О ДЕЯТЕЛЬНОСТИ ФГУП «ММПП «САЛЮТ» В ОБЛАСТИ СОЗДАНИЯ ОБОРУДОВАНИЯ ГАЗИФИКАЦИИ ТВЕРДЫХ ТОПЛИВ Текст научной статьи по специальности «Промышленные биотехнологии»

ПРОБЛЕМЫ

НЕФТЕГАЗОВОЙ И УГОЛЬНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

PROBLEMS OF OIL, GAS AND COAL INDUSTRY

Статья поступила в редакцию 23.09.10. Ред. рег. № 870 The article has entered in publishing office 23.09.10. Ed. reg. No. 870

УДК 622.76

СОСТОЯНИЕ ДЕЛ И ПЕРСПЕКТИВЫ ФГУП «ММПП «САЛЮТ» В ОБЛАСТИ ГАЗИФИКАЦИИ ТВЕРДЫХ ТОПЛИВ

В.В. Копытов

ФГУП «ММПП «Салют» 105118 Москва, пр. Буденного, д. 16 Тел. +7 (499) 785-80-59; +7 (903) 165-73-76; E-mail: [email protected]; [email protected]

Заключение совета рецензентов: 17.10.10 Заключение совета экспертов: 27.10.10 Принято к публикации: 31.10.10

В настоящей статье рассматриваются особенности, преимущества, характерные признаки и области применения технологий и оборудования газификации твердых топлив. Показано современное положение дел, а также обозначены перспективы развития данной тематики, в т.ч. на примере одного из крупных российских машиностроительных предприятий - ФГУП «ММПП «Салют».

Ключевые слова: технологии и оборудование газификации твердых топлив, генераторный газ, пиролиз, отходы, экология, распределенное энергоснабжение, фитомасса, биотопливо, возобновляемые источники энергии.

FSUE «MBPP «SALUTE»: STATE OF AFFAIRS & PROSPECTS IN THE FIELD

OF SOLID FUELS GASIFICATION

V.V. Kopytov

FSUE «MBPP «SALUTE» 16 Budennogo ave., Mosow, 105118, Russia Теl. +7 (499) 785-80-59; +7 (903) 165-73-76; E-mail: [email protected]; [email protected]

Referred: 17.10.10 Expertise: 27.10.10 Accepted: 31.10.10

In present article it is considered features, advantages, characteristic signs and scopes of technologies and the equipment of gasification firm tohthb. The modern state of affairs is shown, and also prospects of development of the given subjects, including on an example of one of the large Russian machine-building enterprises - FSUE "MBPP "Salute" are designated.

Keywords: technologies and the equipment of gasification solid fuel, generating gas, pyrolysis, waste, ecology, distributed power generation, phytoweight, biofuel, renewed energy sources.

Оборудование газификации твердых топлив (ГТТ) предназначено для преобразования (конверсии) органической части твердого топлива (ТТ) в генераторный газ (ГГ), удобный для последующего сжигания как в горелках котлов различного назначения, так и в камерах сгорания (внешних и внутренних) двигателей различных типов.

Главным преимуществом технологии ГТТ (по крайней мере, с экологической точки зрения) является низкий уровень негативного воздействия на окружающую среду.

Это, в первую очередь, обусловлено достаточно продолжительным (более 3 секунд) нахождением газообразных продуктов ГТТ сначала в зоне окисления (горения) при температурах 1000-1200 °С, а затем в восстановительной (бескислородной) зоне формирования ГГ. При таких условиях происходит термическое разложение и восстановительное дехлорирование наиболее опасных веществ - диоксинов, фуранов, полихлорбифенилов, бенз(а)пиренов и других полициклических ароматических углеводородов.

Еще одним преимуществом газификации в сравнении с прямым сжиганием ТТ является образование гораздо меньших объемов газов, подлежащих очистке. Кроме того, в результате более полного (в сравнении с прямым сжиганием ТТ) сгорания газообразного топлива образуется значительно меньшее (в разы, а по некоторым позициям и на порядки) количество вредных для окружающей среды химических соединений (как в дымовых газах, так и в зольном остатке).

Все это позволяет существенно сэкономить на дорогостоящем оборудовании газоочистки дымовых газов, выбрасываемых в атмосферу (стоимость такого оборудования, например, в составе мусоросжи-гающих заводов составляет более 50%) и оборудовании обеззараживания твердых вторичных отходов.

Наконец, при газификации недожог топлива в сравнении с прямым сжиганием существенно ниже, т.к. происходит почти 100%-я конверсия углерода при переходе его из твердого в газообразное состояние, а в ГГ/зольном остатке практически отсутствует сажа/непрореагировавший углерод.

