Использование и газификация биомассы в специальных реакторах

Процесс газификации

Одним из эффективных направлений использования в энергетике биомасс как твердого топлива, о чем подробно показано выше, кроме прямого сжигания в топках, является их предварительная переработка в горючие газы в специальных реакторах различного назначения. Полученный в газогенераторах газ может быть использован как топливо в энергетических установках. Такой метод использования биомасс в промышленных энергетических установках широко используется с начала ХХ столетия как за рубежом, так и в России. Топливом для газификатора могут служить:

• лесные отходы, в том числе древесные отходы, опилки, кора, обрезки деревьев, щепа и др.;
• сельскохозяйственные отходы самого широкого ассортимента, включая даже такие, как стержни кукурузы, льняные отходы, отходы сахарного тростника, шелуха кофе, скорлупа орехов.

Наиболее оптимальным составом биомассы, предназначенной для переработки в газификаторе, являются:

• среднее содержание влаги – менее 50%;
• средняя теплота сгорания – не менее 9,8 МДж/кг;
• средний фракционный состав сырья – 12,7…76,2 мм;
• температура плавления золы – не менее 1150°С;
• содержание золы – 6…10%;
• высокая реакционная способность – V^daf = 70%;
• однородный элементный состав органической части.

Используемый в газогенераторе материал должен подвергаться предварительной обработке:

• дробление отходов лесопереработки до приемлемого фракционного состава;
• измельчение материала до указанного выше диапазона;
• окомкование мелких фракций до указанных выше размеров;
• сушка материала до содержания влаги меньше 50 %.

Основным элементом в системе газификации биомассы является специальный аппарат, который называют конвертор, реактор, газогенератор или газификатор.

Классификация газификаторов обычно производится в соответствии с характером перерабатываемого углеродсодержащего материала. К основным типам газогенераторов, предназначенным для периодической и непрерывной газификации, относятся реакторы с неподвижным (стационарным) и движущимся слоем сырья, с перемешивающимся слоем сырья, с псевдоожиженным слоем, с проталкивающим и циркулирующим (вращающимся) слоем как и для угольного топлива.

В реактор подается топливо вместе с ограниченным количеством воздуха (меньше теоретически необходимого для сжигания или для полного сгорания). Тепло для газификации вырабатывается за счет частичного сжигания подаваемого материала. В газификаторе происходит термохимическое превращение биомассы с зонами окисления, восстановления, газификации, пиролиза и сушки. В качестве окислителя используется воздух, пар, кислород или их комбинация. В газификаторе с воздушным дутьем получается низкокалорийный газ с теплотой сгорания 3,0…5,6 МДж/м³,а в газификаторе с кислородным дутьем – среднекалорийный газ с теплотой сгорания 7,5…13,0 МДж/м³.

Газификаторы для биомассы могут изготавливаться для работы при атмосферном или более высоком давлении. С повышением давления производительность генератора увеличивается.

Температуры в реакторе с подвижным слоем сырья по зонам составляют:

• зона окисления t = 820…1480°С;
• зона газификации t = 820…1100°С;
• зона пиролиза t = 430…820°С;
• зона удаления летучих фракций (пары смолы, низкомолекулярные органические вещества, остаточная жидкость) – t = 200…430°С.

При добавлении к воздуху (при воздушном дутье) водяного пара получается водяной газ (СО + Н₂).

В целом в процессе газификации биомассы в состав газа в разной пропорции входят: СО₂, СО, Н₂, СН₄, С₂Н₄, С₃Н₆, NН₃, Н₂S, N₂, Н₂О, пары смолы, низкомолекулярные органические жидкости.

Система для газификации биомассы состоит в основном из реактора, в который подается топливо вместе с ограниченным количеством воздуха (меньше теоретически необходимого для сжигания или для полного сгорания). Тепло для газификации вырабатывается за счет частичного сжигания подаваемого материала. Полученная в результате химическая структура топлива и внутренние реакции приводят к созданию горючего газа, который обычно называется «генераторным газом». Теплотворная способность этого газа варьируется от 4,0 до 6,0 МДж/нм³.

Реакторы, внедряемые за рубежом

В табл.1 показаны внедренные за рубежом установки с газификаторами с неподвижным слоем для биомассы. Табл.2 иллюстрирует состояние внедрения за рубежом относительно крупных ТЭЦ (мощностью 10…80 МВт) при совместном сжигании.

Газификаторы с неподвижным слоем

Ниже дана подборка либо уже эксплуатируемых установок, либо тех, сооружение которых подходит к концу.

Таблица 1

Подборка существующих газификаторов с неподвижным слоем

Таблица 2

Совместное сжигание с предварительной подготовкой биомассы.
Крупные станции, осуществляющие совместное сжигание

Таблица 3

Станции ПГУ с ВГЦ

Станции с парогазовой установкой (ПГУ) с внутрицикловой газификацией угля (ВГЦ) отрабатываются как демонстрационные установки.

Демонстрации успешно прошли в Вернамо (Швеция); Австрии и др.

Далее следуют статьи по данной теме:

• Использование биомассы на основе термохимической газификации
• Газогенерация для крупных энергетических установок
• Газогенераторные установки для газификации твердых топлив
• Влияние физико-химических свойств топлива на процесс его газификации
• Технологии промышленной энергетики России и СНГ