрерывной выгрузки золы, многозонную систему подачи дутья и систему автоматики. Генераторный газ охлаждается водой в теплообменнике и постует в скруббер, где происходит дальнейее охлаждение и очистка от твердых частиц и смол. Смолы поступают обратно в газификатор, ГГ немного сжимается и подается в двигатели. Установка в Rossano – первая в мире газификационная установка, работающая на жмыхе маслин с целью производства электроэнергии [6]. Другие газификаторы Организация Wamsler Umwelttechnik GmbH (теперь Hugo Petersen Umweltengineering, Германия) имеет успешный опыт работ по созданию газификационных установок с нисходящим движением газа. В 1994 г. три такие установки тепловой мощностью 0,6...1,5 MВт были запущены в Германии, с 1998 г. работает демонстрационная установка мощностью 0,6 МВт. Wamsler также имеет опыт в очистке генеторного газа в скрубберах и эксплуатации газодизельного двигателя мощностью 200 кВтэ, работающего на генераторном газе. Институт технологий газа (Institute of Gas Technology, США) и фирма Enviropower Inc. (совместное предприятие Tampella Power Systems, Финляндия, и Vattenfall AB, Швеция), теперь Carbona Inc. (Финляндия), провели работы по доведению до коммерческого уровня техноогии газификации БМ под давлением с использованием парогазотурбинных установок. В рамках этой программы в г. Тамере (Финляндия) была сооружена и в 1993 г. запущена пилотная установка с гафикатором Tampella ЦКС мощностью 15 МВтт. Установка использовалась для отработки газификации под давлением и проводства тепловой энергии. Было наработано более 2000 часов и переработано более 5000 т сырья. Сырьем для газификации служит смесь кокса, биомассы и угя. Биомасса представляет собой различные виды древесных отходов, солому и стебли люцерны. Сырье подвергается предварительному измельчению и просушке. Газификация протекает при темпетуре 850 ?С и давлении 20 бар. Генераторный газ после выхода из газификатора проходит очистку в двух циклонах, устойстве по удалению серы и фильтре гоячей очистки. После очистки одна часть газа возвращается в газификатор для создания дутья, другая – поступает в котел для выработки тепла. После котла продукты сгорания проходят через электростатиеский фильтр и выбрасываются в дымовую трубу [7, 8]. Совместные работы Института техноогий газа и Carbona Inc. закончились созданием коммерческого газификатора IGT RENUGASTM. Газификация в этом реактое проходит при температуре 840...950 ?С. Дутьем является смесь воздуха и пара. Воздух подается из компрессорной секции газовой турбины через бустер-компрессор, пар подводится из паровой турбины. Газификатор работает с т.н. «фонтанирующим» слоем, в котором происходит интенсивная циркуляция твердых частиц от верхней до нижней части ректора, что обеспечивает высокую скорость процесса газификации и максимальный уровень крекинга смол. В настоящее время установка описанной конструкции мощностью 8 МВтэ действует на сахарном заводе в Paia, Гавайи (мощность по сухому сырью 50 т/день). FERCO Enterprises, Inc. (США) в течение многих лет занимается разработкой и исследованием технологии газификации биомассы в двух реакторах кипящего слоя. Технология SilvaGas? воплощена на демонстрационной установке в г. Бернгтон, США (60 МВтт). Установка работает на БМ различного вида влажностью 10...50% и производит среднекалорийный генераторный газ (17...19 МДж/нм3), который сжигается в котлах. В настоящее время FERCO Enterprises работает над проблемой использования ГГ в ПГТУ ВГ. Demag Delaval Industrial Turbomachinery (Великобритания) продемонстрировала возможность сжигания ГГ SilvaGas в газовой турбине с минимальной модификацией ее конструкции. Разрабатывается концепция электростанции мощностью 23 МВтэ [9]. Рис. 1. Схема ТЭЦ Kymijarvi (Lahti, Финляндия) 1 – газификатор, 2 – воздухоподогреватель, 3 – циклон, 4 – бункер для хранения и перемешивания топлива, 5 – шаровой затвор Рис. 2. Демонстрационная