CC BY
74
УДК 66(091)
Д. Л. Рахманкулов (акад. АН РБ, д.х.н., проф.), Ф. Ш. Вильданов (к.т.н., в.н.с.), Ф. Н. Латыпова (к.х.н., доц.) , Р. Р. Чанышев (д.т.н.)
Успехи промышленного освоения процессов газификации биомассы
НИИ малотоннажных химических продуктов и реактивов Уфимского государственного нефтяного технического университета 450029, г. Уфа, ул. Ульяновых, 75; тел. (347) 2431712, е-mail: reaktiv2003@mail.ru
D. L. Rakhmankulov, F. Sh. Vildanov, F. N. Latypova, R. R. Chanyshev
Successes of industrial development of biomass gasification processes
Scientific-Research Institute of Low-Tonnage Chemical Products and Reagents of Ufa State Petroleum Technological University 75, Uljanoykh Str, 450029, Ufa, Russia; ph. (347) 2431712, e-mail: reaktiv2003@mail.ru
Представлена информация о ведущих мировых разработчиках промышленных проектов газификации биомассы. Осуществлен анализ основных направлений развития промышленной газификации биомассы в мире. Приведены технологические особенности основных промышленных технологий получения синтетического газа из возобновляемых источников сырья, а также описаны возможности его использования для нужд топливно-энергетической отрасли.
Ключевые слова: возобновляемое сырье; газификация биомассы; промышленное внедрение; синтетический газ.
В последнее время во всем мире реализуется немалое число промышленных проектов получения и переработки химического сырья и топлива из возобновляемых источников. Не является исключением и процесс газификации биомассы, основным продуктом которого является синтетический газ, используемый для выработки тепловой и электрической энергии.
К настоящему времени в промышленности реализованы несколько коммерческих установок газификации биомассы.
Одним из первых и наиболее успешных коммерческих проектов является газификатор БЮКЕЕИ, разработанный и внедренный в начале 1980-х гг. компанией БЮКЕЕИ (Финляндия) в сотрудничестве с Центром технических исследований Финляндии УТТ (УТТ
Information on the world leading developers of industrial biomass gasification projects are presented in this article. The analysis of main directions of development of industrial biomass gasification in the world was performed. The technological features of the major industrial technologies synthetic gas from renewable raw materials are given, and the possibility of its use for the needs of fuel and energy sector is described.
Key words: gasification of biomass; industrial application; renewable raw materials; synthetic gas.
Technical Research Centre of Finland) 1.B 1982—1986 гг. в Финляндии и Швеции было построено 9 коммерческих станций Bioneer мощностью 4—5 МВт тепла каждая 2. Позднее фирма BIONEER была поглощена компанией Ahlstrom, которая в свою очередь вошла в состав корпорации Foster Wheeler. В 1996 г. был пущен еще один газификатор мощностью 6.4 МВт тепла в поселке Иломантси (Финляндия). В настоящее время аналогичный процесс газификации биомассы освоен специалистами компании CarbonaOy (Финляндия) 3.
На рис. 1. представлена схема типовой промышленной установки газификации биомассы с использованием газификатора BIONEER для обеспечения работы малой теплоэлектростан-ции,построенной в Каухайоки (Финляндия).
Дата поступления 10.10.10
Рис. 1. Газификатор БЮЫЕЕЯ в составе действующей малой ТЭЦ в Каухайоки (Финляндия): 1 — бункер с сырьем; 2 — конвейер; 3 — питатель; 4 — газификатор; 5 — решетка; 6 — удалитель золы; 7 — конвейер золы; 8 — сборник золы; 9 — увлажнитель; 10, 13, 15—компрессоры; 11 — газопровод; 12 — газовая горелка; 14 — газовый котел; 16 — труба.
В основу работы газификатора БЮКЕЕИ положен процесс противоточной (в восходящем потоке теплоносителя) газификации неподвижного слоя сырья (торф, растительная биомасса) Реактор 4 представляет собой колонну, футерованную огнеупорным материалом, внутри которой установлена вращающаяся коническая решетка 5. Подаваемое через питатель 3 сырье проходит последовательно через зоны сушки, пиролиза, газификации и горения. Остаточная зола отводится со дна колонны через удалитель 6. В качестве теплоносителя используется горячий воздух, температура подаваемого в реактор воздуха регулируется различной степенью увлажнения посредством увлажнителя 9. Восходящим потоком из реактора выводится сырой синтетический газ, содержащий значительное количество смол. Получаемый газ не пригоден для транспортировки и использования в газовых двигателях (турбинах). Его применение ограничивается прямым сжиганием в газовом котле 14 для получения тепла, горячей воды и электричества на малых теплоцентралях.
Требования к сырью:
— влажность — не более 50% (для достижения максимальной эффективности и длительности процесса — не более 40%);
— зольность в пересчете на сухое сырье — не более 10%;
— точка размягчения золы — не менее 1190 °С;
— теплотворная способность — 0.65— 1.7 МВт/м3.
