CC BY
48технологии газификации в сверхадиабатическом режиме для решения экологических проблем
энергетики
Г.Б. Манелис, Е.В. Полианчик Институт проблем химической физики РАН пр-т Академика Семенова, 1, г.Черноголовка Московской обл.
Состояние и перспективы развития теплоэнергетики и топливно-сырьевых ресурсов в настоящее время активно обсуждаются [1, 2]. При всем многообразии сценариев развития энергетики в России и в мире в целом бесспорно можно выделить ряд тенденций, характеризующих развитие:
1. перспективу сокращения доли нефти и природного газа в качестве энергетического сырья и рост роли угля, битумов и горючих сланцев, возобновляемых и нетрадиционных топливных ресурсов (рис. 1);
2. необходимость существенного повышения КПД электрогенерации с использованием всех видов топливных ресурсов, что потребует использования газа лишь в высокоэффективных электростанциях парогазового цикла, повышения параметров пара пылеугольных электростанций, развития угольных электростанций парогазового цикла с внутрицикловой газификацией;
3. развитие децентрализованных энергоустановок малой энергетики с когенерацией тепла и электричества;
4. повышение требований к экологическим показателям энергоустановок, сокращение выбросов окислов азота и серы, пыли и других загрязнителей.
млн барр. млрд т сут. год
300 --15
~ Неископаемые
2 источники
| »ЧРГ*
I 200 --10 ¡¿Г ^чЯ
шГ Уголь Сценарий !
Годы
Рис. 1. Прогноз изменения доли основных видов энергетического сырья в обеспечении мирового энергопотребления [3]
Единичная мощность, МВт
Рис. 2. Сопоставление типичной эффективности энергоустановок [2]
Применение в энергетике твердых топлив, как традиционных (углей), так и нетрадиционных (биотоплив, разного рода горючих отходов), необходимость расширения которого диктуется развитием топливно-сырьевой отрасли, сталкивается с рядом серьезных ограничений. Прежде всего, это относительно большая сложность энергетического оборудования и ограниченный КПД традиционных энергоустановок, использующих твердое топливо, по сравнению с парогазовыми и поршневыми установками, использующими природный газ и нефтепродукты (рис. 2). С точки зрения экономики генерации электричества, это оправдывается меньшей ценой твердого топлива (хотя можно трактовать это противоположно - низкая энергетическая эффективность и технологическая сложность использования твердого топлива снижают его товарную ценность). Кроме того, использование твердых топлив связано с серьезными экологическими проблемами. Энергоустановки, использующие твердое топливо, являются наряду с металлургией основными загрязнителями атмосферы окислами серы, азота, пылевыми частицами, ртутью, полиароматическими углеводородами [5]. При использовании твердых топлив, как правило, возникает проблема образования вторичных отходов - золошлаковых, которые накапливаются
в золоотвалах. Использование систем газоочистки, каталитического восстановления окислов азота и т.п. позволяет повысить экологические показатели энергоустановок на твердом топливе, но ложится неизбежным дополнительным бременем на их и без того высокую инвестиционную цену и приводит к неизбежному снижению общей энергетической эффективности. Перечисленные выше экологические проблемы особенно серьезны при использовании в качестве топлива разного рода горючих бытовых и промышленных отходов (эта сторона проблемы подробнее обсуждается ниже).
Развитие технологий газификации и пиролиза конденсированных топлив представляется наиболее перспективным направлением решения обеих основных проблем - повышения энергетической эффективности и экологических показателей энергоустановок. Электростанции с внутрицикловой газификацией (ВЦГ) уже сейчас позволяют достичь КПД генерации электроэнергии выше самых современных пылеугольных электростанций со сверхвысокими параметрами пара (несмотря на то, что высокие капитальные затраты на строительство все еще сдерживают широкое коммерческое использование ВцГ). ВцГ также позволяет существенно повысить экологические показатели электростанции, поскольку становится возможной очистка от загрязнителей горючего газа, а само по себе сжигание газа в современных горелочных устройствах может быть организовано много эффективнее, чем горение твердых частиц топлива, в том числе и с точки зрения образования токсичных продуктов горения.
