термохимическая конверсия биомассы в

УДК
66.096.5+661.961+662.63
ТЕРМОХИМИЧЕСКАЯ КОНВЕРСИЯ БИОМАССЫ
В КИПЯЩЕМ СЛОЕ: ПРОИЗВОДСТВО ЭНЕРГИИ
И ВЫСОКОТЕХНОЛОГИЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ
В. А. Бородуля, Г. И. Пальчёнок, О. С. Рабинович, Л. М. Виноградов,
1
Н. Г. Хутская , С. В. Василевич, В. В. К о р б а н
Институт тепло- и массообмена им. А. В. Лыкова НАН Беларуси, Минск, Беларусь
Белорусский национальный технический университет,
Минск,
Беларусь
Растительная биомасса является ц е н н ы м углеводородным сырьем, с высокой
скоростью (по с р а в н е н и ю с н е ф т ь ю и п р и р о д н ы м газом) в о с п р о и з в о д и м ы м в природе
путем
биосинтеза
из
диоксида
углерода
и
воды
за
счет
солнечной
энергии.
Рациональное и эффективное использование этого возобновляемого и экологически
безопасного сырья при условии его равновесного воспроизводства открывает
возможность получения энергии (прямое или двухстадийное сжигание), вторичных
энергоносителей (газообразных - синтез-газ, водород; твердых - д р е в е с н ы й уголь,
гранулированное и брикетированное биотопливо; ж и д к и х - биоэтанол, бионефть) и
перспективных
сорбенты).
По
высокотехнологичных
существу,
материалов
использование
(углеродные
биомассы - это
наноматериалы,
опосредованный
способ
применения солнечной энергии. В основе почти всех перечисленных направлений
лежит
термохимическая
конверсия
биомассы,
целевой
продукт
и
эффективность
которой зависят от условий проведения процесса.
Наиболее
различных
выгодной
производств
следует
-
считать
термохимическую
лесотехнического,
переработку
деревообрабатывающего,
отходов
мебельного,
целлюлозно-бумажного, упаковочного, сельскохозяйственного, а также органических
компонентов твердых бытовых отходов (ТБО), шламов систем водоочистки и других,
утилизация которых сочетается с получением ценных продуктов и энергии.
В лаборатории дисперсных систем И Т М О им. А. В. Л ы к о в а Н А Н Беларуси на
протяжении
двух
последних
десятилетий
проводятся
комплексные
исследования
термохимической конверсии биомассы в кипящем (псевдоожиженном) слое (КС) при
различных
условиях.
Использование
техники
псевдоожижения
позволяет
создать
универсальные по топливу автоматизированные реакторы и энергетические установки
как предельно малой, так и высокой производительности.
Независимо от условий и вида целевого продукта процесс термохимической
конверсии биомассы в КС характеризуется с л е д у ю щ и м и о б щ и м и чертами. Частицы
биотоплива
(например,
полидисперсные
древесные
опилки,
щепа
или
почти
монодисперсные гранулы) взвешены в матрице инертного дисперсного материала,
псевдоожижаемой газообразным агентом конверсии. И н е р т н ы й материал (песок, зола
топлива),
частицы
которого
по
физическим
характеристикам
(размеру,
плотности) и температуре отличаются от "активных" частиц биомассы,
форме,
составляет
основную массу слоя (>90 % ) . С учетом этого фактора разработаны оригинальная
методика расчета м е ж ф а з н о г о тепло- и массообмена в системе и
математическая
модель термохимической конверсии частицы биомассы в К С , которые составляют
основу
описания
проведения.
процесса
конверсии,
адаптируемой
к
конкретным
условиям
ее
Сжигание
лабораторном
биомассы
реакторе
с
исследовалось
теоретически
псевдоожиженным
воздухом
и
экспериментально
слоем
инертного
и
в
(или)
каталитического дисперсного материала в диапазоне температур 4 0 0 - 8 0 0 °С. Получены
закономерности макрокинетики горения в КС ряда наиболее перспективных местных
натуральных и гранулированных биотоплив (древесины, гидролизного лигнина, Т Б О ,
шламов сточных вод), а также торфа, бурых углей и горючих сланцев. Показана
возможность с н и ж е н и я температурного уровня процесса при обеспечении полного
выгорания летучих за счет введения в слой алюмооксидных катализаторов. Разработана
одномерная
стационарная
модель
топочного
процесса,
учитывающая
различие
механизмов и пространственное разделение процессов горения летучих и коксового
остатка. Для учета д в у м е р н ы х эффектов (неравномерности распределения горючих и
окислителя по поперечному с е ч е н и ю топки) предложен метод, основанный на теории
подобия. Результаты исследования использованы при разработке совместно с О А О
ГСКБ (г. Брест) серии водогрейных и паровых котлов с топками КС м о щ н о с т ь ю 0,4-4,0
МВт, способных э ф ф е к т и в н о работать на низкосортных углях, торфе и биотопливе.
