Создание новых образцов техники, способных ввязывать в оборот местные энергоресурсы очень животрепещуще. Мотивация этого направления почти во всем разъясняется устойчивым ростом цен на газ и нефть. Потому в мире ведется насыщенный поиск других энергоресурсов.

С определенной разработкой установки локального энергообеспечения участников VII научно-технической конференции «Препядствия использования других видов горючего в строительном комплексе Республики Беларусь» ознакомил Геннадий Иванович Журавский — доктор технических наук, доктор, заведующий отделением ГНУ «Институт тепло- и массообмена  им.А.В. Лыкова» НАН Беларуси.

В связи с устойчивым ростом цен на газ и нефть, в мире ведется насыщенный поиск других энергоресурсов. Одним из возможных источников такового вида энергии представляется энергия, выделяемая при сгорании биомассы (древесная порода, отходы производства и переработки сельскохозяйственной продукции, быстрорастущие лесные культуры) и горючих технологических отходов. Потому разработка и выпуск новых образцов техники, способных ввязывать в оборот местные энергоресурсы с целью замещения импортируемых, очень животрепещуща.

Получение электроэнергии в данной цепочке преобразований является оканчивающим звеном, что наделяет разрабатываемую технику исключительными потребительскими плюсами. Но, как показал анализ трудности, имеющиеся технологии переработки биомассы и горючих технологических отходов с целью получения горючего существенно устарели и не отвечают современным требованиям по экологическим, экономическим и техническим показателям. В связи с этим, в ряде государств мира (Канада. Наша родина, США, Германия, Финляндия, Швеция и др.) приняты муниципальные программки по разработке высокоэффективных технологий производства горючего из биомассы и горючих органических отходов.

Одним из многообещающих направлений сотворения таких технологий представляется получение горючих газов из биомассы и горючих органических отходов с следующим их внедрением в когенерационных установках для получения термический и электронной энергии.

Сначала XX столетия газификация угля, торфа и древесной породы являлась одним из главных способов производства горючего газа. Газификация осуществлялась в особых аппаратах, именуемых конверторами, реакторами, газогенераторами либо газификаторами. Получаемый горючий газ нередко содержал значимые количества жестких частиц и потому конкретно мог быть применен исключительно в котельных, обжигательных печах и других топках и только после остывания, чистки и сушки в качестве горючего в движках внутреннего сгорания.

Более обширное промышленное развитие газификация получила к началу 60-х годов прошедшего столетия. Но вследствие резвого роста добычи природного газа, развития сети газоснабжения и ужесточения требований к охране среды газификацию фактически не стали использовать. В ближайшее время в связи с необходимостью экономии тех либо других видов углеводородного горючего возрос энтузиазм к горючим газам на базе биомассы и горючих органических отходов. Газ может быть получен методом газификации разных видов биомассы и горючих органических отходов:

— органических бытовых отходов, в том числе бумаги, резины,травки;

— отходов лесозаготовки и деревопереработ-ки, в том числе коры, обрезков деревьев, щепы, опилок и древесного угля;

— сельскохозяйственных отходов, в том числе травы злаковых культур и рапса, стеблей кукурузы, льняных отходов, рисовой шелухи, скорлупы орехов и др.

При всем этом приобретенный газ обладает удельной теплотой сгорания от 4 до 20 МДж/м3 (теплота сгорания природного газа 33-36 МДж/м3). В критериях значимого увеличения цен на жидкое горючее и природный газ особенное значение приобретает возможность их замещения газом, получаемого из биомассы и горючих технологических отходов. Одной из таких способностей является внедрение генераторного газа для производства тепла и электроэнергии малыми автономными когенерационными установками, роль которых в развитии локального энергообеспечения компаний и личных потребителей в наиблежайшие годы будет возрастать.

Новизна разработки заключается в разработке двузонного газогенераторного модуля обращенного процесса горения, имеющего возможность термохимической переработки многокомпонентного сырья с целью понижения концентрации сернистых соединений в получаемом газе за счет их хе-мосорбции с компонентами золы горючего (СаО + S02 + 0,5О2 -> CaS04), увеличения теплоты сгорания вырабатываемого газа и понижения вредных выбросов в окружающую атмосферу по сопоставлению с известными твердотопливными котлами.