газификационная установка компании Entimos Oy (Tervola, Финляндия) 1 – двигатель с турбонаддувом, 2 – генератор, 3 – система теплоснабжения, 4 – электрическая сеть, ГГ 1, ГГ 2 – генераторный газ Научно-исследовательские и демонстрационные работы Продолжаются научно-исследовательские и демонстрационные работы по дальнейему развитию и совершенствованию технологий газификации. Их можно раздеть на две группы. В области газификационных установок малой мощности работы, в основном, сосредоточены на газификаторах НДГ, очистке газа в циклонах, скрубберах или фильтрах и использовании генераторного газа в двигателях внутеннего сгорания с целью получения тепла и электроэнергии. Ряд организаций продолжают серьезные работы в области гафикаторов ВДГ, хотя, в общем, интерес к этой технологии снизился. В области крупных газификационных систем научно-исследовательские и демонстрационные работы сосредоточены на газификаторах с КС и ЦКС, предназначенных для использования в ПГТУ ВГ. Последние исследования показывают, что технологии КС экономически целесообразнее испольовать на установках средней мощности (15...40 МВтт), тогда как газификаторы ЦКС больше подходят для крупных установок 40...100 МВтт. Одной из наиболее перспективных сегодня считается новая технология газификации, разработанная Entimos Oy (Финяндия). Газификатор Entimos представяет собой комбинацию НДГ и ВДГ. Генеторный газ, выходящий из верхней части реактора (ГГ 1, рис. 2), сжигается в коте с целью выработки тепловой энергии. Газ из средней части ректора (ГГ 2) постует в двигатель с турбонаддувом для производства электроэнергии. Когенерационная демонстрационная установка мощностью 1,1 МВтт+450 кВтэ с 2001 г. работает в Tervola (Финляндия), обеспечивая теплотой и электроэнергией местную общину. В качестве сырья используются отходы лесопильного завода и остатки лесной древесины [4]. VTT и Condens Oy разработали газификатор новой конструкции Novel, который является комбинацией ВДГ и ПДГ. Целью работы было использовать преимущества конструкции Bioneer и достичь низкого содержания смол в ГГ, свойственного газификаторам с НДГ. Газификатор новой конструкции предназначен для переработки древесной щепы, опилок, коры, торфа и горючей части ТБО. Успешная апробация газификатора прошла в 1999-2001 гг. на пилотной установке VTT мощностью 500 кВтт. VTT и Condens Oy разработали также систему очистки ГГ. Газификатор может использоваться на тепловых станциях мощностью до 10 МВт и на ТЭЦ мощностью до 3 МВтэ. Первая демонстрационная установка 4,3 МВтт+1,8 МВтэ (газификатор Novel и двигатели Jenbacher) стоимостью 4,5 млн Евро запущена зимой 2004/2005 гг. на тепловой станции Kokemaki [4, 10]. Ekogastek Oy (Финляндия) в 1998 г. застила пилотную установку мощностью 4 МВтт с газификатором ВДГ. Инновационной чертой газификационной технологии является использование керамических шариков, которые загружаются в газификатор вместе с сырьем и затем удаляются из золы. Пилотная установка работает на горючей части ТБО. Технология двухстадийной газификации биомассы на основе реактора с НДГ разработана в Техническом университете Дании (DTU). Основная идея состоит в оптимальном разделении зон пиролиза, втоного разложения пиролизных смол и газификации углистого вещества. Сырье поступает в шнековый питатель, подогреваемый снаружи воздухом, где происходит его сушка и пиролиз. После питателя сырье загружается в верхнюю часть газификатора. Подогретый воздух подается в среднюю зону реактора, где происходит частичное окисление биомассы. Из зоны частичного окисления биомасса опускается вниз в зону газификации. Технология реализована на демонстрационной установке “Viking” мощностью 80 кВтт [11, 12]. Немецкая компания VER GmbH разработала новую конструкцию газификатора плотного слоя с поперечным движением газа. Отличительной чертой конструкции является горелка для ГГ, встроенная непосредственно в газификатор. Сооружена пилотная установка мощностью 20 кг сыья/час, работающая на древесных отходах всех видов с характерным размером частиц 1...6 см. Ожидается, что содержание смол в ГГ будет ниже, чем при газификации с ВДГ, а выгорание углистого вещества – лучше, чем при газификации с НДГ [13]. VTT с 1997 г. выполняет разработку и совершенствование систем горячей очистки ГГ, полученного при газификации различных видов БМ в газификаторе с ЦКС. Принцип горячей очистки основан на фильтрации ГГ при температуре 400 ?