Применение биомассы в современной энергетике

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. ОБЩИЕ ДАННЫЕ ОБ ОБЪЕКТЕ ИССЛЕДОВАНИЙ

Краткое описание объекта, его назначение и область применения:

Объектами исследования являются технология конверсии биомассы и устройство (реактор) для конверсии биомассы, предназначенные для получения электрической и тепловой энергии с целью создания объектов распределенной генерации на региональных топливо-энергетических ресурсах.

2. ОСНОВНАЯ (АНАЛИТИЧЕСКАЯ) ЧАСТЬ

На основании проведенного поиска опубликованной патентной литературы, определен технический уровень и тенденция развития технологии конверсии биомассы, предназначенные для получения электрической и тепловой энергии с целью создания объектов распределенной генерации на региональных топливо-энергетических ресурсах.

Настоящее патентно-информационное исследование посвящено также поиску информации об устройствах (реакторах) для реализации конверсии биомассы в общем, и пиролиза биомассы в частности.

Патентный поиск проводился с использованием ключевых слов, предложенных Заказчиком и отраженных в техническом задании. В связи с большой изобретательской активностью в области технологий конверсии биомассы, в результате был получен значительный массив документов, отражающий все аспекты по теме задания.

Возрастающие с каждым годом объемы потребления энергии в мире требуют все больших затрат традиционного сырья. Общеизвестно, что запасы органического топлива исчерпаемы. По оценкам экспертов, при современном уровне добычи мировых запасов угля хватит максимум на 600 - 1000 лет, нефти на 150 - 250 лет и газа на 120 - 300 лет (Энергосберегающие технологии. Аналитические материалы. / Под ред. В.В. Полякова. - М., 2009 - 36 с.). Согласно Совместному Заявлению Министерства Энергетики Российской Федерации и Международного Энергетического Агентства, в контексте диверсификации источников энергоснабжения важнейшую роль будут играть возобновляемые источники энергии (ВИЭ), поскольку они позволяют решить задачи снижения потребления ископаемых видов топлива и зависимости от них, а также снижения антропогенной нагрузки на окружающую среду.

В своей резолюции A/RES/65/151 Генеральная Ассамблея Организации Объединенных Наций в знак признания важности энергетики постановила провозгласить 2012 год Международным годом устойчивой энергетики для всех, подразумевая важность устойчивого доступа к энергоресурсам, энергоэффективности и ВИЭ на местном, национальном, региональном и международном уровнях, A/RES/65/151 International Year of Sustainable Energy for All).

По прогнозам Европейского совета по возобновляемой энергетике (EREC) к 2040 году за счет ВИЭ будет покрываться почти половина мирового потребления первичной энергии, и 25% будет составлять доля энергии биомассы.

Соответственно, среди ВИЭ, как постоянно возобновляемый источник топлива, биомасса занимает существенное место.

Ежегодный прирост биомассы на земле составляет 220 млрд. тонн, что позволяет запасать в виде энергии химических связей до 4 х 10 ²¹ Дж энергии. Ежегодное мировое коммерческое использование всей энергии составляет 3.9 х 10 ²⁰ Дж, что в 10 раз меньше запасаемой энергии. Энергетическое содержание производимых в мире сельскохозяйственных отходов составляет 93 х 10¹⁸ Дж/год. Допуская, что только 25% из них реально использовать, отходы могут обеспечить около 7% мировой энергии. Городские твердые отходы (твердые бытовые отходы, ТБО) также могут быть важным источником энергии. Если считать, что, в среднем, ТБО содержат 60-65% органических веществ растительного и животного происхождения, то по аналогии с фотосинтетической биомассой ежегодное содержание энергии в ТБО может составлять 4-6 * 10¹⁸Дж (Биоэнергетика России в ХХI веке, исследование ФГБУ РЭА МИНЭНЕРГО РФ - М., 2012 - 37 с.).

На данный момент все большее значение для России приобретают следующие направления развития альтернативной энергетики:

- развитие производства и рынка энергетического оборудования и технологий использования биоэнергетики для надежного автономного экологически чистого энергообеспечения потребителей за счет экологически чистых местных ВИЭ в районах, не подключенных к сетям централизованного энергоснабжения;

- освоение эффективных технологий сетевого электро- и теплоснабжения на базе ВИЭ;

- расширение производства и использования новых видов топлив, получаемых из различных видов биомассы.

В России сосредоточена четвертая часть мировых запасов леса. Ежегодно вырубается только 130 млн куб. метров древесины, но этот показатель может быть увеличен до 550 млн куб. метров (или до 275 млн тонн). При этом отходы составят до 40%, или 370 млн куб. метров (185 млн тонн) с содержанием энергии до 2,29 Дж * 10¹⁸. Ежегодное производство отходов, генерируемых российским агропромышленным комплексом, составляет около 773 млн. т, (260 млн. т по сухому веществу): 350 млн. т (53 млн. т с.в.) - животноводство, 23 млн. т (5.75 млн. с.в.) - птицеводство, 220 млн. т (150 млн. т с.в.) - растениеводство, 30 млн. т (14 млн. т с.в.)- отходы перерабатывающей промышленности. У современной России имеется блестящая возможность использовать заброшенные пашни под создание энергетических плантаций. Таких площадей около 40 млн. гектар. Запас торфа в России - 30.817 млрд. т с энергосодержанием 10.752 млрд. ту.т. Основные запасы промышленного торфа находятся в северных и сибирских регионах, в которых отходы растениеводства незначительны: Центральный Федеральный округ - 2.18 млрд. т; Южный Федеральный округ- 0.00092 млрд. т; Поволжский Федеральный округ - 1.19 млрд. т, тогда как в Северо-Западном Федеральном округе - 8.31 млрд. т, в Уральском Федеральном Округе - 7.26 млрд. т, в Сибирском Федеральном Округе - 10.4 млрд. т, и в Дальневосточном Федеральном Округе - 1.47 млрд. т. (Справочник по ресурсам возобновляемых источников энергии России и местным видам топлива (показатель по территориям). / Под редакцией П.П. Безруких, М.: ИАЦ «Энергия», 2007,270 с.)

