Энерготехнологии сжигания на основе сверхадиабатических разогревов



Скачать 147.79 Kb.
Дата30.04.2016
Размер147.79 Kb.
Энерготехнологии сжигания на основе

сверхадиабатических разогревов
В настоящее время практически общепризнанным считается мнение, что промышленные технологии, вовлекающие в оборот значительные объемы природных ресурсов, в частности энергетика, являются источником больших экологических проблем (образование вредных отходов и токсичных выбросов при сжигании ископаемых топлив и т.д.). Мы попытаемся показать, что существуют такие пути решения энергетических и экологических проблем, стоящих перед человечеством, которые не только не противоречат а, напротив, взаимно дополняют друг друга. Один из таких путей - целенаправленное использование новых технологий на основе способа газификации твердых горючих в режиме фильтрационного горения со сверхадиабатическим разогревом, который открывает широкие возможности для утилизации разного рода горючих отходов и низкосортных твердых топлив с высокой энергетической эффективностью, экологической чистотой и относительно невысокими затратами.
Экологические и энергетические проблемы, стоящие перед человечеством в настоящее время, тесно связаны. Добыча, транспортировка, переработка и использование природных энергоресурсов (уголь, нефть, газ) сопровождается значительной экологической нагрузкой, образованием большого числа токсикантов, загрязнением территорий и атмосферы, образованием вредных отходов, в свою очередь требующих уничтожения или утилизации.

Поскольку скорость накопления промышленных и бытовых отходов неуклонно возрастает, необходимость их уничтожения, переработки или утилизации становится всё более острой. Вместе с тем большинство широко используемых в настоящее время способов уничтожения и переработки отходов требует больших энергетических затрат, способы эти дороги и сопровождаются в ряде случаев появлением таких чрезвычайно опасных супертоксикантов, как, например, диоксины. Некоторые методы, такие как захоронение твердых бытовых отходов, отходов нефтяной и химической промышленности, не дают радикального решения проблемы, а лишь отодвигают приближающуюся экологическую катастрофу на некоторое время.

Очевидно, что единственного способа решения этих проблем существовать не может. Необходима постепенная структурная перестройка соответствующих отраслей, создание и использование новых технологий.

Значительная часть добываемых природных ресурсов потребляется энергетикой, химической и родственными отраслями промышленности. Эти же отрасли являются существенными источниками опасных отходов и вредных выбросов.

Резервы повышения эффективности использования энергоресурсов при одновременном снижении нагрузки на окружающую среду здесь огромны. Так, например, основными потребителями природного газа в России являются:


  • конденсационные электростанции (КЭС), производящие электроэнергию с коэффициентом полезного использования топлива (КПИ) 3540 %;

  • промышленно-отопительные теплоэлектроцентрали (ТЭЦ) общего пользования, производящие электроэнергию и тепло с КПИ 5065 %;

  • ТЭЦ промышленных предприятий, производящие электроэнергию и тепло 8590 %;

  • коммунальные и промышленные котельные, производящие тепло с КПИ 7090 %;

  • технологические печи и устройства промышленных предприятий, имеющие КПИ 6070 %.

Некоторое повышение КПИ может быть осуществлено за счет замены устаревшего оборудования на современное, внедрение автоматики и т.д. Однако, существенное повышение, как это следует из приведенных цифр, может быть реализовано за счет изменения структуры отрасли, дооснащения существующих (или вновь создаваемых) промышленных и коммунальных котельных электрогенерирующими мощностями для местных нужд. Важно отметить, что себестоимость электроэнергии в этом случае в 2 – 3 раза ниже, чем действующие тарифы.

Вторым важнейшим направлением является использование местных и альтернативных энергоресурсов взамен природного газа и мазута. Это в первую очередь относится к различным видам ископаемых твердых топлив (уголь, сланцы, торф и т.д.), а также таким возобновляемым источникам энергии как биомасса (главным образом древесина).

