Содержание к диссертации
Введение
1 Мировой опыт и перспективы разработки систем региональной энергетики на биомассе 13
1.1 Современные тенденции развития топливной энергетики 13
1.1.1 Изменение структуры топливо - энергетического баланса 13
1.1.2 Потенциал развития «зеленой» энергетики Афроазиатского региона (на примере Ирака) 15
1.1.3 Развитие распределенной генерации и либерализация энергетических рынков 20
1.1.4 Эффективность современных технологий РГЭ 21
1.2 Современные технологии энергетического использования биомассы 24
1.2.1 Сжигание биомассы на паросиловых ТЭС 24
1.2.2 Использование биомассы в когенерационных энергоустановках 25
1.2.3 Энергоустановки с газификаторами плотного слоя биомассы и ДВС 26
1.3 Энергетические и экологические характеристики работы ТЭС-ДВС на биомассе 31
1.3.1 Энергетические характеристики 31
1.3.2 Экологические характеристики 34
1.3.3 Нормирование выбросов 36
1.3.4 Способы уменьшения выбросов 37
1.4 Подготовка топливного генераторного газа к использованию в когенерационных энергоустановках 38
1.4.1 Требования к качеству синтетического топливного газа 39
1.4.2 Снижение содержания смол и сажи методами газоочистки 41
1.4.3 Получение кондиционного силового газа внутриреакторными методами 43
Выводы и задачи исследования 48
2 Методика экспериментов и установки 51
2.1 Свойства исследуемых топлив 51
2.2 Экспериментальные установки 56
2.3 Порядок проведения опытов и исследуемые параметры 64
2.4 Оценка погрешностей экспериментов 70
3 Исследование теплотехнических характеристик и специфики процессов пиролиза и газификации одиночной частицы 74
3.1 Определение влияния температуры и времени прокалки на выход смолистых веществ из топлива 74
3.2 Визуальные наблюдения за процессом термоудара при температурах выше 600 С 77
3.3 Исследование кинетики прогрева индивидуальной частицы в условиях термоудара 79
3.4 Перегрев топливных частиц в условиях термоудара 84
4 Исследование специфики пиролиза и газификации группы частиц в слое 86
4.1 Исследование кинетики прогрева группы частиц 86
4.2 Сжигание неочищенного пиролизного газа в вихревой горелке 103
4.3 Разработка технологии получения кондиционного газа для малой ТЭС-ДВС на базе внутриреакторных процессов 109
5 Разработка упрощенной методики теплового расчета газогенератора обращенного типа и двигателя для малой ТЭС-ДВС на биомассе 118
5.1 Определение эксплуатационных характеристик опытно-промышленной ТЭС-ДВС с газификатором обращенного процесса 118
5.2 Разработка упрощенной методики теплового расчета газогенератора обращенного типа и двигателя для малой ТЭС-ДВС на биомассе 128
Выводы по работе 144
Литература 145
Приложения 156
- Потенциал развития «зеленой» энергетики Афроазиатского региона (на примере Ирака)
- Получение кондиционного силового газа внутриреакторными методами
- Исследование кинетики прогрева индивидуальной частицы в условиях термоудара
- Разработка технологии получения кондиционного газа для малой ТЭС-ДВС на базе внутриреакторных процессов
Введение к работе
Энергия - это материальная основа развития человеческой цивилизации. С ее рациональным использованием связано будущее Земли.
Прогнозы развития мирового энергохозяйства предсказывают опережающие темпы роста потребления электроэнергии по сравнению с темпами роста энергопроизводства. В настоящее время в мировой практике сформировались следующие основные тенденции в энергопроизводстве.
Изменение структуры топливно-энергетического баланса в сторону использования твердых топлив: углей, местных ТЭР, биомассы и отходов, а так же использование нетопливного потенциала. Уголь значительно уступает природному газу и нефти по затратным и экологическим показателям. Поэтому, в частности, . за последнее столетие в общем объеме энергопотребления произошло резкое снижение доли угля и другого твердого топлива.
Однако, в связи с сокращением ресурсов нефтяного и газового сырья энергетическое и технологическое использование твердых горючих ископаемых за рубежом вновь расширяется, начиная с 70-хх годов. Экологически небезопасные виды твердого топлива типа сернистых углей, сланцев находят применение преимущественно в сфере большой энергетики, где экономически целесообразно использование материалоемких и дорогостоящих технологий снижения вредных выбросов. В сфере малой распределенной энергетики значительная роль принадлежит возобновляемым топливам растительного происхождения (биомасса), как наиболее экологичным и позволяющим использовать упрощенные методы очистки газа.
Изменение структуры энергоснабжения — развитие системы распределенной генерации энергии, действующей наравне со станционной энергетикой на уровне распределительных сетей. Централизованное производство вторичных энергоносителей, являясь основным системообразующим способом, остается при правильной его организации и использовании современных технических решений наиболее экономически эффективным в масштабах крупного промышленного региона и страны в целом. Оба способа производства энергии - централизованный на крупных станциях (станционная энергетика) и распределенный на местных (завод, поселок, коттедж) - будут симбиотически существовать в мировом сообществе в ближайшей перспективе.
