пятница, 23 мая 2014 г.

ОПИСАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА ГЕНЕРАТОРНОГО (СИНТЕЗ) ГАЗА ИЗ БИОЛОГИЧЕСКИХ ВИДОВ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА И УГЛЕРОДСОДЕРЖАЩИХ ОТХОДОВ

СУТЬ ПРЕДЛАГАЕМЫХ РЕШЕНИЙ
Газификация твердого топлива - это его высокотемпературное (1200-1500 К) превращение в газообразные вещества (СО, Н2, СН4, СО2, Н2О) при взаимодействии с кислородом (воздухом) и водяным паром с недостатком окислителя. Состав и калорийность газа варьируется в зависимости от вида твердого топлива и характеристик окислителя.
Калорийность генераторного газа, получаемого при использовании воздушного дутья, составляет 1000 - 1600 ккал/м3, а при обогащении дутья кислородом может достигать 2600 ккал/м3. Состав и характеристики получаемого газа отличаются от природного, поэтому при переходе на использование нового вида топлива необходимо заменить горелочные устройства.
Лучшим решением является использование горелок, обеспечивающих возможность работы как на генераторном, так и на природном газе.

Газогенератор периодического действия (далее по тексту ГПД) «Теплоэнергогаз».

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ
Газогенератор ГПД «Теплоэнергогаз» разработан для газификации высокореакционных топлив. Используемая технология - обращенный процесс газификации. Применение обращенного процесса позволяет получить газ с минимальным содержанием смол, что облегчает его очистку и использование в технологических процессах.
Технология газификации использована при переработке биотолива и отходов с высоким содержанием летучих.
Работа генератора понятна из принципиальной схемы агрегата, которая представлена на рис.1.
1
Рисунок 1. Принципиальная схема газогенератора периодического действия

Генератор заполняется топливом. Верхний слой топлива разогревается за счет электрического нагрева до температуры самовоспламенения. Затем в генератор снизу подается воздух. В результате реакционный слой разогревается и начинается процесс газификации. В ходе работы генератора реагирующий слой перемещается вниз, а над ним образуется слой коксо-зольного остатка, в котором происходит дополнительная очистка газа.
Организация работы генератора с низкими скоростями движения газов во внутреннем пространстве обеспечивает длительное время пребывания продуктов газификации в зоне высоких температур и малый вынос зольных частиц.
Время работы генератора на одной загрузке при использовании подготовленных топлив - не менее 9 часов.
При завершении процесса подача воздуха прекращается, генератор охлаждается, производится выгрузка коксо-зольного остатка и рабочий цикл повторяется.
Эксплуатация комплекса установленной мощностью 2 МВт по генераторному газу (рис.2) подтвердила надежность оборудования и его высокие экономические показатели. Автоматическая система контроля позволяет отслеживать все важные события при работе комплекса, оперативно управлять технологическим процессом и сохранять значения важных параметров (рис.3.). Данный комплекс состоит из трех однотипных газогенераторов, попеременная работа которых обеспечивает эксплуатацию остального оборудования комплекса в непрерывном режиме.
Полученный газ подвергается охлаждению, очистке и может быть использован в энергетических агрегатах. При этом экологические показатели при его использовании соответствуют эмиссии загрязняющих веществ при работе энергетических агрегатов на природном газе.

Уникальны энергетические показатели газогенератора.

Если тепловую энергию топлива, загруженного в газогенератор принять за 100%, то при газификации она распределится следующим образом:

  • 75% - будет получено в виде генераторного газа с теплотой сгорания от 1250 до 1550 ккал/м3;

  • 10% - будет преобразовано в тепловую энергию в виде горячей воды в рубашке охлаждения комплекса;

  • 10…12% - будет получено в виде энергетического ресурса коксового остатка исходного топлива.
При этом уникальным является то, что удельные энергетические показатели коксового остатка превышают аналогичные характеристики исходного топлива (см. сертификаты остатка газификации – рис.4, 5);

  • 3…5% - потери в окружающую среду.
2
Рисунок 2. Действующий комплекс газификации биосырья мощностью 2 МВт.

3
Рисунок 3. Мнемосхема комплекса производства и использования генераторного газа.

4
Рисунок 4. Коксовый остаток газификации древесных пеллет.

5
Рисунок 5. Коксовый остаток газификации пеллет из шелухи подсолнечника.

Таким образом, при использовании всех ресурсов, образующихся при работе газогенераторов серии ГПД эффективность комплекса, использующего генераторный газ ни в чем не уступает его показателям при работе на природном газе.

Газогенераторы ГПД - агрегаты периодического действия, в которых реализован обращенный процесс газификации, обеспечивающий выработку генераторного газа с минимально возможной для процесса газогенерации содержанием смол в газе – не более 0,1 г/м3.

