автореферат диссертации по энергетике, 05.14.04, диссертация на тему:Газификация растительной биомассы в газогенераторах кипящего слоя

На правах рукописи

АЛЕШИНА Алена Сергеевна

ГАЗИФИКАЦИЯ РАСТИТЕЛЬНОЙ БИОМАССЫ В ГАЗОГЕНЕРАТОРАХ КИПЯЩЕГО СЛОЯ

Специальность 05.14.04 - Промышленная теплоэнергетика

Автореферат диссертации иа соискание ученой степени кандидата технических наук

3 О МАЙ 2013 005060581

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ - 2013

005060581

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет» на кафедре «Атомная и тепловая энергетика»

Научный руководитель Сергеев Виталий Владимирович

доктор технических наук, доцент

Официальные оппоненты: Куколев Максим Игоревич

доктор технических наук, старший научный сотрудник, ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет», профессор

Белоусов Владимир Николаевич

кандидат технических наук, доцент, ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный технологический университет растительных полимеров», доцент

Ведущая организация ОАО «Научно-производственное объединение по исследованию и проектированию энергетического оборудования им. И.И. Ползунова» (ОАО «НПО ЦКТИ») (Санкт-Петербург)

Защита диссертации состоится 18 июня 2013 года в 16.00 на заседании диссертационного совета Д 212.229.04 при ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет» по адресу: 195251, Санкт-Петербург, ул. Политехническая, 29, в аудитории 411 ПГК

С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет»

Автореферат разослан "14" мая 2013 г.

Отзыв на автореферат, заверенный печатью учреждения, в двух экземплярах просим направить по вышеуказанному адресу на имя ученого секретаря диссертационного совета.

Факс: (812) 552 89 45 E-mail: kgl210@mail.ru

Ученый секретарь J7 _ / /

диссертационного совета ' К. А. Григорьев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Мировое потребление энергии постоянно увеличивается по ряду причин, основные из которых - рост численности населения, улучшение качества жизни, индустриализация и быстрый экономический рост развивающихся стран. Ограниченность традиционных топливных ресурсов и прогнозы об их скором исчерпании заставляют задуматься о поиске альтернативных источников энергии. Роль энергетики на основе возобновляемых ресурсов (энергия солнца, энергия ветра, энергия биомассы и т. д.) неуклонно растет.

В Европе утверждена Стратегия развития энергетики на основе биомассы', в которой предусматривается использование древесного сырья для производства топлив для автотранспорта, а также генерация на ее основе тепловой и электрической энергии.

В российской Программе «БИО-2020»2 прогнозируется, что наша страна может стать одним из лидеров мирового рынка биоэнергетики за счет использования своих ресурсов. «В России образуется более 100 млн. тонн доступных для получения энергии отходов биомассы в год, энергетическая ценность которых составляет более 300 млн. МВт-ч, или более 40 млн. т. у. т. При этом утилизируется не более 10 % из них... Поэтому перед энергетической отраслью стоит задача поэтапного создания новых правовых и технологических подходов в биоэнергетике, которые будут поддерживаться и стимулироваться государством».

Отдельные разделы настоящей работы выполнялись в рамках фанта в виде стипендии Президента Российской Федерации для аспирантов для обучения за рубежом в 2011/2012 учебном году (приказ Минобрнауки России № 2057 от 23.06.2011 г.) на базе Лаппеенрантского технологического университета, Финляндия, а также при поддержке Правительства Санкт-Петербурга в виде грантов для студентов и аспирантов (дипломы: серия ПСП № 09006, серия ПСП № 101112).

Степень разработанности темы исследования. Развитие газогенераторных технологий идет по трем направлениям: слоевая газификация, газификация в кипящем слое и газификация в потоке. Для газификации растительной биомассы применяются в основном слоевые газогенераторы и газогенераторы с кипящим слоем. Наша страна имеет значительный накопленный опыт в области слоевой газификации растительной биомассы. В работах Б. В. Канторовича, Д. Б. Гинзбурга, В. В. Померанцева, J1. В. Зысина, В. В. Сергеева и др. изложены методологические основы промышленной слоевой газификации растительного сырья. В основном использование биомассы в слоевых газогенераторах предлагалось для гарантированного энергоснабжения децентрализованных потребителей. Максимальная мощность таких аппаратов не превышает 5 МВт. Однако для внедрения газогенератор' European Biomass Action Plan (СОМ(2(Ю5) 628 final), 7.12.2005

" Комплексная программа развития биотехнологий в Российской Федерации на период до 2020 года. Утверждена Председателем Правительства РФ 24.04.2012 г. № 1 853п-П8

ных технологий в большую энергетику необходимо увеличение единичной мощности аппаратов, повышение эффективности технологического процесса и поиск оптимального решения как с технической, так и с экономической точки зрения.

Целью работы является разработка моделей процесса газификации растительной биомассы в газогенераторах кипящего слоя.

Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

- проведено исследование технологии и аппаратов газификации растительной биомассы в кипящем слое;

- выбраны основные реакции процесса газификации растительной биомассы в газогенераторах кипящего слоя;

- проведены экспериментальные исследования с целью подтверждения адекватности разработанных моделей;

- определена область внедрения технологии газификации растительной биомассы в кипящем слое в промышленную теплоэнергетику;

- разработана технологическая схема получения синтетического природного газа на основе процесса газификации растительной биомассы в газогенераторах кипящего слоя.

Научная новизна

- Разработаны модели процесса газификации растительной биомассы в газогенераторах кипящего слоя.

- Получены экспериментальные данные по составу генераторного газа при воздушной газификации растительной биомассы в аппаратах кипящего слоя.

- Разработана технологическая схема получения синтетического природного газа на основе процесса газификации растительной биомассы в газогенераторах кипящего слоя.

Методология исследования. Проведенные исследования базировались на сочетании расчетных методов, основанных на фундаментальных термодинамических, физико-химических и технических представлениях о тепловых процессах в промышленных энергетических установках, работающих на растительной биомассе, с получением экспериментальных данных по газификации растительной биомассы в газогенераторах кипящего слоя.

Практическая значимость работы. Разработанные модели процесса газификации растительной биомассы в газогенераторах кипящего слоя позволяют рассчитать состав генераторного газа, получаемый при воздушной и паровой газификации растительной биомассы в аппаратах кипящего слоя. Результаты работы могут быть использованы при проектировании газогенераторов кипящего слоя, работающих на растительной биомассе.

Реализация работы. Результаты исследования были использованы при оценке возможности перевода котельной предприятия ОАО «Лесплитинвест» (г. Приозерск) с технологии прямого сжигания на технологию газификации древесного сырья в кипящем слое, а также при выполнении научно-исследовательской работы "Production of bio-SNG with using biomass

gasification" на базе Лаппеенрантского технологического университета (Финляндия).

Достоверность и обоснованность результатов работы подтверждается согласованностью расчетных и экспериментальных данных автора и других исследователей.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на международных, федеральных и региональных научно-технических конференциях: Международной научно-практической конференции (Санкт-Петербург, 2009, 2010 гг.); Международной молодежной научной конференции (Йошкар-Ола, 2010 г.), а также в рамках конкурса научно-исследовательских работ аспирантов и молодых ученых в области энергосбережения в промышленности "Эврика-2010" (г.Новочеркасск, 2010 г.); Всероссийского конкурса инновационных проектов и идей научной молодежи (г. Москва, 2011 г.); Молодежной программы «Инвестируя в будущее» в рамках выставки и конференции Russia Power (г. Москва, 2012, 2013 гг.); на семинарах кафедры «Атомная и тепловая энергетика» ФГБОУ ВПО «СПбГПУ» и ОАО «НПО ЦКТИ им. И. И. Ползунова».

Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 работ, в том числе 8 статей (7 публикаций в изданиях, рекомендованных ВАК), 1 учебное пособие, выпущен 1 отчет о НИР.

Объем работы. Диссертационная работа представлена на 165 страницах, содержит 32 таблицы, 55 рисунков.

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка использованной литературы, содержащей 81 наименование.

Положения, выносимые на защиту

- Модели процесса газификации растительной биомассы в газогенераторах кипящего слоя.

- Результаты расчетных и экспериментальных исследований по составу генераторного газа при воздушной и паровой газификации.

- Технологическая схема получения синтетического природного газа на основе процесса газификации растительной биомассы в газогенераторах кипящего слоя.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы работы для промышленной теплоэнергетики, сформулированы цель и задачи работы, отмечены научная новизна, практическая значимость полученных результатов и основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе обобщены данные по ресурсам растительной биомассы и технологиям ее переработки. Основу ресурсной базы растительной биомассы для ее энергетического использования в России составляют лесоизбыточ-ные регионы. Ежегодно при лесозаготовке менее 66 % объема древесной биомассы удаляется из леса для дальнейшей переработки. В традиционном

производственно-технологическом цикле только 28 % срубленного дерева становится пиломатериалами или другой продукцией («деловая древесина»), остальное составляют отходы, которые могут быть использованы в энергетических целях.

Существует достаточно большое количество способов переработки растительной биомассы, среди которых наибольшее распространение в мире получили прямое сжигание для выработки только тепловой энергии и газификация растительного сырья для получения генераторного газа, который потенциально может быть использован в энергетических целях.

Проведенный анализ аппаратов и технологий газификации растительной биомассы позволил сделать вывод, что для создания установок большой и средней мощности необходимо использовать технологию кипящего слоя.

Вторая глава посвящена анализу технологии и аппаратов газификации растительной биомассы в кипящем слое. Мировой опыт показывает, что наиболее востребованными являются газогенераторы кипящего слоя, сочетающие в себе возможность увеличения единичной мощности до 100 МВт и более, хорошие экологические показатели, а также качество получаемого генераторного газа.

В третьей главе рассмотрены разработанные модели процесса газификации растительной биомассы в газогенераторах кипящего слоя.