Для стран и территорий с экспортно ориентированной экономикой (Ирак, в России - Ханты-Мансийский автономный округ) это позволит повысить уровень жизни населения с одновременным высвобождением для экспортных поставок кондиционного топлива в размере 1-2 т.у.т./ (чел-год). Для стран и территорий с импортно ориентированной экономикой (Япония, в
России - регионы, обеспечиваемые Северным завозом) расширение использования МТЭР позволит снизить энергозависимость, повысить энергообеспеченность и энергобезопасность территории. Для развивающихся стран Афроазиатского региона это часто единственный реальный путь развития региональной энергетики.
Возобновляемая энергия биомассы занимает важное положение среди МТЭР и играет решающую роль в мировой энергетической структуре.
Твёрдые топлива (уголь, биомасса) выступают в качестве «моста в будущее» мировой цивилизации, обеспечивая плавный переход от топливной энергетики к другим, новым, недоступным пока человечеству видам энергии.
Изменение технологии энергетического использования твёрдых топлив,-развитие современных чистых твердотопливных технологий (угольных и др.) на базе жидкотопливных и газотопливных энергетических установок ГТЭУ (ПГУ, ДВС, ГТУ, ТЭ) с конкурентоспособными показателями. В США, Европейском союзе, Японии, странах Юго-Восточной Азии выполняются крупные межнациональные и национальные программы по внедрению экологически чистых технологий энергетического использования твёрдых топлив в газовом силовом цикле.
Одним из основных направлений развития «зеленой» энергетики является использования биомассы для выработки тепловой и электрической энергии в когенерационных газотопливных энергоустановках с внутрицикловой газификацией. Газификация биомассы представляет конкурентоспособную альтернативу методу прямого сжигания топлива для выработки электроэнергии.
Основной проблемой при использовании биомассы для производства энергии в газотопливных энергоустановках является значительное смолосодержание генерируемого газа , поскольку смолы , содержащиеся в газе, приводят к быстрому старению смазочного масла, закоксованию, коррозии и износу двигателя. Поэтому к содержанию смол в очищенном газе, предназначенном для использования в газоиспользующей энергоустановке, предъявляются жесткие требования.
Выделяют две основные группы методов снижения забалластирования газа смолами: первичные (крекинг смол в газогенераторе под воздействием температуры, в том числе с использованием катализатора в газифицируемом слое); вторичные (очистка продукт-газа после газогенератора в специальных газоочистных устройствах, в том числе с использованием катализатора в отдельном аппарате плотного или кипящего слоя).
К вторичным методам относится использование оборудования, отработанного в станционной энергетике: мокрые скрубберы, электрофильтры, зернистые и рукавные фильтры, циклоны, выносные каталитические реакторы. Вторичные методы удаления смол из продукт-газа обладают высокой эффективностью (~100% газоочистки), однако сложны в эксплуатации, капиталоемки (для малых установок) и часто экологически несовершенны.
Первичные методы в настоящий момент в мире интенсивно изучаются и внедряются с нарастающим положительным эффектом. Однако, судя по динамике изменений и получаемым результатам, потенциал по разработке первичных методов сохраняется значительный. В частности, практически не разработаны процессы газификации специфических биотоплив с ухудшенными теплотехническими характеристиками типа косточковой биомассы Афроазиатского региона.
Актуальность темы. Настоящая работа позволяет создавать надежные компактные когенерационные мини-ТЭС-ДВС на местном биотопливе при сниженных массогабаритных и улучшенных эксплуатационных характеристиках по сравнению с мировыми и российскими аналогами. Особенно актуальны вопросы повышения эффективности и надежности малых ТЭС на высокосмольных топливах типа косточковой биомассы Афроазиатского региона. Наиболее перспективным путем решения этой проблемы является применение первичных методов очистки топливного газа, разработанных на основе системного анализа и декомпозиции процессов газификации.
Работа выполнена в соответствии с программой ЕС в области биоэнергетики «FP-6-Устойчивые энергетические системы», ФЦП РФ «Энергоэффективная экономика» и Программой развития ветроэнергетики ОАО РАО «ЕС России», Программой обновления основного оборудования ТЭС РАО «ЕЭС России» на период до 2010 года и направлена на разработку высокоэффективных газификационных когенерационных энергоустановок малой мощности на базе ДВС. для биотоплив со специфическими теплотехническими характеристиками.
Цель настоящей работы состоит в повышении эффективности производства газообразного топлива из биомассы Афроазиатского региона для выработки электрической и тепловой энергии в когенерационных энергоустановках с внутрицикловой газификацией.
Задачи исследования
1 Провести исследование теплотехнических свойств и специфики процессов пиролиза и газификации косточковой биомассы Афроазиатского региона.
Разработать элементы многостадийной технологии и алгоритм внутриреакторных процессов получения низкосмольных и малосажистых горючих газов из косточковой биомассы для когенерационных газопоршневых энергоустановок малой мощности с однокорпусным газификатором.
Разработать и апробировать на опытно-промышленной установке упрощенную методику теплового расчета газогенератора обращенного типа и двигателя для малой ТЭС-ДВС на биомассе с газопоршневым двигателем
Дать рекомендации по разработке гибкой и надёжной газопоршневой энергоустановки на косточковой биомассе, характеризуемой повышенными энергетическими и экологическими характеристиками и пониженной капиталоёмкостью.
