Запрошуємо розробників корисного устаткування до співпраці

Спалювання біомаси

Більшість видів сухого біопалива може бути спалена для вироблення теплоти, однак характеристики різних видів біопалива значно відрізняються від умовного палива. Взагалі, вони мають низьку енергетичну здатність, різний хімічний склад, різні фізичні характеристики і можуть містити значну кількість неспаленого матеріалу. Для спалювання таких типів палива необхідне використання спеціалізованих котлів або модифікація наявного обладнання. Для природних газових котлів треба змінити конструкцію топки з установкою колосникової решітки або створити спеціальну передтопку. Крім того, перехід на спалювання відходів біомаси пов’язаний із реконструкцією системи очищення димових газів від зольних частинок навіть на котлах, які використовують як паливо вугілля, оскільки за своїми характеристиками зола органічних палив і зола від спалювання вугілля суттєво різняться. Витрати на установку системи очищення можуть становити до 20-30 % від сумарних витрат на установку котельного агрегата, що значно знижує ефективність використання біомаси як палива.

Як альтернативне рішення паливо може бути оброблене для вироблення більш гомогенної суміші, яка більш схожа на умовне паливо. Вибір методу відбувається на економічній основі: додаткові витрати на підготовку палива відносно витрат на обладнання для спалювання.

Енергетичний вміст 1 кг достатньо сухих дров становить приблизно 5,2 кВт-год. При вологості 20 % енергетичний вміст дров становить не більше ніж 4,5 кВт-год/кг, тобто 2 кг дров можуть замінити 1 л рідкого палива за умови однакової ефективності їх використання.

Дерево і солома - це види палива, що в процесі горіння виділяють гази, в яких міститься приблизно 80 % теплоти і які мають різні температури згорання. Існує проблема повного спалювання цих газів, оскільки в багатьох випадках згорає лише їх частина, а залишкова частина виділяється у вигляді диму.

Повне згорання газів відбувається за трьох умов:

1. Висока температура

Найбільш важкі гази згорають першими - при температурі 900 °С. Досягти цієї температури дуже важко, якщо біопаливо має значну кількість вологи чи залізна піч охолоджується повітрям (тому печі краще робити з каменю).

Для випарювання вологи з дров (соломи) теплоти витрачається тим більше, чим більше в них вологи. Нижчою стає температура горіння, а отже, і його ефективність. Якщо дрова (солома) погано висушені, швидко з'являється сажа (суміш сконденсованої води та неспалених газів), оскільки при низькій температурі горіння температура буде низькою й у димовій трубі.

2. Ефективне змішування газів із повітрям

Оскільки змішувати холодне повітря з дуже гарячими газами в печі важко, треба, щоб повітря попередньо прогрілося або забезпечити для цього високу турбулентність.

Слід уможливити регулювання подавання повітря у піч, оскільки надто велика кількість повітря буде охолоджувати гази, а при надто малій полум'я буде нерівним.

Якщо димова труба надто низька, має тріщину чи малий внутрішній діаметр (наприклад, через те, що вона вкрита сажею), важко досягти доброї турбулентності.

3. Простір та час

Коли з температурою та змішуванням усе гаразд, гази горять. Однак щоб вони згоріли повністю і температура при цьому не зменшувалася, потрібен простір та час. Іншими словами, недостатньо зробити піч із каменю та добре її ізолювати, треба ще, щоб було достатньо простору для газів, які згорають, та часу для початку теплообміну.

Побутові відходи поділяються на горючі та органічні. Органічні відходи не спалюються безпосередньо, а збираються для установок з виробництва біогазу з подальшим його використанням як палива.

В Данії у 1997 p., де утилізація біомаси значно поширена, ухвалено постанову про заборону накопичення на звалищах горючих відходів. Такі відходи підлягають спалюванню для виробництва теплоти та електроенергії.

Існуючі енергетичні та водогрійні котли не придатні в цілому для спалювання нетрадиційних видів палива, оскільки мають цілком визначені розміри теплосприймальних поверхонь і спеціальний спалювальний пристрій (пальник), розрахований на певний вид палива.

Котли для спалювання біомаси мають особливості конструкції щодо способу спалювання палива, розміру та виду теплосприймальних поверхонь, систем паливоприготування та спалювання тощо.

Форсункове спалювання палива в пальниках з примусовим дуттям є значно поширеним та найбільш ефективним для радіаційно - конвективного спалювання палива. Для твердих біопалив таке форсункове спалювання організувати досить важко з технічної точки зору, тому було запропоновано та успішно реалізовано конструкцію камери згорання, яка є комбінацією шарової топки та повітряного пальника. В цій конструкції оригінально використано відомий принцип форкамерного спалювання палива. Камера згорання має технічну особливість: оскільки стінки камери не мають поверхонь теплообміну у вигляді екранних поверхонь із заповнених водою труб для одержання пари (як це має місце в традиційних котельних агрегатах), то зона має бути огородженою. У даному випадку використовується керамічне високотемпературне футерування, що, звичайно, робить конструкцію дорожчою, але при цьому підвищується ефективність за рахунок більш високої температури полум'я.

Установки прямого спалювання біомаси можна поділити на котельні (фермерські котли) потужністю до 1 МВт, теплові станції і станції комбінованого вироблення теплової та електричної енергії.

Більша частина фермерських котлів призначена для спалювання брикетів соломи. Для поліпшення умов перебігу процесу згорання і зниження емісії частинок у продуктах згорання витрата повітряного дуття регулюється, поступово змінюючись від верхніх до нижніх секцій котла. Для забезпечення старанного перемішування продуктів згорання повітря повинно подаватися в напрямі, протилежному виходу димових газів із топки котла.

За принципом дії фермерські котли поділяються на котли періодичної дії і безперервної дії з автоматичним завантаженням сировини. Схему фермерського котла періодичного завантаження для спалювання великих брикетів соломи подано на рисунку 4.4.1.

