ХИМИЯ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА, 2008, № 3, с. 9-14
УДК 662.63
ГАЗИФИКАЦИЯ БИОМАССЫ В РЕЖИМЕ ГОРЕНИЯ СО СВЕРХАДИАБАТИЧЕСКИМ РАЗОГРЕВОМ
© 2008 г. В. М. Кислов, С. В. Глазов, Н. А. Червонная, Л. И. Патронова,
М. В. Салганская, Г. Б. Манелис
Институт проблем химической физики РАН, г. Черноголовка E-mail: sea@icp.ac.ru Поступила в редакцию 14.05.2007 г.
Оценка различных методов использования биомассы в качестве альтернативного источника энергии показывает, что метод газификации в "сверхадиабатических" режимах фильтрационного горения является одним из наиболее перспективных путей получения энергии из биомассы (древесина, целлюлоза, торф). Представлены результаты выполненных экспериментальных работ.
Дефицит энергии в последнее время становится все более серьезной проблемой во всем мире. В связи с выводом из эксплуатации большого количества старых теплоэнергетических станций, в России эта проблема проявится в ближайшие годы особенно остро, что требует поиска альтернативных источников. Один из таких возможных источников - биомасса, поскольку она широко распространена, доступна и является воспроизводимым ресурсом с минимальным количеством экологически опасных загрязнителей [1].
К перспективным в энергетическом смысле видам биомассы можно отнести древесину и отходы ее механической (стружка, опилки) и химической переработки (технические лигнины), торф, а также отходы сельского хозяйства (солома и лузга зерновых культур, кукурузные стебли и початки, подсолнечник и пр.).
В литературе представлен широкий спектр методов энергетического использования различных видов биомассы - от прямого сжигания с получением тепла до достаточно сложной химической переработки с получением из них моторных топ-лив [2-4]. Многие из этих методов находятся на стадии разработки. Наибольшее развитие получили три направления: прямое сжигание; газификация; пиролиз с получением угля, высококалорийных газов и жидких продуктов либо преимущественно жидких продуктов [3, 4].
Метод прямого сжигания наиболее изучен и распространен. В качестве полезного продукта получают тепловую энергию, которая может быть преобразована в электрическую. Существуют разработки проектов крупногабаритных котлов с КПД ~80% и выше, однако конструкции та-
ких котлов очень сложны и требуют высоких затрат на изготовление и обслуживание. С учетом меньшей теплоты сгорания и большей стоимости по сравнению с ископаемыми видами топлив, а также высоких транспортных расходов по доставке стоимость получения энергии из биомассы выше, чем из угля и природного газа.
Прямое сжигание может быть рентабельно лишь при получении тепла в небольших установках из более дешевых древесных отходов непосредственно на месте их образования. Такие установки дешевле и проще в эксплуатации, но их КПД обычно ниже 70%. Повышенная влажность, характерная для биомассы, приводит к снижению КПД, в связи с чем предпочтительное содержание влаги составляет не более 15-20%.
Исследования пиролиза биомассы находятся в стадии развития. Основная часть имеющихся установок - лабораторные или пилотные. Наиболее перспективным считается быстрый пиролиз биомассы с получением жидких продуктов (теплота сгорания 20-25 МДж/кг), которые могут быть использованы как заменители котельного топлива. Энергия, необходимая для обеспечения устойчивого процесса пиролиза, может быть получена при сжигании образующихся твердых и газообразных продуктов.
Недостаток получающихся жидких продуктов как топлива - высокое содержание в нем кислорода (до 40 мас. %), воды (до 25 мас. %) и органических кислот (до 7 мас. %). Теплота его сгорания значительно ниже, чем у котельного топлива, а вода и органические кислоты приводят к коррозии конструкционных материалов. Кроме того, на качество такого жидкого топлива отрицатель-
Электрический нагреватель ^
0-
Продукты горения
0
Зона горения продукт-газа
Отбор газа
Зона газификации ~
Исследуемый материал"
Тепловой, экран
Электрический нагреватель
Кварцевая 'труба
Подача воздуха
Температурные данные
Термопары
Воспламенительный состав
Подача воздуха
Подача пара
Рис. 1. Схема экспериментальной установки.
но влияют нагрев и длительный контакт с воздухом. Существующие методы улучшения качества жидких продуктов пиролиза (гидрогенизация, цео-литовый крекинг) пока малопригодны для коммерческого использования.
При газификации образуется генераторный газ (продукт-газ) с КПД около 80%. По сравнению с прямым сжиганием газификация обладает существенными преимуществами. Управлять горением продукт-газа легче, а обеспечить полноту и экологичность его сгорания значительно проще, чем при прямом сжигании исходной биомассы (ниже содержание в продуктах сгорания СО и N0^).
Наиболее распространенные типы газификаторов - это газификаторы с плотным слоем прямого и обращенного типа и газификаторы кипящего слоя. В качестве окислителя обычно используют воздух или паровоздушные смеси. Теплота сгорания продукт-газа (в зависимости от условий получения) находится в пределах 4-6 МДж/м3.
