CC BY
170
-►
ЭНЕРГЕТИКА
УДК 66.011:533.9
Ф.Г. Рут б ер г, А.Н. Братцев, В.А. Кузнецов, В.Е. Попов, С.Д. Попов, A.B. Суров
ВОЗОБНОВЛЯЕМЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ НА ОСНОВЕ ПЛАЗМЕННЫХ ПРОЦЕССОВ
В свете современных научных воззрений плазменная газификация биомассы считается одним из самых перспективных источников возобновляемой энергии. Благодаря повышенным температурам и вводу энергии этот метод позволяет значительно расширить спектр углеродосо-держащего сырья, пригодного для производства энергии. В статье этот тезис доказывается на примере отходов птицеводства, а именно куриного помета, переработка которого представляет для птицеводов серьезную проблему. Для этого рассмотрены некоторые особенности процесса плазменной газификации в зависимости от организации материальных потоков сырья и плазмы с учетом характера их взаимодействия и влияния вида плазмообразующего газа. Вид плазмо-образующего газа и его удельный расход, состав сингаза, а также их взаимосвязь с другими параметрами исследуются в приближении локального термодинамического равновесия. На основе такого рода данных в статье оценивается эффективность получения жидких топлив из рассматриваемого вида сырья. Ключевым элементом описываемой технологии являются генераторы плазмы — плазмотроны. Дан обзор электродуговых методов ввода энергии при газификации. Описаны конструктивные особенности и приведены эксплуатационные характеристики высокоэффективных генераторов плазмы переменного тока, использующих в качестве плазмо-образующих сред воздух, водяной пар, диоксид углерода. Описываемая технология развивается повсеместно.
В статье приводится краткий обзор реализованных на данный момент пилотных и промышленных проектов. В России исследованием плаз-
менной газификации занимаются в ИЭЭ РАН. Статья знакомит с экспериментальным стендом, созданным в институте, основным элементом которого является плазмохимический реактор сконструированный по обращенной схеме. Описаны его технические характеристики и функциональные возможности. Представлены методики проведения экспериментов по газификации биомассы воздушной плазмой и результаты, которые затем сравниваются с расчетными данными.
Описание проблемы
В современном мире снижение антропогенного воздействия на природу приобретает все большее значение. В частности, актуальна проблема выбросов диоксида углерода [1 ]. С02 — основной продукт сгорания углеводородов, который образуется при сжигании всех широко распространенных видов топлив, он обладает высокой излучательной способностью и является одним из основных (и наиболее опасных) парниковых газов [2 ]. В 2010 году глобальный объем выбросов диоксида углерода вырос примерно на 5,9 % и впервые превысил 9 Пг в год [3 ]. Причем увеличение выбросов в основном обусловлено экономическим ростом развивающихся экономик, в которых даже в период глобального экономического кризиса эмиссия С02 увеличивалась [3]. Экономический рост и увеличение уровня жизни населения неизменно приводят к росту удельного потребления энергии. Поданным 1ЕА [4 ] в 2009 году примерно 80,9 % энергетических потребностей человечества обеспечивалось за счет сжигания ископаемых топлив, ~5,8 % — ядерной энергией, -2,3 % гидроэнергетикой, порядка 10,2 % — энергией биотоплив
и отходов, что в целом составило примерно 509 ЭДж. Мировой запас ископаемых топлив составляет -35094 ЭДж, из них -23,6 % — нефть, -20,4 % — природный газ, -56,0 % — уголь [5 ]. По оценкам [6 ] производство нефти достигнет своего максимума в 2020 году, угля — к 2030-му, газа — около 2040-го.
К сожалению, осознание не только важности, но и самого факта конечности ископаемых топлив происходит крайне медленно, даже среди людей, определяющих направления развития как на региональном, так и на мировом уровне. Сложившееся положение идеально иллюстрирует цитата: «экономисты свято верят и воспринимают как фундаментальную основу бесконечный рост» [7].
Наиболее перспективное решение этой проблемы — переход на возобновляемые источники энергии. По прогнозам [8 ] в 2050 году глобальный потенциал энергии биомассы составит 1135-1300 ЭДж (без учета использования водорослей в качестве биомассы), в то время как мировое потребление достигнет порядка 826 ЭДж (в среднем по разным сценариям). Энергетическое использование биомассы не приводит к увеличению выбросов С02, так как весь диоксид углерода, возникший после использования биоэнергии, поглощается зелеными растениями в ходе образования биомассы. Таким образом, ясно, что развитие биоэнергетики — один из самых перспективных способов формирования стабильной и самостоятельной экономической структуры как для развитых, так и для развивающихся стран.
Источники биомассы
Биомассой считаются все вещества, содержащие органику и являющиеся продуктом жизнедеятельности или останками организмов, живущих или живших сравнительно недавно. Например, уголь и нефть не считаются биомассой, так как они образовались из организмов, живших миллионы лет назад. С другой стороны, муниципальные и индустриальные отходы можно рассматривать как биомассу, ибо существенную долю их органической массы составляют древесина, каучуки, пищевые отходы и другие материалы органического происхождения. Ясно, что биомасса —один из самых обширных (по количеству представителей) классов топлив, для определения перспективности энергетического
использования каждого из которых необходимо изучать их энергетические характеристики и химический состав наряду с темпами их образования и затратами на получение. Основными видами биомассы можно считать древесину, энергетические культуры, отходы животноводства и птицеводства.
Животноводство и птицеводство — жизненно важные отрасли, объемы производства которых напрямую связаны с численностью населения и его жизненным уровнем. С увеличением плотности населения растет локальный спрос на их продукцию. Отчасти поэтому в данном секторе в последнее время наблюдается сдвиг в сторону более крупных предприятий, самостоятельно не производящих корма. Это обострило проблему избавления от навоза, неправильное обращение с которым приводит к бактериологическому заражению грунтовых вод [9 ]. В то же время навоз — типичная биомасса и может быть использован как возобновляемый источник энергии.
В зависимости от используемых для избавления от навоза технологий его состав может сильно варьироваться, даже если он произведен одной и той же группой животных. Поэтому определение усредненного состава отходов требует отдельного исследования. В качестве примера, наглядно иллюстрирующего возможности плазменных технологий, рассмотрим такой вид биомассы, как отходы птицеводства, а именно куриный помет.
Определение наиболее перспективных видов биомассы для плазменной газификации — крайне сложная задача, так как для ее решения необходимо провести исследования в совершенно разных областях: газогенераторных технологиях (с учетом особенностей использования плазмы), лесной промышленности, сельском хозяйстве, а также других сопутствующих направлениях, связанных с получением биомассы как основного или побочного продукта технологического процесса. Поэтому в нашей работе вопрос перспективности рассматривается применительно не ко всему огромному разнообразию биомассы, а к нескольким характерным группам биомассы, выбранным для рассмотрения.
Существует несколько наборов параметров, по которым можно сделать предварительную оценку перспективности и пригодности сырья (табл. 1).
Таблица 1
Важнейшие характеристики нескольких видов биомассы
Характеристики Значения характеристик для разных видов сырья
Древесные Энергетические Коровий Куриный
отходы культуры навоз помет
Предварительный анализ, %масс. (в исходном состоянии)
Влажность 20,00 6,29 36,60 20,20
Зольность 0,80 8,51 25,20 21,23
Летучие 67,90 70,26 31,60 54,18
Фиксированный углерод 11,30 14,94 6,60 4,39
Окончательный анализ, %масс. (на сухую беззольную массу)
Углерод 50,25 49,16 50,39 53,96
Водород 6,09 6,36 5,77 5,60
Азот 0,20 0,63 3,94 7,92
Сера 0,10 0,13 1,31 0,96
Кислород 43,35 43,73 38,58 31,56
Низшая теплота сгорания ЬНУ, МДж/кг 13,90 15,82 6,49 12,09
Адиабатная температура сгорания в сухом воздухе, К 2123 2304 1815 2210
Расход кислорода необходимого для полной газификации, г/кг 9,2 129,5 0 56,8
Расход кислорода необходимого для полного сжигания, г/кг 1101 1174 546 923
Максимальный удельный выход химиче-
ской энергии при полной газификации, МДж/кг 17,84 17,20 8,51 14,05
Годовая скорость образования, т/км2 90-150 1000-1500 700-1300 300-800
Затраты на получение*, цент/кг 3,1-3,9 4,4 -(0,5-0,8) -1,3
Источники [14, 15, 16] [17, 18, 19] [20,21,22, 23] [24, 25, 26, 27]
'Древесные отходы и энергетические культуры — это энергетические ресурсы, получение которых сопряжено с затратами; с другой стороны, коровий навоз и куриный помет — отходы, избавление от которых связано с затратами, соответственно за их переработку платит фермер
Согласно данным предварительного анализа органическая масса куриного помета больше чем на 90 % состоит из веществ, переходящих в газовую фазу на стадии нагрева, у остальных видов биомассы эта величина превышает 80 %. В целом, чем больше содержание летучих, тем проще и эффективнее его использование в обращенном процессе плазменной газификации [10]. В прямоточном процессе это превращается из преимущества в недостаток, так как летучие не подвергаются прямому воздействию высокоэнергетического плазменного потока, что приводит к сильному загрязнению синтез-газа смолами [11]. Конверсия смол — важное направление ис-
пользования энергии плазмы. Например, Europlasma разрабатывает реакторный модуль, комбинирующий автотермический газификатор (по организации материальных потоков аналогичный прямоточному) и плазменную систему конверсии смол, при этом наиболее полная конверсия происходит при энергозатратах -1,8 МВт при мощности системы по синтез-газу -10,2 МВт [12 ]. Неравновесная плазма применяется для конверсии синтез-газа со сравнительно низким содержанием смол (0,7-1,9 г/Нм3), и для снижения их концентрации на 27—39 % требуется затратить около 20 % электроэнергии, вырабатываемой газификатором [13 ]. В обращен-
ном плазменном процессе за счет прохождения смол через высокотемпературную окислительную зону их содержание значительно меньше и слабо влияет на энергетический баланс процесса [28].