При рассмотрении энергетического баланса регионов необходимо также учитывать в качестве энергоресурсов промышленные и бытовые отходы. К ним в первую очередь относятся:


  • отвалы шахт и угольных карьеров, содержащие до 2040 % углерода, отходы углеобогатительных производств, золоотвалы ТЭЦ и т.д.;

  • твердые бытовые отходы;

  • отходы лесной, целлюлозно-бумажной и деревообрабатывающей промышленности;

  • отходы нефтяной и нефтеперерабатывающей промышленности, нефтешламы;

  • отходы химической и родственных отраслей промышленности;

  • сельскохозяйственные отходы;

  • илы полей фильтрации и т.д.

Достаточно достоверно оценить запасенную энергию в существующих отвалах и свалках практически невозможно. Во всяком случае, это сотни миллионов тонн условного топлива. Ежегодный прирост составляет десятки миллионов тонн.

Радикальным методом уничтожения многих типов отходов является их сжигание. Однако широко применяемые в настоящее время методы сжигания отходов и ископаемых твердых топлив обладают рядом принципиальных недостатков. К ним, в первую очередь, относится образование и выброс в атмосферу чрезвычайно больших количеств токсичных веществ: золы уноса, содержащей тяжелые металлы, сажи, монооксида углерода, окислов серы и азота, соединений хлора, таких супертоксикантов, как диоксины и полиароматические углеводороды. Шлаки также, как правило, содержат недогоревший углерод и полиароматику. Некоторые из методов сжигания отходов энергоемки и не могут обходиться без подвода внешней энергии для осуществления процесса.

В настоящее время требования к содержанию токсичных веществ в дымовых газах чрезвычайно жесткие. Удовлетворить такие требования по выбросам возможно лишь при использовании чрезвычайно дорогих очистных сооружений, которые к тому же значительно повышают и эксплуатационные затраты. Так, например, стоимость современного мусоросжигательного завода более чем на 60 % состоит из стоимости очистных сооружений для дымовых газов.

Обычно в промышленности используются три основных метода сжигания твердых горючих: сжигание в плотном слое, например, в обычных колосниковых печах, сжигание в пылеугольных горелках, когда измельченное твердое горючее подается в спутном потоке с воздухом и сгорает в факеле, или сжигание в псевдоожиженном (кипящем) слое.

Высокие линейные скорости газовых потоков в таких устройствах приводят к появлению больших количеств золы уноса в дымовых газах, что при наличии в исходном горючем тяжелых металлов к тому же сопровождается их выбросами в атмосферу.

Горение твердых частиц в газообразном окислителе, как правило, происходит в диффузионном режиме. На поверхности частицы проходят реакции пиролиза, частичного окисления (концентрация кислорода мала) и испарение летучих; газообразные продукты пиролиза и частичного окисления диффундируют в окружающую среду и горят на некотором расстоянии от поверхности частицы, где, в основном, и расходуется кислород, поток которого направлен к частице (температура максимальна). При движении продуктов горения дальше от твердой поверхности температура падает за счет разбавления газа и отбора тепла в теплообменниках. Вблизи поверхности частицы при недостатке кислорода образуются сажевые частицы, полиароматические углеводороды, СO, которые, благодаря относительно низкой реакционной способности, могут проскакивать узкую зону пламени и далее, при падении температуры, стабилизироваться, попадая в дымовые газы. Те тяжелые металлы, упругость пара которых (или их окислов) достаточно высока при температурах горения, испаряются, конденсируясь затем при снижении температуры в виде мелкодисперсного аэрозоля и, таким образом, также попадают в дымовые газы.

При наличии в исходном горючем серы, хлора, фтора, происходит образование окислов серы, Cl2, F2, HCl и HF.

В тех случаях, когда используется “спутный поток” (движение горючего и окислителя в одном направлении), по мере выгорания одновременно падают концентрации горючего и окислителя, что, соответственно, тормозит процесс, и в золе уноса появляется до 515% недогоревшего углерода и других продуктов неполного окисления.

Образование диоксинов происходит двумя путями: в результате пиролиза хлорсодержащих соединений – путь, характерный для пожаров, и при остывании дымовых газов при температурах 300600C в результате взаимодействия молекулярного или атомарного хлора с полиароматическими углеводородами и сажей в присутствии кислорода и тяжелых металлов, катализирующих процесс. В существующих устройствах подавляющая часть диоксинов образуется по второму пути, так как небольшие количества диоксинов, образующихся при пиролизе, как правило, успевают сгореть при высоких температурах и достаточном времени выдержки.

