Биоэнергетика. Мир и Россия. Биогаз. Теория и практика. Монография - Евгений Панцхава

4.1.4. Коммерческие и демонстрационные установки газификации биомассы с целью выработки теплоты в Европейских странах и США [4–5]

Газификация БМ с целью получения тепловой энергии достигла коммерческого уровня. Наиболее известными сегодня являются газификаторы с ВДГ Bioneer компании Bioneer Oy (теперь Foster Wheeler Energia Oy, Финляндия) и реакторы PRM Energy Systems, Inc. (США), газификаторы с ЦКС Pyroflow компании A. Ahlstrom Oy (теперь Foster Wheeler Energia Oy) а также компаний Lurgi Energie und Umwelt (Германия) и TPS Termiska Processer AB (Швеция). Foster Wheeler Energia Oy входит в состав Foster Wheeler Corporation с главным офисом в США [3]. Кроме упомянутых выше, в мире имеется около 25 производителей газификаторов с НДГ и более 10 производителей газификаторов с КС и ЦКС; ряд компаний выпускает реакторы с ВДГ и другие виды. Производители газификаторов с НДГ – это, в основном, мелкие компании, выпускающие газификационные системы небольшой мощности (ректор + двигатель внутреннего сгорания) и уже соорудившие 1–2 демонстрационные установки. Среди крупных производителей газификаторов можно выделить PRIMENERGY Inc. (США, ВДГ), Babcock & Wilcox Volund ApS (Дания, ВДГ), KARA Energy Systems BV (Нидерланды, НДГ, КС), Kvaerner Pulping AB Power Division (Швеция, ЦКС), Future Energy GmbH (Германия, НДГ, газификация в потоке). На установках, производящих только тепловую энергию, генераторный газ, в основном, сжигается в котлах или используется в печах для обжига извести. [4–5].

4.1.4.1. Газификатор Bioneer с восходящим движением газа

Газификатор Bioneer с ВДГ разработан в Финляндии компанией VTT в сотрудничестве с SME Company. Bioneer проводит низкокалорийный генераторный газ с большим содержанием смол. Генераторный газ может применяться на тепловых станциях 1…15 МВтт и мини-ТЕЦ 1…3 МВтэ, на дизельных электростанциях после каталитической очистки. В 1982–1986 гг. были построены девять газификаторов Bioneer (4…5 МВтт) и введены в эксплуатацию на коммерческом уровне в Финляндии и Швеции: восемь – на тепловых станциях малой мощности, один – в паре с сушильной печью. Газификаторы Bioneer полностью автоматизированы. В настоящее время технология газификации, подобная Bioneer, предлагается также компанией Carbona Oy (Финляндия) [4–5].

В целом, газификация в плотном слое с ВДГ проявила себя как надежная и экономически жизнеспособная технология для использования на тепловых станциях небольшой мощности. Требования к качеству сырья соответствуют способу применения генераторного газасжигание в котле. Наиболее подходящим топливом является древесная щепа, тогда как газификация измельченной коры, опилок и измельченной строительной древесины вызывает определенные проблемы.

4.1.4.2. Газификатор Pyroflow с циркулирующим кипящим слоем

Газификатор Pyroflow с ЦКС разработан компанией A. Ahlstrom Oy. Первый коммерческий газификатор мощностью 35 МВтт был установлен в 1983 г. для обжиговой печи компании Wisaforest Oy (Финляндия). После этого еще три газификатора мощностью 15…35 Мвтт были установлены для коммерческого использования полученного газа в обжиговых печах в Швеции и Португалии.

Простая технология газификации, реализованная на ТЭЦ Kymijarvi, подходит только для древесной биомассы и чистой горючей части отходов. При такой техноогии много золы вместе с генераторным газом попадает в угольный котел. Использование ряда других потенциальных видов биомассы (солома, энергетические культуры) и отходов (промышленные, ТБО) практически невозможно, поскольку они содержат большое количество хлора, щелочных металлов и алюминия, которые вызывают коррозию и засорение трактов котла 4–5].

4.1.4.3. Газификатор Lurgi с циркулирующим кипящим слоем

Немецкая компания Lurgi Energie und Umwelt является известным разработчиком и производителем газификаторов с циркулирующим кипящим слоем. Первый коммерческий газификатор мощностью 27 МВтт был установлен в 1987 г. на крупной бумажной фабрике в Австрии и работал на древесной коре. Процесс газификации протекал при давлении около 1 бара, проведенный ГГ частично охлаждался и сжигался в печи для обжига извести. С 1996 г. реактор Lurgi 100 МВтт эксплуатируется на цементном заводе в Rudersdorf (Германия). Генераторный газ используется в кальцинаторе цементной печи, обеспечивая 30…40 % необходимой тепловой энергии. Зола применяется для производства цемента. Газификатор работает только на достаточно чистой биомассе (древесных отходах). Lurgi имеет также установки на электростанциях в Нидерландах и Италии.[4–5].

4.1.4.4. Газификатор PRM Energy Systems с восходящим движением газа

PRM Energy Systems (США) уже более 20 лет специализируется на коммерческих газификаторах ВДГ и имеет 19 установок, работающих на пяти континентах мира. Ежегодно на этих установках перерабатывается около 500 тыс. т биомассы, в основном, рисовой шелухи.

Как правило, произведенная тепловая энергия используется в промышленных сушильных аппаратах или в промышленных технологических процессах в виде насыщенного пара низкого давления. Ряд установок также вырабатывают электроэнергию. Первые два коммерческих газификатора были внедрены на крупной фабрике по переработке риса в 1982 г. в США. Произведенный ГГ сжигается в котле, замещая потребление природного газа, а пар используется в сушильных аппаратах. С 1985 г. газификаторы этой компании работают в Австралии, с 1987 г. – в Малайзии, с 1995 г. – в Коста-Рике.

