Энергия из древесных отходов
Опубликовано: 30.09.2018
В последние годы во всем мире энергетическое использование древесной биомассы и, в частности, древесных отходов, рассматривается как желанная альтернатива традиционным видам топлива. Это связано с тем, что древесные отходы являются CO2 -нейтральными, имеют низкое содержание серы, относятся к возобновляемым источникам энергии. Все это привело к тому, что технологии получения энергии из древесных отходов в последние годы развиваются и совершенствуются. Основными технологиями являются: Сжигание, Быстрый пиролиз и Газификация.
Сжигание
Сжигание древесных отходов базируется на нескольких методах сжигания, в том числе:
Прямое сжигание,
Сжигание в кипящем/циркулирующем слое,
Газификация/Сжигание газов во вторичной камере сгорания,
Сжигание пылевидного топлива.
Энергия из отходов ( Филиппины ).
Прямое сжигание происходит в топках с горизонтальной, конусообразной, наклонной или подвижной колосниковой решеткой. Данный метод используется в водогрейных котлах и печах малой мощности (менее 20 МВт) для сжигания древесного топлива, в том числе с высокой влажностью: кусковых и длинномерных отходов, щепы, коры, опилок, топливных брикетов и гранул и т.д. Для автоматизированного сжигания измельченных отходов также используются трубчатые горелки со шнековой подачей. Обычное использование тепла - для сушки древесины в сушильных камерах, в водогрейных котлах для обогрева производственных и/или жилых помещений. Для выработки электрической энергии отходы сжигаются в паровом котле с последующим использованием пара в паровой турбине. Эта технология имеет низкий электрический к.п.д. порядка 8-13% (для мини-ТЭЦ мощностью 600-1000 кВт), который повышается благодаря использованию более совершенных методов сжигания, таких как сжигание в кипящем/циркулирующем слое или сжигание пылевидного древесного топлива. Однако эти методы используются в электростанциях мощностью не менее 5 МВт, строительство которых требует больших капитальных затрат. Недостатком этого метода является низкая эффективность и высокий уровень эмиссии отходов горения в дымовых газах.
Синтез-газ из опилок: как получить электричество из местного топлива
Сжигание в кипящем/циркулирующем слое позволяет достичь большей эффективности и экономичности за счет почти 100%-го сгорания топлива при меньшем уровне эмиссии отходов горения по сравнению с прямым сжиганием. При использовании данного метода измельченное древесное топливо подается в «кипящий» слой, созданный путем продувания воздуха или газа через слой инертного материала, например, песка. Количество инертного материала существенно больше количества топлива, поэтому процесс горения протекает стабильно с высокой эффективностью. В зависимости от скорости продувки частицы инертного слоя остаются в нем или же выносятся из слоя вместе с продуктами горения и собираются с помощью циклонов, после чего возвращаются в кипящий слой (метод циркулирующего слоя). Метод сжигания в кипящем слое используется в коммерческих или муниципальных котельных и ТЭЦ в диапазоне мощностей от 5 до 600 МВт для получения электрической и тепловой энергии. Дополнительным достоинством данного метода является возможность сжигания различных видов топлива (всего до 70 видов), включая низкосортный уголь, торф, твердые бытовые отходы, отходы ЦБК и т.д.
Газификация/Сжигание газов во вторичной камере сгорания (газогенераторная топка) представляет собой двухэтапный процесс. На первом этапе топливо подается шнековым питателем на наклонную решетку в первичной камере (предтопке), где оно нагревается до такой температуры, при которой происходит процесс газификации. Перегретый и смешанный со вторичным воздухом древесный газ сгорает во вторичной камере практически без остатка. Продукты сгорания используются в котле или печи для получения горячей воды, пара или воздуха. В когенерационном режиме пар может использоваться в паровой турбине для получения электроэнергии. Диапазон мощностей систем сжигания такого рода от 150 кВт до 30 МВт. Недостаток - высокая стоимость.
Сжигание пылевидного топлива осуществляется с помощью специальных горелок, предназначенных для сжигания древесной пыли, образующейся в процессе производства или в результате измельчения древесных отходов в пыль. Весь процесс от исходных древесных отходов, измельчения в пыль с влажностью порядка 8%, подачи и сжигания пыли - полностью автоматизирован. Получение энергии с использованием только древесной пыли используется достаточно редко; обычно это топливо используется в котельных или ТЭЦ, работающих на пылевидном угле и/или торфе. Стоимость комплектного оборудования для сжигания древесной пыли также высока.
