4-24 А.Ф. Рыжков, В.В. Костюнин, А.М. Дубинин, В.Е. Силин
advertisement
УДК 541.124.7:662.62 НОВАЯ КОНЦЕПЦИЯ ТЕРМОХИМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ БИОМАССЫ И УГЛЕЙ И ЕЕ РЕАЛИЗАЦИЯ В ТОПОЧНОЙ ТЕХНИКЕ А.Ф. Рыжков, В.В. Костюнин, А.М. Дубинин, В.Е. Силин ГОУ ВПО Уральский государственный технический университет-УПИ В статье рассмотрены основные направления использования газогенераторных технологий в мировой энергетике и известные способы интенсификации процессов горения и газификации. Изложен подход к активации процессов горения и газификации органического твердого топлива в процессе термохимической обработки. Дано экспериментальное обоснование применимости подхода и количественные показатели активации. Ключевые слова Термохимическая активация, биомасса, газификация, кипящий слой, плотный слой, низкотемпературный процесс Условные обозначения ТГ – температура в зоне горения; КС – кипящий слой; ТБО – твердые бытовые отходы; ЦКС – циркулирующий кипящий слой; DГ – диаметр зоны горения, м; Qid – теплота сгорания сухого генераторного газа, МДж/нм3; WР – рабочая влажность топлива, %; bR – массовая интенсивность, кг/(м2ч); g – выход генераторного газа с одного кг топлива, м3/кг; – химический КПД газификации, %. Введение Основным источником энергии для современной цивилизации на Земном шаре в среднесрочной и долгосрочной перспективе по прогнозам будет служить твердое органическое топливо всех видов. Современные схемы энергетического использования твердых топлив в мировом сообществе базируются на силовом газовом цикле, в котором важную роль играют газогенераторные технологии, реализуемые в: Высоконапорном парогазовом цикле; Низконапорном газовом цикле; Парогазовом цикле непрямого сжигания. На перспективу разрабатываются проекты прямого получения электроэнергии (технология SOFC) в твердоокисных топливных элементах из горючего газа, получаемого в предвключенных газификаторах. Достоинство газогенераторных технологий – их экологичность и гибкость в части топлива. Основные недостатки – многократное усложнение технологии подготовки рабочего тела газовой турбины, низкий КПД газификации. Основная проблема – очистка газов перед сжиганием. 1. Основные направления развития газогенераторных технологий За рубежом газогенераторные технологии представлены всеми циклами с газификаторами различных типов и разрабатываются для станционной и промышленной, коммунальной (в том числе – малой) энергетики. Проекты мощностью свыше 20 МВт ориентированы на использование ископаемых углей, биомассы и промышленных отходов, либо на их совместное сжигание в кипящем слое. В области мощностей от 1 до 20 МВт большой удельный вес имеют газогенераторные предтопки с плотным слоем. Применяются схемы с утилизацией ТБО. В установках диапазона мощностей до 0,5-1,0 МВт используются экологически чистые легкодоступные возобновляемые топлива типа отходов древесины, торфа, сельскохозяйственных отходов. В России разработкой современных технологий газификации в энергетике занимаются в основном в Москве, Санкт-Петербурге, Красноярске, Новосибирске и Екатеринбурге. В УГТУ-УПИ на базе низконапорного цикла разрабатываются твердотопливные газогенераторные мини-ТЭЦ на древесных отходах и торфе с газопоршневыми машинами отечественного производства. Ведутся работы по созданию силовых газогенераторов нового поколения для мини-ТЭЦ-ДВС, оптимизации водогрейных котлов, работающих по двухстадийному принципу сжигания твердого топлива. Проводятся исследования активации взаимодействия твердых топлив и окислителя в диффузионной и кинетической области реагирования с целью повышения эффективности процессов горения и газификации. 