1. Методы сжигания и газификации обычных топлив

В текущее время к обычным органическим топливам относят газ, мазут, каменные и бурые угли, горючие сланцы, торф. Нестандартными топливами являются биомассы растительного и животного происхождения, в том числе отходы переработки органического сырья.

Классическими способами сжигания жестких топлив являются слоевое, факельно-слоевое и факельное сжигание в котлах. При всем этом крупность помола частиц и недожег поочередно уменьшаются, а интенсивность горения возрастает [7].

При слоевом сжигании твердого горючего кусочки размером до нескольких см подаются на решетку, продуваемую воздухом. Достоинство слоевого сжигания — простота подготовки и подачи горючего. Недочет способа — низкая паропроизводительность.

Разработка факельного сжигания горючего интенсивно развивалась в 50-е годы прошедшего века. Помол горючего делается до размера частиц в несколько микрон, и пылевоздушная смесь подается в горелки. Главные плюсы факельного сжигания [7]: возможность сжигания хоть какого вида горючего с высочайшим КПД; высочайшая мощность котлоагрегатов; и др. Недочеты факельного сжигания: хим и механический недожег (в совокупы до 15-25%); непростой процесс подготовки горючего; высочайшая степень выбросов летучей золы, оксидов серы и азота. Как при слоевом, так и при порошкообразном сжигании горючего температуры в топке добиваются 900-2000ОС и выше, также предусмотрена дополнительная подача воздуха фурмами второго и третьего ярусов для белоснежнее полного выгорания горючего.

Топки с кипящим (псевдоожиженным) слоем занимают среднее положение меж слоевыми и факельными топками. Эта разработка начала развиваться в 60-е годы прошедшего века. Частички горючего размером в несколько мм подаются на решетку, на которую снизу подводится воздух. При определенной скорости воздуха слой взвешенных жестких частиц в восходящем потоке воздуха приобретает характеристики воды (вязкость, текучесть, поверхностное натяжение). Разновидности кипящего слоя — стационарный, циркулирующий, с безмазутным плазменным воспламенением угольной пыли. Плюсы кипящего слоя: высочайший коэффициент теплопередачи; компактность топочного устройства; низкие температуры сгорания (около 850ОС), которые содействуют понижению выбросов оксидов азота; возможность действенного сероулавливания с применением маленького количества известняка в консистенции с топливом; возможность сжигания низкореакционных углей.

Сжигание угля в кипящем слое происходит в два шага: газификация и дожигание. Газификация топлив [4,14] — создание генераторных газов из углей, мазута, сланцев, торфа, и др. Наличие окислителя при газификации топлив рассматривается как непременное условие. Коэффициент излишка воздуха при сжигании горючего α = 1,02 ÷ 1,2, а при газификации горючего α ≅ 0,5. Для дожигания горючего предусмотрена дополнительная подача воздуха.Сжигание угля в установках с кипящим слоем относят к низкотемпературной газификации углей. Вместе с этим в ближайшее время развиваются способы высокотемпературной газификации [17], когда нижняя часть топки котла представляет собой камеру аэрошлакового расплава, в которую ниже уровня водянистого шлака подается пылевоздушная смесь. Температура в камере расплава выше температуры плавления угольного шлака (1400-1500ОС). Основное достоинство высокотемпературной газификации — жидкое шлакоудаление сопровождается низким выходом летучей золы и открывает широкие способности переработки шлака, недочет же состоит в том, что для поддержания высочайшей температуры шлакового расплава нужна подмена части воздуха, подаваемого в камеру расплава, на незапятнанный кислород.

С начала ХХ века временами проводились опыты по подземной газификации углей [9]. Закачивая в угольные пласты воздух под давлением в несколько атмосфер, на выходе получают газ, главным горючим компонентом которого является СО. Удельная теплота сгорания получаемого газа, составляет от 2 до 8 Мдж/м3, в то время как теплота сгорания природного газа, главным компонентом которого является метан, около 40 Мдж/м3 .

Топочные устройства на газомазутном горючем многообразны и поболее маневренны. При сжигании природного газа очень маленький выход оксидов азота, но, происходит образование оксида ванадия V2O5, который являются коррозионно активным. При сжигании сернистого мазута резко увеличивается выход оксидов серы. Жидкое горючее также может быть газифицировано при недочете кислорода для полного окисления углеводородного сырья.

