Теоретические основы газификации и получения генераторного газа из древесного топлива в газогенераторах, для последующего получения тепла и электроэнергии в электростанциях на дровах и опилках.

Газификация – процесс высокотемпературного превращения биомассы с ограниченным доступом кислорода в генераторный газ в специальных реакторах, называемых газогенераторами.

миниэлектростенция на дровах

На основе газификации твердых древесных топлив и процессов преобразования в генераторный газ рассмотрим на примере газогенераторной электростанции  BioKIBOR работающей на дровах, опилках, пеллетах, брикетах и других древесных отходах  с выработкой электрической и тепловой энергии.

миниэлектростанции на дровах

В процессе газификации топливо проходит несколько превращений, образующих четыре отдельные зоны: зону сушки, зону пиролиза, зону горения и зону восстановления.

миниэлектростанция на торфе

В зависимости от направления движения топлива и продуктов химических реакций в этих зонах различают прямой и обратный процесс газификации.

миниэлектростанция на брикетах

Оба процесса имеют свои достоинства и недостатки.

миниэлектростанция на пеллетах

Прямой процесс накладывает минимум ограничений на вид и влажность топлива, но газ производится низкого качества с большим содержанием твердых примесей и пиролизных смол, что делает невозможным его применение в качестве топлива для двигателей внутреннего сгорания без сложных и дорогостоящих систем очистки.

миниэлектростанция на древесных отходах

Обращенный процесс накладывает ограничения на влажность топлива, что вызывает необходимость организации достаточно развитой топливоподготовки, но при этом обеспечивает получение относительно чистого генераторного газа с минимальным содержанием пиролизных смол.

миниэлектростанции дровяные

Для электростанции KIBOR BioPower используется газогенератор обращенного типа с вертикальной загрузкой топлива.

мини электростанция на дровах

При всей отработанности и надежности, прямое сжигание древесины, особенно для целей получения электрической энергии является низко рентабельным.

электорогенераторы на твердом топливе

Типичные технико-экономические показатели зарубежных (Дания, Швеция, Финляндия) паровых ТЭС: КПД нетто ~ 15-20% (не выше 25%), удельные капитальные затраты на 1 кВт установленной электрической мощности – 2000-5000 $/кВт, при средневзвешенной – 1800-1900 $/кВт. Это связано с низкой температурой пара, производимого в древесных котлах, малым термодинамическим КПД цикла.

мини электростанция на торфе

Вследствие высокого выхода летучих веществ, древесина является топливом, которое более эффективно использовать в газотопливных энергетических технологиях, осуществляя двухстадийное сжигание по принципу «богато-бедной топливной смеси».

мини электростанция на стружке

Основным сектором использования двухстадийного сжигания в энергетике является получение электрической энергии при сжигании генераторного газа в двигателях внутреннего сгорания (ДВС).

мини электростанции дровяные

Сжигание генераторного газа в ДВС (транспортных) известно в России и в мире уже практически ¾ века, однако кажущаяся простота решений в этой части в конструкциях прошлого является результатом невысоких требований к сроку службы двигателей.

мини электростанция на опилочных брикетах

В первую очередь это относится к содержанию смолистых веществ и твердых частиц в газе.

мини электростанция на торфяных брикетах

Современные требования принятые зарубежными производителям энергетического оборудования по смолосодержанию значительно выше, имевших место ранее.

мини электростанция на пеллетах

Классический транспортный газогенератор даже при работе на древесном угле не может обеспечить газ с допустимым содержанием смол.

био электростанция на дровах

Существует ряд современных зарубежных разработок на древесном топливе (например, Датского технического университета), позволяющих получать газ требуемых кондиций, однако они весьма дороги, сложны в изготовлении и эксплуатации и в силу этого не получили широкого распространения.

био электростанции на дровах

В компании Кибор разработана технология и налажено серийное производство газогенераторных электростанций, производящий газ из высокореакционных топлив (древесина, отходы деревообработки, дроваа и брикеты из опилок) с содержанием смол, удовлетворяющим современным требованиям.

био электростанция на торфе

Технология отработана на газогенераторе, работающем на дровах и опилочных брикетах и реализована на опытно-промышленной установке электрической мощностью 100 кВт.

биоэлектростанция на стружке

На базе разработанной технологии серийно выпускаются газогенераторные теплоэлектростанции с двигателем внутреннего сгорания электрической мощностью от 50 кВт до 1000 кВт.

биоэлектростанции дровяные

В качестве топлива могут рассматриваться:

• кондиционная древесина (кусок, щепа);
• · древесные брикеты (изготовленные из опилок и стружек).

