Сжигание и газификация альтернативных топлив

Суммарные потенциальные  ресурсы отходов  древесины, включая кору в лесном хозяйстве  и деревоперерабатывающих отраслях промышленности , составляют в Украине около 3743 тыс. м3,что эквивалентно 984 тыс. т.у.т в год.

Однако для эффективного  использования таких отходов необходимо выполнить комплекс  организационных, технологических, строительно-монтажных и наладочных работ с учетом энергосберегающих и  природоохранных мероприятий . К ним относятся:

-сбор и концентрация растительных отходов для предварительной обработки и уплотнения (брикетирования ).Транспортировка отходов на доработку;

-строительство предприятия по производству брикетов (гранул).Доставка гранул в котельные ;

-реконструкция  котлов для сжигания гранул;

-строительство когенерационных установок  путем реконструкции котельных с установкой газогенераторов ,газопоршневых электрогенераторов российского производства  и котлов –утилизаторов производства Группы Компаний  «Энергостройсервис»)

-сбор и утилизация золы для производства удобрений ;

-пусконаладочные и экологические испытания  оборудования ,разработка экологического паспорта .

Предлагаемые технические мероприятия предполагают  в  перспективе  использовать  в производстве гранул, как дополнение, каменные и бурые угли, твердые бытовые отходы  (после сортировки) ,отработанные резино-технические изделия (шины, ленты, ремни) в количестве до 40% по объему.

Учитывая ,что исходное сырье для гранул(солома, лоза, древесина)  рассредоточено на больших площадях необходимо организовать:

-диспетчерскую службу  по планированию и организации заготовок сырья ;

-мобильное  заготовительное подразделение для заготовки и подвоза сырья на временные пункты переработки с дробилкой и экструдером на передвижной платформе для повышения плотности сырья  до 800-900 кг/м3  . На заявленное количество исходного сырья при двусменной круглогодичной эксплуатации потребуется от 30 до 60 дробилок мощностью от 2,5 до5 т/ч ;

-транспортное подразделение для транспортировки брикетов потребителю или на сеть складов ;

В связи с о значительным различием  компоновок  котельных и котлов ,предназначенных для сжигания твердого и газомазутного топлив применяются различные подходы  к реконструкции котельных

Котельная, изначально  спроектированная для сжигания твердого топлива. характеризуется следующими особенностями :

-наличием угольного склада или площадки под него, наклонных галерей  для подачи топлива в бункеры-накопители;

-системой топливоподачи топлива в котлы;
-наличием зольного помещения под котлом для организации   шлакозолоудаления;

-за котлами устанавливаются  золоуловители или имеется место для их установки ;

дымовая труба и ее высота выбраны из условия выброса  вредных веществ (концентрации золы, оксидов углерода, серы и азота-нормы выше, чем для газомазутных котлов  ).

Такие котельные проще перевести на сжигание гранул путем организации их сжигания в топке или предтопке .

Газомазутные котельные по проекту  имеют очень плотную компоновку  оборудования и их весьма сложно перевести на прямое сжигание гранул в топках котлов. Поэтому предусматривается размещение на отдельной площадке комплекса топливный склад-газогенераторы-установка очистки генераторного газа. Система очистки  газа включает очистку от пыли  в циклонах грубой сепарации, очистку от смол в смолоуловителях , от серы в мокром скруббере  и от влаги в каплеуловителе .

Для обеспечения возможности  профилактических осмотров оборудования и его периодической очистки без остановки газогенератора предусматривается  установка двух параллельных линий (циклон, смолоотделитель, скруббер).

 

Среди  новых технологий ,находящихся в стадии развития ,можно выделить совместное сжигание угля или природного газа и жидкого пиротоплива из биомассы , которую получают по технологии быстрого пиролиза биомассы .Его плотность составляет 1200 кг/м3,низшая теплота сгорания –порядка 18 МДж/кг. Преимуществом такой технологии является возможность  производства пиротоплива в местах наличия дешевой биомассы  с последующей транспортировкой  продукта с высокой энергетической ценностью на электростанцию . Для сравнения-энергетическая плотность пиротоплива составляет 28 ГДж/м3,тогда как древесной щепы -8 ГДж/м3,соломы — 2 ГДж/м3.По экологическим характеристикам  пиротопливо аналогично легким дистиллятным  топливам.