Газификации могут быть подвергнуты все известные виды горючих ископаемых (каустобиоли-тов), а также любые углеродсодержащие отходы в конденсированном виде. При этом можно получить ГГ заданного состава или заданной теплоты сгорания, так как эти показатели в значительной степени определяются температурой, давлением и составом применяемых газифицирующих агентов.

Примерно полтора века (в течение почти всего XIX в. и более половины XX в.) ГГ уже был в числе основных энергоносителей нашей цивилизации.

Однако в начале 60-х годов XX века активное применение и развитие технологий и оборудования ГТТ приостановилось в связи с повсеместным распространением доступных и удобных в применении топлив, произведенных из жидкого (нефть) и газообразного (природный газ) ископаемого сырья. Сыграл свою роль и выбор концепции централизованного производства и развитых, в т.ч. межрегиональных и международных, сетей доставки электрической энергии потребителям. Аналогичная ситуация, хоть и в меньших масштабах, сложилась и в сфере тепловой энергетики.

В мире в целом в это время также наблюдался спад интереса к ГТТ (за исключением ЮАР, где действовало международное эмбарго на поставку нефти и нефтепродуктов). Однако в странах с рыночной экономикой, во многом зависящей от колебаний цен на энергоносители, этот интерес периодически (правда, в основном во время нефтяных и энергетических кризисов) вновь оживал. Так, кроме ЮАР, активизировалось «химическое» направление газификации (главным образом для производства синтетических жидких топлив) в США, Новой Зеландии, Малайзии и некоторых других странах.

При этом общепризнано, что доля твердых топ-лив составляет около 95%, а на нефть и газ прихо-

дится порядка 5% от общего объема каустобиолитов. Причем эта пропорция с каждым годом изменяется, и не в пользу жидких и газообразных видов ископаемых топлив. Запасов твердого ископаемого сырья (угля, горючих сланцев, торфа, сапропелитов и т.п.) человечеству должно хватить не менее чем на тысячу лет. Объемы сырья, относящегося к возобновляемым источникам энергии (фитомасса, в т.ч. специально выращиваемая, углеродсодержащие отходы и т.п.), вообще представляются неограниченными (в рамках существования нашей цивилизации). Запасов же нефти и газа на Земле, по разным оценкам, осталось на 30-70 лет (по крайней мере, разведанных и легко добываемых с использованием существующих технологий).

Однако уменьшение мирового потребления нефти ожидается уже после 2020 г. И это объясняется не только тающими запасами жидкого и газообразного ископаемого сырья. Как однажды сказал бывший министр нефтяной промышленности Саудовской Аравии шейх Ямани: «Каменный век закончился не потому, что у человечества не осталось подходящего сырья для производства инструментов и оружия. Это произошло оттого, что люди нашли хорошую альтернативу. Точно так же нефтяная эра закончится не тогда, когда из земли добудут последнюю каплю нефти ...».

Таким образом, можно с большой долей уверенности предположить, что уже в среднесрочной перспективе после завершения нефтегазового периода в истории человечества (начавшегося на рубеже XIX-XX вв. и завершающегося в середине-конце XXI в.) технологии и оборудование ГТТ из раритетов прошлого неизбежно вновь превратятся в спутники настоящего и предвестники будущего.

Вместе с тем и сегодня существуют области, где применение технологий и оборудования ГТТ не только оправдано, в т.ч. с экологической точки зрения, но и экономически целесообразно.

Для России это, прежде всего, децентрализованное распределенное (с созданием локальных сетей энергоснабжения либо без этого) производство тепловой и/или электрической энергии в отдаленных труднодоступных районах с использованием вместо привозного жидкого топлива (солярки и бензина) местных углеводородных ТТ.

В Российской Федерации на регионы с децентрализованным энергоснабжением приходится почти 2/3 территории, где проживают около 10% населения страны и сосредоточено до 15% основных производственных фондов государства. Здесь, в частности, заготавливается более 50% древесины, добывается 75% нефти, более 90% газа, алмазов, пушнины, драгоценных металлов, радиоактивных и редкоземельных элементов.

В настоящее время основу энергетики в этих регионах составляют более 50 тыс. электростанций на базе двигателей внутреннего сгорания (в основном дизельных) с суммарной годовой выработкой более

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 10 (90) 2010

© Scientific Technical Centre «TATA», 2010

50 млрд кВтч, годовым потреблением более 25 млн т у. т. и средней выработкой ресурса более 80%.

К местным твердым топливам обычно относят древесину и другие топлива, произведенные из первичной биомассы растительного происхождения (фитомассы), каменные и бурые угли, торф, горючие сланцы, сапропелиты и т.п.

