По оценкам Международного энергетического агенства (IEA), пиротопливо является самым дешевым жидким продуктом, который можно получить при переработке БМ.

Оценка себестоимости пиротоплива показывает, что на сегодняшний день производство необработанного пиротоплива рентабельно при низкой стоимости сырья, а производство очищенного пиротоплива без субсидий неконкурентноспособно, поскольку себестоимость электроэнергии может достигать менее 5 цент/кВтч. Установка быстрого пиролиза может быть эффективна в том случае, когда потребитель электроэнергии находится в отдаленном районе и цена традиционного топлива высокая. Сравнение себестоимости электроэнергии для пиролизной и газификационной систем [10] позволяет сделать вывод о конкурентноспособности этих двух систем.

2.      
Современные технологии переработки биомассы

.1 Технологические методы при прямом сжигании БМ с целью выработки тепловой и электрической энергии

.1.1 Прямое сжигание древесной БМ

Древесную БМ в соответствии с ее происхождением подразделяют на:

·   специально заготавливаемую в лесу топливную древесину;

·   отходы лесозаготовок;

·   отходы деревообработки;

·   отходы целлюлозно-бумажной промышленности;

·   городская древесина;

·   специально выращиваемые быстрорастущие плантации.

Древесная щепа может быть получена из деловой древесины, из деревьев, срубленных

при прореживании молодых насаждений и рубках ухода в старых насаждениях, из отходов лесозаготовки (вершинки, сучья, ветви). в группу отходов деревообработки входят древесные отходы, образующиеся при промышленной обработке древесины (обрезки, кора, опилки, стружки и т.п.).

Наиболее широко распространенный отход целлюлозно-бумажной промышленности - черный щелок - образуется в процессе щелочной и сернокислотной обработки древесины и содержащий ~ 23% твердых веществ. При выпаривании черного щелока содержание твердых веществ возрастает до 45 - 70%. При этом состав твердых веществ, %:

углерод - 42,6;

кислород - 31,7;

натрий - 18,3;

водород - 3,6;

сера - 3,6;

минеральные оксиды - 0,2;

Теплота сгорания сухого вещества - 15,4 МДж/кг [12].

Технологии подготовки древесной БМ сводятся к:

·   рубке деревьев;

·   измельчению древесины;

·   перемещению щепы к месту хранения;

·   хранению щепы в лесу;

·   транспортировке к месту применения.

При этом, новизна конструкций предполагает, что одна машина выполняет много

операций: рубит деревья, измельчает их в щепу и транспортирует щепу. Кроме того, существует новый комплексный метод лесозаготовки MASSAHAKE с оптической сортировкой древесной щепы [13].

С точки зрения увеличения КПД и улучшения экологических характеристик, основными технологиями сжигания древесной БМ в настоящее время являются:

· сжигание в вихревой (циклонной ) топке;

· сжигание распыленного сырья в горелке;

· сжигание на решетке;

· сжигание с загрузкой сырья распределительным стокером;

·сжигание во вращающейся печи;

· сжигание в кипящем слое;

· сжигание в циркулирующем кипящем слое.

При сжигании в вихревых топках создают вихрь, в котором сгорают взвешенные частицы БМ до 10 - 12 мм с большой парусностью (типа подсолнечной, гречневой, рисовой и др. лузги). Преимуществами этого способа является простота его осуществления и возможность реализации в топках малых котлов. Недостаток - износ труб, необходимость частой чистки поверхностей нагрева и газового тракта котла от шлаковых и зольных отложений.

При сжигании в вихревых горелках более эффективно используется мощность котла, обеспечивается высокий КПД котла, возможно совместное сжигание газа или мазута с БМ. Основной недостаток технологии - высокие затраты, связанные с измельчением и сушкой сырья при отсутствии его в готовом виде как отхода производства.

При сжигании БМ на решетках (неподвижные водоохлаждаемые, подвижные водоохлаждаемые (цепные, вибрационные и наклонно - переталкивающие); подвижные воздухоохлаждаемые, вращающиеся [14]. Решетками нового поколения являются водоохлаждаемые - в целях предотвращения шлакования и продления срока службы решетки.

Сжигание в реторте с нижней подачей сырья (аналогичная конструкция с вращающейся решеткой) используется на установках с небольшой мощностью (до 6 МВт) для сжигания малозольной БМ (древесная щепа, опилки) влажностью до 40%. Для высокозольной БМ (кора, солома) требуется более эффективная система удаления золы.

Сжигание на подвижных решетках применяется, как правило, для БМ с высокой влажностью (до 60%), зольностью и различным фракционным составом . При этом, оптимизация процесса горения на решетке может быть достигнута разделением объема топки на первичную и вторичную камеры сгорания. При этом, чем лучше перемешивание, тем меньшее количество избыточного кислорода необходимо для полного сгорания топлива и тем выше КПД установки.

Сжигание с загрузкой сырья распределительным стокером является модификацией сжигания на решетке и применяется, в основном, в крупных котлах (неподвижная или подвижная решетка) с возможностью сжигания в топке мазута или газа без дополнительного охлаждения решетки.

Сжигание во вращающейся печи отличается возможностью сжигания различных видов БМ и отходов. При этом сырье встряхивается и перемешивается при непрерывном вращении цилиндрической топки.

Сжигание в кипящем слое организуется ступенчатой подачи воздуха, обеспечивающей снижение эмиссии NO_x. При этом, возможно использование смеси из БМ различного типа или совместное сжигание этих смесей с другими видами топлив. Недостаток - трудность эксплуатации при частичной загрузке.

Сжигание в циркулирующем кипящем слое отличается увеличением скорости флюидизации до 5-10 м/с и использованием более мелкого песка (0,2 - 0,4 мм). В этом случае частицы песка уносятся продуктами сгорания, отделяются в горячем циклоне и возвращаются обратно в топку.

Котлы для сжигания древесной БМ могут выполнятся как со встроенной топкой, так и с предтопком. В отличие от встроенной топки котла в предтопке не происходит контакта пламени с холодными водоохлаждаемыми поверхностями (возможно сжигать щепу с высокой влажностью ~ 50 - 55 %).

Топливо шнековым конвейером подается на решетку, расположенную внизу предтопка, где организуется ступенчатый подвод воздуха. Продукты сгорания затем поступают в конвективный отсек котла. При сжигании в предтопках относительно сухого топлива (влажность менее 20%) возникает неустойчивость процесса горения, а высокие температуры вызывают повреждение футеровки предтопка.

КПД древесносжигающих котлов, в т.ч. бытовых с газификационной камерой, составляет 82-87%. КПД котлов на древесных гранулах достигает 90 - 91 %. Котлы, не оснащенные газификационной камерой, характеризуются относительно низким КПД (70-80%).

2.1.2 Прямое сжигание соломы в энергетических целях

Использование соломы для сжигания в энергетических целях связано с относительно высокой влажностью, неоднородностью соломы, ее малым объемным энергосодержанием, достаточно низкой температурой плавления золы и повышенным содержанием хлора.

В таблице 11 приведены сравнительные характеристики соломы как топлива.

Таблица 11. Типичные характеристики соломы в сравнении с характеристиками угля и природного газа [15].

При сжигании используют солому в виде брикетов прямоугольной и цилиндрической формы.

Сжигание брикетов производят в котлах периодического действия (КПД 75%) и котлах с автоматической загрузкой сырья, оснащенных устройствами дозировки, автоматически непрерывно подающими солому в котел. Существуют устройства дозировки для целых брикетов соломы, измельченной соломы и соломенных гранул.

Наряду с сжиганием соломы в фермерских установках на тепловых соломосжигающих станциях используются следующие виды котлов:

·   для сжигания резаной соломы;

·   для сжигания соломы, измельченной скарификаторами;

·   для сжигания брикетов соломы методом сигарного сгорания;

·   для сжигания разделенных на части брикетов соломы;

·   периодического действия.

При сжигании по методу сигарного сгорания брикеты гидравлическим поршнем проталкиваются через неподвижный фронт горения, сгорая с одного конца по мере продвижения в топку котла.

На рис. 1 приведена схема тепловой станции, на которой брикеты соломы сжигаются по методу сигарного сгорания.

Рис. 1. Схема тепловой станции Sabro: 1-амбар для хранения соломы; 2-подъемный кран; 3-система подачи сырья; 4-котел; 5-воздуходувки; 6-система удаления золы и шлака; 7-тканевый фильтр; 8-шнековый конвейер для удаления золы; 9-дымосос; 10-дымовая труба.

Брикеты соломы целиком захватываются подъемным краном и перемещаются в систему подачи сырья, откуда гидравлическим поршнем непрерывно проталкиваются в котел. Брикеты сгорают с одного конца по мере продвижения. Несгоревшие частицы соломы и зола из фронта горения падают на водоохлаждаемую решетку, где происходит полное догорание сырья. Очистка продуктов сгорания происходит в тканевом фильтре.

При сжигании соломы, измельченной скарификатором, горение происходит в нескольких зонах на подвижной литой металлической решетке. Подача сырья на решетку осуществляется пневмотранспортом и шнеком.

