№ 6
ИЗВЕСТИЯ АКАДЕМИИ НАУК ЭНЕРГЕТИКА
2008
УДК 621.433, 621.438
© 2008 г. РУТБЕРГ Ф.Г., ГОНЧАРЕНКО Р.Б., ПОПОВ В.Е., ШЕСТАКОВ Н.С., ЛЕЙКАМ А.Э., СЕРГЕЕВ В.В., МОСКВИН А.А.
ОСОБЕННОСТИ РАЗВИТИЯ ТЕХНОЛОГИЙ ПРОИЗВОДСТВА НИЗКОКАЛОРИЙНОГО ГАЗА ИЗ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА
И ОТХОДОВ ДЛЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ В ГАЗОВЫХ ТУРБИНАХ И ДВИГАТЕЛЯХ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
Рассмотрены основные направления научных и технических разработок в области использования малокалорийного газа различных видов в энергетических установках.
1. Общие замечания
История использования низкокалорийного газа насчитывает не менее 200 лет. Сегодня мало кто знает о заводах, производивших светильный газ. Газ получали при нагревании каменного угля в ретортах - больших металлических или глиняных сосудах, которые наполняли углем и нагревали в печи. Выделившийся газ очищали и собирали в сооружениях для хранения светильного газа - газгольдерах.
В 1835 г. между современной Заозерной ул. и Московским пр. разместилось первое в Петербурге "Общество освещения газом Петербурга". Второе газовое "Общество столичного освещения" было организовано в 1858 г. Комплекс сооружений его "Главного газового завода" на Обводном канале (д. 74) сохранился до наших дней.
Газгольдеры на Обводном канале появились в 1859-1861 гг. (арх. Р.Б. Бернгард, при участии О.Г. Гиппиуса). Выходящий сегодня на набережную Обводного канала кирпичный цилиндр - один из газгольдеров второй очереди (1881-1882 гг. арх. Р.Б. и В.Р. Бернгарды). В советское время здесь был организован коксогазовый завод.
К середине XX века развитие добычи нефти и природного газа вызвало снижение интереса к использованию низкокалорийного газа. В последние годы вследствие прежде всего роста стоимости нефти и природного газа этот интерес возобновился.
В табл. 1 приведены характеристики различных видов газов: природного газа, биогаза, газа из свалок мусора и газа из древесных отходов (полученного по обычной технологии) [1], здесь же приведены расчетные и экспериментальные характеристики газов, полученных в Институте электрофизики и электроэнергетики РАН (ИЭЭ РАН) путем воздушно-плазменной газификации [2] древесных отходов и каменного угля. Характеристики газов в табл. 1 приведены к температуре 25°С.
Из табл. 1 видно, что теплота сгорания газогенераторного газа и полученного путем воздушно-плазменной газификации газа в четыре-пять раз меньше теплоты сгорания природного газа. Расчеты показывают, что совершенствование технологии воздушно-плазменной газификации позволит повысить теплоту сгорания получаемого газа.
Для всех низкокалорийных газов характерно значительное содержание негорючих составляющих - углекислого газа и азота. Из-за наличия негорючих примесей стехио-метрическое отношение объема воздуха, необходимого для сгорания низкокалорийного газа, к количеству газа оказывается низким, что приводит к необходимости сжи-
Природ- Биогаз Газ
ный [1] свалок
газ [1] [1]
Источники энергии
Газогенераторный древесный газ [1]
Воздушно-плазменная газификация (ИЭЭ РАН) Расчет/Эксперимент
Древесные отходы
Каменный уголь
Состав газа, об. % СН4 87,0 66,0 50,0 2,0 -/1,7 6,1/-
СО - - - 26,0 31,4/25,4 36,5/23,0
Н2 - - - 10,0 24,5/23,8 14,9/20,5
С2Н6 + С3Н8 5,0 - - - - -
N2 7,0 2,0 10,0 50,0 35,7/39,9 39,1/46,7
со2 - 31,0 30,0 - 3,5/8,5 -/7,5
Прочие 1,0 1,0 10,0 12,0 4,9/0,7 3,4/2,3
Низшая теплота сгорания, МДж/м3 32,1 21,6 16,4 4,7 6,1/5,8 7,7/4,7
Стехиометрическое Объем воздуха 9,3 6,3 4,8 1,1 1,3/1,3 1,8/1,0
соотношение Объем газа
Низшая теплота сгорания смеси топ- 3,1 3,0 2,8 2,3 2,6/2,5 2,7/2,3
ливо-воздух, МДж/м3
Процент от номинальной мощности 100,0 95,3 91,3 72,9 83,4/80,4 88,0/73,9
ДВС
гания большего количества низкокалорийного газа по сравнению с высококалорийным. Организация горения такого газа вызывает определенные трудности. В некоторых из низкокалорийных газов, таких, как биогаз или газ свалок, может содержаться до 2-3% серы (например, в составе меркаптанов). В этом случае необходимо обеспечивать очистку сжигаемого газа или продуктов сжигания газа от соединений серы.
В последнее время становится экономически целесообразным располагать установки для получения газа из бытового мусора или древесных отходов непосредственно в местах, где этот мусор и отходы возникают, и сжигать получаемый газ с использованием низкотемпературного тепла (при температуре до 55-60°С) в ближайших жилых домах или промышленных зданиях. Такие установки должны быть относительно небольшой мощности, что позволит максимально приблизить их к потребителям низкотемпературного тепла. Для сжигания низкокалорийных газов, полученных из мусора и отходов, могут использоваться водонагревательные котлы, поршневые двигатели внутреннего сгорания или газовые турбины. Предпочтительно использовать электрогенераторные установки с поршневыми двигателями или газовыми турбинами, что позволит потреблять производимую электрическую энергию непосредственно на ближайших объектах.