Методы утилизации биомасс. Газификация биомасс

Биомассы — это твердые и водянистые углеводородосодержащие бытовые и промышленные отходы, также специиально производимые продукты (дрова, древесная порода быстрорастущих кустарников).

Энергетический потенциал биомасс громаден. Один человек в день производит 0,5-3 кг бытовых и промышленных отходов, из которых можно получить 0,00125-0,5 м3 биогаза [5,6,15]. Количество получаемого биогаза находится в зависимости от вида отходов и от технологии их переработки. Но при переработке биомасс в текущее время на 1-ый план выступают не вопросы использования их энергетического потенциала, а вопросы утилизации. Классические методы утилизации биомасс: захоронение на полигонах; прямое сжигание без утилизации и с утилизацией тепла; сушка, брикетирование; внедрение в качестве удобрений; добавки в корм скоту; переработка с целью получения твердого и водянистого горючего; переработка с целью получения биогаза. Получение горючего биогаза из биомассы в текущее время создают методом ферментации, сбраживания (аэробного либо анаэробного), сублимации либо пиролиза.

К биомассам должно быть использовано более обширное определение газификации, ежели рассмотренное выше. Газификация биомасс — это получение газа из твердого и водянистого начального сырья. При газификации только часть начального сырья перебегает в газообразную форму, может быть, с конфигурацией хим состава, под воздействием больших температур, катализаторов и других физических, хим и био воздействий.

Ферментация [16,18] — хим или биохимический процесс преобразования биомассы под воздействием ферментов, т.е. биохимических катализаторов, которые могут ускорять процессы как ассимиляции, так и диссимиляции органических соединений. В качестве ферментов употребляются амилазы для расщепления крахмала, протеазы для расщепления белков и т.д. В итоге ферментации появляется горючий газ, содержащий в разных пропорциях СО, СО2, О2, Н2, N2, H2S, Н2О, СН4, CnHm и т.д.

Сбраживание — биохимический процесс, который осуществляется благодаря деятельности живых организмов — грибков, микробов, личинок мух и т.п. [22]. Некие создатели рассматривают сбраживание как разновидность ферментации, когда ферменты имеют биологическую природу. В итоге сбраживания появляется газ, содержащий горючие и негорючие составляющие, в том числе спирты CnH2n+1OH (спиртовое сбраживание). Для протекания процессов ферментации и сбраживания нужно поддержание определенных температуры (20-60ОС) и влажности (до 95%) сырья.

Сублимация (возгонка) [14] — это переход вещества из твердого в газообразное состояние, минуя стадию воды. Происходит при температурах ниже температуры тройной точки. Для сублимации к веществу нужно подвести энергию, именуемую теплотой сублимации. Сублимация представляет собой физический процесс и не сопровождается переменами хим состава.

Пиролиз [5,6] — хим процесс разложения начального сложного соединения на более обыкновенные составляющие под воздействием больших температур (300-850ОС) и в отсутствие окислителя. Пиролиз в присутствии водяных паров именуют гидропиролизом. В итоге пиролиза могут быть выделены твердые, водянистые и газообразные при обычных критериях вещества, согласно обобщенной формуле [5]: БМ + тепло = С (углистое вещество) + смолы + СО + СО2 + Н2 + Н2О + CH4 + CnHm. Газообразные продукты пиролиза представляют газ, содержащий CH4, СО, Н2, QНР = 15-22 МДж/нм3, выход до 70% от массы сухого сырья при высокотемпературном резвом пиролизе. КПД пиролиза составляет 80-90%.

Все рассмотренные процессы получения биогаза из органического сырья можно разбить на стадии: подготовительная подготовка биомасс с внедрением низкопотенциального тепла; получение биогаза; сжигание биогаза и получение высокопотенциальной термический энергии и электроэнергии; утилизация вторичных отходов.

Переработка жестких бытовых отходов

Удельная теплота сгорания мусора составляет 9,5-11,6 МДж/кг, в перспективе до 16 МДж/кг. Городские отходы содержат 50-75% органических веществ. Сжигание ТБО, как и угля, может выполняться слоевым методом, но содержание вредных веществ в уходящих газах после топок с кипящим слоем значительно ниже.