Эффективным решением  по созданию мини-ТЕС   на альтернативном топливе является  надстройка существующих паровых или водогрейных котельных газогенераторами  , газопоршневыми электростанциями работающими на этом газе ,или дизель- генераторами , которые после небольшой доработки могут работать  как на пиролизном газе ,так и на жидкой фракции  ( т.н. «бионефти »), выход которой  по отношению к газу может составлять  от 0,1 до 5 ,в зависимости от температуры и продолжительности процесса.

Согласно технологической схеме, весь вырабатываемый газ через фильтр тонкой очистки направляется в ДВС электрогенератора ,что позволяет обойтись без хранилища газа . Бионефть собирается в емкость, откуда часть ее возвращается в модуль пиролиза  для поддержания температурного  режима процесса .При необходимости ,излишки бионефти  могут быть использованы в качестве печного топлива в котлах.

В зависимости от  типа применяемого ДВС возможны различные варианты системы питания . Так  бензиновые двигатели, оборудованные системой впрыска газа ,могут работать на газе, бензине и в комбинированном режиме .При этом могут быть использованы дешевые низкооктановые сорта бензина .

При переводе дизельного двигателя  на газодизельный  процесс  воспламенение  газовоздушной смеси происходит от «запальной » дозы жидкого топлива. При этом не требуется вносить существенные изменения в конструкцию двигателя .Кроме того ,сохраняется  возможность быстрого перехода  из режима питания газообразным топливом  в обычный дизельный режим.

«Запальная» доза жидкого топлива составляет 10-20% в зависимости от режима работы двигателя .При этом происходит существенное улучшение  экологических показателей (двукратное снижение выбросов сажи ,снижение шума и увеличение ресурса поршневой группы) при сохранении энергетических параметров .

Интеграция модуля пиролиза в дизель –генераторную ТЭС  обеспечивает  высокую операционную гибкость системы благодаря тому, что при постоянной производительности реактора можно в широких пределах регулировать  подачу пиролизного газа в ДВС ,подстраивая ее под фактическую нагрузку электрогенератора . При максимальной  нагрузке электрогенератора  все отходы  перерабатываются в газ, при низкой нагрузке основным продуктом является бионефть, которая накапливается в резервуаре и может быть использована в качестве печного топлива в котельной .Теплота газов после ДВС используется в утилизационных установках для подогрева сетевой воды и горячего водоснабжения .

Для комплектации когенерационных установок можно использовать следующее оборудование :

-газодизель-генератор  ГДГ-50 мощностью 882кВт  производства  ОАО «Пенздизельмаш»;

-ГТЭС производства «Зоря-Машпроект» г. Николаев  и «Мотор-Сич» г.Запорожье мощностью  1,0; 2,5; 4,0;  6,0; 8,0; 10;12-16 и 25 МВт;

-ГПЭС производства ПО «Завод имени Малышева» г. Харьков  , «Завод  Энергомаш» г. Первомайск  ,Николаевской обл. мощностью 500,750,1000 и 1600  кВт .

В   окружающей  среде  идет постоянное и быстрое накопление  изношенных покрышек  и других резинотехнических изделий .Переработка этих изделий  позволяет решить не только крайне важную задачу их безопасной утилизации ,но и обеспечить производство жидкого синтетического топлива(ЖСТ) , которое может сжигаться в топках существующих котлов .

Процесс производства ЖСТ базируется  на двух технологиях:

-быстром абляционном пиролизе  дробленой массы из изношенных шин;

-технологии  кавитационного диспергирования суспензии из продуктов пиролиза и  технической воды. В качестве технической воды могут быть использованы любые воды из природных источников без предварительной очистки ,а также городские канализационные стоки ,жидкие отходы сахарной, спиртовой, пивоваренной промышленности ,отходы ЦБК, содержащие  бумажный шлам, отходы нефтеперерабатывающих предприятий и мелкодисперсные шламы углеобогатительных фабрик.