Соотношение масс связанного углерода и золы — важный параметр для обращенного процесса, так как потоки сырья и окислителя сонаправлены, скорость газификации сильно снижается вниз по течению, соответственно концентрация окислителя и содержание углерода в коксозольном остатке снижаются, а их произведение определяет скорость массообме-на. Поэтому топлива с высоким содержанием углерода в коксозольном остатке предпочтительны для обращенного процесса как плазменной, так и автотермической газификации. По этому параметру наилучшим сырьем можно считать древесные отходы (~93 % углерода в коксозольном остатке) и энергетические культуры (-64 %).
В прямоточном процессе потоки сырья и окислителя направлены навстречу друг другу — на входе плазменный поток контактирует с максимально обедненным коксозольным остатком. По сравнению с обращенным этот способ газификации позволяет достичь большей глубины превращения углерода коксозольного остатка в синтез-газ. Кроме того, расположение высокотемпературной зоны в нижней части реактора позволяет упростить жидкое шлакоуда-ление и остеклование шлака [29].
Данные (см. табл. 1) позволяют определить удельные расходы кислорода, необходимые для полной газификации углерода и для полного сжигания сырья. Эти величины следует рассматривать одновременно с теплотой сгорания, вместе они неразрывно связаны с адиабатной температурой сгорания, которая в большей степени, чем теплота сгорания, свидетельствует о практической ценности сырья для энергетики. Топливо может обладать высокой теплотой сгорания, однако если для его сжигания требуется большое количество кислорода, то при работе на воздухе значительное количество энергии будет потрачено на нагрев балластного азота. Снижение адиабатной температуры сгорания в основном вызывают три фактора: повышенная влажность, высокое содержание кислорода в сырье и (в меньшей степени) высокая зольность. Из перечис-
ленных факторов прямое влияние можно оказать только на влажность, удаление которой приводит к снижению содержания кислорода и водорода в сырье. Для плазменной газификации высокозольных топлив с высокой влажностью, когда ее удаление невозможно или нерентабельно, использование прямого процесса позволяет снизить энергозатраты. Однако применение таких видов сырья в энергетических целях, как правило,нецелесообразно.
Один из важнейших параметров для всех плазменных процессов — соотношение энергозатрат и удельного расхода кислорода при условии полной газификации углерода. Однако без расчета процесса газификации определить энергозатраты невозможно. На начальных этапах анализа можно рассматривать отношения выхода химической энергии к теплоте сгорания и расходов кислорода для сжигания и газификации. Чем выше эти величины, тем сложнее окажется достижение оптимальных параметров плазменной газификации. Наиболее проблемным сырьем в данном контексте является коровий навоз (отношения ~ 1,31 и да, соответственно), а наиболее простым — энергетические культуры(-1,09 и-9,07).
Следует отметить, что оценки предельного выхода химической энергии корректны, если используется обращенный плазменный процесс газификации или любой другой способ с полной конверсией смол. По этой величине однозначно определить наиболее перспективный вид сырья, к сожалению, невозможно, так как, для того чтобы ее достичь, требуется затратить энергию и средства на приобретение сырья; крометого, следует принять на рассмотрение вопрос стоимости доставки. Оба этих параметра зависят от используемых техник и технологий сбора и доставки. Если принять, что тепловая энергия продуктов газификации во всех случаях составляет порядка 3 МДж в энергетическом балансе на 1 кг (это грубое приближение допустимо для полной газификации многих видов сырья с ЬНУ меньше -15 МДж/кг), синтез-газ будет использоваться в комбинированном цикле с эффективностью -60 % [30], а стоимость электроэнергии составит 5 цент/кВт-ч, то получится, что наиболее прибыльной будет переработка куриного помета. В этом случае доход с переработки 1 кг сырья будет-6,1 центов.
Численное моделирование плазменной газификации
Поданным Forest Products Laboratory (U.S. Department of Agriculture) [31 ] эффективность получения электроэнергии из древесины методом сжигания составляет 18-24 %. Причем древесина используется в качестве топлива тысячелетиями и служит одним из самых простых в обращении энергетических ресурсов. При использовании технологии газификации и комбинированного цикла эффективность получения электроэнергии можно увеличить до ~29 %, а при использовании плазменной газификации — до примерно 35-40 % [32, 33]. Поэтому разработка энергетических технологий на основе плазменной газификация — одно из самых перспективных направлений развития энергетики. В плазме молекулы расщепляются на электроны, ионы, атомы и радикалы [34], которые определяют ее высокую реакционную способность. Применение плазмы приводит к увеличению скорости химических реакций, что, в частности, позволяет повысить степень конверсии в эндотермических газофазных процессах [35]. Плазма — универсальный окислитель, который можно использовать для газификации практически любого сырья, втом числе древесных отходов [36, 37], угля [38], RDF [39] и т. д. Хотя применение плазмы пока не получило широкого распространения, такие преимущества, как снижение trace contaminants [40], конверсия смол [41], высокие скорости теплообмена с сырьем [42], а также высокая производительность при пониженных расходах плазмы [43], делают ее использование в процессах пиролиза и газификации очень привлекательным. Главный недостаток плазменных технологий — в низком уровне их индустриализации [44].
Методы расчета
Чтобы ознакомить с перспективами использования плазмы для газификации куриного помета, полезно провести численное моделирование этого процесса. Расчет равновесного состава позволяет оценить максимально достижимые выходы полезных продуктов газификации при заданных параметрах (соотношение окислитель/сырье, температура, давление) [45]. Недостатки данного метода связаны с ограничениями, которые налагаются используемыми допущениями (идеальное
перемешивание и неограниченное временя пребывания [46]). Тем не менее данный подход обеспечивает удовлетворительное совпадение с экспериментальными данными [32,47,48,49].
Возможность подводить энергию с плазмой практически полностью снимает кинетические ограничения, налагаемые на процесс низкими температурами в автотермических режимах. Фактически границы режима определяются расходом кислорода, необходимым для окисления углерода топлива до СО, и автотермическим пределом, когда для достижения заданных параметров ввод дополнительной энергии не требуется. Для куриного помета первая величина составляет -245 г/кг (режим 1) при применении воздушной плазмы, -63,9 г/кг (режим 2) — для паровой. Автотермический режим (температура — 1500 К, давление — 1 атм) на воздушном дутье достигается при расходе окислителя -2,16 кг/кг. Соответственно, все режимы между этими двумя расходами воздуха будут аллотермическими при техже температуре и давлении.
Рассмотрим режимы стехиометрической газификации куриного помета воздухом и паром, а также режим со средним между автотермическим и стехиометрическим расходом воздуха ~ 1,20 кг/кг (режим 3) и режим с расходом пара -0,314 кг/кг (режим 4), соответствующий предыдущему по количеству вводимого кислорода. Результаты расчетов представлены на рис. 1. В расчетах использовался состав и теплота сгорания куриного помета (см. табл. 1), а также следующий состав воздуха: N2 — 78,09,02 — 20,95, Аг — 0,93, С02 — 0,03 % мол. Для расчета объемной скорости процесса Фишера—Тропша использовалась аппроксимация скорости синтеза на Со-Мп/ТЮ2 катализаторе [50] при давлении 10 бар и температуре 523 К. Перед синтезом Фишера— Тропша синтез-газ очищался от соединений серы и оксидов азота, а часть СО конвертировалась в Н2 для обеспечения стехиометрического соотношения синтеза — Н2:СО = 2. Синтез производился до тех пор, пока в конвертируемом газе содержание СО не снижалось до 0,1 %мол.