Установки с кипящим слоем, созданные для сжигания ТБО, имеют последующие модификации [10,19,23-29]: с пузырьковым (стационарным) кипящим слоем; с циркулирующим кипящим слоем (с наружной либо внутренней циркуляцией) (ЦКС); с вихревым кипящим слоем. Для сотворения кипящего слоя при сжигании ТБО употребляется жесткий инертный материал, обычно, песок либо галечник. При всем этом скорости воздуха, подающегося на сжигание, поочередно растут от 1,5 до 5 м/с, а теплонапряжение поверхности слоя увеличивается от 2 до 7 МВт/м2. В топках с пузырьковым и циркулирующим кипящим слоем может быть спаливать биомассу только после ее кропотливой подготовки (сепарация, измельчение, гомогенизация). Частички горючего и зола уноса на выходе из топки осаждаются в циклонах и ворачиваются на дожигание в нижнюю часть топки.

Установки для переработки ТБО с вихревым кипящим слоем получили наибольшее распространение с начала 80-х годов. Преимущество таких топок заключается в их возможности спаливать ТБО с малой подготовкой, размельченные до фракций 200-300 мм. Кипящий слой создается воздухом, который подается через скошенную сопловую решетку. Скорость воздуха возрастает по направлению вниз повдоль решетки, что в купе с формой стен топки делает циркуляцию слоя. КПД таких установок составляет 86-99,8%.

Горючий газ дает и захороненный в земле мусор. Пробуренные в местах старенькых полигонов скважины соединяют коллектором из поливинилхлоридных труб. Состав получаемого газа (по данным французских исследователей): 63,4% СН4, 36,5 % СО2, 0,1 % N2. Из 1 т захороненного бытового мусора можно получить 135 м3 биогаза.

Переработка отходов растениеводства

Отходы растениеводства являются раз в год возобновляемыми видами горючего, создание которых превосходит 100 млн. т в год [2,3,8]. Отходы растениеводства сжигают как в плотном слое, так и в кипящем (псевдоожиженном) — стационарном и циркулирующем. Основными недочетами отходов растениеводства как горючего являются переменная влажность (до 17%) и неравномерное псевдоожижение. В то же время, они владеют низкой зольностью — до 3,1%, и высочайшей теплотой сгорания — 9-12,5 МДж/кг. Для сопоставления средняя зольность сжигаемых в текущее время на ТЭС Рф углейсоставляет около 30%, QНР = 25-30 МДж/кг для каменных углей. Для понижения недожега используют золоуловительные устройства типа циклон с возвратом уноса в зону горения. Для понижения неравномерности нагрузки используют газогенераторы с подачей части вырабатываемого биогаза наружному потребителю. В итоге КПД установок по сжиганию растительных отходов в псевдоожиженном слое составляет 72-81% при их мощности 0,2-0,5 МВт (до 1,5 МВт). Для инициализации процесса нужно сжигание растопочного материала (угля). Кипящий слой создается конкретно в главном сжигаемом материале.

Переработка отходов животноводства

Главным отходом животноводства является навоз. Раз в год в мире появляется не мене 45 млн. м3 навоза. В 1884 г. один из учеников Л. Пастера показал, что из 1 м3 навоза при 35ОС выходит около 100 л метана. КПД биогазовых установок — около 60%.

Особенности переработки отходов животноводства: высочайшая влажность (до 80%) этих отходов просит завышенных расходов при сушке; по имеющимся на сегодня технологиям может быть полезно использовать только 1-10% энергетического потенциала этих отходов; разрабатываемые технологии переработки должны снижать появление противных запахов, сопутствующих отходам; отходы животноводства являются ценным концентрированным органическим удобрением, и, может быть, это направление их использования является более целесообразным.

Более многообещающими методами газификации отходов животноводства с целью получения горючего биогаза являются сбраживание [11-13], и, может быть, совместное сжигание в консистенции с классическими топливами.

Совместное сжигание традициионных топлив и биомасс

Проводились опыты по совместному сжиганию углей и биомасс [1]. Недочетами биомасс при совместном сжигании являются: сезонность рынка биомасс; их переменная, в среднем высочайшая, влажность; специфичный хим состав золы. Но, совместное сжигание имеет и ряд преимуществ.

При малой процентной доле биомасс в горючем (по отношению к доле угля) их наличие фактически не оказывает влияние на технологический цикл сжигания угля при слоевом сжигании и сжигании в ЦКС. Отпадает необходимость в разработке и строительстве особых мусоросжигательных заводов для утилизации отходов. Добавки соединений калия, содержащихся в золе биомасс, понижают температуру плавления шлака, что позволяет значительно понизить температуру водянистого шлакоудаления и утраты тепла со шлаком, меняются и потребительские характеристики шлака. В городке с популяцией 200 тыс. чел. раз в день делается около 600 т бытовых и промышленных отходов, при сжигании которых в брикетированной форме может быть сэкономлено порядка 120 т угля в день. Совместное сжигание биомасс с углем при малой переменной доле биомасс целенаправлено использовать в установках большой мощности непрерывного деяния.