Образование окислов азота также протекает по двум путям. Во-первых, окислы азота образуются из кислорода и азота воздуха по механизму Я.Б.Зельдовича (радикально-цепному) за счет их взаимодействия при горении. Второй путь связан с окислением аммиака или азотсодержащих органических соединений, находящихся в исходном горючем.

Недостатки применяемых в настоящее время технологий заставляют исследователей искать новые пути термической переработки. Одновременно разрабатываются способы эффективного использования альтернативных топлив, в том числе возобновляемых. Все большее значение приобретает “малая энергетика” в различных вариантах, обеспечивающая значительное повышение КПИ и снижение затрат.

Естественно, что единого решения проблемы не существует, и развитие будет происходить одновременно по ряду направлений.

Один из перспективных путей решения ряда экологических и энергетических проблем на заманчивой экономической основе связан с использованием процесса фильтрационного горения в режимах со сверхадиабатическим разогревом. Теоретическое и экспериментальное исследование этого явления, использование его в различных процессах проводилось в ИПХФ РАН, ИСМАН, ИХКиГ СО РАН, ИК СО РАН. Работы, направленные на решение ряда вопросов в русле рассматриваемых проблем энергетики и экологии, выполнялись в ИПХФ РАН в Черноголовке.

Явление сверхадиабатического разогрева при фильтрационном горении возникает в результате наличия источника тепла и теплообмена между потоками твердых и газообразных веществ, движущихся навстречу друг другу (противоток) относительно фронта химической реакции. Величина разогрева определяется отношением теплоемкостей потоков твердого вещества и газа и имеет ярко выраженный резонансный характер. Максимальные значения сверхадиабатических разогревов достигаются при отношении теплоемкостей потоков, равном единице, и для реактора достаточной длины определяется теплопотерями через стенку реактора и зависимостью теплового эффекта от температуры, связанного с диссоциацией продуктов горения или вкладом эндотермических реакций. В реальных системах при не очень больших тепловых эффектах, сверхадиабатический разогрев может быть больше адиабатического во много раз. Это дает возможность сжигать (газифицировать) очень высокозольные системы, например, уголь с зольностью до 90-95%. В стационарном процессе в реакторе конечной длины, при отсутствии боковых теплопотерь количество тепла, выносимого продуктами реакции через торцы, равно тепловому эффекту.

Скорость распространения фронта горения (относительно твердой фазы) определяется массовой скоростью подачи окислителя и стехиометрией химического превращения, так как процесс протекает во внешней диффузной области. Поскольку температура в зоне химической реакции определяется отношением теплоемкостей потоков и теплопотерями, при сжигании углеродсодержащих материалов может происходить изменение суммарной стехиометрии из-за смещения вправо равновесия

С + О2 СО2 СО2 + С 2СО

при повышении температуры. Однако даже при полном смещении равновесия вправо тепловой эффект окисления углерода до CO остается значительным, что может приводить к чрезмерно большим разогревам при использовании в качестве окислителя кислорода или воздуха.

В то же время для энергетического использования различного рода горючих отходов и низкосортных топлив с максимальным КПД газификации желательно иметь минимальный брутто тепловой эффект в зоне горения, при этом необходимые для протекания процесса высокие температуры могут быть достигнуты за счет сверхадиабатического разогрева.

Поэтому целесообразно вводить в состав газообразного окислителя водяной пар и/или углекислый газ, которые при температурах выше 800С вступают в эндотермические реакции с углеродом, что позволяет контролировать брутто тепловой эффект и повышает содержание горючих компонентов (водорода и окиси углерода) в газообразных продуктах.

Термодинамические расчеты величины энергетического КПД при паровоздушной газификации смесей углерода с инертным материалом в зависимости от доли углерода в смеси и объемного отношения вода/кислород в газифицирующем агенте показывают, что расчетная величина КПД, представляющего собой отношение теплотворной способности газообразных продуктов, образующихся при взаимодействии углерода с кислородом и парами воды в условиях волны фильтрационного горения, к теплоте сгорания исходной смеси, может достигать почти 0,95. Причем оказывается, что максимальные величины энергетического КПД достигаются при относительно малой доле углерода в смеси (20%). Таким образом, относительно плохое твердое топливо с высокой зольностью в принципе может быть газифицировано более эффективно, чем чистый углерод.