На тепловой станции с котлом периодического действия брикеты соломы из загрузочного канала поступают в предтопок, который работает как газификационная камера (воспламеняются от контакта с уже горящим сырьем) и при помощи конвейера направляются в топку котла.

Почти все установки комбинированной выработки тепла и электроэнергии оборудованы соломосжигающими котлами, работающими под высоким давлением, паровыми турбинами, электрогенераторами и теплообменниками.

Солома перед подачей в котел измельчается скарификатором и через загрузочные воронки поступает в котел на систему решеток, состоящую из неподвижной водоохлаждаемой решетки и вибрационной, на которой заканчивается процесс горения. Шлак ссыпается в водоохлаждаемый бункер и удаляется.

При совместном сжигании соломы с углем в котле с кипящим слоем [16] при атмосферном давлении снижается уровень эмиссии СО от 145 до 96, NO_x - от 960 до 555, SO₂ - от 795 до 470 мг/нм². Но при этом увеличиваются выброс HCl с 58 до 152 мг/нм³ вследствие относительно высокого уровня содержания хлора в соломе (около 915 мг/кг сухого обеззоленного сырья).

На рис.2 приведена схема станции КТЭ в Rudkobing [6].

Рис. 2. Схема станции в КТЭ в Rudkobing: 1-амбар для хранения соломы; 2-скарификатор; 3-топка котла; 4,5-пароперегреватели; 6-экономайзер; 7-воздухоподогреватель; 8-паровая турбина; 9-электрогенератор; 10-электрофильтр; 11-дымовая труба; 12-вибрационная решетка; 13-бункер для шлака; 14-резервуар для питательной воды; 15-конденсатор; 16-бак для хранения горячей воды; 17-теплообменник.

Одним из недостатков использования соломы в энергетических целях является влияние на состояние почвы (обеднение почв за счет удаления питательных веществ и таких элементов как Ca, Mg, K, N). В результате этого замедляется рост следующих поколений БМ и усиливается опасность кислования почвы. Решение этих проблем осуществляется внесением удобрений, возвратом золы и известкованием почвы.

2.1.3 Прямое сжигание ТБО

Основным направлением в ликвидации ТБО во многих странах стало их сжигание в топках при температуре не выше 900 - 1000 ^оС. Такое сжигание с переводом ТБО в твердое и газообразное состояние не позволяет получить достаточно хороших технологических и экологических показателей, т.к. продуктами их переработки (до 25% мас.) являются трудноразлагаемые токсические соединения в виде золы и пыли, требующие специального захоронения. Следствием этого является низкая производительность и высокие капитальные затраты.

Однако существует технология сжигания ТБО с переводом их в жидкое и газообразное состояние путем обработки их жидким вспененным шлаком при температурах 1450-1600 ^оС. Продуктами переработки этого процесса являются:

·   жидкий шлак, из которого получают гранулированный шлак, шлакоблоки, шлаковолокно;

·   жидкий металл, близкий по составу к чугуну, который можно использовать для литья различных изделий или для дальнейшего передела.

Выбор технологии сжигания мусора в каждом конкретном случае зависит от состава

ТБО, возможностей установки системы обезвреживания вредных продуктов сгорания, возможностей производства тепла и электроэнергии, а также возможностью захоронения на специальных полигонах с целью получения свалочного газа.

2.1.4 Система очистки продуктов сгорания при прямом сжигании биомассы

Для первичной очистки продуктов сгорания (ПС) от твердых частиц широко используются центробежные сепараторы (циклоны или мультициклоны). Для более тщательной очистки применяются электростатические фильтры, тканевые фильтры, скрубберы и другие устройства.

В циклонах частицы размером 5 - 10 мкм удаляются из ПС под действием центробежных сил. В электростатических фильтрах происходит осаждение заряженных частиц на электродах с последующей чисткой последних механическим способом или тонкой непрерывной пленкой воды (осадители влажного типа). Электрофильтры улавливают до 98% частиц размером 0,1 мкм и 95 - 99% частиц размером 0,2 мкм. Тканевые фильтры улавливают частицы диаметром менее 0,2 мкм с эффективностью 99,9%. Недостаток тканевых фильтров - большой размер и высокая стоимость.

Одним из новых направлений очистки ПС от твердых частиц и аэрозолей является вращающийся сепаратор с фильтрующим элементом, состоящим из множества осевых каналов, вращающихся вокруг общей оси. Твердые и жидкие частицы за счет центробежной силы отбрасываются к внешним стенкам каналов, где накапливаются и периодически удаляются с помощью сжатого воздуха или воды, проходящим по каналам с большой скоростью (при этом процесс сепарации частиц не прекращается). Эффективность улавливания частиц размером более 1,0 мкм составляет до 99,9%.

При использовании систем конденсации продуктов сгорания происходит их очистка от твердых частиц (эффективность может достигать 50 - 75%). Кроме того существует возможность предотвращать конденсацию ПС в дымовой трубе [17].

Вода поступает в котел в виде влаги, имеющейся в сырье и воздушном дутье, а также образуется при горении водорода, содержащегося в БМ. При испарении воды в топке потребляется теплота парообразования. Основной целью системы конденсации ПС является получение и использование скрытой теплоты парообразования. Охлаждение ПС происходит за счет контактного или бесконтактного теплообмена ПС с водой, возвращающейся от потребителя тепла. Водяной пар начинает конденсироваться, когда температура ПС достигает точки росы (для древесины ~ 60 - 70 ^оС).

2.2 Технологии газификации биомассы

Эффективное использование вырабатываемого в газогенераторных установках горючего газа возможно в следующих областях:

·   сжигание в топке котла при улучшении эксплуатационных, регулировочных и экологических характеристик котла;

·   использование в качестве непосредственного энергоносителя в различных технологических процессах (сушка, нагрев, варка и т.п.), что позволяет отказаться от пара как промежуточного энерго - и теплоносителя;

·   сжигание в стационарных ДВС или газовых турбинах с выработкой электроэнергии.

По типу слоя сырья и способу подвода окислителя технологии газификации можно разделить на несколько групп [18].

2.2.1 Газификация в плотном слое сырья с нисходящим движением газа

Нисходящее движение газа (НДГ) через опускающийся слой сырья, поддерживающийся в области сужения решеткой (высокотемпературная область), что способствует крекингу смол и обеспечивает получение относительно чистого газа (содержание смол в газе - 50 - 500 мг/нм²).

Газификация с НДГ проверена для таких топлив, как относительно сухие древесные чурки или щепа с влажностью до 30% (мас.) и содержанием золы менее 3-5% (мас.). Рекомендуемый размер частиц БМ - от 1 до 30 см. Вследствие низкого содержания смол в газе конструкция реактора с НДГ наиболее подходящая для выработки электричества в электростанциях небольшой мощности (до 500 кг/ч или 500 кВт_э).

2.2.2 Газификация в плотном слое сырья с восходящим движением газа

БМ сначала просушивается произведенным газом, движущимся вверх. После просушки твердое сырье пиролизуется с образованием углистого вещества, которое продолжает двигаться вниз и газифицируется восходящим движением газа (ВДГ).

Принципиальными преимуществами газификаторов с ВДГ являются их простая конструкция и высокая термическая эффективность: существенная часть теплоты произведенного газа расходуется на теплообмен с поступающим сырьем, которое таким образом просушивается, подогревается и пиролизуется перед попаданием в зону газификации.

Недостатки газификаторов с ВДГ: значительное количество смол в генераторном газе, что требует либо существенной очистки либо использование его в непосредственной близости от генератора.

Единичная мощность газификаторов с ВДГ возможна до 20 МВт_э на сырье с влажностью до 55% и менее жесткими требованиями к фракционному составу, чем в газификаторах с НДГ. Объем смол в газе - 10 - 100 г/нм³.

2.2.3 Газификация в плотном слое сырья с поперечным движением газа

Воздух или смесь воздуха с паром подводятся в реактор через боковую стенку в нижней части реактора. Смолы перемещаются через зону восстановления и разлагаются на более легкие соединения. Генераторный газ отводится из реактора с противоположной подводу воздуха или смеси стороны.

Недостаток: газификаторы такой конструкции широкого распространения не получили.

2.2.4 Газификация в кипящем слое

Для газификации в кипящем слое (КС) характерны высокие скорости тепло- и массопереноса и хорошее перемешивание твердой фазы, что обеспечивает высокие скорости реакции и близкую к постоянной температуру слоя.

Флюдизирующим генераторным материалом, необходимым для создания КС на БМ, обычно является силикатный песок, однако возможно использование оксида алюминия (глинозем) и оксидов других тугоплавких металлов (чтобы избежать спекания слоя). Для снижения содержания смол в КС добавляется катализатор.

Реакторы с КС являются единственными газификаторами с изотермическим слоем сырья. Типичная рабочая температура при газификации БМ - 800 - 850^оС. Основная часть сырья превращается в газ в пределах КС, меньшая - над слоем. Содержание смол в получаемом газе 5 - 10 г/нм³.