Неравномерность распределения ВИЭ по регионам позволяет создавать энергетические кластеры с различной комбинацией возобновляемых источников.

Основными источниками российской энергетической биомассы являются:

- Органические отходы агропромышленного комплекса с энергосодержанием до 80 млн. т.у.т./год;

- Органические отходы лесопромышленного комплекса (при условии использования современных технологий лесопроизводства и деревообработки) с энергосодержанием до 1 млрд. т.у.т./год; (весь лесной запас - 20 млрд. т.у.т.);

- Торф (всего -60 млрд. т.у.т. 10.7 млрд. т.у.т. промышленный фонд, 100 млн. т.у.т./год);

- Энергетические плантации (минимум 270.9 млн. т.у.т./год, 19.5 млн. га - 20%, биогаз - 228.5 млн. т.у.т., этанол - 41.9 млн. т.у.т.). (Безруких П.П., «Экологическая модернизация России - роль науки и гражданского общества», Всероссийская научно-практическая конференция "Энергоэффективность и проблемы развития возобновляемой энергетики", М.: Центр «Дубровский», 2010)

Современные технологии энергетического использования биомассы чрезвычайно разнообразны. Технологии отличаются типом первичной биомассы, процессами переработки и типом воздействия на окружающую среду. Одной из таких технологий является термическая конверсия биомассы.

Термическая конверсия биомассы издавна использовалась человечеством как эффективный способ производства большого количества тепла и имеет множество очевидных преимуществ перед другими технологиями: высокий энергетический КПД конверсии, высокая степень переработки исходного сырья, экономическая эффективность, возможность переработки сырья различного происхождения и широкого морфологического состава.

В результате использования термической конверсии появляется возможность эффективно перерабатывать промышленные, сельскохозяйственные, бытовые отходы и другие углеродсодержащие материалы независимо от их состава с высокой степенью превращения в целевой продукт.

Прогрессивными технологиями производства являются пиролиз и газификация, в процессе которых получаются калорийные и удобные для использования виды газообразного топлива.

Различают два вида пиролиза:

- пиролиз (медленный пиролиз) - это конверсия сырья без доступа воздуха при температуре 450-550°С, при которой скорость нагрева исходного вещества составляет градусы в течение мин., час;

- быстрый пиролиз -- биомасса в течение короткого времени (доли, единицы сек.) подвергается воздействию экстремально высоких температур (700-1400°С), в результате которого происходят быстрое разложение исходных продуктов и образование новых соединений: этанола, пропилена, углеводородов.

Газообразные продукты пиролиза представляют собой обычно среднекалорийный газ (QHP = 15-22 МДж/нм3), а при частичной газификации низкокалорийный газ (QHP = 4-8 МДж/нм3). Выход газообразного топлива может доходить до 70 % массы сухого сырья при высокотемпературном быстром пиролизе. Состав газа зависит от сырья и параметров процесса.

Эти продукты имеют высокий уровень углеводородов (в частности, метана). Теплотворная способность повышается, если использовать газ пока он горячий и содержит относительно много смол. (Обзор современных технологий использования биомассы. Российский центр солнечной энергии. Такой газ обычно используется в самом процессе пиролиза для поддержания температуры процесса и сушки исходного сырья.

В настоящее время исследования с целью разработки процессов и установок пиролиза биомассы проводятся во всем мире. Например, Министерством энергетики США утверждена государственная программа по переработке биомассы (U.S. Department of Energy's Biomass Program), которой занимается специальное подразделение - Национальный центр по биоэнергетике (National Bioenergy Center) на базе Национальной лаборатории по возобновляемым источникам энергии (National renewable energy laboratory). Подобной деятельностью занимаются такие организации, как «Biomass technology group» (Нидерланды), «Friends of the Earth» (Великобритания), «Biomass energy foundation» (США) и др. (Глушков В.А. Разработка и исследование автоматизированной установки пиролиза растительного сырья с целью повышения выхода топливного газа: Автореф. дис. канд. тех. наук. - Ижевск, 2006 - 113 с.)

Во многом такой интерес к пиролизу объясняется тем, что пиролиз, в отличие от других технологий, является экологически безопасным процессом.

Оборудование для пиролиза биомассы очень разнообразно по внешнему виду и конструкции. На рисунке ниже представлена классификация установок для пиролиза (Производство качественного древесного угля из древесных отходов. Опыт и перспективы. Юдкевич Ю.Д., Коршиков В.И. Доклад для 1-ой Международной конференции "Сотрудничество для решения проблемы отходов", Харьков, 2004)

Рисунок 1. Классификация пиролизных аппаратов

К настоящему времени единственным освоенным и широко распространенным промышленным способом переработки твердой биомассы является пиролиз в трубчатых печах. Его качественное развитие направлено пока в основном по пути совершенствования существующей технологии. Однако, несмотря на достигнутый прогресс, связанный с изменением конструкции змеевика и конвекционной зоны печи, использованием современных закалочно-испарительных аппаратов, возможности этого процесса ограничены, особенно при использовании сырья, склонного к повышенному коксообразованию. Необходимость расширения сырьевой базы, сокращения удельного расхода сырья, а также энергетических и материальных затрат заставляет вести поиск новых модификаций процесса. При этом предлагаются новые варианты осуществления пиролиза и установок для пиролиза. К их числу относятся каталитический, инициированный, окислительный и гидропиролиз, а также термоконтактные варианты этого процесса.

На основании проведенного анализа и обобщения информации в соответствии с поставленными перед патентным исследованием задачами составлен обзор современных научно-исследовательских разработок, опубликованных в патентной литературе, в области пиролитической конверсии биомассы в газообразное топливо.