Еще одна задача энергетики наряду с повышением КПД и экологических показателей энергоустановок -это вовлечение в экономический оборот низкосортных и альтернативных топлив, в том числе возобновляемых, и разного рода горючих отходов.
Одной из перспективных возможностей для эффективного использования в энергетике твердых топлив является развиваемый авторами способ газификации в сверхадиабатических режимах фильтрационного горения [6]. Явление сверхадиабатических разогревов, реализуемых при фильтрационном горении твердого топлива в противотоке газа-окислителя, возникает благодаря внутренней рекуперации тепла, присущей этому процессу. При фильтрации газа-окислителя сквозь твердые продукты горения (в обсуждаемом нами здесь случае газификации - сквозь слой шлака) твердые продукты отдают свое тепло газу и поступают в зону горения уже предварительно подогретыми; газообразные продукты горения, в свою очередь, отдают тепло исходному топливу. Таким образом, оба реагента (газ-окислитель и твердое топливо) вступают в реакцию, будучи предварительно подогретыми, и при согласованных условиях теплообмена газа и твердой фазы температура горения может многократно превышать адиабатическую температуру горения. Последняя оп-
ределяется как тепловой эффект реакции, отнесенный к суммарной теплоемкости реагентов.
Фильтрационное горение твердого топлива и режимы горения со сверхадиабатическими разогревами интенсивно исследовались как теоретически, так и экспериментально [7-11]. Использование сверхадиабатических режимов положено авторами в основу ряда технологий для газификации ряда конденсированных топлив [13-18]. Благодаря использованию режимов со сверхадиабатическими разогревами газификация твердых топлив осуществляется с высоким химическим КПД (т.е. калорийность получаемых газообразных продуктов составляет до 95 % от калорийности исходного топлива).
Ниже мы описываем использование процессов газификации в режиме фильтрационного горения со сверхадиабатическим разогревом на примере твердых бытовых отходов - «топлива», в котором собраны по существу все проблемы, которые присущи различным твердым топливам.
Газификацию осуществляют в реакторе-газификаторе шахтного типа при реализации сверхадиабатического режима горения в «плотном» слое. Специфической особенностью данного процесса является такая его организация, при которой выделяющееся при горении тепло не выводится из реактора (твердые и газообразные продукты выходят из реактора при относительно низких температурах), а концентрируется в зоне газификации и используется для получения водорода из воды и частично окиси углерода из углеродосодержа-щих соединений.
Перерабатываемое сырье загружается в реактор сверху через шлюзовую камеру. Снизу подаются воздух и водяной пар. Отбор продукт-газа происходит в верхней части реактора, а выгрузка зольного остатка - в нижней. Продвижение рабочей массы в реакторе происходит под действием собственного веса. По высоте газификатора располагается несколько характерных зон. В самых верхних слоях температура находится в пределах 100-200 °С. Здесь происходит подсушка вновь поступившего сырья, продуваемого продукт-газом. В результате продукт-газ до некоторой степени насыщается водяным паром. Ниже располагается зона, где преобладают процессы пиролиза и возгонки летучих компонентов топлива. По мере дальнейшего нагревания топлива потоком горячего продукт-газа происходит термическое разложение и коксование органической массы в бескислородной среде. В зоне пиролиза продукт-газ обогащается летучими продуктами пиролиза.
В средней части реактора располагается зона газификации, где при температуре 1000-1200 °С происходит реакция коксового остатка с кислородом, парами воды и двуокисью углерода с образованием СО, СО2 и Н2. Подача водяного пара в составе окислителя обеспечивает протекание в зоне горения, наряду с реакциями окисления кислородом, в которых выделяется тепло, также и эндо-
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 2(58) 2008
© Scientific Technical Centre «TATA», 2008
термических реакции, дающих горючие продукты окись углерода и водород. Таким образом, суммарный тепловой эффект реакций окисления может быть сведен к минимуму, а высокие температуры горения, необходимые для получения окиси углерода и водорода, обеспечиваются за счет сверхадиабатического разогрева.