Достоверность и обоснованность результатов подтверждается применением современных методов системного анализа, соответствующей точностью систем измерений контролируемых параметров, удовлетворительным совпадением тестовых экспериментальных данных, полученных на испытательных стендах и промышленном оборудовании, с общеизвестными результатами, получением ряда данных на сертифицированном оборудовании по гостированным методикам.
Научная новизна:
Осуществлен анализ местных топливно-энергетических ресурсов (ТЭР) Афроазиатского региона на примере Ирака, определены возможности их применения в когенерационных энергоустановках.
Выполнен детальный анализ способов использования новых элементов технологии газификации биотоплив в мировой энергетике.
Выявлена специфика энергетических и экологических характеристик работы энергоустановок с газовыми двигателями на биотопливе.
Получены теплотехнические характеристики косточковой БМ -типичного представителя возобновляемых МТЭР Афроазиатского региона.
Выявлены особенности пиролиза и газификации косточковой БМ.
Опробована методика декомпозиции термохимических процессов в маломасштабной установке с плотным зернистым слоем.
Разработан и апробирован в лабораторном и полупромышленном масштабе алгоритм низкосмольной малосажистой газификации косточковой БМ.
Практическая значимость
1 Разработан универсальный лабораторный стенд с автоматизированной системой контроля, регулирования, сбора и обработки данных для исследования многоступенчатых процессов термохимической подготовки БМ к сжиганию в газоиспользующей установке, предназначенный, в том числе, для использования в учебном процессе.
Разработана технология малосмольной газификации высокосмольной косточковой биомассы.
Разработана конструкция однокорпусного газификатора косточковой БМ с глубокой конверсией углеводородов и сажи.
Выявлены экологические проблемы работы газопоршневой энергоустановки на генераторном газе.
Разработана упрощенная методика теплового расчета газогенератора обращенного типа и двигателя для малой ТЭС-ДВС на биомассе
Реализация. Полученные данные использованы в ОАО «УРАЛТРАНСГАЗ», ПО «Энергогазремонт»; Организации по охране окружающей среды Киркукской области (Ирак); ООО Уральский «дизель-моторный завод».
На защиту выносятся:
Методика лабораторных исследований и результаты.
Результаты исследования теплотехнических характеристик косточковой биомассы.
Результаты исследования особенностей пиролиза и газификации косточковой биомассы.
Результаты сравнительного анализа термохимических процессов косточковой биомассы и топлив других видов биотоплив.
Технология низкосмольной малосажистой газификации в однокорпусной установке.
Методика упрощенного теплового расчета газогенератора обращенного типа и двигателя для малой ТЭС-ДВС на генераторном газе из биомассы.
Личный вклад автора состоит в формировании основных предпосылок исследования и разработке методик анализа, в непосредственном проведении комплекса исследований и обобщении их результатов, в проведении стендовых испытаний традиционного и вновь разрабатываемого газогенератора и в разработке способа подготовки и первичной очистки генераторного газа для использования в энергоустановке с газовым двигателем.
Апробация работы. Основные материалы диссертационной работы обсуждены и доложены на: IV Всероссийском совещании-выставке по энергосбережению (г. Екатеринбург, 5-9 апреля 2004 г.), Шестой всероссийской конференции «Экологические проблемы промышленных регионов» (г. Екатеринбург, 10-12 марта 2004 г.), Второй российской национальная конференция по теплообмену «Тепломассообмен и гидродинамика в закрученных потоках» (г. Москва, 15-17 марта 2005 г.), V Всероссийском совещании-выставке по энергосбережению (г. Екатеринбург, 21-23 марта 2005 г.), Всероссийском молодежном научном симпозиуме «Безопасность биосферы» (г. Екатеринбург, 4-5 мая 2005 г.), 3-ем Международном Симпозиуме «Горение и плазмохимия» (г. Алматы, 24-26 сентября 2005 г)., IV семинаре ВУЗов Сибири и Дальнего Востока по теплофизике и теплоэнергетике (г: Владивосток, 2005 г.), 15-ой Школе-семинаре молодых ученых и специалистов под руководством академика Леонтьева А.И. (г. Калуга, 2005 г.), 4-ой Всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Энергетика: управление, качество и эффективность использования энергоресурсов» (г. Благовещенск, 2005 г.), VI Всероссийском совещании-выставке по энергосбережению (г. Екатеринбург, 21-25 марта 2006 г), международном научном семинаре «Современные технологии горения и аэротермодинамики» (г.Киев, Украина, 15-19 мая 2006 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликована 41 печатная работа, в том числе 13 статей в реферируемых изданиях.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы из 163 наименований и приложений. Общий объем диссертации 155 страниц, в том числе 81 рисунков, 35 таблиц.
Автор выражает глубокую благодарность научному руководителю профессору, доктору технических наук Рыжкову А.Ф., который великодушно потратил значительное время на чтение предварительных вариантов рукописи и сделал много ценных замечаний. Автору также приятно поблагодарить зам. заведующего кафедрой «ТЭС» ГОУ ВПО «УРАЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ» доцента к.т.н. Богатову Т.Ф. и весь коллектив кафедры «ТЭС» за постоянное внимание и помощь в ходе выполнения всей работы. Очень помогали в работе асе. Силин В.Е., коллективы кафедр «ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ», русского языка и всего теплоэнергетического факультета, за что автор выражает им свою глубокую признательность.