Например, в патенте РФ, RU2346026 рассмотрен способ получения синтез-газа путем пиролиза биомассы (практически любого вида сырья), включающего шнековую транспортировку сырья сквозь зону пиролиза, в которой производят пиролиз органических веществ с получением газа, имеющего высокую теплотворную способность. Указанный способ отличается тем, что способ осуществляют при непрерывной одновременной работе системы шнеков трех камер: сушильной, пиролизной и разделительной. Сначала предназначенную для пиролиза биомассу направляют в бункер для сырья, затем проталкивают через зону сушки, при этом выводимый пар направляют снова в камеру сушки для оптимизации температуры сушки и исключения перегрева сушильного пространства до предпочтительной температуры в 400°С, высушенное сырье собирают в бункере сухого сырья, откуда часть указанного сухого сырья с помощью шнека поступает на сжигание с получением дымовых газов для обогрева шнекового пиролизера, остальную часть высушенного сырья подают посредством шнека в пиролизную камеру и транспортируют в течение 2-7 минут через обогреваемое пиролизное шнековое пространство с обеспечением равномерности толщины прогреваемого слоя биомассы, в котором происходит разложение биомассы с помощью непрерывного конвекционного теплообмена между стенками шнековой камеры и сырьем, а выделяющийся при пиролизе высококалорийный газ собирают в коллекторе для сбора газа, откуда направляют потребителю. В заявляемом способе пиролиз биомассы происходит в обогреваемом шнеке, что позволяет не использовать сторонний теплоноситель, то есть уменьшить потери тепла, связанные с оборотом теплонесущей среды. Техническим результатом является максимальное использование тепловой энергии биомассы с получением высококалорийного синтез-газа. Такой же шнековый механизм подачи сырья используется и в установке для пиролиза, представленной в патенте RU2441053.

В публикации РСТ WO2009060461 описан реактор для пиролиза биомассы, состоящий из вертикального цилиндрического корпуса с загрузкой биомассы в верхней части корпуса и выгрузкой продуктов пиролиза в нижней части и вращающегося смесителя. Способ вращения смесителя (снизу вверх) связан с обеспечением наиболее эффективного перемешивания загруженной биомассы. Техническим результатом данного изобретения является высокий выход среднекалорийного газа с низким содержанием смол.

Из патента РФ на полезную модель RU84015 известна установка для термохимической переработки биомассы, предпочтительно древесных опилок. Полезная модель реализует непрерывность процесса пиролиза без доступа воздуха измельченной предварительно просушенной биомассы, предпочтительно, древесных опилок, что обеспечивает высокую эффективность установки по производительности и качества получаемых при пиролизе продуктов. Высокая эффективность работы установки для термохимической переработки биомассы, предпочтительно древесных опилок объясняется тем, что: подаваемое в камеру пиролиза сырье, предварительно обработано; камера пиролиза выполнена в виде вихревой камеры; в трубопроводе подачи восстанавливающего газа-теплоносителя в вихревую камеру пиролиза происходит нагрев восстанавливающего газа до температуры газов пиролиза.

В патенте РФ RU2378319 рассмотрен способ получения топлива из биомассы. Суть способа заключается в следующем: исходную биомассу с влажностью 15-25% подают в первый аппарат, где нагревают до температуры 350-450°С, затем угольный остаток из первого аппарата подают во второй, отличающийся тем, что во втором аппарате материал нагревают до 850-1000°С и выводят из него в третий аппарат, парогазы из первого аппарата направляют в третий аппарат, где их фильтруют через угольный остаток, затем подают в охладитель-конденсатор, а парогазы из второго аппарата подают в охладитель, где их охлаждают до 350-400°С, из него в охладитель-конденсатор, где получают охлажденный высококалорийный газ и подают внешним потребителям, причем управление соотношением жидкого и газообразного топлив, получаемых в конденсаторе-охладителе, осуществляют изменением температуры во втором аппарате. В данном патенте четко описана связь температурного режима, который чрезвычайно важен для процесса пиролиза, с выходом высококалорийного газа. Изобретение позволяет снизить энергоемкость процесса и сократить использование углеводородного топлива, а также дает возможность подачи высококалорийного газового топлива отдаленным потребителям.

Из патента РФ RU2380395 известен способ пиролизной переработки биомассы с получением высококалорийного газообразного топлива и других субпродуктов. Согласно описанию изобретения, исходную биомассу гранулируют, гранулированную биомассу подают в газоплотные шлюзовые затворы с регулируемой подачей в одну или несколько непрерывно действующих вертикальных металлических реторт, заключенных в общую теплоизоляционную оболочку, в которых биомасса гравитационно движется сверху вниз, с возможностью выхода пиролизных газов в нижней части реторт, теплоту, необходимую для процесса пиролиза, передают биомассе через стенки реторт от продуктов сгорания пиролизного топлива, движущихся снизу вверх по каналам обогрева реторт, отличающийся тем, что каналы обогрева реторт образованы соседними стенками реторт и стенками реторт и теплоизоляционной оболочкой, причем пиролизные газы, движущиеся внутри реторт сверху вниз, фильтруют через слой горячего угольного остатка в нижних частях реторт и затем выводят из реторт через каналы, по которым пиролизные газы направляют на конденсацию не разложившихся в процессе фильтрации конденсирующихся веществ пиролиза и охлаждение неконденсирующихся пиролизных газов, а охлажденные неконденсирующиеся пиролизные газы направляют на охлаждение угольного остатка, при этом поперечное сечение реторт выполняют прямоугольным с соотношением ширины к длине 1:5ч15, причем ширину выполняют размером не менее 8ч12 эквивалентных диаметров гранул биомассы, а управление соотношением газообразного и жидкого топлив осуществляют изменением температуры продуктов сгорания на входе в каналы обогрева. Достоинством предлагаемого способа являются высокая калорийность топлива получаемого из биомассы, непрерывность технологического процесса.

В патенте Японии JP2010116537 рассматривается установка для пиролиза биомассы, состоящая из пиролизной печи для получения части газообразных продуктов при сгорании при высокой температуре и аппарата с кипящим слоем для пиролиза биомассы в кипящем слое с получением газообразного продукта. Таким образом, в изобретении описывается установка с высоким выходом газообразных продуктов за счет наличия двух аппаратов генерирующих указанные продукты.