2. Способы активации и интенсификации горения и газификации топлив 2.1. Способы интенсификации. Для гетерофазных условий, имеющих место при сжигании/газификации твердого топлива, повышение интенсивности достигается активизацией процессов, происходящих в диффузионной и кинетической области реагирования: в кинетической области – через повышение давления и температуры в газификаторе (для плотного и кипящего слоя), применение катализатора (жидкофазная конверсия), в диффузионной области – через повышение скорости подвода дутья, развитие поверхности реагирования, интенсификацию перемешивания (для КС, пылеугольного способа). Способ характеризуется усложненным аппаратурным оформлением, повышенными эксергетическими потерями, проблемами шлакования решеток, увеличением капиталоемкости и имеет ограниченное применение в области малых мощностей (до 1 МВт) при работе на низкосортных местных топливах. 2.2. Способы термохимической активации. Согласно новейшим воззрениям на химию углей [1], в зависимости от среды, в которой протекает нагрев и выделение летучих, в коксовом остатке могут формироваться различные молекулярные структуры, отличающиеся своей химической активностью. Условно можно выделить три основных механизма взаимодействия топлива и окислителя на этапе подготовки к горению (в авторской терминологии): Бескислородный (классический) пиролиз – отсутствие окислителя в процессе нагрева топлива, приводящее к образованию коксового остатка с устойчивой графитообразной углеродной структурой, обладающей низкой истинной скоростью реагирования с окислителем. «Перекисный» пиролиз – кислород присутствует с начала процесса нагрева, обуславливая появление структуры с более высокой истинной скоростью реагирования углерода. При прочих равных условиях это топливо более реакционно, чем предыдущее, что помогает проводить процессы газификации и горения более интенсивно и при пониженных температурах [2]. «Индуцированный» пиролиз – кислород подается в определенном интервале температур нагрева топлива, активируя значительное увеличение скорости пиролиза. Реализацию первого механизма можно видеть в аппаратах, работающих по противоточной схеме с идеальным вытеснением реагентов: традиционные однокорпусные слоевые топки и газификаторы (Lurgi, BGL, Bioneer); многокорпусные и многополочные газификаторы КС, в которых ожижение свежего топлива производится паром, продуктами газификации (схемы Westinghouse, Agglomerating Ash, Cogas, ИВТРАН). Второй механизм [3] может осуществляться в реакторах, работающих по прямоточной схеме, либо близких к схеме идеального перемешивания: КС, ЦКС (Winkler, U-gas) с нижней подачей топлива прямоточных (Koppers-Totzek, Texaco) с вихревой камерой/предтопком (Bi-gas, с тороидальным вихрем) во встроенных системах термоподготовки пыли различных конструкций. Наличие третьего механизма известно [4] для ряда искусственных органических соединений. Можно предположить, что проявление данного механизма у твердого топлива позволит еще более (в сравнении со вторым случаем) понизить температуру воспламенения и горения и увеличить скорость реакций. Реализацию третьего механизма можно организовать в топках и газогенераторах КС с верхней подачей топлива, а также наиболее просто, в сравнении с первыми двумя, в энергетических установках для малых мощностей. 3. Экспериментальная часть 3.1. Исследование возможностей способа высокотемпературной интенсификации. Целью исследований являлась отработка на одномасштабном действующем стенде теплопроизводительностью 0.17 МВт конструкции газогенератора, обеспечивающего процесс высокоэффективной газификации местного топлива. В качестве экспериментального топлива была выбрана древесина с WР=30%. Газогенератор состоит из топливной шахты наружным /внутренним диаметром 876/764 мм и высотой 2000 мм с камерой газификации 438 мм в нижней части. Шахта заключена в двойную рубашку. Рубашка представляет собой противоточный рекуперативный теплообменник, выполняющий функции первичного охладителя газа и высокотемпературного воздухоподогревателя. Воздух подается в слой через фурмы, воздухоподводящие трубы проходят в нижней части газовой стороны теплообменника. Газ в зоне воздухоподводящих труб интенсивно