Потенциал развития «зеленой» энергетики Афроазиатского региона (на примере Ирака)
Прогнозы развития мирового энергохозяйства предсказывают опережающие темпы роста потребления электроэнергии по сравнению с темпами роста энергопроизводства. Особенностями современного этапа, определяющими развитие мировой энергетики, является ратификация многими странами Киотского протокола, появление на рынке современного энергетического оборудования и технологий. В настоящее время сформировались следующие основные тенденции в энергопроизводстве [1,2]. Изменение структуры топливно-энергетического баланса в сторону использования твердых топлив: углей, местных ТЭР, биомассы и отходов. Изменение структуры энергоснабжения в сторону РГЭ и либерализации энергетических рынков. Изменение технологии энергетического использования твёрдых топлив. Применение современных газогенераторных технологий в когенерационных энергоустановках. Данные тенденции в высокой степени взаимосвязаны. Как об одной из взаимосвязей можно говорить о том, что необходимость вовлечения в топливный баланс низкосортных местных углей и биомассы стимулирует развитие систем локальных энергоисточников, расположенных близко к месту добычи. Необходимость экологической и экономической эффективности функционирования таких энергоисточников требует развития современных технологий использования твердых топлив в эксергетически наиболее эффективном газовом силовом цикле.
Анализ развития мировой энергетики показывает, что и в середине XXI века в ней сохранится доминирующая роль энергоресурсов органического происхождения, и в первую очередь - уголь (рис. 1.1). При этом их суммарная добыча за период 1986-2020 гг. составит 390-430 млрд. т условного топлива или удвоится по сравнению с аналогичным по длительности предшествовавшим периодом 1950-1985 гг. Тем не менее глобальная обеспеченность энергоресурсами перспективного развития энергетики не вызывает опасений [3].
Уголь значительно уступает природному газу и нефти по затратным и экологическим показателям. Поэтому, в частности, за последнее столетие в общем объеме энергопотребления произошло резкое снижение доли угля и другого твердого топлива. Однако, в связи с перспективой сокращения ресурсов нефтяного и газового сырья энергетическое и технологическое использование твердых горючих ископаемых за рубежом вновь расширяется, начиная с 70-хх годов.
Экологически небезопасные виды твердого топлива типа сернистых углей, сланцев находят применение преимущественно в сфере большой энергетики, где экономически целесообразно использование материалоемких и дорогостоящих технологий снижения вредных выбросов. В сфере малой распределенной энергетики значительная роль будет принадлежать возобновляемым топливам растительного происхождения (биомасса), как наиболее экологичным и позволяющим в ряде случаев использовать упрощенные методы очистки газа.
Все страны мира в той или иной степени разрабатывают вопросы развития энергетики на местных топливных ресурсах и биомассе (рис. 1.2). Мировая практика показывает, что при переработке древесины образуется более 50% древесных отходов. Из этого количества отходов более 50% может быть использовано для производства энергии. Например, в Дании, 25% тепловой энергии производится на пеллетированном древесном топливе.
Для развитых стран перевод региональной энергетики на эти топлива направлен на создание недостающего звена в системе энергоснабжения распределенной системы генерации энергии на базе экологически безопасных локальных энергоисточников, действующих на уровне распределительных сетей. Для стран с «угольной» энергетикой это позволяет поднять эффективность и экологичность региональных энергосистем. Для стран и территорий с экспортно ориентированной экономикой (Ирак, в России - Ханты-Мансийский автономный округ) это позволит повысить уровень жизни населения с одновременным высвобождением для экспортных поставок кондиционного топлива в размере 1-2 т.у.т./ (чел-год). Для стран и территорий с импортно ориентированной экономикой (Япония, в России -регионы, обеспечиваемые Северным завозом) расширение использования местных топлив и биомассы позволит снизить энергозависимость, повысить энергообеспеченность и энергобезопасность территории. Для развивающихся стран Афроазиатского региона это часто единственный реальный путь развития региональной энергетики [2].
Т.о.биомасса как источник энергии способствует «мягкому» разрешению растущих глобальных противоречий между увеличением спроса и снижением количества традиционных источников первичной энергии, улучшает состояние окружающей среды и в целом выступает (по образному выражению К.Л.Уилсона [5]) в качестве «моста в будущее» с мировой цивилизации, обеспечивая плавный переход от органического сырья к новым источникам -солнечной, ядерной и другим недоступным пока человечеству принципиально новым видам энергии.
Возобновляемая энергия биомассы занимает важное положение и играет решающую роль в мировой энергетической структуре. Согласно статистике, одна десятая часть общего мирового энергетического потребления приходится на биомассу [7]. В развивающихся странах, особенно в африканских и азиатских регионах, доля биомассы в общем энергетическом потреблении существенно выше среднего. Около 1,5 миллиардов мирового населения используют биомассу как главный энергетический ресурс. Вопрос, которому начинают уделять всё большее внимание - как повысить эффективность использования биомассы в 21 веке как возобновляемого энергоресурса.
В настоящее время страны Азии, Африки и Латинской Америки потребляют свыше 75% тепло- и электроэнергии, выработанных из древесного топлива, от мирового уровня. Большая часть из этого количества расходуется на внутреннее отопление.
