Энергетическое использование биомассы на основе термохимической газификации

Таким образом, одним из вариантов использования энергетического потенциала биомассы в котельных установках является ее предварительная газификация в специальных реакторах с последующим сжиганием горючего генераторного газа в топочной камере котла. Такой способ использования биомассы для современных крупных пылеугольных котлов, находящихся в эксплуатации, имеет как преимущества, так и недостатки.

К преимуществам можно отнести:

џ большая универсальность по биомассе;

џ возможность использования биомасс с фракционным составом 13…70 мм, что исключает необходимость получения тонкомолотого материала (до 1,0 мм) для возможности подачи его и факельного сжигания в топке; это позволяет ограничиться при необходимости дробильным оборудованием и исключить мельничную систему;

џ возможность использования материала с влажностью 40…50 % (исключается необходимость подсушки его для размола - до 20 % и сжигания - до 8 %);

џ исключается отрицательное влияние шлакующих особенностей биомассы, ее воздействие на поверхности нагрева котла. Это позволяет увеличить долю использования биомассы для совместного сжигания более 10…15 % (до 20 % и выше);

џ возможность регулирования нагрузки подключением разных количеств из установленных газогенераторов (целесообразно в схеме не ограничиваться установкой только одного газогенератора; их может быть и три, и четыре в зависимости от компоновочных возможностей);

џ независимость работы основного котла от сезонности поступления биомассы;

џ снижение выброса вредных веществ в атмосферу.

Одним из дополнительных преимуществ можно считать для такой схемы сжигания возможность использования газогенераторной установки для генерации в ней газа из твердых бытовых отходов (измельченные покрышки и др.), что само по себе является серьезной экологической проблемой.

К недостаткам такой схемы можно отнести следующее:

џ не всегда имеется возможность разместить недалеко от котла реакторы предварительной газификации для эксплуатируемого оборудования; размещение генераторов газа на большом расстоянии (что тоже не всегда возможно на действующей ТЭС) дополнительно усложняет условия эксплуатации за счет длинных газоходов с высокотемпературным газом. Особенно это сложно для крупных пылеугольных агрегатов;

џ система усложняется необходимостью установки кроме самого реактора целого комплекса вспомогательных технологических узлов (система погрузки, разгрузки, транспорта сырья и его подачи и др., о которых говорилось выше);

џ усложняется эксплуатация оборудования в целом, за счет необходимости освоения совершенно новой специфической технологии генерации газа с обеспечением надежности ее узлов (газоплотность, равномерность подвода окислителя и др.);

џ необходимость исключения возможности отложения смолистых веществ в газопроводах к котлу;

џ необходимость модернизации котла с учетом его работы с определенной долей поступления низкокалорийного (или среднекалорийного в зависимости от принятой технологии газификации) газа;

џ необходимость (в ряде случаев) предварительного окомкования массы до нужных фракций;

џ не исключается необходимость разработки и создания нового специализированного для системы генерации газа отдельного оборудования.

В приложении 1 приводится расчет газификации древесных отходов 26. Здесь же предложена и приведена схема комплекса по подготовке биомассы к использованию совместно с углем . Расчет выполнен для 15 % по тепловой мощности использования биомассы к котлу 200…220 т/ч. Согласно выполненному расчету для этих условий, к котлу необходима установка газогенераторов с суммарным активным сечением 20…25 м2 с необходимым комплектом вспомогательных устройств (транспортеры, бункеры, шлюзующие питатели, системы газовоздухопроводов и др.). Для этого необходимы два газогенератора диаметром d = 3,4 и 4,1 метра с высотой 5…7 м - это для каждого котла производительностью 220 т/ч. А для котла большей производительности (к блокам 150, 200, 300, 500, 800 соответственно D = 500; 640; 950; 1650 и 2450 т/ч), эти установки возрастают пропорционально, с соответствующим увеличением габаритов. Это подтверждает, что для эксплуатируемых установок в непосредственной близости к котлу при существующей, достаточно плотной компоновке оборудования и коммуникации размещение таких установок будет весьма затруднительным и даже иногда практически неосуществимым. В этом случае возникает необходимость в специальном помещении для размещения газогенераторов с транспортом от них получаемого газа по соответствующим газопроводам (такая компоновка для действующей ТЭС не всегда бывает возможной).

Наиболее приемлема такая схема для вновь проектируемого оборудования, это должно увязываться с конкретными условиями, видом, объемом, постоянством поступления биомассы для совместного сжигания.

Как видно, для действующего оборудования такая схема наиболее приемлема для энергетических установок промышленной энергетики относительно небольшой производительности.