Обсуждение результатов
Как видно, при стехиометрической газификации с ростом температуры увеличивается содержание СО в синтез-газе и растет выход химической энергии. Это в основном связано
1100 1200 1300 1400
т, К
1100 1200 1300 1400 т; К
1100 1200 1300 1400 г, К
г)
«
о
а
О а,)
5 5
15
14
£§13
5
£
11
// г'
// 3'- ,4■
1100 1200 1300 1400 т, К
1100 1200 1300 1400 Т, К
Рис. 1. Основные парметры плазменной газификации куриного помета с получением из синтез-газа жидких топлив по методу Фишера — Тропша:
а и б— состав сухого синтез-таза; в — энергозатраты на единицу массы сырья (по ЬНУ); г — выход химической энергии синтез-газа с единицы массы сырья (по ЬНУ); д — часовая объемная скорость синтеза Фишера—Тропша; е — выход синтетичного топлива с единицы массы сырья. Данные представлены для расходов воздушной плазмы 245 г (7) и -1,20 кг (2), а также паровой плазмы -63,9 г (3) и -314 г (4) на 1 кг сырья
со снижением удельного выхода графита (он становится меньше 0,1 г/кг только при температурах более -1400 К) и переходом его в газовую фазу в форме монооксида углерода. На режимах 3 и 4 изменение состава связано со смещением равновесия в сторону образования Н2 и С02 по стехиометрии паровой конверсии СО и незначительным увеличением содержания метана (до -1,2—1,6 % мол.) при снижении температуры. Так как значения объемной теплоты сгорания для Н2 и СО близки, а в ходе паровой конверсии СО одно заменяется другим, влияние температуры процесса на удельный выход химической энергии незначительно.
Возрастание энергозатрат с ростом температуры на всех режимах связано главным образом с увеличением тепловой энергии системы, а на стехиометрических режимах — также с газификацией графита. Влияние этого эффекта на энергетический баланс по достижении 1200 К снижается до -2 кДжДкг-К).
Основным фактором, определяющим скорость синтеза Фишера—Тропша, является состав синтез-газа. В ходе паровой конверсии СО общая доля водорода и монооксида углерода в синтез-газе снижается (пар в ходе конверсии замещается диоксидом углерода). Поэтому, чем ближе изначальное соотношение Н/СО кстехиометри-ческому, тем больше скорость синтеза. Этим обусловлены меньшие скорости синтеза при использовании воздушно-плазменной газификации по сравнению с пароплазменной. Причем скорости снижаются дальше при уменьшении теплосодержания плазмы. Содержание в синтез-газе примесей (таких, как H2S, COS, NH3, HCN, HC1, сажа, смолы, ароматические углеводороды, пары металлов, пыль) должно лимитироваться для предотвращения быстрого выхода из строя катализатора [51]. Остаточное содержание этих примесей определяет срок службы катализатора, поэтому чем выше объемная скорость, тем больше полезного продукта блок катализа может произвести до выхода из строя. Использование паровой плазмы вместо воздушной позволяет повысить объемную скорость на 15-59 %, что предположительно позволит снизить финансовые затраты на блок катализа в процессе Фишера—Тропша.
Изменения удельного выхода жидких топлив обусловлены изменениями в составе синтез-газа и в целом близки по характеру к зависимости
удельного выхода химической энергии, однако не пропорциональны, так как метан инертен в процессе Фишера—Тропша.
При использовании плазменных технологий энергозатраты (связанные с вводом энергии) на получение 1 кг синтетических топлив составят 5,0—6,2 кВт-ч при использовании паровой плазмы и 1,9—5,2 кВт-ч при использовании воздушной.
Внедрение плазменной газификации
В мире появилось большое количество компаний, занимающихся коммерческим продвижением технологий плазменной газификации. Из них наиболее успешными являются: AlterNRG [52], Integrated Environmental Technology LLC [53], Advanced Plasma Power [54], Plasco Energy Group [55], Pyrogenesys Canada Inc. [56] и др. Этим компаниям удалось создать пилотные установки различных масштабов. Некоторые из них находятся в стадии реализации крупных коммерческих проектов. В основном реализуются процессы газификации на расплаве (Integrated Environmental Technology LLC), на расплаве с последующей плазменной конверсией сырого синтез-газа (Pyrogenesys), традиционная газификация в прямом процессе с плазменной конверсией сырого синтез-газа (Plasco Energy Group, Advanced Plasma Power) либо прямой процесс плазменной газификации (AlterNRG).
В случае газификации на расплавах используются металлургические печи с джоулевым разогревом расплава. Отходы подаются на поверхность расплава. В этой области либо зажигается электрическая дуга, либо подается струя плазмы от плазмотрона. В некоторых схемах плазмотрон устанавливается в специальной камере на выходе, обеспечивая смешение отходящих газов с высокотемпературным окислителем для конверсии смол, содержащихся в сыром синтез-газе, поступающем из камеры плавления. Преимущество такой организации процесса — в возможности создания крупнотоннажных установок. Второе преимущество — возможность вывода несгораемых компонентов отходов в виде расплава с разделением по металлическим и неметаллическим фракциям. Существенным недостатком является повышение затрат энергии на поддержание расплава.
В прямом процессе газификации компании AlterNRG в реактор, помимо отходов, подается металлургический кокс и известняк. Генерато-
ры плазмы установлены в нижней части газификатора и служат в основном для разогрева и поддержания расплава в жидком состоянии (известняк вводится для снижения температуры плавления). В зону газификации, расположенную выше плазмотронов, через специальные фурмы подается кислород. Получаемый газ отбирается из верхней части газификатора. Вследствие того, что сингаз, полученный в зоне газификации, проходит затем через верхние, более холодные слои отходов, происходит его загрязнение смолами, образующимися в зонах пиролиза, а испаряющаяся вода не участвует в процессе конверсии из-за низких температур в зоне ее выделения. Это — существенный недостаток прямого процесса. Получаемый газ также нуждается либо в дополнительной конверсии, либо в очистке от смол.
Общий существенный недостаток всех этих технологий связан с использовании либо свобод-но-горящихдуг, либо плазмотронов постоянного тока. Для свободно горящих дуг характерен очень низкий КПД передачи энергии от дуги к газу (~30 %). КПД для плазмотронов постоянного тока составляет порядка 60 % из-за больших потерь в источниках питания. На наш взгляд, наиболее эффективными системами генерации плазмы являются плазмотроны переменного тока. Генераторы плазмы, разработанные в ИЭЭ РАН, обеспечивают эффективность передачи электрической энергии из сети в тепловую энергию плазмы на уровне 90-94 %.
Способы ввода энергии
Плазменные технологии переработки и газификации органосодержащих веществ сейчас развиваются по двум направлениям, которые отличаются друг от друга способом генерации плазмы, передающей в плазмохимический реактор необходимую энергию. Первый из способов основан на том, что электрические дуги горят непосредственно в объеме реактора. Дуги замыкаются между введенным в реактор электродом и находящимся в нижней части реактора электропроводящим расплавом. Электроды могут быть выполнены из графита или металла. Положительным качеством этого способа является возможность создания крупных единичных плаз-мохимических реакторов с энергопотреблением порядка 5-30 МВт. Свободно горящие дуги реализованы в металлургических установках, кото-
рые крупномасштабны и практически готовы к использованию. Среди недостатков можно отметить быстрый износ электродов, большое количество примесей, загрязняющих получаемый газ, и низкий коэффициент передачи энергии свободно горящей дуги в перерабатываемое вещество. КПД таких установок, как правило, не превышает 30-35 %. Для генерации плазмы во втором способе используются стационарные плазмотроны. Плазмообразующий газ получает энергию от электрических дуг, горящих в разрядной камере плазмотрона, и затем поступает в объем реактора. Эффективность теплообмена между генерируемой плазмой и перерабатываемым веществом по сравнению с первым методом существенно выше, КПД плазмотронов, оптимизированных для решения технологических задач, также превышает 90 %, практически вся энергия плазменной струи переходит в перерабатываемое вещество, значительно облегчая формирование химического состава газа. В настоящее время применение этого метода сдерживается отсутствием достаточно мощных генераторов плазмы, способных работать в окислительных средах (воздух, водяной пар и т. д.) в длительных режимах с высоким коэффициентом полезного действия и достаточным ресурсом электродов.