В патенте Японии JP2010126595 рассматривается система для пиролиза древесной биомассы. Система для переработки биомассы включает пиролизную печь, реактор для риформинга и двигатель. Дымовые газы из двигателя идут на нагрев древесной биомассы в пиролизной печи. В реакторе для риформинга гранулированный карбид, полученный в пиролизной печи, загружается сверху, а полученный газ, также полученный в пиролизной печи, подается снизу. Двигатель использует в качестве топлива газ, получаемый в результате риформинга. Благодаря дополнительной стадии риформинга, газ, подаваемый в качестве топлива в двигатель, не вызывает неисправности двигателя в результате адгезии смолы, грязи и наличия уплотнений. В результате повышается эффективность и долговечность работы двигателя.

Из патента РФ на полезную модель RU97727 известно устройство термической конверсии гранулированной биомассы в монооксид углерода и водород. Указанное устройство включает обогревательную камеру, заключенную в теплоизоляционную оболочку, и вертикальную реторту, снабженную днищем с отверстиями, при этом устройство, что отличает указанное устройство от прототипов, содержит участок приготовления гранулированной биомассы с влажностью, равной или превосходящей не более чем на 50ч100% влажность, необходимую для полной конверсии биомассы в газообразное топливо, а также емкость для ссыпания в нее золы через отверстия в днище с газоплотным шлюзовым затвором, внутри которой расположен теплообменник охлаждения золы и нагрева теплоносителя для нужд отопления или горячего водоснабжения, а также установка отличается тем, что обогревательная камера включает верхнюю низкотемпературную секцию в виде электрической обмотки сопротивления для нагрева биомассы до 450ч600°С, а также нижнюю высокотемпературную секцию в виде электрической нагревательной печи прямого действия для нагрева биомассы до 950ч1000°С, причем устройство содержит один или несколько трубчатых каналов, расположенных во внутреннем пространстве реторты, для вывода из устройства газообразных продуктов конверсии из нижней части реторты через ее верхнюю часть. Предлагаемая полезная модель решает техническую задачу сокращения времени термической конверсии биомассы, повышения производительности устройства, тонкого регулирования профиля температур и темпа нагрева, отказа от использования получаемых газов на внутренние нужды и их подачу внешним потребителям в полном вырабатываемом объеме.

В патенте РФ RU2408820 рассматривается установка для мультифазового пиролиза органического сырья, которая содержит бункер исходного сырья и последовательно установленные по ходу обрабатываемого сырья: средство сушки обрабатываемого сырья, реактор пиролиза и устройство охлаждения полукокса, имеющие входы и выходы по газу и твердой фазе соответственно, а также линию выхода пирогаза и нагревательную печь, включающую входы и выходы по топливу и нагреваемой среде соответственно. Установка снабжена устройством подготовки к процессу пиролиза и теплообменником, кроме того, снабжена двумя дополнительными теплообменниками и эжектором, выход по греющей стороне которого через газодувку соединен с линией выхода пирогаза, подключенной к нагревательной печи, при этом установка снабжена паротурбинной установкой, подключенной к нагревательной печи, кроме того, установка оснащена твердотопливным котлом, вход по твердой фазе которого соединен с выходом по твердой фазе устройства охлаждения полукокса. Технический результат такой установки заключается в повышении КПД установки в целом, упрощении конструкции установки, повышении ее пригодности к ремонту, снижении тепловых нагрузок на отдельные узлы установки, уменьшении удельных энергетических и материальных затрат и расширении технологических возможностей установки.

Из публикации РСТ WO2011034409 известен вращающийся реактор для пиролиза биомассы, включающий камеру для пиролитической конверсии биомассы, которая вращается вокруг своей продольной оси. При этом реактор установлен так, чтобы можно было изменять угол наклона реактора по отношению к базовому углу. Камера нагрева расположена вокруг камеры для конверсии. В конструкции реактора предусматриваются загрузка и выгрузка через герметичные затворы. Такая конструкция реактора способствует тщательному перемешиванию биомассы на протяжении всего процесса пиролиза. Преимуществами представленного изобретения являются возможность управления процессом на всех стадиях, возможность получения интересующих продуктов, высокий КПД процесса (более 70%).

Изобретение, представленное в патенте РФ RU2393200, относится к способам и устройствам для термической переработки твердых органических отходов, преимущественно резинотехнических изделий в жидкие, газообразные и твердые топливные компоненты. Способ заключается в низкотемпературном пиролизе отходов в реакторе в противотоке с газообразным теплоносителем, полученным от сжигания технологического топлива, вводимым в нижнюю часть реактора, загрузке отходов и выгрузке твердого углеродистого остатка с последующим его охлаждением, конденсацией получаемой парогазовой смеси с разделением ее на несколько фракций топливной жидкости и пиролизный газ, отличающийся тем, что загрузку отходов и выгрузку углеродистого остатка из реактора производят циклически при отношении массы загружаемых отходов к массе выгружаемого углеродистого остатка, равным 3:(0,8-1,2), загрузку отходов осуществляют с интервалом, включающим время разогрева загружаемых отходов и дополнительное время, равное 0,4-0,6 от времени максимальной скорости выделения пиролизного газа, парогазовую смесь перед конденсацией предварительно очищают от сажистых и смолистых фракций орошением органической и/или водно-органической жидкостью при температуре 350-500°С, конденсацию парогазовой смеси с последовательным выделением топливных фракций проводят в диапазоне температур 350-370°С, а конденсацию воды при температуре 25-60°С и получаемый при этом остаточный пиролизный газ направляют на сжигание с утилизацией тепла, причем в период пуска с полной загрузкой реактора газообразный теплоноситель подают двумя потоками: основной поток в количестве 60-70% от общего расхода - в осевую зону реактора, а остальной - в его пристенную зону. Установка для осуществления описанного способа содержит реактор пиролиза с реакционной камерой, топку с горелкой для получения газообразного теплоносителя, конденсаторы получаемой в реакторе парогазовой смеси, а также устройства для загрузки отходов и выгрузки твердых углеродистых остатков с приспособлением для их охлаждения, отличающаяся тем, что реакционная камера выполнена в виде смонтированных на колосниковой решетке с живым сечением 20-40% концентрично установленных наружного и внутреннего перфорированных стаканов, при этом внутренний стакан и полость между наружным стаканом и корпусом реактора выполнены закрытыми сверху посредством перегородок и оба стакана по высоте имеют три условные технологические зоны, причем стенки стаканов нижней зоны выполнены сплошными по высоте, равной 0,3-0,5 расчетной высоты загрузки, на опорах реактора смонтированы датчики контроля массы загружаемых отходов, установка снабжена барботером-промывателем с гидроциклоном для очистки парогазовой смеси от смолистых и сажистых фракций, а устройства для загрузки и выгрузки выполнены в виде шлюзовых камер. Предложенный способ и установка для термической переработки твердых органических отходов, в частности резинотехнических изделий, позволяют повысить эффективность процесса низкотемпературного пиролиза, обеспечивают возможность контроля процесса и получение качественного жидкого топлива и углеродистого остатка (пирокарбона) практически по безотходной технологической схеме. Реализуемый согласно настоящему изобретению процесс пиролиза экономичности целесообразен, не загрязняет окружающую среду газообразными, жидкими и твердыми выбросами, а устройство надежно в эксплуатации. Кроме того, решается проблема, связанная с накоплением и утилизацией автопокрышек. При этом только при заявленной совокупности существенных признаков и заявленных соотношений технологических параметров, которые определены экспериментальным путем, достигается максимальная эффективность процесса пиролиза.