Его, как правило, используют в котлах, газовых двигателях или турбинах.
Среди трех перечисленных направлений энергетического использования биомассы наиболее перспективным и экономически выгодным представляется газификация, так как (кроме указанных выше преимуществ по сравнению с прямым сжиганием и пиролизом) она менее критична к содержанию влаги и требует минимальной подготовки исходного материала. Независимо от выбранного направления получения энергии из биомассы конкуренция с более дешевыми традиционными топливами вынуждает искать пути снижения стоимости получаемой энергии.
Разрабатываемый в ИПХФ РАН метод газификации твердых топлив в сверхадиабатических режимах фильтрационного горения не только обладает всеми преимуществами слоевой газификации в противотоке, но и позволяет существенно снизить требования к газифицируемому материалу, в частности расширить диапазон приемлемой влажности.
Явление сверхадиабатического разогрева при фильтрационном горении возникает в результате теплообмена между потоками твердых и газообразных веществ, движущихся навстречу друг другу относительно фронта химической реакции. При наличии в топливе значительного количества твердого инертного материала межфазный теплообмен происходит по обе стороны от зоны горения. С одной стороны, горячие газообразные продукты нагревают исходное топливо, с другой - поступающий окислитель нагревается при фильтрации через слой горячего инертного материала, выходящего из зоны горения. Для топлив с малой зольностью (например, древесины) увеличения рекуперации тепла в зону горения можно добиться путем смешения исходного топлива с твердым негорючим материалом. Таким образом, большая часть тепла, выделяющегося в химических реакциях, не выносится из газификатора, а концентрируется в зоне газификации. В этом случае температура горения может быть существенно выше расчетной адиабатической, а энергетический КПД процесса может превышать 90% [5, 6].
Экспериментальная часть
Эксперименты проводили в цилиндрическом лабораторном реакторе диаметром 45 мм (рис. 1), подробно описанном в [7]. В качестве газообразного окислителя использовали воздух или паровоздушные смеси. В ходе эксперимента регистри-
ровали профили температур и проводили отбор проб газообразных продуктов.
При воздушной газификации сухой древесины в режиме сверхадиабатического горения теплота сгорания газовой компоненты продукт-газа в зависимости от режима газификации находилась в пределах 2.5-5.0 МДж/м3, а выход смол, присутствующих в продукт-газе в виде тумана, - примерно 400-500 г на 1 кг древесины. Теплота сгорания смол (в расчете на сухой состав) по мере уменьшения содержания минеральной компоненты увеличивалась с 20 до 30 МДж/кг. Процесс сверхадиабатического горения является самоподдерживающимся даже при высоком содержании твердого инертного материала. Минимальное содержание древесины в газифицируемом материале, при котором получался способный к самостоятельному горению продукт-газ, составляло примерно 33%. Остальная часть перерабатываемого материала представляла собой крошку шамотного кирпича, которая, проходя через зону горения, оставалась практически неизменной, выполняя роль теплоносителя.
Добавление паров воды в газифицирующий агент позволяет увеличить теплоту сгорания газовой составляющей продукт-газа до 6.2 МДж/м3 за счет взаимодействия водяного пара в высокотемпературной зоне с углеродом и выделением водорода и монооксида углерода. Кроме того, вследствие эндотермичности этой реакции температура снижается именно в наиболее горячих точках, что уменьшает требования к конструкционным материалам газификатора.
Обсуждение результатов
На рис. 2 представлены оценки КПД воздушной и паровоздушной газификации древесины и энергетической ценности продуктов, рассчитанные как отношение количества теплоты, выделяющейся при сгорании продуктов газификации (газа и смолы), к соответствующей величине при сгорании исходной древесины. Из представленных данных (рис. 2) видно, что при разбавлении древесины минеральным веществом в соотношении 1 : 2 доля энергии, выделяющейся при сгорании газообразных продуктов, снижалась приблизительно вдвое, тогда как энергетический вклад смол несколько возрастал. Общий КПД газификации слабо зависел от количества твердого инертного вещества, добавленного к древесине, снижаясь всего на несколько процентов. Добавление паров воды в газифицирующий агент приводило к увеличению теп-
П, %
80
60,
20
а---- ----&____
г^Я 2
----□----
"-■О--- ----
1 | |
100
75 50 25
Содержание древесины, мас. %
Рис. 2. Расчет энергетической ценности продуктов воздушной (сплошные линии) и паровоздушной (пунктирные линии) газификации смесей древесины с твердым инертным материалом при фильтрационном горении: 1 - газ, 2 - смола, 3 - общий КПД.
лоты сгорания газообразных продуктов на 2530%. Общий КПД газификации при этом увеличивался на 5-10%, поскольку количество образующихся смол было несколько ниже, чем при воздушной газификации.
Учитывая малый масштаб и большие боковые теплопотери лабораторной
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.