Мощные стационарные электродуговые плазмотроны, отвечающие требованиям плазмохими-ческих технологий, можно разделить: по роду тока на плазмотроны переменного тока [57-71 ] и плазмотроны постоянного тока [72-76]; по характеру плазмообразующего газа на работающие с нейтральными, с восстановительными либо с окислительными средами. Устройства отличаются также конструктивными и другими особенностями: типом разрядных камер, материалом и формой электродов, способом подачи рабочего газа, принципом стабилизации дуги. В большинстве конструкций плазмотронов используют комбинацию методов стабилизации дугового разряда, осуществляя ее организацией газового потока, обжатием дуги изолированными вставками, наложением магнитного поля. Электродные системы плазмотронов могут быть стержневыми, тороидальными, кольцевыми и трубчатыми, в некоторых случаях электродная система служит и электродуговой камерой. Ввиду большого разнообразия конструкций опишем лишь основные типы.
Плазмотроны постоянного тока
До настоящего времени в большинстве систем газификации и пиролиза использовались плазмотроны постоянного тока. Типичная схема электропитания представлена на рис. 2. Здесь характерно наличие в цепи балластного сопротивления, используемого для обеспечения стабильного горения дуги постоянного тока, что обусловливает значительную потерю активной мощности.
Наиболее распространены плазмотроны постоянного тока фирмы «Westinghouse Plasma Corp» с цилиндрическими электродами. Диапазоны мощностей для плазмотронов моделей MARC-3A и MARC 1 IL, представляющих наибольший интерес для промышленного применения, составляют соответственно 130—300 кВт и 300—800 кВт [77, 78]. Это наиболее отработанные конструкции, коэффициент передачи энергии от дуги к плазме (тепловой КПД) у них составляет 70—85 %. Значение полного КПД системы с учетом потерь на активном сопротивлении источника питания существенно ниже. Ресурс электродов для этих моделей составляет соответственно 600 и 1000 часов.
Плазмотроны переменного тока
Более перспективны с точки зрения промышленного применения для технологий, требующих относительно больших мощностей (например, при переработке отходов), плазмотроны переменного тока. Типичная схема электропитания представлена на рис. 3. Система энергопитания в данном случае существенно дешевле и надежней, нежели у плазмотронов постоянного тока; они проще в эксплуатации; плазмотроны переменного тока обладают высоким коэффициентом преобразования энергии дуг в плазму. В источниках питания переменного тока потери не превышают единиц процентов, так как здесь
используются индуктивные сопротивления, стабилизирующие дугу, а потери реактивной мощности минимизируются использованием стандартных емкостных компенсаторов.
Другая группа однокамерных многофазных плазмотронов, нашедших широкое распространение, — это плазмотроны со стержневыми электродами. В ИЭЭ РАН было разработано, применено и исследовано несколько типов плазмотронов, в том числе плазмотроны со стержневыми электродами. Был выполнен значительный объем научно-исследовательских и конструкторских работ [57, 70, 79]. Однокамерный плазмотрон со стержневыми электродами представлен на рис. 4, а. Наличие одновременно горящих нескольких дуг переменного тока в одной камере позволяет создать простые и надежные плазмотроны, преобразующие энергию электрического тока в тепловую с высоким КПД (80—90 %).
Различие разработанных конструкций заключается в том, что для нагрева инертных газов, азота и водорода используются электроды стержневого типа, выполненные из вольфрама или вольфрамосодержащих материалов, а для нагрева окислительных сред — медные трубчатые электроды с водяным охлаждением. Плазмотроны со стержневыми электродами условно делятся на три серии: мощностью до 200 кВт и до 2 МВт, а также работающие в кратковременных режимах мощностью 4—50 МВт [79]. Конструктивно оба типа аналогичны и имеют три основных узла: корпус, дуговую камеру (сопло) и электродный блок. Многофазный режим горения дуг в разрядной камере позволил использовать малое напряжение повторного зажигания за счет предварительной ионизации разрядного промежутка. В качестве электродных материалов использовался вольфрам с добавками редкоземельных металлов и соединений, обладающих малой
SF
D
+
<R
D
Рис. 2. Типичная схема электропитания плазмотрона постоянного тока
(Р — плазмотрон; В — выпрямитель; Ь-С — фильтр; Я — балластное сопротивление; ЯР— автоматический выключатель) [77]
Рис. 3. Схема электропитания плазмотрона переменного тока
(Р — плазмотрон; К— контактор; Т— стандартный повышающий трансформатор; Ы—ЬЗ — токоограничивающие индуктивности; С1—СЗ — емкостной компенсатор; ЯР — автоматический выключатель)
Рис. 4. Мощные однокамерные плазмотроны переменного тока:
а — трехфазный плазмотрон серии ЭДП (7 — наконечник электрода; 2 — изолятор; 3 — токоввод; 4— контур подачи газа); б— схема однокамерного трехфазного плазмотрона с электродами рельсового типа (7 — наконечник электрода; 2 — изолятор; 3— токоввод; 4— контур подачи газа; 5— инжектор); в — фотография работающего плазмотрона с электродами рельсового типа мощностью 500 кВт
работой выхода. К преимуществам однокамерных плазмотронов со стержневыми электродами относятся: простота конструкции, высокий КПД, обеспечиваемый за счет оптимальных соотношений объема и площади поверхности дуговой камеры, а также возможность работы электродов в режиме термоэмиссии. В этих системахлегче добиться стабильного горения дуг переменного тока.
Разработана серия плазмотронов с электродами рельсового типа (см. рис. 4, б, в) [71 ]. Плазмотрон с рельсовыми электродами способен стационарно работать как с окислительными средами (воздух), так и с нейтральными (азот, инертные газы). Диапазон расхода воздуха — от 15 до 70 г/с. Мощность, вкладываемую в дуги, можно варьировать в диапазоне от 100 до 700 кВт. Коэффициент передачи энергии дуги в газ незначительно отличается от полного КПД системы и составляет 70-95 %. В основу работы плазмотрона положен рельсотронный эффект (дуги перемещаются по электродам в поле собственного тока). Распределение тепловой нагрузки от дуговой привязки подлине электрода при ее движении дает возможность использовать охлаждаемые электроды, выполненные из легкоплавкого материала с высокой теплопроводностью (медные трубки). В состав многофазного однокамерного плазмотрона переменного тока с электродами рельсового типа в качестве инжектора входит стационарный однофазный высоковольтный плазмотрон малой мощности. Он создает поток плазмы, обеспечивающей достаточную для зажигания основных дуг концентрацию электронов в зоне минимального межэлектродного промежутка. Это позволяет при питании от промышленной электросети с напряжением порядка 380—500 В стабильно инициировать дуги между электродами, установленными с зазором до 20 мм. Дуги заполняют большую часть разрядной камеры, совершая движение в продольном и поперечном направлениях. В пристеночной зоне, куда подается холодный газ, образуется изолирующий слой, в котором концентрация заряженных частиц резко падает и происходит погасание дуг. Описанный выше процесс непрерывно повторяется, образуя на выходе из сопла плазмотрона струю низкотемпературной плазмы со средне-массовой температурой порядка 1500-6500 К.
Для работы в диапазоне до 100 кВт разработаны высоковольтные плазмотроны с высоким термическим КПД — 80-95 %. Это плазмогене-
раторы со стержневыми электродами в цилиндрических каналах, общий вид и конструкция, которая представлена на рис. 5, а. Высокое питающее напряжение (4—10 кВ) обеспечивает устойчивый поджиг и горение длинной дуги.
Наиболее перспективными представляются модели плазмотронов переменного тока с цилиндрическими электродами; они работают с высоким падением напряжения на дугах (до 5 кВ). Типичный генератор плазмы такого типа представлен на рис. 5, б.
К преимуществам данного плазмотрона, кроме высокого коэффициента полезного действия, относятся также продолжительный ресурс электродов (более 1000 часов), возможность изменения теплосодержания рабочего газа в широких пределах и обеспечения при этом средне-массовой температуры воздушной плазмы от 1500 до 6500 К. Особенно стоит отметить его способность обеспечить температуру рабочего газа ниже 2000 К, востребованную для технологических нужд.
Крупномасштабная экспериментальная установка
В конце 90-х годов на фоне подорожания ископаемых ресурсов возобновился интерес к технологиям газификации твердых топлив. ИЭЭ РАН также начал работы в этом направлении, поскольку это один из перспективных путей внедрения систем генерации плотной низкотемпературной плазмы. На стендах института была создана экспериментальная установка для исследований процесса плазменной газификации (рис. 6) [80].