Еще одной (пока, правда, только потенциальной) сферой применения технологий и оборудования ГТТ может быть переработка (использование, утилизация) отходов различного происхождения, в т.ч. в рамках концепции «индустриального метаболизма» и реутилизационных технологий.

Это применение становится все более и более актуальным в условиях, когда пророческие слова выдающегося физика Нильса Бора: «Человечество не погибнет в атомном кошмаре - оно задохнется в собственных отходах», произнесенные им в начале 50-х годов прошлого века, уверенно ложатся в основу одного из самых реалистичных из апокалипсических сценариев будущего.

В настоящее время на каждого жителя планеты ежегодно из природных кладовых Земли изымается порядка 50 т сырья, из которого, в конечном счете, получают 2 т полезной продукции и 48 т отходов.

Россия также располагает огромными запасами биоресурсов в виде органических отходов. При пересчете на абсолютно сухое состояние эти ресурсы ежегодно составляют до 1500 млн т, из них:

- отходы промышленного происхождения - 1100 млн т, в т.ч. отходы лесо- и деревопереработки - 700 млн т;

- отходы сельскохозяйственного происхождения - 250 млн т, в т.ч. отходы животноводства и птицеводства - 150 млн т. Остальное - отходы растениеводства;

- отходы потребления - 100 млн т, в т.ч. твердые бытовые отходы (ТБО) - 60 млн т. Остальное - коммунальные стоки и другие отходы потребления, образующиеся в населенных пунктах в результате жизнедеятельности людей.

Но если в случаях промышленных и сельскохозяйственных отходов можно рассчитывать на рыночные механизмы, то в случае с ТБО и другими отходами потребления необходимо деятельное участие государственных органов власти РФ (в качестве ориентира можно привести систему преференций, предоставляемых «зеленой» энергетике в странах ЕС).

Для развитых и развивающихся стран, не относящих себя к «энергетическим сверхдержавам», актуальным останется (и с течением времени эта актуальность будет только повышаться) газификация различных видов ТТ, в т.ч. произведенных из отходов, с целью перевода их из категории «неудобных» топлив («solid fuels - bad fuels» в английской терминологии) на одну ступень (в технологическом смысле) с природным газом и продуктами нефтепереработки.

Кроме того, в этих странах разрабатываются и новые технологии ГТТ.

Так, в качестве участка принципиального прорыва на фронте новых технологических разработок в энергетической сфере компания «Siemens» выбрала модернизацию газовых турбин для работы на ГГ, полученном в процессе газификации ТТ. Эффективное решение этой задачи, по мнению ряда экспертов, позволит технологии IGCC (Integrated Gasification Combined Cycle), основанной на использовании в качестве топлива ГГ, стать ведущей в мире среди тепло- и электроэнергетических технологий и, ввиду больших запасов углей и горючих сланцев, обеспечить стабильное развитие энергетического сектора на длительный период времени.

Другой всемирно известный холдинг - «Mitsubishi», в т.ч. в области альтернативных источников энергии, уже несколько лет ведет активные работы в области создания современного оборудования газификации угля.

Немецкая энергетическая компания «RWE Power» выделила на разработку подобных технологий 1 млрд евро. Первая твердотопливная электростанция данной компании, газифицирующая рейнские бурые и каменные угли, будет введена в эксплуатацию в 2014 г.

Среди промышленно развитых стран, в которых явно прослеживается интерес к развитию технологий и созданию новых образцов оборудования ГТТ, можно выделить Швецию, Финляндию, Германию, Данию, Нидерланды, США, Канаду и Японию.

Среди развивающихся стран несомненными лидерами в данном вопросе (преимущественно в плане газификации фитомассы для децентрализованного электроснабжения) являются Бразилия, Индия, Китай, Филиппины, ЮАР, Куба, Мали, Кения, Бурунди и Мадагаскар. Там развитие технологий ГТТ закреплено государственными программами.

Прогнозируется, что к 2040 г. топливо, произведенное из биомассы термохимическими и биотехнологическими способами (биотопливо), займет до 25% в общемировой структуре источников энергии всех видов.

По состоянию на IV-й квартал 2010 г. ФГУП «ММПП «Салют» ведет работы по созданию оборудования ГТТ параллельно по двум направлениям:

I. Создание крупногабаритного оборудования ГТТ с противоточным «вертикальным» либо с прямоточным «горизонтальным» процессами газификации.

Основной характеризующий признак, отличающий это оборудование, - сравнительно большая единичная электрическая (от 1,0 МВт) и тепловая (от 2,0 Гкал/час) мощность. «Платой» за это является необходимость проведения строительно-монтажных работ, в т. ч. работ по устройству фундаментов, при вводе оборудования в эксплуатацию (средняя трудоемкость не менее 3000 человекочасов).