Практически сжигание биомасс и так делается с обязательным ролью того либо другого вида обычного горючего (уголь, газ). [20] При высочайшей доле биомасс подача угля в качестве насыпного материала позволит решить сходу две препядствия — создание кипящего слоя и поддержание нужной температуры за счет постепенного выгорания угля (рис. 1).

Вероятна и другая форма совместного сжигания биомасс и обычных топлив. Для инициализации процесса газификации и сжигания биомасс нужна дополнительная высокопотенциальная термическая энергия. [21] Эта энергия вырабатывается за счет сжигания растопочного материала, или за счет наличия в топках горелок, на которые подводится газома зутное горючее. Для сотворения кипящего слоя подается воздух со скоростью 5 м/с. Если заместо воздуха в подрешеточную полость подавать природный газ, а воздух подавать при помощи фурм второго и третьего уровня выше решетки (рис. 2), это позволит решить последующие задачки: газ, распределяясь в слое биомассы, будет содействовать созданию равномерного кипящего слоя; продукты сгорания газа имеют больший объем и температуру и будут создавать нужные давления для формирования кипящего слоя при маленьких скоростях газа и воздуха на входе в топку; создание кипящего слоя не в воздушном потоке, а в потоке газа и товаров сгорания позволит поддерживать довольно высочайшие температуры для переработки начального сырья с большой влажностью. Совместное сжигание биомасс с углем либо газом при большой доле биомасс целенаправлено использовать в малых энергетических установках повторяющегося деяния, нацеленных на определенный вид отходов и устанавливаемых конкретно на предприятиях, производящих эти отходы. В таком случае отпадает необходимость в сортировке отходов. Функционирование установки по утилизации биомассы в часы работы предприятия позволит понизить для предприятия потребность в энергии от наружного поставщика и уменьшить дневные колебания нагрузки в электросети.

Выводы

Газификационная разработка в текущее время обширно применяется для переработки и сжигания как обычных топлив, так и биомасс. Мировой опыт эксплуатации топок с вихревым кипящим слоем показал, что имеется возможность совместного сжигания фактически всех горючих веществ, в том числе высоковлажных и высокозольных. Главным достоинством при всем этом является возможность понижения вредных выбросов за счет понижения температуры окислительных процессов. Конструкции установок и технологические особенности процессов при переработке разных топлив отличаются, но не принципно. Совместная переработка обычных топлив и биомасс позволит соединять плюсы разных топлив.

Рис.1. Внедрение угля в качестве насыпного материала для сотворения кипящего слоя при совместной газификации с биомассами

Перечень ЛИТЕРАТУРЫ:

