технологии газификации в сверхадиабатическом режиме для решения экологических проблем
энергетики
Г.Б. Манелис, Е.В. Полианчик Институт проблем химической физики РАН пр-т Академика Семенова, 1, г.Черноголовка Московской обл.
Состояние и перспективы развития теплоэнергетики и топливно-сырьевых ресурсов в настоящее время активно обсуждаются [1, 2]. При всем многообразии сценариев развития энергетики в России и в мире в целом бесспорно можно выделить ряд тенденций, характеризующих развитие:
1. перспективу сокращения доли нефти и природного газа в качестве энергетического сырья и рост роли угля, битумов и горючих сланцев, возобновляемых и нетрадиционных топливных ресурсов (рис. 1);
2. необходимость существенного повышения КПД электрогенерации с использованием всех видов топливных ресурсов, что потребует использования газа лишь в высокоэффективных электростанциях парогазового цикла, повышения параметров пара пылеугольных электростанций, развития угольных электростанций парогазового цикла с внутрицикловой газификацией;
3. развитие децентрализованных энергоустановок малой энергетики с когенерацией тепла и электричества;
4. повышение требований к экологическим показателям энергоустановок, сокращение выбросов окислов азота и серы, пыли и других загрязнителей.
млн барр. млрд т сут. год
300 --15
~ Неископаемые
2 источники
| »ЧРГ*
I 200 --10 ¡¿Г ^чЯ
шГ Уголь Сценарий !
Годы
Рис. 1. Прогноз изменения доли основных видов энергетического сырья в обеспечении мирового энергопотребления [3]
Единичная мощность, МВт
Рис. 2. Сопоставление типичной эффективности энергоустановок [2]
Применение в энергетике твердых топлив, как традиционных (углей), так и нетрадиционных (биотоплив, разного рода горючих отходов), необходимость расширения которого диктуется развитием топливно-сырьевой отрасли, сталкивается с рядом серьезных ограничений. Прежде всего, это относительно большая сложность энергетического оборудования и ограниченный КПД традиционных энергоустановок, использующих твердое топливо, по сравнению с парогазовыми и поршневыми установками, использующими природный газ и нефтепродукты (рис. 2). С точки зрения экономики генерации электричества, это оправдывается меньшей ценой твердого топлива (хотя можно трактовать это противоположно - низкая энергетическая эффективность и технологическая сложность использования твердого топлива снижают его товарную ценность). Кроме того, использование твердых топлив связано с серьезными экологическими проблемами. Энергоустановки, использующие твердое топливо, являются наряду с металлургией основными загрязнителями атмосферы окислами серы, азота, пылевыми частицами, ртутью, полиароматическими углеводородами [5]. При использовании твердых топлив, как правило, возникает проблема образования вторичных отходов - золошлаковых, которые накапливаются
в золоотвалах. Использование систем газоочистки, каталитического восстановления окислов азота и т.п. позволяет повысить экологические показатели энергоустановок на твердом топливе, но ложится неизбежным дополнительным бременем на их и без того высокую инвестиционную цену и приводит к неизбежному снижению общей энергетической эффективности. Перечисленные выше экологические проблемы особенно серьезны при использовании в качестве топлива разного рода горючих бытовых и промышленных отходов (эта сторона проблемы подробнее обсуждается ниже).
Развитие технологий газификации и пиролиза конденсированных топлив представляется наиболее перспективным направлением решения обеих основных проблем - повышения энергетической эффективности и экологических показателей энергоустановок. Электростанции с внутрицикловой газификацией (ВЦГ) уже сейчас позволяют достичь КПД генерации электроэнергии выше самых современных пылеугольных электростанций со сверхвысокими параметрами пара (несмотря на то, что высокие капитальные затраты на строительство все еще сдерживают широкое коммерческое использование ВцГ). ВцГ также позволяет существенно повысить экологические показатели электростанции, поскольку становится возможной очистка от загрязнителей горючего газа, а само по себе сжигание газа в современных горелочных устройствах может быть организовано много эффективнее, чем горение твердых частиц топлива, в том числе и с точки зрения образования токсичных продуктов горения.
Еще одна задача энергетики наряду с повышением КПД и экологических показателей энергоустановок -это вовлечение в экономический оборот низкосортных и альтернативных топлив, в том числе возобновляемых, и разного рода горючих отходов.
