Начиная с 30-х гг. XX века поначалу в Германии и США, а потом и в других промышленно продвинутых странах мира получили обширное распространение технологии газификации жестких топлив в целях следующего синтеза из компонент, образующих генераторный газ (монооксида углерода и водорода), разных хим соединений, в том числе искусственных водянистых топлив (к примеру, по способу Фишера–Тропша). В связи с активным внедрением в хим индустрии генераторный газ получил новые имена – «синтез-газ» (либо «сингаз») и «продукт-газ».

В текущее время технологии и оборудование газификации жестких топлив (ГТТ) из раритетов прошедшего равномерно преобразуются в спутники реального и грядущего. Данное предположение, хоть и косвенно, подтверждает динамика инвестиций в альтернативную энергетику (с 10 миллиардов долл. в 1998 г. до 66 миллиардов долл. в 2007 г. и, по прогнозам профессионалов, практически до 350 миллиардов долл. к 2020 г.) и анализ количества патентов, заявленных на оборудование ГТТ.

Оборудование ГТТ создано для преобразования (конверсии) органической части твердого горючего (ТТ) в генераторный газ (ГГ), удачный для следующего сжигания, как в горелках котлов различного предназначения, так и в камерах сгорания (наружных и внутренних) движков разных типов.

Не считая того, в итоге более полного (в сопоставлении с прямым сжиганием ТТ) сгорания газообразного горючего появляется существенно наименьшее (в пару раз, а по неким позициям, и на порядки) количество вредных для среды хим соединений (как в дымовых газах, так и в зольном остатке). Это позволяет значительно сберечь на дорогостоящем оборудовании газоочистки дымовых газов, выкидываемых в атмосферу (цена такового оборудования, к примеру в составе мусоросжигающих заводов, составляет более 50 %).

В текущее время на «ММПП «Салют» проходят работы по созданию оборудования ГТТ параллельно по двум фронтам:

I. Создание крупногабаритного оборудования ГТТ с противоточным «вертикальным» или с прямоточным «горизонтальным» процессом газификации.

Основной характеризующий признак, отличающий это оборудование, – сравнимо большая единичная электронная (от 1,0 МВт) и термическая (от 2,0 Гкал/ч) мощность. «Платой» за это является необходимость проведения строительно-монтажных работ, в том числе работ по устройству фундаментов, при вводе оборудования в эксплуатацию (средняя трудозатратность более 3 000 чел.-ч).

К данному оборудованию можно отнести твердотопливную электрическую станцию ТЭС1 (энергетический комплекс), комплекс газификации (изд. 44), «горизонтальный» комплекс газификации «туннельного» типа, разрабатываемый для утилизации отходов нефтепереработки.

Более рациональное применение данного оборудования – переработка (внедрение, утилизация) жестких бытовых, промышленных и сельскохозяйственных отходов с получением некого количества термический и (либо) электронной энергии (обычно, методом подмешивания к природному газу либо иному горючему), и сначала для собственных нужд организаций, эксплуатирующих оборудование ГТТ.

Предполагаемые места эксплуатации – большие населенные пункты (либо их округи) с развитой инфраструктурой, в том числе с централизованными системами тепло- и электроснабжения, не полностью удовлетворяющими имеющиеся потребности по применимым ценам, вблизи от источников образования отходов различного происхождения.

Примером такового внедрения крупногабаритного оборудования ГТТ может служить проект переработки бытовых и промышленных отходов в г. Мишкольце (Венгерская Республика).

В случае внедрения оборудования ГТТ для переработки жестких бытовых (коммунальных и городских) отходов (ТБО) необходимо подразумевать, что отходы, которые допустимо и целенаправлено направлять на газификацию (или сжигание), в среднем составляют около 20–30 % от общего объема ТБО. Часть отходов из состава ТБО подвергать газификации технологически неприемлимо (к примеру, металлы и стекло), часть – неприемлимо по экологическим суждениям (к примеру, хим источники электронного тока (батареи, батарейки), ртутные лампы, указатели температуры, другие ртутьсодержащие отходы, электрический скрап, некие виды пластмасс и других синтетическиеких материалов, предметы бытовой химии, лаки, краски и т.п.), часть – экономически нецелесообразно (к примеру, бумагу, ткани и пищевые отходы) и, в конце концов, часть – просто глупо (к примеру, керамику, минералы, строй и другие отходы, не содержащие углерод).