Основными источниками топливной биомассы в странах Азии, Африки и Ближнего Востока являются солома зерновых культур, рисовая шелуха, отходы сахарного тростника и остатки производства пальмового масла (табл. 1.1). Они важны как для бытового, так и для промышленного секторов экономики [8]. Так, в Таиланде отходы сахарного тростника и рисовая шелуха составляли в 1995 соответственно 7,9% и 1,6% от общего энергопотребления в стране. В 1989-1990 сельскохозяйственные отходы в Индонезии составляли 7-8% в 1992, в Малайзии 15-16% в 1990 и на Филиппинах около 12%. Эти ресурсы потребляются в основном в промышленном секторе (производство пальмового масла, кокосов, сахара и дробленого риса). В бытовом секторе биомасса в форме отходов сельскохозяйственного производства играет также важную роль, в особенности на территориях, где лес, как источник энергии, имеется в малых запасах.
Получение кондиционного силового газа внутриреакторными методами
Мини-теплоэлектростанции предназначены для энергоснабжения жилых домов и промышленных объектов. Мини ТЭС-ДВС представляет собой малогабаритный блок, состоящий из поршневого двигателя внутреннего сгорания, работающего на газе, и синхронного или асинхронного генератора. При работе газового двигателя тепло, выделяемое «рубашками» цилиндров, и тепло уходящих газов используется для теплоснабжения (нагрев воды до температуры 70-90С). Вырабатываемая электроэнергия напряжением 400/23 В и частотой 50 Гц направляется потребителю или передается во внешнюю сеть. Таким образом, теплофикация становится рентабельной и на небольших установках до 30 МВт [27].
Половина ТЭС-ДВС, эксплуатируемых за рубежом, работает в базовом режиме, остальные - в полупиковом и пиковом. Известно, что западные страны широко пользуются децентрализованным энергоснабжением. В США это- домовые блок-ТЭЦ мощностью 20-2200 кВт, в Великобритании - мини-ТЭЦ мощностью до 10 МВт.
В настоящее время в мире наблюдается устойчивая тенденция к использованию в качестве силовых установок для тепловых электростанций средней мощности малооборотных четырехтактных дизельных двигателей.
Они обладают в настоящий момент самым высоким КПД по сравнению с КПД других тепловых машин, традиционно применяемых при строительстве электростанций. Термический КПД малооборотных дизелей в диапазоне 5-25 МВт, наиболее оптимальном при строительстве дизельных электростанций, близок или превышает 50%, в то время как у газовых и паровых турбин КПД в этом диапазоне не превышает 35%.
Возможность использования энергии отработавших газов и теплоты системы охлаждения повышают общее использование энергии сжигаемого топлива до 87%. Достоинства мини ТЭЦ-ДВС: экономичность ДВС наибольшая среди тепловых двигателей, малая потребность в воде, быстрый запуск, малые размеры конструкций и сооружений для основного и вспомогательного оборудования, возможность полной автоматизации процесса, немногочисленный штат, экологичность (в случае использования газа как топлива), высокий КПД сравнительно с ГТУ или ПГУ в такой же мощности, практически неограниченное число пусков-остановов. Для выработки электрической и тепловой энергии на базе двигателей внутреннего сгорания (ДВС) из биомассы (БМ) путем газификации могут быть использованы: газодизельные установки (ГДУ) или газопоршневые установки с искровым зажиганием на чистом газе (ГПУ). Топливом для малооборотных дизелей, наряду с любыми тяжелыми сортами нефтяного топлива, может служить синтез - газ, получаемый при газификации БМ. В связи с невысокими оборотами коленчатого вала двигателя электростанции обладают низким уровнем шума и вибрации. В современных мини-ТЭЦ-ДВС применяются два типа газогенераторов: плотного (ПС) и кипящего (КС) слоя. Газификация БМ в плотном слое с использованием генераторного газа в ДВС - привлекательная возможность генерации тепловой и электрической энергии в диапазоне мощностей 1-2 МВтт. В данной технологии лучше применять слоевой газификатор обращенного процесса ГОП с противотоком газа и газифицирующего агента, так как в любом случае содержание смол составит около 1 г/нм3. Использование генераторного газа как моторного топлива для получения механической энергии в ДВС не ново. В период второй мировой войны в Европе и России почти миллион средств передвижения использовал газификацию биомассы. Однако требования к топливному газу того времени были низкие. В 1971 г. компанией S.E.M.T. (Франция) были начаты новые исследования по сжиганию в ДВС генераторных газов, получаемых при газификации твердых топлив (биомассы, угля, горючих отходов). При