Моделирование процесса газификации растительной биомассы в кипящем слое сведено к определению состава и выхода генераторного газа.

Исходными данными для разработанных моделей являлось: элементарный состав растительной биомассы, тип газифицирующего агента, температура и давление внутри газогенератора, мощность аппарата.

Для расчета состава генераторного газа разработаны следующие модели:

1. Модель термодинамического равновесия, включающая стехиомет-рическую и нестехиометрическую модели.

2. Модель, основанная на соотношении СО/ССЬ в генераторном газе.

Стехиометрическая модель основана на расчете констант равновесия

химических реакций. Принцип создания модели следующий.

1. Записывается общая реакция газификации 1 моль растительной биомассы в к моль водяного пара и п моль воздуха в виде: СНхОуЫ2 + кН20(пар| + \уН20(ж) + п(02 +3,76Ы2) —»

-» хНлН2 +хС0С0 + хС01С02 +х1ЬОН20 + хсн СН4 +хсС + хР4Ы2.

2. Составляется баланс массы, т. к. для законов, происходящих внутри газогенераторов, применимы законы сохранения массы и энергии:

С: хсо + хСОз + хСН4 + хс = 1, (1)

Н: 2х1Ь+2хн,0+4хсщ =х + 2к + 2ш, (2)

О: хсо +2хСОг +хНг0 =у + к + \у + 2п, (3)

И: хы =г + 7,52п. (4)

3. Выделяются основные реакции газификации и находятся соответствующие им константы химического равновесия:

2

С + С02 *-* 2 СО, (5)

хсо2

XII X т

С + Н20 «-► Н2 + СО, К2 = 2 со , (6)

хн2о

С + 2Н2 <->СН4, К3=^_. (7)

хн2

4. Решая систему уравнений (1)-(7), находим все неизвестные системы, определяем состав газа.

5. Составляется баланс энергии процесса газификации 1 кг топлива:

£?/,биом ^бмом^биом ^^пар СХ^ ^-возд^возд (2 ~ / , \ ^гсп.газ ген.газ ^гсп.газоген.газ Q<Z £?потсри •

В результате расчета находится Q - количество теплоты, которое необходимо подать в газогенератор для протекания процесса газификации. Эта теплота может быть введена за счет предварительного подогрева воздуха и/или инертного теплоносителя, а также за счет рециркуляции некоторого объема генераторного газа в реактор.

Нестехиометрическая модель основана на нахождении такого количественного равновесного состава генераторного газа, который отвечает минимуму его свободной энергии Гиббса. При определении минимума свободной энергии не требуется задания уравнений и констант химического равновесия реакций, поскольку значения свободной энергии зависят только от концентраций компонентов в фазах и масс фаз в системе. Единственной термодинамической величиной, необходимой для расчетов, является свободная энергия компонентов генераторного газа при температуре в газогенераторе.

Энергия Гиббса системы, состоящей из X (г = 1...X) компонентов, в условиях равновесия записывается в виде:

.V .V

;=1 " 1=1

с

х.

-> тт. (9)

.2Х

Для решения задач минимизации используем метод множителей Ла-

гранжа, в соответствии с которым получим:

К ( X

/=|

, кДж/моль. (10)

Чы

Приравниваем частные производные Ь по каждому компоненту к нулю и разделим получившееся выражение на ЯТ:

' дЬ 4

5х,.у

= 0. (11)

Подставляя энергию Гиббса, определенную уравнением (9), в уравнение (11), получаем:

дЬ

АС

■¿1п

1=1

Iх;

1 к (х

пТ ^ "у ¿-,-1] гг ./=1 1/ = 1

= 0.

Для каждого из компонентов генераторного газа запишем:

СН4

СО,:

АС

Ггг,СН4

АО

ЯТгт о

+ 1п

ХС114

1

V ^ общ )

/

ггг,со.

СО:

ятп

ЯТпп

— + 1п

4 со,

V хобщ J

ятп 1

-Хс +

+ 1п

'■со

1

ЯТ,г

Хг +

Хг +

ятп 2

1

ятгг

-Хн=0,

хп=о,

Хо-0,

Н,:

АО

т н

ИТ..

41,

1общ

+ =0,

Н.О:

АС

ЯТГГ

+ 1п

ХН,0

ЯТ„

ИТ,

-Х„ +

-х0=о,

N7:

А&

ггг,м.

/г/;,

1п

кт.

-хн =0,

(12)

(13)

(14)

(15)

(16)

(17)

(18)

где хо6щ — .

Для нахождения состава газа уравнения (13)-(18) дополняются уравнениями балансов массы для элементов (1)-{4). Баланс энергии описывается уравнением (8).

Модель, основанная на соотношении СО/СО2 в генераторном газе, также позволяет рассчитать состав генераторного газа, когда механизм протекания химических реакций неизвестен. Помимо этого данная модель дает возможность учесть количество непрореагировавшего углерода топлива, что в других моделях сделать достаточно сложно.

