Применение экологически чистых газогенераторных технологий для утилизации местных топлив Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

химия торфа и сапропеля, проблемы их переработки и комплексного использования. Мат-лы VII Междукар науч. технич. конф. Ч. II. Тверь, 1994. С. 58-59.

5. Масленников Б.И., Киселева С.А. Физико-химические основы применения торфа в ионообменное технологии и адсорбционных процессах // Торф, промышленность. 1989. № 5. С. 23-25.

6. Михайлов А. В., Колосов Н. А., Сологуб В. Я. Смешанные торфомине-ральные составы для очисто сточных вод // Физиохимия торфа и сапропеля, проблемы их переработки и комплексного использование Мат-лы VII Мсждунар. науч.-техн. конф. Ч. II. Тверь, 1994. С. 47-48.

ПРИМЕНЕНИЕ ЭКОЛОГИЧЕСКИ ЧИСТЫХ ГАЗОГЕНЕРАТОРНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ ДЛЯ УТИЛИЗАЦИИ МЕСТНЫХ ТОПЛИВ

РЫЖКОВА. Ф., КОСТЮНИН В. В.. СИЛИН в. е., лувсандоржж.

Уральский государственный технический университет - УПИ

1. Топливный потенциал растительной биомассы и торфа

Уральский регион обладает большими запасами местных топливных ресурсов (МТЭР) естественного (торф, бурый уголь, штыб тощих углей, древесина и т. д.) и техногенного (нсфтекокс. промышленные и бытовые отходы) гроисхождения. В южных степных районах имеются знач»-тсльпые запасы отходов переработки сельскохозяйственной продукции (солома и др.). Особое место среди МТЭР по экономическому, топливному и экологическому потенциалу занимает БМЦТ -растительная биомасса многолетнего цикла БМЦ (в первую очередь древесные отходы) и торо (Т). В Свердловской области растительная биомасса многолетнего цикла БМЦ в виде древесных отходов лссопереработки составляет 0,3 - 0,8 млн т/год, является одним из наиболее дешевых ш доступных источников возобновляемой энергии и имеет практически повсеместное распространение, а залежи торфа можно разрабатывать практически вблизи каждого населенного пункта (табх

О-

Таблица I

Распространенность источников возобновляемой энергии

Город Количество месторождений Запасы торфа. тыс. м

Березовский 39 230.312

В. Пышма 30 666.060

Ивдель 10 1.183.076

Карпинск 5 496.332

Красноуральск 17 517.309

Первоуральск 10 89.998

Ккатеринбург 22 102.724

'Габоринекий р-н 34 12.098.577

Своевременное вовлечение БМЦТ в хозяйственную деятельность может решить проблем) топливообеспечсния коммунально-бытового и частично промышленного секторов региона экологически чистым топливом на многие десятилетия.

Однако энергетическое использование БМЦТ сдерживается низкой разработанностью месторождений, неразвитостью инфраструктуры, отсутствием современной машиностроительной базы (горнодобывающей, энергомашиностроительной) и современных технологий их использования.

Ситуацию усугубляют потребность в больших инновационных вложениях, незрелость общества и отсутствие у местных админ истраций и хозяйственных элит экономической заинтересованности и должной инициативы по развитию производительных сил собственного региона местными силами.

2. Экологический потенциал биомассы и торфа

2.1. БМЦТ как фактор уменьшения техногенной нагрузки ТЭК

Доля ТЭК в техногенной нагрузке на окружающую среду в 2000 году составила 38,0 %, в том числе в выбросе диоксида серы SO2 - 50 %, диоксида азота NOx - 66 %, пентаоксида ванадия V2Oj - 7,7 %. В котельных Свердловской области - 12,8 % тепла вырабатывается на наиболее экологически «грязных» и дорогих топливах - угле и мазуте, а 30 % - на электроэнергии, е-ырабаты-ваемой в значительной мере из них же (более 50 %). При этом доля экологически чистых местных топлив - дров, торфа - составляет по калорийности всего 1,28 %.