Рисунок 4.4.1 - Фермерський котел періодичного завантаження брикетів

соломи:

1 - повітродувка; 2 - повітряна засувка, яка регулюється за температурою продуктів згорання; 3 - температурний датчик;

4 - вогнетривкий матеріал; 5 - люк для завантаження брикету соломи;

6 - сенсорний датчик для контролю рівня вмісту кисню в продуктах згорання;

7 - вихід продуктів згорання

Технічні характеристики соломоспалювальної котельні для потреб опалення (Данія) наведено в таблиці 4.4.1.

Таблиця 4.4.1 - Технічні характеристики соломоспалювальної

котельні за рік

Параметри

Показник

Теплова енергія, ТДж

6

Використання соломи, т

550

Інвестиції, дол. СІЛА

40000

Економія палива (мазут), т

160

Зниження викидів С02, т

320

Потужність, МВт

0,7

Важливо зазначити, що соломоспалювальна котельня на початкових стадіях впровадження (при відсутності досвіду проведення монтажу, налагодження системи постачання палива) потребує більших інвестицій, ніж звичайна газова котельня. Початкові інвестиції для котелень становили 80-100 тис. дол. СІЛА на 1 МВт встановленої потужності.

Теплові станції мають потужність більше 1 МВт і призначені для опалення та гарячого водопостачання невеликих населених пунктів, районів міст; вони класифікуються за типом встановленого котла.

Станції комбінованого вироблення теплової та електричної енергії оснащені котлами, які в більшості випадків працюють під високим тиском, паровими турбінами, електрогенераторами і теплообмінниками. Схему такої станції, де як біомаса використовується солома, зображено на рисунку 4.4.2.

Рисунок 4.4.2 - Схема станції комбінованого вироблення теплової та

електричної енергії (Данія):

1 - приміщення для зберігання соломи; 2 - скарифікатор;

З - топка котла; 4, 5 - пароперегрівачі; 6 - економайзер;

7 - повітропідігрівач; 8 - парова турбіна; 9 - електрогенератор;

10 - електрофільтр; 11 - димова труба; 12 - вібраційна решітка;

13 - бункер для шлаку; 14 - резервуар з живильною водою;

15 - конденсатор; 16 - бак для зберігання гарячої води;

17 - теплообмінник

Солома перед подачею в котел подрібнюється скарифікатором і через завантажувальні отвори надходить у котел на систему решіток,

яка складається з нерухомої водоохолоджувальної решітки і вібраційної, на останній закінчується процес горіння. Шлак зсипається у водоохолоджувальний бункер і видаляється. Станція оснащена буферним резервуаром для зберігання теплоти конденсації при низькій витраті теплоти споживачами. Розмір резервуара дозволяє станції працювати 5-10 год у зимовий період.

Для комбінованого виробництва теплоти та електроенергії в країнах Є С (зокрема в Данії) розроблені та успішно впроваджуються теплові електростанції з комбінованим спалюванням соломи та вугілля. Фактично солома є твердим паливом, і тому її практично легко сумістити з твердим паливом. Спалювання суміші соломи та вугілля відбувається в попередній камері згорання. Технічні характеристики такої електростанції наведено в таблиці 4.4.2, а станції Мааб’єрг - у таблиці 4.4.3 [1].

Таблиця 4.4.2 - Технічні характеристики електростанції

комбінованого вироблення теплоти та електроенергії__ (річне вироблення)

Параметри

Показники

Вироблення теплоти, ТДж

300

Вироблення електроенергії, ГВт-год

75

Використання соломи, тис. т

70

Використання вугілля, тис. т

38

Інвестиції, млн дол. США

8

Номінальна потужність, МВт

у т. ч.: теплова

19,6

електрична

61

Аналіз даних щодо фінансово-економічних показників проектованих і діючих котелень біомаси свідчить, що ці підприємства мають відносно невеликий термін окупності. Наприклад, котельня Мангуальде (Португалія) для комбінованого виробництва теплоти та електроенергії з установленою електричною потужністю 3,2 МВт має термін окупності 2,7 року. Сміттєспалювальний завод під Мадридом (Іспанія) з установленою потужністю 19 МВт має термін окупності 6 років.

Завдяки технологічній простоті та надійності котельні біомаси є перспективним напрямком розвитку енергетики, особливо в країнах із великим обсягом сільськогосподарського виробництва.

323

Вартість енергії, яку отримують із біомаси, у ряді випадків трохи нижча за вартість електроенергії, яку отримують за допомогою традиційного палива (для котелень із малим терміном окупності).

Таблиця 4.4.3 - Технічні характеристики ТЕЦ Мааб’єрг (Данія)

за рік

Параметри

Показники

1. Виробництво енергії: - електричної, ГВт-год

150

- теплоти, ТДж

1500

2. Споживання палива, т: - відходи

150 000

- солома

50 000

- деревинні відходи (тріски, гранули)

30 000

3

- природнии газ, м

400 000

3. Інвестиції, млн дол. СІЛА

12

4. Потужність, МВт: - теплова

68

- електрична

28

Спільне спалювання каналізаційного осаду з іншими паливами використовується порівняно недавно, але вже визнане як

перспективне. Так, у Німеччині вважається доцільним спалювання

осаду разом із вугіллям на електростанціях. Це зумовлено відносно невеликими капітальними витратами, можливістю використання на існуючих підприємствах і в короткі строки, збереженням впливу на довкілля. При цьому ефективно використовується енергетичний потенціал біомаси.

Ще більш ефективним, ніж спалювання в котлах

енергоустановок, може бути спалювання осаду в цементних випалювальних печах. Температура в цементних печах значно вища, ніж у котлах електростанцій, що забезпечує практично повне руйнування органічних сполук. До того ж, утворені в процесі згорання осаду шлаки включаються до складу шихти, таким чином, тверді продукти згорання повністю відсутні, що виключає

необхідність їх знешкодження і захоронения, знижує екологічні ризики і здешевлює процес спалювання.

