научная статья по теме О ТЕХНОЛОГИИ ЭФФЕКТИВНОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ВЛАЖНЫХ ТОПЛИВ Физика

Текст научной статьи на тему «О ТЕХНОЛОГИИ ЭФФЕКТИВНОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ВЛАЖНЫХ ТОПЛИВ»

ТЕПЛОФИЗИКА ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУР, 2015, том 53, № 3, с. 475-477

КРАТКИЕ СООБЩЕНИЯ =

УДК 536.7;62-6

О ТЕХНОЛОГИИ ЭФФЕКТИВНОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ

ВЛАЖНЫХ ТОПЛИВ

© 2015 г. В. М. Батенин, В. И. Ковбасюк

Объединенный институт высоких температур РАН (ОИВТ РАН), Москва

E-mail: platech@mail.ru Поступило в редакцию 05.09.2013 г.

Для эффективного применения в энергетике на местном уровне доступных, но мало востребованных ресурсов влажных топлив и отходов предлагается интенсивный метод сушки топлива перегретым паром под повышенным давлением с последующей газификацией под этим же давлением и использованием синтез-газа в газотурбинной установке со впрыском пара. Поставлен эксперимент по изучению такого рода энергосберегающей сушки и оптимизации схем энергетических установок на ее основе.

Б01: 10.7868/80040364415030023

Одним из важнейших ресурсов энергосбережения является вовлечение в энергетику влажных недорогих местных топлив и муниципальных отходов. Этот возобновляемый ресурс, представленный отходами деревообработки и лесозаготовки, отходами аграрного сектора, торфом, а также антропогенными отходами и отходами животноводства, имеет невысокую, а часто отрицательную стоимость (т.е. за их утилизацию готовы заплатить). Их использованию, прежде всего, препятствует высокая влажность. Интенсивные инженерные разработки, в частности [1], посвящены повышению качества энергетических топлив за счет сушки. Особо высокие требования к сушке предъявляет технология газификации [2]. Влага топлива приводит к тому, что из-за снижения температуры процесса уменьшается скорость ключевых реакций конверсии, которая является экспоненциальной функцией температуры. Таким образом, при недостаточной сушке резко снижается эффективность газификации. Это объясняет, почему многочисленные поисковые разработки, в том числе в масштабе опытно-промышленных установок, в таких странах, как Германия, Австрия, Канада и др., не обеспечивают стоимости производства синтез-газа на дешевых древесных отходах, сопоставимой со стоимостью природного углеводородного топлива. Вместе с тем современные парогазовые технологии выработки электроэнергии позволяют эффективно использовать не только синтез-газ, но и пар, образующийся в процессе сушки.

Современные технологии интенсивной сушки основаны на использовании перегретого пара в качестве теплоносителя, но при этом вместе с испарившейся влагой теряется значительная энер-

гия фазового перехода воды. В стремлении устранить такого рода потери родилась популярная технология сушки с использованием теплового насоса, например [3]. Если пар после охлаждения при испарении влаги в камере сушки сжать компрессором, то температура конденсации при высоком давлении будет выше, чем испарения при генерации пара на сушку. Используя теплообменник, включенный в линию пара после компрессора, на нагреваемой стороне можно снова получить пар и, запустив этот процесс сушки, расходовать лишь энергию на привод компрессора. Большие затраты энергии на компрессор, особенно при создании большой разности температур между греющей и нагреваемой сторонами при интенсификации сушки, снижают энергетическую ценность таким образом осушенного топлива.

Но уже в [4] предложена энергосберегающая технология сушки, пригодная для утилизации влажных бытовых отходов и осадка сточных вод. Она основана на использовании влаги, отводимой из устройства сушки в виде пара под давлением в паровую машину, механическая энергия которой в некоторой степени компенсирует потери теплоты фазового перехода при сушке. Создание давления пара в замкнутом объеме камеры сушки практически не требует подвода механической энергии — достаточно под нужным давлением ввести сырую массу. Для этого необходимы такие устройства, как шлюз, проще — шнек или винтовой двухвальный компрессор в зависимости от вида сырья. Сушка производится в прямом контакте перегретого пара с осушаемым материалом, а греющий пар, циркулирующий в камере и пароперегревателе, подогревается в трубчатом тепло-

476

БАТЕНИН, КОВБАСЮК

Схема парогазовой установки на продуктах газификации влажного топлива после энергосберегающей

сушки.

обменнике теплом подходящих по параметрам газов, например от сжигания части продукта сушки. В зависимости от степени перегрева греющего пара по отношению к температуре сырья расход пара должен быть выше расхода влаги, поступающей с сырьем, для обеспечения ее испарения. Кратность по пару может достигать 6—7 раз. Наконец, под этим же давлением оказывается пар испаренной влаги, который следует отводить в тепловую машину для получения полезной работы.

Возвращаясь к проблеме энергосбережения и повышения эффективности, заметим, что сушка особенно нужна и эффективна как стадия, предваряющая газификацию. Синтетическое газовое топливо необходимо для весьма многих применений в быту и производственных технологиях. В энергетике оно позволяет достичь высокого к.п.д. получения электроэнергии в комбинированных парогазовых циклах с впрыском пара в камеру сгорания. В данном случае это реализуется на основе доступного влажного топлива. Схема такой комбинированной установки с газификацией после сушки представлена на рисунке. Указаны характерные стандартные элементы, не требующие пояснения для специалистов теплоэнергетического направления.