Целенаправленное использование сверхадиабатических режимов для проведения процессов газификации открывает широкие возможности для утилизации разного рода горючих отходов и низкосортных твердых топлив с высокой энергетической эффективностью, экологической чистотой и относительно невысокими затратами.

Создаваемые на этой основе технологии строятся по двухстадийной схеме. На первой стадии перерабатываемый материал подвергается паровоздушной газификации в режиме фильтрационного горения со сверхадиабатическим разогревом. Получаемый при этом энергетический продукт-газ, содержащий водород, окись углерода и в ряде случаев углеводороды или другие органические соединения, сжигается на второй стадии в обычных устройствах (например, паровых или водогрейных котлах) с получением тепловой и электрической энергии.

Газификацию осуществляют в реакторе-газификаторе шахтного типа при реализации сверхадиабатических разогревов в “плотном” слое. Специфической особенностью данного процесса является такая его организация, что выделяющееся при горении тепло не выводится из реактора (твердые и газообразные продукты выходят из реактора при относительно низких температурах), а концентрируется в зоне газификации и используется на получение водорода из воды и частично окиси углерода из углеродосодержащих соединений.

Перерабатываемое сырье загружается в реактор сверху через шлюзовую камеру. Снизу подаются воздух и водяной пар. Отбор продукт-газа происходит в верхней части реактора, а выгрузка зольного остатка – в нижней. Продвижение рабочей массы в реакторе происходит под действием собственного веса. По высоте газификатора располагается несколько характерных зон. В самых верхних слоях температура держится в пределах 100-200°С. Здесь происходит подсушка вновь поступившего сырья, продуваемого продукт-газом. В результате продукт-газ до некоторой степени насыщается водяным паром. Ниже располагается зона, где преобладают процессы пиролиза и возгонки органических веществ. В бескислородной среде происходит термическое разложение и коксование органической массы. Здесь продукт-газ обогащается летучими продуктами пиролиза. В средней части реактора располагается зона газификации, где при температурах 1000-1200°С происходит реакция коксового остатка с кислородом, парами воды и двуокисью углерода с образованием СО и Н2. Некоторая часть углерода сгорает полностью с образованием углекислого газа СО2, за счет чего в зоне газификации поддерживается необходимая температура. Ниже находится зона, где твердый остаток, состоящий в основном из минеральных соединений, постепенно охлаждается в потоке газифицирующего агента, богатого кислородом. Здесь догорают остатки органических соединений и углерода, и горючие материалы полностью превращаются в золу. В самой нижней части реактора лежит зона окончательного охлаждения твердого остатка до температуры около 100°С.

Процесс газификации имеет высокий энергетический КПД (до 95%) и позволяет перерабатывать материалы с малым содержанием горючих составляющих (с зольностью до 90%) или с высокой влажностью (до 60%).

Двухстадийная схема переработки обеспечивает подавление образования вредных выбросов:

- низкие линейные скорости газового потока в реакторе и его фильтрация через слой исходного перерабатываемого материала обеспечивают крайне низкий вынос пылевых частиц с продукт-газом; в верхней части реактора создаются условия, способствующие улавливанию пылевых частиц из газового потока за счет прилипания к поверхности кусков исходного материала; создаются благоприятные условия для нейтрализации кислых примесей (HF, HCl) минеральными составляющими загрузки; это дает возможность сильно сократить капитальные затраты на газоочистное и энергетическое оборудование;

- в некоторых случаях, когда необходимо проводить очистку газовых выбросов от соединений серы, хлора или фтора, пыли, паров ртути, очищать продукт-газ оказывается проще, чем дымовые газы, благодаря низкой температуре, меньшему объему и более высокой концентрации загрязнителей; кроме того, сера присутствует в продукт-газе в восстановленных формах (H2S, COS), которые много проще поглотить, чем SO2; хлорорганические соединения в условиях пиролиза в восстановительной водородсодержащей атмосфере, по крайней мере, частично дегидрохлорируются, давая HCl а не Cl2;