Сьогодні створенню плантацій енергетичних лісів значну увагу приділяють у таких європейських країнах, як Великобританія,

Франція, Німеччина та ін. В помірній кліматичній зоні для створення плантацій найбільш перспективними є різновиди швидкоростучих сортів тополі (волосистоплідної та канадської) і верби (корзинної і козячої), для південних районів - акації та евкаліпту. Посадка ведеться черешками або саджанцями квадратно-гніздовим або шаховим порядком з різною шириною міжрядь (від 0,8 до 2 м). Період зростання (ротації) деревини становить 6-7 років. Догляд за плантацією полягає в боронуванні між рядами, внесенні добрив і зрошенні в період засух. Енергетичні плантації біомаси попереджують ерозію ґрунту, сприяють поліпшенню стану довкілля.

Плантації верби у Швеції на заболочених землях дають 25 т деревини з 1 га на рік. Збирання деревини відбувається через 2 роки спеціальними комбайнами в зимовий час року, коли заболочена земля замерзає. З 1 млн га отримується 15 млн т сухого деревинного палива, що еквівалентно 20 % енергії, яка необхідна для цієї країни.

Плантації можуть бути монокультурними і комбінованими, в останніх між рядами садять соняшник, ячмінь, люпин, горох, конюшину тощо. В Греції, наприклад, на плантаціях шовковиці вигодовують шовковників, зимою річний приріст гілок зрізають і використовують як біомасу.

Кількість енергії, яку можна отримати з енергетичної плантації при врожайності 15 т сухої біомаси з 1 га за рік (теплотворна здатність 15 МДж/кг) становить 225 ГДж/га. При ККД газотурбінної електростанції 40 % 1 га енергетичної плантації може забезпечити екологічно чистим паливом виробництво 252 МВт-год електроенергії на рік.

У більшості європейських країн етап комерціалізації цієї галузі енергетики вже минув і вартість виробленої з біомаси енергії узгоджена з ринковою ціною енергії.

Щодо впливу на довкілля використання біомаси рослинного походження, то за викидами СО2 баланс підтримується. Під час використання твердого палива промислових та побутових відходів виникає потреба газоочищення та золовилучення, а також утилізації, яка може бути вирішена за допомогою сучасних надійних очисних технологій.

Удосконалення установок спалювання біомаси з точки зору впливу на довкілля планується за такими напрямками:

- удосконалення технології спалювання біомаси; переробка біомаси на рідке чи газоподібне паливо;

- удосконалення процесу транспортування та оброблення біомаси.

Одним із способів інтенсифікації спалювання біомаси є її спалювання в киплячому шарі. В результаті використання температури спалювання 800-1000 °С значно зменшується забрудненість атмосфери сполуками сірки, оскільки більша її частина залишається в шарі і видаляється разом із золою. За допомогою додавання в киплячий шар вапна або доломіту збільшується рівень уловлювання сірки. З відносно низькою температурою відхідні з киплячого шару гази практично не містять оксиди азоту.

Принципову схему котла з топкою киплячого шару з розміщенням частини поверхонь нагрівання в шарі наведено на рисунку 4.4.3 [2].

Рисунок 4.4.3 - Принципова схема котла з топкою киплячого шару з розміщенням випарних і пароперегрівних поверхонь у шарі:

I - барабан котла; 2 - економайзер; 3 - випарні поверхні;

4 - конвективний пакет пароперегрівача; 5 - пароохолоджувач;

6 - вихідний пакет пароперегрівача; 7 - подача палива; 8 - киплячий шар; 9 - сепаратор пилу; 10 - повернення пилу в киплячий шар;

II - повітропідігрівач; 12 - подача повітря в киплячий шар

В схемі передбачено повернення в киплячий шар пилу відхідних газів, у якому зазвичай міститься значна кількість вуглецю, що не згорів.

Принцип газифікації відомий здавна і застосовувався на вугільних підприємствах, де як паливо використовували вугілля. За часів Другої світової війни як паливо використовували деревину.

Відновлення зацікавленості до газифікації біомаси, насамперед соломи та деревинної тирси, відбулося у зв’язку з бажанням утилізувати відходи сільського та лісного господарства та з підвищенням екологічної свідомості під час використання енергії (це стосується викидів СО2 в атмосферу взагалі).

Процес газифікації частіше називають термічною газифікацією, тому що біомаса нагрівається в камері з контрольованим подаванням окиснювача. Як окиснювач можуть використовуватися повітря, кисень, пара або суміш цих речовин. Регулювати подавання окиснювача треба обов’язково, інакше може статися повне згорання біомаси без вироблення газу.

При повітряній газифікації отримується генераторний газ із теплотою згоряння близько 4-6 МДж/м, газифікація з використанням кисню дає газ більш високої якості - з теплотою згоряння 10- 18 МДж/м повітря.

Під час нагрівання біомаси вивільнюються леткі гази, які є основою соломи та деревини. Найбільш енергоємними з них є оксид вуглецю, водень та метан, однак порівняно з природним газом вони дають менше теплоти.

Вміст газу, який одержують внаслідок газифікації деревини при повітряному окиснювачі: азоту - 50-54 %, оксиду вуглецю - 20-22 %, водню - 12-15 %, двооксиду вуглецю - 9-12 %, метану - 2-3 %.

Хімічні процеси, внаслідок яких паливо перетворюється на газ: висушування, піроліз, спалювання (окиснення), відновлення.

Газифікація біомаси може відбуватися за двома основними схемами: протипотоковий і паралельний процеси. При реалізації протипотокоеого процесу рух палива і газів у газифікаторі протилежний, при цьому гарячі гази охолоджуються й одночасно сушать сировину. Перевагою цього процесу є високий ступінь використання теплоти. Цей спосіб призначений для газифікації дуже вологого матеріалу (до 50 % вологи), а також біомаси з низькою температурою плавлення золи (наприклад солома). При реалізації цього процесу всі леткі речовини, які виділяються під час нагрівання

палива, включаючи смоли, виходять із газифікатора без попереднього розкладання. Вихід смол у даному разі може досягати 10-100 г/м.