С и использовании сорбентов для удаления хлора. Пеед поступлением газа в тканевые фильты, в него впрыскивается гидроокись кальция для связывания HCl. Разработанная технология горячей очистки ГГ была провеена на экспериментальной установке VTT 300 кВтт с газификатором ЦКС и на пилотной установке Foster Wheeler 3 МВтт с газификатором ЦКС. Эта технология подходит также для газификаторов с КС, что было продемонстрировано VTT при выполнении совместного проекта с финскими компаниями Pohjolan Voima Oy и Vapo Oy в 2001 г. Проект направлен на оптимизацию техноогии газификации промышленных и бытовых отходов в реакторе КС и охватывает весь процесс от подготовки сырья до выработки электроэнергии из ГГ. В Институте технической теплофизики НАН Украины сооружается пилотная газификационная установка с двумя реакторами кипящего слоя мощностью 50 кВтт. На установке планируется исследование процесса газификации твердых бытовых отходов. Экономические аспекты процесса газификации БМ с целью получения тепла Газификатор Bioneer продемонстрировал хорошие технико-экономические показатели работы, в том числе при частичной загрузке (85...90%). Для обслуживания тепловой станции с газификатором Bioneer необходим персонал в количестве 3-4 чел. Эксплуатационная готовность гафикатора 95...97%. Удельные капитальные затраты составляют 420 долл./кВт, эксплуатационные затраты – около 20 долл./МВт.ч. Стоимость произведенной тепловой энергии 24 долл./МВт.ч [13]. В работе [10] проведена оценка капитальных затрат и срока окупаемости газификатора Novel. Рассмотрено три варианта внедрения газификатора: в условиях Финляндии для производства тепловой и электрической энергии (3,9 МВтт+1,8 МВтэ); в условиях Италии для выработки только электроэнергии (1,8 МВтэ) и для выработки теплоты и электроэнергии (1,1 МВтт+0,6 МВтэ). Во всех случаях электроэнергия производится путем сжигания генераторного газа в двигателе внутреннего сгорания. В первом варианте (Финляндия) капитальные затраты составляют 4,5 млн Евро с учетом наличия 40% государственной субсидии на внедрение новой технологии. При тарифе на электроэнергию 28 Евро/МВт.ч, тарифе на тепловую энергию 26 Евро/МВт.ч, стоимости топлива (древесина) 6 Евро/МВт.ч и ставке дисконта 5% срок окупаемости капиталовложений составляет 13 лет. Для условий Финляндии это нормальный показатель, поскольку там считается, что экономически целесообразный срок окупаемости инвестиций подобного типа лежит в диаоне 10-13 лет. Если же сырьем для газификации служит горючая часть отходов с отрицательной стоимостью, срок окупаемости установки снижается до 5 лет. В Итастоимость электроэнергии существенно выше, чем в Финляндии (120 Ево/МВт.ч), поэтому срок окупаемости проекта намного ниже – 3-6 лет. Для ванта производства только электроэнергии капитальные затраты составляют 4,8 млн Евро (2,67 тыс. Евро/кВтэ), в случае производства теплоты и электроэнергии – 2,8 млн Евро (1,22 тыс. Евро/кВтт). В 1998 г. Foster Wheeler Energia Oy ввела в эксплуатацию новый газификатор Pyroflow стоимостью около 15 млн долл. на ТЭЦ Kymijarvi (Lahti, Финяндия). Газификатор был подсоединен к существующему угольному котлу (рис. 1). Производительность газификатора по топливу (древесная биомасса и горючая часть отходов) составляет около 300 ГВт.