В ведущих странах ЕС более значительную часть ТБО (около 30–50 %) подвергают рециклингу (возвращению в индустрия в качестве вторичных вещественных ресурсов), вторую по величине горючую часть отходов (около 20–30 %) посылают на сжигание и (либо) газификацию с получением термический и (либо) электронной энергии, биоразлагаемую часть ТБО (около 15–25 %) – на анаэробное (метанирование) и (либо) аэробное (компостирование) сбраживание с получением биогаза и (либо) компоста и, в конце концов, оставшуюся часть отходов (около 10–20 %), не подлежащих рециклингу, переработке и утилизации, – на полигоны захоронения (рис. 1).

Рис. 1. Рассредотачивание потоков жестких бытовых отходов при их переработке (утилизации) в ведущих странах ЕС

Не считая того, необходимо осознавать, что оборудование ГТТ создано для газификации не отходов, а твердого горючего, произведенного из отходов (refusederivedfuel(RDF) методом сортировки, сушки, размельчения и брикетирования либо пеллетирования, а в случае с ТБО и другими низкокалорийными отходами лучше и после смешивания с более калорийными компонентами типа кокса, угля, древесной породы и т. п.

II. Создание малогабаритного модульного оборудования ГТТ с прямоточным «вертикальным» процессом газификации.

Основной характеризующий признак, отличающий модульное оборудование, – сравнимо маленькая единичная электронная (до 500 кВт) и термическая (до 1,0 Гкал/ч) мощность. Но при всем этом отсутствует необходимость проведения строительно-монтажных работ, в том числе работ по устройству фундаментов, при вводе оборудования в эксплуатацию (время развертывания на неподготовленной грунтовой площадке силами бригады из 4 человек составляет менее 16 ч; средняя трудозатратность – менее 64 чел.-ч).

Более рациональное применение данного оборудования – децентрализованное распределенное преобразование хим энергии местных углеводородных ТТ в термическую и (либо) электронную энергию (в том числе в составе локальных сетей энергоснабжения) с внедрением в качестве промежного энергоэлемента горючего ГГ, получаемого при газификации этих топлив. К местным топливам обычно относят дрова и другие горючего, произведенные из фитомассы, каменные и бурые угли, торф, горючие сланцы и т.п.

Предполагаемые места эксплуатации – маленькие населенные пункты с неразвитой инфраструктурой, в том числе без централизованных систем тепло- и электроснабжения (к примеру, отдаленные районы Сибири, Далекого Востока и Последнего Севера), также регионы с недостатком термический и электронной энергии.

Не считая того, модульные электростанции могут быть нужны геологическими партиями, археологическими экспедициями, учреждениями ФСИН, в местах добычи нужных ископаемых, на лесозаготовительных участках и т.п.

В конце концов, благодаря авиатранспортабельности и малому времени развертывания, в том числе силами МЧС, модульные электростанции могут быть применены для оперативного восстановления энергоснабжения и понижения вреда от аварий природного и техногенного нрава, связанных с выходом из строя имеющихся систем тепло- и электроснабжения.

Примером такового внедрения малогабаритного модульного оборудования ГТТ может служить проект подмены дизельных электрических станций в поселках Сангар и Жиганск (Республика Саха-Якутия, Наша родина) на электростанции ТЭС75/100, созданные для работы на местном ТТ (каменном угле, добываемом в шахте «Джебарики-Хая»).

Все создаваемое на сегодня ФГУП «ММПП «Салют» оборудование ГТТ, кроме оборудования «туннельного» типа, создано для автотермической паровоздушной среднетемпературной газификации при атмосферном давлении крупно-, средне- и тонкодисперсных ТТ в псевдостационарном опускающемся слое с сухим золоудалением и получением горючего ГГ с низкой теплотой сгорания для энергетических целей.

В базе технологического процесса газификации лежит способность органической части ТТ перебегать при определенных критериях из твердого состояния в газообразное с образованием монооксида углерода (угарного газа) и водорода. Предназначение оборудования ГТТ – сделать такие условия.

Одним из таких нужных критерий является процесс термохимической деструкции ТТ, именуемый пиролизом. Пиролиз снутри реакторов газогенераторов происходит в итоге нагрева горючего при отсутствии кислорода. Нагрев ТТ обеспечивается за счет окисления части газифицируемого горючего (около 10– 30 % зависимо от черт ТТ и оборудования газификации) без подвода теплоты снаружи. Отсутствие кислорода в зонах формирования ГГ и пиролиза (восстановительной зоне и зоне коксования) разъясняется тем, что подаваемые в реактор газифицирующие агенты, сбалансированы таким макаром, что весь находящийся в их кислород употребляется в зоне окисления (зоне горения).