Расчет основан на уравнениях балансов массы по каждому из элементов, а также на соотношении С0/С02 в генераторном газе, которое было получено зарубежными специалистами при проведении ряда экспериментальных работ по газификации растительной биомассы в аппаратах кипящего слоя. Это соотношение описывается уравнением:

6234

(19)

Р = -И = 2400.е

[С02

Для нахождения состава генераторного газа была составлена следующая система уравнений, включающая балансы массы по каждому элементу и уравнение (19):

«с "(у

со + Усо, + Усн.

m -

= 0,

nH + 2-w + 2-k-(2-y„2 +2-у„2о +4-yc„4)-m = 0, + к - (усо + 2 • уСОз + у1ЬО )• m = 0,

Пп + W ■

Усо + Усо, +Усн4 + Ун, +Ум,о +—L + — = 1>

mm

Р'Усо, "Усо =0,

к =

1-

EL 100

■ ^S/D -

W1 100

1000

м

н,о

В четвертой главе представлены результаты экспериментальных исследований, а также данные по сопоставлению результатов расчета по разработанным моделям газификации растительной биомассы в газогенераторах кипящего слоя с полученными экспериментальными данными.

Эксперименты были проведены на базе Лаппеенрантского технологического университета (Финляндия). Принципиальная схема установки, на которой проводились исследования, приведена на рисунке 1.

Рисунок 1 - Схема лабораторной установки: 1 - газогенератор; 2 - система подготовки газа TGAK-3; 3 - газоанализаторы (Geotech GA5000, Servomex, Thermo Scientific 60i); баллоны с кислородом, углекислым газом и азотом; 5 - расходомеры; 6 - нагреватель; 7 - персональный компьютер

В качестве топлива использовалась древесная щепа. Выбор именно древесной биомассы обусловлен наличием многотоннажных отходов, образующихся как во время лесозаготовки, так и на стадии деревообработки.

Размолотое на специальном станке до размеров 4...6 мм и подсушенное до влажности 12 % топливо подавалось в газогенератор 1. Конструкция газогенератора устроена так, что загрузка топлива осуществлялась сверху, а подача газифицирующего агента производилась в нижней точке аппарата под

колосниковую решетку. Колосниковая решетка выполнена из пористого материала, что способствовало равномерному распределению газифицирующего агента по поперечному сечению газогенератора.

Газификация топлива происходила в трубке диаметром 35 мм, имитирующей шахту газогенератора. Трубка изготовлена из термостойкого стекла, что позволяло нагревать аппарат до температуры 1100 °С. Снаружи трубка покрыта теплоизолирующим материалом, в который встроены пластины нагревателя 6. Выход газа производился из верхней части газогенератора. Отобранный газ охлаждался естественным образом при движении по газопроводу и далее попадал в систему подготовки газа TGAK—3 2, где происходила конденсация содержащейся в газе влаги. После этого свободный от смол и влаги, охлажденный до температуры 5 °С генераторный газ подавался в три параллельно расположенных газоанализатора 3: Geotech GA5000, Servomex, Thermo Scientific 60i. Данные, фиксируемые этими газоанализаторами, сводились в единую программу на ПК 7.

Для управления работой нагревателя и расходомерами на ПК была составлена программа в среде Lab View, позволяющая задавать скорость нагрева газогенератора, требуемую конечную температуру и расход газифицирующего агента. В эту же программу сводились показания с газоанализаторов и строились диаграммы изменения состава газа и его температуры в режиме он-лайн.

В работе выполнен анализ достоверности разработанных моделей процесса газификации растительной биомассы в газогенераторах кипящего слоя с воздушным и паровым дутьем. Сравнивая данные проведенных расчетных исследований с экспериментальными, а также результатами, полученными другими исследователями, можно сделать вывод, что использование разработанной стехиометрической модели представляется наиболее целесообразным для моделирования процесса воздушной газификации. При моделировании паровой газификации рекомендуется использовать разработанную нестехио-метрическую модель, а также модель, основанную на соотношении С0/С02 в генераторном газе.

На рисунках 2-7 приведены сравнительные данные по зависимости состава генераторного газа и его теплоты сгорания от коэффициента избытка воздуха, полученные при исследовании процесса воздушной газификации древесной биомассы на лабораторном стенде и по результатам расчетов по разработанной стехиометрической модели.

Из представленных графиков видно, что максимальное расхождение данных эксперимента с результатами расчета воздушной газификации по стехиометрической модели составляет при а = 0,25-0,4: 11 % для СН4, 8 % для С02 и 7 % для Н2. Исходя из этого, можно сделать вывод, что разработанная модель достаточно правдоподобно описывает процессы, происходящие при воздушной газификации древесной биомассы в газогенераторах кипящего слоя.

О ■■!.............................................!.............................................;.............................................!..............................................

0.2 0.3 04 0 5 0.6

-----Нзрасчетн. -Нзэксперим.