В паралельному процесі паливо і газ-окиснювач рухаються в одному напрямку, при цьому продукти газифікації проходять через високотемпературну зону, що зумовлює розкладання смол. Вміст смол у газі в цьому процесі становить 50-500 мг/м. У зв’язку з тим, що при паралельному русі окиснювача і матеріалу не відбувається попереднє висушування біомаси, вологість її не повинна перевищувати ЗО %.

На рисунку 4.4.4 подано схему протипотокового (з висхідним рухом газу) газифікатора із зонами реакцій, рівнями температур, основними хімічними реакціями та потоками [3].

У зоні згорання (окиснення) вуглець, який міститься в паливі, спалюється з атмосферним киснем. Під час реакції виділяється теплота, температура зростає доти, доки не встановиться динамічна рівновага між виділенням та втратою теплоти:

С “Ь 02 —* СО2 + Q (393,8 кДж/кмоль).

150°С

f WWW t

.

Зона підсушування Ц

' --------------------------

400°С

600°С

850°С

1200°С Повітря —

Видалення вологи

Смоли та інші рідинні

речовини

відводяться

С + 2Н2 —» СН4

с + н2о->со + н2 С + С02->2С0

Зола

Рисунок 4.4.4 - Схема протипотокового газифікатора

із зонами реакцій

Біомаса

Після зони згорання гарячий газ проходить крізь зону відновлення. Тут немає вільного кисню, і це призводить до реакції двооксиду вуглецю - незаймистого газу - з вуглецем у паливі з утворенням оксиду вуглецю - легкозаймистого газу. Ця ендотермічна реакція (з поглинанням теплоти) не починається, доки температура не перевищить 900° С. Оксид вуглецю - дуже важлива легкозаймиста сполука в газі, яку одержують так:

С + С02 + Q (172,6 кДж/кмоль) —► 2СО.

Друга важлива ендотермічна реакція в зоні відновлення - це сполучення водяної пари та вуглецю з відтворенням оксиду вуглецю та водню, її частіше називають "водо-газовою реакцією" (використовувалася на старих вугільних газифікаційних станціях). Обидва гази легкозаймисті, тому теплова цінність газу зростає:

С + Н20 + Q (131,4 кДж/кмоль) -► СО + Н2.

Коли ця ендотермічна реакція закінчується, температура газу зменшується, й відбуваються інші реакції. Одна з них - реакція між вуглецем та водяною парою, яка приводить до утворення двооксиду вуглецю та водню:

С + 2Н20 + Q (88 кДж/кмоль) —► С02 + 2Н2.

Якщо в зоні відновлення є надмірна кількість водяної пари, то між нею та оксидом вуглецю може відбутися реакція з утворенням двооксиду вуглецю та водню. Ця екзотермічна реакція (з виділенням теплоти) зменшує теплову цінність одержуваного газу:

С + 2Н20 - Q(41 кДж/кмоль) -► С02 + 2Н2.

Коли відбувається газифікація біомаси, вміст вологи в ній настільки великий, що частина її проходить крізь газифікатор та формує відпрацьований газ.

У зоні піролізу відбувається термічне розкладення палива при температурі 400 °С. У зоні утворюється водяна пара, метан, смола та інші речовини. В процесі піролізу паливо перетворюється на вуглець.

У сушильній зоні верхня частина газифікованої вологи відокремлюється від палива у вигляді пари.

Теплова цінність газу значною мірою залежить від надходження кисню з повітря. Азот повітря (приблизно 78 %), проходячи крізь газовий генератор, є основною складовою виробленого газу.

Другою важливою складовою виробленого газу є водяна пара, яка знижує теплову цінність газу. Якщо газифікації піддається вогке паливо, є ризик, що вироблений газ буде незаймистим.

Протипотоковий газифікатор (рисунок 4.4.4) має ряд переваг: по - перше, його конструкція та функціонування дуже прості; по-друге, він здатний газифікувати паливо з відносно високим вмістом вологи, де в зоні відновлення вода бере участь. Недоліком газифікатора є високий вміст смоли в газі, що унеможливлює його безпосереднє використання у двигунах. Отже, необхідно видалити цю смолу або краще піддати її термічному розкладанню на легкозаймисті речовини, щоб утилізувати енергію якнайліпше.

У паралельному (з низхідним рухом газу) газифікаторі (рисунок 4.4.5) вихідний отвір для газу міститься на дні, а зона відновлення - під зоною згорання. В результаті цих конструктивних змін смола та інші речовини, які утворюються в зоні піролізу, мають пройти крізь гарячу зону згорання до того, як залишать газифікатор. На цій стадії смола бере участь у горінні та розкладається до легких вуглеводнів, і у відпрацьованому газі теоретично немає смоли.

висушування

Г орловина

Зона згорання

Зола

Рисунок 4.4.5 - Паралельний газифікатор

Повітря —►

-іЧії! І11М5ЯН~ Повітря

Зона відновлення Газ

J-

Якщо використовувати таку технологію газифікації, то газ може бути використаний для роботи двигунів одразу після того, як з нього будуть видалені частинки сажі й золи.

Існує також газифікація в щільному шарі сировини з поперечним рухом газу, принцип дії яких подібний до роботи паралельного газифікатора. Повітря або суміш повітря з парою підводяться в реактор через бокову стінку в нижній частині реактора, а генераторний газ виводиться з протилежної сторони реактора. В такому реакторі смоли переміщуються через зону відновлення і частково розкладаються на більш легкі сполуки. Такі реактори використовуються рідко.