Ниже находится зона, где твердый остаток, состоящий в основном из минеральных соединений, постепенно охлаждается в потоке газифицирующего агента, богатого кислородом. Здесь догорают остатки органических соединений и углерода, и горючие материалы полностью превращаются в золу. В самой нижней части реактора лежит зона окончательного охлаждения твердого остатка до температуры около 100°С.
Основные зоны и процессы, протекающие в реакторе, схематически представлены на рис. 3.
рис. 5). Производительность обеих установок по перерабатываемому материалу - 2 т/час, что отвечает тепловой мощности ~5 МВт при сжигании продукт-газа. При газификации ТБО также используется совместная загрузка ТБО и инертного материала, который способствует более равномерной фильтрации газа сквозь перерабатываемый материал, а также позволяет согласовать потоки теплоемкости топливной массы и газа-окислителя (смеси воздуха с паром) таким образом, что обеспечивается максимальная рекуперация тепла в зону горения.
Рис. 4. Опытно-промышленный газификатор для переработки ТБО (г.Лаппеенранта)
.-II-
Рис. 3. Схема процессов, протекающих в реакторе-газификаторе
Подобная схема переработки твердого топлива применима к разнообразным топливам - от углей до биомассы - для высокозольного угля и углеотходов, лигнина, нефтешламов, отходов полимеров и резины, твердых бытовых отходов. Процессы газификации на основе использования режимов фильтрационного горения со сверхадиабатическими разогревами отрабатывались в ИПХФ РАН на лабораторных установках. Первая опытно-промышленная установка с газификатором периодического действия и сжиганием продукт-газа в факеле была построена на заводе ЭЗТМ в городе Электросталь для экологически безопасного уничтожения отходов закалочных масел. Чтобы реализовать для этого «топлива» вышеописанную схему газификации, потребовалось провести предварительное смешение масел с кусковым инертным материалом (щебнем шамотного кирпича). Инертный материал создает пористый слой, сквозь который фильтруется газовый поток, и обеспечивает рекуперацию тепла.
Опытно-промышленные установки непрерывного действия для газификации твердых бытовых отходов с получением энергии были построены в Финляндии (г.Лаппеенранта, рис. 4) и в Москве (ФГУП «Салют»,
Рис. 5. Опытно-промышленный газификатор для переработки ТБО (гМосква)
Опыт эксплуатации подтвердил основные достоинства процессов газификации в режимах со сверхадиабатическими разогревами:
• рекуперация тепла за счет теплообмена между газовым потоком и твердой фазой обеспечивает высокую энергетическую эффективность газификации;
• процесс может устойчиво протекать при высокой зольности и высокой влажности топлива;
• золошлаковый остаток длительное время пребывает в высокотемпературной окислительной зоне, где успевает выгореть практически весь остаточный углерод;
• разделение использования топлива на две стадии -газификацию и выработку энергии при сжигании горючего газа - позволяет существенно повысить экологические показатели процесса.
В табл. 1 приведены для сравнения показатели содержания загрязнителей в дымовых газах до газоочистки, типичной для прямого сжигания в колосниковой печи с показателями процесса ИПХФ по данным измерений, проведенных при сжигании ТБО на установке в г. Лаппеенранта, Финляндия. Для сравнения приведены действующие нормативы ЕС [20].
Таблица 1
Концентрации загрязнителей в дымовых газах до газоочистки в пересчете на сухой дымовой газ с концентрацией кислорода 11 об. % при нормальных условиях
Загрязнитель ед. Колосниковая печь* Метод ИПХФ Норматив ЕС
Пыль мг/м3 2000 200 10
Органический углерод мг/м3 8 10
НС1 мг/м3 600 6 10
ОТ мг/м3 5 0.5 1
№Ох мг/м3 350 150 200
802 мг/м3 230 171 50
СО мг/м3 4 50
Не мг/м3 0.3 0.01 0.05
Cd + Т1 мг/м3 1.6 0.1 0.05
Sb + As + РЬ
+ Сг + Со + Си + Мп + мг/м3 60 7.5 0.5
№ + Bi + V
Диоксины мг/м3 3 0.2 0.1
*По данным [19]
Обсудим результаты измерения выбросов подробнее. Прежде всего отметим, что среди загрязнителей есть группа веществ, концентрация которых определяется качеством сгорания продукт-газа в горелке энергетического устройства. Это - окислы азота, органический углерод (суммарная концентрация всех углеводородов, включая полиароматические, и сажи), окись углерода. При прямом сжигании твердого топлива, например, в колосниковой печи, образование этих загрязнителей
практически неизбежно, поскольку при горении твердого топлива невозможно избежать зон несовершенного смешения с воздухом, где при недостатке кислорода образуются сажевые частицы и окись углерода. Образование окислов азота при горении происходит по известному радикально-цепному механизму; методы подавления их образования при горении в газовых горелках в настоящее время достаточно развиты. Достаточно развиты методы сжигания газообразных топлив, при которых не образуются сажа и окись углерода.