Одной из перспективных возможностей для эффективного использования в энергетике твердых топлив является развиваемый авторами способ газификации в сверхадиабатических режимах фильтрационного горения [6]. Явление сверхадиабатических разогревов, реализуемых при фильтрационном горении твердого топлива в противотоке газа-окислителя, возникает благодаря внутренней рекуперации тепла, присущей этому процессу. При фильтрации газа-окислителя сквозь твердые продукты горения (в обсуждаемом нами здесь случае газификации - сквозь слой шлака) твердые продукты отдают свое тепло газу и поступают в зону горения уже предварительно подогретыми; газообразные продукты горения, в свою очередь, отдают тепло исходному топливу. Таким образом, оба реагента (газ-окислитель и твердое топливо) вступают в реакцию, будучи предварительно подогретыми, и при согласованных условиях теплообмена газа и твердой фазы температура горения может многократно превышать адиабатическую температуру горения. Последняя оп-
ределяется как тепловой эффект реакции, отнесенный к суммарной теплоемкости реагентов.
Фильтрационное горение твердого топлива и режимы горения со сверхадиабатическими разогревами интенсивно исследовались как теоретически, так и экспериментально [7-11]. Использование сверхадиабатических режимов положено авторами в основу ряда технологий для газификации ряда конденсированных топлив [13-18]. Благодаря использованию режимов со сверхадиабатическими разогревами газификация твердых топлив осуществляется с высоким химическим КПД (т.е. калорийность получаемых газообразных продуктов составляет до 95 % от калорийности исходного топлива).
Ниже мы описываем использование процессов газификации в режиме фильтрационного горения со сверхадиабатическим разогревом на примере твердых бытовых отходов - «топлива», в котором собраны по существу все проблемы, которые присущи различным твердым топливам.
Газификацию осуществляют в реакторе-газификаторе шахтного типа при реализации сверхадиабатического режима горения в «плотном» слое. Специфической особенностью данного процесса является такая его организация, при которой выделяющееся при горении тепло не выводится из реактора (твердые и газообразные продукты выходят из реактора при относительно низких температурах), а концентрируется в зоне газификации и используется для получения водорода из воды и частично окиси углерода из углеродосодержа-щих соединений.
Перерабатываемое сырье загружается в реактор сверху через шлюзовую камеру. Снизу подаются воздух и водяной пар. Отбор продукт-газа происходит в верхней части реактора, а выгрузка зольного остатка - в нижней. Продвижение рабочей массы в реакторе происходит под действием собственного веса. По высоте газификатора располагается несколько характерных зон. В самых верхних слоях температура находится в пределах 100-200 °С. Здесь происходит подсушка вновь поступившего сырья, продуваемого продукт-газом. В результате продукт-газ до некоторой степени насыщается водяным паром. Ниже располагается зона, где преобладают процессы пиролиза и возгонки летучих компонентов топлива. По мере дальнейшего нагревания топлива потоком горячего продукт-газа происходит термическое разложение и коксование органической массы в бескислородной среде. В зоне пиролиза продукт-газ обогащается летучими продуктами пиролиза.
В средней части реактора располагается зона газификации, где при температуре 1000-1200 °С происходит реакция коксового остатка с кислородом, парами воды и двуокисью углерода с образованием СО, СО2 и Н2. Подача водяного пара в составе окислителя обеспечивает протекание в зоне горения, наряду с реакциями окисления кислородом, в которых выделяется тепло, также и эндо-
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 2(58) 2008
© Scientific Technical Centre «TATA», 2008
термических реакции, дающих горючие продукты окись углерода и водород. Таким образом, суммарный тепловой эффект реакций окисления может быть сведен к минимуму, а высокие температуры горения, необходимые для получения окиси углерода и водорода, обеспечиваются за счет сверхадиабатического разогрева.
Ниже находится зона, где твердый остаток, состоящий в основном из минеральных соединений, постепенно охлаждается в потоке газифицирующего агента, богатого кислородом. Здесь догорают остатки органических соединений и углерода, и горючие материалы полностью превращаются в золу. В самой нижней части реактора лежит зона окончательного охлаждения твердого остатка до температуры около 100°С.
Основные зоны и процессы, протекающие в реакторе, схематически представлены на рис. 3.
рис. 5). Производительность обеих установок по перерабатываемому материалу - 2 т/час, что отвечает тепловой мощности ~5 МВт при сжигании продукт-газа. При газификации ТБО также используется совместная загрузка ТБО и инертного материала, который способствует более равномерной фильтрации газа сквозь перерабатываемый материал, а также позволяет согласовать потоки теплоемкости топливной массы и газа-окислителя (смеси воздуха с паром) таким образом, что обеспечивается максимальная рекуперация тепла в зону горения.
Рис. 4. Опытно-промышленный газификатор для переработки ТБО (г.Лаппеенранта)
.-II-
Рис. 3. Схема процессов, протекающих в реакторе-газификаторе
Подобная схема переработки твердого топлива применима к разнообразным топливам - от углей до биомассы - для высокозольного угля и углеотходов, лигнина, нефтешламов, отходов полимеров и резины, твердых бытовых отходов. Процессы газификации на
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.