2.2.5 Газификация в циркулирующем кипящем слое

При газификации в циркулирующем кипящем слое (ЦКС) достаточно высокие скорости флюидизации и выходящий газ захватывает большое количество твердых частиц и возвращает их обратно в слой с целью улучшения эффективности конверсии углерода. Производимый горячий неочищенный газ используется для сжигания в котлах установок большой мощности (до 40 МВт_э).

2.2.6 Газификация в потоке

При таком способе газификации инертный материал не используется. Газифицируют мелкоизмельченное сырье (частицы), суспензированные в газообразной фазе. Температура рабочей среды - 1200 - 1500^оС (в зависимости от того применяется воздух или кислород). Генераторный газ имеет низкие концентрации смол.

Недостаток: проблемы подбора материалов и плавление золы. Степень конверсии сырья при газификации в потоке приближается к 100%.

2.2.7 Газификация в двух реакторах кипящего слоя

Такая установка используется для получения газа с более высокой теплотворной способностью, чем полученного в одинарном газификаторе КС с воздушным дутьем. Первый реактор является фактически пиролизером, в котором нагрев производится поступающим из второго реактора КС горячим песком, который, в свою очередь, нагревается при сжигании углистого вещества в воздухе перед рециркуляцией в первый реактор. Обычно добавляют пар для стимулирования процесса прохождения реакции получения водорода.

Недостаток: высокое содержание смол (процесс близок к пиролитическому).

Качество и состав продуктов газификации для различных типов конструкций реакторов и используемого окислителя приведены в табл.12.

Таблица 12. Характеристики генераторного газа

Примечание. НДГ и ВДГ - нисходящее и восходящее движение газа. КС - кипящий слой. ЦКС - циркулирующий кипящий слой.

*- Переработка сырья при общем КПД 36%. ** - 1 и 5 наиболее и наименее жесткие требования. *** - 1 и 5 наибольшее и наименьшее содержание смол и частиц в неочищенном газе.

В настоящее время в области газификационных установок малой мощности работы сосредоточены на газификаторах НДГ, очистке газа в циклонах, скрубберах или фильтрах и использовании генераторного газа в двигателях внутреннего сгорания с целью получения тепла и электроэнергии. В Дании проводятся работы по газификации соломы в газификаторах типа ВДГ.

В области крупных газификационных установок работы сосредоточены на газификаторах с КС (ЦКС), предназначенным для использования в ПГТУ ВГ.

Следует отметить, что технологии газификации БМ с целью выработки электроэнергии наряду с экологическими преимуществами обладают значительным потенциалом и перспективами развития. Они позволяют осуществить выработку электроэнергии из БМ с более высоким КПД (до 45% в ПГТУ ВГ), чем при традиционном сжигании в котле и выработкой электроэнергии в паровой турбине (КПД - 35 - 37%).

2.3 Технологии быстрого пиролиза биомассы

Считается, что БМ (древесина ) имеет химическую формулу СН_1,4О_0,6. Реакция пиролиза БМ может быть представлена следующим образом:

БМ + тепло = С (углистое вещество) + смолы + СО + СО₂ + Н₂ + Н₂О + СН₄ + CnHm.

Первичные продукты пиролиза в зависимости от вида и параметров процесса:

- жидкость;

·   твердое углистое вещество;

·   газы.

Вторичные продукты:

·   энергия;

·   топливо;

·   химические продукты.

Жидкие продукты пиролиза (они же: «масла», «пиротопливо», «биотопливо» или

«смолы») в необратимом виде представляют собой густую черную смолянистую жидкость, выход которой может достигать до 80% массы сухого сырья (при быстром низкотемпературном пиролизе). Пиротопливо может использоваться в качестве заменителя котельного топлива (в газовых турбинах и дизельных установках).

Твердым продуктом пиролиза является углистое вещество (Q^p_н = 30 МДж/кг), выход которого может достигать 30-35% массы сухого сырья при карбонизации и медленном пиролизе, которое может использоваться в качестве топлива для бытовых каминов, а также для технологических нужд промышленности (металлургической, электроугольной, фармакологической, для очистки воды и газов).

Газообразные продукты пиролиза представляют собой среднекалорийный газ (Q^p_н = 15-22 МДж/нм³), а при частичной газификации низкокалорийный газ (Q^p_н = 4-8 МДж/нм³). Выход газообразного топлива доходит до 70% массы сухого сырья при высокотемпературном быстром пиролизе. Состав газа зависит от сырья и параметров процесса. Такой газ обычно используется в самом процессе пиролиза для поддержания температуры процесса и сушки исходного сырья.

Химическими продуктами пиролиза являются несколько сотен химических составляющих. Все большее внимание уделяется регенерации отдельных химических соединений (левоглюкозан и гидроксиуксусный альдегид) или их семейств (полифенолы) из продуктов пиролиза.

Возможность извлечения отдельных химических продуктов открывает широкие возможности в получении дополнительных компонентов сжигания (даже при их небольших концентрациях).

Современные технологии пиролиза БМ подразделяются по следующим признакам (табл. 13): скорость, нагрева (быстрый, медленный пиролиз), среда, в которой происходит пиролиз (вакуумный, гидропиролиз, метанопиролиз).

Таблица 13. Характеристики основных технологий пиролиза

*- Количество жидкости с учетом воды, реакции и влаги сырья.

При высоких скоростях нагрева (1000 - 10000^оС/С) до 650^оС с последующим быстрым гашением происходит конденсация промежуточных жидких продуктов. Доля углистого вещества минимальна (или не образуется вообще). Основным продуктом является газ.

Технологии быстрого пиролиза можно классифицировать следующим образом:

·   пиролиз в кипящем слое;

·   абляционный пиролиз;

·   пиролиз в ЦКС;

·   пиролиз в двух реакторах КС;

·   пиролиз в потоке.

Теплопередача осуществляется либо при контакте газ - твердое тело (прямой способ нагрева) или твердое тело - твердое тело (непрямой способ нагрева) и является основным ограничением производительности реакторов.

Наиболее эффективным способом теплопередачи является способ теплопередачи при контакте твердое тело -твердое тело и встречается в большинстве реакторов. Типичная температура, при которой выход жидких продуктов максимальный, составляет 500-520^оС для большинства видов древесной БМ.

Абляционный пиролиз по сравнению с другими видами быстрого пиролиза имеет две особенности - высокую относительную скорость движения между частицами БМ и нагретой поверхностью реактора (более 1,2 м/с) и высокое давление, прилагаемое к частицам (более 5·10⁵н/м²). При этом скорость абляции выше 1 мм/с. Абляционный эффект достигается с помощью четырех ассиметрично расположенных лопаток, вращающихся со скоростью до 200 об/мин. Использование вращающихся лопаток является эффективным способом быстрой абляции относительно крупных частиц (рис.3).

Рис. 3. Принципиальная схема абляции частицы: 1-пары пиролиза и газообразные продукты; 2-частица биомассы (древесная щепа); 3-направление давления на частицу биомассы; 4-вращающаяся лопатка; 5-направление перемещения частицы биомассы (относительная скорость 1,2 м/с); 6- горячая поверхность реактора (625^оС); 7-пленка жидкого продукта; 8-древесный уголь.

Теплопередача происходит с помощью прямого контакта твердых частиц БМ с нагретой теплоотдающей поверхностью реактора. Тепло передается поперек тонкой пленки пиролизной жидкости.

Абляционный конусный реактор быстрого пиролиза разработан в 1989 -1993 г.г. в университете Twente (Нидерланды) и имеет следующую схему конструкции (рис.4).

Процесс быстрого пиролиза протекает в свободном пространстве между внешним вращающимся конусом и внутренним неподвижным. Кипящий слой сформирован частицами песка и потоком азота. Под действием разрежения, возникающего при вращении конуса, частицы песка всасываются в конус через отверстия в нижней части конуса. БМ в реактор подается через водоохлаждаемую трубку и контактирует с горячим песком. Далее поток из смеси песка, БМ и углистого вещества переходит через край конуса и попадает в кипящий слой, откуда одна часть потока направляется в КС камеры сгорания, а вторая часть возвращается в конус. В КС камеры сгорания происходит сжигание углистого вещества, за счет чего компенсируются потери тепла и образуется тепловая энергия, необходимая для нагрева БМ и протекания эндотермической реакции пиролиза. Для возможности работы установки в автотермическом режиме в реакторе поддерживается восстановительная атмосфера, а в КС камеры сгорания - окислительная.

Рис 4. Схема абляционного конусного пиролизного реактора: 1-трубка для загрузки биомассы; 2-неподвижный конус; 3-циклон; 4-трубка для возврата песка в кипящий слой конуса; 5-вращающийся конус; 6-отверстия; 7-подвод газа для возврата песка в кипящий слой конуса; 8- кипящий слой конуса; 9-канал для подвода воздуха в камеру сгорания; 10-канал для подвода азота в кипящий слой конуса; 11-отверстия; 12-кипящий слой камеры сгорания; 13-канал для выхода продуктов сгорания; 14-канал для выхода паров пиролиза.