охлаждается до температуры ~ 773 К и попадает в систему газоочистки при температуре ~ 523 К, а воздух подается в слой через фурмы при температуре ~ 623 – 673 К. Авторами предложена следующая модель процесса в зоне горения. При радиальном струйном вдуве воздуха создается плоская система энергонапряженных зон горения с повышенной температурой (до 1770 К), локализованных в ограниченном пространстве слоя. Между узкими кислородными зонами располагаются участки с полувосстановительной атмосферой. Опускающиеся из зоны пиролиза потоки паров обтекают зоны горения наподобие твердой решетки, тогда как твердые дисперсии спускаются равномерно по всему сечению слоя. Проходя между зонами горения в условиях недостатка кислорода пары смол и углерод коксового остатка газифицируются без заметного сажевыделения. На стенде был проведен ряд испытаний, в которых за счет изменения конструктивных (диаметры зоны газификации и сопел фурм) и режимных (расход воздуха) параметров варьировались массовая интенсивность процесса bR, температурный режим, количество и состав генераторного газа. Основные характеристики работы газификатора приведены в табл. 1. Низкотемпературная («обычная») газификация (температура ТГ=1373 К) проводится при небольших теплонапряжениях зоны горения (менее 1 МВт/м2) и без форсировки дутья. На работу в этом режиме запроектирована основная масса современных газогенераторов обращенного процесса, предлагаемых на российском рынке и рассчитанных на сжигание топлива с влажностью до 20%. Работа на топливах повышенной рабочей влажности в таких установках характеризуется деформацией температурного поля по высоте шахты газогенератора, что приводит к ухудшению качества подготовки топлива в зонах сушки и пиролиза, забалластированности газа парами смол, близкой к прямому процессу, и низкому КПД. Для достижения проектных показателей работы в подобных установках необходимо повышение температурного уровня в шахте газогенератора, что может быть достигнуто повышением теплонапряжения (массовой интенсивности) в зоне горения при уменьшении диаметра аппарата по зависимости, приведенной на рис. 1. Рисунок 1 - Зависимость расчетного диаметра зоны газификации и bR от рабочей влажности древесного топлива Использование высоковлажного древесного топлива позволяет применить один из известных методов интенсификации процесса – повышение температуры в зоне горения путем подогрева воздуха до 650 К (острое дутье), но при сохранении сухого шлакоудаления. При этом за счет дополнительного разложения паров воды, происходит паровоздушная газификация без дополнительного подвода пара. Показатели процесса высокотемпературной («интенсивной») газификации (ТГ=1773 К) близки к показателям горнового процесса (например, разработки ВТИ) при повышенном КПД. Вследствие повышения температуры на 400 К относительно «обычной» газификации КПД процесса выше на 19.6% при одинаковых расходах воздуха, топлива и генераторного газа (табл. 1). Таблица 1 – Характеристики газогенератора в различных режимах работы Характеристика Вид газификации Массовая интенсивность процесса, bR Температура первичного воздуха Расход воздуха Среднерасходная скорость по сечению камеры газификации Диаметр камеры газификации Теплота сгорания сухого генераторного газа Химический КПД Размерность кг/(м2ч) К нм3/ч м/с Режим ВысокотемпераНизкотемпературный турный интенсивный обычный 400 200 653 523 50-100 50-80 0.23–0.46 0.08–0.13 мм МДж/нм3 438 7.33 768 5.0 % 81.6 62 3.2. Сравнение способов термохимической активации. Для сравнения трех способов были сопоставлены между собой результаты экспериментальных исследований, проведенных одним из авторов статьи [5], на стендовых газификаторах кипящего слоя (рис. 2) в практически идентичных условиях: одинаковые габаритные размеры (диаметр корпуса – Ø 440 мм, высота осевшего слоя – Н=900 мм), диапазон температур 973-1273 К, исходное сырье – бородинский бурый уголь крупности 0-8 мм c