CC BY
109
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА. ЭНЕРГЕТИКА ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №3 (93) 2010
4. ANSYS CFX-SolverTheory Guide. ANSYS CFX Release 11.0 / ANSYS, Inc. // Southpointe 275 Technology Drive. — Canonsburg: PA 15317, 2006. - 312 p.
5. Михайлов, А.Г. Расчет процессов переноса теплоты в топке котла/А.Г. Михайлов, С.В. Теребилов//Омский научный вестник. - 2009. - № 1 (77). - С. 151 - 152.
НЕНИШЕВ Анатолий Степанович, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой теплоэнер-
гетики Омского государственного технического университета.
МИХАЙЛОВ Андрей Гаррьевич, кандидат технических наук, доцент кафедры теплоэнергетики Омского государственного технического университета. ТЕРЕБИЛОВ Сергей Викторович, инженер МП «Тепловая компания», г. Омск.
Адрес для переписки: 644050, Омск, пр. Мира, 11.
Статья поступила в редакцию 03.06.2010 г.
© А. С. Ненишев, А. Г. Михайлов, С. В. Теребилов
УДК 620.9.001.12/18 в. П. АНУФРИЕВ
В. Е. СИЛИН Г. И. УСОВА
Уральский центр энергосбережения и экологии, г. Екатеринбург
Уральский государственный технический университет-УПИ им. первого Президента России Б. Н. Ельцина, г. Екатеринбург
РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩИЕ ТЕХНОЛОГИИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ПРОМЫШЛЕННЫХ ДРЕВЕСНЫХ ОТХОДОВ_____________________________________________
В статье представлены результаты исследований и технико-экономических проработок, проведенных в ООО «УЦЭЭ» и на теплоэнергетическом факультете УГТУ по двум инновационным проектам. Рассмотрены современные технологии использования древесных отходов в качестве экологически безопасного альтернативного источника энергии: технологический процесс производства жидкого котельного топлива из древесных отходов и получение энергии из отработанных деревянных шпал.
Ключевые слова: древесные отходы, биомазут, отработанные деревянные шпалы, газификация.
Введение
Древесные отходы — естественный и неизбежный продукт биологического круговорота жизненных материалов и энергии. В условиях неантропогенного природного биоценоза этот продукт «нарабатывается» с течением времени и непосредственно участвует в его формировании. В «точках взаимодействия» техно-и биоценозов (парковые зоны в городе, деревообрабатывающие предприятия, подразделения железной дороги, городские свалки) нарушается (под воздействием человеческого фактора) естественный баланс и образуются несвойственные концентрации древесных отходов. Это приводит к специфическим последствиям, неблагоприятным в первую очередь для человека и разрушительным для природы [1].
Наиболее очевидные негативные факторы накопления древесных отходов:
— отчуждение территорий под складирование древесных отходов;
— пожароопасность древесных отходов.
Для исключения этих факторов древесные отходы необходимо максимально полно вовлекать в технологический оборот, в пределе стремясь к стопроцентному использованию древесины. Это особенно
актуально в настоящее время в связи с широким развитием ресурсосберегающих методов энергопроизводства и природопользования.
Инновации в области использования древесных отходов. Древесная биомасса, будучи, вероятно, первым топливом человеческой цивилизации, к середине ХХ века была вытеснена более качественными ископаемыми топливами — углем, а затем нефтью и газом. Однако сейчас она испытывает «ренессанс», вновь вовлекаясь в энергетику [2]. Энергетическое использование древесных отходов является обширным направлением их утилизации и обеспечивает такие положительные моменты, как экономия кондиционного топлива и улучшение экологии энергоисточника в сравнении с углями, мазутом [3].
Современной сырьевой базой для производства биотоплив в России являются отходы лесопромышленного комплекса и деревообработки (20 млрд т у.т. — всего; ежегодно можно производить до 1 млрд т у.т.).
Можно выделить ряд инновационных направлений использования древесных отходов, получивших развитие за рубежом в настоящее время:
— получение различных видов жидкого топлива;
— получение энергии кондиционного качества из
ЯР .....*** ф
Рис. 1. Структурная схема производства биомазута
>
загрязненных промышленных древесных отходов (например, отработанных деревянных шпал, являющихся опасным отходом 3-го класса).