К данному оборудованию можно отнести твердотопливную электростанцию ТЭС-1 (энергетический

комплекс), комплекс газификации (изд. 44), «горизонтальный» комплекс газификации, разрабатываемый для утилизации отходов нефтепереработки.

Начиная с 2003 г. по сегодняшний день на предприятии находится в опытно-промышленной эксплуатации установка ГТТ мощностью до 15 тысяч тонн газифицируемого ТТ в год тепловой мощностью до 5 МВт на древесных отходах. Идет отработка регламентов газификации различных ТТ, в том числе для нужд ОАО «РЖД» и ОАО «Мечел».

Наиболее рациональное применение данного оборудования - переработка твердых бытовых, промышленных и сельскохозяйственных отходов с получением некоторого количества тепловой и/или электрической энергии (как правило, путем подмешивания к природному газу или иному топливу и, в первую очередь, для собственных нужд организаций, эксплуатирующих оборудование ГТТ).

Предполагаемые места эксплуатации - крупные населенные пункты (или их окрестности) с развитой инфраструктурой, в т. ч. с централизованными системами тепло- и электроснабжения, не в полной мере удовлетворяющими имеющиеся потребности по приемлемым ценам, поблизости от источников образования отходов различного происхождения.

Примером такого применения крупногабаритного оборудования ГТТ может служить проект переработки бытовых и промышленных отходов в г. Ми-школьце (Венгерская республика).

В случае применения оборудования ГТТ для переработки ТБО (отходов потребления; коммунальных и муниципальных отходов) нужно иметь в виду, что отходы, которые допустимо и целесообразно направлять на газификацию (либо сжигание), в среднем составляют ~ 20-30% от общего объема ТБО. Часть отходов из состава ТБО подвергать газифика-

ции технологически недопустимо (например, металлы и стекло), часть - недопустимо по экологическим соображениям (например, химические источники электрического тока (аккумуляторы, батарейки), энергосберегающие ртутные лампы, термометры, другие ртутьсодержащие отходы, электронный скрап, некоторые виды пластмасс и других синтетических материалов, предметы бытовой химии, лаки, краски и т.п.), часть - экономически нецелесообразно (например, бумагу, ткани, пищевые и другие био-разлагаемые отходы) и, наконец, часть - просто бессмысленно (например, керамику, минералы, строительные и другие отходы, не содержащие углерода).

В ведущих странах Европейского союза (ЕС) наиболее значительную часть ТБО (~ 30-50%) подвергают рециклингу (возвращению в промышленность в качестве вторичных материальных ресурсов), вторую по величине горючую часть отходов (~ 2030%) отправляют на сжигание и/или газификацию с получением тепловой и/или электрической энергии, биоразлагаемую часть ТБО (~ 15-25%) - на анаэробное (метанирование) и/или аэробное (компостирование) сбраживание с получением биогаза и/или компоста и, наконец, оставшуюся часть отходов (~ 1020%), не подлежащих рециклингу, переработке и утилизации, - на полигоны захоронения (см. рис. 1).

Кроме того, нужно понимать, что оборудование ГТТ предназначено для газификации не отходов, а твердого топлива, произведенного из отходов (в английской терминологии: «refuse derived fuel - RDF») путем сортировки, сушки, размельчения и брикетирования или пеллетирования. А в случае с ТБО и другими низкокалорийными отходами желательно их смешивать с более калорийными компонентами типа кокса, угля, древесины и т.п.

□ Рециклинговая часть ТБО, подвергаемая возвращению в промышленность в качестве вторичных материальных ресурсов (30%,.,50%);

□ Горючая часть ТБО, подвергаемая газификации / сжиганию с попечением тепловой и / или электрической энергии (20%.,.30%);

□ Биоразлагаемая часть ТБО, подвергаемая анаэробному (метанированию) и/или аэробному (компостированию) сбраживанию с получением биогаза и/или компоста (15%...25%);

□ Неперерабатываемая часть ТБО, подвергаемая захоронению на полигонах твёрдых отходов (10%.„20%)

Рис. 1. Распределение потоков твердых бытовых отходов при их переработке (утилизации) в ведущих странах ЕС Fig. 1. Distribution of streams of a firm household waste at their processing (recycling) in the leading EU countries

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 10 (90) 2010

© Scientific Technical Centre «TATA», 2010

II. Создание компактного модульного оборудования ГТТ с прямоточным «вертикальным» процессом газификации.

Основной характеризующий признак, отличающий модульное оборудование, - сравнительно небольшая единичная электрическая (до 500 кВт) и тепловая (до 1,0 Гкал/час) мощность.