Евразийский патент EA014523 описывает способ получения богатого водородом генераторного газа, в котором углеродсодержащий исходный материал расщепляют посредством пиролиза и полученный пиролизный газ для увеличения содержания водорода нагревают в смеси с водяным паром. Необходимое для процесса тепло получают из сгорания образующегося пиролизного кокса. При этом необходимое для отдельных стадий способа тепло подается в установку за счет контура теплоносителя, который нагревают в зоне нагревания с помощью дымового газа из топки для сжигания пиролизного кокса, затем нагревают в реакционной зоне смесь из пиролизного газа и водяного пара, нагревают пиролизную зону, охлаждают в зоне охлаждения и затем возвращают в начало контура теплоносителя. Для лучшего использования тепла и более точного выдерживания температур изобретением предлагается предусмотреть в контуре теплоносителя перед зоной нагревания зону предварительного нагревания, в которой контур теплоносителя предварительно нагревают, причем перенос тепла из контура теплоносителя в исходный материал в пиролизной зоне происходит опосредованно и без непосредственного контакта с теплоносителем. Достижение интенсивного теплообмена при постоянно чистых нагревательных поверхностях, с другой стороны, исключение проблематичного разделения теплоносителя (сыпучего материала) и пиролизного кокса являются несомненными достоинствами данного способа. Кроме того, в данном способе из генераторного газа отводится большое количество тепла при, по меньшей мере, частичном удалении возможно присутствующей в генераторном газе смолы. Также способ улучшен теплотехнически.

В заявке на патент США US2011067991 описывается способ пиролиза биомассы, предполагающий смешение биомассы с теплоносителем. Теплоноситель частично состоит из полукокса. Соотношение биомассы и полукокса находится в диапазоне от 1:1 до 1:20. Именно данное соотношение дает большие преимущества в процессе пиролиза и влияет на выход продукта. В данном изобретении также как и вышеуказанном патенте используется принцип шнековой загрузки сырья.

Патент США US7943014 рассматривает интегрированную систему, состоящую из печи и пиролитического реактора с псевдоожиженным слоем. Печь имеет цилиндрическую форму и пиролитический реактор, выстроенный кольцеобразно вокруг печи, имеет общую стенку для лучшего теплообмена. Сифон для гидравлического сообщения с пиролизным реактором расположен в печи для циркуляции биомассы и инертного теплоносителя. Данная конструкция преимущественно улучшает теплообмен и увеличивает скорость пиролиза. В результате пиролиза получается высококалорийный газ, что делает установку экономически выгодной. Аппарат компактен и может использоваться как мобильная установка.

Из патента РФ RU2421502 известен способ переработки органического сырья в топливные компоненты методом пиролиза, а также устройство для осуществления пиролиза. Способ и устройство могут использоваться для утилизации отходов деревообрабатывающей промышленности, а также бытовых и коммунальных отходов, угля низкой степени углефикации, илов и т.д. Новым в способе является то, что процесс пиролиза осуществляют в условиях вакуума, при значениях создаваемого в полости реакционной камеры разрежения 1Ч10 ^-1-1Ч10^-3 мм ртутного столба и при температуре 250-350°С. Процесс вакуумного пиролиза производят в условиях непрерывного перемешивания загруженной в реакционную камеру обрабатываемой массы вплоть до полного его окончания. Процесс пиролиза осуществляют в условиях вакуума с целью повышения качественных характеристик получаемых продуктов. Указанный способ переработки органического сырья в топливные компоненты, включающий загрузку сырья в реактор для пиролиза с реакционной камерой, низкотемпературный пиролиз под нагревом, выгрузку полученного в камере продукта и вывод из нее получаемой в ходе пиролиза газообразной смеси. Также описано устройство для осуществления способа, содержащее цилиндрический корпус, выполненный из двух коаксиально расположенных обечаек с внутренней теплоизоляцией, реактор, внутренняя полость которого служит реакционной камерой для пиролиза, подвижные плиты, установленные на противоположных концах корпуса реактора, для осуществления загрузки и выгрузки, а также систему для вывода парогазообразной смеси из полости реакционной камеры, в котором с целью повышения качества получаемого пиролизом топливного продукта цилиндрический реактор установлен под наклоном к линии горизонта в 10-30° с возможностью вращения относительно продольной оси, а на внутренней его поверхности в реакционной камере установлены лопасти, имеющие наклон к образующей ее цилиндрической поверхности в сторону вращения корпуса реактора, а также смонтированные между чередующимися рядами лопастей кольцевые пороги. Техническим результатом указанной установки и способа является обеспечение массовой переработки в полезный топочный продукт больших объемов отходов загрязнителей, при этом улучшается сложившаяся экологическая обстановка и сокращается расход дефицитных энергоносителей, направляемых на выработку тепловой энергии.

