Газификация растительной биомассы в газогенераторах кипящего слоя

Мировое потребление энергии постоянно увеличивается по ряду причин, основные из которых — рост численности населения, улучшение качества жизни, индустриализация и быстрый экономический рост развивающихся стран. Ограниченность традиционных топливных ресурсов и прогнозы об их скором исчерпании заставляют задуматься о поиске альтернативных источников энергии. Роль энергетики на основе возобновляемых ресурсов (энергия солнца, энергия ветра, энергия биомассы и т. д.) неуклонно растет.

Среди топливно-сырьевых источников потенциально мощнейшим на планете является биомасса. Ежегодный прирост только растительной биомассы (в.

1Я топливном эквиваленте) составляет 3,0−10 кДж, в то время как годовое потребление нефти, газа и угля в мире находится на уровне около 5,11 017кДж [1].

Впервые определение биомассы как «любого органического вещества, доступного на возобновляемой основе, включая сельскохозяйственные культуры и отходы, древесину и древесные остатки, отходы животноводства и бытовые отходы» было сформулировано в 1980 г. В настоящее время в странах Европейского Союза биомасса определяется как «биоразлагаемая часть продукции, отходов и остатков сельского хозяйства (растительного и животного происхождения), лесного хозяйства и смежных отраслей, а также органическая часть промышленных и бытовых отходов» [2].

В России в соответствии с ГОСТ «биомассой называют все виды веществ растительного и животного происхождения, продукты жизнедеятельности организмов и органические отходы, образующиеся в процессах производства, потребления продукции и на этапах технологического цикла отходов» [3].

Таким образом, исходя из рассмотренных определений, можно выделить группы ресурсов, относящихся к биомассе:

— растительная биомасса, образующаяся на основе фотосинтеза и включающая различные виды растений;

— биомасса животного происхождения, представляющая отходы жизнедеятельности и переработки животных;

— органические отходы, образующиеся в процессе производства продукции, ее конечного потребления и на этапах технологического цикла отходов.

Согласно международной классификации к растительной биомассе можно относить также и торф, но только в странах, обладающих его значительными запасами. К таким странам, прежде всего, относятся Россия и Канада.

Методы энергетического использования биомассы весьма разнообразны. Биомасса животного происхождения перерабатывается биохимическими методами (анаэробное сбраживание, ферментация), позволяющими получить биогаз, состоящий в основном из метана и диоксида углерода. Органическая часть промышленных и бытовых отходов, как правило, утилизируется на свалках с использованием технологии анаэробного разложения с получением свалочного газа.

Растительная биомасса, как правило, перерабатывается путем прямого сжигания для выработки тепловой энергии или путем термохимической газификации, позволяющей получить генераторный газ, основными горючими компонентами которого являются водород и оксид углерода и который может быть использован для выработки широкого спектра энергетической продукции. Биохимическая переработка растительной биомассы позволяет получить топливный спирт и горючий газ. В последние десятилетия широко исследуются различные методы химической и термохимической переработки растительной биомассы с получением жидких топлив — аналогов нефти и др. [4].

На протяжении многих веков, по крайней мере, на территории России, растительная биомасса являлась основным источником энергии. Еще в конце XIX века более 60% в топливном балансе мировой энергетики составляли дрова. Однако в последующие годы ситуация существенно изменилась. Уголь, а позднее нефть и газ, добыча которых значительно лучше поддается индустриализации, постепенно вытеснили древесину из топливного баланса [5].

Изменению взгядов на растительное сырье способствовал, прежде всего, энергетический кризис, разразившийся в 1972;1973 гг. Увеличение цены на нефть почти в три раза заставило правительства развитых стран задуматься о последствиях, которые могут возникнуть при ориентации экономики исключительно на нефтяное сырье. Дело в том, что ценные вещества и материалы в тот период получались из добываемой нефти на основе нефть-органического синтеза. Но было доказано, что те же самые продукты могут быть получены с использованием уже имеющихся технологий и из растительного сырья [6]. Необходимо только было превратить это сырье методами термохимической газификации в так называемый синтез-газ [4]. Это способствовало тому, что интерес к процессам газификации как к источнику синтез-газа возродился с еще большей силой.