Кроме того, в зависимости от проектных размеров газификатора предъявляются различные требования к размеру частиц (кусков) сырья.
Основные показатели установки:
— производительность по теплу — 1—15 МВт;
— производительность по электроэнергии — 1-3 МВт.
В целом за годы коммерческой эксплуатации технология газификации биомассы с использованием реактора БОКЕЕИ продемонстрировала достаточно высокие показатели по производительности и экономической целесообразности при использовании в малых системах централизованного теплоснабжения. Использование сырья в достаточно широком диапазоне технических требований также выгодно отличает этот процесс от аналогов. Тем не менее, имеются трудности с использованием таких видов биомассы, как древесные опилки, дробленая кора, рубленая древесина, что связано с проблемой обеспечения равномерного потока сырья в реакторе. Использование газификаторов БЮКЕЕИ без установки дополнительных линий газоочистки ограничивается сжиганием получаемого газа в непосредственной близости от газификатора. Кроме того, повышенное смолообразование приводит к загрязнению газопроводов и, как следствие, частым остановкам технологической линии на очистку от смол. В вышеописанной установке чистка газопровода выполняется каждые 2-6 недель (в зависимости от используемого сырья и производительности газификатора) 5.
К настоящему времени Центр технических исследований Финляндии VTT в сотрудничестве с Condens Oy (Финляндия) разработал промышленный газификатор Novel (рис. 2), являющийся, по сути, модернизированной версией реактора BIONEER, и осуществил его внедрение в составе промышленной технологии на тепловой станции КокетаН (Финлян-
дия) мощностью 1.8 МВтэлектричества/ (рис. 3) 6.
4.3МВтт,
Рис. 2. Газификатор Novel
Еще одной фирмой, осуществившей успешную коммерциализацию своей технологии газификации биомассы в годы энергетического кризиса 1970—1980-х гг., стала Ahlstrom Corp. В 1981 г. научное подразделение корпорации Ahlstrom Laboratory разработало пилотную конструкцию реактора газификации твердой биомассы в циркулирующем кипящем слое (ЦКС) 4, получившего название Pyroflow. В 1983 г. специалисты компании построили пер-
вый коммерческий газификатор Pyroflow мощностью 35МВттепла(рис. 4) для целлюлозной фабрики Wilhelm Shauman (ныне — Wisa Forest) в Pietarsaari (Финляндия) 7.
Рис. 4. Газификатор Pyroflow компании Ahlstrom Corp
В качестве сырья (около 150 т/сут) используются, преимущественно, кора и опилки размером до 5 см. Предварительно высушенная до 15% влажности и подогретая до 150 оС биомасса подается непосредственно в псевдо-ожиженный воздухом слой песка, температура которого в реакторе поддерживается на уровне 900 оС. Получаемый газ направляется на сжигание в печь обжига извести при t=700 оС.
В течение первых месяцев работы газификатора Pyroflow на фабрике расход нефтяного топлива (мазута) на обжиг извести был снижен на 85%. В 1985—1986 гг. для аналогичных целей были смонтированы еще три реактора га-
зификации Pyroflow
25 МВтт
для
Рис. 3. Промышленная технология газификации биомассы Novel
Norrsundet Bruks, AB(Norrsundet, Швеция); 27 МВттепла для ASSI, Karlsborg Bruk (Karlsborg, Швеция) и 15 МВттепла для Portucel, RodaoMill (Португалия) 7.
В конце 1990-х гг. компания Ahlstrom была поглощена корпорацией Foster Wheeler. В настоящее время корпорация предлагает к промышленному (коммерческому) внедрению более совершенную конструкцию реактора газификации Pyroflow (рис. 5).
Рис. 5. Современная конструкция газификатора Pyroflow компании FosterWheeler
С 1998 г. в городе Lahti (Финляндия) действует малая ТЭЦ Kumijarvi на основе ЦКС-газификатора Pyroflow мощностью 60 МВттеп-ла (рис. 6). Получаемый газ сжигается в котле совместно с угольной пылью. ТЭЦ суммарной мощностью 360 МВттепла полностью обеспечивает потребности города в тепле и электроэнергии. Аналогичная станция мощностью 50 МВттепла действует на предприятии Electrabel (Бельгия) 8.
Компания Foster Wheeler ведет активную работу по внедрению высокоэффективных технологий получения тепла и электричества на основе IGCC (рис. 7) — комбинированного цикла комплексной газификации. В рамках этого цикла получаемый синтетический газ очищается от вредных примесей и сжигается в газовой турбине для получения тепло- и электроэнергии. IGCC дает возможность значительно снизить проникновение в атмосферу загрязняющих веществ, а также обеспечивает высокую эффективность использования топлива благодаря КПД, превышающему 50%. Компания Foster Wheeler успешно осуществила первый проект IGCC мощностью 6 МВт электроэнергии в 1999 г. в г. Varnamo (Швеция). В настоящее время ведется работа по наращиванию мощностей и оптимизации технологии для
« 9
промышленных целей .
