Установка термохимической деструкции углеродсодержащего сырья для получения синтез-газа на базе универсального высокотемпературного и высокоскоростного реактора газификации
Многотопливный пиролизный реактор синтез - газа предназначен для генерации топливного газа из широкого спектра твердых углеродсодержащих материалов, которыми являются бытовые, производственные и сельскохозяйственные отходы, подлежащие утилизации. Они заменят традиционные топлива нефтяного происхождения, ископаемого угля, природного газа. К числу таких бросовых топлив можно отнести: отходы резинотехнических изделий, автомобильные отработанные покрышки, древесину, бумагу, картон, текстиль, пластики, торф, лузгу подсолнечника, жмых, солому, листву, стебли сорняков, плодовые косточки, скорлупу орехов, посушенный помет животных, иловые осадки, медицинские отходы и т.п. Возможно использование жидких горючих отходов (отработанные масла, отходы лакокрасочных производств и т.п.) в качестве пропитки для вышеперечисленных твердых топлив.
Из всего многообразия твердых топлив и их смесей вырабатывается газ примерно одинакового состава. Горючими элементами которого являются: водород (Н2 - 14—20 %), оксид углерода (СО - 14—20 %), метан (СН4 - 1—6 %); негорючими элементами являются: азот (N2 - 40—54 %), диоксид углерода (СО2 - 8—12 %).
Теплотворная способность топливного газа составляет 1000-1350ккал/нм3. Он пригоден для использования в топках существующих газовых и жидкостных котлов, специальных топочных устройствах и в сушильных камерах для выработки тепловой энергии, а также в поршневых двигателях, электроагрегатов взамен традиционных нефтяных жидких топлив для выработки электроэнергии. Не смотря на невысокую калорийность самого газа, теплотворная способность смеси газа с необходимым для полного сгорания количеством воздуха находится на уровне теплотворной способности топливовоздушной смеси, образующейся в цилиндрах дизельного двигателя. Поэтому, при замещении дизельного топлива газом, мощность двигателя не изменяется.
Многотопливный пиролизный реактор газа представляет из себя герметичный аппарат, в котором все процессы идут под давлением близким к атмосферному, не превышающем 0,1 кг/см2. Реакционная камера аппарата футерована огнеупорными материалами. Температура в реакционной зоне не превышает 1300ºС, при этом температура наружных поверхностей аппарата не превышает 50ºС. Процессы пиролиза происходят при недостатке кислорода в стационарном слое твердого топлива, что позволяет использовать широкий фракционный состав твердых топлив, начиная от частиц с размерами опилок до кусков длиною до 200 мм и диаметром до 100 мм. Процесс пиролиза идет за счет внутреннего тепла выделяемого при окислительных реакциях, а процесс образования горючих газовых составляющих – за счет поглощения тепла при восстановительных реакциях. Коэффициент полезного действия процесса составляет 85%. Аппарат работает без выброса в атмосферу.
Входящими потоками являются: воздух, подаваемый в реакционную зону от воздуходувки и твердое топливо, подаваемого в приемный бункер аппарата через шлюзовой питатель. Исходящими потоками являются: газ, сгорающий в топочных устройствах или в цилиндрах поршневого двигателя электроагрегата и зольный остаток, подлежащий удалению из камеры зольника.
Разжигается аппарат факелом пламени от горелки, работающей на дизельном топливе, через люк розжига, как печь прямого горения за счет естественной тяги трубы розжига. Время розжига составляет 15-30мин. После розжига аппарат может непрерывно работать неограниченное время при наличии в нем топлива и подачи воздуха в реакционную зону. При прекращении подачи воздуха разогретый аппарат может находиться до 10 часов в горячем резерве, т.е. при возобновлении подачи воздуха возобновляется процесс генерации газа, не требуя повторного розжига.
Температура газа на выходе из реактора может достигать 700ºС. При использовании газа в топочных устройствах охлаждение газа не требуется. Физическое тепло газа добавляется к теплу от сгорания газа.
Система воздухоподготовки и подачи воздуха
Реактор потребляет 500 м3 воздуха в час. Подача воздуха осуществляется проточно радиальным вентилятором. Перед поступлением в реактор воздух проходит через теплообменный аппарат, нагревается до температуры 400оС и через аэродинамический преобразователь. Подготовленная воздушная смесь поступает в рабочую зону реактора через ряды фурм.
Узел кондиционирования синтез-газа.
Требования к очистке синтез-газа различаются в зависимости от состава исходного сырья. Для очистки газа используется вихревой скруббер, который отбирает пары, масла и сажу, а так же массообменный аппарат, который очищает газ от кислотных соединений. Полученная водо-золо-масленная эмульсия подаётся в реактор на дожигание.
Технологией предусмотрено отведение сгоревших газов обратно в реактор, где горячие газы способствуют поддержанию рабочей температуры в зоне газификации и экономии сырья на собственное обеспечение. .
Наиболее опасные подвижные формы тяжелых металлов, содержащиеся в отходах, при термохимической переработке топлива в реакторе превращаются в неопасные неподвижные окислы металлов, переходящие в золу.
При замене природного газа, мазута или дизельного топлива в тепловых котельных на синтез-газ очистка не применяется. Газ, используемый в водогрейном или паровом котле сгорает полностью, не оставляет следов загрязняющих веществ.
Проведенные исследования на наличие супертоксикантов (диоксинов, дибензофуранов, бензапирена) в газах показали, что при газификации и дальнейшем сжигании получаемого генераторного газа в горелке или ДВС, содержание этих супертоксикантов в дымовых газах на порядок меньше допустимых величин, принятых в Европе.