Экологический потенциал БМЦТ определяется величиной уменьшения выбросов, которое произойдет при замещении угля и мазута. Конкретная реализация этого потенциала зависит от принятой технологии. Замещение угля, мазута на БМЦТ в традиционных котельных с одностадийным сжиганием уменьшит плату за загрязнение природной среды в 10 раз. Переход к сжиганию БМЦТ по двухстадийной газогенераторной технологии уменьшит плату за загрязнение окружающей среды более чем в 50 раз.

Разработка торфяных месторождений снизит опасность бесконтрольного самовозгорания торфа.

Бесконтрольными их оставлять нельзя и по иным причинам, поскольку, будучи ценным сырьевым ресурсом, в условиях глобализации экономики БМЦТ могут интенсивно вымываться из региона (как, например, торф из северо-западных регионов России и из Прибалтики и др.).

3. Разработка экологически чистых и эффективных газогенераторных установок

На кафедрах ТЭС и энергосбережения производится отработка элементов современной технологии экологически чистого энергетического использования твердых топлив в газовом цикле (газификаторы, системы очистки и охлаждения, горелки бедного газа, системы смешения газа и воздуха).

Созданы:

• универсальный газогенераторный предтопок на биотопливе (торф - полубрикет), предназначенный для обслуживания отопительного котла тепловой мощностью 70 кВт.

• экспериментальный стенд «Газогенераторная мини-ТЭЦ-ДВС на местном топливе».

3.1. Исследование работы газогенераторного котла

На базе схемы прямого процесса со средним отбором создан и испытан универсальный газогенераторный предтопок на биотопливе (торф - полубрикет), предназначенный для обслуживания отопительного котла тепловой мощностью 70 кВт.

Температуры в зонах горения Т'^» 1100 °С и газификации * 850 °С обеспечивают бесшла-ковочный режим работы.

Генераторный газ с температурой 360 - 400 °С дожигается в муфеле при температуре Т"г«* = 950 - 1250 °С. Температура уходящих газов за теплообменником 150 - 180 °С.

Установка обеспечивает широкий диапазон регулирования тепловой мощности посредством изменения расхода воздуха. Коэффициенты расхода воздуха на установке могут меняться в следующих пределах: первичного си «0.71 - 0.73, вторичного - ctj. =1.35 - 5.07, общего - а = 1.10 -2.10. В рабочем диапазоне а*. =1.35-2.10 тепловая мощность, отводимая с водой, варьировала в пределах от 17 до 90 кВт.

Если коэффициент расхода при сжигании генераторного газа под котлом или в ДВС поддерживать в оптимальных пределах (<»2 ■ 1.10 - 1.15), то общий коэффициент расхода будет снижаться до минимальных значений (а3 1.03 - 1.04), доступных энергетическим котлам на природном газе (что существенно меньше, чем для котлов со слоевой топкой).

С другой стороны, сохраняя близкую к минимальной для слоевых топок эмиссию С02 (при а» 1.30), можно легко поддерживать в газопотребителе относительно высокий коэффициент расхода воздуха (<*2-2.30), что, например, бы пост необходимо при регулировании тепловой мощности

агрегата.

3.2. Экспериментальный стенд <гГазогенераторная мини-ТЭЦ-ДВС на местном топливе»

Св

Г

т

Ф

а

и

Стенд оснащен опытной газогенераторной установкой обращенного процесса мощностью топливу 200 кВт, предназначенной для газификации биотоплив влажностью Wp=30-40 %,

мой «мокрой» газоочистки, карбюраторным д| телсм внутреннего сгорания, переведенным сжигание бедного газа, и электрогенератором.

ГГ (см. рис.) состоит из топливной шахты I наружным /внутренним диаметром 876/764 « высотой 2000 мм с камерой газификации (7) метром 438 мм в нижней части. С целью умет ния тепловых потерь шахта заключена в де рубашку. Рубашка представляет собой протиЕ ный рекуперативный теплообменник, вые щий функции первичного охладителя газа и к ©температурного воздухоподогревателя. Бл] ря такому решению газ в зоне 3 интенсивно ждается до температуры - 500 °С и попадает в I тему газоочистки при температуре ~ 250 °С, а дух подается в слой (через фурмы 2) при темг туре - 350 - 400 °С. Количество теплоты, возвращаемое с воздухом, составляет 40 % от фк ского тепла генераторного газа, а потери через неизолированную стенку сведены до нормг (5-7%).