В настоящее время с каждым годом отмечается рост значимости растительной биомассы не только как источника энергии, но и как сырья для производства широкого спектра энергетической продукции. Подтверждением этого является внедрение технологии так называемого двухстадийного сжигания, которое заключается в том, что твердое топливо предварительно газифицируется (первая стадия процесса), а затем полученный генераторный газ сжигается в котлах или в различных типах тепловых двигателей (вторая стадия). Это направление приобретает все большее развитие, так как позволяет использовать при выработке электроэнергии высокоэффективные парогазовые энергетические установки [4].

За рубежом разрабатывается новый технологический процесс, позволяющий получить синтетический газ — аналог природного газа и сочетающий в себе термохимическую газификацию растительной биомассы в газогенераторах кипящего слоя с последующей обработкой полученного горючего газа при помощи химических методов.

Растительная биомасса как источник энергии обладает рядом достоинств. Кроме возобновляемости данного вида топлива, можно выделить такие качества, как экологическая чистота в сравнении с ископаемыми топливами, а также отсутствие воздействия на баланс свободного углерода в атмосфере. Последнее связано с тем, что при сгорании растительной биомассы выделяется и выбрасывается в атмосферу меньше или, по крайней мере, столько же углекислого газа, что и поглощается растениями из атмосферы в процессе фотосинтеза. Таким образом, количество свободного углерода в атмосфере при сжигании биомассы не увеличивается. При сжигании растительной биомассы по сравнению с углем образуется в 20−30 раз меньше окислов серы и в 3−5 раз меньше золы [4]. В целом растительная биомасса рассматривается во многих странах как перспективный источник энергии на ближайшее будущее. Свидетельством этого является утвержденная в Европе Стратегия развития энергетики на основе биомассы1, в которой предусматривается использование древесного сырья для производства топлив для автотранспорта, а также генерация на ее основе тепловой и электрической энергии. К примеру, в Швеции доля энергии, получаемой из биомассы, в 2011 г. составила в конечном потреблении 31,6%, превысив долю нефти (30,0%) [7]. В Финляндии и Дании биомасса дает около 20% всей энергии, неуклонно растет доля биомассы в энергетике Германии и других стран.

В настоящее время интерес к энергетике на основе биомассы возрождается и в России. Об этом свидетельствует утвержеднная в 2012 году Программа «БИО-2020"2, в которой прогнозируется, что наша страна может стать одним из лидеров мирового рынка биоэнергетики за счет использования своих ресурсов. «В России образуется более 100 млн. тонн доступных для получения энергии отходов биомассы в год, энергетическая ценность которых составляет более 300 млн. МВт ч, или более 40 млн. т. у. т. При этом утилизируется не более 10% из них. Поэтому перед энергетической отраслью стоит задача поэтапного создания новых правовых и технологических подходов в биоэнергетике, которые будут поддерживаться и стимулироваться государством».

Развитие газогенераторных технологий идет по трем направлениям: слоевая газификация, газификация в кипящем слое и газификация в потоке. Для газификации растительной биомассы применяются в основном слоевые газогенераторы.

1 European Biomass Action Plan (СОМ (2(Ю5) 628 final), 7.12.2005.

2 Комплексная программа развития биотехнологий в Российской Федерации на период до 2020 года. Утверждена Председателем Правительства РФ 24.04.2012 г. № 1853п-П8 и газогенераторы с кипящим слоем. Наша страна обладает определенными традициями и имеет значительный накопленный опыт в области слоевой газификации растительной биомассы. В работах Б. В. Канторовича, Д. Б. Гинзбурга, В. В. Померанцева, Л. В. Зысина, В. В. Сергеева и др. изложены методологические основы промышленной слоевой газификации растительного сырья.