Из патента РФ на полезную модель RU106246 известна установка для переработки органического сырья, содержащая линию подвода исходного сырья и последовательно установленные по ходу обрабатываемого сырья средство сушки обрабатываемого сырья и реактор пиролиза, имеющие входы и выходы по газу и твердой фазе соответственно, линию подвода низкосортного углеводородного топлива, и нагревательную печь, включающую вход по топливу, подключенный к выходу теплообменника по греющей стороне, и вход и выход по нагреваемой среде, снабжена плазмохимическим реактором, предназначенным для производства синтез-газа, и циклонной топкой, имеющей вход и выход по газовой фазе, паровой фазе, жидкой фазе и твердой фазе, причем вход плазмохимического реактора соединен с выходом по газовой фазе реактора пиролиза, а средство сушки обрабатываемого сырья, реактор пиролиза и циклонная топка выполнены в виде аппаратов с псевдоожиженным слоем, при этом установка снабжена паротурбинной установкой. Технический результат, заключается в том, что повышается КПД установки в целом за счет использования процессов рецикла, упрощается конструкция установки и обеспечивается возможность одновременной переработки исходного сырья в виде твердых бытовых отходов и низкосортного угля или торфа, повышается ее ремонтнопригодность за счет использования унифицированных узлов и элементов, снижаются тепловые нагрузки на отдельные узлы установки, уменьшаются удельные энергетические и материальные затраты и повышается технологичность установки.

В заявке РСТ WO2011107789 описывается способ переработки биомассы, преимущественно растительного происхождения. В процессе пиролиза биомассу подвергают электромагнитному излучению радиочастотного диапазона, например, СВЧ-излучению при соответствующих условиях до необходимой степени пиролиза. Одним из преимуществ изобретения является энергоэффективность данного способа, так как процесс можно проводить при температурах ниже, чем требуется при проведении обычного пиролиза; конечные продукты получаются при более низкой температуре, по сравнению с обычным способом, что уменьшает или полностью устраняет необходимость в охлаждении продуктов. Способ универсален, меняя условия процесса можно получить продуктов разного агрегатного состояния и с различной теплоемкостью.

Патент США US8057641 описывает способ и аппарат для эффективного пиролиза биомассы, использующий для быстрого теплообмена твердый теплоноситель (например, песок) или катализатор. Различные варианты реализации изобретения предполагают прогрессивные температуры закалки и быстрое разъединение теплоносителя и продуктов реакции.

Патент РФ RU2451715 рассматривает плазмотермическую переработку отходов (биомассы. В основу предлагаемого изобретения преобразование (конверсия) органической части водоорганических дисперсных систем при утилизации и/или обезвреживании конденсированных (жидких и твердых) промышленных, сельскохозяйственных, бытовых и иных отходов методом плазменной газификации в высококалорийный горючий плазмогенераторный газ (ПГГ) для последующего его использования с целью получения тепловой и/или электрической энергии либо выделения различных химических элементов, в том числе водорода, и/или синтеза различных химических соединений, в том числе метанола и других искусственных жидких топлив.

Способ включает плазменный пиролиз, формирование электрической дуги в жидкости с получением высококалорийного плазмогаза. В качестве плазмообразующей среды используют углеродосодержащую ультрадисперсную гетерофазную систему с развитой поверхностью границы раздела фаз, состоящую из водоорганических суспензий или(и) эмульсий, содержащих твердые или(и) жидкие органические компоненты в количестве 0,07-0,7 от массы воды, которую формируют в циркулирующем потоке при комбинированном воздействии на нее гидродинамических сил, создавая центры кавитации с последующим образованием кавитационных пузырьков, и ультразвуковых полей с частотой 19,5-100 кГц, с интенсивностью ультразвукового воздействия 1,5-2,5 Вт/см³, при этом плазмотермическое преобразование водоорганических суспензий или(и) эмульсий осуществляют путем прокачки ультрадисперсной гетерофазной системы через зону электродугового разряда, а часть образовавшегося в результате плазмохимического преобразования плазмогаза вводят в циркулирующий поток для интенсификации процесса формирования ультрадисперсной гетерофазной системы. Установка плазмотермической переработки содержит плазмохимический реактор, источник электропитания, загрузочную емкость, циклон, газгольдер и гидронасос. В результате использования предлагаемого изобретения появляется возможность энергоэффективно перерабатывать промышленные, сельскохозяйственные, бытовые отходы и другие углеродсодержащие материалы независимо от их состава с более высокой степенью превращения в целевой продукт - плазмогаз.

Исходя из сделанного обзора патентных документов, было выявлено, что появление перспективных вариантов каталитического, инициированного, водородного пиролиза пока не привело к кардинальному пересмотру сложившихся представлений. Расширение сырьевой базы и спектра продуктов пиролиза, согласно большинству прогнозов, сохранит за ним ключевые позиции в биоэнергетике и в обозримом будущем.

Среди областей, в которых пиролиз биомассы может найти коммерческое применение уже сейчас, следует отметить производство тепла и электроэнергии на автономных дизельэлектрогенераторных ТЭС, оснащенных модулями термохимической конверсии отходов растениеводства и деревообработки в жидкое и газообразное топливо. Комбинация пиролизной установки и дизельэлектрогенераторного агрегата обеспечивает максимальную операционную гибкость системы. При высоких уровнях электрической нагрузки реактор пиролиза вырабатывает преимущественно пиролизный газ, который после очистки поступает в ДВС, работающий в газодизельном режиме. Имеющийся многолетний опыт эксплуатации газодизельных силовых агрегатов на генераторном газе показывает существенное улучшение экологических параметров, а также повышение моторесурса на 40-50%. Это дает основания предполагать, что использование пиролизного газа, близкого по составу к генераторному, а по некоторым экологическим показателям превосходящего его, позволит добиться высокой эксплуатационной эффективности ТЭС на основе пиролизных установок. (Чирков В.Г. Пиролиз растительной биомассы. Современное состояние и перспективы. М.: Информ. бюллетень по возобновляемой энергии для России и стран СНГ. - 2005 - 16-18 с.)