В результате пиролиза сосновых опилок в данном реакторе выход пиролизной жидкости составляет 50-65% массы сырья при 480-510^оС, выход пиролизного газа (состоящего из СО, СО₂, СН₄ и небольшого количества Н₂) - до 15%(мас.), выход углистого вещества - около 10%(мас.).

В 1984 году компания Ensyn Technologies Inc. (Канада) начала развитие RTP-технологии (Rapid Thermal Processing) с высоким выходом легких несмолянистых жидкостей. В качестве сырья возможно использование древесины, древесных отходов, лигнина, целлюлозы, отходов сельского хозяйства, сырой нефти, тяжелых мазутов, тяжелых продуктов перегонки нефти, асфальта, битума, изношенных шин, бумажных отходов, отстоя сточных вод.

 RTP-процесс осуществляется в пиролизной установке с двумя реакторами циркулирующего кипящего слоя при атмосферном давлении.

Принципиальная схема процесса показана на рис.5.

Рис. 5. Принципиальная схема RTP-процесса быстрого пиролиза и использования пиротоплива в газотурбинном двигателе ГТ 2500: 1- бункер БМ; 2-пиролизный реактор; 3-камера сгорания; 4- продукты сгорания; 5-твердое инертное вещество; 6-углистое вещество; 7-циклон; 8-циклон; 9-первая ступень конденсации; 10-водяной теплообменник; 11-вторая ступень конденсации; 12-пиротопливо; 13-пиротопливный насос; 14-рециркулирующий газ; 15-подача воздуха; 16-отвод золы; 17-газодувка рециркулирующего газа; 18-предварительный подогреватель пиротоплива; 19-отвод загрязняющих веществ; 20-система подготовки пиротоплива; 21-электрогенератор; 22- планетарная коробка передач; 23-газотурбинный двигатель ГТ2500.

Подготовленная БМ из бункера поступает в пиролизный реактор с ЦКС твердого инертного материала (песка) в потоке рециркулирующего газа. Нагрев БМ происходит за счет тепла, вносимого в слой песком, нагреваемым при сгорании пиролизного газа и углистого вещества в камере сгорания с КС. Пиролизный газ после реактора поступает в циклоны. Песок и углистое вещество, уловленные циклонами, поступают в камеру сгорания для нагрева и сжигания соответственно. Выделение жидкого пиротоплива происходит на первой и второй ступенях конденсации и его подача к турбине осуществляется топливным насосом. Рециркуляция пиролизного газа и его подача в камеру сгорания осуществляется газодувкой.

Пиролизная жидкость RTP-процесса однофазная и не смешивается с тяжелыми смолами, которые являются продуктами традиционного (медленного) пиролиза или побочными продуктами газификации.

Использование пиротоплива как заменителя традиционного топлива имеет следующие преимущества:

·   установка по получению жидкого топлива не привязана к потребителю;

·   низкие затраты на транспортирование пиротоплива по сравнению с транспортированием твердой БМ;

·   возможность и низкая стоимость промежуточного хранения пиротоплива;

·   возможность эффективного использования пиротоплива в существующих котлах;

·   возможность утилизации БМ и отходов различного вида;

·   вклад в снижение парникового эффекта;

·   низкий уровень выбросов загрязняющих веществ в атмосферу.

Пиротопливо имеет высокую энергетическую плотность по сравнению с исходным сырьем (БМ) (табл. 14).

Таблица 14. Энергетические характеристики БМ и продуктов пиролиза.

Примечание: r_v -объемная плотность; Q - теплота сгорания сухого сырья; Е - енергетическая плотность.

Пиротопливо, полученное быстрым пиролизом имеет значительно меньшую вязкость, чем полученное медленным пиролизом, что существенно облегчает его использование в энергооборудовании. Качество пиротоплива может быть недостаточным для использования, в первую очередь, в двигателях из-за высокого содержания кислорода - 25-40% (в мазуте до 1%).

Технология повышения качества жидких продуктов пиролиза основывается либо на гидрогенизации (обработка под высоким давлением в среде Н₂), либо на цеолитовой технологии (крекинг при помощи водных алюмосиликатов натрия и кальция). При гидрогенизации пиротоплива кислород удаляется в виде воды и его содержание снижается до 2,2-3,0% с катализатором тетралином и до 4,7% без катализатора. Выход качественного пиротоплива - 24% массы исходной сухой БМ. При цеолитовой технологии повышения качества пиротоплива кислород удаляется в виде СО, СО₂ и Н₂О. Выход качественного пиротоплива возможен при цеолитовом крекинге в присутствии водяного пара. Одна из проблем - малый выход пиротоплива.

Ни одна из технологий повышения качества пиротоплива не является пока коммерчески пригодной (нет надежных данных по балансу массы в рассматриваемых процессах и по эксплуатации установок, работающих на базе описанных технологий). Вопрос применения технологии повышения качества пиротоплива решается при сравнительном анализе стоимости сырья и выхода пиротоплива. При пониженной стоимости сырья предпочтительно применение цеолитовой технологии (из-за невысоких капитальных затрат), а при высокой стоимости сырья - технологии гидрогенизации (более высокий выход пиротоплива).

2.4 Особенности образования биогаза из твердых бытовых отходов на свалках и полигонах

В Европейском Сообществе (ЕС) в качестве типичного принят следующий состав ТБО, % (мас.) сухого вещества:

пищевые отходы - 20 - 50;

дворовые отходы - 12 - 18;

бумага и картон - 20 - 42;

текстиль - 1 - 6;

пластмасса - 3 - 8;

древесина - 1 - 8;

стекло - 4 - 12;

металлы - 3 - 12;

прочие неорганические отходы - 1 - 20.

Влажность ТБО обычно принимается равной 35%, средняя величина биологически разлагаемого органического вещества в ТБО - 75% массы сухих отходов. Средняя плотность ТБО в местах сбора - 140 - 180 кг/м³, а при механическом уплотнении на полигонах 600 - 800 кг/м³ и выше. В большинстве стран ТБО при захоронении уплотняют до 900 - 1000 кг/м³. Это позволяет обеспечить более раннее образование метана и его стабильный выход в течении многих лет.

Выделение биогаза зависит от многих параметров: влажности, кислотности, плотности, химического состава, морфологического состояния и возраста ТБО. Оптимальной для выделения биогаза температурой ТБО является 35 - 40 ^оС при влажности - 90 - 96%.

Теоретически биологическое разложение 1т ТБО дает около 400 м³ свалочного газа с содержанием метана - 55%, углекислого газа - 30 - 45%, нескольких процентов азота, остальное - примеси. Однако, даже на хорошо спроектированных и управляемых санитарных свалках извлекается только около 70% выделяющегося свалочного газа. Так что более реальной величиной выхода свалочного газа является 100 м³/т ТБО с содержанием метана 55% [19].

Наиболее распространенная система извлечения свалочного газа состоит из сети вертикальных скважин, связанных вместе горизонтальными трубами, которые собирают получаемый свалочный газ и передают его в оборудование для коммерческого использования. Теплотворная способность свалочного газа - 17 - 20 МДж/м³.

Биогаз, образующийся на свалке, без предварительной очистки можно использовать как топливо для котлов и печей, а после соответствующей очистки - как топливо для газовых двигателей и турбин. Применяются три основных метода использования свалочного газа: прямое сжигание (обжиг, получение технологического пара и др.), производство электроэнергии с помощью установок КТЭ (широко применяются двигатели внутреннего сгорания - газовые двигатели с искровым зажиганием и газодизельные двигатели) и обогащение до качества природного газа (сушка газа, удаление диоксида углерода и других примесей - используется промывка водой, адсорбция при изменении давления и разделение с помощью мембран).

Экономические расчеты показали, что использование свалочного газа оказывается прибыльным на любой крупной свалке, где содержание отходов - не менее 1 млн. т, глубина отходов не менее 10м, а площадь выгрузки - не менее 10га.

3. Перспективы использования биомассы энергетическим комплексом Украины

Украина обладает значительным потенциалом отходов биомассы растительного и животного происхождения, который можно использовать в энергетических целях.

Основным источником БМ в Украине являются отходы сельскохозяйственного производства и древесная биомасса.

Потенциал БМ доступной для энергетического использования составляет около 5% общего потребления первичных энергоносителей в Украине (в 1995г. - 226,3 млн. т у.т. и планируется в 2010г. - 320 - 330 млн. т у.т. - общее потребление первичных энергоносителей).

В таблице 15 приведен потенциал БМ, рассчитанный на основании статистических данных (влажность W = 14%)

Таблица 15. Потенциал биомассы в Украине в 1995 году.

Необходимо отметить, что по структуре потенциала БМ для получения энергии Украина близка к одному из европейских лидеров в этой области - Дании. Украина является одной из наименее обеспеченных лесом европейских стран. Средняя ее лесистость составляет 14,2% территории, а в некоторых степных областях не превышает и 1% (в Дании - около 12%).

Технологии получения энергии из БМ находятся в Украине в начальной стадии их развития и использования.