использовании таких газов для сохранения мощности ДВС оказалось необходимым производить наддув и увеличивать массовый расход газовоздушной смеси, соответствующим образом подбирать отношение давлений и температуру воспламенения; сжимать не газ и воздух в отдельности, а подготовленную газо-воздушную смесь. В настоящее время модифицированные ГПА, конвертированные для работы на генераторном и других синтетических газах, помимо Франции, изготавливают в США, Финляндии, Великобритании, Австрии, Испании, Китае [34]. На их базе в мире создано большое количество малых, в основном, демонстрационных современных газогенераторных МИНИ-ТЭС-ДВС (приложение 3). Из них около 50 проектов находится в Европе. Большинство их расположено в Скандинавских странах (18), государствах Бенилюкс (7), Великобритании (8), Германии (7), Швейцарии (6), Австрии и Италии (3), Франции и Испании. Представленные проекты описывают стадии использования и пути развития данных технологий [36]. Поскольку финансирование проектов производится из частных средств, детальной информации по ним во многих случаях не имеется. Индийским Институтом Науки (IISc) DASAG создана установка с ГОП с открытым верхом и боковым вводом воздуха, необходимого для уменьшения содержания смолы в газе. Газогенератор работает на незагрязненном древесном топливе. Демонстрационная установка мощностью 330 кВтт и 100 кВтэ установлена в Chatel-St-Denis. Установка оборудована швейцарской системой очистки газа и 6 цилиндровым газовым двигателем Liebherr. Фактическая электрическая мощность - 55 кВтэ. Эффективность установки - 24 %. До ноября 1999 установка проработала 700 часов. При подаче частиц биомассы размером до 8 см газ имеет состав: 18% СО, 13% С02, 2 % СН4, 18 % Н2, 15 % Н20, 34 % N2, 50 мг/нм3 смол, и 700 мг/нм3 микрочастиц [4, 35]. Принципиальная схема этой установки с системой мокрой газоочистки и песочным фильтром для удаления смол представлена на рис. 1.7. Из-за отсутствия автоматики и производства побочных продуктов установка не соответствует европейским стандартам. двигатель с турбонаддувом фирмы Kirloskar на 50 кВтэ. Топливом для газогенератора служат брикеты биомассы или дрова. Для получения малосмольного газа в газогенераторе применен многозонный ввод (по вертикали) воздуха. Система очистки газа включает ряд последовательных компонентов, в том числе горячий газовый фильтр и каплеочиститель тумана. Россия и страны СНГ. В России газогенераторные установки, работающие на растительной биомассе, широко применялись в 30-50-х годах 20-го века. В этот период были разработаны и изготавливались стационарные и транспортные установки мощностью от 12,4 до 300 кВт. В начале 60-х годов с ростом добычи нефти и природного газа производство газогенераторных установок на древесном топливе было прекращено. Основное внимание в последующие годы уделялось разработке двигателей на природном газе. В настоящее время для выработки электроэнергии в малых масштабах на местных твердых топливах отработанных решений, пригодных для широкого тиражирования, в России не существует [44]. Разработкой современных конструкций энергоустановок с ГОП на базе ДВС в СНГ занимаются: Разработкой современных конструкций ГГ обращенного процесса для Мини - ТЭС на базе ДВС в СНГ занимаются: АО «Энерготехнология» (г.С.-Петербург) [45], Институт технической теплофизики Академии наук Украины (ИТТ НАНУ) [46], НПО «Инверсия» (г. Екатеринбург) [47], АО «ГАЗГЕНЭнерго АИ» (г. Екатеринбург) [48], ГОУВПО УГТУ-УПИ (г. Екатеринбург) [49]. Все они находятся в стадии разработки и опытно-промышленных испытаний.
Исследование кинетики прогрева индивидуальной частицы в условиях термоудара
Максимальное упрощение требований к системе очистки является необходимым при проектировании установок для нужд РГЭ. Поэтому наиболее экономически эффективными в области электрических мощностей до 30 МВт являются первичные способы очистки газа от смол и сажи, основанные на термическом крекинге смол непосредственно в газогенераторе. Первичные методы могут быть определены как меры, принимаемые в процессе газификации для предотвращения образования смол и сажи в газогенераторе (рис. 1.13, б). В настоящее время первичные методы изучены не достаточно хорошо, но они вполне осуществимы в коммерческом плане. Одним из важных преимуществ такой схемы является уход от «мокрых» систем газоподготовки, что снижает материалоёмкость технологичекого оборудования в 1,5-2 раза и повышает экологичность работы станции. В данном случае необходима только очистка газа от минеральных частиц в системе газоочистки (ГО).