Критерии эффективности, отличающие их от использовавшихся ранее:
— большее энергосодержание конечного продукта в сравнении с исходным, что повышает его транспортабельные свойства и переводит из разряда местных топлив в разряд кондиционных экспортных;
— большие масштабы производственных процессов и связанная с этим их меньшая удельная энергоемкость;
— меньшее негативное воздействие на окружающую среду.
Получение жидких топлив. Около 90% мирового производства биодизельного топлива приходится на страны ЕС, лидером среди которых является Германия. Можно отметить, что на то есть исторические предпосылки, сложившиеся еще до Второй мировой войны. Для производства жидких топлив из твердых используются процессы газификации — получения горючего газа из органической твердой горючей массы. Германию можно считать «прародиной» трех основных технологий газификации, разработанных в первой половине ХХ века: в плотном слое —Лурги, в кипящем слое — Винклер, в спутном потоке-Копперс-Тотцек. Процессы газификации, появившиеся во время энергетического кризиса ХХ века за пределами Германии, во многом базируются на трех указанных технологиях, являясь их развитием [4, 5].
В промышленно развитых и отдельных развивающихся странах для того, чтобы обеспечить быстрые темпы производства биотоплива и сделать его конкурентоспособной отраслью (в сравнении с производством бензина и обычного дизельного топлива), оказывается государственная поддержка в виде высоких протекционистских тарифов на него, масштабных государственных субсидий, выплачива-емых производителям биотоплива, а также установления высоких тарифов на импорт этанола. Необходимо специально подчеркнуть, что только активная государственная поддержка правительствами производства экологически чистого жидкого биотоплива делает экономически выгодным этот вид бизнеса.
Одним из ценных жидких продуктов переработки древесных отходов является биомазут-высоко-технологичный продукт, имеющий ряд преимуществ перед обычным жидким топливом:
— принадлежит к разряду «зеленого» топлива — обеспечивает экологическую безопасность при сжигании;
— имеет низкую температуру застывания (— 33°С), что облегчает использование в качестве топлива на значительной части территории РФ с пониженными зимними температурами.
Основная сфера применения-топливо для котельных и газотурбинных установок (выработка тепла и электроэнергии). Кроме того, может применяться в химической промышленности: для получения ацета-лей, сложных эфиров, глиоксаля, других химических веществ, для создания эмульсий, растворителей и смол, а также — высококачествен-ного дизельного топлива путем каталитического риформинга.
Технологический процесс производства биомазута представлен на схеме (рис. 1). Сырье (древесная щепа) поступает на склад от внешнего поставщика и далее проходит на топливоподготовительном участке необходимую подготовку: сушку до требуемой по технологии влажности (не более 8%), измельчение. Производство биомазута проводится в реакторе кипящего слоя. На выходе реактора образуются сле-дующие потоки:
— биомазут (до 70% масс. от подачи), товарный продукт;
— древесный уголь (до 20% масс.), товарный продукт;
— неконденсируемые газы (порядка 10% масс.), продукт, полностью использующийся на собственные нужды технологии (для обогрева реактора).
Биомазут накапливается в резервуарах предприятия и используется для последующей продажи или переработки. Древесный уголь собирается в специальном накопительном бункере на складе угля для последующей продажи. Биомазут может являться не только товарным продуктом, отпускаемым потребителю, но и промежуточным продуктом для последующих переделов (например, в биодизель).
Экономические оценки создания в России производства биомазута с годовой выработкой порядка
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №3 (93) 2010 ЭЛЕКТРОТЕХНИКА. ЭНЕРГЕТИКА
Химические реакции в котле и газогенераторе
Топка котла Г азогенератор
Зона горения 1. Углерод и водород древесины (шпала) и угля с + о2 = со2 С 4- С02 = 2 СО с + н2о = СО + Н2 2. Каменноугольные масла шпалы и УВ (например, крезол) СН3С6Н4ОН + а02 = ЬСО + пС02 + кС6Н5ОН а, Ь, п, к — термодинамически зависимые коэффициенты Зона горения 1. Углерод и водород древесины (шпала) и угля с + о2 = со2 С + СО, = 2 СО с + н2о = СО + Н2 2. Каменноугольные масла шпалы и УВ (например, крезол) СН3С6Н4ОН + а02 = ЬСО + пС02 + кС6Н5ОН а, Ь, п, к — термодинамически зависимые коэффициенты
Зона газификации Отсутствует; должен использоваться дожигатель Зона газификации 3. Фенолы, проходя через слой раскаленного углерода, разлагаются с образованием простых газов пС6Н5ОН + кС = тС02 + яСО + гН2 п, к, т, q, г — термодинамически зависимые коэффициенты
50 ООО тонн на базе зарубежной технологии, показали необходимость государственной поддержки производства, в том числе — экономической (с учетом опыта стимулирования производства биотоплива в США и ряде европейских стран). Это является обязательным условием выхода проекта на заданную рентабельность и его инвестиционной привлекательности.