ч/год. С техноогической точки зрения основное оте от газификаторов Pyroflow, установленных в 1980-х гг. для обжиговых печей, состоит в том, что газификатор в Lahti перерабатывает сырье без сушки. Влажность топлива может доходить до 60%. Мощность газификатоколеблется в диапазоне 40...70 МВтт в зависимости от влажности и теотворной способности сырья. Процесс проходит при атмосферном давении и температуре около 850 ?С. Производится низкокалорийный генеторный газ (2,0...2,5 МДж/нм3) следующего состава: CO2 12,9%, CO 4,6%, H2 5,9%, N2 40,2%, H2O 33%, CxHy 3,4%. Газ очищается в циклоне, немного охлаждается в воздухоподогревателе (подготовка дутья для газификатора) и поступает в котел. В котле имеются две газовые горелки, расположенные ниже угольных. Генераторный газ замещает около 15% угля, потребяемого котлом [4] Авторы [14] методом компьютерного моделирования провели сравнение технико-экономических показателей двухстадийного газификатора, разработанного в Техническом университете Дании, и разновидности газификатора с НДГ – реактора с постоянным поперечным сеением (без горловины), в который биомасса подается непосредственно через открытый верх. Рассматривался случай работы газификаторов в составе миниЭЦ. Мощность обоих газификаторов составляла 2 МВтт, капитальные затраты – 1 млн Евро/МВтт. В расчетах была заложена средняя стоимость электрической и тепловой энергии в Дании – 38 Ево/МВт.чэ и 36 Евро/МВт.чт. Поскольку в Дании существует государственная субсидия на производство электроэнергии из биомассы, доход ТЭЦ от продажи электроэнергии увеличивается до 74 Ево/МВт.чэ. Результаты исследования показали, что система с двухстадийным гафикатором имеет больший КПД выработки электроэнергии (32,5%), тогда как система с реактором с НДГ – больший КПД производства тепловой энергии (63,5%). В целом работа мини-ТЭЦ с двухстадийным газификатором является чуть более экономичной – доход от продажи электроэнергии больше на 10 тыс. Евро/год по сравнению со случаем газификатора с НДГ. В работе [15] выполнено сравнение катальных и эксплуатационных затрат двух газификаторов ЦКС – TPS (газификация при низком давлении) и Tampella (газификация при высоком давлении). Рассматривается вариант производства генераторного газа для использования в печах для обжига извести. Результаты представлены в таблице 2, из которой видно, что затраты на строительство и эксплуатацию обоих газификаторы очень близки между собой. Удельные капитальные затраты составляют 498 долл./кВтт для TPS и 448 долл./кВтт для Tampella. Эксплуатационные расходы (без учета стоимости сырья) составляют 4,6% и 5,5% от капитальных затрат для TPS и Tampella, соответственно. Выводы Газификация является одной из перспективных технологий получения энергии из биомассы. Газификация БМ с целью поения тепловой энергии уже достигла коммерческого уровня, хотя занимает довольно ограниченный сегмент на энергетическом рынке, особенно в развитых странах. Для расширения этого сегмента необходимо преодолеть ряд экономических и других нетехнических барьеров. С точки зрения капитальных затрат, которые выше по сравнению со станциями, работающими на ископаемом топливе, экономически рентабельная работа газификационной установки во многих случаях возможна только при использовании очень дешевого сырья. Интерес к газификационным технологиям все более смещается от производства только тепловой энергии к возможности комбинированной выработки тепловой и электрической энергии. Перспективными путями применения ГГ являются совместное сжигание с углем и природным газом на существующих электростанциях и применение в ПГТУВГ. Наиболее привлекательными и готовыми для коммереского использования с целью выработки электроэнергии являются сейчас технологии атмосферной газификации в ЦКС и КС. В результате широкой научно-исследовательской работы, проведенной за последнее десятилетие, технологии газификации БМ от предварительной подготовки сырья до очистки газа достигли высокого уровня развития и воплощения на лабораторном, пилотном и демонстрационном уровне. Представляют интерес работы как по