Узел генерации энергии
При выработке электроэнергии применяются дизель-генераторы и паровые машины. Их выбор или сочетание целиком зависит от потребностей заказчика в энергоресурсах. При переводе дизель-генераторов на синтез-газ показано уменьшение мощности двигателя на 10-15% и увеличение ресурса работы агрегата на 30-40%. Выбор генерирующего оборудования влияет на ресурс агрегата.
Система управления и автоматика
Все основные производственные процессы автоматизированы и оснащены узлами учета и контроля входящего сырья – по весу, влажности и выходящей продукции по объему и температуре. Установка оборудуется системой GPS, четырьмя вэб-камерами и GSM-контроллером. Все данные передаются в режиме реального времени на центральный пульт управления диспетчерской службы, что позволяет контролировать основные производственные процессы и управлять работой установки. Через GSM-контроллер, в случае необходимости, данные передаются владельцу комплекса и операторам.
Газодизельная силовая электроустановка.
При использовании газа в поршневых двигателях его необходимо охлаждать до температуры не превышающей 40ºС, что происходит в теплообменных аппаратах, и очищать от не разложившихся летучих смолистых соединений в специальных фильтрах. Охлажденный и очищенный газ подается в поршневой двигатель электроагрегата.
Так как газ не способен к самовоспламенению в цилиндрах дизельного двигателя, то для его поджига необходимо подавать запальную порцию дизельного топлива. Запальная порция дизельного топлива составляет не более 25% от расхода жидкого топлива на номинальном режиме работы поршневого электроагрегата. Более 75% жидкого топлива замещается дешевым газовым, при этом сохраняется возможность работы двигателя в обычном дизельном режиме. Модернизация дизельных двигателей для работы с использованием газового топлива на газодизельный цикл не требует значительных изменений в конструкции базового двигателя. Переведенный на газодизельный цикл дизельный двигатель снабжается адаптивной (самонастраивающейся) системой регулирования подачи газового топлива. Отличительной особенностью системы является то, что рейка топливного насоса высокого давления не фиксируется при переходе на газодизельный цикл, а остается свободной. Сам этот переход осуществляется открытием газовой магистрали и началом подачи в двигатель газового топлива. При этом не требуется снижение мощности двигателя до уровня холостого хода, система поддерживает заданный мощностной режим в зависимости от количества подводимого газа и его теплотворной способности, меняя соотношение жидкого топлива и газа. Система позволяет применять различные виды газов и их смеси, исключая необходимость дополнительных регулировок и настроек. При снижении нагрузки на двигатель до режима холостого хода газовая заслонка закрывается полностью и работа двигателя осуществляется на жидком топливе. Во время работы двигателя под нагрузкой в случае снижения количества подаваемого газа по внешним причинам, изменения состава газа (уменьшения его теплотворной способности) система поддерживает заданный мощностной режим работы добавлением необходимого количества жидкого топлива. Благодаря принятой схеме регулирования приемистость газодизеля, несмотря на инерционность газового тракта, соответствует приемистости дизеля. Переход двигателя на работу по чисто дизельному циклу осуществляется путем отключения подачи газового топлива. .
Возможна конвертация дизельного двигателя в газопоршневой двигатель с принудительным искровым зажиганием, потребляющем 100% газовое топливо, однако теряется способность двигателя работать на дизельном топливе. При конвертации осуществляется внешнее смесеобразование газового топлива и воздуха в специальном смесительном устройстве, установленном на впускном коллекторе дизеля. Впускная система базового дизельного агрегата, рассчитанная для работы с коэффициентами избытка воздуха близкими к 2 способна пропустить через себя необходимое для поддержания мощности количество газовоздушной смеси. Поэтому мощность газодизеля соответствует мощности базового дизеля, даже при работе на низкокалорийном газе, так как теплотворные способности топливовоздушных смесей дизельных и газовых двигателей соизмеримы.
Ориентировочный эквивалент разных видов топлива по массе.
Классификация топлива для газогенераторов:
1. Дрова 1 л бензина = 2-3 кг дров, 1 л дизтоплива = 3,2-3,8 кг дров.
2. Торф 1 л бензина = 2,5-3 кг торфа, 1 л дизтоплива = 4,5 кг торфа.
3. Бурый уголь 1 л бензина = 2,5 кг угля, 1 л дизтоплива = 3,5 кг угля.
4. Древесный уголь 1 кг древесного угля соответствует 4-5 кг дров,
1 л бензина = 1,3 кг древесного угля
5. Каменный уголь - полукокс 1 л бензина = 1,7 кг угля, 1 л дизтоплива = 2,5 кг угля.
6. Антрацит 1 л бензина = 1,2-1,6 кг угля, 1 л дизтоплива = 1,8-2,2 кг угля.
В качестве вариантов топлива предлагается возможность использовать бурый уголь-полукокс, но отмечается, что он дает примерно на 20% больше золы.
Основными преимуществами газодизельного процесса являются:
- возможность запуска установки при отсутствии других источников электроснабжения за счет работы электроагрегата на жидком топливе;
- достаточно простое переоборудование дизельного электроагрегата в газодизельный;
- применение жидкого топлива в качестве резервного в случае сбоев с обеспечением газовым топливом;
- возможность применения на одном агрегате высококалорийных и низкокалорийных газов и их смесей без дополнительных настроек и регулировок;
- возможность получения высоких показателей переходного процесса при сбросах и набросах нагрузки;
- простота обслуживания, так как широкий мощностной диапазон электроагрегатов от 50 до 300 кВт обеспечиваются широко распространенными базовыми дизелями типа ЯМЗ;
- стабильность выходных электрических параметров.
