CC BY
227
Н. Ф. Тимербаев, Р. Г. Сафин, А. Р. Хисамеева
ГАЗИФИКАЦИЯ ОРГАНИЧЕСКИХ ВИДОВ ТОПЛИВА
Ключевые слова: древесина, газогенерация, переработка, синтез-газ, древесные отходы.
Дан краткий анализ современных возможностей использования биотоплива. Рассмотрены перспективы применения отходов
деревообработки. Предложены новые разработки газогенераторов, удовлетворяющие настоящие потребности в области газогенерации, а также ресурсосбережения.
Keywords: wood, gas génération, processing, synthesis-gas, a wood waste.
The short analysis of modern possibilities of use of biofuel is given. Prospects of application of a waste of a woodworking are considered. The new development of gas generators that meet these needs in gas generation, and resources conservation are offered.
В перспективе Россия - крупнейший поставщик биотоплива на мировой рынок. Россия имеет огромные возможности для интенсивного развития практически всех современных направлений использования биомассы в энергетике (пиллеты, биоводород, биоэтанол, биодизельное топливо, сингаз, биогаз) с последующим экспортом отдельных видов биоэнергоносителей [1].
В настоящее время, в связи с изменившейся ситуацией на рынке продуктов нефтепереработки, область применения генераторного газа существенно расширяется. А отходы биомассы как источник энергии выступают в качестве «моста в будущее», обеспечивая плавный переход от топливной энергетики к другим, принципиально новым, видам энергии.
С целью получения энергии можно использовать для сжигания любые древесные отходы. От того, в каком виде будет использоваться биотопливо, зависит эффективность его горения и стоимость энергии, которая вырабатывается с ее помощью.
Проблема эффективной термической переработки отходов лесозаготовки и деревообработки в энергетический газ заключается в острой необходимости разработки оптимальной техники и технологии газификации древесины.
На основе многолетних исследований шведский ученый Таннер предложил для определения границ автогенного горения использовать треугольник-схему, описывающую область горения органического вещества без дополнительного подвода тепла [2]. По Таннеру, нижний предел теплоты сгорания высокозольного и влажного органического вещества, при котором возможно автогенное (самоподдерживающееся) его сжигание без применения дополнительного топлива, соответствует условию: влажность W<50 %,
зольность А<60 %, горючая масса С>25 %. Основываясь на этой зависимости можно сделать вывод, что большинство отходов органических веществ необходимо рассматривать в первую очередь как сырье для получения энергоносителей. Это относится, прежде всего, к отходам переработки древесины и растительным сельскохозяйственным отходам.
Из многих существующих технологических схем энергохимического использования древесины в нашей стране распространение получили две:
- Схема частичной газификации (термолиз) древесины в топках-генераторах системы ЦКТИ В.В. Померанцева [3].
- Схема полной газификации в газогенераторных установках.
Первая схема применялась на крупных лесопромышленных предприятиях, имеющих собственную энергетическую базу в виде электростанции мощностью 1500 кВт или сравнительно большой теплоснабжающей котельной. Преимущество ее состояло в большом энергетическом потенциале и возможности попутного снабжения населения бытовым газом.
Вторая схема при определенных условиях была эффективна для небольших лесопромышленных предприятий, основной целью которых было производство химических продуктов, а генераторный газ (при соответствующей очистке) мог использоваться как топливо в небольших котлах или двигателях внутреннего сгорания.
Сегодня три основных фактора оказывают влияние на формирование конъюнктуры национального рынка оборудования для термохимической конверсии биомассы:
- динамика подорожания традиционных ископаемых видов топлива;
-инвестиционный кризис, следствием которого является отсутствие на
национальном рынке иностранных производителей газогенераторных установок;
- динамика развития рынка биотоплива, которая инициирует быстрый рост спроса на газогенераторные установки и оборудование для производства биотоплива.
Эти факторы обусловили зарождение устойчивого спроса на оборудование, работающее по второй схеме энергохимического использования древесины.
Производство энергии из отходов биомассы конкурентоспособно уже сегодня, даже при закупках иностранного оборудования. При определенных условиях, таких как нулевая стоимость сырья (например, древесные отходы на деревообрабатывающем предприятии), производство качественного генераторного газа из отходов биомассы может быть более рентабельным, чем их производство из динамично дорожающих традиционных энергоносителей [2].
В области газогенерации и пиролиза Россия имеет определенные реальные успехи в создании современного оборудования для газификации твердой биомассы (древесины, лузги, ТБО).
В основе работы газогенератора лежит принцип термохимической реакции твердого органического топлива с выделением генераторного газа. Полученный газ охлаждается, очищается от смол и влаги и подается на технологические нужды или в газопоршневые когенераторы для выработки электроэнергии и тепла.
Несмотря на то, что идея газогенератора была выдвинута в конце 30-х гг. 19 в. в Германии (Бишофом в 1839 и Эбельманом в 1840), их промышленное применение началось после того, как Ф. Сименсом (1861) был предложен регенеративный принцип отопления заводских печей, позволивший эффективно применять генераторный газ. Изобретателями первого промышленного газогенератора были братья Ф. и В. Сименс. Их конструкция газогенератора получила повсеместное распространение и просуществовала в течение 40 - 50 лет. Только в начале 20 в. появились более совершенные конструкции [4].
В зависимости от свойств топлива и назначения газа газификация производится в различных по схеме и устройству газогенераторах. Специальные установки разрабатываются на кафедре переработки древесных материалов Казанского государственного технологического университета [5, 6]. Одним из последних изобретений
является установка для термической переработки твердых отходов, в частности для сжигания отходов деревообрабатывающих производств [7]. На данном этапе интенсивно ведется усовершенствование газогенератора для газификации влажного топлива. Для использования в качестве топлива отходов деревообработки, влажность которых может достигать более 40 %, необходим газогенератор, представленный на рис. 1, состоящий из прямоугольного бункера с узлом загрузки, дополнительными нагревательными элементами и с определенным способом подачи воздуха.