Изношенные  покрышки и шины  без учета основного металлического компонента  состоят ,главным образом ,из полимеров ,сажи и некоторых добавок : содержание серы в среднем составляет1-2%.Упомянутые полимеры  являются  смесью стирола /бутадиена  и обычной резины (полиизопрена) . При пиролизе отходов рассматриваемого вида  образуются ,в основном, малые углеводороды ,ароматические соединения  и некоторые химические продукты  типа лимопен и дипентен, применяемые в качестве промышленных растворителей.

Доля продуктов пиролиза  от массы исходного сырья составляет:

-пиролизных смол-60-65%;

-твердого карбонизата-15-20%.

Пиролизные смолы  по результатам хим.анализа  имеют следующий состав ,мас.%: С-86,42;  Н-10,72; О-0,4; N-1,22; S -1,26.

Результаты исследования твердого карбонизата  показывают ,что материал  обладает высокими значениями пористости, абсорбционной активностью и относительно низкой зольностью ,то есть материал может быть использован как в процессе приготовления ЖСТ , так  и в качестве сырья  для производства активных углей .

Установка быстрого пиролиза   работает  следующим образом .После загрузки пиролизера исходным сырьем под воздействием высокой температуры в камере без доступа кислорода происходит термодекструкция резины  при температурах 600-700°С.Процесс термохимической переработки ускорен за счет перемешивания резиновой крошки вращающимся ротором и продавливания через конусный затвор . В результате в камере образуется продукт переработки  в виде аэрозоля ,содержащего пары и мелкие капли  смол пиролиза  и горючий газ, который содержит оксид и диоксид углерода ,пары воды ,водород, метан, этилен, пропан и другие газы . Далее аэрозоль по газоходу поступает  в водяной холодильник ,где конденсируется  и собирается в сливную емкость . Твердый остаток пиролиза  собирается в нижней части пиролизера .Зазор  между конусами регулируется  в зависимости от фракционного состава сырья и режимных параметров пиролиза-температуры, времени выдержки, скорости нагрева. Средняя продолжительность цикла-переработки 50кг  сырья -15 мин . ,расход электроэнергии на получение 1 кг пироконденсата — 6,5 кВт. Час.

Обработка смеси пиролизных  смол, твердого коксового остатка и воды ,которая может включать примеси любых горючих частицв твердом или жидком  состоянии   в кавитаторе является не только способом получения вещества в мелкодисперсном состоянии, но и способом генерации различного рода структурных дефектов в объеме и активных состояний на поверхности дисперсных частиц, повышающих их реакционную способность. Обводнённые продукты газификации (содержание воды 20% и выше) прокачиваются через диспергатор. Внутри него  достигается  разрыв сплошности топлива  под действием мощных сдвиговых напряжений, что порождает пустоты – т.н. каверны. Внутри каверн — пары жидкости и газы (последние перед тем были растворены в жидкости). Кавитационные пузырьки образуются в тех местах каверн, где давление в жидкости становится ниже некоторого критического. Эти явления вызывают вторичные эффекты в жидкости, которые способствуют интенсивному смешению,  дроблению и диспергированию компонентов эмульсии разрушение органических и минеральных примесей. Обеспечивается интенсивное перемешивание и диспергирование даже многокомпонентных несмешиваемых жидкостей (с наличием твердых включений).

Кавитационный процесс реализован таким образом, что все ударно-волновые явления происходят непосредственно в потоке жидкости, не затрагивая материала корпуса и элементов конструкции, чем обеспечивается долговечность диспергатора.

Кавитационное воздействие на жидкую фазу (воду) приводит к изменению ее физических характеристик, и эти изменения сохраняются достаточно долго. Наблюдается деструкция несущей фазы в результате кавитационного воздействия и вызванные им механические реакции

٭

Возбужденная молекула воды наряду с излучением и диссипацией избыточной энергии в тепло может диссоциировать в соответствии с реакциями (*). Термолиз воды приводит к синтезу  Н 2О 2и O3 и способствует понижению рН.

