CC BY
154
-►
ЭНЕРГЕТИКА И ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
УДК 662.767.2: 661.961:621.2
М.П. Федоров, В.И. Масликов, А.Н. Чусов, Д.В. Молодцов
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЙ КОМПЛЕКС ПО ПРОИЗВОДСТВУ ВОДОРОДА ИЗ ОРГАНОСОДЕРЖАЩИХ ОТХОДОВ ДЛЯ ПРИМЕНЕНИЯ В ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТАХ
Биомасса в настоящее время и в ближайшей перспективе остается важнейшим возобновляемым энергетическим ресурсом ввиду значительного потенциала, доступности, эффективности преобразования в тепловую и электрическую энергию. В 2008 году использование биомассы достигло примерно 1220 млн тонн нефтяного эквивалента (ТНЭ), что составило 77 % от вклада всех возобновляемых источников энергии в мировом потреблении первичных энергетических ресурсов (12270 млн ТНЭ). К2035 году мировое потребление первичных энергетических ресурсов прогнозируется на уровне 16750 млн ТНЭ, в том числе вклад возобновляемых источников энергии составит 3130 млн ТНЭ, из которых доля биомассы 62 % [1].
Наряду с использованием в энергетических целях значительных объемов первичной биомассы, все большее внимание уделяется вторичной биомассе — различным видам отходов, которые образуются в большом количестве, практически не используются и загрязняют окружающую среду. Использование отходов для энергетики позволит обеспечить местных потребителей относительно дешевым энергоресурсом и попутно решить задачи охраны окружающей среды. Особенно это актуально для России, где образуется значительный объем отходов [2], основная часть которых остается в местах их образования: отходы с/х — 150—200 млн т/год (по сухому веществу), лесного хозяйства — 150 млн м"/год, твердые бытовые отходы (ТБО) — 35—50 млн т/год, осадки сточных вод — 10—15 млн т/год
Существуют различные способы получения энергии из биомассы. Например, из биомассы, выращенной на поле площадью 1 га, можно по-
лучить разные виды топлива: биодизеля — 1180 л, биоэтанола — 1450 л, сингаза — 3100 л, биогаза — 10000 л. Если использовать их затем для производства электрической энергии, то можно получить соответственно: 27000кВт-ч при себестоимости 8,3 цент/кВт-ч; 36000 кВт-ч (6,1 цент/кВт-ч); 75000 кВт-ч (5,0 цент/кВт-ч); 150000 кВт-ч (1,4 цент/кВт-ч) [3]. Таким образом, одной из относительно простых, недорогих и наиболее эффективных технологий является производство биогаза, содержащего 45—65 об. % метана.
Следует отметить, что приведенные данные справедливы для хорошо отлаженных процессов со стабильными характеристиками органосодер-жащего сырья. На практике не всегда удается оптимизировать процесс получения биогазов из-за многокомпонентности сырья, многостадийное™ процесса и других причин. Поэтому большое внимание уделяется поиску более эффективных методов интенсификации процессов разложения отходов. Могут быть использованы физические, химические и биологические методы. К наиболее часто применяемым физическим методам относятся дробление, а также температурное, паровое, ионизирующее воздействия. К химическим методам относится обработка кислотами (серная, фосфорная) и щелочами. К биологическим методам — воздействие специальных штаммов грибов и бактерий. Перечисленные методы дают хороший результат для однородной биомассы некоторых конкретных видов (растения, с/х отходы, осадки и илы). Так, при обработке биопрепаратами растительной биомассы в зависимости от ее состава увеличение количества биогаза может составить от 3 до 35 %. Соответственно увеличение выхода мета-
на при паровой обработке будет от 4 до 65 %, ультразвуком — от 14 до 82 %, кислотами — от 7 до 16 %. Проводятся исследования по обработке трудноразлагаемых фракций отходов ТБО бактериальными штаммами и ультразвуком. Можно отметить, что обработка отходов сельского хозяйства бактериальными штаммами, а осадки, ила — ультразвуком уже имеет промышленное применение [4].
Однако эти методы трудно реализовать в условиях полигонов ТБО из-за большого объема свалочных масс, неоднородности морфологического состава, разной степени разложения, воздействия внешних факторов, значительных размеров полигонов и т. д. Для условий полигонов ТБО реальным методом интенсификации процессов разложения отходов является организация рециркуляции очищенного фильтрата (промывка отходов), а также аэрация свалочных масс. При подаче очищенного фильтрата в тело полигона процессы биоразложения ускоряются, срок разложения отходов с 80—100 лет может сократиться до 10—15 лет. В этом случае основной объем биогаза выделяется за короткий промежуток времени, что повышает эффективность его использования. При аэрации тела полигона совместно с рециркуляцией очищенного фильтра-
Состав
та срок разложения отходов может сократиться до 6—8 лет, но при этом в основном будет наблюдаться эмиссия углекислого газа [5], а энергетический потенциал отходов не используется.