Однако при этом отсутствует необходимость проведения строительно-монтажных работ, в т. ч. работ по устройству фундаментов, при вводе оборудования в эксплуатацию (время развертывания на неподготовленной грунтовой площадке силами бригады из 4 человек составляет не более 16 часов; средняя трудоемкость - не более 64 человекочасов).

К данному оборудованию можно отнести:

- твердотопливную модульную электростанцию ТЭС-75/100 (изд. 71), создаваемую на основании договора с ОАО АК «Якутскэнерго». В настоящее время заканчивается монтаж опытного образца изделия и стендового оборудования, необходимого для проведения предварительных испытаний. Планируемый срок проведения испытаний - IV кв. 2010 г. - I кв. 2011 г.

- твердотопливную модульную электростанцию ТЭС-100, разрабатываемую на основе опытного образца электростанции ТЭС-75/100, и ее модификацию ТЭС-100/П-200, рассчитанную на работу с переменным (пиковым) режимом потребления электроэнергии;

- перспективное семейство многомодульных твердотопливных электростанций ТЭС-50, ТЭС-200/250, ТЭС-500 и их «пиковых» модификаций;

- перспективное семейство одномодульных твердотопливных электростанций ТЭС-4, ТЭС-8, ТЭС-16, ТЭС-30 и их «пиковых» модификаций.

Последнее семейство электростанций, прежде всего ТЭС-4 и ТЭС-8, ввиду малых массогабарит-ных и стоимостных характеристик, может быть отнесено к товарам широкого потребления, реализуемым непосредственно населению (физическим лицам) через существующую сеть розничной продажи.

Все остальное оборудование ГТТ (и компактное, и, тем более, крупногабаритное) относится к промышленной продукции, создаваемой и поставляемой по заказу физических и юридических лиц.

Наиболее рациональное применение данного оборудования - использование в рамках концепции распределенной энергогенерации (distributed power generation). Что предусматривает децентрализованное распределенное преобразование химической энергии местных углеводородных ТТ в тепловую и/или электрическую энергию (в т.ч. в составе локальных сетей энергоснабжения), используя в качестве промежуточного энергоносителя горючий ГГ, получаемый при газификации этих топлив. К местным топливам обычно относят дрова и другие топлива, произведенные из фитомассы, каменные и бурые угли, торф, горючие сланцы, сапропель и т.п.

В силу объективных причин себестоимость твердотопливных электростанций значительно превыша-

ет себестоимость аналогичных энергогенерирующих комплексов, работающих на продуктах нефтепереработки и природном газе. Поэтому экономическая целесообразность применения такого оборудования напрямую зависит от эксплуатационных расходов, прежде всего от разницы между стоимостью жидких, газообразных и твердых топлив.

В связи с этим предполагаемые места эксплуатации твердотопливных электростанций - это, как правило, небольшие населенные пункты с неразвитой инфраструктурой, в т.ч. без централизованных систем тепло- и электроснабжения, расположенные в отдаленных районах Сибири, Дальнего Востока и Крайнего Севера, а также другие регионы с высокой стоимостью жидких и газообразных видов топлив.

Примером такого применения компактного модульного оборудования ГТТ может служить проект замены дизельных электростанций в поселках Сан-гар и Жиганск (республика Саха-Якутия, Россия) на электростанции ТЭС-75/100, предназначенные для работы на местном ТТ (каменном угле месторождения Джебарики-Хая или древесине).

По некоторым расчетам энергия, получаемая при газификации местной якутской древесины, в 15 раз дешевле энергии, получаемой из привозного дизельного топлива.

Кроме того, модульные электростанции могут быть востребованы геологическими партиями, археологическими экспедициями, учреждениями ФСИН в местах добычи полезных ископаемых, на лесозаготовительных участках и т. п.

Наконец, учитывая авиатранспортабельность и малое время развертывания, в т.ч. силами МЧС, модульные электростанции могут быть использованы для оперативного восстановления энергоснабжения и снижения ущерба от аварий природного и техногенного характера, связанных с выходом из строя существующих систем тепло- и электроснабжения.

Мобильность модульного оборудования ГТТ может быть повышена при установке его непосредственно на шасси автомобильных транспортных средств, на железнодорожный подвижной состав, на палубах и в трюмах плавсредств.

Все создаваемое на сегодняшний день ФГУП «ММПП «Салют» оборудование ГТТ, за исключением оборудования «туннельного» типа, предназначено для автотермической паровоздушной среднетемпе-ратурной газификации при атмосферном давлении крупно-, средне- и мелкозернистых ТТ в псевдостационарном опускающемся слое с сухим золоудалением и получением горючего ГГ с низкой теплотой сгорания для энергетических целей.