На стенде было проведено две серии испытаний (6 экспериментов в первой серии и 8 -второй), в которых за счет изменения конструктивных (Д, </с) и режимных (расход воздуха) I метров варьировались Ь„ температурный режим, количество и состав генераторного газа. Во экспериментах Н,я 400 мм.

Экспериментальные результаты приведены в табл. 2.

Схема газогенераторной установки обращенного процесса

Табл»

Результаты исследования работы газогенератора обращенного процесса

Параметр Размерность Режим

низкотемпературный высоко тема.

Топливо Торфчюл)брикст Дрели пая чурка Древе*, им чурка |

Состав газа %

СО 8-17 8-14 23-30

СО, 10-15 6-9 Не замерялс*

о2 0-1 0-2

н2 Не замерялся 18-20

СН, Не замерялся 2,0-2,5

Калорийность газа сухого газа МДж/м' 4,2 3,8 5,0-6.8

Температура газов на выходе из газогснератора С 150-230 190-260 200-270

Расход топлива кг/ч 30-60 30-60 30-60

Расход первичного воздуха м'/ч 55-70 50-80 50-100

Расход газа м3/ч 60-110 88-125

Температура в зоне С

пиролиза 400 Не замерялись 700

горения 1100 До 1500

восстановления 700 950

Тепловая мощность по топливу ^- кВт 103-206 87-175 103-206

В результате анализа экспериментальных данных было условно выделено 2 режима ГГ - высокотемпературный и низкотемпературный.

Хараетсристики режимов приведены в та5л. 3, 4.

Таблица 3

Характеристики газогенератора в различных режимах работы

Характсриаяка Размерность Режим

высокотемпературный низкотемпературный

Массовая интенсивность процесса кг/(м2ч) 400 200

Температура первичного воздуха С 380 250

Расход воздуха нм'/ч 50-100 50-80

Скорость воздуха в соплах м/с 25-50 30-48

Среднерасходная скорость по сечению камеры газификации м/с 0,23-0,46 0.08-0.13

СО/СОг фактический 3.0-3.2 1.7-2.0

(С(УуСО: фактический 102.4 21.8

(СО/СОг расчетный 84 1

Вынос пыли и смолы г/им3 6.0 6.4

Диаметр камеры газификации мм 438 768

Высота зоны газификации мм 400 400

Химический КПД % 81.6 62

Таблица 4

Сравнительные данные по установкам основных современных р»фя6о1чиков гак генераторов обращенного типа

Установка УГТУ-УПИ (21 ИТГ НАНУ |11 СПбГТУГЗ! 141

Процесс Высокотемп. Низкотемпературный

Вид топлива Древесная чурка 60x60x100 мм Торф-полубрикег 40x40x60 мм Древесная чурка 15x15x40 мм Древесные отходы Древесная чурка 40*40x60 мм

Влажность % 35 35-40 15-20 25-50 10-15

Температура в зоне, °С

сушки 180 150 150-180 70-200

пиролиза 600-700 400 380-460 200-600

горения 1300-1500 1100 950-1050 1100-1250

газификации 900-950 700 600-650 750-800

Удельная теплотворная способность генераторного газа, ккал/нм3 с. г. 1750 1000 1200 1400

Тепловая мощность. кВт 140 90 50 580

Химический КПД газогенератора п 81.6 62 71,2 79

Высокотемпературная газификация (температу ра в зоне газификации 7].= 1500 °С) КПД газификации Г|„=81,6 %. В целом показатели близки к показателям горнового процесса (например, разработки ВТИ), но с сохранением сухого шлакоудаления и повышенного КПД.

