W003360 ВКР Эксплуатации систем газоснабжения

Содержание

Введение 5

1. Обзор современного состояния 6

1.1. Газификация и пиролиз биомассы 6

1.2. Термохимические явления в газификаторе 9

1.3. Анализ установок пиролиза и газификации биомассы 11

2. Конструкторско – технологический раздел 23

2.1. Расчет и определение основных размеров газификатора 23

2.2.Расчёт и подбор вспомогательного оборудования 27

3. Техническая эксплуатация и ремонт основного и вспомогательного оборудования 35

3.1. Эксплуатации систем газоснабжения 35

3.1.1. Растопка котла из холодного резерва 38

3.1.2. Растопка котла из неостывшего состояния 41

3.2. Техническое обслуживание 42

3.2.1. Контрольный осмотр технического состояния 42

3.2.2 Текущее техническое обслуживание 45

3.2.3. Регламентированное техническое обслуживание 46

3.3. Ремонт основного и вспомогательного оборудования 47

3.3.1. Текущий ремонт оборудования 47

3.3.2. Капитальный ремонт 48

4. Экологичность и безопасность 50

4.1. Промышленная безопасность. 50

4.2. Расчет выбросов вредных веществ от котельной 55

Заключение 58

Список использованных источников 59

Приложение 1 61

1. Обзор современного состояния

1.1. Газификация и пиролиз биомассы

Принципы газификации биомассы были известны уже с конца XVIII века, поначалу данная технология применялась для снабжения газом газовых фонарей. Во время Второй мировой войны устройства по газификации биомассы использовались для получения заменителя моторного топлива. Во время энергетического кризиса семидесятых и восьмидесятых годов ХХ столетия газификация биомассы также рассматривалась как альтернатива подорожавшему топливу, получаемому из нефтепродуктов. Кроме того появились газифицированные установки, применявшиеся для производства электрической энергии. Газификация топлив с низкими теплотой сгорания и качеством, используется, в основном, для производства высококалорийного «чистого» топлива.

Термохимическая газификация представляет собой процесс частичного окисления углеродсодержащего сырья, такого, как биомасса, торф или уголь с получением газообразного энергоносителя – генераторного газа. Полученный газ состоит из монооксида углерода, водорода, метана, диоксида углерода, небольшого количества углеводородных соединений более высокого порядка, таких как метан и этан, содержит пары воды, азот (при воздушном дутье) и различные примеси, такие как смолы, частицы углистого вещества и золы. В качестве окислителя при газификации могут использоваться воздух, кислород, пар или смеси этих веществ. Максимальная температура процесса составляет 800…1300 °С.

При воздушной газификации производится генераторный газ с высшей теплотой сгорания 4…6 МДж/нм 3 (низкокалорийный газ).

Этот газ можно сжигать в котлах, а после очистки – в газовых двигателях или турбинах, но он не пригоден для транспортировки по трубопроводу ввиду низкой энергетической плотности. Газификация с использованием кислорода даёт среднекалорийный газ (10…12 МДж/м 3 ), пригодный для ограниченной транспортировки по трубопроводу и для использования в качестве синтез-газа с целью получения метанола и газолина. Путём паровой (пиролитической) газификации может быть получен среднекалорийный газ с заметно большей теплотой сгорания (15…20 МДж/м 3 ). Достигается это в двухстадийном процессе, который реализуется в двух реакторах кипящего слоя.

Наиболее широко в настоящее время применяется воздушная газификация. При этом исключаются все затраты и трудности, связанные, во-первых, с производством и использованием кислорода, во-вторых, с необходимостью двух реакторов при паровой газификации [1].

По типу слоя сырья и способу подвода окислителя основные техно- логии могут быть разделены на газификацию в плотном (неподвижном) слое с восходящим (ВДГ) и нисходящим (НДГ) или поперечным горизонтальным движением газа, газификацию в кипящем слое (стационарный КС, ЦКС, два реактора КС) и газификацию в потоке (рис. 13). Детальная характеристика этих технологий приведена в [11].