Энергетические комплексы на базе оборудования ГТТ могут производить электроэнергию как в жесткой привязке к внешним электросетям (в режиме «Grid Connect»), так и автономно, независимо от внешних электросетей (в режиме «Stand Alone»). Возможна (и в большинстве случаев целесообразна) также работа комплексов в режимах когенерации (произ-

водство одновременно электроэнергии и тепла) и три-генерации (электроэнергия + тепло + холод).

В основе технологического процесса газификации лежит способность органической части ТТ переходить при определенных условиях из твердого в газообразное состояние с образованием монооксида углерода (угарного газа) и водорода. Назначение оборудования ГТТ - создать такие условия.

Одним из таких необходимых условий является процесс термохимической деструкции ТТ, называемый пиролизом. Пиролиз внутри реакторов газогенераторов происходит в результате нагрева топлива при отсутствии кислорода. Нагрев ТТ обеспечивается за счет окисления части газифицируемого топлива (~ 10-30% в зависимости от характеристик ТТ и оборудования газификации) без подвода теплоты извне. Отсутствие кислорода в зонах формирования ГГ и пиролиза (восстановительной зоне и зоне коксования) объясняется тем, что подаваемые в реактор газифицирующие агенты сбалансированы таким образом, что весь содержащийся в них кислород используется в зоне окисления (зоне горения).

В процессах пиролиза ТТ, происходящего при температуре ~ 400-900 °С, и взаимодействия продуктов пиролиза с кислородом газифицирующих агентов при температуре ~ 900-1350 °С по экзотермическим химическим реакциям С + О2 = СО2 + 409 кДж/моль и 2С + О2 = 2СО + 246 кДж/моль выделяется теплота. Эта теплота используется в процессах:

- сушки ТТ при температуре ~ 150-400 °С;

- взаимодействия продуктов пиролиза с диоксидом углерода и водяным паром при температуре ~ 750-1000 °С по эндотермическим химическим реакциям (С + СО2 = 2СО - 162 кДж/моль и С + Н2О = = СО + Н2 - 137 кДж/моль);

- подогрева газифицирующих агентов при температуре теплоносителей (продуктов газификации) ~ 200-900 °С.

В результате вышеприведенных химических реакций происходит образование монооксида углерода и водорода - основных горючих компонентов ГГ. Результаты других химических реакций, имеющих место при газификации ТТ, ввиду их незначительного влияния на состав и калорийность ГГ можно не рассматривать. Условия, необходимые для протекания химических реакций газификации и сопутствующих им процессов в соответствующих зонах реактора, обеспечиваются правильной организацией тепломассообмена.

Таким образом, при правильно сбалансированных потоках топлива, инертного материала (при наличии) и газифицирующих агентов, подаваемых в реактор, а также при правильной организации тепломассообмена внутри реактора исходное ТТ с достаточно высокой эффективностью (КПД газификации 0,65-0,9) преобразуется в конечные продукты термохимической деструкции сложных органических веществ -горючий ГГ и твердый зольный остаток.

Нужно отметить, что ТТ растительного происхождения, произведенное из специально выращиваемой быстрорастущей фитомассы (тепличные и фото-биореакторные водоросли, древесные, кустарниковые и травянистые «энергетические леса» и т.п.), а также топливо, произведенное из отходов, являются возобновляемыми источниками энергии.

В связи с предпринимаемыми в настоящее время усилиями мирового сообщества по снижению эмиссии (выбросов) парниковых газов примечательно, что эксплуатация энергетических установок на базе оборудования ГТТ, использующих твердое топливо из специально выращиваемой фитомассы, не приводит к повышению концентрации углекислого газа в атмосфере. Это обусловлено тем, что объем СО2, получаемый при сгорании ГГ, не превышает объема диоксида углерода, поглощаемого растениями при их росте в процессе фотосинтеза. Таким образом, ТТ из фитомассы является СО2-нейтральным топливом. Кроме того, если фитомассе дать возможность естественным образом разложиться на воздухе, то ввиду преобладания в этом процессе окислительных реакций произойдет выделение того же объема углекислого газа, что и при ее газификации или сжигании. На основании ст. 6 Киотского протокола (в ноябре 2009 г. Россия приняла новый механизм реализации этой статьи) организации, эксплуатирующие СО2-нейтральное оборудование, имеют право продажи соответствующих квот на выбросы углекислого газа.

Еще одним важным преимуществом ТТ из фито-массы перед другими, особенно ископаемыми видами топлив является почти полное отсутствие в нем серы (8) и других вредных для оборудования ГТТ и окружающей среды химических элементов и соединений.

Вообще, использование возобновляемых источников энергии, в т. ч. с помощью оборудования ГТТ, наиболее полно отвечает требованиям коэволюции -сбалансированного совместного развития природы и современного технократического общества, т.е. био-техносоциальной системы, существующей в настоящее время на планете Земля.

