Энергия — это материальная основа развития человеческой цивилизации. С ее рациональным использованием связано будущее Земли.
Прогнозы развития мирового энергохозяйства предсказывают Ф опережающие темпы роста потребления электроэнергии по сравнению с темпами роста энергопроизводства. В настоящее время в мировой практике сформировались следующие основные тенденции в энергопроизводстве.
Изменение структуры топливно-энергетического баланса в сторону использования твердых топлив: углей, местных ТЭР, биомассы и отходов, а так же использование нетопливного потенциала. Уголь значительно уступает природному газу и нефти по затратным и экологическим показателям. Поэтому, в частности, за последнее столетие в общем объеме энергопотребления произошло резкое снижение доли угля и другого твердого топлива.
Однако, в связи с сокращением ресурсов нефтяного и газового сырья энергетическое и технологическое использование твердых горючих # ископаемых за рубежом вновь расширяется, начиная с 70-хх годов. Экологически небезопасные виды твердого топлива типа сернистых углей, сланцев находят применение преимущественно в сфере большой энергетики, где экономически целесообразно использование материалоемких и дорогостоящих технологий снижения вредных выбросов. В сфере малой распределенной энергетики значительная роль принадлежит возобновляемым топливам растительного происхождения (биомасса), как наиболее экологичным и позволяющим использовать упрощенные методы очистки газа.
Изменение структуры энергоснабжения — развитие системы распределенной генерации энергии, действующей наравне со станционной энергетикой на уровне распределительных сетей. Централизованное производство вторичных энергоносителей, являясь основным системообразующим способом, остается при правильной его организации и ® использовании современных технических решений наиболее экономически эффективным в масштабах крупного промышленного региона и страны в целом. Оба способа производства энергии — централизованный на крупных станциях (станционная энергетика) и распределенный на местных (завод, поселок, коттедж) — будут симбиотически существовать в мировом сообществе в ближайшей перспективе.
Для стран и территорий с экспортно ориентированной экономикой (Ирак, в России — Ханты-Мансийский автономный округ) это позволит повысить уровень жизни населения с одновременным высвобождением для экспортных поставок кондиционного топлива в размере 1−2 т.у.т./ (чел-год). ® Для стран и территорий с импортно ориентированной экономикой (Япония, в.
России — регионы, обеспечиваемые Северным завозом) расширение использования МТЭР позволит ¦ снизить энергозависимость, повысить энергообеспеченность и энергобезопасность территории. Для развивающихся стран Афроазиатского региона это часто единственный реальный путь развития региональной энергетики.
Возобновляемая энергия биомассы занимает важное положение среди МТЭР и играет решающую роль в мировой энергетической структуре.
Твёрдые топлива (уголь, биомасса) выступают в качестве «моста в будущее» мировой цивилизации, обеспечивая плавный переход от топливной энергетики к другим, новым, недоступным пока человечеству видам энергии.
Изменение технологии энергетического использования твёрдых топлив,-развитие современных чистых твердотопливных технологий (угольных и др.) на базе жидкотопливных и газотопливных энергетических установок ГТЭУ (ПГУ, ДВС, ГТУ, ТЭ) с конкурентоспособными показателями. В США, Европейском союзе, Японии, странах Юго-Восточной Азии выполняются крупные межнациональные и национальные программы по внедрению экологически чистых технологий энергетического использования твёрдых топлив в газовом силовом цикле.
Одним из основных направлений развития «зеленой» энергетики является использования биомассы для выработки тепловой и электрической энергии в когенерационных газотопливных энергоустановках с внутрицикловой газификацией. Газификация биомассы представляет конкурентоспособную альтернативу методу прямого сжигания топлива для выработки электроэнергии.
Основной проблемой при использовании биомассы для производства энергии в газотопливных энергоустановках является значительное смолосодержание генерируемого газа, поскольку смолы, содержащиеся в газе, приводят к быстрому старению смазочного масла, закоксованию, коррозии и износу двигателя. Поэтому к содержанию смол в очищенном газе, предназначенном для использования в газоиспользующей энергоустановке, предъявляются жесткие требования.
Выделяют две основные группы методов снижения забалластирования газа смолами:
• первичные (крекинг смол в газогенераторе под воздействием температуры, в том числе с использованием катализатора в газифицируемом слое);
• вторичные (очистка продукт-газа после газогенератора в специальных газоочистных устройствах, в том числе с использованием катализатора в отдельном аппарате плотного или кипящего слоя).
К вторичным методам относится использование оборудования, отработанного в станционной энергетике: мокрые скрубберы, электрофильтры, зернистые и рукавные фильтры, циклоны, выносные каталитические реакторы. Вторичные методы удаления смол из продукт-газа обладают высокой эффективностью (~100% газоочистки), однако сложны в эксплуатации, капиталоемки (для малых установок) и часто экологически несовершенны.