Пыль, тяжелые металлы. Благодаря низкой линейной скорости газового потока и фильтрации продукт-газа сквозь слой свежего топлива вынос пылевых частиц с продукт-газом незначителен. Более того, в верхней части газификатора, где температура достаточно низка (см. рис. 3), образуется «мокрый фильтр», где происходит частичная конденсация пиролизных смол как на пылевых частицах, так и на топливе, и происходит улавливание частиц, увлеченных потоком. Это же относится к тяжелым металлам (2п, Cd, РЬ), соединения которых возгоняются при температуре горения и при последующем охлаждении образуют очень мелкодисперсные частицы.
Хлористый водород и фтористый водород. Эти кислые газы образуются прежде всего при пиролизе и сгорании хлор(фтор-)содержащих пластиков. В реакторе-газификаторе создаются условия для нейтрализации этих кислот. В верхней части реактора по-видимому, происходит конденсация и нейтрализация кислот минеральными компонентами, которых достаточно много в ТБО. В результате хлориды и фториды выгружаются из реактора в составе золы, не создавая экологической угрозы. Отметим, что пример хлористого водорода в дымовом газе позволяет лишний раз напомнить, что экологические показатели бывают напрямую связаны с энергетической эффективностью. Именно высокое содержание хлористого водорода в дымовых газах традиционных мусоросжигающих заводов прямого сжигания не позволяет из-за коррозии пароперегревателей поднять температуру пара в котле и таким образом повысить КПД выработки электроэнергии.
Диоксины (полихлорированные пара-дибензоди-оксины и дибензофураны). Класс очень токсичных веществ, образующихся преимущественно при горении. Современные мусоросжигающие заводы являются одним из основных производителей ПХДД/ДФ. Детальный механизм их образования в настоящее время не изучен, однако достаточно известно, что диоксины образуются преимущественно на стадии охлаждения дымовых газов в котле в интервале 800-200 °С, что образование диоксинов требует наличия ароматических фрагментов-предшественников и хлора и что образование диоксинов катализируется солями железа и меди, присутствующими в пылевых частицах. Поскольку сжигание продукт-газа происходит при хорошем смешении с воздухом (нет сажевых частиц) при малом содержании пыли и хлора, то образование
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 2(58) 2008
© Scientific Technical Centre «TATA», 2008
диоксинов эффективно подавляется по сравнению с прямым сжиганием.
Таким образом, использование газификации в режиме фильтрационного горения со сверхадиабатическим разогревом позволяет многократно сократить образование атмосферных загрязнителей при получении энергии из ТБО и, как следствие, резко упростить систему очистки дымовых газов до нормативных показателей (см. табл. 1) и снизить капитальные затраты на создание энергетической установки.
Производства по получению энергии из ТБО могут быть экономически оправданы лишь при условии, что будут строиться как комплексные, решающие одновременно несколько задач. Во-первых, извлечение из потока отходов вторичных сырьевых ресурсов, имеющих товарную ценность, во-вторых - уже сформулированная задача получения энергии, в-третьих - сведение к минимуму массы и объема вторичных отходов, требующих захоронения, в идеале - достижение полной безотходности.