Отличительной особенностью разработки является конструкция газогенератора, которая обеспечивает возможность совместной газификации жестких и водянистых отходов, в том числе древесной породы, рапсовой травы и томных остатков нефтепродуктов и смол. Горючие растительные отходы в виде пеллет, брикетов либо в размельченном виде будут подаваться в газогенератор в автоматическом режиме. Увеличение термический эффективности газогенераторного модуля (КПД до 90 %) будет обеспечено за счет подготовительного обогрева воздушного дутья и использования тепла отработавшей парогазовой консистенции. Нужный ресурс работы и экологичность установки будут обеспечены многоступенчатой системой чистки газа и товаров его сгорания. Внедрение бензинового двигателя позволит расширить область внедрения агрегатов, потому что их эксплуатация в силу безопасности (в отличие от паро- и газотурбинных установок) будет доступна более широкому кругу юзеров.

Дополнительное тепло от остывания генераторного газа в теплообменнике агрегата может употребляться для отопления (водяное либо воздушное) либо на технологические нужды. Термическая эффективность газогенератора, КПД которого на 6 % выше, чем у макета, определяется возвратом назад в топочную зону части тепла от нагретых отработавших газов и понижения теплопотерь при их следующей транспортировке в охлажденном виде. Увеличение калорийности получаемого газа (выше, чем у наилучших узнаваемых аналогов) обеспечено совместной газификацией жестких и водянистых отходов, в том числе травы, древесной щепы и опилок, мазута, смол и других отходов в размельченном виде либо при их подготовительном брикетировании, также более полном термохимическом разложением отходов на легкие горючие составляющие в двух-зонной топочной камере.

Оборудование позволит получать генераторный газ с теплотой сгорания более 6,3 МДж/м3 и жаропроизводительностью до 2000 °С (у природного газа жаропроизводительность добивается 2050 °С). По удельному расходу горючего разработка соответствует наилучшим мировым образчикам техники. Данный газоэлектротеплогенератор будет владеть большей рентабельностью, чем известные аналоги, вследствие удешевления его производства за счет подмены дорогих коррозионностойких сталей на темные с относительно дешевыми защитными покрытиями.

Финансовая эффективность технологии и оборудования определяется экономией топливных ресурсов.

При эксплуатации оборудования для газификации древесных отходов с расходом Мт = 0,33 кг/с и теплотой сгорания гт = 10200 кДж/кг выходит генераторный газ с расходом Gr = 0,6 м3/с и теплотой сгорания г. = 4175 кДж/м3 при обычных критериях. Эффективность базисного варианта оборудования составляет: к. п. д. = Gr-rr / (Мт-гт) = 0,6-4175 / /(0,33 10 200) = 71 %.

Издержки горючего при всем этом составляют: 0,33 кг/0,6 м3 = 0,55 кг горючего/м3 = 14-Ю5 кг/кДж.

При установке рекуперирующего теплообменника назад через обогрев воздуха в камеру газификации можно вернуть тепло выходящих из газификатора генераторных газов в количестве:

N = cGr(tBx-tBbix) = 504KBT, (1)

где с = 1,4 кДж/(м3-град) — теплоемкость генераторного газа;

Gr = 0,6 м3/с — расход газа;

tBX = 720 °С — температура газа на входе в рекуператор;

tBbix = 120 °С — температура газа на выходе из рекуператора.

Эффективность базисного варианта оборудования с рекуператором повысится до к. п. д. = Gr-r/(MT-rT- N) = 83 %. При всем этом для получения газа с таким же расходом будет нужно горючего Мтр = (Мт-гт -N)/rT fa (0,33-10200 — 504) / / 10200 = 0,28 кг/с.

Издержки горючего составят 0,28 кг/0,6 м3 = 0,47 кг/м3 = 11,8-105 кг/кДж.

В качестве горючего может использовать смесь отходов древесной породы (травы и т. п.) с отходами нефтепродуктов (переработанные масла, мазут). Смесь горючего, состоящая из 85 древесной породы и 15 % углеводородных отходов с теплотой сгорания 35 700 кДж/кг будет иметь общую теплоту сгорания гт = 14000 кДж/кг = 0,48-103 ту.т./кг. Из нее получится генераторный газ с выходом 1,8 м3/кг и теплотворной способностью 6300 кДж/м3.

Эффективность разрабатываемого оборудования составит:

— без рекуперации: к. п. д. = 1,8 • 6300 /14 000 = = 81 %, издержки горючего будут 1 кг/1,8 м3 = = 0,56 кг/м3 газа = 8,8-105 кг/кДж;

— с рекуперацией: к. п. д. = 1,8 • 6300 (14000 — 1460) = 90 %, при этом расход горючего будет М = 0,33 • 14 000 — 504 / 14 000 = 0,30 кг/с.

