ТЕПЛОФИЗИКА ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУР, 2015, том 53, № 1, с. 111-116
НОВАЯ ЭНЕРГЕТИКА
УДК 620.9
НОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ РАСПРЕДЕЛЕННОЙ ЭНЕРГЕТИКИ
© 2015 г. А. П. Антропов1, В. М. Батенин2, В. М. Зайченко2
Министерство образования и науки РФ 2Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Объединенный институт высоких температур РАН, Москва E-mail: zaitch@oivtran.ru Поступила в редакцию 15.08.2013 г.
Рассмотрены основные направления создания системы распределенной энергетики в стране. Показано, что на базе результатов фундаментальных исследований превращения энергии при термическом воздействии на биомассу возможно создание новых современных технологий использования местных топливно-энергетических ресурсов для целей распределенной генерации.
Б01: 10.7868/80040364415010019
ВВЕДЕНИЕ
Необходимость и целесообразность развития распределенной генерации продиктована не только географическими, но и экономическими причинами. Прежде всего, это доступность дешевых первичных энергоресурсов.
В качестве сырьевой базы для развития распределенной энергетики рассматривается использование местных топливно-энергетических ресурсов: торф, древесные и сельскохозяйственные отходы, отходы жизнедеятельности. Известно, что наша страна занимает первое место в мире по запасам торфа и древесины. В сравнительно недалеком прошлом торф играл значительную роль в топливно-энергетическом балансе страны. Для энергетического использования торфа в настоящее время должны быть использованы технологии нового поколения, соответствующие современным техническим и экологическим требованиям.
Распределенная энергетика является источником бюджетных доходов для регионов. На рис. 1 приведена кумулятивная бюджетная эффективность от сооружения и эксплуатации мини-ТЭЦ электрической мощностью 300 кВт на базе газопоршневого двигателя. Мини-ТЭЦ сооружена в Специальной астрофизической лаборатории в Зе-ленчукском районе Карачаево-Черкесии при участии ОИВТ РАН. Общие затраты на сооружение данной мини-ТЭЦ составили около 14 млн руб. Суммарные бюджетные отчисления при ее работе в бюджеты всех уровней — около 8 млн руб. в год.
Приведенная диаграмма наглядно показывает, в чем заключается выгодность развития собственной энергетики для региональных структур.
Определенная часть бюджетных отчислений, получаемых при эксплуатации собственных
энергетических объектов, поступает в региональную казну. В случае поступления электроэнергии из других регионов соответствующие бюджетные отчисления остаются в том регионе, где эта энергия производится.
Пример, приведенный выше, касается использования мини-ТЭЦ, работающих на природном газе. Подобная техника в настоящее время достаточно широко используется в нашей стране. Согласно существующим оценкам, Россия экспортирует различных энергоустановок на базе газопоршневых двигателей пример-
Рис. 1. Кумулятивная бюджетная эффективность от сооружения и эксплуатации мини-ТЭЦ электрической мощностью 300 кВт: 1 — доход местного бюджета Зеленчукского района, 2 — консолидированного бюджета Карачаево-Черкесии, 3 — федерального бюджета, 4 — общий доход бюджета всех уровней.
но на 4 млрд долларов США в год. Собственное производство развито крайне слабо. Точных данных относительно располагаемого производства отечественных малых электростанций и мини-ТЭЦ нет. Согласно косвенным данным, нескольких небольших отечественных организаций производят энергоустановки на базе газопоршневых двигателей на сумму, не превышающую 1.0 млн долларов США в год.
ПОВЫШЕНИЕ ТЕПЛОТВОРНОЙ
СПОСОБНОСТИ ГАЗООБРАЗНЫХ ПРОДУКТОВ ПЕРЕРАБОТКИ МЕСТНЫХ ТОПЛИВНО-ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ РЕСУРСОВ
В стране газифицированы не все регионы. Для того чтобы получать электроэнергию из местных топливно-энергетических ресурсов, необходимы технологии получения энергетического газа из располагаемой биомассы: торфа, древесных и сельскохозяйственных отходов, отходов жизнедеятельности. Затем этот газ может быть использован в газотурбинных и газопоршневых установках. Согласно анализу заявок на подключение, наиболее востребованные мощности находятся в интервале 200—300 кВт. С точки зрения экономики при мощностях менее 3 МВт наиболее целесообразным является использование газопоршневых установок, а при больших мощностях — газотурбинных [1].
К настоящему времени известны две технологии получения энергетического газа при термической переработке биомассы: газификация и пиролиз. При пиролизе (нагреве перерабатываемого материала без доступа окислителя) возможно получение энергетического газа с теплотворной способностью до 5000 ккал/м3. Побочными продуктами пиролиза является твердая и жидкая фаза реакции. Теплосодержание получаемой газообразной фазы не превышает 25% от энергии, запасенной в перерабатываемой биомассе. Оставшаяся энергия распределяется между жидкой и твердой фазами. С экологической точки зрения жидкая фаза пиролиза небезопасна, ее переработка либо утилизация связаны со значительными трудностями. В силу этих причин процессы пиролиза на практике применяются редко [2].