- при газификации происходит частичное разложение азотсодержащих органических соединений в бескислородной среде, что дает меньшее количество окислов азота в дымовых газах;

- сжигание газа в современных газовых горелках – наиболее чистый способ сжигания из всех известных; за счет высокой полноты сгорания дымовые газы содержат чрезвычайно мало окиси углерода и остаточных углеводородов, в том числе канцерогенных полиароматических углеводородов;

- резко подавляется образование диоксинов (полихлорированных дибензодиоксинов и дибензофуранов), поскольку даже при наличии хлора в предварительно перемешанном пламени подавляется появление в дымовых газах сажевых частиц и ароматических соединений (предшественников диоксинов) и обеспечивается низкое содержание пылевых частиц (катализаторов образования диоксинов в дымовых газах).

Зола, выгружаемая из реактора, имеет низкую температуру и практически не содержит недогоревшего углерода и органических веществ.

При утилизации некоторых видов отходов имеется возможность извлечения из продукт-газа товарных материалов для последующей переработки (например, нефти и др.).

Выбор оборудования для утилизации тепла при сжигании продукт-газа не ограничивается паровым или водяным котлом, в перспективе открывается также возможность применение газовых турбин и энергетических дизелей; предлагаемая схема может быть легко вписана в имеющуюся промышленную инфраструктуру, например, продукт-газ может подаваться в имеющуюся топку для замены части кондиционного топлива.

К настоящему времени Институтом проблем химической физики РАН в сотрудничестве с промышленными предприятиями созданы:

Установка периодического действия для переработки маслоотходов машиностроительного производства производительностью 120 кг в час по горючей массе. Установка потребляет 300-400 м3 воздуха и до 100 кг пара в час, размеры реактора – рабочий диаметр 1 м, высота 3 м.

Установка для переработки твердых бытовых отходов (ТБО) с реактором-газификатором непрерывного действия производительностью 2 т в час. Установка потребляет 1800 м3 воздуха и до 700 кг пара в час; тепловая мощность, получаемая при сжигании продукт-газа - 5 МВт; размеры реактора-газификатора – рабочий диаметр 1.5 м, высота 7.3 м. Вырабатываемая при переработке ТБО тепловая энергия используется для нужд горячего водоснабжения города. Определенные в ходе испытаний установки характеристики газовых выбросов подтвердили высокую экологическую чистоту процесса при сжигании ТБО: так концентрация диоксинов в дымовых газах даже без их очистки не превышает 210-10 г/м3.

Производительность установки мусоросжигания может наращиваться путем установки нескольких модулей-реакторов вышеуказанного размера. В настоящее время ведется разработка реакторов иных типоразмеров. Остальное оборудование, включающее, в том числе, энергетическое и очистное оборудование, как правило, может быть укомплектовано из существующего, имеющегося в производстве. В настоящее время ведется разработка газовой турбины, приспособленной к работе на продукт-газе.

Модульный принцип построения производства обеспечивает гибкую структуру реализации процесса. Например, если в распоряжении имеется необходимое энергетическое оборудование (действующая ТЭЦ, котельная и т.п. с необходимой инфраструктурой), то используются только реакторы-газификаторы, а получаемый энергетический газ сжигается в существующих котлоагрегатах, заменяя полностью или частично природный газ, мазут или твердое топливо на этих станциях. В таком случае капитальные затраты по созданию производства для термической переработки могут быть существенно уменьшены.

Таким образом, предлагаемая технология позволяет повысить экологическую чистоту при сжигании отходов и одновременно открывает перспективы решения проблемы построения малой энергетики на базе местных, нетрадиционных и возобновляемых источников топлива. Дальнейшее развитие технологии открывает также перспективы использования твердых топлив в комбинированном газотурбинном цикле, что позволяет повысить КПИ топлива.



На этом направлении решение экологических проблем может и должно уже в ближайшем будущем быть выгодным не только в общечеловеческом плане, но и с точки зрения экономики отдельного предприятия.
Подготовлено Г.Б. Манелисом и В.П.Фурсовым



База данных защищена авторским правом ©ekollog.ru 2017
обратиться к администрации

войти | регистрация
    Главная страница


загрузить материал