1. лехнович А.Н., Богомолов В.В., Артемьева Н.В. Совместное факельное сжигание биомасс с углем // Теплоэнергетика. — 2001.- №2. — С.26.
2. Анискин В.И., Голубкович А.В. Перспективы использования растительных отходов в качестве биотоплив. — Теплоэнергетика, 2004. — № 5. — С. 60.
3. Анискин В.И., Голубкович А.В., Сотников В.И. Сжигание растительных отходов в псевдоожженном слое. — Теплоэнергетика, 2004. — № 6. — С. 49.
4. Белосельский Б С., Хмелевская Е.Д. Пирогазификация — экономически действенный и экологически незапятнанный способ подготовки и использования низкосортных топлив на электрических станциях. — Теплоэнергетика, 1994. — № 1. — С. 26.
5. Гелетуха Г.Г., Стальная Т.А. Обзор современных технологий получения водянистого горючего из биомассы резвым пиролизом. Часть 1. — Экотехнологии и ресурсосбережение, 2000. — № 2. — С. 3.
6. Гелетуха Г.Г., Стальная Т.А. Обзор современных технологий получения водянистого горючего из биомассы резвым пиролизом. Часть 2. — Экотехнологии и ресурсосбережение, 2000. — № 3. — С. 3.
7. Карпенко Е.И., Мессерле В.Е., Перегудов В.С. Главные этапы совершенствования методов сжигания жестких топлив и их более многообещающие современные направ-ления. — Теплоэнергетика, 2003. — № 12. — С. 42.
8. Коломийцева А.М., Федорова Н.В. Сравнительный анализ хим состава и параметров углей и биомассы. — Препядствия теплоэнергетики. — Изв. вузов. Сев.-Кав. рег. Технич. науки. 2005. Спец. выпуск. — Стр. 38.
9. Масленников В.И., Выскубенко Ю.А., Щтеренберг В.Я. и др. // Парогазовые установки с внутрицикловой газификацией горючего и экологические трудности энергетики, 1983. — М.: Наука, 264с.
10. Мусоросжигательный завод — Москва, договор № 1879017 / 280 / 1 / 191311 ком. № 402210. Общее функцииональное описание. 8.02.96. — 37 с.
11. Панцхава Е.С., Кошкин Н.Л. Биоэнергетические установки по конверсии органических отходов в горючее и органические удобрения. — Теплоэнергетика, 1993. — № 4. — С. 20.
12. Панцхава Е.С., Пожарнов В.А., Зысин Л.В. и др. Преобразование энергии биомассы. Опыт Рф. — Теплоэнергетика, 1995. — №5. — С. 33.
13. Реймерс Н.Ф., Роздин И.А., Лестровой А.П. // Отходы как источник энергии. — М.: О-во «Познание» РСФСР, 1986. — 48 с.
14. Русский энциклопедический словарь / Научно-редакционный совет: А.М. Прохоров (пред.). — М.: «Русская Энциклопедия», 1981. — 1600 с. с илл.
15. Термический расчет котлов (Нормативный способ). — 3-е изд., перераб. и доп. — СПб: Изд-во НПО ЦКТИ, 1998. — 256 с.
16. Ушаков В.Г. // Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии: Учебное пособие.-Новочеркасск: Новочер-к. гос. техн. ун-т. 1994. — 120 с.
17. Федорова Н.В. Построение модели кристаллохимических процессов, протекающих при сжигании жестких топлив и кристаллизации шлака на ТЭС. — Автореф. дис. канд. техн. наук. / Юж. — Рос. гос. техн. ун-т. — Новочеркасск, 2002. — 20 с.
18. Федянин В.Я., Лавров И.М., Утемесов М.А. и др. // Опыт эксплуатации биогазовой установки в критериях Алтайского края. — Теплоэнергетика, 1996. — № 2. — С. 8.
19. Вилок А., Петрик Я. Анализ полихлорированных дибензодиоксинов (ПХ ДД) и дибензофуранов (ПХДФ) в остатках из сжигания жестких бытовых отходов. — НИИ профилактической медицины, Лимбова 14, 83301, Братислава, Чехословакия, 1988 г.
20. Заявка на полезную модель № 2006111078 от 05.04.06г. «Установка для совместной газификации и сжигания твёрдых топлив и биомасс».
21. Заявка на полезную модель № 2006109759 от 27.03.06г. «Установка для сжигания отходов».
22. Твайдел Дж., Уэйр А. // Возобновляемые источники энергии: Перевод с британского. — М.: Энергоатомиздат. 1990.-392 с.: илл.
23. Beige N. NOX control in circulating fluidized bsd combustor. 2-ud Inf. conf. on CFB Technology, Pergamon Press, 1988, P. 421.
24. Hallsrom С., Karlsson К. Waste incineration in circulating fluidized bed boiler. Test results and operating experience., 3-rd Int.conf. on CFB, Japan, 1990. P. 1.
25. Hirota Т., Ohshita Т., Kusugi S. et al. Characteristics of the internally circulating fluidized bed boiler, 3-rd Int.conf. on CFB, Japan, 1990. P. 1.
26. Ishikawa К., Ischiko M., Uchiyama К. TIF Fluidized-bed Municipal Waste Incineration System & Materials Recovery Facility — Isesaki City Clean & Recycle Center 21 /Ebara jiko, № 190, 2001. P. 90.
27. Ishizuka H., Hyvarinen K., Morita A. et al. Experimental Study on NOX reduction in CFB coal conbustion.2-ud Int.conf. on CFB Technology, Pergamon Press, 1988. P. 437.
28. Iwahashi H., Yaguchi E., Miyaki T. A Batch-type. Municipal Waste Fluidized-bed Incineration System/Ebara jiko, № 186, 2000. P. 58.
29. Suzuki T. et al. Comparison of NOX Emission between Laboratory Modeling and Full Scole Pyroflow Boilers, 3-rd Int.conf. on CFB, Japan, 1990. P. 1.