Поршневой двигатель для работы на газе может быть изготовлен на основе обычного дизельного двигателя. При использовании низкокалорийных газов в двигателях внутреннего сгорания (ДВС) применяется предварительное сжатие горючей смеси с помощью турбонагнетателей, аналогичных турбонагнетателям форсированных ДВС. Давление на выходе турбонагнетателя выбирается таким, чтобы теплота сгорания смеси топливо-воздух примерно равнялась теплоте сгорания стехиометрической смеси паров бензина с воздухом. На практике избыточное давление на выходе турбонагнетателя выбирается от 0,3 до 1 атм [3]. Иногда, для улучшения наполнения цилиндров ДВС, сжатая в турбонагнетателе горючая смесь охлаждается в промежуточном теплообменнике. Низкокалорийная газовая смесь имеет высокую температуру самовозгорания и при обычных для дизельных двигателей давлениях сжатия не загорается.
В ДВС для поджига низкокалорийной газовой смеси выбираются искровые свечи и системы зажигания, аналогичные системам бензиновых двигателей.
В случае использования низкокалорийных газов в газовых турбинах возникает существенная проблема, связанная с необходимостью сжатия топливного газа до большого давления на выходе компрессора газовой турбины (0,8-3 МПа) и с затруднениями при организации горения низкокалорийного газа в камере сгорания.
ДВС для работы на низкокалорийном газе выпускают фирмы Caterpillar, MAN, Dorman, Wartsilja Diesel и др. Газовые турбины для работы на природном газе выпускают фирмы Solar Turbines, Rolls-Royce, НПО "Сатурн" и др. Газовые турбины для использования низкокалорийных газов широкого распространения не получили.
2. Плазменная газификация
Процессы газификации углеродсодержащего топлива давно освоены в разных областях промышленности. При этом в основном используется принцип автотермично-сти, когда эндотермический эффект основных реакций, протекающих при газификации, компенсируется за счет сжигания части топлива (до 30%). Анализ условий равновесия этих реакций приводит к выводу, что для получения газа, преимущественно состоящего из оксида углерода и водорода - основных горючих компонент получаемого газа - процесс целесообразно вести при температуре не менее 950-1000°С. Если же рассматривать в качестве сырья отходы (например твердые бытовые и их производные), то следует учитывать наличие в них таких элементов, как, например, хлор. Известно, что самые токсичные соединения с его участием - диоксины стали основной причиной роста негативного отношения к мусоросжигающим заводам. Пик их образования в дымовых газах печных агрегатов приходится на интервал 900-1000°С. Следовательно, при газификации отходов температура процесса должна быть вне указанного предела. Таким образом, можно утверждать, что температура продукт-газа на выходе из газификатора должна поддерживаться на уровне 1200°С и выше.
Традиционно высокие температуры в термических процессах получают применением кислородного дутья, что в автотермических процессах приводит к довольно большим его расходам. Альтернативой этому является применение аллотермического принципа, когда энергия, компенсирующая эндотермический эффект, поступает извне. Одним из наиболее перспективных методов реализации этого принципа можно считать применение низкотемпературной плазмы, получаемой в плазмотронах продуванием плазмообразующего газа через электрические разряды. При этом плазмооб-разующие газы являются одновременно газифицирующими агентами.
В ИЭЭ РАН созданы мощные, надежные и эффективные электродуговые плазмотроны переменного тока, обладающие ресурсом непрерывной работы >100 ч, что позволит внедрять их в рассматриваемые процессы [4, 5].
На базе этих устройств в ИЭЭ РАН создана лабораторная установка укрупненного масштаба, позволяющая проводить исследования процессов плазменного пиролиза и газификации различного рода твердых топлив (включая отходы) [6]. Условная производительность установки зависит от типа загружаемого топлива и составляет ~50 кг/ч.
На установке ведутся эксперименты по воздушно-плазменной газификации древесных отходов, твердых бытовых отходов, отходов шин, каменного угля. Результаты некоторых из них даны в табл. 1. Готовится переход на плазму водяного пара, что позволит снизить балластное содержание азота в получаемых газах.
3. Разработка и внедрение установок по переработке древесных отходов на делянках - перспектива нового этапа освоения лесных пространств
Известно, что древесные отходы - постоянная проблема лесозаготовок: оставлять их нельзя, а вывозить для переработки не всегда выгодно. Более половины древесной массы в настоящее время теряется на лесосеках, в то время как в этих отходах заложе-
Стандартные технологические характеристики маломасштабных электрокогенерационных установок
Характеристика Дизельно-газо-вый двигатель Микро-турбина Двигатель Стирлинга Турбина ОЦР (Рэнкина) Паровой двигатель
Производительность, кВт 15-10000 25-250 10-150 200-1500 20-1000
Электрический КПД, % 30-38 15-35 15-35 10-20 10-20
Тепловой КПД, % 45-50 50-60 60-80 70-85 40-70
Общий КПД, % 75-85 75-85 80-90 85-95 75-85
Получение тепла, °С 85-100 85-100, пар 60-80 80
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.