электрогенератор на дровах

Электростанция устанавливается на подготовленной промышленной площадке Заказчика с нашим шеф - монтажом.

электрогенератор на опилочных брикетах

 

 

Биомасса может применяться в различных целях: получение тепла и электроэнергии, производство твердых или жидких топлив, активированных углей, изготовление формованных изделий, удобрений, фильтрующих элементов и т.п.

электрогенератор на торфяных брикетах

Энергетическое использование в условиях нарастающего топливного кризиса (общемирового) наиболее всего актуально.

электрогенератор на опилках

Опыт зарубежных стран в этом вопросе хорошо известен: например, Финляндия до 20% централизованного тепла вырабатывает из биомассы, Европейский Союз в 2010 г. довел долю возобновляемой энергетики до 12%.

электрогенератор на торфе

К положительным сторонам энергетического использования биомассы относятся:

электрогенератор на древесных отходах

• экологический эффект – снижение на порядок суммарных выбросов в сравнении со сжиганием мазута и низкосортных углей, снижение риска возникновения лесных и торфяных пожаров;

электрогенератор на пеллетах

• значительный транспортный эффект – разгрузка транспортных потоков, до 30% которых (в среднем по России) в настоящее время используется для перевозки из других регионов топлив;

био генератор на дровах

• социальный эффект – увеличение числа рабочих мест, что особенно важно в зачастую социально напряженных пригородных поселках.

био генератор на опилках

• повышение энергообеспеченности и энергонезависимости региона;

мини электростанции на дровах

Одним из рациональных путей решения проблемы энергообеспечения малых и средних предприятий и отдалённых населённых пунктов является газификация местного или недорогого привозного твёрдого топлива.

био генератор на древесных отходах

Газификация их в газогенераторах обращённого процесса позволяет решить главную проблему – получение практически бессмольного газа, который можно использовать без применения дорогостоящих средств очистки генераторного газа.

био генератор на опилочных брикетах

Кроме того, высокая цена на газомазутное топливо и транспортировку его в труднодоступные районы, инициирует и делает экономически оправданным поиск новых типов топлива и технологий их использования.

био генератор на торфяных брикетах

Технология получения генераторного газа из древесного топлива.

Любая энергетическая технология в настоящее время должна соответствовать требованиям тепло- энерго- ресурсо- сбережения и экологии.

мини электростанция био генератор на пеллетах

Применительно к малой газогенераторной тепло электростанции должен выполняться принцип максимально полного использования химической энергии топлива.

био генератор на древесине

Для его реализации при работе на экологически чистой биомассе требуется решение основной задачи – повышение полноты преобразования химической энергии топлива в химическую энергию газа или максимально близкий к теоретическому химический КПД газогенератора.

био генератор на древесном сырье

 

 

Рис. 1. Фактический электрический КПД.

ДВС на ген. газе (I), на природном газе (I I); ГТУ (I I I) и ПТУ (IV) на природном газе;

расчетный КПД тепло электростанции на ген. газах: а – обычном, б – из опытно-промышленного газогенератора, в – идеальном, г – то же, на природном газе; ДВС:

е – стандартный, д – модернизированный; П – теоретическая потеря эффективности,

Р – теоретический потенциал роста эффективности тепло электростанции;

арабские цифры у точек – значения электрического КПД

В газогенераторных тепло электростанциях малой мощности, создаваемых в настоящее время, в основном используются либо известные технологические решения по газификации в плотном слое, отработанные ранее на уровне техники первой трети 20-го века и неприемлемые в настоящее время в силу низкой эффективности, либо технологии газификации в кипящем слое, также при низких показателях.

газогенераторные электростанции

Химический КПД газогенераторов не превышает 65–70%, что совместно с падением мощности ДВС при переходе на генераторный газ (рис. 1, поле «I») с природного (поле «I I») значительно снижает эффективность всей ТЭС-ДВС.

газогенераторные котельные

Поэтому электрический КПД газогенераторных ТЭС-ДВС в диапазоне мощностей 100–1000 кВт в настоящее время не превышает 13-15% (рис. 1, линия «а»), что ниже, чем у ТЭС-ДВС на природном газе («г»).

электростанция на дровах

Газификация в плотном слое является исторически наиболее ранним и к настоящему времени наиболее отработанным и надежным методом на всех твердых топливах, включая торф и древесину.

электростанция на опилках

При мощности установки по силовому генераторному газу до 1,5 МВт используются компактные газификаторы плотного слоя обращенного процесса (ГОП).

электростанция на древесных отходах

Установки плотного слоя представляют собой аппараты идеального вытеснения, в которых возможна организация зональности по слою (зоны сушки, пиролиза, газификации, горения, золы).