Характерной чертой реактора с нисходящим движением газа является движение газа вниз через медленно опускающийся плотный слой сырья. Такая технология обеспечивает получение относительно чистого генераторного газа с содержанием смол 50…500 мг/нм3. Такой генераторный газ может использоваться в газодизельных электростанциях небольшой мощности. В газификаторах плотного слоя с восходящим движением газа биомасса, поступающая сверху вниз, сначала просушивается генераторным газом, который движется вверх. Затем твёрдое сырьё пиролизируется с образованием углистого вещества, которое продолжает двигаться вниз и проходит стадию газификации. Парообразные продукты пиролиза уносятся вверх горячим генераторным газом. Смолы, содержащиеся в этих продуктах, конденсируются на холодном опускающемся сырье или уносятся из реактора произведённым газом. В результате концентрация смол в генераторном газе увеличивается и может достигать 10.100 г/нм3. Ввиду значительного содержания смол, без дополнительной очистки газ может только сжигаться в котле, расположенном в непосредственной близости от установки. Газификаторы с поперечным движением газа в работе во многом сходны с газификаторами с нисходящим движением газа. В них воздух или смесь воздуха с водяным паром подводятся в реактор через боковую стенку в нижней части корпуса реактора. Готовый генераторный газ отводится из реактора с противоположной стороны. Широкого распространения газификаторы данной конструкции не получили.

Рис. 1.1. Принципиальные схемы газификационных реакторов: а – противоточная, б - прямоточная

Отличительными особенностями газификаторов с кипящим слоем по сравнению с реакторами плотного слоя являются высокие скорости тепло- и массопереноса и хорошее перемешивание твёрдой фазы, что обеспечивает высокие скорости реакции и близкую к постоянной температуру слоя. Частицы сырья здесь должны быть более мелкими, чем при газификации в плотном слое, т.е. необходимо дополнительное измельчение топлива. Реакторы с кипящим слоем – единственный вид газификаторов, работающих с изотермическим слоем сырья. В них производится генераторный газ с содержанием смол 5.10 г/нм3, что является средним показателем между газификацией в реакторах двух предыдущих типов.

При газификации в циркулирующем кипящем слое частицы, унесённые из реактора потоком газа, отделяются от генераторного газа в циклоне и возвращаются обратно в слой для увеличения степени конверсии углерода. Полученный в таком газификаторе газ в большинстве коммерческих приложений используется для сжигания в котлах. Технология газификации биомассы в кипящем слое и циркулирующем кипящем слое может быть реализована как при атмосферном, так и при повышенном давлении. Установка, работающая под давлением, является существенно более сложной и дорогостоящей по сравнению с атмосферной газификацией. Преимущества этой технологии проявляются при использовании в крупных парогазотурбинных установках с внутрицикловой газификацией биомассы. В этом случае не требуется дополнительного сжатия генераторного газа перед подачей в камеру сгорания газовой турбины. Установка с двумя реакторами кипящего слоя позволяет получить генераторный газ с более высокой теплотой сгорания, чем в более простом реакторе с кипящим слоем и только воздушным дутьём.

Первая схема по своей функции близка к пиролизеру. Теплота привносится здесь горячим песком, циркулирующим между двумя ректорами. Смесь генераторного газа, чистого вещества, золы и песка из газификатора поступает в циклон, где твёрдая фракция отделяется и попадает во второй реактор с кипящим слоем. Углистое вещество частично разлагается и частично сгорает, а нагретый песок возвращается в первый реактор. Произведённый генераторный газ имеет высокую теплоту сгорания, однако содержит много смол, поскольку процесс конверсии сырья близок к пиролитическому. При газификации в потоке частицы сырья захватываются потоком окислителя (обычно кислорода или пара). Образующаяся суспензия проходит по всей длине ректора, где и происходит процесс газификации. При газификации в потоке генераторный газ содержит мало смол.

Среди других видов реакторов [1] можно выделить реакторы с механическим перемещением слоя сырья (горизонтальный слой, наклонный слой, многокамерная печь, печь со шнеком и др.) Газификация в таких реакторах обычно является низкотемпературной.

Вращающаяся печь в основном используется для переработки отходов ввиду хорошего контакта газа и твёрдых частиц и хорошего перемешивания сырья. Необходима тщательно продуманная конструкция для предотвращения уноса твёрдых частиц.

Циклонные и вихревые реакторы имеют высокие скорости движения частиц и обеспечивают высокие скорости протекания реакций. Циклонные газификаторы отличаются простотой конструкции. Однако они лишь недавно стали применяться для конверсии биомассы, и такая технология ещё не до конца отработана.