В процессах пиролиза ТТ, происходящего при температуре около 400– 900 °С, и взаимодействия товаров пиролиза с кислородом газифицирующих агентов при температуре около 900–1 350 °С по экзотермическим хим реакциям С + О2 = СО2 + + 409 кДж/моль и 2С + О2 = 2СО + Рециклинговая часть ТБО, подвергаемая возвращению в индустрия в качестве вторичных вещественных ресурсов (30–50 %) Горючая часть ТБО, подвергаемая газификации (сжиганию) с получением термический и (либо) электронной энергии (20–30 %) Биоразлагаемая часть ТБО, подвергаемая анаэробному (метанированию) и (либо) аэробному (компостированию) сбраживанию с получением биогаза и (либо) компоста (15–25 %) Неперерабатываемая часть ТБО, подвергаемая захоронению на полигонах жестких отходов (10–20 %) + 246 кДж / моль выделяется теплота. Эта теплота употребляется в процессах:

• сушки ТТ при температуре около 150–400 °С;

• взаимодействия товаров пиролиза с диоксидом углерода и водяным паром при температуре около 750–1 000 °С по эндотермическим хим реакциям (С + СО2 = = 2СО – 162 кДж/моль и С + Н2О = = СО + Н2–137 кДж/моль);

• обогрева газифицирующих агентов при температуре теплоносителей (товаров газификации) около 200–900 °С. В итоге вышеприведенных хим реакций происходит образование монооксида углерода и водорода – главных горючих компонент ГГ.

Результаты других хим реакций, имеющих место при газификации ТТ, ввиду их малозначительного воздействия на состав и калорийность ГГ можно не рассматривать. Условия, нужные для протекания хим реакций газификации и сопутствующих им процессов в соответственных зонах реактора, обеспечиваются правильной организацией тепломассообмена.

Таким макаром, при верно равновесных потоках горючего, инертного материала (при наличии) и газифицирующих агентов, подаваемых в реактор, также при правильной организации тепломассообмена снутри реактора начальное ТТ с довольно высочайшей эффективностью (КПД газификации – 0,65–0,9) пре- появляется в конечные продукты термохимической деструкции сложных органических веществ – горючий ГГ и жесткий зольный остаток. Необходимо отметить, что ТТ растительного происхождения, произведенное из специально выращиваемой быстрорастущей фитомассы (оранжерейные и фотобиореакторные водные растения, древесные, кустарниковые и травянистые «энергетические леса» и т.п.), также горючее, произведенное из отходов, являются возобновляемыми источниками энергии.

В связи с предпринимаемыми в текущее время усилиями мирового общества по понижению эмиссии (выбросов) парниковых газов броско, что эксплуатация энергетических установок на базе оборудования ГТТ, использующих ТТ из специально выращиваемой фитомассы, не приводит к увеличению концентрации углекислого газа в атмосфере. Это обосновано тем, что объем СО2, получаемый при сгорании ГГ, не превосходит объема диоксида углерода, поглощаемого растениями при их росте в процессе фотосинтеза. Таким макаром, ТТ из фито- массы является СО2-нейтральным топливом. Не считая того, если фитомассе дать возможность естественным образом разложиться на воздухе, то ввиду доминирования в этом процессе окислительных реакций произойдет выделение такого же объема углекислого газа, что и при ее газификации либо сжигании. На основании ст. 6 Киотского протокола (в ноябре 2009 г. Наша родина приняла новый механизм реализации этой статьи) организации, эксплуатирующие СО2-нейтральное оборудование, имеют право реализации соответственных квот на выбросы углекислого газа.

Еще одним принципиальным преимуществом ТТ из фитомассы перед другими, в особенности ископаемыми, видами топлив является практически полное отсутствие в нем серы (S) и других вредных для оборудования ГТТ и среды хим частей и соединений.

Если рассматривать вопрос в принципе, то получаемый в итоге газификации ТТ генераторный газ может употребляться в системах лучистого подогрева (при условии внедрения горелок инфракрасного излучения, работающих на ГГ), в качестве котельного горючего в котлах различного предназначения (при условии внедрения особых горелок для сжигания ГГ), также как горючее движков внутреннего (при условии внедрения оборудования чистки и остывания ГГ) и наружного (при условии внедрения горелок, подобных котельным) сгорания.

Последний тип мотора следует признать желаемым исходя из убеждений эффективности и экономичности использования ГГ. Это обосновано тем, что в итоге понижения (или снятия совершенно) требований по чистке ГГ не только лишь упрощается и удешевляется оборудование газоочистки, да и увеличивается теплотворная способность газа за счет содержащихся в нем горючих низко- и высокомолекулярных органических соединений (к примеру, спиртов и в особенности смол). Не считая того, в связи со снятием требований по остыванию ГГ сразу с экономией на соответственном оборудовании и хладагентах собственный вклад в нагрев рабочего тела энергоустановок с наружными камерами сгорания занесет и физическое тепло жаркого ГГ.

