Твердое композитное топливо из низкосортного сырья

Размещено на http://www.allbest.ru/

Твердое композитное топливо из низкосортного сырья

Р.Б. Табакаев, инженер; д.т.н. А.С. Заворин

Введение

Наиболее распространенным видом топлива для производства электроэнергии и тепла в топливно-энергетическом балансе (ТЭБ) Российской Федерации является природный газ (в 2008 г. его доля составила более 53 % [1]). Однако природный газ является не только ценным продуктом для химической промышленности, но и стратегически важным ресурсом на мировом рынке и в межгосударственных отношениях. В связи с этим Правительство РФ стремится сократить количество газа, направляемого на использование в энергетических целях на внутреннем рынке. Стоит отметить, что в ТЭБ большинства экономически развитых стран его доля не превышает 20-25% [2]. Согласно государственной программе «Энергетическая стратегия России до 2030 года» [1] снижение доли природного газа в энергетике должно осуществляться за счет увеличения доли твердого топлива. Запасы действительно качественного твердого топлива - каменного угля, при всей обширности территории России, расположены только в нескольких регионах (Хакасии, Кузбассе, республиках Тыва, Саха (Якутия)). Стоимость угля при доставке в другие регионы существенно увеличивается: по оценке экспертов [3-5] транспортные расходы, связанные с доставкой топлива от месторождения до потребителя, достигают 70-80 % от его стоимости. К тому же в ряде случаев топливо поставляется коммерческими структурами из вторичного рынка после многократных перепродаж.

Все вышеописанное в совокупности с ежегодным ростом тарифов транспортных компаний приводит к увеличению стоимости топлива для потребителей более чем в 1,5-2 раза [2]. Поселения, удаленные от своих административных центров, находятся в еще более сложной ситуации из-за слабой развитости транспортной связи. Логистика доставки топлива в данном случае существенно осложнена удаленностью пунктов назначения от основных транспортных магистралей, большими расстояниями перевозок, их многозвенностью и сезонностью завоза (в некоторые районы доставка возможна только воздушным или речным способами). Согласно [6, 7] в России насчитывается свыше 30000 населенных пунктов подобного рода, в которых проживает более 10% населения страны. Затраты на топливо в таких поселениях являются главной составляющей расходов теплоснабжения, а экономически обоснованные тарифы на электроэнергию в некоторых районах превышают 70 руб./кВтч [8, 9].

Однако практически в каждом регионе присутствуют собственные запасы низкосортного сырья: торфа, древесины или отходов деревоперерабатывающей промышленности, сапропеля, бурого угля и т. п. Данное сырье, как правило, содержит большое количество влаги и характеризуется высокой зольностью, в результате чего имеет теплоту сгорания ниже 10-12 МДж/кг [10, 11].

Низкие теплотехнические и прочностные характеристики низкосортного сырья приводят к ряду сложностей при осуществлении его прямого сжигания традиционными способами: требуется тщательная сушка, велика величина провала через колосниковую решетку, снижается надежность работы котлоагрегата из-за высокого абразивного износа поверхностей нагрева, увеличиваются сроки и затраты на ремонт и прочее. В результате этого энергетическое использование такого сырья сопровождается высокими эксплуатационными затратами и в связи с этим встречается крайне редко.

К современным способам энергетического использования, позволяющим эффективно перерабатывать низкосортное сырье, можно отнести сжигание в кипящем слое [12], применение низкотемпературных вихревых топок [13], газификацию [14, 15] или каталитическое сжигание [16, 17]. Однако перечисленные способы требуют значительных капиталовложений для замены или модернизации имеющегося на данный момент котельного оборудования, что приводит к долгим срокам окупаемости.

Соответственно переработка низкосортного сырья для эффективного энергетического использования в существующем котельном оборудовании является актуальной научно-технической задачей.

Основные принципы теплотехнологии получения твердого композитного топлива из низкосортного сырья

Потребность удаленных населенных пунктов в энергетическом топливе в основном реализуется котельными жилищно-коммунального хозяйства и малых предприятий, в распоряжении которых находятся топливосжигающие устройства слоевого типа. Сжигание несортированного низкосортного сырья в таких топочных устройствах неэффективно из-за больших потерь тепла вследствие провала мелких частиц топлива сквозь колосниковую решетку. В связи с этим прибегают к предварительному формованию сырья, наиболее распространенным видом которого является брикетирование. Брикеты не требуют модернизации топливосжигающего оборудования и подходят для всех типов слоевых топок.