Данная схема особенно эффективно может использоваться, например, на деревообрабатывающих комбинатах, где постоянство загрузки системы отходами основного производства является важным условием непрерывности производственного цикла.

Еще одной вызывающей интерес технологией конверсии является газификация.

Газификация представляет собой сжигание биомассы при температуре 800-1500°С в присутствии воздуха или кислорода и воды с получением синтез-газа или генераторного газа, состоящего из смеси угарного газа (монооксид углерода) и водорода: возможны примеси метана и других углеводородов.

Некоторые эксперты считают, что газификация -- более перспективный и экономичный способ использования биомассы для получения тепловой энергии, чем пиролиз. Синтез-газ имеет высокий КПД тепловой конверсии. Он может употребляться для получения метанола (Разработка национального Плана развития ВИЭ в России, отчет Делегации Европейской Комиссии в России, март 2009, 42 стр., EuropeAid/1169551/C/SV/RU).

В качестве окислителя при газификации могут использоваться воздух, кислород, пар или смеси этих веществ.

При воздушной газификации производится генераторный газ с высшей теплотворной способностью 4-6 МДж/м3 (низкокалорийный газ). Этот газ можно сжигать в котлах, после очистки - в газовых двигателях или турбинах, но он не пригоден для транспортировки по трубопроводу, ввиду низкой энергетической плотности. Газификация с использованием кислорода дает среднекалорийный газ (10-12 МДж/м3), пригодный для ограниченной транспортировки по трубопроводу и для использования в качестве синтез-газа с целью получения метанола и газолина. Среднекалорийный газ (15-20 МДж/м3) может быть получен также путем паровой (пиролитической) газификации. Это двухстадийный процесс, реализуемый в двух реакторах кипящего слоя.

Наиболее широко в настоящее время применяется воздушная газификация. При этом исключаются все затраты и трудности, связанные, во-первых, с производством и использованием кислорода, во-вторых, с необходимостью двух реакторов при паровой газификации.

По типу слоя сырья и способу подвода окислителя основные технологии могут быть разделены на газификацию в плотном (неподвижном) слое с восходящим/ нисходящим/ поперечным движением газа, газификацию в кипящем слое (стационарный кипящий слой, циркулирующий кипящий слой, два реактора кипящего слоя) и газификацию в потоке. (Гелетуха Г.Г., Железная Т.А. Обзор технологий газификации биомассы // Экотехнологии и ресурсосбережение - 1998- N 2,21-29 с.)

Характерной чертой реактора с нисходящим движением газа является движение газа вниз через опускающийся плотный слой сырья. Такая технология обеспечивает получение относительно чистого генераторного газа с содержанием смол 50-500 мг/нм3. Генераторный газ может использоваться в газодизельных электростанциях небольшой мощности. В газификаторах плотного слоя с восходящим движением газа биомасса, поступающая сверху вниз, сначала просушивается генераторным газом, который движется вверх. Затем твердое сырье пиролизируется с образованием углистого вещества, которое продолжает двигаться вниз и проходит стадию газификации. Парообразные продукты пиролиза уносятся вверх горячим потоком генераторного газа. Смолы, содержащиеся в этих продуктах, конденсируются на холодном опускающемся сырье или уносятся из реактора произведенным газом. Таким образом, концентрация смол в генераторном газе увеличивается и может достигать 10-100 г/нм3. Ввиду значительного содержания смол, без дополнительной очистки газ может только сжигаться в котле, расположенном в непосредственной близости от установки. Газификаторы с поперечным движением газа в работе во многом сходны с газификаторами с нисходящим движением газа. Воздух или смесь воздуха с паром подводятся в реактор через боковую стенку в нижней части корпуса реактора. Генераторный газ отводится из реактора с противоположной стороны. Широкого распространения газификаторы данной конструкции не получили.

Отличительными особенностями газификаторов с кипящим слоем по сравнению с реакторами плотного слоя являются высокие скорости тепло- и массопереноса и хорошее перемешивание твердой фазы, что обеспечивает высокие скорости реакции и близкую к постоянной температуру слоя. Частицы сырья должны быть более мелкими, чем при газификации в плотном слое, то есть необходимо дополнительное измельчение. Реакторы с кипящим слоем - единственный вид газификаторов, работающих с изотермическим слоем сырья. Производится генераторный газ с содержанием смол 5-10 г/нм3, что является средним показателем между газификацией с восходящим движением газа и нисходящим движением газа. При газификации в циркулирующем кипящем слое частицы, унесенные из реактора потоком газа, отделяются от генераторного газа в циклоне и возвращаются обратно в слой для увеличения степени конверсии углерода. Проведенный генераторный газ в большинстве коммерческих приложений используется для сжигания в котлах. Технология газификации биомассы в кипящем слое и циркулирующем кипящем слое может быть реализована как при атмосферном, так и при высоком давлении. Установка, работающая под давлением, является существенно более сложной и дорогостоящей по сравнению с установкой с атмосферной газификацией. Преимущества этой технологии проявляются при использовании в крупных парогазотурбинных установках с внутрицикловой газификацией биомассы. В этом случае не требуется дополнительного сжатия генераторного газа перед подачей в камеру сгорания газовой турбины.

Установка с двумя реакторами кипящего слоя позволяет получить генераторный газ с более высокой теплотворной способностью, чем установка с одним реактором с кипящим слоем и воздушным дутьем. Первый реактор по своей функции близок к пиролизеру. Теплота привносится в него горячим песком, циркулирующим между двумя ректорами. Смесь генераторного газа, углистого вещества, золы и песка из газификатора поступает в циклон, где твердая фракция отделяется и попадает во второй реактор с камерой сгорания. Углистое вещество сгорает, а нагретый песок возвращается в первый реактор. Произведенный генераторный газ имеет высокую теплотворную способность, однако содержит много смол, поскольку процесс конверсии сырья близок к пиролитическому процессу.