Одна из последних установок PRM Energy Systems (4 МВтэ) построена в 2003 г. в Rossano (Италия). Она состоит из газификатора PRMES KC-18, системы охлаждения, очистки и контроля качества генераторного газа, а также шести газовых двигателей Guascor S.A. (Испания). Газификатор работает на жмыхе маслин (потребление 4500 кг/час) без какой-либо предварительной подготовки сырья.[5–5].

4.1.4.5.Другие газификаторы

Организация Wamsler Umwelttechnik GmbH (теперь Hugo Petersen Umwel-tengineering, Германия) имеет успешный опыт работ по созданию газификационных установок с нисходящим движением газа. В 1994 г. три такие установки тепловой мощностью 0,6…1,5 МВт были запущены в Германии, с 1998 г. работает демонстрационная установка мощностью 0,6 МВт. Wamsler также имеет опыт в очистке генераторного газа в скрубберах и эксплуатации газодизельного двигателя мощностью 200 кВтэ, работающего на генераторном газе.[5–5].

Институт технологий газа (Institute of Gas Technology, США) и фирма Enviropower Inc. (совместное предприятие Tampella Power Systems, Финляндия, и Vattenfall AB, Швеция), теперь Carbona Inc. (Финляндия), провели работы по доведению до коммерческого уровня технологии газификации БМ под давлением с использованием парогазотурбинных установок. В рамках этой программы в г. Тамере (Финляндия) была сооружена и в 1993 г. запущена пилотная установка с газификатором Tampella ЦКС мощностью 15 МВтт. Установка использовалась для отработки газификации под давлением и производства тепловой энергии. Было наработано более 2000 часов и переработано более 5000 т сырья. Сырьем для газификации служит смесь кокса, биомассы и угля. Биомасса представляет собой различные виды древесных отходов, солому и стебли люцерны. Сырье подвергается предварительному измельчению и просушке. Газификация протекает при температуре 850 °C и давлении 20 бар. [5].

Совместные работы Института технологий газа и Carbona Inc. закончились созданием коммерческого газификатора IGT RENUGASTM. Газификация в этом реакторе проходит при температуре 840…950 °C. Дутьем является смесь воздуха и пара. В настоящее время установка мощностью 8 МВтэ действует на сахарном заводе в Paia, Гавайи (мощность по сухому сырью 50 т/день).

4.1.5. Сжижение

Производство жидкого топлива из биомассы путем термической конверсии: термический пиролиз или газификация в присутствии катализаторов. Реакции происходит так, чтобы в качестве основного продукта получалось жидкое топливо, и при этом можно производить уголь и газ.

4.1.6. Быстрый пиролиз

Биомасса в течение короткого времени подвергается воздействию экстремально высоких температур (700… 1 400 °C), в результате которого происходят быстрое разложение исходных продуктов и образование новых соединений: этанола, пропилена, углеводородов, близких к бензину. Газ, получаемый с помощью быстрого пиролиза, содержит водород, метан, этилен, пропилен. Использование быстрого пиролиза биомассы выгоднее, чем пиролиза угля, так как биомасса содержит значительно меньше золы, и ее можно подвергнуть воздействию более низких температур. Этому направлению, очевидно, принадлежит будущее. [4–2]

4.1.7. Синтез

Каталитический синтез метанола из газов, образующихся при термической конверсии биомассы. Изменяя температуру и давление, а также используя уникальные катализаторы, кроме метанола можно получить целый ряд других соединений. Промежуточные соединения образуются и из лигнина. Из 1 т древесины можно синтезировать 410…540 л метанола. Если синтез производить в присутствии водорода, получающегося при электролизе воды, то выход метанола увеличивается до 1 400 л. [4–2].

4.1.8. Синтетические топлива

В газификаторах, использующих кислород вместо воздуха, можно получать газ, состоящий преимущественно из H2, CO и CO2. Представляет интерес то обстоятельство, что после удаления СО2 можно получить так называемый синтез-газ, из которого в свою очередь можно синтезировать практически любое углеводородное сырье. В частности, при взаимодействии Н2 и СО получается чистый метан. Другим возможным продуктом является метанол – жидкий углеводород с теплотворной способностью 23 ГДж/т. Производство метанола требует организации сложного химического процесса с высокими температурами и давлением и дорогого оборудования. Несмотря на это, интерес к производству метанола объясняется тем, что он представляет собой ценный продукт – жидкое топливо, способное непосредственно заменить бензин. В настоящее время производство метанола с использованием синтез-газа не является коммерческим. Однако технология существует для использования угля в качестве сырья. Она была развита странами, имеющими большой угольный потенциал, в периоды перебоев с поставками нефти. [4]. Разработан процесс ожижения растительной биомассы методом гидрогенизации при 350 °C под давлением водорода при 6,4 МПа. Из 1 т биомассы получают 24 кг синтетической нефти и 160 кг остатка типа асфальта.[6]. Одним из методов получения жидких моторных топлив является термическое растворение древесины в нефтяных фракциях при 380–450 °C под давлением 10,0 МПа. При этом происходит ожижение древесины.[4–6] В США имеется экспериментальная установка, где из 1000 кг древесной щепы получается 300 кг топлива типа сырой нефти. Процесс ведут при давлении 28 МПа и температуре 350–375 °C. В качестве катализатора применяют карбонат натрия.[4–6]