Следующей задачей является создание эффективных систем очистки биогазов [6], так как наряду с метаном они содержат балластную примесь — С02 (30-40 об. %), токсичные примеси и другие загрязняющие вещества. Ввиду большого содержания в биогазе разнообразных примесей (см. таблицу), нестабильности состава во времени его очистка представляет сложную задачу, требующую применения комбинации различных методов, что приводит к ее удорожанию.
На рис. 1 показана последовательность удаления из биогаза основных примесей.
Прежде всего удаляются сероводород и углекислый газ, так как первый является токсичным, а второй — негорючий, т. е. балластный, к тому же может вызывать коррозию деталей энергетических установок. Кроме того, какправило, био-газ подвергается сушке для удаления влаги. Во время этих операций удаляется и ряд микропримесей. Это позволяет выделить из биогаза метан высокой чистоты для дальнейшей подачи в газовые сети.
Таблица 1
биогазов
Компонент Отходы с/х Осадки сточных вод ТБО Природный газ
Метан 50-70 % 55-65 % 45-55 % 93-98 %
Углекислый газ 25-40 % 30-40 % 30-40 % 1 %
Азот <3% <4% 5-15% 1 %
Сероводород до 4000 ррш до 1000 ррш 50-300 ррш -
Аммиак 70 ррш - - -
Силоксаны Следы < 6 мг/м3 - -
Биогаз Удаление сероводорода Удаление аммиака, воды
W W
1 1 1
Использование биометана Удаление углекислого газа Удаление сопутствующих примесей
Рис. 1. Схема очистки биогаза от примесей
О состоянии этой проблемы можно судить по тому что при наличии в странах Евросоюза порядка 10 тысяч различных биогазовых установок эксплуатируется менее 100 установок по очистке биогаза [7]. Имеющийся разрыв в количестве установок, генерирующих биогаз и его очищающих, обусловлен дороговизной последних. В настоящее время вопросу создания эффективных систем очистки биогазов в Евросоюзе уделяется большое внимание, так как поставлена задача к 2020 году уменьшить на 20 % потребление российского природного газа, заменив его биогазом.
При решении задачи очистки биогаза открывается перспектива использования его вместо природного газа — основного сырья для получения водорода. Биогаз можно получить практически везде, так как органосодержащие отходы постоянно образуются в процессе хозяйственной деятельности человека, между тем ресурсы природного газа ограничены, а его использование лимитировано. Это пока шаг в будущее, так как технологии получения водорода из отходов являются дорогостоящими, но делать этот шаг нужно сегодня, потому что создан определенный технологический задел по ключевым звеньям получения водорода из биогазов. Открывается возможность его широкого использования в системах автономного энергоснабжения потребителей с применением низкотемпературных топ-
ливных элементов для получения электрической и тепловой энергии, имеющих значительно более высокий КПД по сравнению с тепловыми установками при практическом отсутствии вредных выбросов. Отработка новых технологий требует проведения лабораторных экспериментов, позволяющих с использованием относительно недорогого оборудования изучать сложные процессы биоэнергетической конверсии органосо-держащего сырья.
В СПбГПУ разработана методика многостадийного лабораторного эксперимента (рис. 2). На первом этапе исследований производится предварительная оценка биогазового потенциала отходов с использованием системы ОхГГор, позволяющей определить содержание органического углерода в исследуемом субстрате, а также выход биогаза на единицу его массы. Следующим этапом является оценка и прогноз динамики образования биогаза с использованием комплекса «Биореактор», который соответствует уровню международных требований по оборудованию и применяемым методикам [8]. На третьем этапе проводятся исследования по энергетическому использованию биогаза с помощью нового лабораторного комплекса, созданного при участии ФТИ им. А.Ф. Иоффе РАН и Института катализа им. Г.К. Борескова СО РАН [9]. Комплекс состоит из следующих
Рис. 2. Многостадийный лабораторный эксперимент
модулей (рис. 3): генерации биогаза, его аккумулирования и очистки, реформинга метана с получением водорода и топливного элемента. В биореакторы закладываются модельные образцы отходов, получаемый биогаз подается в модули очистки, где из него выделяется метан (более 95 об. %), из которого в топливном процессоре получается водород высокой чистоты для дальнейшей подачи в низкотемпературный топливный элемент с полимерной мембраной FC50. Электрический КПД этих элементов достигает 45 %. Приведем основные технические характеристики топливного элемента:
Расчетная развиваемая (выходная) мощность.........................................................40 Вт
Максимальная развиваемая (выходная) мощность.................................~ 50 Вт
Напряжение открытого контура................~ 9 В
Ток при номинальной мощности .................8 А
Напряжение при номинальной мощности............................................................5 В
Максимальный ток.......................................10 А
Потребление водорода при расчетном выходе...................~ 580 нмл/мин
Температура:
рабочая.........................................................50 "С
при запуске...................................................45°С
Одним из ключевых модулей комплекса является реформер производительностью до 60 литров водорода в час, реализующий технологию высокотемпературной адсорбционной очистки с термической регенерацией поглотителя. Реформер состоит из двух адсорбционно-катали-тических модулей, работающих в периодическом режиме. Смесь метана с водяным паром конвертируется и проходит предварительную очистку на указанных модулях, после чего поступает на дополнительную очистку от СО в ме-танатор. Рабочая температура адсорбционно-каталитических модулей составляет 600—850 °С, а метанатора — 250 °С. Основные технические характеристики реформера:
Номинальная производительность по водороду..............................................10 нем3 /с
Рабочее давление метана................ 1,3 атм. изб.