Теплотехнология - это совокупность методов преобразования органического сырья в заданный товарный продукт на основе изменения теплового состояния материала сырья [18]. Целью теплотехнологической переработки является получение облагороженного продукта, обладающего высокой теплотой сгорания (8840-25980 кДж/кг [19]) - углеродистого остатка (полукокса или кокса). Известны работы [20-24] по производству топлива из углеродистого остатка, основанные на использовании связующих веществ и последующем прессовании. Однако прессовое оборудование является довольно дорогостоящим, а процесс прессования требует повышенных энергозатрат на его осуществление. Учитывая высокую стоимость электроэнергиии оборудования, рыночная цена существующего композитного топлива (топливных брикетов Ruf, Pini&Kay, Nestro) составляет 4000-12000 руб. за тонну, что в несколько раз превышает стоимость привозного топлива и приводит к ярко выраженной экспортной направленности производства [25, 26]. Подбор специального типа связующего вещества позволит снизить необходимые для формования усилия и заменить прессы менее энергоёмкими более дешевым оборудованием шнекового типа, тем самым снизив и себестоимость самого топлива.

Исходя из этих соображений, в Томском политехническом университете разработана теплотехнология получения твердого композитного топлива из низкосортного сырья [27]. Согласно [27] переработка низкосортного сырья в композитное топливо осуществляется в три стадии: теплотехнологическая переработка исходного сырья, формование и сушка композитного топлива. На первой стадии низкосортное сырье подвергается низкотемпературному пиролизу при температурах (200-450) °С, в результате которого получают полукокс, пиролизный конденсат (пиролизная смола и подсмольная вода) и топливный газ.

Большинство видов низкосортного сырья (торф, древесина) содержат большое количество кислорода в своем составе, в результате чего их пиролиз сопровождается выделением тепла (экзотермическим эффектом). Топливный газ является побочным продуктом тепловой технологии, так как непосредственно не участвует в получении композитного топлива. Однако, обладая высокой теплотой сгорания 12,3-14,5 МДж/м³ [28], газ может быть использован в качестве топлива при осуществлении тепловой технологии. Таким образом, возможны варианты промышленной реализации технологии, когда тепла от сжигания топливного газа будет достаточно для осуществления процесса низкотемпературного пиролиза сырья.

При формовании декстрин растворяют в пиролизном конденсате в соотношении 10:1 [29], полученный формовочный раствор подогревают до температуры 50-70 °С, смешивают с измельченным полукоксом. Из смеси формуется сырец, который сушат при комнатной температуре.

В табл. 1 приведены результаты переработки некоторых видов низкосортного сырья Томской области в композитное топливо согласно описанной теплотехнологии.

При переработке увеличивается зольность композитного топлива по сравнению с исходным сырьём. Однако за счет облагораживания низшая теплота сгорания имеет высокое значение 13,1-29,4 МДж/кг, сопоставимое с теплотой сгорания бурых и каменных углей.

В работе [30] отмечено, что пиролизная смола, содержащаяся в пиролизном конденсате, обладает свойством гидрофобности. В связи с этим была исследована возможность придания композитному топливу свойства влагостойкости посредством нанесения на его поверхность пиролизной смолы с последующей сушкой при различных температурах. Испытания влагостойкости композитного топлива проведены согласно ГОСТ 21290-75 «Брикеты угольные. Метод определения водопоглощения».

Таблица 1. Характеристики низкосортного сырья и композитного топлива на его основе.

Отмечено, что при температуре сушки свыше 50 °С пиролизная смола плавится, стекая с поверхности топлива или впитываясь в него, в результате чего влагостойкость не обеспечивается и оно со временем разрушается при контакте с водой. Сушка при температуре 20-40 °С позволяет получить на поверхности топлива защитный слой (рис. 1), полностью предотвращающий водопоглощение (водопоглощение композитного топлива равно нулю).

Рис. 1. Композитное топливо: а - без нанесения смолы; б - с защитным слоем из пиролизной смолы.

Техническая реализация установки по производству композитного топлива

Один из вариантов технической реализации установки по производству композитного топлива, обладающего влагостойкостью, представлен на рис. 2.

Рис. 2. Теплотехнологическая установка по производству композитного топлива из низкосортного сырья: 1 - ленточный конвейер; 2 - сушилка сырья; 3 - дробилка с дозирующим устройством; 4 - наклонный шнековый транспортер; 5 - газовая камера; 6 - каналы летучих продуктов; 7 - узел подготовки связующего; 8 - соединительный канал; 9 - шнек; 10 - теплообменник; 11 - формующая насадка; 12 - конвейер; 13 - сушилка топлива; 14 - камера нанесения смолы; 15 - камера сгорания топливного газа; 16 - дутьевой вентилятор; 17 - горелочные устройства.