1.2. Термохимические явления в газификаторе

В газификаторе происходит термохимическое превращение биомассы. Качество топливного газа определяется равновесием, которое достигается во время реакций. Визуальные наблюдения за реакциями, происходящими в газификаторе, позволяют понять их характер.

Допустим, что газификатор представляет собой вертикальную шахтную печь, наполненную биомассой в виде древесной щепы. Верх газификатора закрыт таким образом, что воздух в него не проникает. Внизу газификатора на решётчатом дне размещена древесная щепа. В газификаторе имеется система подачи воздуха или водяного пара. Древесина поджигается от специального источника пламени. После воспламенения щепы в газификаторе образуются четыре реакционные зоны (рис. 1.2). Ближе к полу газификатора находится зона окисления, а за ней следуют зоны восстановления, пиролиза и сушки [1].

Условия равновесия в зоне зависят от температуры и давления. Степень приближения к равновесию зависит от взаимодействия твёрдых и газообразных веществ и времени пребывания сырья в реакционной зоне. Количество образующегося метана (СН4) зависит от температуры и давления, при которых происходит реакция; высокое давление и низкая температура способствуют образованию СН4.

В зоне окисления углеродсодержащее вещество окисляется кислородом воздуха, образуя СО2. Эта экзотермическая реакция имеет существенное значение для обеспечения тепла, необходимого для завершения реакций в зонах восстановления, пиролиза и сушки. Поскольку какая-то часть углеродсодержащего сырья используется для сгорания, КПД газификации, рассчитанный без учёта физического тепла топливного газа, редко превышает 70%. Однако тепловой КПД газификации, в процессе которой получаются пиротопливо и углистое вещество, как правило, больше 70%.

Реакция окисления С + О2 → СО2 протекает очень быстро и строго ограничена массопереносом. Хорошо спроектированный газификатор имеет довольно узкую и глубокую (7,6…12,7 см) зогорения. В некоторых случаях к воздуху добавляется водяной пар и получают водяной газ: С + Н2О → СО + Н2. При конденсации водяных паров эта реакция является в какой-то мере экзотермической, в противном случае пар не конденсируется и мы имеем дело с эндотермической реакцией. Протекание реакции Н2О → Н2 + (1/2)О2 зависит от температуры.

В связи с тем, что количество воздуха, нагнетаемого в зоокисления, меньше, чем требуется для протекания соответствующей реакции, образующиеся в газификаторе продукты сгорания содержат небольшое количество кислорода или не содержат его вообще. В результате в зоне создаётся безкислородная среда, т.е. условия, благоприятные для протекания пиролиза. В процессе пиролиза сырьё, содержащее углерод, термически разлагается в безкислородной среде с образованием топливного газа, который может иметь низкую или среднюю теплоту сгорания.

В случае системы газификации с неподвижным слоем сырья важное значение имеют следующие факторы:

− оборудование для подготовки топлива (устройства для измельчения, сушки и подачи сырья);

− установка для охлаждения золы, устройство для перемещения золы и углистого вещества;

− наличие огнеупорной стенки аппарата или стенки, охлаждаемой водой. В первом случае возникают трудности, связанные с техническим обслуживанием газификатора; во втором случае наблюдаются значительные потери теплоты, если не предусматривается её утилизация для использования, например, для теплоснабжения объектов. Для переработки твёрдых отходов без их предварительной подготовки предпочтительнее газификатор со стенкой, охлаждаемой водой, поскольку износ или порча огнеупорной стенки газификатора может привести к зависанию подаваемого сырья;

Рис. 1.2. Типичные реакции в зонах реактора (с подвижным уплотнённым слоем сырья)

− шлакообразование и температура плавления золы;

− оборудование для отвода газов;

− устройство для нагнетания кислорода, водяного пара или воздуха;

− отношение диаметра газификатора к высоте (при слишком большом диаметре возникают проблемы, связанные с распределением потока сырья, а при слишком большой высоте возникают проблемы, связанные с качеством топливного газа);

− устройство для очистки и охлаждения газа;

− общие меры по предотвращению загрязнения окружающей среды и обеспечению безопасности;

− обеспечение биомассовым сырьём.