Быстрый пиролиз
Быстрый пиролиз представляет собой процесс, при котором сухие (<10% влажности), измельченные в порошок древесные отходы, включая опилки, кору и т.д., быстро нагреваются в кипящем слое инертного материала внутри реактора до температуры 450 - 500 °С при отсутствии воздуха. Продуктами пиролиза являются частицы древесного угля, неконденсирующийся газ, конденсирующиеся пары и аэрозоли. Частицы древесного угля отделяются в циклоне, а летучие вещества подвергаются быстрому охлаждению, в результате которого образуется жидкость - синтетическое жидкое топливо (пиротопливо), поступающее в накопительный резервуар.
Пиролизный газ сжигается в горелке реактора, однако, этого тепла недостаточно для поддержания процесса. Поэтому требуется дополнительный источник тепла, например, природный газ. Основной продукт пиролиза - синтетическое жидкое топливо (пиротопливо) - имеет калорийность, составляющую примерно 55% от калорийности дизельного топлива. Используется путем сжигания в газотурбинных установках (ГТУ) или дизельных двигателях. Несмотря на высокую эффективность и удобство использования жидкого синтетического топлива, отсутствие отходов, пиролиз только недавно вышел из стадии исследований и опытных разработок (максимальная производительность действующей пилотной установки составляет 10 тонн в сутки) , что обусловливает высокую стоимость используемого оборудования.
Газификация
Газификация представляет собой процесс высокотемпературного превращения древесины (и других видов биомассы, а также угля и торфа) при нормальном или повышенном давлении в газ, называемый древесным или генераторным газом, а также небольшое количество золы, в специальных реакторах (газогенераторах) с ограниченным доступом воздуха или кислорода. Генераторный газ имеет температуру 300 - 600 °С и состоит из горючих газов (CO, H2 , CH4 ), инертных газов (CO2 и N2 ), паров воды, твердых примесей и пиролизных смол. Из 1 кг древесной щепы получают около 2.5 Нм3 газа с теплотой сгорания 900 - 1200 Ккал/Нм3 . Эффективность газификации достигает 85-90%. Благодаря этому, а также удобству применения газа, газификация является более эффективным и чистым процессом, чем сжигание.
В зависимости от реализованного процесса существуют различные типы газогенераторов: с восходящим потоком газа (П - прямой процесс), с нисходящим потоком газа (О - обращенный процесс), в циркулирующем кипящем слое (ЦКС). Используемый процесс, давление получаемого газа, содержание в нем примесей и пиролизных смол, наличие систем охлаждения и очистки газа определяют следующие применения генераторного газа.
| Применения генераторного газа | ||||
| Тип | Давл. | Очистка | Мощность (МВт) | Применение |
| П | Атм. | Сухая | 0.2-6.4 | Сжигание генераторного газа для получения тепловой энергии, которая используется в теплогенераторах, сушилках, печах, котлах |
| П | Атм. | Без очистки | 5-15 | Сжигание генераторного газа для получения горячего воздуха, вращающего турбину для выработки электрической энергии |
| П | Пов. | Электро- или каталитическая | 0.4-3.5 | Сжигание генераторного газа в газовых турбинах и двигателях внутреннего сгорания для выработки электрической энергии |
| О | Атм. | Без очистки | 0.005-5 | Сжигание генераторного газа для получения тепловой энергии, которая используется в теплогенераторах, сушилках, печах, котлах |
| О | Атм. | Сухая, мокрая | 0.04-0.5 | В газопоршневых двигателях или в смеси с дизельным топливом в дизельных двигателях для выработки электрической энергии |
| О | Пов. | Сухая, мокрая, каталитическая | 0.03-1 | Сжигание генераторного газа в газовых турбинах для выработки электрической энергии |
| ЦКС | Атм. | Сухая, мокрая | 5-35 | Сжигание генераторного газа в печах, водогрейных и паровых котлах для выработки тепловой и электрической энергии |
| ЦКС | Атм. | Без очистки | 10-60 | Совместное сжигание генераторного газа с другими видами топлива (углем, газом, мазутом) в действующих электростанциях |
| ЦКС | Пов. | Сухая | 8-32 | Сжигание генераторного газа в газовых турбинах для выработки электрической и тепловой энергии |
Как следует из сравнения, наиболее подходящей технологией получения электро- и тепловой энергии из древесных отходов для малых и средних предприятий, а также небольших городов и поселков, использующих котельные на жидком топливе, является процесс газификации в Газогенераторах древесных отходов в составе Газогенераторных электростанций и Газогенераторных тепловых станций.