Как уже отмечалось выше, ТБО как топливо является чрезвычайно проблемным в условиях России: как правило, высоковлажное, имеет сильно варьирующийся во времени состав и нерегулярный размер, как правило, содержит значительное количество загрязнителей (хлор-органических соединений, тяжелых металлов). График поступления топлива (вывоза ТБО) никак не согласуется с графиком потребления энергии. Отметим, что выработка энергии из ТБО может составить лишь долю от коммунального потребления тепловой и/или электрической энергии. Калорийность ТБО в разных городах и странах варьируется от 6 до 13 МДж/кг. Таким образом, один среднестатистический горожанин, производящий около одного килограмма ТБО в сутки, производит топлива для выработки от 70 до 150 Вт (при 100 % КПД).
Итак, производство по переработке отходов начинается с отбора полезных фракций (это рационально начинать уже там, где отходы образуются). Поток отходов, не имеющих товарной ценности как вторичные ресурсы, является исходным топливом для энергетической установки. Схема комплексного производства, основанного на использовании технологии газификации ТБО в режиме фильтрационного горения со сверхадиабатическим разогревом, рассматривалась авторами в приложении для г.Туапсе Краснодарского края. В принятой технологической схеме «хвосты» сортировки ТБО (на самом деле, это не менее 80 % ТБО по массе) после предварительной подготовки направляются на газификацию. Предварительная подготовка включает дробление крупногабаритных предметов, сушку ТБО и брикетирование. Как уже отмечалось выше, процесс газификации устойчив по отношению к высокой влажности топлива, но в данном случае включение сушки
в технологическую схему оказалось оправданным, поскольку решается, помимо повышения калорийности топлива и продукт-газа (исключается чрезмерное разбавление продукт-газа паром), и задача организации промежуточного хранения топлива для обеспечения работы в периоды, когда ТБО не вывозятся.
Практически полная безотходность мусороперерабаты-вающего производства достигается благодаря включению в технологическую схему производства по изготовлению строительных изделий из золошлаковых остатков газификации. Возможность такого производства обеспечивается высокой полнотой сгорания остаточного углерода, присущей процессу газификации при фильтрационном горении. Тяжелые металлы, содержащиеся в ТБО и попавшие в золу, при этом оказываются иммобилизированными, и загрязнение ими почвы и воды исключается.
Выработка энергии на сегодняшнем техническом уровне осуществляется при сжигании продукт-газа в паровом котле. В перспективе продукт-газ можно будет использовать для сжигания в более эффективных энергетических устройствах - газовых турбинах или поршневых моторах (см. рис. 2). Эта техническая задача может быть решена при включении в технологическую схему очистки продукт-газа от пиролизных смол.
Комплексный подход к проблеме мусоросжигания/ получения энергии из низкокачественных топлив обеспечивает не только высокий энергетический КПД процесса, но и существенные экологические преимущества перед традиционными технологиями, что в конечном счете делает производство по переработке ТБО с получением энергии экономически привлекательным.
Литература
1. Энергетика России: Проблемы и перспективы. Труды Научной сессии Российской академии наук 19 -21 декабря 2005 года. Ред. Фортов В.Е. и Леонов А.И. М.: Наука. 2006.
2. Энергетика XXI века: Условия развития. Технологии. Прогнозы, Ред. Н.И.Воропай, Новосибирск: Наука. 2004.
3. Лаверов Н.П. Топливно-энергетические ресурсы: состояние и рациональное использование. [1], С. 21-29.
4. Кейко А.В., Клер А.М. Определение приоритетов развития энергетических технологий. [1], с. 139-153.
5. Израэль Ю.А., Рябошапко А.Г. Экологические проблемы энергетики. [1], с. 352-361.
6. Манелис Г.Б., Полианчик Е.В., Фурсов В.П. Энерготехнологии сжигания на основе явления сверхадиабатических разогревов. Химия в интересах устойчивого развития. Т. 8 (2000). С. 537-545.
7. Алдушин А.П., Мержанов А.Г. Теория фильтрационного горения: общие представления и состояние исследований. В сб. трудов: Распространение тепловых волн в гетерогенных средах. Ред. Матрос Ю.Ш. Новосибирск: Наука. 1988. С. 9-52.