Представленная на рисунке установка включает следующие элементы: 1 — камера сушки, 2 — устройство ввода сырья под давлением (шнек или шлюз), 3 — побудитель расхода (газодувка), 4 — ввод перегретого греющего пара, 5 — теплообменник-пароперегреватель, 6 — отвод греющих газов, 7 — ввод греющего газа, 8 — вывод осушенной массы (шнек, шлюз) и подача осушенного топлива на газификацию, 9 — подача пара высокого давления в газовую турбину, 10 — газификатор под давлением, 11 — очистка синтез-газа, 12 — газовая турбина с эжекцией пара, 13 — твердые отходы газификатора, 14 — разделительный теплообменник, служащий для генерации "чистого" пара, что повышает ресурс и надежность работы турбины.

Продукты сгорания за турбиной используются в качестве греющей среды для пароперегревателя.

В зависимости от влажности исходного сырья для этой же цели могло бы быть использовано непосредственное сжигание части топлива, однако наиболее целесообразно выбрать более рациональный режим турбины, способствующий снижению N0^ [5] в выхлопных газах.

Следует подчеркнуть очень важные отличия, привносимые особенностью избранного способа удаления влаги из сырья, производства пара и работы газовой турбины со впрыском пара. В этой схеме нет элементов, где влажные массы или жидкая фаза контактируют с поверхностями внешнего обогрева, отчего на них можно было бы ожидать образования накипи, негативно влияющей на теплопередачу и на стойкость конструкции. Осушенная масса может быть хорошо диспергирована и частицы газифицированы в потоке при размере 10—40 мкм с достаточным временем пребывания в реакторе, например в реакторе вертикального типа размером 15—25 м. Для успешной газификации в [2] рекомендовано использование обогащенного кислородом окислителя от корот-коцикловых адсорбционных воздухоразделитель-ных установок, что позволяет экономить на капиталовложениях и сделать установку крайне маневренной. Впрочем, для пуска всей установки необходимо предусмотреть вспомогательный генератор пара.

Следует отметить, что технология утилизации и уничтожения крайне проблематичных муниципальных отходов (ТБО и осадка сточных вод) путем сжигания после сушки, предложенная в [4], имела очевидную экологическую направленность и не преследовала цели получения энергетической выгоды. В нашем случае оценки показывают, что термодинамический к.п.д. предлагаемой установки при утилизации горючих отходов может достигать 35—40%, к сожалению, при достаточно высоких капитальных затратах. Однако наличие постоянного источника сырья (в крупных мегаполисах) делает предлагаемую технологию оптимальной.

В заключение отметим, что при рассмотрении преимущественно энергетических аспектов использования влажного топлива были опущены важнейшие вопросы взаимодействия влажного материала с перегретым паром. Для того чтобы влага была удалена, необходимо обеспечить ее поступление к поверхности испарения из нижележащих слоев материала за счет градиента влажности. Такие механизмы, как прогрев за счет теплопроводности самой массы (влажной или сухой), дают вклад следующего порядка малости по сравнению с теплотой испарения на фронте сушки. Если скорость испарения превышает скорость поступления влаги из глубины материала, возникает кризис сушки, осушенный слой изолирует нижележащий достаточно надежно, как в случае, например, появления слоя горячего сухого песка

ТЕПЛОФИЗИКА ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУР том 53 № 3 2015

О ТЕХНОЛОГИИ ЭФФЕКТИВНОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ВЛАЖНЫХ ТОПЛИВ

477

на солнечном пляже. Поэтому при интенсивной сушке перегретым паром особенно важно обеспечить размещение сырья тонким слоем вдоль поверхности экспозиции. Такие устройства сушки достаточно известны — это ленточные или многоподовые печи. Они громоздки, хотя и производительны, и эти крупногабаритные устройства должны быть размещены в камере сушки, что существенно увеличивает капитальные затраты.

Для изучения перспективной технологии сушки в ОИВТ РАН создана опытная установка, а результаты проводимых исследований по оптимизации применений технологии газификации с энергосберегающей сушкой составят содержание будущих публикаций.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Bodi B., Gruber K., Iring R., Markovics J., Nagy L., Pal S, Ruttkay Z. Process for Grinding and Drying

Geologically Young Peat, Lignite, Soft Brown Coal and Energetic Coals, and Preparing them for Pulverized-Coal Combustion. UK Patent Appl. GB 2200858 A (Espacenet). 1988.

2. Иванов П.П., Ковбасюк В.И., Медведев Ю.В. К расчетной оптимизации газификатора // ТВТ. 2012. Т. 50. № 6. С. 835.

3. Leleu R. Process for Economic Drying, and Apparatus for Carrying it out. Patent Appl. EP19820102764 (Es-pacenet). 1982.

4. Osdor A. Method and Apparatus for Drying Moisture-Containing Solids Particularly Domestic Refuse and Sludge Cakes. US Patent 3,946,495. 1976.

5. Масленников

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.

Показать целиком