В период с 1989 по 2002 гг. в России действовала программа по использованию растительной биомассы, в реализации которой принимали активное участие сотрудники кафедры «Промышленная теплоэнергетика» СПбГПУ. Были предприняты конкретные шаги к внедрению газогенераторных технологий в энергетику. При этом использовался как прошлый опыт, так и новейшие достижения в области теории горения, топочных процессов, автоматики, материаловедения и др. Совместно с НТЦ «Энерготехнология» было разработано несколько конструкций слоевых газогенераторов мощностью от 500 кВт до 3 МВт, некоторые из них нашли свое применение в промышленности. Однако, в большой энергетике полученные результаты остались пока невостребованными.

Для внедрения газогенераторных технологий в большую энергетику необходимо увеличение единичной мощности аппаратов, оптимизация технологического процесса и поиск оптимального решения как с технической, так и с экономической точки зрения. Этим условиям отвечает технология газификации растительной биомассы в кипящем слое, которая от слоевой газификации, в первую очередь, отличается значительно большей интенсивностью процессов теплои массообмена между твердыми частицами топлива и горячей парогазовой средой. Ускорение процессов термохимического разложения твердого топлива способствует выравниванию полей концентрации и температуры по высоте и в поперечном сечении шахты газогенератора, что, в свою очередь, приводит к увеличению выхода газа с единицы площади поперечного сечения шахты газогенератора, к уменьшению количества нежелательных примесей в газе и к выравниванию состава газа на выходе из шахты газогенератора.

Практическая реализация метода газификации в кипящем слое несколько сложнее, чем метода слоевой газификации. Это связано с необходимостью ограничения скорости дутья газифицирующего агента и более комплексной предварительной подготовкой топлива (сушка, размол). При введении в процесс газификации в кипящем слое инертного твердого теплоносителя необходимо осуществлять улавливание и возврат уносимого из верхней части шахты газогенератора твердого теплоносителя, оставшегося топлива и летучей золы обратно в шахту газогенератора.

При создании аппаратов кипящего слоя мы сталкиваемся с необходимостью разработки модели процесса газификации в кипящем слое, позволяющей рассчитать состав генераторного газа в зависимости от исходного топлива, вида газифицирующего агента и режимных параметров.

В соответствии с этим сформулирована цель диссертации:

— разработать модели процесса газификации растительной биомассы в газогенераторах кипящего слоя.

Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

— проведено исследование технологии и аппаратов газификации растительной биомассы в кипящем слое;

— выбраны основные реакции процесса газификации растительной биомассы в газогенераторах кипящего слоя;

— проведены экспериментальные исследования с целью подтверждения адекватности разработанных моделей;

— определена область внедрения технологии газификации растительной биомассы в кипящем слое в промышленную теплоэнергетику;

— разработана технологическая схема получения синтетического природного газа на основе процесса газификации растительной биомассы в газогенераторах кипящего слоя.

Научная новизна работы заключается в следующем:

— разработаны модели процесса газификации растительной биомассы в газогенераторах кипящего слоя;

— получены экспериментальные данные по составу генераторного газа при воздушной газификации растительной биомассы в аппаратах кипящего слоя;

— разработана технологическая схема получения синтетического природного газа на основе процесса газификации растительной биомассы в газогенераторах кипящего слоя.

Методология исследования. Проведенные исследования базировались на сочетании расчетных методов, основанных на фундаментальных термодинамических, физико-химических и технических представлениях о тепловых процессах в промышленных энергетических установках, работающих на растительной биомассе, с получением экспериментальных данных по газификации растительной биомассы в газогенераторах кипящего слоя.

Практическая значимость работы. Разработанные модели процесса газификации растительной биомассы в газогенераторах кипящего слоя позволяют рассчитать состав генераторного газа, получаемый при воздушной и паровой газификации растительной биомассы в аппаратах кипящего слоя. Результаты работы могут быть использованы при проектировании газогенераторов кипящего слоя, работающих на растительной биомассе.

Реализация работы. Результаты исследования были использованы при оценке возможности перевода котельной предприятия ОАО «Лесплитинвест» (г. Приозерск) с технологии прямого сжигания на технологию газификации древесного сырья в кипящем слое, а также при выполнении научно-исследовательской работы «Production of bio-SNG with using biomass gasification» на базе Лаппеенрантского технологического университета (Финляндия).

Достоверность и обоснованность результатов работы подтверждается согласованностью расчетных и экспериментальных данных автора и других исследователей.