Низкотемпературная газификация (температура в зоне газификации 7>1100 °С) проводится при небольших теплонапряжениях и без форсировки дутья. КПД газификации 1^=62 %. В этом режиме работает сегодня основная масса ГГ обращенного процесса (примеры см. табл. 4) на неподготовленных тоШ1 ивах (торфяном и древесном).

Вследствие повышенной температуры эффективность высокотемпературного процесса в 1,32 раза выше, чем низкотемпературного (ЛпД1>гт=1»32) при одинаковых расходах воздуха, топлива и генераторного газа.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Борисов И. И.. Халатов А. А.. Геяетуха Г. Г. и др. Характеристики газогенератора обращенного па тепловой мощностью 50 кВт, работающего на лрсвссных отходах // Промышленная теплотехника. 19е*! Т.20. Хг I.C. 50-53.

2. Гсиогенераторные технологии - перспективное направление исполыования биототив / лов Н. И., Рыжков А. Ф., Балдин В. Ю. и др. // Материалы 1-й в Украине Международной конф. «Энергия биомассы». CD-ROM издание. Раздел «Газификация, пиролиз. Жидкие топлива». Киев, 2002.

3. ЗысимЛ. В.. Кошкин И. Л., Op-ioe Е. И. и др. Исследование совместной работы дизеля и газогенератора, перерабатывающего растительную биомассу //Теплоэнергетика. 2002. № 1. С. 14-19.

4. Мезин И. С. Транспортные газогенераторы, 1948.

РЕЗУЛЬТАТЫ ПРОМЫШЛЕННЫХ ИСПЫТАНИЙ ПРИМЕНЕНИЯ ТОРФЯНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ БРИКЕТОВ ПРИ ВЫПЛАВКЕ КРИСТАЛЛИЧЕСКОГО КРЕМНИЯ

ШКОЛЬНИКОВ А. Р.. ФИЛИППОВА. В. КОЖИНОВА. М. ООО «СУАЛ-Крсмний - Урал» ГРЕВЦЕВ Н. В., АЛЕКСАНДРОВ Б. М. Уральская государственная горно-геологическая академия

К настоящему времени сложились определенные предпосылки к началу нового этапа развития металлургического использования торфа, в основном связанные с резким удорожанием д чи и переработки углеродистого топлива и возрастанием транспортных расходов, что опред особую актуальность рационального и эффективного освоения местных ресурсов, к которым традиционно относится торф.

В рамках сформулированной проблемы на протяжении ряда лет проводились опытно-промышленные испытания различных углеродистых восстановителей, а именно кускового торфа и торфяных углеродистых композиций для выплавки кристаллического кремния на ООО «С У АЛ - Кремний -Урал».

На первом этапе работ была установлена эффективность применения кускового торфа выплавки кремния. Для производства опытных плавок использовался малозольный куск торф, добытый фрезформовочным способом машинами МТК-12 и МТК-16 на Широкоречен-ском, Исетско-Аятском и Лосином торфопредприятиях. Выбор торфяного сырья осуществлялся требований к готовой продукции по зольности, содержанию кальция, железа и алюминия (табл.! по отношению |уминовых кислот (ГК) к легкогидролизуемым веществам торфа, определяю« прочность формованной продукции.

Оценка пригодности торфа для использования его в качестве углеродистого восстановк при выплавке кремния должна проводиться с учетом органической и минеральной частей, хим» ческого состава, структурных характеристик, содержания зольных элементов, поглотительной ионообменной способности, степени замещенности поглощающего комплекса катиона содержания гуминовых веществ в органической части и др.

Таблица

Характеристика сырья для производства углеродистого восстановителя

Торфопрсл-ириятис

Тип торфа

Зольности Ае.%

Химический состав золы, %

SiO:

К«*©,

CaO

AljOj

ГК.%

ЛГ.Ч

Лосиное

Верховой Переходный

1.5 4.2

14,7 11,7

10,8 36Л

31,3 24,8

5,1 5,8

26,1 25,8

33,7 ill

Широко-рсченскос

Верховой

1.4

10,5

17,1

42,6

8,9

30,2

30,4

Исетско-Аятскос

Переходный

5,3

12,1

18,6

35,6

5.4

36,0

25,7