электростанция на древесине

Обращенный процесс газификации позволяет при выполнении определенных условий провести термическое разложение 99% смол, выходящих из зоны пиролиза.

электростанция на древесном сырье

Основными условиями являются достаточно высокая температура в зоне горения, достаточно протяженная (высокая) зона газификации с необходимой температурой и перекрытие кислородной зоной всего сечения установки.

электростанция на пеллетах

В ГОП теоретически наиболее просто провести идеальную газификацию (рис. 2а), организовав одномерное развитие процессов с плоскими фронтами и стратификацией зон (сушка, пиролиз, газификация, горение).

электростанция на торфе

На практике, однако, не только в свободном гравитационном движущемся слое, но даже в неподвижном слое (в реакторах с каталитической зернистой насадкой) невозможно получение плоских горизонтальных фронтов без дополнительных технических мер (выравнивающие сетки, пережимы, вращающийся наклонный реактор, вращающаяся штанга и газораспределительная решетка в установках Lurgi и атмосферных газогенераторах).

мини ТЭЦ и электростанция на брикетах

Нарушение стратификации приводит к тому, что часть процессов развивается не параллельно. В итоге из аппарата выносятся кроме конечных продуктов (в случае газификации – СО и Н₂), еще и промежуточные (рис. 2б).

пиролизная котельная на дровах

 

Рис.  2. Схемы (а) идеального и (б) реального процессов газификации

 

В случае газификации, в отличие от процессов полного сгорания, СО₂ и Н₂О – есть промежуточные продукты экзотермических реакций, необходимых для поддержания автотермичности процесса.

отопительные котлы на твердом топливе котельная на опилках

Дополнительно, как и в случае полного сгорания, промежуточными (остаточными) продуктами являются:

миниэлектростанция и котельная на древесных отходах

углеводороды (С_nН_m) – продукт пиролиза топлива перед горением,

газогенераторные котлы на твердом топливе и котельная на древесине

сажа (С_тв), как результат термического разложения углеводородов в зонах «богатой» смеси с a < a_c.

газогенераторная котельная на древесном сырье

Кроме отмеченной выше неравномерности, другая причина неидеальности газификации – это закладываемая в конструкцию типичного ГОП незавершенность процесса (низкий слой) как мероприятие для минимизации механического недожога.

мини ТЭС и котельная на пеллетах

Совершенствование классического процесса газификации за счет минимизации в газе (в пределе до нуля) содержания продуктов полного сгорания (СО₂, Н₂О), углеводородов, смол, сажи и максимально полного преобразования физической теплоты газа в химическую энергию приведет к повышению КПД ДВС, КПД всей ТЭС и уходу от системы сложной смолоочистки.

модульная котельная и пиролизная электростанция

ГОП был предназначен для однородного крупнокускового материала низкой влажности («чурка», брикет).

котельная и котел на торфе

В настоящее время подобное топливо не распространено. Отдаленным аналогом его является щепа, а в странах Европы – пеллеты.

газогенераторная электростанция и котельная на брикетах

В условиях России наиболее распространенной в настоящее время формой древесного топлива выступает неподготовленная полифракционная «обрезь» – отходы деревообрабатывающего производства.

пиролизные котлы длительного горения и котел на дровах и опилках

Применение обычного ГОП для малоразмерных пеллет и обрези проблематично.

твердотопливные котлы длительного горения

Слой малоразмерных пеллет обладает повышенным гидравлическим сопротивлением и низкой газопроницаемостью, затрудняющей свободноконвективный механизм переноса теплоты, обеспечивающей развитие в слое необходимых зон пиролиза и сушки и не позволяющим ввести в первую зону расчетное количество воздуха.

котел на древесных отходах и твердом топливе

В случае полифракционной обрези (характерный размер 20-200 мм и более) с неконтролируемой, обычно высокой, влажностью вследствие различной скорости сушки разнородных по размеру частиц нарушается строгая зональность и условно последовательный характер термоподготовки (сушка, затем пиролиз, затем горение) в шахте газификатора реализуют классическую схему «Imbert», ранее широко использовавшуюся в транспортных газогенераторах – с поводом воздуха и «низкий слой».

котел отопительный на древесине и древесном сырье

Состав получаемого газа: СО = 23–26%, водород Н₂ = 14–19%, метан СН₄ = 1–3%, диоксид углерода СО₂ = 7–11%, азот N₂ = 43–55%, кислород О₂ < 1%, водяной пар Н₂О – до 200 г/нм³ газа. Содержание смол до 1000 мг/м³ и сажи до 300  мг/м^3. Теплотворная способность Q_Н^Р ~ 1100–1500 ккал/нм³.

мини котельная отопительные котлы на дровах