Наиболее перспективными технологиями для коммерческого использования БМ в Украине являются:

·   котлы для сжигания древесных отходов и газификационные установки по их переработке, установленные непосредственно на предприятиях деревообрабатывающей промышленности с целью выработки тепла (от 0,5 до 5,0 МВт_т);

·   соломосжигающие установки фермерского типа для выработки тепла (0,1-1,0 МВт_т), тепловые станции (1-10 МВт_т) и станции КТЭ (1-10 МВт_э);

·   биогазовые установки, установленные на крупных свиноводческих фермах и фермах крупного рогатого скота.

3.1 Сжигание древесины в Украине с целью получения тепловой и электрической энергии

При сжигании древесины в энергетических целях следует учитывать следующие аспекты применения оборудования для сжигания БМ:

·   котлы для домашнего использования с предварительной газификацией древесины позволяют автоматизировать процесс горения и управлять им, но требуют достаточно сухого сырья (влажностью до 20%);

·   в котлах с предтопком возможно сжигать щепу с высокой влажностью (до 55%), но возникают проблемы при сжигании относительно сухого топлива (влажностью до 20%), связанные с перегревом и повреждением футеровки предтопка;

·   котлы со встроенным стокером и водоохлаждаемыми стенками топки хорошо подходят для сжигания сухого топлива (влажность 30-35%);

·   более крупные тепловые станции, сжигающие древесную щепу, как правило, оборудованы котлами с футерованными топками и цепными, вибрационными или наклонно-переталкивающими колосниковыми решетками, позволяют сжигать щепу влажностью до 60%;

·   котлы с кипящим слоем получили наибольшее распространение на достаточно крупных станциях для выработки электроэнергии.

Физико-техническим институтом низких температур НАН Украины (г. Харьков) разработана технология получения газогенераторного газа из отходов деревообрабатывающей промышленности для дальнейшего применения в качестве горючего и силового газа в энергопотребляющих установках (топки котлов, сушильные агрегаты, двигатели внутреннего сгорания и т.д.). Энергоустановки, в состав которых входят газогенераторы, имеют более высокий к.п.д. по сравнению с энергоустановками с прямым сжиганием твердого топлива.

На рис. 6 приведена схема газогенераторной установки (ГГУ), разработанная для КП «Киевский ДОК». ГГУ перерабатывает отходы деревообработки влажностью до 40%. Загрузка сырья и выгрузка золы производится пневмотранспортом. Производительность ГГУ по перерабатываемому сырью - 25 - 30 т/сутки. Из 1 кг древесных отходов вырабатывается 1,6 - 1,7 нм³ генераторного газа с теплотворной способностью 5,0 - 6,2 кДж/нм³ при требуемом расходе воздуха 0,6 - 0,7 нм³ на 1 кг отходов.

Пребполагается использование генераторного газа для сжигания в топке котла с помощью горелки, разработанной для этой цели. В дальнейшем получаемый газ будет использоваться в силовой установке, работающей на электрогенератор, а выхлопные газы силовой установки будут дожигаться в котле-утилизаторе для выработки пара для технологических нужд.

В качестве топлива для получения генераторного газа наряду с древесными отходами можно использовать низкосортный уголь, торф, отходы переработки сельскохозяйственной продукции (лузга, костра и т.п.), отходы рынков, бытовые отходы и т.п.

Рис. 6. Схема газогенераторной установки: 1-воздуховод подачи топлива; 2- задвижка; 3 - воздуховод для подачи воздуха в верхнюю зону ГГ; 4- твердое топливо; 5- внутренняя стенка корпуса ГГ; 6- наружная стенка; 7- колосниковая решетка; 8- трубопровод для отвода ГГГ; 9- трубопровод золоудаления с заслонками; 10- циклон; 11- бункер; 12- задвижка для выгрузки золы; 13- воздушные заслонки; 14- отверстия для подвода воздуха под колосниковую решетку; 15- крышка; 16- стойки; 17- клапан с трубопроводом золоудаления; 18- труба для свечи; 19- клапан свечи.

Технические данные газогенератора приведены в табл.16.

Таблица 16. Технические данные газогенератора

С экологической точки зрения применение данного газогенератора позволяет свести до минимума выбросы сернистого ангидрида и уменьшить выбросы тяжелых металлов.

СП «Ройек - Львов» разработаны энергетические комплексы автоматического сжигания отходов древесины, предназначенные для обогрева горячей водой производственных помещений и сушильных камер деревообрабатывающих и мебельных предприятий, лесных и сельских хозяйств, жилых помещений, теплиц.

Для сжигания используются отходы древесины (тырса, стружка, кора и кусковые отходы размером до 30 мм) влажностью 30-50%. Топливо газифицируется в газогенераторе системы сжигания с дальнейшим сжиганием в топке водогрейного котла.

Ниже приведены технические характеристики используемых систем сжигания (табл.17).

Таблица 17. Технические характеристики системы сжигания.

*- СС-100 и СС-250 изготавливаются СП «Ройек-Львов»

Тип котла - водогрейный или паровой соответствующей мощности. КПД комплекса - 70%. Себестоимость получаемого тепла СС-100 - 38,2 грн/Гкал, СС-250 - 18,5 грн/Гкал. Срок окупаемости СС-100 - 10 месяцев, СС-250 - 4 месяца (по данным Львовэнергопроекта).

Существует высокоэффективная технология УкркомунНИИпрогресс для получения биогаза и его использования в качестве моторного топлива для двигатель-генераторов на базе современного высокоэффективного отечественного дизеля типа Д100. Общий КПД установки превышает 80%.

Технические данные:

·   электрическая мощность - 1 МВт;

·   напряжение - 6(10) кВ;

·   частота тока - 50 Гц;

·   тепловая (рекуперированная мощность) - 1.27 Гкал/ч.

В настоящее время сжигание биомассы с целью выработки тепла осуществляется в котле ДКВР - 4/13 ст. №3 Керченского КХП (топливо - рисовая лузга). Разработана система автоматического регулирования подачи горючих отходов в топку котла (фирма «ТЕМС», Киев). АО «Научно-технологический институт транскрипции, трансляции и репликации»

г. Харьков разработана котельная установка мощностью 100 кВт, топливом для выработки тепла в которой могут быть как твердое топливо (антрацит, каменный уголь, дрова), так и полутопочные и генераторные газы (при работе с предтопком) и шелуха полсолнечника, стеблевая масса подсолнечника и кукурузы.

ЗАО «Украинские теплогенераторы» (г. Киев) разработаны воздухонагревательные печи (до 1000м³/ч и температурой до 160 ^оС), работающие на древесных отходах, горючем мусоре, угле.

ЗАО «Киевавтоматика» разработана техническая документация установки тепловой контактной (УТК) для получения горячей воды, парогазовой и газовоздушной смесей, которые могут быть использованы в системах отопления и горячего водоснабжения зданий и сооружений, пропарки строительных материалов, сушки материалов и изделий (топливо -природный газ).

АТ «Завод металл» г. Сумы разработан конвективный агрегат «Энергия» - калориферная печь, рассчитанная на использование отходов, например, профильного дерева, деревянных отходов и т.д., но без пластмассовых покрытий. Мини - печь обеспечивает 4,5 м3/мин теплого воздуха.

Специалистами СПКБ «Цемент» (г. Харьков) и АО «Кавказцемент» (г. Черкесск) разработан и внедрен способ и устройство для сжигания изношенных автопокрышек и других горючих отходов во вращающихся печах, получивших название - установка «Пеликан», позволяющая уменьшить расход основного природного технологического топлива в зоне горения (спекания) и соответственно снизить тепловое напряжение в ней (до 25% за счет сжигания автопокрышек в зоне декарбонации).

3.2 Использование соломы в энергетических целях

При использовании соломы в энергетических целях наиболее перспективными для дальнейшего развития являются следующие технологии сжигания соломы:

·   котел для совместного сжигания соломы и угля (находится в стадии технического развития). Основные трудности данной технологии связаны с коррозией пароперегревателя и трудностью использования получаемой смеси золы и соломы;

·   установка, состоящая из двух котлов (1). В первом сжигают солому и вырабатывается пар умеренной температуры. Во втором котле сжигают традиционное топливо (уголь, природный газ, нефть). Преимущество такой технологии в раздельном получении золы соломы и угля при приемлемой коррозии элементов оборудования. Недостатком является небольшой КПД выработки электроэнергии;

·   установка, состоящая из двух котлов (2), в первом из которых сжигают солому и вырабатывается пар высокой температуры, а во втором - сжигается традиционное топливо (находится в стадии технического развития). Преимущества те же, что и в технологии (1) плюс высокий КПД выработки электроэнергии;

·   соломосжигающая станция КТЭ с противодавлением. Преимущество такой технологии - умеренный уровень коррозии элементов оборудования. Недостатки - низкий КПД выработки электроэнергии и высокие капитальные затраты.

В настоящее время в Украине выпускается и используется сельскохозяйственное оборудование для формирования соломенных брикетов различного типоразмера (в т.ч. для энергетического использования).