Давление водородсодержащего газа.......................................................0,6 атм. изб.
Влажность водородсодержащего газа (абсолютная)...........................................< 5 %
Объемная доля водорода.......................... >96%
Схема блоков реформера приведена на рис. 4.
Экспериментально подтверждено стабильное получение водорода высокой чистоты (98,5 об. %) при подаче биометана (95 об. %) в широком диапазоне нагрузок реформера (30—
Рис. 3. Состав модулей лабораторного комплекса
На газгольдер
Биогаз
А
Сж. возд. ¿1 /
-А-А-Л-Л-Л-Л л Л 1 I
£
Рис. 4. Схема реформера:
/— адсорбционно-каталитические модули; 2— испаритель с регулятором температуры; 3— метанатор; 4— дистиллят;
5 — жидкостный насос; 6 — регулятор расхода газа; 7— дроссель газовый; 8— контроль концентрации метана
100 % от номинальной). Содержание СО в реформате составляет менее 10 ррпт, соответственно С02 — менее 270 ррпт [10]. Концентрация примесей определялась при помощи И К Фурье-спектрофотометра ФСМ1202. Были так же проведены эксперименты при подаче в реформер «слабого» биогаза, содержащего 30—45% об. метана. При этом концентрация водорода в реформате оставалась высокой (более 93 об. %) (рис. 5). Это расширяет возможности использования в автономной энергетике значительного потенциала «слабых» биогазов с относительно невысокой концентрацией органосодержащей компоненты для получения электрической и тепловой энергии. Кроме водорода в реформате зафиксировано содержание до 2 об. % метана.
Низкое содержание остаточного метана открывает возможность прямого использования реформата в топливном элементе, что позволит отказаться от дорогостоящих технологий его очистки.
В СПбГПУ создан не имеющий аналогов лабораторный комплекс, позволяющий моделировать все стадии процесса от получения биогаза из органосодержащих отходов с дальнейшей его конверсией в водород до работы топливного элемента, оснащенный современным оборудованием. Произведено тестирование основных элементов комплекса, показавшее их работоспособность и безопасность. В настоящее время разрабатываются учебные программы по использованию оборудования в образовательном процессе при подготовке студентов и аспирантов.
Следующим этапом развития комплекса планируется создание действующего макета интегральной энергосистемы энергоснабжения индивидуального дома. В качестве источника энергии будет использоваться водород, получаемый из биогаза, а также возможно использование и других, например фотоэлектрических, модулей. Целью создаваемого макета автономной энергосистемы является не только получение
Рис. 5. Концентрация примесей
(—*--метан; -«--углекислый газ; -а--пары воды) в получаемом газе:
а — расход получаемого газа, см'/с (содержание водорода более 98%).
Исходная смесь: СН4 = 94,8 %; С02 = 5,2 %; б— расход получаемого газа, см'/с (содержание водорода более 93%). Исходная смесь: СН4 = 44,6 %; С02 = 40 %; N2 = 15, 4 %
энергии, но и ее эффективное использование за счет применения энергосберегающего оборудования и технологий, систем управления нагруз-
кой, а так же современных материалов и конструкций. Мощность электрооборудования такого дома ориентировочно не превысит 2 кВт.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. World Energy Outlook |Текст| / ISBN 978-9264-08624-1,- 2010,— 736 р.
2. Справочник по ресурсам возобновляемых источников энергии России и местным видам топлива (показатели по территориям) [Текст] / Под ред. Безруких П.П. — М.: «ИАД Энергия», 2007.— 272 с.
rä päischen
rän, М. Seiffert,
Mü für Energetik und
Umwelt gGmbH (IE), Leipzig.- 2007. №16/44 Jan. 141 s.