теплотой сгорания Qdi=15.66 МДж/кг, подсушенный до влажности W=12%). Рисунок 2 – Схемы экспериментальных установок КС; 1 – водяной пар, 2 – воздух на горение, 3 – продукты сгорания, 4 – генераторный газ, 5 – продукты пиролиза. По мнению авторов в установке «а» (рис. 2а) созданы условия для реализации первого механизма пиролиза: свежее топливо подается в бескислородную зону, где в процессе нагрева должно приобретать низкореакционную структуру. В установке «б» (рис. 2б) воздух подается вместе с углем в центральную трубу, где создаются условия для протекания процесса перекисного пиролиза и дожигания продуктов пиролиза. В установке «в» (рис. 2в) свежее топливо подается в бескислородную зону секции горения и, нагреваясь, опускается в кислородную зону, в результате чего должно приобретать высокореакционную структуру по третьему механизму. Основные результаты экспериментов приведены в табл. 2. и на рис. 3. Обнаружено, что при снижении рабочей температуры в Рисунок 3 – Основные характеристики установке «б» на 100 К относительно процессов газификации в установках КС установки «а» и в установке «в» на 190 К относительно «а» массовая интенсивность паровой газификации bR возросла ~ в 1,4 и ~ в 2,3 раза, КПД – на 8% и 15% соответственно. Теплота сгорания сухого генераторного газа, полученного в установке «в» на 25-30% выше, чем в установках «а» и «б». Таблица 2 – Характеристики работы экспериментальных установок КС № 1 2 3 4 5 6 Показатель размерность Опытные установки «а» 1223 Температура в камере газификации К Теплота сгорания сухих горючих 10 МДж/нм3 газов Теплонапряжение по топливу МВт/м2 3.0 Тепловая мощность по углю кВт 340 Химический КПД % 47 Удельный расход на 1 м3 газа из камеры газификации: рабочего топлива кг/м3 1.5 водяного пара кг/м3 0.73 воздуха м3/м3 3.25 «б» 1123 «в» 1033 11.4 12.7 4.4 400 55 6.9 160 62 1.31 0.37 1.45 1.3 0.7 3 Заключение Эксперименты на газогенераторе обращенного процесса показали, что для эффективной газификации неподготовленных высоковлажных топлив необходимо поддерживать в газогенераторе повышенный уровень теплонапряжений и температур процесса. Для топлив с тугоплавкой золой (древесина) применение элементов горнового процесса (острое дутье) при сохранении обращенной схемы и сухого шлакоудаления позволяет значительно повысить Qdi. Результаты экспериментов на установках КС, в целом, соответствуют основным положениям концепции о существовании трех механизмов взаимодействия топлива с окислителем и определяют наиболее эффективный метод термохимической подготовки топлива – по механизму индуцированного пиролиза. Можно отметить, что наиболее распространенные в теплоэнергетике способы сжигания (по первому механизму) технологически и экономически наименее эффективны. Схемы, реализующие второй механизм, также не могут обеспечить максимальной эффективности, а их применение для целей повышения экологичности работы энергоустановок имеет потенциал для усовершенствования. Наиболее перспективно развитие технологий подготовки и сжигания по третьему варианту, проводимое в увязке с экологическими требованиями. Целью дальнейших исследований является определение оптимальных количественных характеристик третьего метода, таких как температурный интервал, концентрация кислорода при конкретном аппаратурном оформлении (плотный слой, КС и т.п.). Литература 1 Русьянова Н.Д. Углехимия. М.: Наука, 2000. 2 Development of modern gas producer technologies. A.F. Ryzkov, V.V. Kostunin, A.M. Dubinin, V.E. Silin. Papers of international Sympozium on Combustion and atmospheric pollution / M.: Torus Press Ltd., 2003. pp.364-369. 3 Шиллинг Г-Д., Бонн Б., Краус У. Газификация угля. Перевод с нем. Исламова С.Р. М.: «Недра». 1986. 174 с. 4 Блюменфельд Л.А., Воеводский В.В., Семенов А.Г. Применение ЭПР в химии. Новосибирск. Изд-во сибирского отделения АН СССР, 1962. 239с. 5 Псевдоожижение. Под ред. В.Г. Айнштейна и А.П. Баскакова. М.: «Химия», 1991. 397 с.