При газификации в потоке частицы сырья захватываются потоком окислителя (обычно кислорода или пара). Образующаяся суспензия проходит по всей длине ректора, где и происходит процесс газификации. При газификации в потоке генераторный газ содержит мало смол. До настоящего времени имеется небольшой опыт работы с биомассой в таких установках. Среди других видов реакторов можно выделить:

* Реактор с движущимся слоем (горизонтальный слой, наклонный слой, многокамерная печь, печь со шнеком): механическое перемещение слоя сырья. Газификация в таком реакторе обычно является низкотемпературной.

* Вращающаяся печь: в основном используются для переработки отходов ввиду хорошего контакта газа и твердых частиц и хорошего перемешивания сырья. Необходима тщательно продуманная конструкция для избежания уноса твердых частиц.

* Циклонные и вихревые реакторы: высокие скорости движения частиц обеспечивают высокие скорости протекания реакций. Циклонные газификаторы отличаются простотой конструкции. Однако данные газификаторы лишь недавно стали применяться для конверсии биомассы, и технология еще не до конца отработана. ( Гелетуха Г.Г., Железная Т.А., Обзор современных технологий газификации биомассы. Пром. Теплотехника, 2006, т.28, №2 - 61-75 с.)

На основании проведенного анализа и обобщения информации в соответствии с поставленными перед патентным исследованием задачами составлен обзор современных научно-исследовательских разработок, опубликованных в патентной литературе, посвященных газификации биомассы.

В патенте РФ RU2433163 раскрыто изобретение, которое касается способа газификации, который разделен на три стадии: газификационный этап пиролиза и газификации (фаза пиролиза и газификации, первый этап) в газификационной печи, сжигание угля для получения декарбонизированного активного химического реагента (фаза сжигания угля, второй этап) в печи для сжигания, и очистка газифицированного газа (фаза очистки газифицированного газа, третий этап) в печи очистки газа. Благодаря передаче тепла посредством теплопередающей текучей среды и согласованности химических реакций, проходящих в разных фазах с участием химического реагента, в газификационной печи независимо устанавливается низкая или средняя температура (773-1073 К), требующаяся для газификации и обеспечивающая поглощение СO₂, а в печи очистки газа устанавливается высокая температура (1073 К или выше), требующаяся для очистки газа. Изобретение также касается устройства для газификации твердого топлива. В предложенных в настоящем изобретении способе и устройстве функция поглощения СО₂ из газа химическим реагентом для ускорения реакции газификации совмещается с функцией катализатора риформинга смол в газифицированном газе, образующихся в ходе реакции газификации, благодаря чему можно получить чистый вырабатываемый газ при высокой эффективности газификации.

Из патента ЕА015640 известна установки для газификации с ограниченными габаритными размерами, способная вырабатывать горючий газ со степенью фильтрации, достаточной для использования в современных и усовершенствованных двигателях внутреннего сгорания, а также способна обеспечить непрерывную работу при наличии инородных тел в подаваемой биомассе. Установка для газификации биомассы, содержащая газогенератор и устройство фильтрации газа, имеющее скруббер, бак и влажностный электростатический осадитель, в которой газогенератор содержит газификационный реактор типа реактора с нисходящим потоком и с открытой сердцевиной; скруббер находится в жидкостной связи с газогенератором и с баком и предназначен для ввода промывочной жидкости в поток газа, исходящий из упомянутого газогенератора; бак содержит нижнюю зону, предназначенную для сбора промывочной жидкости, и верхнюю зону, предназначенную для удержания газа, таким образом, бак предназначен для получения газа и промывочной жидкости и разделения их с помощью силы тяжести; влажностный электростатический осадитель находится в жидкостной связи с верхней зоной упомянутого бака таким образом, чтобы принимать только упомянутый газ. Таким образом, описанная установка позволяет получить необходимую степень фильтрации газообразных продуктов для непрерывной работы установки и использование указанных продуктов в двигателях внутреннего сгорания.

В заявке на патент ЕА201100042 описана установка для получения тепловой энергии из твердого топлива на основе биоресурсов, содержащая блок брикетирования топлива, включающий бункеры для хранения различных видов биоресурсов и дозаторы для подачи биоресурсов каждого вида из бункеров в устройство для брикетирования топлива, блок управления и блок газогенераторных установок для получения тепловой энергии. Блок газогенераторных установок состоит из газогенераторов периодического действия. Установка позволяет без усложнения конструкции в 1,5-2 раза снизить энергетические затраты на производство теплоносителя, исключить затраты на производство избытков твёрдого топлива и теплоносителя и повысить уровень пожаробезопасности при их хранении.

В публикации РСТ WO2012022841 раскрыта информация о способе газификации биомассы, который состоит из следующих стадий: биомасса подается в топочную камеру; в ту же камеру подается и находящийся под давлением, обогащенный кислородом генераторный газ; процесс горения в топочной камере происходит при повышенном давлении без добавления кислорода или повышения температуры, так чтобы процесс газификации биомассы продолжался с содержанием кислорода 0,1-1,0 в стехиометрическом соотношении с содержанием кислорода, в виду того, что кислород поддерживает процесс горения и избыточное давление и теплообмен, полученные в топочной камере, полностью отводят из процесса пиролиза органических отходов с генераторным газом, а также из реакции газификации между загруженным материалом и генераторным газом; зольный остаток удаляется, а топочные газы, полученные в течение процесса газификации в топочной камере, вместе с твердыми частицами в их составе направляются на процесс сепарации; в процессе сепарации температура топочного газа становиться ниже температуры воспламенения частиц, входящих в состав топочного газа и ниже температуры конденсации воды, таким образом, вода удаляется, жидкое топливо также удаляется из топочного газа и генераторный газ, полученный из топочного, полностью или частично направляется в топочную камеру. Газификационная установка, согласно изобретению, имеет в своем составе герметичную топочную камеру для удаления инородных частиц из топочного газа для непрерывной работы установки и использование указанных продуктов в двигателях внутреннего сгорания.