Газифікація в киплячому шарі має багато особливостей, що відсутні в попередніх газифікаторах, а саме високі швидкості тепло - і масоперенесення та добре перемішування твердої фази. Частинки біомаси повинні мати значно менші розміри, ніж у попередніх газифікаторах, тобто повинні бути додатково подрібнені. Як матеріал для створення киплячого шару зазвичай використовується силікатний пісок, може використовуватися глинозем (оксид алюмінію) або оксиди інших тугоплавких металів (для запобігання спіканню шару). Для зменшення вмісту смол у киплячий шар додаються каталізатори. Робоча температура при газифікації біомаси становить 800-850 °С.

Особливістю процесу є те, що внаслідок активного перемішування твердих частинок у реакторі відсутні чітко визначені зони, розподіл температур по об’єму однорідний. Приблизно 60-65 % біомаси перетворюється в газ в границях самого киплячого шару, частина палива газифікується над киплячим шаром. Вміст смоли в газі становить 5-10 г/м3. Недоліком процесу є відносно великі розміри газогенератора у зв’язку з наявністю надшарового простору для зниження виносу твердої фази.

Газифікація в циркулюючому киплячому шарі забезпечує високу швидкість флюідизації, в результаті чого газ, що виходить, не може захоплювати значну кількість твердих частинок, які повертаються знову в шар для поліпшення ефективності конверсії вуглеводів. У результаті отримується гарячий неочищений газ, який у більшості випадків використовується для спалювання в котлах великої потужності (до 40 МВт).

Газифікація в потоці - це газифікація біомаси, яка є мілко подрібненою, безпосередньо в потоці дуття у вигляді кисню або повітря без додаткового інертного матеріалу. Робоча температура газифікатора 1200-1500 °С, генераторний газ має низьку концентрацію смол і може використовуватися для отримання електричної енергії.

Газифікація у двох реакторах киплячого шару використовується для отримання газу з більш високою теплотворною здатністю, ніж в одиночному газифікаторі. Перший реактор фактично є піролізером, у якому нагрівання відбувається гарячим піском киплячого шару другого реактора. Пісок нагрівається при спалюванні вуглистої речовини в повітрі перед рециркуляцією в перший реактор. Якість виробленого газу добра з точки зору теплотворної здатності, але газ вміщує значну кількість смол.

Характеристику генераторного газу для різного роду газифікаторів наведено в таблиці 4.4.4 [4].

Таблиця 4.4.4 - Характеристика генераторного газу різного роду ___ газифікаторів______________________________________

Реактор

?

0 кисню в ач

Продук тивніст

ь,

т/год.

Потуж

ність,

МВте*

Фракці

йний

склад

сирови

**

ни

Найвища

теплота

згорання

5

МДж/м3

Якіс

ть

газу*

**

Темпера тура газу на виході із

реактор а, °С

НРГ,

повітря

0,1-0,7

0,2-1,4

1

4-6

4

700-

1000

НРГ,

кисень

1-5

2-10

1

9-11

4

700-

1100

ВРГ,

повітря

0,5-10

1-20

2

4-6

3

100-400

ВРГ,

кисень

1-10

2-10

2

8-14

3

100-700

КШ,

повітря

0,5-1,5

1-30

4

4-6

3

500-900

КШ,

кисень

2-10

4-20

4

8-14

3

700-

1100

КШ,

пара

1-10

2-20

4

12-18

3

700-900

цкш,

повітря

2-20

4-40

3

5-6,5

2

700-

1100

ЦКШ,

кисень

2-20

4-40

3

10-13

3

800-

1200

Два

1-10

2-20

4

13-20

3

750-

реактор

иКШ

1000

Перехр

есний

струм,

повітря

0,1-0,5

0,2-1

2

4-6

1

600-900

Г оризо нтальн ий

рушійн ий шар, повітря

0,5-5

1-10

5

4-6

2

300-800

Оберта

льна

піч,

повітря

1-10

2-20

5

4-6

2

600-

1000

Багаток

амерна

піч

1-20

2-40

3

4-6

2

400-700

Вторин

на

обробк

а

5

1000-

1200

Примітка - НРГ, ВРГ - низхідний і висхідний рух газу; КІП - киплячий шар; ЦКШ - циркулюючий киплячий шар. * Переробка сировини за загальним ККД 36%; ** 1,5 найбільш і найменш жорсткі вимоги; *** 1,5 - найбільший і найменший вміст смол та частинок у неочищеному газі.

Один із видів газифікаційних установок для вироблення теплоти подано на рисунку 4. 4.6 [4].

Рисунок 4.4.6 - Газифікаційна установка Tampella циркулюючого

киплячого шару під тиском:

1 - обладнання для подрібнення і просушування сировини;

2, 3, 4 - бункери з коксом, біомасою і вугіллям; 5 - живильник;

6 - бункер із сорбуючою речовиною; 7 - газифікатор з циркулюючим киплячим шаром; 8, 9 - циклони; 10 - обладнання для очищення газу від сірки;

11 - охолоджувач газу; 12 - фільтр для гарячого очищення газу; 13 - вентиль

регулювання тиску; 14 - котел;

15 - електростатичний фільтр; 16 - димова труба

В газифікаційній установці Tampella (Фінляндія) сировиною для газифікації служить кокс, біомаса у вигляді суміші твердої і м’якої деревини та вугілля. Сировина підлягає попередньому подрібненню і просушуванню. Газифікація відбувається при температурі 850 °С і тиску 2,0 МПа. Генераторний газ після газифікатора очищується у двох циклонах - пристрої для видалення сірки та у фільтрі гарячої очистки. Після очищення частина газу повертається в газифікатор для створення дуття, а основна маса газу йде в котел для вироблення теплоти. Потужність установки - 10-15 МВт.

Сучасні паротурбінні електростанції, які використовують біомасу у вигляді деревини, рослинних відходів, паливних брикетів, мають ККД 20-25 %; потужність цих установок у країнах світу коливається від 100 кВт для малих господарств до 100 МВт для промислових цілей. Більш ефективним є комплексне вироблення електричної та

теплової енергії на основі газифікації біомаси, схему такого процесу подано на рисунку 4.4.7.