В этом отношении представляет интерес комплекс блок-схем, разработанный рабочей группой при Правлении КМО (Конгресс муниципальных образований) Российской Федерации 23, для ЖКХ и других систем. Это энергетические установки малой и средней мощности (до 4,5 МВт), работающие с газификаторами отходов, содержащих органические вещества. В качестве топлива используются отходы лесозаготовки (деревопереработки), заводов по переработке сельскохозяйственной продукции (отходов сельского хозяйства), а также отходов целлюлозно-бумажных производств, различных видов осадков очистных сооружений, твердых бытовых отходов и других отходов производств, содержащих органику. Может использоваться торф, сланцы, низкосортные угли, их отходы.

При этом блок-схемы указанных энергетических установок имеют следующие варианты и включают в себя [23, 24]:

1) узел подготовки топливагазогенератордизель-генератор;

2) узел подготовки топливагазогенератордожиматель газагазовая турбинаэлектрогенераторутилизатор тепла;

3) узел подготовки топливагазогенераторпаровой котел турбинаэлектрогенераторутилизатор тепла;

4) узел подготовки топливагазогенераторпаровой котел паровинтовая машинаэлектрогенераторутилизатор тепла.

Все оборудование изготавливается на Российских предприятиях. Паровинтовые машины находятся на стадии промышленной доработки на двух предприятиях в РФ. Они дешевле паровых турбин, имеют значительно более высокий КПД, однако выявились проблемы с уплотнением установки.

Узел подготовки топлива зависит от вида выбранного топлива. Он проектируется индивидуально под местное топливо; утилизаторы тепла также прорабатываются под каждый проект.

Типовая комплектация энергетической установки включает в себя:

џ комплекс подготовки (сортировки) топлива;

џ реактор-газификатор с устройством загрузки и выгрузки;

џ энергетический блок, работающий на генераторном газе (котел, турбина, генератор);

џ система утилизации золошлаковых отходов;

џ система газоочистки до уровня нормативных требований.

Общая характеристика газогенераторов:

· объем получаемого газа 10…25 млн м3/год;

· номинальная тепловая мощность от 250 кВт до 7 МВт;

· диапазон регулирования мощности 30…140 %;

· полезная электрическая энергия с одного газогенератора 1…4,5 МВТ;

· полезная тепловая энергия за счет охлаждения газа, полученная с одного газогенератора и утилизации пара в котле, 0,5…3,0 МВт;

· номинальный расход абсолютно сухого топлива 0,8…1,2 т/ч;

· термический КПД 85…93 %;

· время непрерывной работы до 7000 ч /год;

· потребление тепловой, электрической энергии и природного газа из внешних источников - только в пусковой период;

· вес газогенератора 15…40 т без фурнитуры и 50…150 т с фурнитурой;

· газогенераторы могут быть объединены в батарею в любом количестве.

Оборудование для реализации проектов от 250 кВт до 4,5 МВт электрической мощности включает в себя:

· газификаторы для различных видов отходов органики;

· котельные установки;

· компрессоры;

· газовые турбины;

· дизель-генераторы, работающие на газе;

· электрогенераторы;

· тепловые насосы.

Установки рассчитаны на утилизацию отходов, золы, шлака, получаемых в процессе генерации газа, в зависимости от вида используемого топлива и характера самих отходов (вплоть до получения огнеупорного кирпича, тротуарной плитки и др.). При генерации газа с использованием биомассы целесообразно использование ее золы в качестве кондиционера земель сельскохозяйственного назначения: раскислителя почв при существенном содержании в золе оксидов кальция и магния, фосфорного или/и калийного удобрения; высокопористый кокс наряду с золой, входящей в состав используемого очагового остатка, послужит для почвы чрезвычайно эффективным структурообразователем 33.

Экологические характеристики этих установок наиболее благоприятны за счет низкого выноса пыли из реактора, нейтрализации в реакторе кислых компонентов получаемого газа, снижении концентрации СО, NОх и остаточных углеводородов, снижения механического недожога и твердых выбросов, повышения коммерческой привлекательности золошлаковых отходов за счет отсутствия в них органических веществ.

ОАО «Кировский завод» (Калужская область) осваивает выпуск малометражных газогенераторных котлов, использующих принцип разложения древесной массы на газы и последующее их сжигание в каталитической установке. Автоматическое регулирование мощности осуществляется изменением подачи воздуха; в качестве топлива используются дрова, древесные отходы, торф и другие местные топлива.

Наряду с освоением собственного производства заводом заключен контракт на поставку узлов и деталей этого котла Чешской фирмой.

Размещено на Allbest.ru