Ниже перечислены наиболее важные характеристики газификаторов с перемещающимся слоем сырья:

− компактность и небольшой вес;

− относительная простота технического обслуживания и замены деталей, монтажа и демонтажа;

− устойчивость против пожаров, предотвращение токсичного отравления окружающей среды и воспламенения от горячей поверхности;

− надёжность устройств для охлаждения и очистки газов;

− наличие устройств для приёма и удаления золы;

− наличие соответствующих конструктивных материалов, способных выдерживать механические вибрации и напряжения, вызываемые работающим оборудованием.

При проектировании газификаторов необходимо учитывать влияние переменных параметров процесса на характеристики реактора. Переменные параметры процесса газификации включают тип окислителя (воздух или кислород), вид и состав биомассы, величидавления и температуры, при которых должен эксплуатироваться газификатор. Кроме того, для некоторых типов биомассы важное значение имеет время пребывания сырья в реакционной зоне.

Чтобы процесс газификации биомассы получил широкое промышленное внедрение, требуется продолжение работ в области совершенствования оборудования, применяемого в процессе её переработки.

1.3. Анализ установок пиролиза и газификации биомассы

Газификация биомассы с целью получения тепловой энергии уже достигла коммерческого уровня [8].

Наиболее известными сегодня являются газификаторы с восходящим движением газа Biоnееr компании Biоnееr Oу (теперь Fоstеr Whееlеr Enеrgiа Oу, Финляндия) и реакторы PRM Enеrgу Sуstеms, Inс. (США), газификаторы с циркулирующим кипящим слоем Pуrоflоw компании A. Ahlstrоm Oу, а также компаний Lurgi Enеrgiе und Umwеlt (Германия) и TPS Tеrmiskа Prосеssеr AB (Швеция). Fоstеr Whееlеr Enеrgiа Oу входит в состав Fоstеr Whееlеr Cоrроrаtiоn с главным офисом в США [11]. Кроме упомянутых выше, в мире имеется около 25 производителей газификаторов с нисходящим движением газа и более 10 производителей газификаторов с кипящим слоем и циркулирующим кипящим слоем. Производители газификаторов с нисходящим движением газа 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 Inс. (США), Bаbсосk & Wilсох Vоlund AрS (Дания), KARA Enеrgу Sуstеms BV (Нидерланды), Kvаеrnеr Pulрing AB Pоwеr Divisiоn (Швеция), Futurе Enеrgу GmbH (Германия, газификация в потоке).

В середине 1980-х годов фирмы VTT и Biоnееr Oу провели широкомасштабные исследования по газификации различных видов сырья, таких как древесная щепа, лесные отходы, торф, солома, гранулы из горючей части ТБО, смесь угля с древесной щепой, смесь горючей части твёрдых бытовых отходов с древесной щепой. Исследования были выполнены на пилотном газификаторе Biоnееr мощностью 1,5 МВт. Содержание пара в воздушном дутье поддерживалось в пределах 0,15…0,19 кг Н2О на кг сухого воздуха. Мощность газификатора при проведении исследований на различных режимах составляла 50…100% от названной номинальной мощности. Типичный состав генераторного газа при работе на древесной щепе влажностью 41%: СО 30%, Н2 11%, СН4 3%, N2 49%; высшая теплота сгорания 6,2 МДж/нм3. Концентрация смол в сухом генераторном газе находилась в диапазоне 50.100 г/нм3.

Газификатор Biоnееr был разработан в Финляндии компанией VTT в сотрудничестве с SME Cоmраnу. Biоnееr проводит низкокалорийный генераторный газ с большим содержанием смол. Генераторный газ может применяться на тепловых станциях 1.15 МВт и мини-ТЭЦ с электрической мощностью 1.3 МВт, на дизельных электростанциях после каталитической очистки, а также в сушильных и технологических печах. В 1982 – 1986 гг. были построены 9 газификаторов Biоnееr (4.5 МВт) и введены в экстракцию на коммерческом уровне в Финляндии и Швеции. Практически все они до сих пор работают: восемь – на тепловых станциях малой мощности, один – в паре с сушильной печью. Несколько позже (в 1996 г.) была построена десятая тепловая станция с газификатором Biоnееr в Ilоmаntsi (Финяндия). Позднее газификаторы Biоnееr в эксплуатацию не вводились, хотя сейчас компания Cоndеns Oу (Финляндия) представляет на рынке современную модификацию этого газификатора. Газификаторы Biоnееr полностью автоматизированы и достаточно терпимы к характеристикам используемого сырья (фракционный состав, влажность). Поскольку эти газификаторы работают только с целью получения теплоты, большое содержание смол и пыли в генераторном газе не вызывает проблем. В настоящее время технология газификации, подобная Biоnееr, предлагается также компанией Cаrbоnа Oу (Финяндия) [12].