очистка димових газів ________

-0

пара

вапно

осад

газоочистки

пара споживачам

димова

труба

зола

Рисунок 4.4.7 — Схема комплексного вироблення теплової та електричної енергії при газифікації біомаси

Технологічний процес термічної обробки біомаси складається з двох стадій. На першій стадії біомаса газифікується в режимі горіння з повітрям і парою. Горючий продукт газифікації (газ), якій вміщує Н2, СО та іноді вуглеводні або інші органічні сполуки, спалюється на другій стадії у звичайних енергетичних установках (наприклад, у парових або водогрійних котлах) з виробленням теплової та електричної енергії.

Також ефективним є використання газотурбінних електростанцій з установками газифікації біомаси, які мають ККД 40-45 %. Малий вміст сірки полегшує очищення генераторного газу і робить ці установки більш економічними, ніж електростанції, що працюють на вугіллі.

Г азифікатор повинен розташовуватися в безпосередній близькості від генераторів, щоб генераторний газ надходив на горіння, не встигаючи охолодиться. В противному разі виникають проблеми, пов’язані з конденсацією смол, що мають місце в газі, та із забрудненням системи трубопроводів. Установка системи очищення генераторного газу від смол значно підвищує капітальні витрати і знижує термічний ККД процесу.

Піроліз являє собою процес термічного розкладання біомаси без окиснювача на газоподібні і рідкі продукти та коксовий залишок. Процес проходить при відносно низьких температурах у порівнянні з прямим спалюванням і газифікацією (нижня температурна границя переходу процесу в автоматичний режим становить 280-300 °С). Реакція піролізу біомаси є екзотермічною, тому підведення теплоти до біомаси потрібне тільки на початковій стадії її нагрівання до 280- 300 °С.

Основними параметрами, які визначають кількість і склад продуктів піролізу, є: склад, розміри і вологість вихідної біомаси, швидкість її нагрівання, температура закінчення піролізу, тиск у реакторі. Значний вплив на результати процесу чинить середовище, в якому відбувається піроліз, і наявність каталізаторів.

Процес піролізу складається з декількох стадій. На першій стадії, яка має місце при температурі до 100 °С, відбувається видалення вологи з біомаси. На другій стадії, яка активно починається при температурі 280-300 °С, відбувається процес термічного розкладання біомаси. В результаті розкладання утворюється парогазова суміш, у яку входять пароподібні органічні речовини (смолисті речовини, ефіри, альдегіди тощо), частина яких на третій стадії піддається подальшому термічному розпаду. В результаті утворюються неконденсовані гази СО, С02, Н2, СН4, С2Н4, вміст яких залежить від виду біомаси і режиму термічної обробки. Вихід неконденсованого піролізного газу може досягати 70 % сухої біомаси, а теплота згоряння - 12,5-13,3 МДж/м3.

До складу рідких продуктів піролізу входить значна частина різних речовин: кислоти (мурав’їна, оцтова тощо), спирти

(метиловий, етиловий), ацетон, формальдегід, вода та ін. їхній склад залежить від виду і якості біомаси та умов процесу. Теплота згоряння рідких продуктів досягає 20-25 МДж/кг.

Коксовий залишок піролізу має порядку 95-97 % вуглецю, що становить 50-60 % складу вуглецю у вихідній біомасі. Вихід коксового залишку може досягати 25-30 % сухої біомаси, теплотворна здатність залишку становить до 35 МДж/кг.

Залежно від тривалості процес піролізу розділяють на швидкий, сповільнений і карбонізацію.

Швидкий процес піролізу відбувається при високих швидкостях нагрівання (100-1000 °С/с), термін процесу не перевищує декількох секунд. При нагріванні біомаси до 650 °С з послідуючим швидким охолодженням відбувається конденсація проміжних рідких продуктів, частка яких становить до 70 % сухої біомаси (частка коксового залишку - до 10 %, піролізного газу - до 20 %).

Технології швидкого піролізу можна класифікувати так:

- піроліз у киплячому шарі;

- піроліз у циркулюючому киплячому шарі;

- піроліз у потоці;

- піроліз у двох реакторах киплячого шару;

- абляційний піроліз.

Суть перших технологій описано вище при розгляді спалювання і газифікації біомаси. Абляційний піроліз - це піроліз в обертальних печах із використанням відцентрового ефекту.

Сповільнений піроліз відбувається при температурі 500-700 °С при терміні процесу протягом 5-30 хв. У результаті продукти піролізу відносно сухої біомаси становить: газу - до 40 %, рідини - до ЗО %, коксового залишку - 20 - ЗО %.

Карбонізація проводиться при температурах 400-600 °С і протягом від декількох годин до декількох діб. Карбонізація застосовується для отримання деревинного вугілля, максимальний вихід коксового залишку становить 30-35 % сухої біомаси; вихід газу при цьому - близько 40 %, рідких продуктів - до 20 %.

Основними перевагами технології піролізу в порівнянні з прямим спалюванням і газифікацією біомаси є такі:

- процес піролізу потребує більш низьких температур, що дозволяє використовувати низькотемпературні енергоносії, наприклад теплоту газів, що відходять від енергетичних агрегатів;

- процес піролізу супроводжується екзотермічними реакціями, у зв’язку з цим для його реалізації достатньо нагріти біомасу до 280- 300 °С;

- теплота згорання піролізного газу вдвічі перевищує аналогічний показник для повітряного генераторного газу;

- отримання додаткового економічного ефекту від реалізації коксового залишку, що дозволяє розширити енергетичне використання біомаси.

Біогаз - це суміш метану та вуглекислого газу, що утворюється в спеціальних реакторах - метантенках, обладнаних та регульованих таким чином, щоб забезпечити максимальне виділення метану. Енергія, яку отримують при спалюванні біогазу, може досягати від 60 до 90 % енергії вихідного матеріалу. Однак біогаз отримують з рідкої маси, яка містить 95 % води, тож на практиці вихід достатньо важко визначити. Важливою перевагою процесу перероблення біомаси в метантенках є те, що у відходах біомаси міститься значно менше хвороботворних мікроорганізмів, ніж у вихідному матеріалі.