Рисунок 2 — Расчетные и экспериментальные данные для продуктов газификации

(водород)

0.3 0.4 0.5 о.б а -----СО расчетн. -СО эксперим.

Рисунок 3 — Расчетные и экспериментальные данные для продуктов газификации

(оксид углерода)

0.3 0.4 0.5 0.6 а -----СО 2 расчета. -СО> зкспер:;:,'

Рисунок 4 - Расчетные и экспериментальные данные для продуктов газификации

(диоксид углерода)

и..

а

0.2 0.3 0.4 0.5

-----СН-: расчета. -СН* эхспернм.

Рисунок 5 - Расчетные и экспериментальные данные для продуктов газификации

(метан)

0.2 03 0.4 0.5

-----N2 расчеты. -N2 экспгрим.

Рисунок 6 - Расчетные и экспериментальные данные для продуктов газификации

(азот)

0.2 0.3 0.4 ^ 0.5

----- О, рзсчетн^МДж м-5 - (Р: эксперим., МДж м1*

Рисунок 7 - Расчетные и экспериментальные данные по теплоте сгорания генераторного газа

Разработанная модель процесса воздушной газификации растительной биомассы в кипящем слое также позволяет рассчитывать состав генераторного газа при изменении влажности исходного топлива (рисунок 8). Результаты расчетов подтверждаются данными экспериментальных исследований, проведенных автором и другими исследователями при изменении влажности древесного топлива от 12 до 40 %.

У,% мдж,м3

* N2эксперта. л сомешером. • СН< эхеперим. ■ Н2 экперям.

----СО ............СИ: — Нг

♦ СО: -эксперим. —■ • СО2 ........

Рисунок 8 - Расчетные зависимости состава газа и его теплоты сгорания от влажности исходного топлива

Наибольшие расхождения результатов расчета с данными экспериментов при изменении влажности исходного топлива были отмечены для С02 (13 %), СН4 (6,7 %), СО (5,8 %) при влажности 30 %; для С02 (10,4 %), СО (8,2 %), Н2 (5,8 %) при влажности 40 %.

Также были произведены расчеты паровой газификации растительной биомассы в газогенераторах кипящего слоя. В отличие от воздушной газификации газификация паром позволяет получить генераторный газ, практически свободный от азота и имеющий достаточно высокую теплоту сгорания.

При расчете состава газа по разработанной нестехиометрической модели и модели, основанной на соотношении СО/СО? в генераторном газе, при температуре в газогенераторе 800 °С и массовом расходе пара 0,3 кг/кг были получены следующие результаты:__

Компонент Неетехиометрическая модель Модель, учитывающая СО/СОз

V, %

н2 41,57 45,00

СО 24,54 25,00

С02 18,70 19,00

Н20 2,92 0,30

СН4 12,27 10,70

На рисунке 9 показана зависимость состава газа от расхода пара в газогенератор, а на рисунке 10 - зависимость состава газа (при а = 0,3) от температуры в газогенераторе для модели, учитывающей соотношение СО/ССЬ в газе. 1

§ 0,9

н

а

Ё 0.8

0 Е

1 0,7 х

'й о,б

ей

I 0.5

0,4

Й

3 о.з

I 0.2

0,1 о

0 0.2 0,4 0,6 0.8 1

Отношение количества подаваемого пара к количеству биомассы

Рисунок 9 - Зависимость состава газа от количества подаваемого пара 0,5 г

820

840 860

Г. 'С

900

Рисунок 10 - Зависимость состава газа (при а = 0,3) от температуры в газогенераторе

Полученные зависимости, позволили определить диапазон соотношения пар/топливо (рисунок 11), при котором отношение водорода к оксиду углерода в газе больше 1,5. Такое требование предъявляется к генераторному газу, который используется для производства синтетических топлив.

..............................................

/

/ Ояпш. диапазон

................у

1 /

О 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2

Отношение количества подаваемого пара к количеству биомассы Рисунок 11 - Зависимость отношения Н2/СО в генераторном газе от количества подаваемого пара

В таблице 2 приведено сравнение состава генераторного газа, полученного в результате расчетов по разработанным моделям, с данными эксплуатации пилотной установки в г. Гёссинг (Австрия), при паровой газификации древесного топлива (соотношение пар/топливо = 0,3).

Таблица 2 - Сравнение состава газа, полученного при расчете по различным моделям, с данными эксплуатации пилотной установки

Состав газа при 800 °С, %

Компонент Стехиометрия, модель Нестехиометрич. модель Модель, учитывающая СО/СО2 Данные пилотной установки (Ои551гщ)

н2 47,93 41,57 45,00 35^5

СО 45,06 24,54 25,00 20-25

со2 2,17 18,70 19,00 15-25

н2о 2,22 2,92 0,30 -

СН4 2,62 12,27 10,70 8-12

На рисунке 12 приведено сравнение состава генераторного газа, полученного при расчете по различным моделям, в том числе разработанным автором, с данными экспериментов, проведенных зарубежными учеными.