Основным элементом установки является реактор-газификатор. Это аппарат слоевого типа, работающий по обращенной схеме. Твердое топливо загружается в реактор сверху (рис. 6, зона 1). Затем под действием силы тяжести и за счет конверсии в нижних слоях реактора постепенно перемещается вниз к зоне вывода шлака (VI1). Сырье последовательно проходит зону сушки (II), пиролиза (III), окисления (IV) и восстановления (V), в результате органическая масса и вода конвертируются в синтез-газ. Эти процессы инициируются и поддерживаются внутри реактора потоками плазмы, поступающими от плазмотронов. Газификатор оснащен загрузочным устройством, позволяющим осуществлять порционную загрузку в ходе эксперимента (рис. 6, поз. 5).
Рис. 5. Стационарные высоковольтные плазмотроны переменного тока:
а — фотография высоковольтных плазмотронов переменного тока со стержневыми электродами в цилиндрических каналах; б — схема однофазного высоковольтного плазмотрона со стержневыми электродами; в — фотография работающего высоковольтного плазмотрона мощностью 500 кВт (ИЭЭ РАН), плазмообразующий газ — воздух
По высоте шахты реактор оборудован тремя дутьевыми ярусами. Первый (верхний) ярус предназначен для подачи окислителя умеренной температуры (не более -400-500 °С), второй и третий используются для подачи низкотемпературной плазмы. В каждый плазменный дутьевой ярус можно подавать плазму одновременно от двух плазмотронов. На установке используются либо высоковольтные генераторы воздушной плазмы переменного тока мощностью до 50 кВт либо комбинация воздушного и парового плазмотронов.
В нижней части реактора осуществляется отбор синтез-газа. Дополнительно в этой зоне предусмотрена возможность подачи дутья, в том числе плазменного, для ускоренного прогрева на первоначальном этапе эксперимента.
Созданный газификатор предназначен для работы при давлении близком к атмосферному. Продувка газов осуществляется за счет разря-
жения 0,3+0,2 кПа, создаваемого в отводящем патрубке (рис. 6, поз. 7) вентилятором, установленным в конце технологической цепочки (рис. 6, поз. 15).
Для удаления шлака нижняя часть реактора оснащена вращающейся колосниковой решеткой (рис. 6, поз. 6). Ниже колосниковой решетки располагается гидравлический затвор, выполняющий как функцию герметизации реакционного пространства, так и функцию взрывного клапана.
Основными исследуемыми параметрами на данной установке были состав и свойства синтез-газа. Отбор пробы газа для анализа осуществлялся на выходе из газификатора отводящего патрубка (рис. 6, поз. 7). Реализованы две системы подготовки пробы для анализа.
Первая —двухканальная автоматическая. Газ откачивается из газохода вакуумным насосом, проходит горячий фильтр, циклон, холодильник,
в)
Рис. 6. Общий вид (а, б) и схема (в) экспериментальной установки плазменной газификации ИЭЭ РАН:
/ — реактор-газификатор; 2 — основной плазмотрон; 3— вспомогательный плазмотрон (Н20; С02); 4— вспомогательный плазмотрон для предварительного разогрева; 5 — питатель; tí — устройство удаления шлака; 7— выход синтез-газа; S— дожигатель; 9— дежурный факел; 10— циклон; II— газоанализатор; 12— оросительный скруббер; 13— насадочный скруббер; 14— дымовая труба; 15— вытяжной вентилятор. Зоны: 1— накопления; 11 — сушки; 111 — пиролиза; IV — окисления; V — восстановления; VI — слабореакционная; VII — вывода шлака.
[Г] — датчик температуры; ф — датчик давления; |
воздух; — пар/воздух
фильтр тонкой очистки и анализируется масс-спектрометром времяпролетного типа ЭМ Г-20-1 (Меттек, Россия).
Основная задача второй системы подготовки пробы — сбор и измерение количества влаги и смол в составе получаемого синтез-газа. Первым элементом системы после непосредственно пробоотборного зонда также служит горячий фильтр. Далее реализованы два способа измерения влаги: конденсационный и абсорбционный. В конденсационном методе измеряется объем жидкости, удаленной из потока газа при его охлаждении. В абсорбционном — масса поглотителя, абсорбирующего воду и водяной пар из потока газа. Осушенная газовая проба направляется на анализ состава в квадрупольный масс-спектрометр MKS Cirrus-300 (MKS Instruments, USA). Сконденсированная жидкость исследуется гравиметрическим методом на содержание смол.
Масс-спектрометры позволяют проводить непрерывный анализ состава синтез-газа как по основным компонентам, так и по микропримесям. На основе получаемых данных вносятся коррективы в режимные параметры работы установки, а при последующем анализе оцениваются материальные и энергетические потоки процессов, происходящих в газификаторе, и рассчитываются другие параметры.
Контроль за режимом работы установки осуществляется по материальным потокам, температурам и давлениям внутри реактора и в других элементах экспериментальной установки. Эти параметры непрерывно измеряются и регистрируются. Основным средством воздействия на процесс служит изменение интенсивности дутья, а также включение или выключение плазмотронов.
Получаемый синтез-газ после отбора пробы направляется на сжигание. Для этих целей служит специальный аппарат — дожигатель. В нем синтез-газ смешивается с необходимым количеством воздуха и сгорает. Для стабилизации пламени и предотвращения взрывоопасных ситуаций установлено устройство принудительного поджига, в качестве которого используется однофазный высоковольтный плазмотрон небольшой мощности.
Выходящие из дожигателя дымовые газы проходят систему газоочистки и через дымовую трубу выбрасываются в атмосферу. Для очистки используется мокрый метод, реализованный
в двух последовательных аппаратах — оросительном и насадочном скрубберах.
Методика проведения эксперимента
Важная стадия эксперимента — определение влажности и состава исследуемого топлива. Влажность топлива определяется методами на основе конденсации и абсорбции, а содержание углерода и водорода в топливе — по стандартной методике ISO 625-96.
Перед началом эксперимента шахта газификатора полностью заполняется древесным углем. Этот вид твердого топлива наиболее подходит для стадии предварительного разогрева, поскольку обладает пониженным содержанием летучих.
Началом эксперимента считается запуск одного из плазмотронов газификатора. Подача горячей воздушной плазмы способствует разогреву и зажиганию топлива. Прогрев шахты реактора осуществляется в течение как минимум 8 часов и состоит из нескольких стадий, отличающихся интенсивностью дутья. Футеровка газификатора обладает очень большой тепловой инерцией, поэтому практически все эксперименты проводятся на квазистационарном тепловом режиме.
На завершающей стадии прогрева начинается анализ состава синтез-газа, а при дозагруз-ках древесный уголь заменяется исследуемым веществом. При достижении экспериментальным материалом зоны сушки и пиролиза начинается процесс перехода с газификации древесного угля к газификации исследуемого топлива, который считается законченным, когда вся шахта газификатора будет заполнена этим топливом и продуктами его газификации. По окончании экспериментальной программы прекращается дозагрузка топлива в реактор, и установка переводится в режим дожигания его остатков и охлаждения.
Были проведены эксперименты по плазменной газификации таких видов топлив, как древесный уголь, древесина (отдельные эксперименты для различных видов: щепа, прессованные опилки, чурки), каменный уголь, лигнит, RDF (Refuse Derived Fuel) и других.
Результаты экспериментов
Ниже (рис. 7, табл. 2) приводятся экспериментальные и расчетные данные исследования процесса плазменной газификации биомассы на примере отходов древесины.