В селе Дрозды Белоцерковского района Киевской области введена в действие первая в Украине котельная, работающая на соломе.

3.3 Развитие технологии получения биогаза в Украине

Среди технологий использования БМ в энергетических целях технологии газификации БМ достигли высокого уровня развития и воплощения на лабораторном и пилотном уровне (в Европе).

Однако, в Украине в настоящее время не существует оборудования типа «пиролизер + ДВС» и «газификатор + ДВС» отечественного производства.

Технологии быстрого пиролиза БМ практически неизвестны в Украине. Наиболее перспективными для Украины представляются технологии абляционного пиролиза для использования в составе транспортных установок (производительность - 50 - 200 кг/ч) и технологии быстрого пиролиза в двух реакторах кипящего слоя для использования в составе стационарных установок (производительностью по сырью 1 - 5 т/ч).

Одним из вариантов решения энергетических и экологических вопросов в животноводстве агропромышленных комплексов является утилизация и переработка отходов базирующаяся на процессе анаэробного брожения, реализуемых в установках типа «Биогаз».

Продуктами распада органического вещества являются:

·   биогаз (65 - 70%), используемый как топливо в газовых котлах, двигателях внутреннего сгорания транспортных средств и при производстве электроэнергии, при сжигании 1м³ биогаза вырабатывается энергия, эквивалентная 1,6 - 2,0 кВт электроэнергии или количество тепла, выделяемого при сжигании 0,7 м³ природного газа, 0,65 л дизельного топлива, 0,75 литра бензина с октановым числом 76 - 80;

·   обезвоженный шлам (влажность 65 - 70%), обеззараженные и дезодорированные высокоэффективные органические удобрения для непосредственного внесения в почву;

·   жидкие обеззараженные и дезодорированные стоки (1 - 1,2% сух. вещества), пригодные для орошения.

Фирмой «Альтек» разработаны реакторы для г.г. Васильков (V=2м³/сут.) и Каменец - Подольск (V=100м³/сут.) для переработки отходов поголовья птицы, свиней и крупного рогатого скота с целью получения биогаза с составом - 70% СН₄ и 30% СО₂ с дальнейшим использованием последнего для собственных нужд хозяйств (выработка электрической энергии, отопление и т.д.)

Существующая установка «Биогаз-301С» предназначена для обезвреживания отходов свинофермы с поголовьем 3000 свиней.

Производительность установки:

по перерабатываемому сырью, м³/сутки - 30;

по биогазу, м³/сутки - 350 - 400;

по обезвоженному шламу, т/сутки - 5 -6;

по стокам, м³/сутки - 25.

Давление биогаза, мм.в.ст. - 200 - 400.

Температура ферментации , ^оС - 52 - 55.

Емкость метантенка, м²:

общая - 310;

рабочая - 300.

Занимаемая площадь, м² - 400.

Масса оборудования, т - 103.

На рис. 7 представлена технологическая схема установки, монтируемой на свиноферме компании Агро-Овен в с. Еленовка, Магдалиновского района, Днепропетровской обл. (оборудование компании BTG , Нидерланды).

Новизной данной установки является:

·   бетонные метантенки совмещены с пленочным газгольдером;

·   применена система десульфации биогаза;

·   высокоэффективная теплообменная аппаратура ;

·   установка обезвоживания, позволяющая получить удобную для хранения и использования в качестве удобрения твердую и жидкую фракции.

Рис. 7. Технологическая схема установки

При переработке 80 м3/сутки свиного навоза с содержанием твердых веществ 11,6% установка позволяет получить:

·   органические удобрения эквивалентные приблизительно 160, 90 и 65 т/год азота, фосфора и калия, соответственно;

·   биогаза 3300 нм³/сутки.

В общем виде для агропромышленного комплекса схема перерабатывающего комплекса может быть представлена в следующем виде (рис.8).

Переработанный продукт после процесса метанового брожения сельскохозяйственных отходов содержит значительное количество питательных веществ и может быть использован в качестве удобрения и кормовых добавок.

Основное преимущество метанового брожения заключается в сохранении в органической или амонной форме практически всего азота, содержащегося в исходном сырье.

Образующиеся при этом гумусные материалы улучшают физически свойства почвы, улучшаются аэрация почвы и скорость катионного обмена, повышается водоудерживающая инфильтрационная способность почвы при увеличении урожайности на 15 - 20%.

Остаток метанового брожения перерабатывают на кормовые добавки - кормовой белок - по питательности превосходящий муку семян хлопчатника, а также существует технология получения кормовой добавки витамина В₁₂.

Рис. 8 Схема перерабатывающего комплекса

Объединение УкрНДИагропроект разрабатывает технологии использования анаэробной переработки БМ и оборудования для их осуществления как для больших хозяйств (фермерских), так и для небольших индивидуальных хозяйств. За последние 5 лет созданы различные модификации таких установок в вертикальном и горизонтальном исполнении. Вертикальный реактор, углубленный в землю, сокращает расходы на изоляцию и нагрев содержимого (процесс идет при температуре 32^оС), но создает трудности при выгрузке отбродившей массы. Горизонтально расположенный над землей реактор не имеет такого недостатка, но требует механизации загрузки исходным сырьем в высоко размещенную загрузочную воронку. Реактор представляет собой трубу диаметром 1-1,2 м длиной 2,5-3 м (горизонтальный вариант), с торцов закрытую фланцами. Рабочее пространство реактора опущено до половины диаметра в емкость, заполненную водой с наличием системы труб с циркулирующей в них горячей водой для поддержания необходимой температуры сырья в реакторе. Реактор имеет загрузочную воронку, мешалку с 2-3 об/мин в течение 15 минут каждые 2-3 часа (реле времени), сливную трубу с шланговым затвором для выгрузки отбродившей массы и газоотводящую трубку, обустроенной грязеводоотделителем. Установка имеет газгольдер с плавающей крышкой и котел для поддержания теплового уровня в реакторе.

Установка , аналогичная приведенной выше, во время эксплуатации в г. Обухове Киевской области вырабатывала до 4м³/сутки, что обеспечивает хозяйственные нужды семьи из 4 человек.

Недостаток данной установки - стоимость (500-600 дол. США), что дорого для жителей села.

Специалистами ЗАО «Объединенная инжиниринговая компания» разработаны проекты промышленных установок на переработку отходов комплексов на:

·   2500 - 5000 голов свиней;

·   2500 - 5000 голов дойных коров;

·   500 голов свиней и 130 голов коров;

В настоящее время специалистами компании разработана, изготовлена и прошла испытания малая биоэнергетическая установка «Биогаз - 6МГС2», предназначенная для фермерских хозяйств с поголовьем скота количеством 3-4 коровы, 10-12 голов свиней и 20-30 голов птицы. Производительность установки по биогазу составляет около 11 м3 в сутки, что позволяет покрыть потребности в отоплении помещений площадью 100 м2 и обеспечении горячей водой семьи из 5 человек.

Перспективным представляется применение в народном хозяйстве Украины технологии добычи и использования свалочного газа в энергетических целях.

В среднем на одного жителя Украины приходится 0,8-1,0 кг ТБО в сутки. Города Украины производят 40 млн. м³ (10 млн. т) ТБО в год. Около 90% их собирается и вывозится на 656 свалок, расположенных в 10-20 км и более от городов [20]. По оценке потенциала свалочного газа в Украине выход его равен 1,35 млрд. м³/год. Его энергетический потенциал - 0,9 млн. т у.т./год. При этом потенциал снижения выбросов парниковых газов со свалок составит 557 тыс.т/год метана, что эквивалентно снижению выбросов 11,7 млн.т/год углекислого газа [21]. Из-за достаточно низких тарифов на электроэнергию наиболее рентабельным будет использование свалочного газа для нужд промышленности, расположенной в непосредственной близости (5-10 км) от свалки (биогаз с обуховской свалки - котлы трипольской ГРЭС; биогаз с харьковских свалок - Змиевская ГРЭС).

3.4 Переработка твердых бытовых отходов на энергетических установках Украины

3.4.1 Прямое сжигание ТБО на заводе «Энергия»

Проблемы переработки ТБО очень актуальны для Украины. Одним из способов использования ТБО является их сжигание в энергетических установках с целью выработки тепла и электроэнергии. При переработке ТБО на мусоросжигающей установке (рис.9) завода «Энергия» (г. Киев) применяется метод прямого сжигания отходов с целью дальнейшего получения пара давлением 1,27 МПа, температурой 250^оС и производительностью 45 т/ч, идущего на бытовые нужды коммунального хозяйства.

Бытовые отходы из бункера отходов загружаются в загрузочную воронку, откуда толкателем направляются на колосниковую решетку, где и происходит сжигание отходов с дальнейшим удалением шлака.