Построенная диаграмма показывает, что разработанная нестехиометри-ческая модель и модель, основанная на соотношении С0/С02 в газе, позволяют наиболее правдоподобно определить состав генераторного газа при паровой газификации, по крайней мере, при температурах 800...850 °С.

Решив задачу моделирования процесса газификации, необходимо определиться с сегментом теплоэнергетики, где применение аппаратов кипящего слоя будет наиболее экономически выгодным.

о

СО Н:

ЕЭНестешеметрнческая модель В Стехиомезртческая модель

□ Модель, основзннаянаСО С02

□ Экотеримеят_Ггагкои др 0Эхсп«римент_ТУ«и др.

Рисунок 12 — Состав генераторного п результате расчетов

СО: сн<

П Разработ. нестекио метрическая модель ■ Разработ. стехиометричеекая модель в Зксперимент_Карагпа и др. Н Зксперимент_1.и н др.

а при паровой газификации, полученный в и в ходе экспериментов

В пятой главе представлен анализ современных технологий энергетического использования генераторного газа. Одним из наиболее перспективных направлений является использование генераторного газа после дополнительного его обогащения метаном. Принципиальная технологическая схема установки представлена на рисунке 13. За прототип была взята схема, разработанная австрийскими учеными. В предлагаемой схеме изменены система очистки генераторного газа и комплексная система его подготовки.

Принцип работы установки заключается в следующем. В камеру газификации двухступенчатого газогенератора подается растительная биомасса и инертный теплоноситель (кварцевый песок), а в качестве газифицирующего агента используется водяной пар. В результате процесса паровой газификации образуется генераторный газ достаточно высокой теплоты сгорания, который выходит из газогенератора в верхней его части. Непрореагировавший углерод топлива вместе с инертным теплоносителем поступают в камеру сгорания, куда одновременно подается воздух в избытке для того, чтобы обеспечить полное сгорание непрореагировавшего углерода топлива. Таким

образом происходит нагрев теплоносителя, который затем возвращается в зону газификации.

Газоохла- Скруббер^ Скру&5ер

дитель Циклон

Меяаимэаторы

Пар Газогенератор

Удаление Нго]" "[удаление СО

Рисунок 13 - Принципиальная схема установки получения синтетического природного газа

Дымовые газы, выходя из камеры сгорания, охлаждаются в системе охлаждения дымовых газов, очищаются от твердых частиц в электрофильтре и выбрасываются в атмосферу через дымовую трубу.

Генераторный газ проходит систему охлаждения, попадает в скруббер для очистки газа от смол, циклон, где происходит удаление твердых частиц, систему очистки от ЬЬ8 и ССЬ и далее поступает в систему подготовки генераторного газа. Комплексная система подготовки газа состоит из трех последовательно расположенных реакторов (метанизаторов), в которых протекают реакции синтеза метана, системы охлаждения газа, удаления содержащихся в нем водяного пара и диоксида углерода.

При расчете технологической схемы были использованы данные расчетов по стехиометрической модели, представленные в таблице 2. В таблице 3 приведены данные расчета состава газа после каждой ступени подготовки.

Качество газообразного топлива определяется по числу Воббе. Это число характеризует постоянство теплового потока, получаемого при сжигании газа. Газы с одинаковым числом Воббе при равном давлении истечения обычно могут использоваться один вместо другого без замены горелки или форсунки. Число Воббе для синтетического газа определяем по формуле:

IV,,,, =

Рген.гач Р во зд

: 37'25 = 46,68 МДж/м3 I 0,813

\! 1,2754

(21)

Компонент Исходный газ Газ после 1-го реактора Газ после 2-го реактора Газ после 3-го реактора Газ после осушки Газ после удаления С02

V, %

СН4 13,03 24,19 31,07 40,82 52,58 92,41

н2о 1,41 8,93 14,66 22,37 0,00 0,00

со2 19,71 23,79 30,72 34,49 44,53 2,34

со 24,17 10,65 5,68 0,00 0,00 0,00

н2 41,68 32,74 17,87 2,32 2,98 5,24

В таблице 4 приведено сравнение состава природного и синтетического газов, а также газа, получаемого при смешении природного газа и полученного синтетического в различных пропорциях. В таблице 4 значком «*» отмечен состав газа, получаемый в том случае, когда к природному газу подмешивается газ, не очищенный от диоксида углерода, т. е. вводится допущение, что система удаления ССЬ из генераторного газа вышла из строя.

