Trio Motor Banner
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
   
 
   
   
   

 

Технологии

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