79
Рис. 1 - Схема газогенератора для газификации влажного топлива: 1 - прямоугольный бункер; 2 - верхняя часть для подсушки топлива; 3 - нижняя часть для пиролиза; 4 - камера газификации; 5 - узел загрузки; 6 - теплообменник; 7 - концентратор кислорода; 8 -патрубок ввода воздуха; 9 - патрубок выхода газа; 10 - патрубок удаления влажного воздуха; 11 - воздушный пояс; 12 - фурмы; 13 - воздушная рубашка; 14 - горловина; 15 - зольник; 16
- дутьевой вентилятор; 17 - шнек; 18 - крышка; 19 - отбортовка; 20 - гофрированный газонепроницаемый рукав; 21 - цилиндрическая часть; 22 - открытая рубашка; 23 -шнековый питатель; 24 - воздушная рубашка; 25 - цилиндроконический элемент; 26 -трубки; 27 - барабанный питатель; 28 - патрубок вывода воздуха; 29 - патрубок ввода влажного горячего воздуха; 30, 33 - патрубки; 31 - патрубок отвода конденсата; 32 -конденсатосборник; 34 - два диаметрально расположенных штуцера; 35 - кольцевые затворы; 36 - керамические кольцевые кирпичи; 37 - упор; 38 - колосниковая решетка; 39 -встряхиватель
Основным преимуществом данной установки является возможность получения генераторного газа с высокой теплотворной способностью, а также переработка высоковлажных отходов. Доработка этого научно-технического задела, наряду с применением современных систем управления рабочими процессами газификации и использованием последних достижений в области теории горения и газификации органических видов топлива, позволит создать конкурентоспособные отечественные газогенераторные установки, которые будут иметь значительный экспортный потенциал.
Одним из главных достоинств современных газогенераторных установок является их экологичность. Обычно в производстве используют метод прямого сжигания отходов, получая при этом пар, но в этом случае в воздух выделяется масса вредных веществ, ухудшая и без того сложную экологическую обстановку. В газогенераторных установках, образованные при сжигании топлива вредные вещества, разлагаются внутри установки посредством пиролиза в чистые генераторные газы различного назначения, не оказывая тем самым вредного воздействия на общую экологическую обстановку. К тому же древесина в газогенераторе сгорает практически полностью и позволяет получить КПД более 90%.
В условиях научно-технического отставания в области широкого применения местных возобновляемых источников энергии и недостатка финансирования попытки России догнать, а тем более обойти передовые страны на пути освоения современных технологий рационального энергоиспользования биомассы сельского, лесного и коммунального хозяйств почти обречены на неудачу. Только развитие принципиально новых идей и подходов дает шансы занять лидирующие позиции на мировом рынке новых технологий. Ускоренное развитие технологий термохимической конверсии органических отходов как ключевой отрасли альтернативной энергетики должно стать приоритетным направлением научно-технической политики России в ближайшее время. Это позволит оптимально реализовать природный потенциал страны, обеспечить ее энергетическую и сырьевую безопасность, а также устойчивое развитие экономики в XXI веке.
Литература
1. Сафин, Р. Р. Анализ современного состояния лесопромышленного комплекса и перспективы его развития на базе кафедр лесотехнического профиля КГТУ / Р. Р. Сафин, Р. Г. Сафин // Вестн. Казан. технол. ун-та. -2010. - № 4. -С. 120-126.
2. Самылин, А. Современные конструкции газогенераторных установок / А. Самылин, М. Яшин // ЛесПромИнформ. - 2009. (http://lesprominform.ru/jarchive/articles/itemshow/173).
3. Гордон, Л. В. Технология и оборудование лесохимических производств / Л.В. Гордон, С.О. Скворцов, В. И. Лисов. - М.: Лесная промышленность, 1988.
4. Михеев, В. П. Газовое топливо и его сжигание: http://www.xumuk.ru/bse/583.html
5. Пат. 2346023 Российская Федерация, МПК С 10 В 53/02, Б23 в 5/027. Установка для пиролиза древесины / Грачев А. Н., Исхаков Т. Д., Сафин Р. Г., Валеев И. А.; заявитель и патентообладатель НТЦ РПО. - № 2007118459/15; заявл. 17.05.07; опубл. 10.02.09, Бюл. № 4.
6. Сафин, Р. Р. Установка для переработки отходов древесных производств / Р.Р. Сафин [и др.] // Вопросы современной науки и практики ун-тет им. В. И. Вернадского. - 2009. - № 5. - С. 82-86.
7. Пат. 2400671 Российская Федерация, МПК Б 23 в 5/027, Б 23 в 5/14, Б 23 I 15/00. Установка для
термической переработки твердых отходов / Тимербаев Н. Ф., Зиатдинова Д. Ф., Сафин Р. Р., Садртдинов А. Р., Сафин Р. Г., Кузьмин И. А., Разумов Е. Ю., Миндубаев Р. Р.; заявитель и патентообладатель
ГОУВПО «Казанский государственный технологический университет». - № 2009113401/03; заявл. 09.04.2009; опубл. 27.09.2010, Бюл. № 27.
© Н. Ф. Тимербаев - канд. техн. наук, доц. каф. переработки древесных материалов КГТУ, [email protected]; Р. Г. Сафин - д-р техн. наук, проф., зав. каф. переработки древесных материалов КГТУ, [email protected]; А. Р. Хисамеева - асп. той же кафедры.