созданию новых технологий (двухстадийная газификация Технического университета Дании), так и по соверенствованию и модернизации хорошо известных старых конструкций газификаторов (газификатор Novel компании Condens Oy, Финляндия). С другой стороны, опыт долговременного использования генераторного газа в двигателях или турбинах до сих пор невелик. Несмотря на заметный прогресс, достигнутый в поседние годы в области очистки газа, система очистки является критической составляющей любой газификационной установки. Продолжаются поиски оптимальных решений для достижения требуемых уровней очистки при минимальных затратах. Наиболее активными в этой области являются такие организации, как VTT (Финляндия), BTG (Нидерланды), Маддский университет Complutense, TPS (Швеция).Таблица 2. Капитальные и эксплуатационные затраты газификаторов TPS и Tampella [15] Показатели Газификатор TPS Газификатор Tampella Мощность, МВтт 140 140 Расход топлива (древесина), т/ч 63700 69040 Капитальные затраты, тыс. долл. сушилка газификационная система факел погрузочно-разгрузочные операции строительные работы непрямые затраты непредвиденные расходы Всего 6500 25438 350 6937 16910 7298 6343 69776 6500 23246 350 6986 13416 6565 5706 62769 Эксплуатационные затраты, тыс. долл. материалы оплата труда Всего 1530 1677 3207 1816 1643 3459 ЛИТЕРАТУРА 1. A.V. Bridgwater. Thermal conversion of biomass and waste: the status. Proc. of Conference “Gasification: the Clean Choice for Carbon Management”, 8-10 April 2002, Noordwijk, the Netherlands, pp. 1-25. 2. Гелетуха Г.Г., Железная Т.А. Обзор технологий газификации биомассы // Экотехнологии и ресурсосбережение. – 1998. – N 2, с. 21-29. 3. Ir. H.A.M. Knoef. Gasification of biomass & waste – practical experience. Proc. of III International Slovak Biomass Forum, 3-4 February 2003, pp. 41-44. 4. Review of Finnish biomass gasification technologies. OPET Report 4. VTT, ESPOO 2002, pp. 1-19. 5. Kurkela E., Stahlberg P., Leppalahti J. Updraft Gasification of Peat and Biomass // Biomass, N19, 1989, pp. 37-46. 6. R. Bailey, Sr. A 4 MWe biogas engine plant fueled by the gasification of olive oil production wastes (sansa). Proc. of 1st International Ukrainian Conference on Biomass for Energy, 20-22 September, Kiev, Ukraine. CD-ROM. 7. Dinkelbach L., Kaltschmitt M. Gasification of Biomass in Europe – State-of the Art and Prospects. Proc. of the 9th European Bioenergy Conf., Copenhagen, Denmark 24-27 June, 1996. Pergamon. Vol.2, pp. 1382-1387. 8. Spliethoff H. Status of biomass gasification for power production // IFRF Combustion Journal, November 2001, pp. 1-25. 9. Paisley M.A., Overend R.P., Welch M., Igoe B.M. FERCO’s Silvagas? biomass gasification process commercialization opportunities for power, fuels, and chemicals. Proc. of Second World Biomass Conference, 10-14 May 2004, Rome, Italy, pp. 1675-1678. 10. Simell P., Kurkela E., Haavisto I. at al. Novel small scale gasification process for CHP – green power by lower cost and lower emissions. Proc. of Second World Biomass Conference, 1014 May 2004, Rome, Italy, рp. 1749-1752. 11. E. Kurkela, M. Nieminen, P. Simell. Development and commercialization of biomass and waste gasification technologies from reliable and robust co-firing plants towards synthesis gas production and advanced power cycles. Proc. of Second World Biomass Conference, 1014 May 2004, Rome, Italy, pр. 10-15. 12. B. Staiger, L. Wiese, R. Berger, K.R.G. Hein. Investigation of existing gasifier and gas cleaning technologies with an online tar measuring system. Proc. of Second World Biomass Conference, 1014 May 2004, Rome, Italy, pр. 789-792. 13. A.A.C.M. Beenackers, K. Maniatis. Gasification technologies for heat and power biomass. Proc. of EuroSun’96, September 1619, 1996, Freiburg, Germany, pр. 1311-1335. 14. F. Foch, K.P.B. Thomsen, N. Houbak, U. Henriksen. The Pinch-method applied on a biomass gasifier system. Proc. of ECOS 2000 Conference, 5-7 July 2000, Enschede, The Netherlands. 15. P. Tam, E. Mazzi, K. Cheng, W. Edwards. Assessment of gasification technologies and prospects for their commercial application. Proc. of Forest Sector Table. National Climate Change Process. 9 April 1999, Richmond, USA, No. 499-0101. 16. Beenackers A.A.C.M., Maniatis K. Gasification Technologies for Heat and Power from Biomass. Proc. of the 9th European Bioenergy Conf., Copenhagen, Denmark 24-27 June, 1996. Pergamon. Vol.1, pp. 228-259.