Компания Lurgi GMBH (Германия) является одним из крупнейших разработчиков промышленных процессов газификации каменного угля с применением технологий неподвижного и движущегося слоя сырья. В начале
Рис. 6. Технология совместного сжигания синтез-газа и измельченного угля компании FosterWheeler
сырой газ
РЕАКТОР
сырье
в дымовую трубу
центральное отопление
ЦИКЛОН
БУФЕРНАЯ ЕМКОСТЬ
. ОКИСЛИТЕЛЬ
(воздух, кислород)
Рис. 7. Технология IGCC компании «Foster Wheeler»
1980-х гг. инженеры адаптировали про-
цесс ЦКС-газификации для использования биомассы (рис. 8).
Система включает в себя реактор, возвратный циклон и буферную емкость. Высокая скорость проходящего газа гарантирует унос крупных частиц с потоком и отвод их через верх реактора. После разделения в циклоне твердые частицы через буферную емкость возвращаются в реактор. Окислитель, обычно воздух, поступает как через носики решетки, так и уровнем выше подачи топлива в качестве вторичного воздуха. Для использования биомассы частицы сырья должны соответствовать размеру 25—50 мм 10.
Первая коммерческая установка газификации биомассы была смонтирована в РоЬ (Австрия) для сжигания в печах обжига извес-
Рис. 8. ЦКС-реактор газификации биомассы фирмы Ьи^
ти. В настоящее время на основе технологии газификации биомассы фирмы (рис. 9)
на цементном заводе в Ииёе^ёоП (Германия) работает цех газификации отходов биомассы мощностью 100 МВттепла для обеспечения топливным газом цементных печей; в Нидерландах построена тепловая станция Е88еп1 по совместному сжиганию продуктов газификации биомассы и угля мощностью 80 МВттепла 11.
В середине 1980-х гг. фирма Оо1ауегкеп (ныне Ме18о Согр.) запустила промышленный ЦКС-газификатор мощностью 30 МВТтепла (рис. 10) на целлюлозной фабрике БоёгасеП Уаго (Швеция). Сырьем для процесса являются кора и древесные отходы. Получаемый газ используется для сжигания в печах. В 2003 г. запас мощности газификатора позволил расширить общие мощности фабричных печей 12.
Рис. 9. Промышленная технология газификации биомассы фирмы Ьи^
Рис. 10. Процесс газификации фирмы Gоtaverken
В настоящее время компания Ме180 Согр. предлагает промышленные решения на основе представленной технологии мощностью до 100 Мвттепла-
Помимо представленных промышленных (коммерческих) технологий, многие разработчики ведут активные научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы в области освоения новых высокоэффективных технологий газификации биомассы с целью получения тепла, электроэнергии, пара, а также широкого ассортимента химической продукции. В последние годы реализовано немалое число демонстрационных проектов, показавших свою работоспособность в масштабах,
приближенных к промышленным. Все это свидетельствует о значительных успехах и несомненных перспективах в деле развития технологий газификации возобновляемого сырья.
Литература
1. Kurkela E., Stahlberg P., Simell P., Leppalahti J. // Biomass.- 1989.- V. 19.- p. 37.
2. Kurkela E. // Biomass.- 1989.- V. 18.- p. 28.
3. Kurkela E. Review of Finnish biomass gasification technologies. OPET Report 4.-Espoo: VTT-Technical Research Centre Of Finland.-2002.- P. 5.
4. Рахманкулов Д. Л., Вильданов Ф. Ш., Николаева С. В., Денисов С. В. // Баш. хим. ж.-2008.- Т. 15, №2.- С. 36.
5. Kaltschmitt M., Rosch C., Dinkelbach L. Biomass Gasification In Europe. Report // European Comission, Directorate-General XII SR&D, EUR 18224 EN, October 1998.- P. 116.
6. Kurkela E. Review of Finnish biomass gasification technologies. OPETReport 4.- Espoo: VTT-Technical Research Centre Of Finland.- 2002.- P. 7.
7. Bridgwater A. V. Progress in thermochemical biomass conversion, Vol. 1.- Cornwall: Blackwell Science.- 2001.- P. 11.
8.
9.
10.
11.
12.
Alakangas E., Flyktman, M. // VTT Energy Reports.- 2001.- №7.- P. 40. Stahl K., Waldheim L., Morris M., Johnsson U., Gardmark L. Biomass IGCC at Vflrnamo, Sweden- Past and Future // GCEP Energy Workshop.- 2004.- P. 1.
Higman C., Burgt M. Gasification.- USA: Gulf Professional Publishing, 2003.- P. 105.
Higman C., Burgt M. Gasification.- USA: Gulf Professional Publishing.- 2003.- P. 148. Leckner B. // Thermal Science.- 2003.- V. 7.-№2.- P. 3.