Müglichkeiten zur Verbesserung der Gasausbeute aus Gflrrohstoffen [Электронный ресурс| /
Hopfner-Sixt K, Anion T., Bauer А. [и др.| // http:// energytech.at, 2007.
5. Ritzkowski, M. Fundamental processes and implications during in situ aeration of old landfills [Текст] / M. Ritzkowski, K.-U. Heyer, R. Stegmann // Waste Management 26, 0956-053X. Elsevier Ltd. 2006. Vol.4. P. 356-372.
6. Handreichung Biogasgewinnung und —nutzung
für Energetik und Umwelt gGmbH, ISBN 3-00-014333-5,- 2006,- 232 s.
7. Beil, M. Biogasaufbereitung in Deutschland und Europa — ein Blick über den Tellerrand [Текст] / M. Beil, U. Hoffstede, U. Klaas / DVGW ener-gie|wasser-praxis.— 2009. N° 1,— S. 44-49.
8. Федоров, М.П. Углеродные инвестиции в энергетическое использование полигонов ТБО / М.П. Федоров, В.В. Кораблев, В.И. Масликов, Е.О. Иокша // Экология и жизнь : научно-популярный и образовательный журнал,— 2008. N° 4(77) .— С. 16-22.
9. Федоров, М.П. Разработка и создание экспериментального комплекса по оптимизации конверторных процессов получения водорода из биогазов органосодержащих отходов / М.П. Федоров
[и др| // «Физические проблемы водородной энергетики» 6-я Российская конференция,— 2010. — С. 117-118.
10. Lysikov, A.I. Novel approach for municipal solid waste biogas reforming into hydrogen for fuel cell powered generators [Текст] / А.1. Lysikov, A.G. Oku-nev, D.V. Molodtsov, V.l. Maslikov // XIX International Conference of Chemical Reactors «Chem-reactor-19» Vienne, Austria.— 5—9 September 2010. P. 192-193.
УДК 621.438
В.А. Рассохин, Н.А. Забелин, Ю.В. Матвеев
ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ РАЗВИТИЯ МИКРОТУРБИННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ В РОССИИ И ЗА РУБЕЖОМ
Энергетика, сформировавшаяся как ведущая отрасль промышленности примерно сто лет тому назад, прошла сложный путь развития, как и многие другие отрасли. Сначала были созданы отдельные агрегаты небольшой мощности, затем, когда стали вполне очевидными все преимущества использования электрической энергии, мощность создаваемых установок постоянно увеличивалась, а сами установки объединялись уже в энергосистемы. При такой централизации показатели эффективности и надежности установок неуклонно повышались как в зарубежной, так и в советской (ныне российской) энергетике [1].
В последние годы в энергетике России наметились тенденции к использованию децентрализованного производства тепла и электроэнергии в самых различных сферах хозяйственной жизни страны [2]. Это обстоятельство обусловлено рядом причин, немаловажной из которых является чрезвычайно большая доля физически и морально устаревшего энергогенерирующего оборудования на крупных тепловых и гидравлических электростанциях страны. Так, по прогнозам Минпромэнерго к 2010 году должно было выработать свой ресурс не менее 50 % установленной мощности на ТЭС и ГЭС, а к 2020 году эта цифра может вырасти и до 70 % [3]. Модернизация электрического хозяйства и ввод в эксплуатацию новых мощностей не успевают за ро-
стом темпов потребления электроэнергии. Все это крайне негативно сказывается на надежности поставок электрической и тепловой энергии различным ее потребителям. Так, энергетическая авария в Москве в мае 2005 года, обусловленная выходом из строя электроподстанции «Чагино», показала полное отсутствие взаимодействия между генерирующей и сетевой компаниями «Мосэнерго». Каскадные отключения электроэнергии в городе привели к тому, что треть столицы и 24 города Московской области остались без электричества. Вместе с тем до половины возникшего дефицита электроэнергии можно было бы оперативно перебросить с недогруженных атомных электростанций в центре России, но вследствие узковедомственных интересов и общей безответственности это не было сделано [3]. Переход на локальные газовые электростанции — это прогрессивное решение проблемы энергоснабжения, сокращение сроков ввода новых мощностей и расходов на строительство ЛЭП, уход от неэффективного инвестирования крупных долгосрочных проектов. Выбор природного газа в качестве энергоносителя для двигателей оправдывается его приемлемой ценой на внутреннем рынке, к тому же он обладает существенным экологическим преимуществом по сравнению с твердым и жидким топливами.