Первичные методы в настоящий момент в мире интенсивно изучаются и внедряются с нарастающим положительным эффектом. Однако, судя по «динамике изменений и получаемым результатам, потенциал по разработке первичных методов сохраняется значительный. В частности, практически не разработаны процессы газификации специфических биотоплив с ухудшенными теплотехническими характеристиками типа косточковой биомассы Афроазиатского региона.
Актуальность темы
Настоящая работа позволяет создавать надежные компактные когенерационные мини-ТЭС-ДВС на местном биотопливе при сниженных массогабаритных и улучшенных эксплуатационных характеристиках по сравнению с мировыми и российскими аналогами. > Особенно актуальны вопросы повышения эффективности и надежности малых.
ТЭС на высокосмольных топливах типа косточковой биомассы Афроазиатского региона. Наиболее перспективным путем решения этой проблемы является применение первичных методов очистки топливного газа, разработанных на основе системного анализа и декомпозиции процессов газификации.
Работа выполнена в соответствии с программой ЕС в области биоэнергетики «РР-6-Устойчивые энергетические системы», ФЦП РФ «Энергоэффективная экономика» и Программой развития ветроэнергетики ОАО РАО «ЕС России», Программой обновления основного оборудования ТЭС РАО «ЕЭС России» на период до 2010 года и направлена на разработку высокоэффективных газификационных когенерационных энергоустановок малой мощности на базе ДВС. для биотоплив со специфическими ф теплотехническими характеристиками.
Цель настоящей работы состоит в повышении эффективности производства газообразного топлива из биомассы Афроазиатского региона для выработки электрической и тепловой энергии в когенерационных энергоустановках с внутрицикловой газификацией.
Задачи исследования.
1 Провести исследование теплотехнических свойств и специфики процессов пиролиза и газификации косточковой биомассы Афроазиатского региона.
2 Разработать элементы многостадийной технологии и алгоритм внутриреакторных процессов получения низкосмольных и малосажистых горючих газов из косточковой биомассы для когенерационных газопоршневых энергоустановок малой мощности с однокорпусным газификатором.
3 Разработать и апробировать на опытно-промышленной установке упрощенную методику теплового расчета газогенератора обращенного типа и двигателя для малой ТЭС-ДВС на биомассе с газопоршневым двигателем.
4 Дать рекомендации по разработке гибкой и надёжной газопоршневой энергоустановки на косточковой биомассе, характеризуемой повышенными энергетическими и экологическими характеристиками и пониженной капиталоёмкостью.
Достоверность н обоснованность результатов подтверждается применением современных методов системного анализа, соответствующей точностью систем измерений контролируемых параметров, удовлетворительным совпадением тестовых экспериментальных данных, полученных на испытательных стендах и промышленном оборудовании, с общеизвестными результатами, получением ряда данных на сертифицированном оборудовании по гостированным методикам.
Научная новизна:
1 Осуществлен анализ местных топливно-энергетических ресурсов (ТЭР) Афроазиатского региона на примере Ирака, определены возможности их применения в когенерационных энергоустановках.
2 Выполнен детальный анализ способов использования новых элементов технологии газификации биотоплив в мировой энергетике.
3 Выявлена специфика энергетических и экологических характеристик работы энергоустановок с газовыми двигателями на биотопливе.
4 Получены теплотехнические характеристики косточковой БМтипичного представителя возобновляемых МТЭР Афроазиатского региона.
5 Выявлены особенности пиролиза и газификации косточковой БМ.
6 Опробована методика декомпозиции термохимических процессов в маломасштабной установке с плотным зернистым слоем.
7 Разработан и апробирован в лабораторном и полупромышленном масштабе алгоритм низкосмольной малосажистой газификации косточковой БМ.
Практическая значимость.
1 Разработан универсальный лабораторный стенд с автоматизированной системой контроля, регулирования, сбора и обработки данных для исследования многоступенчатых процессов термохимической подготовки БМ к сжиганию в газоиспользующей установке, предназначенный, в том числе, для использования в учебном процессе.
2 Разработана технология малосмольной газификации высокосмольной косточковой биомассы.
3 Разработана конструкция однокорпусного газификатора косточковой БМ с глубокой конверсией углеводородов и сажи.
4 Выявлены экологические проблемы работы газопоршневой энергоустановки на генераторном газе.
5 Разработана упрощенная методика теплового расчета газогенератора обращенного типа и двигателя для малой ТЭС-ДВС на биомассе.
Реализация. Полученные данные использованы в ОАО «УРАЛТРАНСГАЗ», ПО «Энергогазремонт" — Организации по охране окружающей среды Киркукской области (Ирак) — ООО Уральский «дизель-моторный завод».
