Малая
Энергетика. Мини-ТЭЦ на альтернативных видах топлива с использованием
метода фильтрационного горения в сверхадиабатических режимах.
Северо-Западный Международный
Центр чистых производств и переработки отходов предлагает реализацию
проектов строительства мини-ТЭЦ на основе конверсионной технологии
термической переработки различных видов горючих отходов. Данная
технология обеспечивает высокоэффективную, экологически чистую
утилизацию твёрдых отходов с весьма низким содержанием углерода
(от 10%) и высокой влажностью (до 60%). К числу таких отходов
относятся: несортированные ТБО, отходы медицинских учреждений,
целлюлозно-бумажной промышленности, торфо- и лесозаготовки, золоотвалы
ТЭЦ и предприятий металлургии, иловые осадки от зачистки рек и
каналов, низкосортные угли, и прочие.
На основе этой технологии
налажено производство универсального оборудования для термической
переработки твёрдых горючих материалов (ТГМ) и получения тепловой
и электрической энергии с высоким КПД (до 95%). При этом небольшие
материальные затраты обеспечивают экологическую чистоту процесса
утилизации. Помимо утилизации отходов и некондиционных (низкокалорийных)
видов топлива применяемое оборудование позволяет извлекать из
отходов вторичные продукты и возвращать их в оборот.
Так, при переработке
нефтешламов и нефтеотходов обеспечивается возврат нефтепродуктов
в количествах до 50% веса перерабатываемого материала.
В процессе переработки
изношенных шин и других резиновых отходов извлекаются металлокорд,
порошок окиси цинка, нефтеподобное пиролизное масло и горючий
газ. При переработке авторезины до 40-50% её исходного веса составляют
вновь полученные материалы (изопреновые каучуки, смолы или алигомеры).
Образующийся горючий газ идёт на выработку тепловой и электрической
энергии.
При утилизации сланцевых
отходов, помимо тепла и электроэнергии, обеспечивается производство
(в объёме до 40-50% веса исходного сырья) смол, жидких компонентов,
соответствующих по своему составу бензину Аи-66.
Новая технология открывает
возможности для использования низкосортных видов углей, в том
числе бурых углей как альтернативных видов топлива в экологически
чистой малой энергетике. Позволяет по-новому оценить имеющиеся
ресурсы сырья и топлива, отходов и отвалов, накопившихся за многие
годы традиционной добычи полезных ископаемых, а также начать модернизацию
технически устаревших угольных котельных.
Применяемый в технологии
метод основан на использовании нового физического явления -фильтрационного
горения в сверхадиабатических режимах. При таких режимах температура
в зоне реакции существенно превышает адиабатическую (расчетную
по классической термодинамике) температуру. При этом повышение
температуры в зоне реакции носит ярко выраженный резонансный характер.
Целенаправленное использование
сверхадиабатических режимов в процессах газификации открывает
широкие возможности для:
- экологически допустимой утилизации разного рода горючих отходов;
- создания чистых мини-ТЭЦ («малой» энергетики) на альтернативных
видах топлива;
- модернизации существующих экологически грязных угольных котельных.
Предлагаемая технология
термической переработки построена на двухстадийной схеме (общий
вид на рис.1). На первой стадии перерабатываемый твёрдый материал
подвергается паро-воздушной газификации в сверхадиабатическом
режиме горения, в результате чего образуется газообразное топливо
(энергетический продукт-газ). Получаемый газ по химическому составу
содержит водород Н2, окись углерода СО и, в ряде случаев, углеводороды
или другие органические соединения. Этот газ сжигается на второй
стадии в обычных устройствах (например, паровых, водогрейных котлах
либо автономных газогенераторных станциях) с получением тепловой
и электрической энергии.
Газификацию твердых
отходов осуществляют в реакторе-газификаторе шахтного типа. Режим
сверхадиабатического горения происходит в т.н. «плотном» слое.
