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

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

2.1.1 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.

Быстрый пиролиз утвердился как технология термохимической конверсии БМ со значительным потенциалом, особенно для высокого выхода жидкого топлива и химических продуктов. Низкотемпературный быстрый пиролиз - основной термохимический способ прямого получения жидкости из БМ и отходов.

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 510⁵н/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).