Изношенность тепловых сетей и состояние городских котельных склоняют на всех совещаниях, посвященных коммунальной сфере и теплоэнергетике Какой видится эта проблема органу контролирующему и что нужно для грамотного и действенного ее разрешения - в беседе с заместителем начальника Управления Северо-Западного федерального округа Госгортехнадзора России Ю.В. Приваловым. — Инженерные сети — это, по сути, кровеносная система города, ее состояние обязательно скажется на его внешнем виде, ведь только разукрашивая лицо, организм не вылечить. Хотя, конечно, гораздо эффектнее отремонтировать фасады, нежели заменить изношенные инженерные коммуникации. А ведь мы проигрываем в этой сфере даже нашему ближайшему соседу — Ленинградской области, где работы по наведению порядка в системе теплоснабжения ведутся достаточно активно: переводятся на газ котельные, газифицируются поселки и целые районы, ставится современное оборудование. — Госгортехнадзор занимается прежде всего безопасностью? — Мы действительно ведем надзор за безопасной эксплуатацией газовых котельных. Можно, конечно, с одной стороны, ужесточать требования, но если при этом не делать реконструкцию, оборудование станет само по себе опасным после того, как выслужит все сроки, каким бы грамотным не был машинист. Состояние теплосетей и котельного оборудования вызывает у нас большие опасения и, соответственно, вопросы. — Какие именно и к кому? — За последние 10 лет концепция теплоснабжения изменилась, децентрализация овладела умами общества, автономные котельные стали вырастать повсюду как грибы. К сожалению, этот процесс проходил стихийно. Разумеется, они стоят на учете в Комитете по энергетике, но обоснованность появления каждой новой котельной никто не рассматривал, и потому общей картины в принципе не существует — я имею в виду сбалансированную картину потребления и производства. Ведь сколько таких домов и объектов, которым, в сущности, автономный источник и не нужен, им достаточно провести 20 м трубопровода и заключить договор с организацией, имеющей излишки тепла. В итоге у всех тепла много, а газа городу не хватает. Мы со специалистами подсчитали, что установленная мощность всех источников на сегодняшний день значительно превышает потребность города. — Централизованное теплоснабжение невозможно, беспорядочное — расточительно... — Разумеется, децентрализация необходима, но это должен быть управляемый процесс. Основные проблемы в городе со старыми котельными, которые нужно срочно модернизировать, и теми ведомствами, которые не способны обеспечить безопасную эксплуатацию своих котельных. ООО «Просервис» и Санкт-Петербургским институтом энергетики по заказу ГУП «ТЭК СПб» было проведено обследование свыше 70 котельных в центральной части. Обследование показало, что большинство из них находятся в неудовлетворительном состоянии, кроме того, многие расположены в подвальных помещениях или встроены в жилые дома, что запрещается действующими нормами. Было принято Постановление Госгортехнадзора РФ о проведении экспериментальной реконструкции 10 встроенных котельных, а именно: встроенная подвальная котельная оставалась на месте, но туда поставлялось современное оборудование, проводились полная автоматизация, аудит и экспертиза промышленной безопасности, а управление выводилось на пульт диспетчера. Первыми реконструированы две котельные: на Московском пр., д.122 и на Гороховой ул., д.7. В