Утилизация отработанных деревянных шпал. Ежегодно на железной дороге в результате путе-ремонтных работ извлекается значительное количество отработанных деревянных шпал (ОДШ) и такая перспектива сохраняется до 2017 года. Для предотвращения гниения ОДШ пропитаны антисептиками, что делает их отходом 3 класса экологической опасности, не допускающим сжигание в неспециализированных устройствах.
Вредное воздействие антисептиков (каменноугольные масла) обусловлено действием токсичных компонентов, входящих в его состав, наиболее опасным из которых является бенз(а)пирен, классифицирующийся как вероятно канцерогенный для человека и как канцероген при воздействии на животных [6]. Среднесуточная предельно допустимая концентрация бенз(а)пирена в атмосферном воздухе составляет 10' 6мг/м3, он относится к 1 классу опасности.
Необходимым условием безопасной и полной термической утилизации материалов, содержащих бенз(а)пирен и прочие углеводороды (УВ), относящиеся к 1 — 2 классам опасности, является их разложение до простых газов (СО, С02, Н2, СН4) и дожигание последних. Известные режимные параметры, при которых может выполняться разложение:
— температурный уровень — не менее 1200°С,
— длительность выдержки газов при этой температуре — не менее 2 секунд.
Наличие в раскаленной среде восстановителей типа углерода повышает полноту разложения.
В РФ проверена реальность и экономическая целесообразность огневой утилизации шпал с получением тепловой энергии на одной из станций Восточно-сибирской железной дороги по способу с использованием дополнительного кондиционного топлива. ОДШ в специальных устройствах сжигаюся с помощью природного газа или жидкого топлива.
За рубежом ОДШ сжигаются наравне с ТБО в специализированных топках, в том числе —по технологии с пиролизом на первой стадии и дожиганием газов на второй стадии, не подразумевающей
использования дополнительного кондиционного и дорогостоящего топлива.
Упрощенно химизм процессов, происходящих в топке угольного котла и в газификаторе, качественно представлен в табл. 1.
При сжигании ОДШ в топке каменноугольные смолы и тяжелые УВ частично догорают только до веществ типа фенолов и выносятся с газовым потоком в дымовую трубу. В газогенераторном процессе газы так же проходят через слой раскаленного углерода, где происходит дополнительная термическая деструкция. За счет наличия зоны термического разложения веществ на углероде степень обезвреживания в газогенераторном процессе значительно увеличивается по сравнению с обычным сжиганием.
В РФ на сегодняшний день нет серийно выпускаемых газогенераторных устройств, в которых был бы накоплен практический опыт утилизации ОДШ. Тем не менее, нет и принципиальных сложностей в том, чтобы скомплектовать систему топливопод-готовки и сжигания мини-ТЭС на ОДШ отечественным (пилотным) оборудованием.
В ходе поисковых НИОКР проработана структурная схема (рис. 2), подобрано оборудование и проведены предварительные технико-экономические расчеты мини-завода электрической мощностью 1.75 МВт и тепловой мощностью 9 Гкал/ч по экологически безопасной утилизации шпал.
Шпалы доставляются на склад-накопитель откуда поступают в топливоприготовительный цех, где проходят необходимую механическую обработку и измельчение. После этого продукт переработки шпал складируется на специальном складе.
Со склада сырье раздается в приемные бункера газогенераторов. Воздух из узла загрузки газогенератора отсасывается аспирационной системой и сбрасывается на дожигание содержащихся в нем горючих газовых примесей. В газогенераторе за счет неполного сгорания топлива производится горючий газ. Газ после системы очистки и охлаждения разделяется в газораспределительном устройстве на два потока. Первый поток (1 /3 объема) направляется в мини-ТЭЦ, где сгорает в газопоршневом двигателе. В мини-ТЭЦ производится электрическая и тепловая энергия.