Сжигание отходов осуществляется при помощи двух горелок (I I) “ SACKE” с регулированием расхода газа задатчиком от 50 до 600 нм³/ч. В зимнее время влажность ТБО более высокая и, поэтому дополнительно подводится тепло от 2 горелок (I) с расходом 1000 нм³/ч. Горелки (I I I) - стабилизирующие и работают с расходом газа 160 нм³/ч в зависимости от состояния мусора (летом - очень редко, а зимой - практически постоянно). Тепло отходящих газов используется в котле - утилизаторе для получения пара. При избыточном производстве пара последний накапливается в установке конденсаторов избыточного пара. Отработанные дымовые газы через дымовую трубу выбрасываются в окружающую среду. Калорийность мусора (в зависимости от состава) равна 1100 - 2400 ккал/кг.

Аналогичные заводы установлены в г.г. Харьков, Севастополь, Днепропетровск. Но по разным причинам не работают.

3.4.2 Перспективы переработки ТБО г. Коктебель

В настоящее время очень актуальной проблемой является переработка бытовых отходов курортных городов.

ГНПП «НИЦА» НПК «Киевский институт автоматики» предлагается следующая схема переработки ТБО г. Коктебель (рис.10): бытовые отходы со склада поступают на измельчитель отходов, откуда шнековым транспортером подаются в бункер сушки измельченных отходов. Сушка производится восходящим потоком дымовых газов. Из бункера измельченные отходы поступают во вращающуюся печь, где происходит их прямое сжигание. Образующиеся дымовые газы направляются в контактный теплообменник (абсорбер), где происходит утилизация тепла и очистка дымовых газов и нагрев поступающей в теплообменник холодной воды. Образующаяся при сжигании ТБО зола поступает в бункер золы, а затем на захоронение. Нагретая вода используется для бытовых нужд. Отработанные газы дымососом удаляются в окружающую среду через дымовую трубу.

Рис.9. Аксонометрический вид мусоросжигательной установки: 1- разгрузочное помещение; 2-бункер отходов; 3-мостовой грейферный кран; 4- загрузочная воронка; 5-подающее устройство (толкатель); 6-колосниковая решетка; 7-шлакоудалитель; 8-бункер шлака; 9-дутьевой вентилятор; 10-вторичное дутье; 11-котел-утилизатор; 12-станции гидропривода; 13-электростатические пылеуловители; 14-транспортер летучей золы; 15-дымосос; 16- дымовая труба; 17-установка конденсаторов избыточного пара; 18-установка подогрева F-X 250^oC;

Газовые горелки:I -рабочие (2х1000нм³/ч); II - средние (2х600нм³/ч); II - стабилизирующие (2х160нм³/ч).

Рис. 10. Структурная схема установки для сжигания ТБО

3.5 Очистка сточных вод от загрязнений на Бортнической станции аэрации

По энергопотреблению Бортническая станция аэрации (БСА) занимает одно из первых мест в г. Киеве.

Биохимический метод очистки сточных вод, применяемый на БСА, вследствие значительных затрат на строительство и устройство очистных сооружений является дорогим, однако по универсальности и глубине очистки от органических загрязнений, по расходам на эксплуатацию с этим методом очистки не могут конкурировать никакие другие методы.

На рис. 11 показана упрощенная технологическая схема биологической очистки сточных вод от загрязнений (не показаны устройства механической очистки, решетки и песколовки).

При очистке сточных вод наибольшие трудности возникают при обработке, утилизации и уничтожении ила - побочного продукта технологического процесса. После механической очистки сточные воды проходят через первичный отстойник, поступают в аэротенк, где осуществляется основная очистка от органических загрязнений. Для этого в аэротенки насосами подается активный ил и воздух воздуходувками. После вторичного отстойника очищенная до требуемого качества вода сбрасывается в водоемы. Сырой ил подлежит брожению в метантенках, где выделяется биогаз, используемый на нужды котельной.

Для обработки отложений на БСА применяется следующее оборудование: илоуплотнители, метантенки, газгольдеры, центропрессы, песковые и иловые площадки.

По данным за 2001 г. работа БСА характеризовалась следующими показателями:

·   1400,0 тыс. м³ сточных вод в сутки на очистку (при проектной мощности - 1800 тыс. м³/сут);

·   эффект очистки: поступающие стоки - 218 мг/л, после очистки - 11,4 мг/л (94,8% по взвешенным частицам);

·   по БСК₅ - 96,4% (поступающие стоки 135,1 мг О₂/л, после биологической очистки - 4,8 мгО₂/л).

Себестоимость очистки 1000 м³ сточных вод - 65,93 грн.

Расход электроэнергии - 172352,6 тыс. кВт·ч.

Удельный расход электроэнергии - 361,07 кВт·ч/м³.

За 1997 г. на метантенках обработано 890820 м³ сырых отложений и получено 8105800 м³ биогаза с калорийностью 5493 ккал/м³. Котельной израсходовано 8101725 м³ биогаза и 4690000 м³ природного газа и выработано 109128 т пара.

Отчетные данные работы БСА показывают, что на протяжении года имеет место отклонение от среднесуточных значений: количества сточных вод , поступающих на очистку 33% (независимый параметр), расхода воздуха на 43%, периода аэрации на 84%, дозы активного ила на 41%, снятой БПК₅ - 45%, концентрации растворенного кислорода - 99%. Следует подчеркнуть что приведенные отклонения не совпадают по времени.

Одним из обобщенных показателей качества очистки сточных вод является концентрация растворенного кислорода на выходе аэротенка. Приведенные выше отклонения концентрации растворенного кислорода свидетельствуют о том, что в аэротенки подается излишний воздух, устранение которого снижает расход электроэнергии, т.е. является источником энергосбережения.

3.5.1 Проблемы энергосбережения Бортнической станции аэрации

Основными причинами, вызывающими неудовлетворительную работу очистного комплекса являются: неоптимальное распределение жидкости, циркулирующего ила, воздуха, пара и газа между работающими установками; несвоевременное снятие остатков с решеток и неполное устранение отложений с песколовок, первичных отстойников; периодическое откачивание излишек ила; отсутствие контроля уровня ила во вторичных отстойниках, уплотнителях; резкое изменение температуры и недостаточное перемешивание осадка в метантенке. Наличие таких приборов как измеритель растворенного кислорода в сточных и природных водах, измеритель уровня ила и осадка в отстойниках, а также прозрачности воды, позволяет реализовать локальные системы управления сбросом очищенных вод, предотвращающими от "проскока" в водоемы неочищенных стоков.

Обследование БСА показало недостатки существующей технологии:

·   отсутствует точное распределение сточных вод, подлежащих очищению, по параллельно работающим аэротенкам. Это приводит к тому, что соотношение «сточная вода - воздух - активный ил» в расположенных рядом аэротенках отличается, что влияет на процессы биохимического очищения сточных вод (концентрации остаточного загрязнения и ила в жидкости, вытекающей из аэротенка, имеют разное значение).

·   перед поступлением жидкости из аэротенков во вторичные отстойники не происходит ее усреднение. Это явление приводит к разным значениям концентрации активного и излишнего ила для разных вторичных отстойников;

·   обратный ил, который поступает из вторичных отстойников в нижний и верхний иловые каналы перемешивается слабо, т.е. не осуществляется усреднение концентрации.

·   таким образом в системе аэротенки - вторичные отстойники имеют место внутренние возмущения, которые вызываются несовершенством технологического оборудования и почти полным отсутствием автоматизации.

Реализация современной системы автоматического регулирования соотношения «сточная - вода - воздух - активный ил устраняет такие указанные недостатки и гарантирует от проскоков в водоемы очищенных вод не удовлетворяющих санитарным нормам.

С точки зрения энергосбережения большой интерес представляют процессы, происходящие в аэротенках и метантенках.

Известно, что в аэротенках происходит окисление активным илом многих органических добавок и некоторых неорганических добавок сточных вод в условиях аэробиоза. Для микроорганизмов активного ила источником кислорода является дутьевой воздух, с помощью которого поддерживается соотношение микроорганизмы - кислород. Поэтому одним из источников энергосбережения является плавное управление производительностью воздуходувок и иловых насосов.

Воздух, подаваемый воздуходувками через воздухопроводы, расположенные на дне аэротенков, проходит в виде пузырьков через слой стоков. Время контакта пузырьков со стоками составляет 13 секунд, а для поглощения всего кислорода пузырьков необходимо около 2-3 минут. Поэтому, для обеспечения необходимой концентрации кислорода в аэротенках через сточные воды пропускают повышенное количество воздуха, излишек которого требует дополнительной электроэнергии. Наиболее рационально для автоматического регулирования соотношения «сточная вода - воздух» использовать частотно-регулирующие приводы (ЧРП) на насосах, подающих воздух и активный ил в аэротенки, чтобы обеспечить стабилизацию соотношения «сточная вода - воздух - активный ил».

Для ускорения биохимических реакций взаимодействующих сред необходимо их интенсивное перемешивание. По этой причине биохимические реакторы вместе с приводами имеют высокую металло- и энергоемкость.

В настоящее время за рубежом и в Украине предлагаются высокопродуктивные малогабаритные реакторы непрерывного действия, в основе которых используется явление кавитации. Кавитационный реактор обеспечивает контакт реагирующих веществ на молекулярном уровне, что существенно ускоряет химические реакции (завершаются практически в любом элементарном объеме смеси). Если испытания кавитационных реакторов на очистных сооружениях подтвердят их работоспособность, то отпадет необходимость использования воздуходувок и сооружения громоздких аэротенков.