Удельные издержки горючего составят 0,30 кг/0,6 м3 = 0,5 кг/м3 газа = 7,9-105 кг/кДж производимого тепла. В целом экономичность разрабатываемого оборудования по сопоставлению с базисным по горючему составит

(14-10″5 — 7,9-Ю-5) / 14-Ю-5 = 43 %.

При выработке электроэнергии от электрогенератора с к.п.д. 80 % на окончательном шаге, присоединенного к движку внутреннего сгорания с к. п. д. 30 %, вырабатываемая электроэнергия составит 0,8 • 0,3 » 24 % от приобретенной термический энергии от сжигания генераторного газа в движке, другими словами для выработки электроэнергии мощностью 1 кВт нужно затратить 1/0,24 = 4,2 кВт термический мощности от сжигания в движке генераторного газа либо горючего в газогенераторе с расходом 4,2 кВт-7,9-10-5 кг/кДж = 0,33-103 кг/с. Для электрогенератора мощностью 100 кВт нужен бензиновый двигатель мощностью 140 кВт и газогенератор с теплопроизводительностью по вырабатываемому газу 400 кВт с расходом реального многокомпозитного горючего до 0,03 кг/с.

На 400 кВт приобретенной термический мощности и электронной до 100 кВт за один год при трехсменной работе и коэффициенте годичный загрузки, равном 0,5, у юзера будет израсходовано горючего в виде местных отходов 500 т/год, что заместит импортируемые топливные ресурсы в эквиваленте 600 т у.т./год. Потому что 1 т у.т. энергетически эквивалентна 840 м3 природного газа ценой 500 USD за 1000 м3, то юзер агрегата мощностью 100 кВт за один год сбережет на импортируемых топливных ресурсах по теплу 600-840 м3/т у.т. • 500 USD/1000 м3 = = 252 000 USD/год. При таком вовлечении в оборот местных отходов у юзера будет выработано 100 кВт • 24 ч/сут. • 0,5 • 365 сут. = = 438 000 кВт-ч = 376 Гкал термический энергии либо 105 000 кВт-ч электронной энергии ценой 10 500 USD при стоимости электроэнергии 0,1 USD/(kBt-h).

При стоимости агрегата с термический мощностью в 400 кВт до 100 000 USD и эксплуатационных расходах до 2000 USD за месяц издержки юзера окупятся наименее чем за один год при использовании собственных отходов.

Рекламные исследования демонстрируют, что главным потребителем новейшей техники могут являться предприятия индустрии строй материалов, сельского хозяйства и жилищно-коммунального хозяйства, также потребители, удаленные от централизованных систем энергообеспечения.

На состоявшейся конференции была представлена схема опытнейшего эталона газогенератора, разработанного для получения термический энергии, адаптированного для работы на горючем, представляющем из себя смесь горючих производственных отходов нефиксированного состава. К ним, а именно, относится обтирочный материал, грязный нефтепродуктами, отходы пластика различных видов, в том числе пленочного целофана и пропилена, отходы лакокрасочных средств, древесные отходы, картонно-бумажные упаковочные отходы, кухонно-пищевые отходы, отходы горюче-смазочных материалов и др.

Этот газогенератор имеет термическую мощность 200 кВт и габариты (без бойлера с водой, не показанного на рисунке) длиной 1,9 м, шириной 1,1 м и высотой 3,0 м. По принципу деяния в базу оборудования заложена конструкция шахтного газогенератора Пинча. Образующиеся продукты сухой перегонки (смолы, кислоты) проходят через активный слой горючего (зона восстановления) сверху вниз, отчасти сгорают, а отчасти подвергаются крекинг-процессу (распадаются с выделением горючих газов), по этому исключается засмоление выходящего газового тракта с получением обессмоленного газа.

Генераторный газ из камеры газификации подается на дожигание в жаровую трубу. Подача первичного и вторичного воздуха регулируется надлежащими 2-мя заслонками. Рабочий объем начальной топливной консистенции содержится в бункере. Негорючая минеральная фракция и зола скапливаются в зольнике под колосниковой решеткой. Дверца служит для повторяющейся чистки зольника. Первичный розжиг генератора осуществляется через горловину с дверью. Герметично прилегающая крышка бункера делает также функцию взрывного клапана. Жаркие продукты сгорания, выходящие из жаровой трубы, подаются в теплообменник бойлера с водой для скопления и следующего употребления термический энергии. Габариты бойлера: длина 2,8 м, ширина 5,7 м, высота 2,9 м, емкость по воде 25 м3.