Отходящие дымовые газы после системы утилизации теплоты двигателя с температурой 120 — 150°С сбрасываются через дымовую трубу в атмосферу. Второй поток горючего газа подается в водогрейный котел, способный работать на генераторном газе
'i ii' -~iTM'iiki>rr;i JU\ 411 li-J
'Jlltfll tTI I ЧКС'кНЙ
Lfd
Ий c < fG i ] x: ofi [>:■ ] ■:■>:
— — — ► ' Ы.■ pntnrtnrfi miw ------- к шз4о:иши«сххз£г»:«с^
Рис. 2. Структурная схема завода по утилизации отработанных древесных шпал
и каменном угле (в качестве резервного топлива). Получаемая тепловая энергия используется на нужды отопления и в системе ГВС.
Экономические оценки показывают инвестиционную привлекательность проекта при учете положительных эффектов от снижения экологических платежей, а также потенциальной возможности привлечения инвестиций в рамках механизмов Киотского протокола.
Заключение. В результате технико-экономической проработки двух инновационных полномасштабных проектов по энергетическому использованию древесных отходов выявлен их малорентабельный и венчурный характер, как и в целом — проектов по энергетическому использованию местных топлив, не предоставляющих очевидной экономической выгоды, если не учитывать возможности сокращения платы за размещение отходов, в том числе — высоких классов опасности.
Есть ряд моментов, которые способны в перспективе повысить привлекательность этого направления. Использование различных форм древесных отходов приводит к выполнению целей Президента РФ по увеличению доли использования ВИЭ (цель — 4.5% к 2020 году), снижает эмиссию парниковых газов, подходит под критерии энергосберегающих проектов, финансируемых Европейским банком реконструкции и развития (ЕБРР) в рамках программы ЯиЯЕРР.
Библиографический список
1. Лотош, В.Е. Переработка отходов природопользования / В. Е. Лотош. — Екатеринбург : Полиграфист, 2007. — 503 с.
2. Гелетуха, Г. Г. Обзор современных технологий сжигания древесины с целью выработки тепла и электроэнергии /
Г.Г. Гелетуха, Т.А. Железная // Экотехнологии и ресурсосбережение. - Ч. 1 - 1999. - № 5. - С. 3-12.
3. Дунаевская, Н.И. Технологии совместного сжигания биомассы и угля в пылеугольных топках/Н.И. Дунаевская [и др.] // Экотехнологии и ресурсосбережение.-2007.-№ 3.-С. 38.
4. Рыжков, А.Ф. Обзор индустрии мировой газификации / А.Ф. Рыжков, В.Е. Силин // Энергетика за рубежом: приложение к журналу «Электрические станции».-2008.-№ 3-4.-С. 13-20.
5. Попов, А.В. Управляемый процесс газификации биомассы / А.В. Попов, А.Ф. Рыжков//Промышленная энергетика.-2008. -№ 1. - С. 27-31.
6. Вредные вещества в промышленности. Справочник для химиков, инженеров и врачей. В 3 т. Т. I. Органические вещества / Под ред. засл. деят. науки проф. Н.В. Лазарева и док. мед. наук Э. Н. Левиной. - Л. : Химия, 1976.
АНУФРИЕВ Валерий Павлович, доктор экономических наук, профессор (Россия), директор ООО «УЦЭЭ»; профессор кафедры энергосбережения и кафедры безопасности жизнедеятельност и Уральского государственного технического университета-УПИ им. первого Президента России Б.Н. Ельцина (УГТУ-УПИ). СИЛИН Вадим Евгеньевич, кандидат технических наук, руководитель отдела энергоэффективности ООО «УЦЭЭ», старший преподаватель кафедры энергосбережения УГТУ-УПИ.
УСОВА Галина Ивановна, инженер-теплоэнергетик ООО «УЦЭЭ», студентка группы Т-55032, специальность «Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии», теплоэнергетический факультет УГТУ-УПИ.
Адрес для переписки: e-mail: [email protected]
Статья поступила в редакцию 25.06.08 г.
© В. П. Ануфриев, В. Е. Силин, Г. И. Усова
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №3 (93) 2010 ЭЛЕКТРОТЕХНИКА. ЭНЕРГЕТИКА