П а р о в а я и С 0 2 - г а з и ф и к а ц и я древесной биомассы в КС осуществляется с
целью обеспечения максимального выхода н е к о н д е н с и р у ю щ и х с я горючих газов (H2,
СО, СН4) при м и н и м а л ь н о м образовании тяжелых к о н д е н с и р у ю щ и х с я углеводородов
(смолы). В п р о в е д е н н ы х экспериментальных исследованиях процесса установлено, что
при температуре 6 5 0 - 8 0 0 °C введение в КС белорусского д о л о м и т а и дисперсного
Al/Cu/Cr-содержащего катализатора приводит к с н и ж е н и ю выхода с м о л ы на 70-80 %.
Концентрация водорода в сухом газе при паровой газификации и температуре > 700 °С
достигает 55-60 % в з а в и с и м о с т и от концентрации катализатора в К С . Использование в
качестве агента г а з и ф и к а ц и и СО2 позволяет получить синтез-газ с н и з к и м отношением
Н2/СО и высокой т е п л о т в о р н о й способностью. П о в ы ш е н и е влажности
древесины с 8
до 45 % при обоих типах газового дутья приводи т к с н и ж е н и ю выхода смолы и
увеличению к о н ц е н т р а ц и и водорода, что дает возможность снизить температуру слоя,
концентрацию катализатора и у м е н ь ш и т ь расход пара на п с е в д о о ж и ж е н и е . Полученные
данные легли в основу метода расчета бескислородной
газификации биомассы с
непрямым подводом тепла, осуществляемым за счет циркуляции материала слоя между
реакторами К С , в одном из которых проводится газификация, а во втором - сжигание
части биомассы.
Такая схема позволяет избежать разбавления синтез-газа азотом
воздуха-окислителя
без
применения
кислородного
дутья.
Введением
в
состав
циркулирующего материала доломита, являющегося как катализатором конверсии, так
и сорбентом
опытная
СО2,
повышается концентрация водорода до 70 % и более. Создана
установка
производительностью
10
кВт
для
получения
обогащенного
водородом синтез-газа из биомассы в К С .
Быстрый
пиролиз
биомассы
осуществляется
в
кипящем
слое
инертного
материала при температуре 4 5 0 - 6 0 0 °С и быстром охлаждении продуктов конверсии с
противоположной
летучих,
при
целью
- достижение
конденсации
которых
максимального
получается
жидкое
в ы х о д а тяжелых
биотопливо
фракций
(бионефть).
Разработана математическая модель процесса на уровне конверсии одиночной частицы.
Модель учитывает кинетику независимо пр отек ающи х р е а к ц и й пиролиза основных
компонентов д р е в е с и н ы - целлюлозы, гемицеллюлозы и лигнина, а также вторичной
деструкции продуктов пиролиза - смолы. На основе модели проведена численная
оптимизация процесса, результаты которой указывают на его кинетическую природу.
Термокаталитический
предлагается
в
качестве
синтез
второй
углеродных
стадии
нанотрубок
переработки
продуктов
(УНТ)
в
КС
термохимической
конверсии биомассы. Разработан и изготовлен двухступенчатый лабораторный реактор
кипящего
слоя,
предназначенный
для
экспериментального
исследования
и
оптимизации процесса. Известен зарубежный опыт реализации синтеза У Н Т в КС из
непредельных углеводородов на Fe/Mo-содержащих катализаторах при температуре
500-700 °С. Ц е л ь ю н а с т о я щ е й работы является создание таких условий конверсии
биомассы
на
первой
стадии
процесса,
которые
обеспечат
оптимальный
состав
продуктов для синтеза. П р о в е д е н н ы е оценки указывают на в о з м о ж н о с т ь массового
производства У Н Т (~ 1 кг/ч) из дешевого возобновляемого сырья.