5 Ю
10 11 12 13 14 15 16
10 11 12 13 14 15 16
Рис. 7. Изменение во времени основных параметров:
а — температуры (7 — стенки в зоне пиролиза; 2 — стенки в зоне окисленияе; 3 — стенки в зоне восстановления; 4 — сингаза на выходе); б — состав сухого сингаза (5 — Н2; 6 — СО; 7— N2; 8— С02; 9 — остальные); в — материальные потоки (10 — топливо; 77— воздух; 12— сингаз; 13— пар); г — энергетические потоки (14— потери; 15— топливо (ЬНУ); 16— плазма; 77— сингаз (ЬНУ);
18— сингаз (теплота)
Таблица 2
Сравнение усредненных экспериментальных данных с результатами расчетов
Значение показателя
Показатель Ед. изм. для периода времени эксперимента
9:30-11:36 чч:мм 13:36-15:12 чч:мм
Экспер. Расчет Экспер. Расчет
Материальный баланс на 1 кг Топливо кг 1,000 1,000
топлива: Воздух 1,538 1,692
Всего 2,538 2,692
Сингаз 2,428 2,402 2,549 2,536
Пар 0,110 0,136 0,142 0,155
Всего 2,538 2,538 2,692 2,692
Воздух Нм3 1,288 1,417
Сингаз 2,633 2,484 2,726 2,571
ЬНУ сингаза МДж/Нм3 5,558 6,001 5,036 5,440
Состав сингаза Н2 % об. 20,01 19,45 18,25 19,01
СО 30,87 35,26 26,92 30,78
N. 40,25 40,82 43,39 43,40
02 0,01 0,00 0,22 0,00
Аг 0,48 0,49 0,54 0,52
со2 7,33 3,98 9,15 6,28
сн4 1,05 0,00 1,53 0,00
Окончание табл. 2
Значение показателя
Показатель Ед. изм. для периода времени эксперимента
9:30-11:36 чч:мм 13:36-15:12 чч:мм
Экспер. Расчет Экспер. Расчет
Энергетический баланс на 1 кг ЬНУ топлива МДж 16,79 16,62
топлива Плазма 3,21 1,46
Всего 20,00 18,08
Ы......IV сишнй 14,63 14,91 13,73 13,99
Теплота синга-
за 3,27 5,09 2,89 4,09
Потери 2,10 - 1,46 -
Всего 20,00 20,00 18,08 18,08
1.НУ сингаза/плазма 4,565 4,651 9,381 9,555
Расход сырья определялся по разности материальных потоков основных элементов (углерод, водород, кислород и азот) в предположении, что зольность и содержание азота в древесине пренебрежимо малы. По интегральным величинам расхода углерода, водорода и кислорода топлива определялся его элементный состав на двух промежутках времени, а по составу — низшая теплота сгорания (по формуле для оценки теплоты сгорания биомассы [81]).
Режим плазменной газификации древесины наблюдался в промежутке 9:43-16:30. За это время по оценкам было израсходовано 606,34 кг древесины, а фактически в ходе эксперимента в реактор было загружено 609,98 кг, что подтверждает корректность методики обработки экспериментальных данных.
На двух наиболее продолжительных режимах с постоянными расходом воздушной плазмы, вводимой в реактор, и мощностями плазмотронов экспериментальные данные были усреднены и сопоставлены с расчетными (см. табл. 2). Сравнение показало, что данные хорошо согласуются по удельному выходу химической энергии и удовлетворительно — по составу синтез-газа. Расчеты проводились в приближении термодинамического равновесия и без учета теплопотерь. На этих режимах был также определен состав сырья, который соответствует древесине с влажностью 8-10 %. Хорошая согласованность по выходу химической энергии объясняется тем, что расход воздушной плазмы был выше стехиометрического в 2,8-3,0раза. Это привело к значительному сокращению про-
тяженности восстановительной зоны, поэтому теплопотери не оказали существенного влияния на состав. Более значительное расхождение по составу обусловлено высокой стабильностью метана. В целом результаты сравнения подтверждают применимость равновесного приближения для оценки основных параметров плазменной газификации.
Таким образом, применение низкотемпературной плазмы в процессе газификации твердого топлива, в частности биомассы, позволяет значительно увеличить содержание водорода и монооксида углерода в составе синтез-газа. Например, при переработке куриного помета их суммарное содержание удается повысить до ~97 %, что делает такой газ пригодным даже для производства жидких синтетических топлив по методу Фишера—Тропша. Эффективность процесса возрастает на 15-59 %, позволяя получать -240—260 г топлива с 1 кг сырья при затратах на аллотермический процесс его переработки всего 4,7-6,0 МДж.
Организация процесса газификации наиболее эффективна при применении плазмотронов переменного тока, благодаря ресурсу работы электродов более 1000 часов, эффективности передачи энергии разряда плазмообразующему газу 80-95 %, мощности до 2 МВт при работе в длительных режимах и потерям в системе питания не более ~ 1-5 %. Достоверность выполненных оценок подтверждается хорошей согласованностью с экспериментальными данными, которые получены на крупномасштабном плаз-
менном газификаторе. Серия длительных экспериментов по плазменной газификации древесины свидетельствует о готовности техноло-
гии плазменной газификации биомассы с использованием плазмотронов переменного тока к внедрению в промышленность.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Juanjuan, D. The Analysis to the Influence of Carbon Dioxide Emissions in Different Countries [Текст] / D. Juanjuan, Z. Wenping // Energy Procedía.- 2011,- Vol. 5,- P. 2426-2431.
2. Myhre, G. New estimates of radiative forcing due to well mixed greenhouse gases [Текст] / Myhre G., Highwood E.J., Shine K.P [et all.J // Geophysical Research Letters.- Vol. 25,- P. 2715-2718.
3. Peters, G.P. MR Rapid growth in C02 emissions after the 2008-2009 global financial crisis [Текст] / G.P. Peters, G. Marland, C. Le Qué-é [et all.J.— Nature Climate Change.- 2012. № 2.
4. Key World Energy Statistics 2011. [Электрон. pecypcJ/lEA.— 2011,— http://www.iea.org/textbase/ nppdf/free/201 l/key_world_energy_stats.pdf.— Accessed 14 February 2012.
5. Whitney, G. (2011) U.S. Fossil Fuel Resources: Terminology, Reporting and Summary [Электрон, ресурс] / G. Whitney, C.E. Behrens, C. Glover.- CRS Report for Congress. — http://assets.opencrs.com/rpts/ R40872_20110325.pdf.
6. Li, M. (2011) Peak Energy and the Limits to Global Economic Growth. [Электрон, ресурс] / M. Li // University of Utah // Annual Report 2011. — http://www.econ.utah.edu/~mli/Annual %20Reports/ Annual %20Report %202011.pdf
7. Hook, M. Validity of the fossil fuel pro-duction outlooks in the 1PCC Emission Scenarios [Текст] / M. Hook, A. Sivertsson, K. Aleklett.— Na-tural Resources Research.- 2010. Vol. 19. - P. 63-81.
8. Ladanai, S. Global Potential of Sustainable Biomass for Energy [Текст] / S. Ladanai, J. Vintertxnck.— Swedish University of Agricultural Sciences.— Uppsala, 2009.
9. Ribaudo, M. Manure Management forWater Quality: Costs to Animal Feeding Operations of Applying Manure Nutrients to Land. Agricultural Economic [Электрон, ресурс] / M. Ribaudo, N. Golle-hon, M. Aillery / U.S. Department of Agriculture.— 2003,— Report 824,— http://www.ers.usda.gov/ publications/aer824/aer824.pdf.
10. Popov, V.E. Plasma gasification of waste as a method of energy saving [Текст] / V.E. Popov, A.N. Bratsev, V.A. Kuznetsov [et all.].— Journal of Physics: Conference Series.— 2011,— Vol. 275.
11. Zhang, Q. Gasification of municipal solid waste in the Plasma Gasification Melting process [Текст] / Q. Zhang, L. Dor, D. Fenigshtein [et all.] // Applied Energy.- 2012. Vol. 90,- P. 106-112.
12. Fourcault, A. Modelling of thermal removal of tars in a high temperature stage fed by a plasma torch [Текст] / A. Fourcault, F. Marias, U. Michon // Biomass and Bioenergy.- 2010. Vol. 34,- P. 1363-1374.
13. Nair, S.A. Tar removal from biomass-derived fuel gas by pulsed corona discharges [Текст] / S.A. Nair, A.J.M. Pemen, K. Yana [et all.] // Fuel Processing Technology- 2003. Vol. 84,- P. 161-173.
14. Karkkainen, L. Potential recovery of industrial wood and energy wood raw material in different cutting and climate scenarios for Finland [Текст] / L. Karkkainen, J. Matala, K. Harkonen [et all.] // Biomass and Bioenergy- 2008. Vol. 32,- P. 934-943.
15. Yoshioka, T. Study on the Feasibility of a Harvesting, Transporting, and Chipping System for Forest Biomass Resources in Japan [Текст]: монография Vol. 1./ T. Yoshioka // AGri-Bioscience. - 2011,— Vol. 1. - P. 1-60.
16. Green, D.W. Perry's Chemical Engineers' Handbook [Текст] / D.W. Green, R.H. Perry// Eighth Edition, McGraw-Hill, United States, 2007,- 2400 p. ISBN 0-07-142294-3.
17. Reijnders, L. Transport biofuel yields from food and lignocellulosic C4 crops [Текст] / L. Reijnders // Biomass and Bioenergy- 2010. Vol. 34,- P. 152-155.