Специфической особенностью данного процесса является то, что выделяющееся
при горении тепло не выводится из реактора (твердые и газообразные
продукты выходят из реактора при относительно низких температурах,
менее 150С). Основное тепло с температурой 1000 - 1200С концентрируется
в средней части газификатора и расходуется на получение энергетического
продукт-газа (водорода из воды и, частично, окиси углерода из
углеродосодержащих соединений).
Рис.1.
Общая схема процесса термической переработки твёрдых горючих отходов
с получением тепловой и электрической энергии
Перерабатываемое сырье загружается в реактор сверху через шлюзовую
камеру. Снизу подаются воздух и водяной пар. Отбор продукт-газа
происходит в верхней части реактора, а выгрузка зольного остатка
– в нижней. Продвижение рабочей массы в реакторе происходит под
действием собственного веса.
По высоте газификатора
располагается несколько характерных зон. В самых верхних слоях
температура держится в пределах 100-200°С. Здесь происходит подсушка
вновь поступившего сырья, продуваемого продукт-газом. В результате
продукт-газ до некоторой степени насыщается водяным паром.
Ниже располагается зона,
где преобладают процессы пиролиза и возгонки. В бескислородной
среде происходит термическое разложение и коксование органической
массы. Здесь продукт-газ обогащается летучими продуктами пиролиза.
В средней части реактора
располагается зона газификации, где при температурах 1000-1200°С
происходит реакция взаимодействия коксового остатка с кислородом,
парами воды и двуокисью углерода с образованием СО и Н2. Некоторая
часть углерода сгорает полностью с образованием углекислого газа
СО2, за счет чего в зоне газификации поддерживается необходимая
температура.
Ниже находится зона,
где твердый остаток, состоящий в основном из минеральных соединений,
постепенно охлаждается в потоке газифицирующего агента, богатого
кислородом. Здесь догорают остатки органических соединений и углерода,
и горючие материалы полностью превращаются в золу. В самой нижней
части реактора лежит зона окончательного охлаждения твердого остатка
до температуры около 100°С.
Преимущества по сравнению
с методами прямого сжигания:
(1) процесс газификации имеет высокий энергетический КПД (до 95%),
позволяющий перерабатывать материалы с малым содержанием горючих
составляющих (с зольностью до 90%) или с высокой влажностью (до
60%; однако, оптимальная влажность: 25 – 30%);
(2) низкие линейные
скорости газового потока в реакторе и его фильтрация через слой
исходного перерабатываемого материала обеспечивают крайне низкий
вынос пылевых частиц с продукт-газом, что дает возможность значительно
сократить капитальные затраты на газоочистное и энергетическое
оборудование;
(3) в некоторых случаях,
когда необходимо проводить очистку газовых выбросов от соединений
серы, хлора или фтора, пыли, паров ртути, очищать продукт-газ
оказывается проще, чем дымовые газы, благодаря низкой температуре,
меньшему объёму и более высокой концентрации загрязнителей; кроме
того, сера присутствует в продукт-газе в восстановленных формах
(H2S, COS), которые много проще поглотить, чем SO2;
(4) при газификации
происходит частичное разложение азотсодержащих органических соединений
в бескислородной среде, что дает меньшее количество окислов азота
в дымовых газах;
(5) сжигание газа в
современных газовых горелках – наиболее чистый способ сжигания
из всех известных; за счет высокой полноты сгорания дымовые газы
содержат чрезвычайно мало окиси углерода и остаточных углеводородов;
(6) выбор оборудования
для утилизации тепла при сжигании продукт-газа не ограничивается
паровым или водяным котлом, также возможно применение автономных
газопоршневых мини-ТЭЦ;
(7) предлагаемая схема
переработки легче вписывается в имеющуюся промышленную инфраструктуру,
например, продукт-газ может подаваться в имеющуюся топку для замены
части кондиционного топлива;
(8) сжигание в две стадии
позволяет резко уменьшить образование диоксинов (полихлорированных
дибензодиоксинов и дибензофуранов), относящихся к группе стойких
органических загрязнителей; даже при наличии соединений хлора
двухстадийный процесс сжигания подавляет появление в дымовых газах
ароматических соединений (предшественников диоксинов) и тем самым
обеспечивает низкое содержание пылевых частиц (катализаторов образования
диоксинов в дымовых газах);
(9) зола, выгружаемая
из реактора, имеет низкую температуру и практически не содержит
недогоревшего углерода;
(10) при утилизации
некоторых видов отходов имеется возможность извлечения (методом
пиролиза) из продукт-газа товарных материалов (нефти, бензина
и пр.) для последующего их использования.