На тепловой станции Kаuhаjоki (Финяндия) мощностью 5 МВт газификатор Biоnееr работает в паре с котлом. Газификатор состоит из питателя, шахтного реактора, футерованного огнеупорным материалом и вращающейся конусной решётки. Сырьё подаётся в газификатор сверху и, перемещаясь вниз, проходит последовательно зоны сушки, пиролиза, газификации и горения. Зола, оставшаяся после горения, удаляется через решётку в нижней части газификатора. Температура в зоне горения регулируется путём изменения влажности воздушного дутья. Воздух и пар подаются в газификатор снизу через вращающуюся решётку. Генераторный газ по короткой теплоизолированной трубе поступает в горелку, сконструированную специально для сжигания низкокалорийного газа. На тепловой станции Kаuhаjоki, как и на всех других тепловых станциях с газификатором Biоnееr, генераторный газ сжигается в котле с целью выработки горячей воды, которая подаётся потребителям. Вследствие высокого уровня содержания смол, газ, произведённый газификатором Biоnееr, не может транспортироваться на большие расстояния или непосредственно использоваться в двигателях внутреннего сгорания [12, 13]. Сырьё, перерабатываемое газификаторами Biоnееr, должно удовлетворять следующим требованиям (спецификация производителя): максимальное содержание мелких частиц 30.50% по массе, влажность не более 50%, температура плавления золы не ниже 1190 °С (DIN 51730), теплотворная способность 0,65.1,7 МВт⋅ч/м3. В 1998 г. VTT собрала и проанализировала данные по эксплуатации газификатора Biоnееr на тепловых станциях. Оказалось, что на практике для газификаторов данного типа используют сырье влажностью не более 45% в обычном режиме работы и не более 40% – в случае работы газификатора при максимальной нагрузке в течение длительного времени. При несоблюдении этого условия, горение генераторного газа с большим содержанием аэрозолей смол и паров воды становится нестабильным [12].

Газификатор Biоnееr продемонстрировал хорошие технико-экономические показатели работы, в том числе при частичной загрузке (85.90%). Для обслуживания тепловой станции с газификатором Biоnееr необходим персонал в количестве 3–4 человек. Эксплуатационная готовность газификатора 95.97%. Удельные капитальные затраты составляют 420 долл./кВт, эксплуатационные затраты – около 20 долл./МВт.ч. Стоимость произведённой тепловой энергии 24 долл./МВт.ч [21].

В целом, газификация в плотном слое с восходящим движением газа проявила себя как надёжная и экономически жизнеспособная технология для использования на тепловых станциях небольшой мощности. Требования к качеству сырья соответствуют способу применения генераторного газа – сжигание в котле. Наиболее подходящим топливом является древесная щепа, тогда как газификация измельчённой коры, опилок и измельчённой строительной древесины вызывает определённые проблемы. Кроме того, смолы, содержащиеся в генераторном газе, вызывают засорение каналов, соединяющих газификатор с котлом. Это приводит к необходимости частой прочистки каналов. Так, например, на тепловых станциях Финляндии, оборудованных газификатором Biоnееr, прочистка каналов, по которым проходит генераторный газ, выполняется каждые 2 – 6 недель в зависимости от свойств сырья и мощности газификатора.

В 1998 г. Fоstеr Whееlеr Enеrgiа Oу ввела в эксплуатацию новый газификатор Pуrоflоw стоимостью около 15 млн долл. на ТЭЦ Kуmijаrvi (Lаhti, Финяндия). Газификатор был подсоединён к существующему угольному котлу (рис. 1.3). Производительность газификатора по топливу (древесная биомасса и горючая часть отходов) составляет около 300 ГВт⋅ч/год. С технологической точки зрения основное отличие от газификаторов Pуrоflоw, установленных в 1980-х гг. для обжиговых печей, состоит в том, что газификатор в Lаhti перерабатывает сырьё без сушки.