Отсутствие вращающихся и движущихся частей в газификаторе делает его работу чрезвычайно надежной, а водяная система охлаждения обеспечивает длительный ресурс эксплуатации, установленный для основного типоряда газогенераторов, сроком на пять лет.

ВАЖНО: Экологические показатели оборудования при переводе с использования природного газа на сжигание газа, полученного из твердого топлива, не ухудшаются. Горелочные устройства, эксплуатирующиеся на генераторном газе, обеспечивают выполнение экологических нормативов, применяемых для установок использующих природный газ.

Газогенераторы ГПД - установки периодического действия, поэтому для обеспечения непрерывной подачи генераторного газа рекомендуемое количество газогенераторов – не менее 3-х. В случае, когда газ используется периодически, устанавливается один генератор, длительность работы которого рассчитывается из потребностей производства.
Газогенераторы ГПД изготавливаются под индивидуальные запросы заказчика, учитывающие мощность установки, вид топлива и периодичность загрузки.
В результате работы комплекса:

  • происходит преобразование твердого топлива в генераторный газ с образованием коксо-зольного остатка. При работе на высококачественном низкозольном топливе (биомасса, пеллеты и брикеты из биомассы) образуется остаток аналогичный древесному углю с зольностью от 10 до 30%;

  • вырабатывается тепловая энергия в виде горячей воды. Мощность газогенераторов как источника тепловой энергии – 10% от установленной мощности комплекса по произведенному газу.
Полученный в качестве зольного остатка продукт, в большинстве случаев в зависимости от вида твердого топлива, имеет более высокую стоимость чем исходное топливо и может классифицироваться, в каждом конкретном случае, как полукокс, активированный уголь, бездымное топливо, коагулянт и пр.

Данная технология безотходна и может быть применена для утилизации подготовленных содержащих производные углеводородов отходов.

Таблица 1. Состав и энергетические показатели генераторного газа зависят от исходного топлива и режима эксплуатации, изменяясь в пределах:
t1

Широкие пределы изменения состава газа и его теплоты сгорания определяются свойствами твердых топлив, используемых для газификации. На номинальном режиме показатели соответствуют верхним значениям, в стартовом режиме и на малых расходах (менее 50% от номинального режима) – нижним значениям.
Цифровые данные в маркировке обозначают диаметр и высоту реактора газификатора. Технические характеристики газогенераторов серии ГПД представлены в таблицах 2.

Таблица 2. Мощность и показатели на разных видах топлива для модели диаметром реактора 0,75 м (список видов топлива НЕПОЛНЫЙ)
t2

ОТВЕТЫ НА ЧАСТО ВОЗНИКАЮЩИЕ ВОПРОСЫ

1. Состав и калорийность получаемого генераторного газа
Генераторный газ – готовая газовоздушная смесь, получаемая при газификации твердых топлив. Он состоит из горючих компонент СО (12…30%), Н2 (10…25%), СН4(0,5…5%) и балласта – N2 (35…55%), CO2 (8…15%), H2O (2…20%).
В зависимости от используемого топлива (см.п.2) и применяемых технологических решений низшая теплота сгорания генераторного газа, производимого в газификаторах «Теплоэнергогаз» может составлять 1000…1600 ккал/м3 (4,2 …6,7 МДж/м3).
Для сжигания природного газа необходимо около 9 частей воздуха для образования газовоздушной смеси после горелки, а для генераторного газа 1,6 частей воздуха.

2. На каком топливе может работать газификатор
Слоевые газификаторы ГПД периодического действия разработаны для газификации бурого угля, но могут использоваться также для получения генераторного газа из лигнита, газовых углей, пеллет и гранул из торфа, подсолнечной шелухи, древесины и т.д. По желанию заказчика могут быть проведены исследования по газификации другого сырья. Как пример можно привести успешные опыты по газификации опилок, рисовой шелухи и гранул из куриного помета.
Газификаторы ГНД непрерывного действия разработаны для газификации сортовых антрацитов.

3. В каких технологиях возможно применение генераторного газа
Генераторный газ, получаемый в газификаторах ГПД может быть использован в теплогенераторах, промышленных печах, сушилах, котлах – везде, где в качестве топлива применяется природный газ. Современные разработки сделали возможным использование генераторного газа как моторного топлива для поршневых машин. Создана серия когенерационных комплексов по производству тепловой и электрической энергии с использованием газификаторов и двигателей внутреннего сгорания. Первые такие установки проработали уже более 5 лет.

4. Нужна ли замена горелок для использования генераторного газа
Да, для перевода любого агрегата с использования природного газа на генераторный замена горелок обязательна. Генераторный газ низкокалорийный, поэтому для сохранения мощности агрегата в него необходимо подать эквивалентное по теплоте сгорания количество генераторного газа.
Например, если низшая теплота сгорания природного газа составляет 8000 ккал/м3, а генераторного 1200 ккал/м3, то для замещения 1 м3 природного газа понадобится 6,8 м3 генераторного газа.