Ввиду наличия водорода в составе ГГ последний может также рассматриваться в качестве энергоэлемента для получающих все большее распространение топливных частей (fuelcells).

Очередной многообещающий вариант внедрения оборудования ГТТ в сфере «зеленой» энергетики – создание «симбиоза» с фотобиореакторами для выкармливания водных растений в целях получения биотоплива. В данном случае конечные продукты газификации употребляются для сотворения хороших критерий роста, жизнедеятельности, размножения и наращивания фитомассы водных растений (электроэнергия – для питания автономных источников света, термическая энергия – для сотворения подходящего температурного режима, углекислый газ – для обеспечения реакции фотосинтеза, азот и минерализованный зольный остаток – в качестве составляющих питательной среды). Из отходов производства биотоплива, в свою очередь, может формироваться горючее для газификации, а выделяемый при фотосинтезе кислород из фотобиореакторов – подаваться в реакторы-газогенераторы, исключая «кислородное отравление» водных растений. При таковой технологической схеме растить водные растения и создавать биотопливо можно безпрерывно в базисном режиме (без остановок на ночь и понижения объемов выработки зимой), в том числе в местах с недостатком солнечного света и тепла, и без использования централизованных систем энергоснабжения.

Технологический процесс генерирования электронной и (либо) термический энергии методом газификации возобновляемых источников энергии (специально выращиваемой быстрорастущей фитомассы и отходов различного происхождения) представлен на рис. 2.

Не считая того, нужно решить задачку утилизации (обезвреживания) вторичных отходов (эффлюента), показавшихся в процессе подготовки и газификации ТТ, генерирования электронной и (либо) термический энергии.

Часть вторичных отходов (к примеру, водянистые отходы, образующиеся в процессе чистки ГГ) может быть утилизирована при помощи источника их возникновения (оборудования ГТТ).

При всем этом вторичные отходы можно рассматривать и в качестве сырья для получения дополнительных товарных товаров. Так, твердые продукты газоочистки и зольный остаток (шлам) можно использовать при производстве строй материалов (зольный гравий, асфальтобетон, цементные консистенции, бетоны и т.п.) и изделий (кирпичи, блоки и т.п.), заносить в почву в качестве удобрений, раскислителей и стабилизаторов, использовать при ландшафтном строительстве и в других схожих целях. Водянистые отходы в виде газового конденсата (фугата) могут служить сырьем для синтеза разных хим соединений, в том числе искусственных водянистых топлив.

В итоге проведенных экспериментальных и теоретических исследовательских работ было показано, что применяемый способ термохимической переработки ТТ отличается высочайшим энергетическим КПД и позволяет резко понизить образование ядовитых товаров горения, сначала диоксинов, полиароматических углеводородов и сажи. Это было доказано в промышленном масштабе на примере переработки промышленных отходов (опытно-промышленная установка в г. Электростали, Столичная обл., Наша родина) и жестких бытовых отходов (мусороперерабатывающийминизавод в г. Лаппеенранта, Финляндия).

На технологию газификации получено заключение Русской гос экологической экспертизы, подтверждающее технологическую безопасность и конструктивную надежность применяемого оборудования (приказ МПР Рф от 22 января 2002 г. № 15).

В 2004 г. Русским научно-исследовательским центром чрезвычайных ситуаций Минздрава РФ были проведены анализы хим состава генераторного и дымовых газов, также зольного остатка и дана оценка воздействия установки на окружающую среду.

На 5-м Международном форуме «Высокие технологии ХХI века» (апрель 2004 г.) проект «Установка по переработке жестких бытовых отходов способом паровоздушной газификации» занял 1-ое место.

На установку газификации ТТ получены сертификат соответствия № 6540155 от 05.09.05 г. и патент на полезную модель «Комплекс для переработки жестких бытовых отходов» № 61844 от 14 августа 2006 г.

На установку для получения энергии (модульную твердотопливную электрическую станцию ТЭС-100) получен патент на изобретение № 2342542 от 27 декабря 2008 г.

Рис. 2. Технологический процесс генерирования электронной и (либо) термический энергии методом газификации возобновляемых источников энергии

Данная статья является отрывком из книжки «Газификация конденсированных топлив: ретроспективный обзор, современное состояние дел и перспективы развития». Полный вариант к вышел в издательствах «Инфра-Инженерия»(электрическая версия — http://infra-e.ru/books/YEnergetika/960.html ) и «Агрорус XXI» (картонная версия — www.agroxxi-shop.ru).