Исходное низкосортное сырьё при помощи конвейера 1 поступает в сушилку 2, подсушенное топливо направляется в дробилку 3, где измельчается и дозировано поступает в наклонный шнековый транспортер 4, расположенный в газовой камере 5. Газовая камера позволяет обогревать шнековый транспортер дымовыми газами, поступающими из камеры сгорания топливного газа 15. В ходе нагрева из топлива выделяются летучие продукты (топливный газ, пары пиролизной смолы и подсмольной воды), которые отводятся через каналы летучих продуктов 6 и направляются в узел подготовки связующего 7. Оставшийся углеродистый остаток из наклонного шнекового транспортера 4 через соединительный канал поступает в горизонтальный шнек 9. Часть шнека охлаждается теплообменником 10 для снижения температуры углеродистого остатка. В неохлаждаемой части шнека предусмотрен канал ввода связующего вещества, полученного в узле подготовки связующего. Формующая насадка - 11, расположенная на выходе из шнека, позволяет получать сырцы композитного топлива заданной формы и размеров. Далее сырец при помощи конвейера 12 поступает в сушилку 13, затем в камеру нанесения смолы 14. Топливный газ, очищенный от паров смолы и воды в узле подготовки связующего 7, и воздух, подаваемый дутьевым вентилятором 16, поступают в горелочные устройства 17 камеры сгорания. Энергопотребление оборудования, входящего в состав установки для производительности 45 т композитного топлива в сутки, по расчетам не превышает 25 кВт. Представленный вариант теплотехнологической установки является в целом универсальным и способным перерабатывать различные виды низкосортного топлива, однако комплектация установки зависит от конкретного вида сырья. Например, при переработке торфа, обладающего низкими прочностными характеристиками и мелким фракционным составом, предварительное измельчение не требуется - сырье измельчится в процессе термопереработки и перемещения в шнековом транспортере. В установке по переработке опилок или древесной щепы, не выделяющих пиролизную смолу при теплотехнологической переработке, будет отсутствовать измельчитель и камера нанесения смолы.

Определение параметров сушки композитного топлива

Форма и геометрические размеры топлива существенно влияют как на прочность, так и на процесс сжигания композитного топлива в топочной камере. Установка по производству композитного топлива не содержит в своем составе прессового оборудования, следовательно, размеры на выходе не привязаны к конструкции матричного канала. Согласно ГОСТ Р 54248-2010 «Брикеты и пеллеты (гранулы) торфяные для коммунально-бытовых нужд. Технические условия» композитное топливо подразделяется на брикеты и пеллеты (гранулы). Брикеты могут иметь форму цилиндра, прямоугольной четырехгранной или шестигранной призмы; пеллеты - цилиндрическую или шарообразную форму.

С точки зрения простоты изготовления формовочной насадки и наименьшего сопротивления смеси при её прохождении предпочтительна цилиндрическая форма композитного топлива. Для экспериментального определения требуемой температуры сушки были изготовлены пеллеты размерами 25Ч10 мм, которые сушились при различных температурах, от 20 до 140 °С. Результаты изменения массы пеллет в процессе сушки показаны на рис. 3.

Рис. 3. Потеря влаги пеллет (д_m) от времени ф при различной температуре сушки.

Из рис. 3 видно, что при высокой температуре сушки влага из пеллет интенсивно испаряется, что приводит к появлению пористости на поверхности пеллет. Полученные пеллеты испытаны на механическую прочность согласно ГОСТ 21289-75 «Брикеты угольные. Методы определения механической прочности» (табл. 2).

Таблица 2. Результаты механических испытаний пеллет цилиндрической формы.

Отмечено, что в процессе сушки при температуре свыше 120 °С поверхность пеллет имеет заметные трещины, которые существенно снижают их прочностные характеристики. Наибольшей прочностью на сжатие обладают пеллеты, высушенные при температуре 20-80 °С.

Однако сушка брикетов цилиндрической формы с размерами 50Ч50 мм при температуре 20-80 °С показала, что для брикетов данных размеров температура сушки не должна превышать 20-40 °С, что позволяет получить брикет без наличия пор и трещин на поверхности (рис. 4, а). Более высокая температура сушки приводит к образованию трещин на поверхности брикета (рис. 4, б). Появление трещин объясняется тем, что увеличение размеров приводит к неравномерности нагрева брикета. Ввиду низкой теплопроводности брикеты прогреваются от наружной поверхности к центру неравномерно. Прогревшись, наружная поверхность брикета затвердевает. В процессе продолжающейся сушки влага, содержащаяся внутри брикета, испаряется, и выход паров через наружную отвердевшую поверхность сопровождается образованием пор. Если скорость сушки высокая, то интенсивный выход испаряющейся влаги образует трещины на поверхности топливного брикета.