При газификации осуществляется безотходная переработка исходного сырья, но теплотворная способность получаемого энергетического газа не выше 1200 ккал/м3. Получаемый при газификации газ примерно на 50—60% состоит из водорода и окиси углерода, остальное составляет азот [3]. Использование газа с низкой теплотворной способностью в современных энергетических агрегатах, рассчитанных на высокие тепловые нагрузки, неэффективно. Кроме того, продукты газификации содержат определенное количество жидкой фазы, высокомолекулярные
соединения типа СиНт. При использовании в качестве электропроводящих установок газопоршневых электростанций и мини-ТЭЦ необходима тонкая очистка продуктов газификации от жидкой фазы. Очистка продуктов газификации от жидкой фазы требует добавочных затрат и приводит к значительному удорожанию всей схемы в целом.
Для энергетического использования продуктов переработки биомассы необходимо осуществление экологически безопасного процесса получения энергетического газа с достаточным уровнем теплосодержания, обеспечивающего возможность его использования в современном энергетическом оборудовании, при отсутствии жидкой фазы.
Технология термической конверсии биомассы для получения газа с высокими теплотехническими характеристиками разрабатывается в Объединенном институте высоких температур Российской академии наук (ОИВТ РАН).
Реализация разрабатываемой технологии осуществляется следующим образом. На первой стадии проводится пиролиз биомассы с образованием газообразных, конденсируемых при комнатной температуре, и твердых продуктов реакции. Конденсируемая фаза пиролиза состоит из набора высокомолекулярных соединений СиНт и пи-рогенетической воды. При температурах пиролиза 400—900° С конденсируемые продукты реакции находятся в паровой фазе. На втором этапе газообразные продукты реакции пиролиза, состоящие из конденсируемой и неконденсируемой частей при температурах порядка 1000°С продуваются через дополнительно нагретую твердую углеродную фазу, образующуюся при пиролизе, осуществляемом на первой стадии процесса. При этом пирогенетическая вода, находящаяся в паровой фазе, взаимодействует с углеродом с образованием водорода и окиси углерода по реакции С + Н2О = СО + Н2. Высокомолекулярные соединения, входящие в состав конденсируемой фазы, пиролизуются при прохождении через засыпку высокотемпературного углерода с образованием водорода и окиси углерода (СиНт = С + Н2). Таким образом, осуществляется конверсия жидких и твердых продуктов реакции в водород и окись углерода, что обеспечивает безотходную переработку биомассы с получением высококалорийных энергетических газов. В таблице представлен состав газообразных продуктов реакции, получаемых по разрабатываемой технологии в зависимости от температуры [4].
Основным достоинством разрабатываемой технологии является высокая степень конверсии энергии перерабатываемой биомассы в энергетический газ. В существующих технологиях пиролиза эта величина не превышает 0.18, в технологии ОИВТ РАН — 0.78. Количество выделяющих-
Состав, объем и теплота сгорания газовых смесей, полученных путем термической переработки торфяных пеллет
Т, °С Объемная доля горючих компонент Теплота сгорания, МДж/м3 Объем, м3/кг Эффективность конверсии
Н2 СО С н Qв Qн V
850 0.40 0.27 0.08 11.7 10.6 0.76 0.42
950 0.43 0.40 0.02 11.3 10.4 1.10 0.60
1000 0.49 0.41 0.01 11.7 10.6 1.39 0.78
Пиролиз 0.23 0.19 0.13 10.4 9.6 0.29 0.15
Примечание. Qв и Qн — соответственно высшая и низшая теплоты сгорания.
ся газов — около 1.4 м3 на 1 кг исходного продукта, а теплота сгорания получаемого газа — около 11.5 МДж/м3. По составу получаемая газовая смесь состоит из окиси углерода и водорода.
Технология позволяет осуществить эффективную безотходную переработку местных топливно-энергетических ресурсов, в первую очередь древесных и сельскохозяйственных отходов, торфа, с получением энергетического газа с высокими теплотехническими параметрами, который может быть эффективно использован непосредственно для производства электрической и тепловой энергии, в том числе в мини-ТЭЦ на базе газопоршневого двигателя.
ся. График зависимости гидрофобности от температуры термической обработки пеллет из древесины и соломы представлен на рис. 2. При исходной влажности пеллет 6—7% хранение в естественных условиях в течение одного—двух месяцев (в зависимости от времени года) приводит к увеличению влажности до 18—22%. Как видно из приведенных данных, термическая обработка в значительной степени снижает способность пеллетизированно-го топлива впитывать влагу.
При торрефикации происходит не только сушка исходного сырья, но и термическая деструкция гемицеллюлозы, входящей в состав биомассы.
ПОВЫШЕНИЕ ПОТРЕБИТЕЛЬСКИХ
СВОЙСТВ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА ИЗ БИОМАССЫ (ТОРРЕФИКАЦИЯ)
Торрефикацией (низкотемпературным пиролизом) принято называть термическую обработку биомассы при температурах 250—280°С в безокислительной среде. Торрефикация применяется для повышения потребительских свойств топлив из биомассы. Использование биомассы в современных энергетических уст
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.