Отримання біогазу економічно виправдане та має пере - вагу, коли переробляється постійний потік відходів (гною тваринницьких ферм, тваринних боєнь, рослинних відходів тощо). Економічність полягає в тому, що немає потреби попередньо збирати відходи, організовувати їхнє подання та управляти ним, при цьому відомо, скільки буде одержано відходів і коли.

Одержання біогазу можливе в установках різних мас - штабів, особливо ефективним воно є в агропромислових комплексах, де наявні можливості повного екологічного циклу.

Біогаз використовують для освітлення, опалення, приготування їжі, приведення в дію механізмів транспорту, електрогенераторів.

Біогаз утворюється в процесі анаеробного збродження органічних речовин (при відсутності кисню). Послідовність процесу наведено на рисунку 4.4.5, а сам процес складається з трьох етапів.

На першому етапі складні органічні полімери (клітини, білки, жири тощо) під дією різноманітних видів анаеробних бактерій розкладаються на низькомолекулярні органічні сполуки.

На другому етапі за участю кислотоутворюючих бактерій відбувається подальший їх розклад з утворенням органічних кислот і їх солей, а також спиртів, С02 і Н2, а потім H2S і NH3.

На третьому етапі під дією метаноутворюючих бактерій відбувається перетворення органічних речовин у вуглекислий газ і метан, крім того, з С02 і Н2 утворюється додаткова кількість метану та води.

Первинні анаероби представлені різноманітними фізіологічними групами бактерій: клітиноруйнівними, вуглецез броджу вальними (типу маслянокислих бактерій), амоніфіційними (що розкладають білки, пептиди, амінокислоти), бактеріями, що розкладають жири та

ін. Завдяки цьому складу первинні анаероби можуть використовувати різноманітні органічні сполуки рослинного та тваринного походження, що є однією з найважливіших особливостей метанового угруповання. Тісний зв'язок між цими групами бактерій забезпечує достатню стабільність процесу.

Рисунок 4.4.8 - Процес утворення біогазу

Метанове збродження відбувається при середніх (мезофільна) та високих (термофільна) температурах. Найбільша продуктивність досягається при термофільній метановій ферментації. Особливість метанового консорціуму дозволяє зробити процес збродження безперервним.

Для нормального перебігу процесу анаеробного збродження в реакторі мають бути оптимальні умови: температура, анаеробні умови, достатня концентрація харчових речовин, припустимий діапазон значень pH, відсутність чи низька концентрація токсичних речовин.

Температура значною мірою впливає на анаеробне збродження органічних матеріалів. Найсприятливішими є температури 30-40 °С (розвиток мезофільної бактеріальної флори), а також 50-60 °С (розвиток термофільної бактеріальної флори). Вибір мезофільного чи термофільного режиму роботи визначається аналізом кліматичних та економічних умов. Якщо для забезпечення термофільних температур необхідні значні витрати енергії, то більш ефективню буде експлуатація реакторів при мезофільних температурах.

Крім температурних умов, на процес метанового збродження та на кількість одержуваного газу впливає час оброблення відходів.

Під час експлуатації реакторів необхідно проводити контроль за показником pH, оптимальне значення якого - в межах 6,7-7,6, регулювання величин цього показника здійснюється шляхом додавання вапна.

Якщо реактор працює нормально, отриманий біогаз містить 60- 70 % метану, 30-40 % двооксиду вуглецю, невелику кількість сірководню, а також суміші водню, аміаку та оксиду азоту.

Найбільш ефективними є реактори, що працюють у термофільному режимі при 43-52 °С. Якщо оброблення гною триває З доби, вихід біогазу на таких установках становить 4,5 л на кожний літр корисного об’єму реактора.

У вихідну масу для інтенсифікації процесу анаеробного збродження гною та виділення біогазу додаються органічні каталізатори, які змінюють співвідношення вуглецю та азоту в зброджувальній масі (оптимальне співвідношення С/N знаходиться в межах 16-19). Як каталізатори використовують глюкозу та целюлозу.

Отриманий у процесі збродження біогаз має теплоту згорання 5340-6230 ккал/кг (6,21-7,24 кВт-год/кг).

У камерах збродження необхідно забезпечувати ефективне перемішування для попередження утворення у верхній частині спливної речовини. Це значно прискорює процес збродження та вихід біогазу. Без перемішування для отримання такої ж продуктивності об’єм реактора має бути значно збільшеним, що спричиняє зайві витрати та подорожчання установки.

Перемішування здійснюється: механічними мішалками різних форм або вантажними насосами з приводом від електродвигуна; гідравлічними насадками за рахунок енергії струму, перепомповуванням гною, який ферментує, чи рециркуляцією; надлишковим тиском біогазу, який пропускається крізь барботер чи трубку, розташовану в нижній частині редуктора.

Залишок, утворений у процесі одержання біогазу, містить значну кількість поживних речовин і може бути використаний як добриво. Склад залишку, одержаного внаслідок анаеробної переробки відходів тваринництва, залежить від хімічного складу завантаженої в реактор вихідної сировини. За сприятливих для збродження умов розкладається близько 70 % органічних речовин, а ЗО % утримується в залишку. Основна перевага анаеробного збродження полягає в збереженні в органічній чи амонійній формі практично всього азоту, який міститься у вихідній сировині.

Метод анаеробного збродження є найбільш прийнятним для перероблення тваринних відходів з точки зору гігієни та охорони довкілля, оскільки забезпечує найбільше знезараження залишку та усунення патогенних мікроорганізмів.

Вихід біогазу (метану) в процесі метанового збродження сільськогосподарських відходів наведено в таблиці 4.4.5 [1].