Принимая во внимание определение термина «биотопливо», данное в ВИКИПЕДИИ, генераторный газ, получаемый при переработке (газификации) твердого биологического сырья, может быть отнесен к газообразным биотопливам.

Если рассматривать вопрос в принципе, то получаемый в результате газификации ТТ генераторный газ может использоваться в системах лучистого обогрева (при условии применения горелок инфракрасного излучения, работающих на ГГ), в качестве котельного топлива в котлах различного назначения (при условии применения специальных горелок для сжигания ГГ), а также как топливо двигателей внутреннего (при условии применения оборудования очистки и охлаждения ГГ) и внешнего (при условии применения горелок, аналогичных котельным) сгорания.

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 10 (90) 2010

© Scientific Technical Centre «TATA», 2010

Последний тип двигателя следует признать предпочтительным с точки зрения эффективности и экономичности использования ГГ. Это обусловлено тем, что в результате снижения (либо снятия совсем) требований по очистке ГГ не только упрощается и удешевляется оборудование газоочистки, но и повышается теплотворная способность газа за счет содержащихся в нем горючих низко- и высокомолекулярных органических соединений (например, спиртов и особенно смол). Кроме того, в связи со снятием требований по охлаждению ГГ одновременно с экономией на соответствующем оборудовании и хладагентах свой вклад в нагрев рабочего тела энергоустановок с внешними камерами сгорания внесет и физическое тепло горячего ГГ.

К двигателям внешнего сгорания может быть отнесен, например, преобразователь энергии, известный как паротурбогенератор с замкнутым циклом (CCVT). Интересен также разрабатываемый с участием «Салюта» газогидротурбинный двигатель, работающий в газопаровом цикле (ГГ при этом сжигается в паровом котле, играющем здесь роль внешней камеры сгорания). Однако особенно привлекательным представляется вариант газотурбинного двигателя с внешней камерой сгорания ГГ, вопрос о создании которого специалистами ФГУП «ММПП «Салют» рассматривается в настоящее время.

Ввиду наличия водорода в составе ГГ последний может также рассматриваться в качестве энергоносителя для получающих все большее распространение топливных элементов (в английской терминологии «fuel cells») и других направлений водородной энергетики.

Еще один перспективный вариант применения оборудования ГТТ в сфере «зеленой» энергетики -создание «симбиоза» с фотобиореакторами для выращивания водорослей в целях получения биотоплива. В этом случае конечные продукты газификации используются для создания оптимальных условий роста, жизнедеятельности, размножения и наращивания фитомассы водорослей (электроэнергия - для питания автономных источников света, тепловая энергия - для создания нужного температурного режима, углекислый газ - для обеспечения реакции фотосинтеза, азот и минерализованный зольный остаток - в качестве составляющих питательной среды). Из отходов производства биотоплива, в свою очередь, может формироваться топливо для газификации, а выделяемый при фотосинтезе кислород из фотобиореакторов - подаваться в реакторы-газогенераторы, исключая «кислородное отравление» водорослей. При такой технологической схеме выращивать водоросли и производить биотопливо можно непрерывно в базовом режиме (без остановок на ночь и снижения объемов выработки зимой), в т.ч. в местах с дефицитом солнечного света и тепла, и без использования централизованных систем энергоснабжения.

Технологический процесс генерирования электрической и/или тепловой энергии путем газификации возобновляемых источников энергии (специально выращиваемой быстрорастущей фитомассы и отходов различного происхождения) представлен на рис. 2.

Кроме того, необходимо решить задачу утилизации/обезвреживания вторичных отходов (эффлюен-та), появившихся в процессе подготовки и газификации ТТ, генерирования электрической и/или тепловой энергии.

Часть вторичных отходов (например, жидкие отходы, образующиеся в процессе очистки ГГ) может быть утилизирована с помощью источника их появления (оборудования ГТТ).

При этом вторичные отходы можно рассматривать и в качестве сырья для получения дополнительных товарных продуктов.

Так, твердые продукты газоочистки и зольный остаток (шлам) можно использовать при производстве строительных материалов (зольный гравий, асфальтобетон, цементные смеси, бетоны, утеплители и т.п.) и изделий (кирпичи, блоки, тротуарная и облицовочная плитка и т.п.), вносить в почву в качестве удобрений, раскислителей и стабилизаторов, использовать при ландшафтном строительстве и в других подобных целях.

Жидкие отходы в виде газового конденсата (фу-гата) могут служить сырьем для синтеза различных химических соединений, в т. ч. искусственных жидких топлив.