результате реконструкции КПД каждой котельной возрос с 65% до 90%, повысилась надежность системы теплоснабжения. Ряд подобных проектов реализован в Московском, Фрунзенском, Адмиралтейском районах, а также в Пушкине и Колпине, но темпы явно недостаточны. По имеющимся у меня данным, в Москве ежегодно переводят на современное оборудование не менее 20 котельных. — Какое оборудование заменит устаревшие котлы? — В основном импортное: финское, немецкое, итальянское. Согласно положению « О порядке применения технических устройств на опасных производственных объектах», прежде чем выдать разрешение на применение импортного котлоагрегата, Госгортехнадзор должен провести испытания и доказать его безопасную и надежную эксплуатацию (наряду с сертификационными испытаниями, которые проводит Госстандарт или Тест-СПб). Нашим специалистам приходилось принимать участие и в сертификационных испытаниях, изучать производство на заводах-изготовителях, смотреть, в каких условиях оно работает. И стоит заметить, что к нашим замечаниям фирмы-изготовители относились с большим вниманием. Сейчас этот процесс уже отработан, все фирмы примерно знают требования Госгортехнадзора России и наших нормативных документов. — Что могут предложить российские производители? — Специалисты кафедры теплоснабжения и вентиляции ГАСУ разработали современную подовую горелку, которую можно поставить в старый котел (секционный чугунный котел на невской воде практически вечен) и тем самым значительно повысить КПД и продлить срок службы котлов. Они еще поработают, если их привести в порядок и оснастить современной автоматикой. Между прочим, таких котлов в Санкт-Петербурге около 3 тысяч. — Недавно в котельной на Ириновском пр., 41 завершились испытания такого модернизированного чугунно-секционного котла «Энергия-3»... — Это относительно дешево, но чтобы продолжение последовало, необходимо провести аудит всех котельных и по его результатам составить Программу модернизации котельных. — Разве таковой не существует? — Возможно, существует, но нет жесткого настроя на реализацию. Хотелось бы, чтобы системами теплоснабжения, газоснабжения, энергоснабжения город управлял жестко. В городе 5 тыс. км газопровода, а система газоснабжения Санкт-Петербурга не пересматривалась с 1979 года. До сих пор функционируют мощные газопроводы, 20 лет назад проложенные в промышленные районы, где сейчас не осталось крупных промышленных предприятий. Зато появились районы, где активно строятся коттеджи с многочисленными мини-котельными и термоблоками и газа не хватает. Для пересмотра этой схемы тоже нужны деньги. — Вы хотите сказать, что нет контроля со стороны города? — Нельзя говорить, что совсем нет контроля. Есть ГУП ТЭК, требующий реформирования, есть Ленгаз, есть Ленэнерго. Но без структуры, наделенной полномочиями по решению всего комплекса вопросов теплоснабжения и энергосбережения города, навести порядок будет очень сложно. Должна быть четкая Программа реконструкции существующих теплоисточников, обоснование и учет новых. Санкт-Петербург — уникальный город, в историческом центре невозможно ни теплотрассу большую проложить, ни котельную большую построить, нам судьбой предназначено идти по пути автономного теплоснабжения. Прогресс идет очень быстро: мы пускаем новые котельные в офисах, гостиницах, учреждениях, приходим к поквартирному отоплению. Все оборудование надежно и безопасно, современные котлы имеют КПД не менее 93-95% и небольшой расход топлива. Экономия безусловная, особенно если применяются теплые полы. Некоторые предприятия пошли еще дальше. На Балтийском заводе заменили отопление в одном цехе на темное инфракрасное лучистое отопление. По этому пути идет вся Европа, и Петербург вряд ли станет исключением. Беседовала Светлана Соснова
Поршень-качели поворачивает двс. Распространение тепловых насосов вмире. Турбогенераторы в котельных. Цены на газ. Кресты экономического роста. Главная -> Экология 
|