Большой интерес с энергетической точки зрения представляет процесс получения биогаза в метантенках и его дальнейшее использование. В настоящее время на БСА эксплуатируется 3 - 4 метантенка (из 8 существующих).

Предварительный анализ показывает, что при нормальной эксплуатации очистных сооружений и метантенков биогаз калорийностью 5600-5800 ккал/м³ возможно получать в количестве, необходимом для обеспечения нужд котельной (при условии ее модернизации и автоматизации), что позволит отказаться от использования природного газа (частично или полностью) и вырабатывать добавочную электроэнергию, например, за счет газодизельной электростанции. Резерв для получения биогаза на БСА - использование около 40% сырых осадков, отправляемых на иловые площадки. Для автоматизации метантенков необходимо установить измерители расходов сырого ила, вырабатываемого биогаза, регулировать температуру и уровень бродильной массы.

При суточном потреблении 400 тыс. кВт.ч электроэнергии при производстве газогенераторами тепловой и электрической энергии на собственные нужды возможно экономить половину потребляемой электроэнергии (11 млн. грн.) и производить до 80 тыс. Гкал в час тепловой энергии, что полностью покроет потребности станции аэрации в отоплении и обеспечении горячей водой, а это еще плюс 2 млн. грн. ежегодной экономии. При этом, ожидаемый экономический эффект (по объемам затрат) «Киевводоканала» составит 16,5 млн. грн. в год

3.5.2 Автоматизация технологических процессов на БСА

Уровень автоматизации технологических процессов и диспетчеризации является определяющим фактором повышения экономических показателей работы любого предприятия. Поэтому внедрение автоматизированных систем управления технологическими процессами на очистных станциях очень актуальная проблема в настоящее время.

Предлагаемая диспетчерская система (рис.12) включает в себя два уровня автоматизации:

·   нижний - локальные системы на базе программируемых контроллеров, обеспечивающих автоматический контроль и регулирование технологических параметров очистки сточных вод;

·   верхний- диспетчерская станция, осуществляющая контроль работы очистных сооружений, а именно:

· расходов сточных вод, поступающих на очистку;

· расходов электроэнергии, пара, газа, горячей воды;

· автоматизированный контроль и регулирование уровней и температур сред в очистных сооруженях;

· дистанционное управление агрегатами очистки сточных вод и др.

Диспетчерская аппаратура позволяет максимально повысить качество контроля и управления процессом, иметь обобщенную информацию о работе очистных сооружений, уменьшая вероятность появления ошибок субъективного характера.

Нижний уровень автоматизации позволит осуществить:

· связь программирующих контроллеров с аппаратурой КИПиА, установленной по месту;

· выполнение запрограммированных задач управления, например, непрерывными и периодическими технологическими процессами, электродвигателями, блокировками;

· обеспечение связи «диспетчер-система» при отказе диспетчерской аппаратуры и т.п.

Использование предлагаемой диспетчерской системы управления позволяет создать на базе собранной информации математическую модель процесса очистки сточных вод и тем самым перейти к оптимальному управлению по критерию минимума себестоимости очистки единицы объема сточных вод.

Выводы и рекомендации

Потенциал биомассы для энергетического использования составляет 5% от общего потребления первичных энергоносителей в Украине. По структуре потенциала для получения энергии Украина близка к одному из европейских лидеров в этой области - Дании.

Наиболее перспективными технологиями для коммерческого использования биомассы в Украине являются:

·   котлы для сжигания древесных отходов и газификационные установки по их переработке, установленные непосредственно на предприятиях деревообрабатывающей промышленности с целью выработки тепла (от 0,5 до 5,0 МВт_т);

·   соломосжигающие установки фермерского типа для выработки тепла (0,1- 1,0 МВт_т), тепловые станции (1 - 10 МВт_т) и станции КТЭ (1 - 10 МВт_э);

·   биогазовые установки, установленные на крупных свиноводческих фермах и фермах крупного рогатого скота;

·   установки абляционного пиролиза для использования в составе транспортных установок (производительностью 50 - 200 кг/ч);

·   установки быстрого пиролиза в двух реакторах кипящего слоя для использования в составе стационарных установок (производительностью по сырью 1 - 5 т/ч);

·   установки биологической очистки сточных вод от загрязнений.

С экономической точки зрения определяющим фактором повышения эффективности технологических процессов переработки биомассы является уровень их автоматизации. Применение автоматизированных систем управления позволит перейти на качественно новый уровень управления процессами, что позволит создать математическую модель процессов переработки биомассы и перейти к оптимальному управлению по критерию минимума себестоимости конечного продукта производства.

Список литературы

1. Hall D.O., House J. Biomass as a Modern Fuel // Environmental Impacts of Bioenergy. IEA Bioenergy Agreement Seminar, September 1993, Shekkersten, Denmark, p.81-114.

2. Перспективы использования в Украине современных технологий термохимической газификации и пиролиза биомассы /Г.Г. Гелетуха, Т.А. Железная, И.И. Борисов, А.А. Халатов // Пром. теплотехника. - 1997 - Т.19, №4-5 - с. 115-120.

3. Dominioni F.C. The White Paper // Renewable Energy J. -1997.-N7.-p. 7-10.

4. Obernberger I. Decentralized Biomass Combustion. State of the Art and Future Development // Biomass and Bioenergy. - 1998. -Vol.14, N1. - p.33-56.

5. Обзор современных технологий сжигания древесины с целью выработки тепла и электроэнергии. Часть 1/ Г.Г., Гелетуха, Т.А. Железная, //Экотехнологии и ресурсозбережение. - 1999. - №5. - с.3-12.

6. Обзор технологий сжигания соломы с целью выработки тепла и электроэнергии./ Г.Г. Гелетуха, Т.А. Железная.// Экотехнологии и ресурсозбережение - 1998.-№6.-С.3-11.

7. Обзор технологий газификации биомассы. Г.Г. Гелетуха, Т.А. Желуная. Экотехнологии и ресурсозбережение. -1998.- №2.-С.21-29.

8. Обзор технологий генерирования электроэнергии, полученной из биомассы при ее газификации. / Г.Г. Гелетуха, Т.А. Железная. Экотехнологии и ресурсозбережение. -1998.-№3.- С.3-11.

9. Обзор современных технологий получения жидкого топлива из биомассы быстрым пиролизом. Часть 1./ Г.Г. Гелетуха, Т.А. Железная. //Экотехнологии и ресурсозбережение. 2000.-№2.-С.3-10.

. Обзор современных технологий получения жидкого топлива из биомассы быстрым пиролизом. Часть 2/ Г.Г. Гелетуха, Т.А. Железная. //Экотехнологии и ресурсозбережение. 2000.-№3.-С.3-11.

7. Ринок інсталяційний. 5.1998. С.26-27

8. Биомасса как источник энергии./ Под ред. С. Соуфера, О. Заборски.- М.:Мир,1985.- 368С.

9. Korpіlahti A. Successful Development in the Production of Wood Fuel // Bioenergia.-1996.-N2. - p.9-11.

10.Christiansen R. Combustion of Bio - fuels for the Production of Heat and Power // Proc. of the Europ. Seminar BIOWATT, Milan, Italy, 4-5 Oct., 1993. - Milan, 1993.-p.531-556.

11.Nikolaisen L., Nielsen C., Larsen M.G. Straw for Energy Production. Technology - Environment - Economy - Aarhus: EN-TRYK 1992 - 46p.

12.J. van Doorn, Bruyn P., Vermeij P. Combined, Combustion of Biomass, Municipal Sewage Sludge and Coal in an Atmospheric Fluidised Bed Installation // Proc. of the 9^th Europ. Bioenergy Conf., Copenhagen, Denmark, 24 - 27 june, 1996. - Pergamon, 1996. - Vol.2.- p.1007-1012.

13.Brown M.D., Baker E.G. Mudge L.K., Evaluation of Processes for Removal of Particulates Tars, and Oils from Biomass Gasifier Product Gases // Proc. of 10^th Conf. Energy from Biomass and Wastes, Chicago, 1987. - Chicago, 1987.- p.655-675.

14.Bridgwater A.V. The Technical and Economic Feasibility of Biomass Gasification for Power Generation // Fuel.-1995 - Vol. 74, N5. - p.631-653.

15.Gendedien A. The Global Concept of Landfill gas Exploitation - Brussels: ECSC - EEC-EAEC, 1992 - 29p.

16.Сигал И.Я., Кирилюк Н.И., Домбровская Э.П., Проблема мусоросжигания в Украине // Экотехнологии и ресурссбережение. - 1997 - №1 C.64-68.

17.Обзор технологии добычи и использования биогаза на свалках и полигонах твердых бытовых отходов и перспективы их развития в Украине./ Г.Г. Гелетуха, З.А. Марценюк // Экология и ресурсосбережение - 1999. - №4. - C.7-14.