Технология получения ЖСТ позволяет использовать загрязненные воды, неочищаемые полностью другими способами, и в процессе сгорания в потоке СВЧ-плазмы способствовать их полной очистке. Воды после очистки от нефтепродуктов, городские сточные воды или воды, загрязненные, например, смолами  коксохимической промышленности, после сжигания в составе ЖСТ возвращаются в природный кругооборот чистыми в виде дистиллята.

ЖСТ выгодно отличается от традиционного угля, мазута снижением количества вредных веществ, выбрасываемых в атмосферу при сжигании.

Количество вредных веществ образующихся при сжигании различных видов топлива представлено в таблице.

 

Выбросы вредных веществ Уголь Мазут СЖТ
Пыль, сажа, г/м3 100 – 200 2 — 5 1 – 5
SO2, мг/м3 400 – 800 400 – 700 100 – 200
NO2, мг/м3 250 – 600 150 – 750 30 – 100

Предлагается схема сжигания  ЖСТ, состоящая из двух ступеней

Первая ступень – циклонный предтопок, работающий в режиме сжигания и газификации части топлива в условиях недостатка окислителя. Циклонные предтопки представляют собой воздухо-охлаждаемые камеры с 2-4-х сторонним подводом тангенциального и закрученным подводом аксиального воздуха, в которых сжигается основная часть ЖСТ  (70-90 %) с минимальными избытками воздуха (α~1,0). Подача ЖСТ осуществляется кавитационной форсункой, разработанной в ИПМАШ им. А. Н. Подгорного НАН Украины, установленной по оси предтопка, позволяющей получить мелкодисперсный распыл при давлении  топлива не более 16 ати.

В предтопоке установлена газификационная камера, соединенная с камерой горения циклонного предтопка свободным торцом, у противоположного торца ее по оси расположена горелка с кавитационной форсункой ВУТ, а вблизи ее по ходу потока размещен кольцевой смеситель инертных горячих газов, подключенный к газификационной камере при помощи тангенциальных сопел и кольцевого канала. Инертные горючие газы и ЖСТ, поступившие в газификационную камеру, создают условия для низкотемпературного их смешения при отсутствии окислителя. Это, в свою очередь, способствует интенсивной подсушке ЖСТи его предварительной газификации с выделением летучих.

Подготовленное таким образом топливо с высокими реакционными свойствами поступает в камеру горения, перемешивается с поступившим сюда воздухом, активно воспламеняется и устойчиво сгорает с недостатком кислорода (по отношению к стехиометрии) с минимальным образованием окислов азота. Нагретые газы до температуры ≈ 1500оС в камере горения через ее выходное отверстие в торце поступают в камеру дожигания, перемешиваются с поступившим в нее воздухом, и происходит дожигание крупных конгломератов коксовых остатков топливных частиц с небольшим избытком воздуха α1 = 1,0. Отходящие газы с температурой 1450оС через выходное сопло в торце камеры дожигания поступают в топку котла, где отдают тепло рабочей среде, дополнительно очищаясь от вредных выбросов

Украина  обладает значительными запасами торфа и бурого угля .

Запасы бурого угля  оцениваются в 3,5 млрд.т. . Районы добычи бурого угля разбросаны на значительной площади Украинского щита – Днепровский буроугольный бассейн, Львовско-Волынский бассейн

Средняя зольность этих углей-20%,рабочая влажность  от 43% до 62%, низшая теплотворная  способность -7,1-9,6 МДж/кг.

Разведанные запасы торфа в Украине составляют  2166 млн.т. Максимальная добыча торфа в Украине составляет 7470 тыс. т. На существующем в Украине  оборудовании возможна выработка брикетированного торфа в количестве 700 тыс.т в год.

Новой технологией  сжигания торфа и бурого угля  при растопке котла из холодного состояния без использования мазута с сохранением надежности работы на переменных режимах, является сжигание композитного жидкого топлива КЖТ  на основе  торфяного геля и водоугольной суспензии .

КЖТ  образуется  путем предварительного смешения жидкого топлива (например скважинной жидкости или нефтепродуктов ,в том числе  осмоленных и обводненных),коллоидного водного раствора торфа и измельченного бурого угля  с последующей  обработкой в кавитаторе-диспергаторе

Готовое КЖТ накапливается  в резервуарах, откуда насосами подается к насосам для сжигания.