На защиту выносятся:
1 Методика лабораторных исследований и результаты.
2 Результаты исследования теплотехнических характеристик косточковой биомассы.
3 Результаты исследования особенностей пиролиза и газификации косточковой биомассы.
4 Результаты сравнительного анализа термохимических процессов косточковой биомассы и топлив других видов биотоплив.
5 Технология низкосмольной малосажистой газификации в однокорпусной установке.
6 Методика упрощенного теплового расчета газогенератора обращенного типа и двигателя для малой ТЭС-ДВС на генераторном газе из биомассы.
Личный вклад автора состоит в формировании основных предпосылок исследования и разработке методик анализа, в непосредственном проведении комплекса исследований и обобщении их результатов, в проведении стендовых испытаний традиционного и вновь разрабатываемого газогенератора и в разработке способа подготовки и первичной очистки генераторного газа для использования в энергоустановке с газовым двигателем.
Апробация работы. Основные материалы диссертационной работы обсуждены и доложены на: IV Всероссийском совещании-выставке по энергосбережению (г. Екатеринбург, 5−9 апреля 2004 г.), Шестой всероссийской конференции «Экологические проблемы промышленных регионов» (г. Екатеринбург, 10−12 марта 2004 г.), Второй российской национальная конференция по теплообмену «Тепломассообмен и гидродинамика в закрученных потоках» (г. Москва, 15−17 марта 2005 г.), V Всероссийском совещании-выставке по энергосбережению (г. Екатеринбург, 21−23 марта 2005 г.), Всероссийском молодежном научном симпозиуме.
Безопасность биосферы" (г. Екатеринбург, 4−5 мая 2005 г.), 3-ем Международном Симпозиуме «Горение и плазмохимия» (г. Алматы, 24−26 сентября 2005 г)., IV семинаре ВУЗов Сибири и Дальнего Востока по теплофизике и теплоэнергетике (г: Владивосток, 2005 г.), 15-ой Школе-семинаре молодых ученых и специалистов под руководством академика Леонтьева А. И. (г. Калуга, 2005 г.), 4-ой Всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Энергетика: управление, качество и эффективность использования энергоресурсов» (г. Благовещенск, 2005 г.), VI Всероссийском совещании-выставке по энергосбережению (г. Екатеринбург, 21−25 марта 2006 г), международном научном семинаре «Современные технологии горения и аэротермодинамики» (г.Киев, Украина, 15−19 мая 2006 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликована 41 печатная работа, в том числе 13 статей в реферируемых изданиях.
Структура и объем диссертации
Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы из 163 наименований и приложений. Общий объем диссертации 155 страниц, в том числе 81 рисунков, 35 таблиц.
ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ.
1 Во всех странах мира, вне зависимости от уровня развития производительных сил, делается заметный упор на развитие региональной компоненты энергоснабжения, создание высокоэффективных маломасштабных газоиспользующих энергоустановок на местных (преимущественно возобновляемых) видах топлив с унифицированными свойствами.
2 В качестве основных проблем, сдерживающих широкое применение газоиспользующих энергогенерирующих мощностей в региональном масштабе, являются проблемы получения и использования кондиционного горючего газа. Из них решение первой группы проблем связано, прежде всего, с технологическими приемами и в. существенной мере определяет энергетическую и экономическую эффективность установки в целом.
3 По теплотехническим свойствам косточковые ТЭР Ирака характеризуются как энергетическое теплоплотное биотопливо со значительным содержанием высококипящих (~ 400 °С) смолистых веществ, наличие которых формирует специфику их газификации (повышенная энергоемкость и длительность процесса пиролиза, взрывной характер выхода летучих, высокая задымленность (смола, сажа) продуктов газификации и др., что усложняет их использование по сравнению с близкими по теплоплотности стандартным пелелтированным топливом.
4 Наиболее эффективными способами получения кондиционных по смолои сажесодержанию горючих газов из БМ для газоиспользующих энергоустановок являются первичные внутриреакторные методы.
5 Осуществление на основе системного анализа разумной декомпозиции подпроцессов в разработанном на базе полученных данных реакторе с целенаправленным комбинированием последовательных и параллельных стадий их протекания позволяет значительно понизить на выходе из реактора содержание смол и сажи и получить горючий газ, пригодный для сжигания в газоиспользующих энергоустановках.
6 Отказ от традиционной вторичной системы мокрой газоочистки, важный для стран Афроазиатского региона, позволяет исключить использование воды на промывку газа до 2,5−3 л/нм3, снизить на 85% расходы электроэнергии на собственные нужды, снизить на 50−60% или с 13 кг/кВт до 7 кг/кВт установленной электрической мощности материалоемкость нестандартного оборудования.