Таблиця 4.4.5 - Вихід біогазу з сільськогосподарських

відходів

Органічні відходи

Вихід СН4, м3/кг сухої органічної речовини

Вміст СН4, %

Свинячий гній

0,58

77,5

Молочні відходи

0,625

82,0

Гній биків

0,29

56,2

Гній биків 50 % + меляса 50 %

0,30

48,0

Гній биків із соломою

0,22

52,0

Силосні відходи

0,25

84,0

Послід курячий

0,37

54,0

Послід індичачий

0,64

62,0

Гній дійних корів

0,208

55,0

Для збільшення продуктивності змішують різні види відходів. Річна потреба в біогазі для обігрівання будинку становить

З 2

близько 45 м на 1 м житлової площі. Для отримання 1 кВт-год

електроенергії необхідно використати 0,15-0,2 м біогазу, для

З З

висушування 1т сіна вологістю 40% - 100м, 1т зерна - 15 м біогазу.

Нормативні показники біогазового потенціалу гною різних

тварин за добу:

- 1 корова (500 кг) - 1 кВт-год;

- 1 свиноматка (150 кг) - 2 кВт-год;

-10 підсвинок (60 кг кожний) - 9 кВт-год;

- 200 голів домашньої птиці -10 кВт-год.

Індивідуальну біоенергетичну установку зображено на рисунку 4.4.6. Це бетонна ємність 1, в яку завантажують органічні відходи 2 через трубу 8. Для змішування використовують ручну мішалку 4, вмонтовану в кришку 3 та герметизовану сальником 5. Для запобігання підвищенню тиску є запобіжний клапан 7. Вихід газу здійснюється крізь трубку 6, вивантаження залишку - через трубу 9.

9

Рисунок 4.4.9 - Індивідуальна біоенергетична установка

Технічна характеристика індивідуальної установки: об’єм

корисного завантаження - 5 м3, тривалість бродіння: гною великої рогатої худоби - 20 діб, свинячого гною - 15 діб; вихід біогазу - 250- 350 м ; вихід сухого добрива - 450-500 кг.

Найбільш ефективно виробляти біогаз із гною, з 1 т його можна отримати 10-12 м метану. А, наприклад, переробка 1 млн т такого відходу сільського господарства, як солома злакових культур, може

З ^ ^

дати близько 0,2 млрд м метану. В бавовносійних районах щорічно залишається 8-9 млн т стебел бавовнику, з яких можна отримати до 2 млрд. м3 метану. З цією ж метою можлива утилізація ботви культурних рослин, трав тощо.

За вітчизняними технологіями на спеціалізованих біогазових установках можна отримувати біогаз із вмістом метану до 85 %.

Інтерес становить вирощування та використання водяної рослинної біомаси в метантенках для отримання біогазу.

Однією з найбільш продуктивних водоростей є бура водорість макроцистис, яка розповсюджується у прибережній зоні морів і врожайність якої становить 450-1200 т сирої маси з 1 га. Морська водорість дуналіела здатна синтезувати в значних кількостях цінні в енергетичному відношенні вуглеводи. З кожної тонни широко відомої хлорели можна отримати до 22 млн кДж енергії. Широко розповсюджений зі швидким ростом бур’ян - водяний гіацинт, який може успішно вирощуватися у водоймищах. Також інтерес становить червона водорість, яка має надзвичайно високу швидкість

продуктивності, що перевищує продуктивність наземних рослин.

^ 2 Навіть при врожайності рослин 20 г/1 м водяної поверхні за добу

за літній вегетаційний період з 1 га можна збирати до 24 т біомаси. її

перероблення в метантенках дасть змогу отримати 12 тис. м3 біогазу.

Для морської біомаси найбільш перспективним є анаеробне

зброджування з отриманням метану, а для водоростей, які вміщують

крохмаль або цукор, - зброджування і дистиляція з отриманням

етилового спирту.

На рисунку 4.4.10 наведено схему гібридної енергосистеми

“Біосоляр”-ТЕЦ, яка є замкненою з усіх біогенних елементів, окрім

вуглецю, що спалюється [5].

Рисунок 4.4.10 - Схема гібридної енергосистеми “Біо соляр ”-ТЕЦ

343

Система “Біосоляр” являє собою комплекс із культивації мікроводоростей, із яких виділяються харчові і кормові добавки, а решта є одним з елементів наповнення метантенків. Для культивації мікроводоростей необхідний С02, який подається до них після очищення в результаті спалювання біогазу. Для отримання біогазу використовуються також відходи тваринництва і рослинництва. В схемі передбачено додаткове джерело енергії у вигляді природного газу, який використовується у разі необхідності в зимовий період при відсутності рослинної біомаси. Подібна система експлуатується на одній із московських ТЕЦ.

У більшості країн виробництво біогазу поставлено на промислову основу. В Україні сьогодні в основному отримують біогаз на установках очисних споруд каналізаційних стоків у м. Київ та Харків. Крім того, є ряд дослідних установок різних конструктивних рішень і продуктивності.

Одержувати біогаз можна як у великих тваринницьких та птахівницьких господарствах, так і на невеликих фермах і навіть у сільських садибах. У США, наприклад, є понад 10 великих біогазових заводів. У Західній Європі експлуатується близько 1000 біогазових установок здебільшого середнього розміру. Кілька мільйонів установок присадибного типу є в Індії. У Китаї тільки великих і середніх біогазових установок понад 10 млн, кількість виробленого там біогазу дорівнює використанню природного газу в Україні.

Додати коментар

Реквізити Майстерні своєї справи

Адреса і телефони:

Україна, Кіровоградська обл., м. Олександрія, вул. Куколівське шосе 5/1А,
тел./факс +38 (05235) 7 41 13,
+380 (68) 408 39 56 — будівельне обладнання, шлакоблочні вібропреси
+380 (50) 984 5 684 — будівельне обладнання, шлакоблочні вібропреси
+380 (67) 561 22 71 — решта обладнання
ICQ: 491675177
e-mail: msd@inbox.ru

WordPress Video Lightbox