В настоящее время известны следующие варианты реализации термического способа получения бессмольного газа: однокорпусные, для мини-ТЭС электрической мощностью до 500 кВт, включающие: о прямой процесс с рециркуляцией парогазов в область высоких температур, о обращенный процесс и его вариации с двумя зонами горения (отечественный и зарубежный двухзонный), многокорпусные (декомпозиция), для мини-ТЭС электрической мощностью свыше 500 кВт. Известный ранее процесс рециркуляции парогазов под колосниковую решетку (обратная связь по массе, например, в газогенераторе типа «Pinch») в силу необходимости дополнительного сложного оборудования (высокотемпературная воздуходувка и/или система трубопроводов на засмоленном газе, сложность управления) не нашел применения для производства энергии. Опыт эксплуатации газогенераторов прямого процесса с рециркуляцией парогазов на торфе [99] выявил малую надежность и сложность в эксплуатации системы рециркуляции смол. Содержание смол в продукт-газе такого газификатора 500 мг/нм3 (как в газификаторе обращенного типа). В настоящее время на Украине на уровне балансовых расчетов разработана схема установки большой мощности на угле по этому принципу [100] с комплексной очисткой газов от смол и соединений серы в дополнительных аппаратах кипящего слоя с известняком. В [101] разработана установка газификации биомассы в обращенном процессе с частичной рециркуляцией и дожиганием пиролизных газов. Пары и газы из зоны пиролиза отбираются воздушным инжектором и сгорают. Полученные дымовые газы подаются в слой полукокса (уголь) и частично возвращаются в зону пиролиза, повышая полноту разложения смол в противоточной зоне восстановления, а частично уходят в прямоточную зону восстановления на газификацию. Результаты испытаний такой установки показывают содержание смол на уровне 100 мг/нм3. Для получения силового генераторного газа с низким содержанием смол целесообразно оказалось производить декомпозицию процесса газификации по естественным стадиям с выделением зон в отдельные агрегаты или узлы установки. Двухстадийная газификация биомассы Для получения чистого газа весьма эффективна двухстадийная газификация. В основе этой концепции лежит разделение зон пиролиза и газификации (восстановления). Смолы, сформированные в процессе пиролиза (первая стадия) разлагаются в зоне газификации (восстановления) (вторая стадия). В разработке Датского Технического Университета (ДТУ) пиролизер и газификатор соединены в один агрегат (блочная компоновка), как показано на рис. 1.14 [97]. Между зоной пиролиза и зоной газификации находится свободное (надслоевое) пространство, в котором выходящие из зоны пиролиза летучие частично окисляются, а коксовый остаток проходит эту зону транзитом. Вследствие этого смолы распадаются в газе. Между пиролизом и газификацией парогазовые продукты пиролиза частично окисляются кислородом добавляемого воздуха. При этом содержание смол в летучих компонентах уменьшается в 100 раз, выделяемая тепловая энергия используется для газификации. Когда частично окисленные продукты пиролиза проходят через слой коксового остатка, содержание смолы уменьшается примерно еще в 100 раз. Конечное содержание смолы в полученном сыром газе составляет меньше 15-35 мг/нм3. Низкое содержание смол обязано неполному сгоранию пиролизных газов и каталитическому эффекту угольного слоя. Конверсия угля составляет 70-90 %.Содержание смол в газе после фильтрации составляет около 5 мг/нм3. Henriksen [101] сообщает об успешной демонстрации этого газогенератора (50 кВт) для газификации соломы. Brandt [102] упоминает о применении аналогичного реактора (100 кВт) для газификации древесной щепы. Предложенная технология позволяет использовать топливо любой влажности, при этом, чем она больше, тем более эффективно проводится газификация. При сухом топливе (рабочая влажность менее 30%) осуществляется дополнительная добавка пара. Установка предназначена для работы на мелкой биомассе (стружка; щепа). Выполненные по двухстадийной технологии энергоустановки с ДВС при N3 500 кВт имеют удельные капитальные затраты около 3000 $/кВт (что пока ставит их по себестоимости продукции в один ряд с установками нетопливной энергетики и SOFC (3000-4000 $/кВт)). При меньших мощностях следует изыскивать иные варианты. Многозональные технологии Подача вторичного воздуха в газогенератор даёт заметный эффект снижения содержания смол. Кроме того, она позволяет получить более высокую температуру. В Азиатском Техническом Институте (АТИ) по технологии ДТУ изучался на установке малой мощности процесс двухзонной газификации биомассы [103]. В этой установке все стадии газификации протекают в плотном слое топлива, как это принято в традиционных газогенераторах обращенного процесса. При этом частичное окисление летучих проводится в межкусковом пространстве. На рис. 1.15 представлена концепция двухстадийной газификации, разработанная в АТИ. Исследования показали, что при использовании двухзонного процесса газификации древесины при определённых условиях может быть получен генераторный газ, содержание смол в котором в неочищенном состоянии будет составлять 50 мг/нм3. Этот процесс принципиально отличается от известного классического двухзонного процесса, в котором вторичный воздух подаётся под колосниковую решётку с целью повышения температуры в зоне газификации и уменьшения мехнедожога.
Разработка технологии получения кондиционного газа для малой ТЭС-ДВС на базе внутриреакторных процессов
На установке №1 исследовались: кинетика прогрева индивидуальных частиц топлива при равных температурах греющей среды, но разных скоростях нагрева: термоудар со скоростью прогрева частицы в диапазоне 10-90 С/мин (соответствует загрузке в аппараты кипящего или плотного слоя при периодической загрузке) и медленный прогрев совместно с печью со скоростью 10-20 С/мин (соответствует опусканию частицы топлива в плотном слое в швелыпахте типового газогенератора).
В образце (чипе, косточка) до середины длины создавался канал d=3 мм, в котором размещалась термопара Tj (тип ХА) с корольком диаметром d=\ мм, что в 7-Ю раз меньше диаметра исследуемой частицы. При этом отвод тепла от частицы по термоэлектродам не превышает 5% от тепловыделения. Термоэлектроды термопары d=0,5 мм размещены в фарфоровых изоляторах а?=3 мм. Расстояние поверхности образца от стенки муфеля составляло 20-25 мм. Методика аналогична приведенной в п. 4.1.1.7 ГОСТ 12.1.044-89. Применить данную методику к пеллетам не представлялось возможным в силу их значительной крошимости.