На основе метода газификации
конденсированных топлив в режиме сверхадиабатического горения
специалистами разработан ряд технологий утилизации низкосортных
топлив и горючих отходов с одновременным получением энергии, в
том числе процессы:
- Газификации низкосортных
углей и угольных отходов;
- Утилизации нефтешламов и нефтеотходов широкого спектра с дополнительным
получением нефтеподобного пиролизного масла;
- Переработки древесных отходов непосредственно в леспромхозах;
- Утилизации отходов, иловых осадков целлюлозно-бумажной промышленности
(в т.ч. лигнина) с получением пиролизных смол;
- Переработки ила биологической очистки канализационных стоков;
- Утилизации твердых бытовых и промышленных отходов, в том числе
лакокрасочных отходов, отходов полимеров, отработанных фильтров,
промасленных опилок и ветоши, отходов химического производства;
- Переработки больничных отходов непосредственно в больницах;
- Переработки биомассы.
Вышеперечисленные процессы
отработаны на пилотных установках.
Все технологические
методы запатентованы в России и в некоторых странах за границей.
Отработанные процессы
могут быть реализованы в установках с газификаторами периодического
действия (при небольшом объеме перерабатываемого материала) либо
с газификаторами непрерывного действия. К настоящему времени созданы
и работают:
Установка периодического
действия для переработки маслоотходов металлургического производства
производительностью 120 кг в час по горючей массе (твёрдые горючие
отходы образуются путём пропитки пористой основы – кусков шамотного
кирпича – жидкими масляными отходами). Установка потребляет 300-400
м3 воздуха и до 100 кг пара в час, размеры реактора – рабочий
диаметр 1 м, высота 3 м (см. рис. 2).
Установка для переработки
твердых бытовых отходов (ТБО) с реактором-газификатором непрерывного
действия производительностью 2 тонны в час (см. рис. 3). Установка
потребляет 1800 м3 воздуха и до 700 кг пара в час; годовая тепловая
мощность получаемая при сжигании продукт-газа - 6 МВт; размеры
реактора-газификатора – рабочий диаметр 1.5 м, высота 7.3 м. Вырабатываемая
при переработке ТБО тепловая энергия используется для нужд горячего
водоснабжения предприятия (поселка, города).
В ходе испытаний установки
были тщательно определены характеристики газовых выбросов. Их
величины подтвердили высокую экологическую чистоту процесса при
сжигании ТБО: так концентрация диоксинов в дымовых газах не превышает
существующих европейских норм на ПДВ (Европейские нормативы в
соответствии с 17.BlmSch V от декабря 1990 г. составляют 1-10-7
г/м3 ).
Производительность установки
мусоросжигания может наращиваться путем установки нескольких модулей-реакторов
вышеуказанного размера.