18. Duffy, M.D. Costs of producing Switchgrass for Biomass in Southern Iowa [Электрон, ресурс] / M.D. Duffy, V.Y. Nanhou / Iowa State University Extension.— Pm., 1866. - http://iowaswitchgrass.com/ __docs/pdf/Costs %20of %20Switchgrass.pdf. Accessed 14 February 2012
19. Weiland, N.T. Product distributions from isothermal co-pyrolysis of coal and biomass [Текст] / N.T. Weiland, N.C. Means, B.D. Morreale // 2012. -Fuel 94,- P. 563-570.
20. Ghaly, A.E. An Innovative Farm Scale Biogas/ Composting Facility for a Sustainable Medium Size Dairy Farm [Текст] / A.E. Ghaly, M. A1 Hattab // American Journal of Agricultural and Biological Sciences.- 2012. № 7,- P. 1-14.
21. MacDonald, J.M. Profits, Costs, and the Changing Structure of Dairy Farming [Электрон, ресурс] / J.M. MacDonald, E.J. O'Donoghue, W.D. McBride [et all.] // U.S. Department of Agriculture.— 2007,— http://www.ers.usda.gov/publications/err47/err47. pdf. Accessed 14 February 2012
22. Santoianni, D.A. Power from Animal Waste-Economic, Technical, and Regulatory Landscape in the United States [Текст] / D.A. Santoianni, M.F. Bingham
[et all.J // Journal of Energy and Environment Conference.- 2008. N° 2. Paper #01
23. Hadrich, J.C. Incorporating Environmentally Compliant Manure Nutrient Disposal Costs into Least-Cost Livestock Ration Formulation [Текст] / J.C. Hadrich, C.A. Wolf [et all.J // Journal of Agricultural and Applied Economics.- 2008. Vol. 40,- P. 287-300.
24. Environmental Code of Practice for Poultry Farms in Western Australia [Текст] / WA Government. The Department of Environment, Australia.— 2004.
25. Roeper, H. Low-Tech options for chicken manure treatment and application possibilities in agriculture [Текст] / H. Roeper, S. Khan [et all.J // Proc. Sardinia 2005,— Tenth International Waste Management and Landfill Symposium / Environmental Sanitary Engineering Centre, Italy.— 2005.
26. Giuntoli, J. Quantitative and kinetic TG-FT1R study of biomass residue pyrolysis: Dry distiller's grains with solubles (DDGS) and chicken manure [Текст] / J. Giuntoli, W. de Jong [et all. J // Journal of Analytical and Applied Pyrolysis.- 2009. Vol. 85,- P. 301-312.
27. Mkhabela, T.S. Substitution of fertiliser with poultry manure: is this economically viable? [Текст] / T.S. Mkhabela // Agrekon.- 2004. Vol. 43,- P. 347356.
28. Brattsev, A.N. Arc gasification of biomass: Example of wood residue [Текст] / A.N. Brattsev, V.A. Kuznetsov [et all.] // High Temperature.— 2011. Vol. 49,- P. 244-248.
29. Moustakas, K. Analysis of results from the operation of a pilot plasma gasification/vitrification unit for optimizing its performance [Текст] / К. Moustakas, G. Xydis, S. Malamis [et all.] // Journal of Hazardous Materials.- 2008. Vol. 151,- P. 473-480.
30. Bassily, A.M. Enhancing the efficiency and power of the triple-pressure reheat combined cycle by means of gas reheat, gas recuperation, and reduction of the irreversibility in the heat recovery steam generator [Текст] / A.M. Bassily // Applied Energy.— 2008. Vol. 85,- P. 1141-1162.
31. Wood Biomass for Energy. [Электрон, ресурс] / U.S. Department of Agriculture.— 2004,— http:// www.fpl.fs.fed.us/documnts/techline/wood-biomass-for-energy.pdf. Accessed 16 February 2012
32. Rutberg, P.G. On efficiency of plasma gasification of wood residues [Текст] / Rutberg P.G., Brat-sev A.N., Kuznetsov V.A. [et all.] // Biomass and Bioe-nergy.- 2011. Vol. 35,- P. 495-504.
33. Kobayashi, Y. Extremely High-efficiency Thermal Power System-Solid Oxide Fuel Cell (SOFC) Triple Combined-cycle System [Текст] / Y. Kobayashi, Y. Ando [et all.] // Mitsubishi Heavy Industries Technical Review- 2011. Vol. 48,- P. 9-15.
34. Rutberg, P.G. Use of carbon dioxide in the chemical synthesis technologies, plasma gasification and carbon production [Текст] / P.G. Rutberg,
V.A. Kuznetsov, A.N. Bratsev [et all.] // 10P Conference Series: Materials Science and Engineering.— 2011. Vol. 19:012003
35. Bratsev, A.N. Estimation of perspectivity of steam-plasma methane conversion [Tckct] / A.N. Bratsev, V.A. Kuznetsov, V.E. Popov [et all.] // High temperature material processes: An international journal.— 2009. Vol. 13. Iss. 2,- P. 241-246.
36. Bratsev, A.N. Experimental Research of Air Gasification of Waste. The first results [Tckct] / A.N. Bratsev, l.L. Glezin, V.B. Kovshechnikov [et all.] // Proc. of XXV111 Intern. Conf. on Phenomena in Ionized Gases / Institute of Plasma Physics AS CR.— Prague. 2007,- P. 1848-1851.
37. Kuznetsov, V.A. Distinctive features of biomass gasification using ac plasma generators working on air // IEEE Pulsed Power Conference. Digest of Technical Papers 1976-2007 [Tckct] / V.A. Kuznetsov, A.N. Bratsev [et all.] // Omnipress, Madison W1 USA.— 2007,- P. 1223-1226.
38. Bratsev, A.N. Experimental development of methods on plasma gasification of coal as the basis for creation of liquid fuel technology [Tckct] / A.N. Bratsev, V.A. Kuznetsov, V.E. Popov [et all.] // High temperature material processes: An international journal .— 2009. Vol. 13,- P. 147-154.
39. Bratsev, A.N. Air plasma gasification of RDF as a prospective method for reduction of carbon dioxide emission [Tckct] / A.N. Bratsev, 1.1. Kumkova, V.A. Kuznetsov [et all.] // 10P Conference Series: Materials Science and Engineering.— 2011. Vol. 19.— P. 012004.
40. Mondal, P. Syngas production through gasification and cleanup for downstream applications — Recent developments [Tckct] / P. Mondal, G.S. Dang, M.O. Garg // Fuel Processing Technology.— 2011. Vol. 92,- P. 1395-1410.
41. Anis, S. Tar reduction in biomass producer gas via mechanical, catalytic and thermal methods [Tckct] / S. Anis, Z.A. Zainal // Renewable and Sustainable Energy Reviews.- 2011. Vol. 15,- P. 2355-2377.
42. Baling, M-K. Current technologies for analysis of biomass thermochemical processing [Tckct] / M-K. Bahng, C. Mukarakate [et all.] // Analytica Chimica Acta.- 2009. Vol. 651,- P. 117-138.
43. Gomez, E. Thermal plasma technology for the treatment of wastes [Tckct] / E. Gomez, D.A. Rani [et all.] // Journal of Hazardous Materials.— 2009. Vol. 161,- P. 614-626.
44. Yang, L. Solid waste plasma disposal plant [Tckct] / L. Yang, H. Wang, D. Wang [et all.] // Journal of Electrostatics.- 2011. Vol. 69,- P. 411-413.
45. Puig-Arnavat, M. Review and analysis of biomass gasification models. Renewable and Sustainable [Tckct] / M. Puig-Arnavat, J.C. Bruno, A. Coronas // Energy Reviews.- 2010,- Vol. 14,- P. 2841-2851.
46. Morrin, S. Two stage fluid bed-plasma gasification process for solid waste valorisation: Technical review and preliminary thermodynamic modelling of sulphur emissions [Текст] / S. Morrin, P. Lettieri [et all.] // Waste Management.— 2012. Vol. 32,— P. 676-684.
47. Loha, C. Performance of fluidized bed steam gasification of biomass — Modeling and experiment [Текст] / С. Loha, P.К. Chatteijee [et all.] // Energy Conversion and Management.— 2011. Vol. 52,— P. 1583-1588.
48. Minutillo, M. Modelling and performance analysis of an integrated plasma gasification combined cycle (IPGCC) power plant [Текст] / M. Minutillo, A. Perna [et all.] // Energy Conversion and Management.— 2009. Vol. 50,- P. 2837-2842.
49. Karamarkovic, R. Energy and exergy analysis of biomass gasification at different temperatures [Текст] / R. Karamarkovic, V. Karamarkovic // Energy.- 2010. Vol. 35,- P. 537-549.