Рис. 4. Брикеты после сушки при: а) 20 °С; б) 80 °С.

Соответственно, температура сушки связана с геометрическими размерами формируемого композитного топлива: при изготовлении пеллет - от 20 до 80 °С, при производстве брикетов - не выше 40 °С. При этом температурный интервал для изготовления пеллет позволяет производителю самостоятельно определить температуру сушки. При высокой производительности предпочтительна повышенная температура до 80 °С, которая позволяет сократить время сушки. Более низкая температура (20 °С) не требует дополнительных затрат на осуществление сушки, но увеличивает продолжительность пребывания брикетов у производителя, требует помещения для их высушивания.

Выводы

1. Изложены основные принципы теплотехнологии получения композитного топлива из низкосортного сырья. Приведены результаты переработки низкосортного сырья Томской области в композитное топливо, в результате которой получаемое топливо имеет низшую теплоту сгорания, равную 13,1-29,4 МДж/кг, что сопоставимо с теплотой сгорания большинства бурых и каменных углей.

2. Исследована возможность придания влагостойкости композитного топлива за счет использования пиролизной смолы, пoлучаемой при теплотехнологической переработке сырья: нанесение смолы на поверхность топлива и последующая сушка при температуре 20-40 °С позволяет обеспечить полную влагостойкость (водопоглощение композитного топлива равно нулю).

Рассмотрена техническая реализация установки по производству композитного топлива согласно предложенной теплотехнологии, использующая шнековое оборудование для формования.

4. Определены требуемые параметры сушки для различных типов композитного топлива цилиндрической формы: температура сушки при изготовлении пеллет - от 20 до 80 °С, брикетов - не выше 40 °С. При этом установлено, что более высокая скорость сушки приводит к образованию поверхностных пор и трещин, снижающих механическую прочность композитного топлива.

Литература

композитный топливо влагостойкость сырье

1. Энергетическая стратегия России на период до 2030 года. Утв. распоряжением Правительства РФ от 13 ноября 2009 г. № 1715р. 144 с.

2. Емешев В.Г., Паровинчак М.С. Без привозной энергетики // Нефтегазовая вертикаль. 2005. № 17. С. 63-65.

3. Пугач Л.И. Качество энергетических углей. Влияние качества на экономику и технологию использования на ТЭС. Новосибирск: Издво НГТУ, 1998. 104 с.

4. Мяки А.Э. Истинные причины проблем отопления в северных регионах // Топливноэнергетический комплекс. 2003. № 2. С. 95-98.

5. Федеральная программа «Энергообеспечение районов Крайнего Севера и приравненных к ним территорий, а также мест проживания коренных малочисленных народов Севера, Сибири и Дальнего Востока за счет использования нетрадиционных возобновляемых источников энергии и местных видов топлива». М.: Министерство топлива и энергетики РФ, 1996. 27 с.

6. Суржикова О.А. Проблемы и основные направления развития электроснабжения удаленных и малонаселенных потребителей России // Вестник науки Сибири. 2012. № 3 (4). C. 103-108. URL: http://sjs.tpu.ru/journal/article/view/362 (дата обращения: 13.07.2014).

7. Самылин А., Яшин М. Современные конструкции газогенераторных установок // ЛесПромИнформ. 2009. № 1. С. 78-85.

8. Финансовоэкономическое обоснование к проекту о внесении изменений в статью 17 федерального закона «О лицензировании отдельных видов деятельности».

9. Парников Н.М. Повышение энергетической эффективности комплексов децентрализованного электроснабжения на примере Республики Саха (Якутия): дис. канд. техн. наук. Томск, 2009. 181 с.

10. Белосельский Б.С., Барышев В.И. Низкосортные энергетические топлива. - М.: Энергоатомиздат, 1989. 136 с.

11. Белосельский Б.С. Технология топлива и энергетических масел. М.: Изд-во МЭИ, 2005. 348 с.

12. Сжигание в кипящем слое - перспективная технология для низкосортных топлив О.Н. Шевердяев, В.М. Гвоздев, А.В. Пахомов, В.В. Желтова // Энергосбережение и водоподготовка. 2010. № 6. С. 39-41.

13. Гравитационнорециркуляционная вихревая топка для сжигания высокозольного топлива / Ю.О. Петрик, П.Т. Афанасьев,

А.Р. Богомолов, Г.С. Козлова, П.В. Дадонов // Вестник Кузбасского государственного технического университета. 2009. № 2. С. 136-139.

14. Studying the process through which gas is generated in independent power installations / A.S. Zavorin, A.V. Kazakov, A.A. Makeev, S.V. Podorov // Thermal engineering. 2010. № 1. P. 77-82.

Размещено на Allbest.ru