5. После перевода на использование генераторного газа остается ли возможность использовать природный газ
Да. Наша компания устанавливает горелочные устройства, которые могут работать как на природном, так и на генераторном газе, а также при их одновременной подаче в любом соотношении. При разработке системы автоматики управления технологическим агрегатом, использующим генераторный газ, мы учитываем возможность автоматического перехода с одного вида топлива на другой без нарушения технологического регламента работы агрегата.
Например, пуск и выход на рабочий режим - на природном газе, после выхода на рабочий режим - переход на использование генераторного газа.

6. Как изменится режим работы теплового агрегата при переходе на использование генераторного газа
Важно учитывать, что при замещении природного газа генераторным, гидравлический режим работы теплового агрегата существенно не изменяется. Это объясняется тем, что для сжигания 1м3 природного газа необходимо подать в горелку около 9 м3 воздуха, а для полного сжигания 1м3 генераторного газа – от 0,8 до 1,6 м3 воздуха (в зависимости от исходного топлива – см.п.1.). Таким образом суммарный объем продуктов сгорания остается практически неизменным.

7. Какие вредные выбросы при работе газогенератора
При работе газогенератора образовывается генераторный газ (см.п.1), но это не выбросы – это целевой продукт. Произведенный газ подается на сжигание в технологический агрегат (см. п.3), в котором сжигается с применением специализированных горелок (см. п.4), разработанных для сжигания низкокалорийного газа.
При работе на генераторном газе выбросы от технологического агрегата (котла, печи и т.п.) не увеличиваются. Генераторный газ, как и природный сжигается без остатка. Вредные выбросы при его сжигании те же, что и при сжигании природного газа – СО и NOx, но их концентрация при работе на генераторном газе обычно ниже, чем при работе на природном.
Особенностью газогенераторов ГПД является то, что в процессе газификации твердое топливо дожигается не до золы. Остаток, это также продукт, на который имеется стабильный потребительский спрос. При газификации бурого угля остаток (10…12% от массы загрузки) – полукокс, при газификации пеллет из шелухи подсолнечника - остаток (коло 10% от массы загрузки) – аналог древесного угля.
Для экологов предприятий можно резюмировать, что при переходе на использование газогенераторов выбросы СО и NOx, уменьшатся, при этом появятся специфические выбросы, характерные для технологий, связанных с твердыми материалами – пыль. Пыль образуется при погрузочно-разгрузочных работах и для того, чтобы уменьшить ее попадание в атмосферу в проектах закладывается аспирационное оборудование.

8. КПД использования топлива в газогенераторах ГПД
В процессе работы газогенераторов энергия твердого топлива расходуется на;
- получение генераторного газа - 65%;
- нагрев воды в рубашке охлаждения – 20%;
- химическое преобразование остатка твердого топлива – 10%;
- прямые потери – 5%.
Соотношение между приведенными выше составляющими при использовании разных видов топлив колеблется, но средние показатели именно такие, а прямые потери не превышают 7%.

9. Как лучше использовать газогенераторы ГПД
Газогенераторы ГПД - установки периодического действия. По желанию заказчик они могут быть рассчитаны на непрерывную работу длительностью от 8 до 24 часов.
Предполагается следующий режим эксплуатации:
- загрузка - до 30 минут
- пуск – до 30 минут
- рабочий режим – исходя из конструкции газогенератора – от 8 до 24 часов
- охлаждение остатка твердого топлива – не менее 6 часов
- выгрузка остатка.
Таким образом, для предприятий, работающих в односменном режиме достаточно установки одного газификатора, обеспечивающего нужды предприятия в газообразном топливе и горячей (до 95°С) воде.
Для предприятий непрерывного цикла необходима батарея газификаторов, обеспечивающих непрерывную подачу необходимого количества газа в агрегаты.

10. Насколько надежны газогенераторы ГПД
Это безотказное оборудование. Для получения генераторного газа в газогенераторе непрерывно работает только один агрегат – вентилятор. Надежность таких устройств общеизвестна. Конструкция газогенератора исключает перегрев металлических частей и износ основных элементов, поэтому в процессе рабочего цикла аварийные режимы исключены.

11. Известная проблема, связанная с производством генераторного газа – образование смолы
В газогенераторах ГПД реализован обращенный процесс газификации. Этот процесс характеризуется минимальным образованием смол – около 0,1 г/м3. Так как объем смол невелик возможно подмешивание его к исходному топливу и подача на повторную газификацию. Накопление смол во вновь образующемся газе не происходит, поскольку смолы разлагаются в зоне горения газификатора без остатка