50. Atashi, H. Kinetic study of Fischer-Tropsch process on titania-supported cobalt-manganese catalyst [Текст] / H. Atashi, F. Siami [et all.] // Journal of Industrial and Engineering Chemistry.— 2010. Vol. 16,- P. 952-961.
51. Van Steen, E. Fischer-Tropsch Catalysts for the Biomass-to-Liquid Process [Текст] / E. van Steen, M. Claeys // Chemical Engineering Technology.— 2008. - P. 655-666.
52. Alter NRG [Электрон, ресурс].— http://www .alternrg.com/. Accessed 21 February 2012
53. InEnTec [Электрон, ресурс].— http://www .inentec.com/. Accessed 21 February 2012
54. Advanced Plasma Power [Электрон, ресурс].— http://www.advancedplasmapower.com/. Accessed 21 February 2012
55. Plasco Energy Group [Электрон, ресурс].— http://www.plascoenergygroup.com/. Accessed 21 February 2012
56. PyroGenesis Canada Inc [Электрон, ресурс].— http://www.pyrogenesis.com/. Accessed 21 February 2012
57. Rutberg, P.G. Plasma pyrolysis of toxic waste [Текст] / P.G. Rutberg // Plasma Physics and Controlled Fusion.- 2003. Vol. 45,- P. 957-969.
58. Rutberg, P.G. Strong-current arc discharge of alternating current [Текст] / P.G. Rutberg, A.A. Saf-ronov, V.L. Goryachev // IEEE Transactions on Plasma Science.- 1998. Vol. 26,- P. 1297-1306.
59. Electric Arc Heater Develops Very High Temperatures [Текст]. Iron and Steel Eng.— 1960, Vol. 37, № 11,- P. 149-150.
60. Maniero, D.A. Electric Arc Heaters for High-Temperature Chemical Processing [Текст] / D.A. Maniero, PF. Kienast, C. Hirayama // Westinghouse Engineer.- 1966. Vol. 26, N° 3,- P. 66-72.
61. Harry, J.E. A Power Frequency Plasma Torch for Industrial Process Heating [Текст] / J.E. Harry // IEEE Transactions on Industry and General Applications. IGA-6:36-42.
62. Iwata, M. Effect on transferred ac arc plasma stability of increasing ambient temperature and superimposing pulse at current zero point [Текст] / M. Iwata, M. Shibuya // Journal of Physics D: Applied Physics.— 1999. Vol. 32,- P. 2410-2415.
63. Fey, M.G. Patent 4013867 U.S. [Текст] / M.G. Fey- 1977.
64. Wolf, C.B. Patent 3705975. U.S. [Текст] / C.B. Wolf, M.G. Fey- 1972.
65. Reed, J.F. Electric Heater Development and Performance Data for a Mach 14 Wind Tunnel [Текст] / J.F. Reed., C.W. Peterson, W.H. Curry // Journal of Spacecraft and Rockets.- 1975. M> 12,- P. 308-313.
66. Patent 3140421. U.S. [Текст] / R.M. Spon-gberg.— 1964.
67. Patent 2964678 U.S. [Текст] / J.W. Reid.- 1960.
68. Patent 2923811 U.S. [Текст] / E. Feldmeyer, E. Schallus.— 1960.
69. Roots, W.K. Measuring the Electrothermal Efficiency of a 50-Hz Plasma Torch [Текст] / W.K. Roots, M.A. Kadhim // IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement.- 1969.- Vol. 18,- P. 150-156.
70. Рутберг, Ф.Г. Трехфазный плазмотрон [Текст] / Ф.Г. Рутберг // Некоторые вопросы исследования газоразрядной плазмы и создания сильных магнитных полей. — JL: Наука. Ленингр. отд-ние, 1970. - С. 8-19.
71. Rutberg, P.G. Multiphase Stationary plasma generators working on oxidizing media [Текст] / P.G. Rutberg, A.V. Safronov, S.D. Popov [et all.] // Plasma Physics and Controlled Fusion.—2005. Vol. 47,— P. 1681-1696.
72. Jenijbta, J. Integrated parametric study of a hybrid-stabilized argon-water arc under subsonic, transonic and supersonic plasma flow regimes [Текст] / J. Jen№ta, H. Takana [et all.] // Journal of Physics D: Applied Physics.- 2011. Vol. 44,- P. 435204.
73. Eschenbach, R.C. Characteristics of High Voltage Vortex-Stabilized Arc Heaters [Текст] / R.C. Eschenbach, D.A. Bryson, H.B. Sargent [et all.] // IEEE Transactions on Nuclear Science.— 1964. Vol. 11,— P. 41-46.
74. Paintes, J.H. Performance and scaling characteristics of a Huels-type arc heater operating on hydrogen, helium or air [Текст] / J.H. Paintes, J.F. Saeffer // AIAA-14.— 1976.
75. Boatright, W.B. Langley facility for tests at Mach 7 of subscale, hydrogen-burning, airframe-in-tegratable, scramjet models. AIAA-11 [Текст] / W.B. Boatright, A.P. Sabol [et all.] // 1970.
76. Painter, J.H. Hybrid arc air heater performance [Текст] / J.H. Painter // AIAA-111. 1976.
77. Westinghouse Plasma — Plasma Torches. [Электрон, ресурс].— http://www.westinghouse-plasma.com /technology/plasma-torches. Accessed 5 March 2012
78. NRG FOCUS - October 2011 Issue. [Электрон. ресурс].— http://alternrg.com/sites/default/ files/content/all/NRG %20Focus^Sept %202011„ FN_LR_LK.pdf?phpMyAdmin=l,25SWTwdk48LH,Z tfJlP24LAkc. Accessed 5 March 2012
79. Rutberg, P. Physics and Technology of High-
Current Discharges in Dense Gas Media and Flows [TeKCT] / P. Rutberg.— New York: Nova Science Publishers, 2009.
80. Bratsev, A.N. A facility for plasma gasification of waste of various types [Tckct] / A.N. Bratsev, V.E. Popov, A.F. Rutberg, S.V. Shtengel' // High Temperature.- 2006. Vol. 44,- P. 823-828.
81. Reed, T.B. Handbook of Biomass Downdraft Gasifier Engine Systems [Tckct] / T.B. Reed, A. Das // Solar Research Institute, Golden CO. 1998.
УДК 631.43
Ю.В. Галышев, А. Б. Зайцев, П.А. Барулин
РАСЧЕТНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРИМЕНЕНИЯ ДВУХФАЗНОЙ ПОДАЧИ ТОПЛИВА ДЛЯ УЛУЧШЕНИЯ ЭКОНОМИЧЕСКИХ И ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ АВТОТРАКТОРНОГО ДИЗЕЛЯ
Дизельные двигатели занимают доминирующее положение в энергетических установках тяжелых транспортных машин, что объясняется в первую очередь их экономичностью, надежностью и долговечностью. В то же время с годами приоритеты отдельных требований к качествам дизелей изменяются. До 90-х годов прошлого столетия для автотракторных дизелей важность приоритетов отвечала такому порядку: тягово-мощностные качества, расход топлива, ресурсы топлива, токсичность отработавших газов (ОГ), технические возможности производства. Однако с начала 2000-х годов приоритеты выстраиваются в ином порядке: ресурсы топлива, токсичность отработавших газов, расход топлива, тягово-мощностные качества, технические возможности производства. Наиболее важная и актуальная задача современного дизелестроения — обеспечение жестких экологических норм, однако для потребителя, использующего дизельный двигатель, не менее важны и экономические аспекты его эксплуатации. Таким образом, следует ориентироваться как минимум на два основных направления повышения эксплуатационных показателей автотракторных дизелей: снижение токсичности отработавших газов и повышение топливной экономичности.
Среди способов решения обозначенных задач следует выделить те, которые реализуются через совершенствованиетопливоподающей аппаратуры (ТПА). Общая тенденция развития дизельной аппаратуры — это повышение максимального и среднего давления впрыскивания топлива. В современных системах топливоподачи дизелей максимальные давления впрыска уже превышают 200 МПа. Повышение давления впрыска топлива приводит к улучшению качества распыла, а электронное управление впрыском позволяет получать характеристики подачи, трудно реализуемые в чисто механических системах. С учетом этого цель работы была сформулирована как снижение токсичности и повышение экономичности дизельного двигателя путем совершенствования характеристик впрыска ТПА.
Для достижения цели было необходимо решить следующие задачи:
произвести анализ состояния разработок в области топливной аппаратуры и методов снижения токсичности ОГ с использованием возможностей ТПА;
провести эксперимент по снятию характеристик дизельного двигателя ЯМЭ-238НБ на двух скоростных режимах для получения базовых значений мощностных, экономических и экологических параметров его работы;