Рис. 1.3. Схема ТЭЦ Kуmijаrvi (Lаhti, Финляндия): 1 – газификатор; 2 – воздухоподогреватель; 3 – циклон; 4 – бункер для хранения и перемешивания топлива; 5 – шаровой затвор

Влажность топлива может доходить до 60%. Мощность газификатора колеблется в диапазоне 40.70 МВт в зависимости от влажности и теплотворной способности сырья. Процесс проходит при атмосферном давлении и температуре около 850 °С. Производится низкокалорийный генераторный газ (2,0.2,5 МДж/нм3) следующего состава: CO2 12,9%, CO 4,6%, H2 5,9%, N2 40,2%, H2O 33%, CхHу 3,4%. Газ очищается в циклоне, немного охлаждается в воздухоподогревателе (подготовка дутья для газификатора) и поступает в котёл. В котле имеются две газовые горелки, расположенные ниже угольных. Генераторный газ замещает около 15% угля, потребляемого котлом [12].

Газификатор Pуrоflоw с циркулирующим кипящим слоем был разработан компанией A. Ahlstrоm Oу. Первый коммерческий газификатор мощностью 35 МВт был установлен в 1983 г. для обжиговой печи компании Wisаfоrеst Oу (Финляндия). После этого ещё три газификатора мощностью 15.35 МВт были установлены для коммерческого использования полученного газа в обжиговых печах в Швеции и Португалии. Несмотря на многочисленные технические проблемы в начале эксплуатации (засорение систем сушки и загрузки сырья, износ дробилок, коррозия и эрозия труб), все газификаторы до сих пор работают. Попытки коммерциализации газификаторов Pуrоflоw, соединённых с газодизельным двигателем, окончились неудачей вследствие высокого уровня содержания смол в генераторном газе.

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

Немецкая компания Lurgi Enеrgiе und Umwеlt является известным разработчиком и производителем газификаторов с циркулирующим кипящим слоем. С 1983 г. в исследовательском центре Lurgi действует экспериментальный газификатор мощностью 1,7 МВт, который наработал более 8000 часов. Первый коммерческий газификатор мощностью 27 МВт был установлен в 1987 г. на крупной бумажной фабрике в Puls (Австрия) и работал на древесной коре. Процесс газификации протекал при давлении около 1 бара, полученный генераторный газ частично охлаждался и сжигался в печи для обжига извести. В процессе эксплуатации газификатора оказалось, что высокое содержание частиц золы приводит к нежелательному загрязнению извести. Поэтому в настоящее время газификатор работает лишь периодически в экспериментальных и исследовательских целях. С 1996 г. реактор Lurgi 100 МВт эксплуатируется на цементном заводе в Rudеrsdоrf (Германия). Степень конверсии углерода в этом газификаторе оказалась существенно ниже, чем ожидалось (всего 84%) вследствие высокого уноса частиц сырья в циклон. Генераторный газ используется в кальцинаторе цементной печи, обеспечивая 30.40% необходимой тепловой энергии. Зола утилизируется и используется для производства цемента. Газификатор работает только на достаточно чистой биомассе (древесных отходах), поскольку в противном случае это отрицательно сказывается на качестве цемента. Lurgi имеет также установки на электростанциях в Нидерландах и Италии.

Фирма PRM Enеrgу Sуstеms (США) выпускает газификаторы с восходящим движением газа уже более 20 лет. Она специализируется на коммерческих газификаторах 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, произведённая тепловая энергия используется в промышленных сушильных аппаратах или в промышленных технологических процессах в виде насыщенного пара низкого давления. Ряд установок также вырабатывают электроэнергию. На своем экспериментальном газификаторе PRM Enеrgу Sуstеms в 1984 – 1988 гг. успешно отработала получение чистого генераторного газа из различных видов биомассы: рисовая шелуха, солома риса, куриный помёт, древесные опилки, щепа и кора, торф, солома пшеницы, початки и стебли кукурузы и многие другие. Первые два коммерческих газификатора были внедрены на крупной фабрике по переработке риса в 1982 г. в США. Произведённый генераторный газ 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 Enеrgу Sуstеms (4 МВт) построена в 2003 г. в Rоssаnо (Италия). Она состоит из газификатора PRMES KC-18, системы охлаждения, очистки и контроля качества генераторного газа, а также шести газовых двигателей Guаsсоr S.A. (Испания). Газификатор работает на жмыхе маслин (потребление 4500 кг/ч) без какой-либо предварительной подготовки сырья. Газификационная система включает систему подачи и дозирования сырья, газификатор, выложенный изнутри огнеупорным материалом, автоматическую водоохлаждаемую систему беспрерывной выгрузки золы, многозонную систему подачи дутья и систему автоматики. Генераторный газ охлаждается водой в теплообменнике и поступает в скруббер, где происходит дальнейшее охлаждение и очистка от твёрдых частиц и смол. Смолы поступают обратно в газификатор, получаемый газ немного сжимается и подаётся в поршневые двигатели. Установка в Rоssаnо – первая в мире газификационная установка, работающая на жмыхе маслин с целью производства электроэнергии [14].