Технико-экономические характеристики
реактора-газификатора
№ Характеристика
Единица измерения Значение
1. Технологическая производительность т/час (т/год) 2,14 (15 000)
2. Энергетический КПД по переделу топливо / продукт-газ % не менее
90
3. Тепловая мощность на горелках (при низшей калорийности ТБО
равной 11200 МДж) Мвт 6 Мвт
4. Годовое производство тепла Гкал 36 160 Гкал
5. Срок эксплуатации (при соответствующем техническом обслуживании)
год 15 и более
6. Время непрерывной работы реактора час/год 7000
7. Высота от уровня фундамента м 14
8. Нагрузка на фундамент при загруженном реакторе т/реактор менее
60
9. Технические данные реактора-газификатора:
Внутренний диаметр
м 1,5
Наружный диаметр м
2,6
Высота рабочего объема
м 7,3
10. Занимаемая площадь
(без участка приема отходов):
Модуль из одного реактора
(8*35) м м2 280
11. Температура продукт-газа °С менее 150
12. Температура золы °С менее 100
13. Максимальный размер кусков сырья мм 200
14. Затраты на эксплуатацию:
Персонал (4 смены по
2 человека) 8 чел
Обслуживание. Профилактический
уход и ремонт 2-4 % от кап. вложений
Электроэнергия Квт/час
50
Расходные материалы
газификации
Природный газ (дежурная
горелка по нормам ЕЭС) 5 м3/час
Техническая вода (или
мятый пар) до 1т/час (без энергоблока)
Шамот т/год до 3
В настоящее время ведется
разработка реакторов иных типоразмеров. Остальное оборудование,
включающее, в том числе энергетическое и очистное оборудование
комплектуется по заданию заказчика, в том числе из имеющегося
в производстве. Если требуется, то производится модернизация этого
оборудования. Кроме того в комплекте может поставляться газогенераторная
установка, работающая на получаемом продукт-газе и предназначенная
для выработки тепловой и электроэнергии.
Рис. 2. Установка
УСМ-1
Общая схема мусоросжигающего производства включает (в зависимости
от необходимой мощности): - от 2-3 до 10 газификаторов; - необходимое
энергетическое оборудование, состав которого определяется заказчиком
(водогрейные или паровые котлы, паровые турбины с электрогенераторами
и т.п.); систему очистки дымовых газов, необходимость которой
определяется, исходя из состава перерабатываемого сырья (содержания
в нем серы, хлора, фтора и др.). Содержание токсичных веществ
в дымовых газах гарантируется на уровне (или ниже) европейских
норм. Если по условиям заказчика требования к выбросам более жесткие,
они могут быть обеспечены и должны определяться специальным техническим
заданием. В комплект может быть также включено различного рода
вспомогательное оборудование.
Вместе с тем, модульный
принцип, заложенный в проекте, позволяет обеспечить гибкую структуру
реализации технологического процесса. Например, если в распоряжении
заказчика имеется необходимое энергетическое оборудование (действующая
ТЭЦ, котельная и т.п. с необходимой инфраструктурой), то используются
только реакторы-газификаторы, а получаемый энергетический газ
сжигается в существующих котлоагрегатах, заменяя полностью или
частично природный газ, мазут или твердое топливо на этих станциях.
В таком случае капитальные затраты могут быть снижены более чем
в два раза.
Производство, предназначенное
для мусоросжигания, является универсальным и может использоваться
также для переработки других типов горючих отходов. При этом могут
потребоваться некоторые дополнительные внешние устройства и изменение
регламента проведения процесса.
Сравнительные ценовые
характеристики завода выглядят следующим образом: если типовой
мусоросжигательный завод европейского производства в пересчёте
на 1 тонну в год установленной мощности стоит более 1000 долларов
США, то аналогичный по мощности (на примере рассмотренного, производительностью
2 тонны в час) российский будет стоить 200 - 300 долларов США
на 1 тонну установленной мощности в год. При этом обеспечиваются
все необходимые европейские нормативы по предельно допустимым
выбросам в окружающую среду диоксинов и иных загрязнителей.
Изготовление, поставка,
монтаж и наладка оборудования осуществляется в течение одного
года с момента заключения контракта, при наличии подготовленной
заказчиком площадки для монтажа оборудования.
Предконтрактные и проектные
работы, сопровождение проекта осуществляется автономной некоммерческой
организацией «Северо-Западный Международный Центр чистых производств»
(Санкт-Петербург), опирающейся на поддержку Комитета Государственной
Думы по экологии и специализированных учреждений ООН (UNIDO /
UNDP).
Ввод в эксплуатацию,
обучение персонала, все стадии развития проекта и гарантийное
обслуживание выполняется квалифицированными специалистами– разработчиками
и изготовителями оборудования.