Таблица 4 - Сравнение состава природного газа, синтетического газа, а также их смесей

Компоненты и параметры Природный газ (ПГ) в газопроводе Генераторный газ (ГГ) Смесь газов

Минимально допустимый состав газа, % Лучший состав, % 95 % ПГ (худш.); 5 % ГГ 95 % ПГ (лучш.); 5 % ГГ 95 % ПГ (лучш.); 5 % ГГ*

СН4 91,00 97,90 92,41 91,07 97,63 95,63

С2Н2 5,25 0,1 0 4,99 0,10 0,1

С3Н8 0,77 0,8 0 0,73 0,76 0,76

С4Н10 0,01 0,2 0 0,01 0,19 0,19

С02 2,16 0,1 2,34 2,17 0,25 0,15

н2 0 0 5,24 0,25 0,21 2,32

n2 0,82 0,1 0,1 0,78 0,10 0,1

н2о 0,62 0,9 0 0,60 0,86 0,86

Ргсн.т, кг/м3 0,782 0,733 0,714 0,779 0,732 0,760

Q-, МДж/м3 39,81 40,22 37,25 39,75 40,07 39,26

Wou, МДж/м3 48,91 51,01 47,88 48,94 50,86 48,94

A Woll,% - худш. - лучш. 0 4 4 0 2 6 0 4 4 0 0 4

В работе также выполнена оценка общих капитальных вложений в строительство подобной станции мощностью 1 МВт (по топливу), 0,275 МВт (по синтетическому газу), а также проведен расчет себестоимости производимого синтетического природного газа.

Капитальные вложения в строительство станции мощность 0,275 МВт (по газу) оцениваются в 41,6 млн. рублей. При расчете себестоимости производимого газа учитывалось, что в качестве топлива используются многотон-

нажные отходы деревообрабатывающих предприятий, поэтому топливная составляющая равняется нулю. Себестоимость производимого газа по предварительным расчетам будет составлять:

С,„„тга,= 24 534,8 руб./ЮОО м3.

При увеличении единичной мощности установки до 100 МВт, себестоимость вырабатываемого газа снизится до Ссинтпп= 13 028,8 руб./ЮОО м3.

По состоянию на 1 января 2013 года розничная цена природного газа для Санкт-Петербурга равнялась 4 375,04 руб./ЮОО м3. Однако, по оценкам специалистов экспертной группы СШ к 2020 году средняя цена на российский природный газ будет составлять около 9 600 руб./ЮОО м3.

В работе сделана оценка рентабельности предлагаемой технологии. Производимый синтетический природный газ становится конкурентоспособным с природным газом при увеличении единичной мощности газогенераторов до 100 МВт и более. Кроме этого, снижение стоимости синтетического природного газа связано с увеличением КПД технологического цикла, повышении производительности метанизаторов, а также введении дополнительной платы за выбросы С02 при использовании «традиционных» топлив.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Проведенная оценка ресурсной базы растительной биомассы в России позволяет сделать вывод о значительных невостребованных ресурсах растительной биомассы и целесообразности, в связи с этим, разработки и внедрения установок средней и большой мощности, которые реализуют технологию газификации в кипящем слое и способны заместить значительную долю энергетических мощностей в регионах децентрализованного энерго- и газоснабжения.

2. Разработаны модели воздушной и паровой газификации растительной биомассы в газогенераторах кипящего слоя: стехиометрическая модель, основанная на расчете констант равновесия химических реакций, пригодная для расчета состава газа при воздушной газификации; нестехиометрическая модель, в основе которой лежит метод минимизации энергии Гиббса, и модель, основанная на соотношении С0/С02 в генераторном газе, которые дают наиболее достоверные данные по составу газа при паровой газификации.

3. Получены экспериментальные данные по зависимости состава генераторного газа от коэффициента избытка воздуха при воздушной газификации растительной биомассы в газогенераторе кипящего слоя. Максимальное расхождение данных эксперимента с результатами расчета воздушной газификации по стехиометрической модели составляет при а = 0,25-0,4: 11% для СН4, 8 % для СО, и 7 % для Н2.

4. В результате расчета состава генераторного газа при паровой газификации растительной биомассы в газогенераторах кипящего слоя по разработанным нестехиометрической модели и модели, основанной на соотношении С0/С02 в газе, получено, что объемные концентрации газовых компо-

нент соответствуют диапазонам их значений, которые были получены зарубежными учеными, в частности, австрийскими.

5. Рассмотрены основные пути внедрения газогенераторных технологий в промышленную энергетику: использование генераторного газа в камере сгорания ГТУ парогазовой установки (с максимальным КПД цикла 42,1 %) и производство высококалорийного синтетического газа, который потенциально может заменить природный газ в парогазовом цикле.

6. Разработана технологическая схема получения синтетического природного газа на основе процесса газификации растительной биомассы в газогенераторах кипящего слоя. Производимый синтетический газ имеет теплоту сгорания 37,25 МДж/м3. Экономическая оценка предложенной технологии показывает ее конкурентоспособность при увеличении единичной мощности газогенератора до 100 МВт и более.

7. Перспективы дальнейшей разработки темы связаны с созданием опытно-промышленных образцов газогенераторов кипящего слоя на основе разработанных моделей процесса газификации с целью внедрения их в промышленную теплоэнергетику.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ АВТОРА ПО ТЕМЕ РАБОТЫ

1. Алешина A.C. Выбор тепловой схемы и оборудования газогенераторного энергетического модуля / В.В. Сергеев, A.C. Алешина // Труды Академэнерго. -2010-№2.-С. 48-56.