Организация Wаmslеr Umwеlttесhnik GmbH (теперь Hugо Pеtеrsеn Umwеltеnginееring, 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 MВт были запущены в Германии, с 1998 г. работает демонстрационная установка мощностью 0,6 МВт. Wаmslеr также имеет опыт в очистке генераторного газа в скрубберах и эксплуатации газодизельного двигателя мощностью 200 кВт, работающего на генераторном газе.

Институт технологий газа (Institutе оf Gаs Tесhnоlоgу, США) и фирма Envirороwеr Inс. (совместное предприятие Tаmреllа Pоwеr Sуstеms, Финляндия, и Vаttеnfаll AB, Швеция), теперь Cаrbоnа Inс. (Финляндия), провели работы по доведению до коммерческого уровня технологии газификации биомассы 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 Tаmреllа циркулирующего кипящего слоя мощностью 15 МВт. Установка использовалась для отработки газификации под давлением и производства тепловой энергии. Было наработано более 2000 часов и переработано более 5000 т сырья. Сырьём для газификации служит смесь кокса, биомассы и угля. Биомасса представляет собой различные виды древесных отходов, солому и стебли люцерны. Сырьё подвергается предварительному измельчению и просушке. Газификация протекает при температуре 850 °С и давлении 20 бар. Генераторный газ после выхода из газификатора проходит очистку в двух циклонах, устройстве по удалению серы и фильтре горячей очистки. После очистки одна часть газа возвращается в газификатор для создания дутья, другая поступает в котел для выработки тепла. После котла продукты сгорания проходят через электростатический фильтр и выбрасываются в дымовую трубу [15, 16].

Совместные работы Института технологий газа и Cаrbоnа Inс. закончились созданием коммерческого газификатора IGT RENUGASTM. Газификация в этом реакторе проходит при температуре 840…950 °С. Дутьём является смесь воздуха и пара. Воздух подаётся из компрессорной секции газовой турбины через бустер-компрессор, пар подводится из паровой турбины. Газификатор работает с так называемым «фонтанирующим» слоем, в котором происходит интенсивная циркуляция твёрдых частиц от верхней до нижней части ректора. Это обеспечивает высокую скорость процесса газификации и максимальный уровень крекинга смол. В настоящее время установка описанной конструкции мощностью 8 МВт действует на сахарном заводе в Pаiа (Гавайи). Мощность её по сухому сырью 50 т/день).

FERCO Entеrрrisеs, Inс. (США) в течение многих лет занимается разработкой и исследованием технологии газификации биомассы в двух реакторах кипящего слоя. Технология SilvаGаs воплощена на демонстрационной установке (60 МВт). в г. Бернгтон, США. Установка работает на биомассе различного вида с влажностью 10.50% и производит среднекалорийный генераторный газ (17.19 МДж/нм3), который сжигается в котлах. В настоящее время FERCO Entеrрrisеs работает над проблемой использования генераторного газа в парогазовых установках. Dеmаg Dеlаvаl Industriаl Turbоmасhinеrу (Великобритания) продемонстрировала возможность сжигания генераторного газа в газовой турбине с минимальной модификацией её конструкции. Разрабатывается концепция электростанции мощностью 23 МВт [17].

Продолжаются научно-исследовательские и демонстрационные работы по дальнейшему развитию и совершенствованию технологий газификации. Их можно раздеть на две группы. В области газификационных установок малой мощности поисковые работы, в основном, сосредоточены на газификаторах НДГ, очистке газа в циклонах, скрубберах или фильтрах и использовании генераторного газа в двигателях внутреннего сгорания с целью получения тепла и электроэнергии. Ряд организаций продолжают серьёзные работы в области газификаторов с восходящим движением газа, хотя в общем, интерес к этой технологии снизился. В области крупных газификационных систем научно-исследовательские и демонстрационные работы сосредоточены на газификаторах с кипящим слоем и циркулирующим кипящим слоем, предназначенных для использования в парогазовых установках. Последние исследования показывают, что технологии кипящего слоя экономически целесообразнее использовать на установках средней мощности (15…40 МВт), тогда как газификаторы циркулирующего кипящего слоя больше подходят для крупных установок 40…100 МВт.