В результате проведенных экспериментальных и теоретических исследований было показано, что используемый метод термохимической переработки ТТ отличается высоким энергетическим КПД и позволяет резко снизить образование и выбросы токсичных продуктов горения, в первую очередь диоксинов, фуранов, полихлорбифенилов, бенз(а)пиренов и других полициклических ароматических углеводородов, а также сажи.

Это было подтверждено в промышленном масштабе на примере переработки промышленных отходов (опытно-промышленная установка в г. Электросталь, Московская обл., Россия) и твердых бытовых отходов (мусороперерабатывающий мини-завод в г. Лаппеенранта, Финляндия), а также в процессе экспериментальных работ по газификации древесных и других видов отходов на территории ФГУП «ММПП «Салют».

На тему газификации твердых топлив в последние годы появился целый ряд публикаций в печати. Авторами некоторых из них были и сотрудники ФГУП «ММПП «Салют». Среди таких печатных трудов можно отметить следующие публикации:

- Елисеев Ю.С., Климов А.А., Традатьян С.А. Газификация твердых топлив как средство ресурсосбережения. Журнал «Тяжелое машиностроение», 12 /2004;

Технологический процесс

Подготовка твердого топлива (ТТ)

Формирование сырья,

необходимого для производства ТТ

Заготовка сырья

Транспортировка сырья

Производство ТТ

Транспортировка ТТ

Газификация твердого топлива (ГТТ)

Загрузка ТТ

Сушка ТТ

Пиролиз ТТ

Окисление ТТ

Формирование ГГ

Подогрев газифицирующих агентов

Отбор ГГ

Удаление зольного остатка

Транспортировка зольного остатка

Генерирование электрической / тепловой энергии

Транспортировка ГГ

Подготовка ГГ

Транспортировка ГГ

— Использование ГГ по назначению

Транспортировка дымовых газов

Подготовка дымовых газов

Выброс дымовых газов в атмосферу

Рис. 2. Технологический процесс генерирования электрической и/или тепловой энергии путем газификации возобновляемых

источников энергии

Fig. 2. Technological process of generating electric and/or thermal energy by gasification of renewed energy sources

- Prof. Sergery A. Tradatyan. Research and Development Activities of Renewable Energy in «Federal State Unitary Enterprise «Moscow Machine-Building Production Plant «SALUT». The Proceedings for the 39th ISTC Japan Workshop on Advanced Renewable Energy Researches in Russia / CIS, 2006.

- Елисеев Ю.С. Газификация твердых топлив как средство укрепления энергобезопасности. Журнал «Русский инженер», 1 (12) / 2007;

- Копытов В.В. История и перспективы развития технологий газификации твердых топлив. Научные труды Международной научно-практической конференции «Фундаментальные проблемы и современные технологии в машиностроении». М.: Машиностроение, 2010;

- Копытов В.В. О деятельности ФГУП «ММПП «Салют» в области создания оборудования газификации твердых топлив. Научные труды Международной научно-практической конференции «Фундаментальные проблемы и современные технологии в машиностроении». М.: Машиностроение, 2010;

- Копытов В.В. Газификация твердых топлив: оборудование и технологии. Журнал «Твердые бытовые отходы», 10 / 2010;

Российская Государственная экологическая экспертиза подтвердила технологическую безопасность газификации и конструктивную надежность используемого при этом оборудования (приказ МПР России от 22.01.02 № 15).

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 10 (90) 2010

© Scientific Technical Centre «TATA», 2010

В 2004 г. Российским научно-исследовательским центром чрезвычайных ситуаций Минздрава РФ были проведены анализы химического состава генераторного и дымовых газов, а также зольного остатка и дана оценка воздействия установки на окружающую среду.

На 5-м Международном форуме «Высокие технологии 21 века» (апрель 2004 г.) проект «Установка по переработке твердых бытовых отходов методом паровоздушной газификации» занял первое место.

На установку газификации ТТ получены сертификат соответствия № 6540155 от 05.09.05 г. и патент на полезную модель «Комплекс для переработки твердых бытовых отходов» № 61844 от 14.08.06 г.

На установку для получения энергии (модульную твердотопливную электростанцию ТЭС-100) получен патент на изобретение № 2342542 от 27.12.08 г.

Только за последнее время ФГУП «ММПП «Салют» с целью знакомства с технологиями и оборудованием ГТТ посетили десятки российских и зарубежных делегаций. Среди последних были представители Венесуэлы, Венгрии, Австрии, Болгарии, Уругвая, Судана, Китая, Индонезии и других стран мира.

Дополнительную информацию, касающуюся технологий и оборудования газификации твердых топ-лив, а также энергетических и технологических комплексов на его базе, можно получить, обратившись на e-mail: [email protected].

Информацию о ФГУП «ММПП «Салют» и его деятельности в других сферах и областях можно найти на сайте http://www.salut.ru/.