Апробация работы.

Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на международных, федеральных и региональных научно-технических конференциях: Международной научно-практической конференции (Санкт-Петербург, 2009, 2010 гг.) — Международной молодежной научной конференции (Йошкар-Ола, 2010 г.), а также в рамках конкурса научно-исследовательских работ аспирантов и молодых ученых в области энергосбережения в промышленности «Эврика-2010» (г. Новочеркасск, 2010 г.) — Всероссийского конкурса инновационных проектов и идей научной молодежи (г. Москва, 2011 г.) — Молодежной программы «Инвестируя в будущее» в рамках выставки и конференции Russia Power (г. Москва, 2012, 2013 гг.) — на семинарах кафедры «Атомная и тепловая энергетика» ФГБОУ ВПО «СПбГПУ» и ОАО «НПО ЦКТИ им. И. И. Ползунова».

Положения, выносимые на защиту:

— Модели процесса газификации растительной биомассы в газогенераторах кипящего слоя.

— Результаты расчетных и экспериментальных исследований по составу генераторного газа при воздушной и паровой газификации.

— Технологическая схема получения синтетического природного газа на основе процесса газификации растительной биомассы в газогенераторах кипящего слоя.

Отдельные разделы настоящей работы выполнялись в рамках гранта в виде стипендии Президента Российской Федерации для аспирантов для обучения за рубежом в 2011/2012 учебном году (приказ Минобрнауки России № 2057 от 23.06.2011 г.) на базе Лаппеенрантского технологического университета (Финляндия), а также при поддержке Правительства Санкт-Петербурга в виде грантов для студентов и аспирантов (дипломы: серия ПСП № 9 006, серия ПСП № 101 112).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1. Проведенная оценка ресурсной базы растительной биомассы в России позволяет сделать вывод о значительных невостребованных ресурсах растительной биомассы и целесообразности, в связи с этим, разработки и внедрения установок средней и большой мощности, которые реализуют технологию газификации в кипящем слое и способны заместить значительную долю энергетических мощностей в регионах децентрализованного энергои газоснабжения.

2. Разработаны модели воздушной и паровой газификации растительной биомассы в газогенераторах кипящего слоя: стехиометрическая модель, основанная на расчете констант равновесия химических реакций, пригодная для расчета состава газа при воздушной газификациинестехиометрическая модель, в основе которой лежит метод минимизации энергии Гиббса, и модель, основанная на соотношении СО/СОг в генераторном газе, которые дают наиболее достоверные данные по составу газа при паровой газификации.

3. Получены экспериментальные данные по зависимости состава генераторного газа от коэффициента избытка воздуха при воздушной газификации растительной биомассы в газогенераторе кипящего слоя. Максимальное расхождение данных эксперимента с результатами расчета воздушной газификации по стехиометрической модели составляет при, а = 0,25−0,4: 11% для СН4, 8% для С02 и 7% для Н2.

4. В результате расчета состава генераторного газа при паровой газификации растительной биомассы в газогенераторах кипящего слоя по разработанным нестехиометрической модели и модели, основанной на соотношении С0/С02 в газе, получено, что объемные концентрации газовых компонент соответствуют диапазонам их значений, которые были получены зарубежными учеными, в частности, австрийскими.

5. Рассмотрены основные пути внедрения газогенераторных технологий в промышленную энергетику: использование генераторного газа в камере сгорания ГТУ парогазовой установки (с максимальным КПД цикла 42,1%) и производство высококалорийного синтетического газа, который потенциально может заменить природный газ в парогазовом цикле.

6. Разработана технологическая схема получения синтетического природного газа на основе процесса газификации растительной биомассы в газогенераторах кипящего слоя. Производимый синтетический газ имеет теплоту сгорания 37,25 МДж/м. Экономическая оценка предложенной технологии показывает ее конкурентоспособность при увеличении единичной мощности газогенератора до 100 МВт и более.

7. Перспективы дальнейшей разработки темы связаны с созданием опытно-промышленных образцов газогенераторов кипящего слоя на основе разработанных моделей процесса газификации с целью внедрения их в промышленную теплоэнергетику.