При термоударе муфель предварительно прогревался до заданной температуры (из исследуемого интервала 100-800 С с шагом 100 С), затем в него помещался образец с термопарой в центре. При медленном прогреве образец с термопарой помещался в холодную печь и нагревался совместно с ней. Показания термопары фиксировались с интервалом 15 или 30 с. Образцы для изучения влияния температуры нагрева на различные характеристики готовились в керамических тиглях в двух вариантах: в открытом тигле - режим окислительного пиролиза с полным выгоранием при высоких температурах, засыпанные песком - бескислородный пиролиз с минимумом выгорания. Начинался нагрев муфеля. При достижении температуры в муфеле 100 С 200 С и т.д. до 800 С очередной образец извлекался из муфеля, засыпался песком (в варианте 1) для предотвращения дальнейшего выгорания на воздухе при остывании. После остывания до t 50 С образец очищался от песка и проводились соответствующие замеры показателей по стандартным методикам. Время прогрева муфеля до температуры 800 С составляло 55-60 мин. На этом же стенде в режиме термоудара проводилась подготовка образцов для изучения влияния конечной температуры термообработки и среды (окислительная, бескислородная) на : Содержание летучих и влажность исследовались автором в лаборатории топлива каф. «Промышленная теплоэнергетика». Значения пористости и прочности образцов определены автором на исследовательском оборудовании каф. «Технологии цемента и бетона» УГТУ-УПИ. Масса образца замерялась взвешиванием с точностью до 0,001 гр. Теплотехнический анализ образцов на содержание летучих на горючую массу (Vr, %) проводился по стандартному методу. Согласно [127] данный общепринятый метод позволяет определить количество той части углерода полукокса, которая не улетучивается при температурах выше 850 С и практически целиком участвует в реакциях горения/газификации. Анализ на рабочую влажность (Wp, %) проводился по экспресс-методу с выдержкой 15 мин, вместо заданных ГОСТ 8719-90 для слабометаморфизированных топлив (бурый уголь) 60 мин и без повторной просушки. При определении влажности для предотвращения начала пиролиза выдерживалась температура 105С, чтобы избежать процессов термодеструкции. Данное упрощение методики обосновано низкой влажностью исходного сырья и продуктов термообработки и позволило значительно ускорить получение данных. Специальная проверка, проведенная путем определения влажности пеллет, чипсов и косточек стандартным методом подтвердила возможность использования экспресс-метода для получения достоверных результатов. Под температурой воспламенения (Твоспл) понимают наименьшую температуру вещества, при которой в условиях специальных испытаний вещество выделяет горючие пары и газы с такой скоростью, что при воздействии на них источника зажигания наблюдается воспламенение, то есть пламенное горение вещества, инициированное источником зажигания и продолжающееся после его удаления. Температурой самовоспламенения (Тсв) называют наименьшую температуру окружающей среды, при которой в условиях специальных испытаний наблюдается самовоспламенение вещества, то есть резкое увеличение скорости экзотермических реакций, сопровождающееся пламенным горением и взрывом. Температура тления (Ттл) определяется как температура вещества, при которой происходит резкое увеличение скорости экзотермических реакций окисления, заканчивающихся возникновением тления, то есть беспламенного горения твердого вещества при сравнительно низких температурах, часто сопровождающегося выделением дыма. За температуру вспышки (Твсп) принимают наименьшую температуру конденсированного (жидкого) вещества, при которой в условиях специальных испытаний над его поверхностью образуются пары, способные вспыхивать в воздухе от источника зажигания; устойчивое горение при этом не возникает.
Также на установке №2 изучались пиролиз и газификация группы частиц (слоя) при различных расходах воздуха. Расход воздуха в испытаниях устанавливался по показаниям ротаметра на уровне 0,8-5 м3/ч (в разных сериях экспериментов). Воздух и муфель охранного нагрева нагревались в диапазоне 250-400 С. Навеска топлива массой 40-100 г засыпалась через верхний муфель на решетку (осуществлялся термоудар). Температура верхнего муфеля поддерживалась равной 250 С для избежания воспламенения топлива на решетке от излучения или при кратковременном нахождении топлива в верхнем муфеле в момент загрузки. С этого момента начиналась запись показаний термопар и состояния слоя на видеокамеру. Показания термопар фиксировались на первом этапе вручную с интервалом 15-3.0 сек. Для каждого вида топлива было проведено не менее 9 экспериментов.
На установке проводились исследования в двух режимах: с нижним воспламенением слоя от горячего воздуха и с верхним воспламенением - от раскаленного верхнего муфеля или при поджигании летучих над верхним муфелем от внешнего источника огня (зажигалка). При горении слоя и газов над верхним муфелем стенд работал в режиме пламеразделительной (двухпламенной) горелки акад. Кондратьева.
На установке №3 проводилась качественная отработка элементов технологии получения кондиционного топливного газа из продуктов пиролиза. Для этого в реакторе получали смолистый пиролизный газ, который окисляли в горелке на выходе из верхнего муфеля. Контроль качества конверсии проводился по составу газов - продуктов окисления и по величине отложений на размещенной в нем холодной поверхности (кварцевая трубка диаметром 15 мм, заполненная водой).
Разработанная для этого специальная горелка (рис. 2.12) состоит из улиточного завихрителя воздуха, подаваемого на горение, и короткого (длина равна диаметру) выходного цилиндрического воздушного канала. По оси конструкции располагается цилиндрический канал подачи горючего газа. Для обеспечения смешения горючего газа с закрученным потоком воздуха в канале подвода газа расположен лопаточный завихритель аксиального типа с лопатками, установленными под углом 35-40 градусов к оси1.