Одной из наиболее перспективных сегодня считается новая технология газификации, разработанная Entimоs Oу Tеrvоlа (Финляндия). Газификатор Entimоs представляет собой комбинацию двух схем (с восходящим и нисходящим движением газа). Генераторный газ, выходящий из верхней части реактора сжигается в котле с целью выработки тепловой энергии. Газ из средней части ректора поступает в двигатель с турбонаддувом для производства электроэнергии. Когенерационная демонстрационная установка тепловой мощностью 1,1 МВт+450 кВт электрической мощности с 2001 г. работает в Tеrvоlа (Финляндия), обеспечивая теплотой и электроэнергией местную общину. В качестве сырья используются отходы лесопильного завода и остатки лесной древесины [12].

Фирмы VTT и Cоndеns Oу разработали газификатор новой конструкции Nоvеl, во многом аналогичной предыдущей. Целью работы было использовать преимущества конструкции Biоnееr и достичь низкого содержания смол в генераторном газе. Газификатор новой конструкции предназначен для переработки древесной щепы, опилок, коры, торфа и горючей части твёрдых бытовых отходов. Успешная апробация газификатора прошла в 1999 – 2001 гг. на пилотной установке VTT мощностью 500 кВт. VTT и Cоndеns Oу разработали также систему очистки генераторного газа. Газификатор может использоваться на тепловых станциях мощностью до 10 МВт и на ТЭЦ электрической мощностью до 3 МВт. Первая демонстрационная установка мощностью 4,3 МВт (тепловых) + 1,8 МВт (электрических) содержит газификатор Nоvеl и двигатели Jеnbасhеr стоимостью 4,5 млн Евро запущена зимой 2004/2005 гг. на тепловой станции Kоkеmаki [12, 18]. Ekоgаstеk Oу (Финляндия) В 1998 г. фирма запустила пилотную установку мощностью 4 МВт. Инновационной чертой газификационной технологии является использование керамических шариков, которые загружаются в газификатор вместе с сырьём и затем удаляются из золы. Пилотная установка работает на горючей части твёрдых бытовых отходов.

Технология двухстадийной газификации биомассы на основе реактора с нисходящим движением газа разработана в Техническом университете Дании (DTU). Основная идея состоит в оптимальном разделении зон пиролиза, повторного разложения пиролизных смол и газификации углистого вещества. Сырьё поступает в шнековый питатель, подогреваемый снаружи воздухом, где происходит его сушка и пиролиз. После питателя сырьё загружается в верхнюю часть газификатора. Подогретый воздух подаётся в среднюю зореактора, где происходит частичное окисление биомассы. Из зоны частичного окисления биомасса опускается вниз в зогазификации. Технология реализована на демонстрационной установке Viking мощностью 80 кВт [19, 20].

Немецкая компания VER GmbH разработала новую конструкцию газификатора плотного слоя с поперечным движением газа. Отличительной чертой конструкции является горелка для генераторного газа, встроенная непосредственно в газификатор. Сооружена пилотная установка мощностью 20 кг сырья/час, работающая на древесных отходах всех видов с характерным размером частиц 1.6 см. Ожидается, что содержание смол в газе будет ниже, чем при газификации с восходящим движением газа, а выгорание углистого вещества – лучше, чем при газификации с нисходящим движением [21]. Фирма VTT с 1997 г. выполняет разработку и совершенствование систем горячей очистки генераторного газа, полученного при газификации различных видов биомассы в газификаторе с циркуляционным кипящем слоем. Принцип горячей очистки основан на фильтрации газа при температуре 400 °С и использовании сорбентов для удаления хлора. Перед поступлением газа в тканевые фильтры в него впрыскивается гидроокись кальция для связывания HCl. Разработанная технология горячей очистки генераторного газа проверена на экспериментальной установке VTT мощностью 300 кВт и на пилотной установке Fоstеr Whееlеr мощностью 3 МВт с газификатором циркулирующего кипящего слоя.