Рис. 3 Установка для
переработки ТБО с реактором-газификатором непрерывного действия
В разработанной схеме обеспечивается высокая
экологическая чистота : твердый
остаток от сжигания (зола) может быть безопасно захоронен. В качестве
варианта процесса утилизации, может быть применена технология
остекловывания золы. Тем самым исключается возможное «выщелачивание»
тяжелых металлов.
В
настоящее время установки для переработки твёрдых горючих отходов
(материалов) могут изготавливаться под заказ на 3-х заводах (два
из них – в Москве и один – в Финляндии).
Предлагаемая
технология вызвала большой интерес за рубежом, особенно, в Европе,
Америке и Японии. Просьба о строительстве подобного завода поступила
от специалистов Ирландии, где основное местное топливо – торф.
Активность проявляет Япония, поскольку в этой стране имеется намерение
провести реконструкцию 500 собственных мусоросжигательных заводов.
Все они были построены по старым технологиям, что стало причиной
наличия в организме местного населения повышенного содержания
диоксинов. Австрия заинтересовалась покупкой установок и строительством
мусоросжигательных заводов как в своей стране, так и в Южной Германии.
Разработанный метод
утилизации горючих отходов удостоен Гран-при международного салона
промышленной собственности «Архимед – 2000».
Пример краткого технико-коммерческого
предложения
Объект:
Тепловая электростанция (ТЭС), работающая на вторичном возобновляемом
топливе для энергоснабжения города на 50 тыс. жителей.
Преимущества.
Важнейшим преимуществом предлагаемого проекта строительства ТЭС
с комплексами «газификатор-паровой котёл» является оценённый в
денежном выражении социальный эффект от экологически допустимого
и дешёвого уничтожения (переработки) отходов.
Эффект выражается в
компенсации стоимости земельных участков, отчуждаемых в настоящее
время под полигоны-накопители отходов, экономии средств на рекультивацию
земель и очистку несанкционированных свалок различных отходов.
Одновременно открывается
перспектива решения проблемы построения малой энергетики на базе
местных нетрадиционных и возобновляемых источников топлива.
ТЭС, построенные по
такому принципу, являются экономически эффективными (самоокупаемыми).
Характеристика объекта.
1. ТЭС включает в себя:
- 2 специализированных комплекса «газификатор-паровой котёл»,
каждый их которых состоит их двух (трёх) газификаторов, газифицирующих
низкосортное топливо – ТБО на паровоздушном дутье;
- паровой котёл, использующий низкокалорийный газ в виде топлива;
паропроизводительность котла 32 тонны в час; параметры пара: Ро
= 40 кгс/см2; температура пара t = 440 C
Поставка комплекса «газификатор - паровой котёл» может быть осуществлена
как российскими, так и зарубежными производителями по техническому
заданию и инжинирингу, разработанным имеющимися в наличии компаниями.
2. Топливо: твёрдые бытовые отходы. В дальнейшем, по мере освоения
данного комплекса в качестве топлива возможно использование твёрдых
промышленных отходов, изношенных автомобильных шин, отходы целлюлозно-бумажной
промышленности, и другие.
3. Паровые турбины с турбогенераторами: четыре (4) блочные паротурбинные
установки П – 1,5 – 40 - /8КР с номинальной мощностью 1500 кВт
каждая (4 х 1500 = 6000 кВт) и производственным отбором пара на
нужды газификаторов, со вспомогательными системами.
4. Системы очистки и отвода дымовых газов.
5. Автоматизированная система управления технологическими процессами.
6. Здания и сооружения со всеми необходимыми системами функционирования
тепловой электростанции и выдачи электрической мощности.
Основные показатели
и характеристики ТЭО
1. Установленная электрическая
мощность (УМ) 6 МВт
2. Количество часов
использования УМ 8 000 час/год
3. Топливо ТБО, включая
отходы сельского и пищевого производства
4. Годовой расход топлива
75 000 тонн/год
5. Общая расчётная стоимость
строительства (максим.) 12,5 – 13,8 млн. US$
6. Окупаемость капитальных
вложений (максимально) 6,7 года
7. Строительство осуществляется
на условиях «под ключ» - за 24 месяца со дня подписания контракта.
Назад