2. Алешина A.C. Использование твердых бытовых отходов в качестве топлива / A.C. Алешина, В.В. Сергеев // Научно-технические ведомости СПбГПУ. — 2010 — №4.-С. 91-96.

3. Алешина A.C. Перспективные направления внедрения парогазовых технологий в энергетику России / A.C. Алешина // Энергосбережение и водоподготовка. - 2010 - № 5. - С. 71-72.

4. Алешина A.C. Разработка технических предложений по созданию газогенераторной паротурбинной электростанции / В.М. Боровков, В.В. Сергеев, A.C. Алешина // Промышленная энергетика. - 2010. - № 4. - С. 50-53.

5. Алешина A.C. Газогенераторная парогазовая установка с высоконапорным котлом-утилизатором / В.В.Сергеев, А.С.Алешина // Теплоэнергетика. - 2011 -№ 3. - С. 68-70.

6. Алешина A.C. Тепловые схемы газогенераторных электростанций на растительной биомассе / A.C. Алешина // Научно-технические ведомости СПбГПУ. -2011. -№ 2. — С. 99-104.

7. Алешина A.C. Моделирование процесса газификации растительной биомассы в газогенераторах кипящего слоя / С.А. Иванов, A.C. Алешина // Вестник ЗабГУ. - 2013. - № 3. - С. 78-89.

8. Алешина A.C. Современные технологии энергетического использования генераторного газа [Электронный ресурс] / A.C. Алешина, В. В. Сергеев // Новое в российской электроэнергетике. - 2013. - № 5. - Режим доступа: http://www.energo-press.info/nre/body/arch/2013/ann2013/5/index.php.

9. Алешина A.C. Газификация твердого топлива : учеб. пособие / A.C. Алешина, В.В. Сергеев. - СПб. : Изд-во Политехи, ун-та, 2010. - 200 с.

СПИСОК ОБОЗНАЧЕНИЙ

х, у, ъ - отношение количества атомов водорода, кислорода и азота в топливе на каждый атом углерода топлива, соответственно; \у - количество топливной влаги, моль; х, - количество моль /-го компонента в генераторном газе, моль; у, - мольная доля /'-го компонента в генераторном газе; хс - не-прореагировавший углерод топлива; к, п - количество подаваемого для газификации пара и воздуха соответственно, моль; т - сумма количества вещества всех компонентов в газе, моль; Ммо - молярная масса водяного пара,

г/моль; К, - константа равновесия /-ой химической реакции; )1'5п - расход пара на 1 кг биомассы, кг/кг; п, - количество моль компонента в исходном топливе; р - коэффициент пропорциональности; V"— теоретически необходимое количество воздуха для полного сгорания 1 кг топлива, м3/кг, а - коэффициент избытка воздуха; IV'— влажность исходного топлива, %; IV- расход пара для газификации 1 кг топлива, м3/кг; Л С у' - энергия Гиббса для /-го компонента генераторного газа при температуре Тгг, кДж/моль; Тгг - температура в газогенераторе, К; Ь - функция Лагранжа; Я.; - множитель Лагранжа для /-го элемента; о,у - количество атомов /-го элемента в 1 моле /-го компонента; А) -общее количество атомов /-го элемента, поданных в газогенератор с продуктами реакции; / = 1.. .А'; / ~ 1...К\ £?('Й1|1)М- низшая теплота сгорания растительной биомассы, кДж/кг; £>,'гсн пп- низшая теплота сгорания генераторного газа, кДж/м3; /г||;|р - энтальпия подаваемого пара, кДж/м3; Свозд, Ст|газ - объемная теплоемкость воздуха и генераторного газа при температуре ТЫУа и Тгсн.гач. соответственно; кДж/(м3-К); Гв„,д - температура вдуваемого воздуха, К; Ггсн.пп - температура газа на выходе из газогенератора, К; К - универсальная газовая постоянная, кДж/(моль-К); Н П1! - выход генераторного газа при газификации 1 кг топлива, м3/кг; Сб|ЮМ7'б|ШМ - физическое тепло топлива (если топливо перед подачей в газогенератор подогревается), кДж/кг; (Зс ~ теплота непрореагировавшего углерода топлива, кДж/кг; (потери - суммарные потери теплоты на 1 кг поданного топлива через стенки газогенератора, с золой, шлаком и уносом, кДж/кг; Q - количество теплоты, которое необходимо подать в газогенератор для газификации 1 кг топлива, кДж/кг; б/синтгт -высшая теплота сгорания синтетического газа, МДж/м3; ргснпи, рвозд - плотность генераторного газа и воздуха при заданных условиях, соответственно, кг/м3; 1У0И - число Воббе, МДж/м3; Ссинтга1 - себестоимость синтетического газа, руб./1000 м3.

Подписано в печать 06.05.2013. Формат 60x84/16. Печать цифровая. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100. Заказ 10615Ь.

Отпечатано с готового оригинал-макета, предоставленного автором, в типографии Издательства Политехнического университета. 195251, Санкт-Петербург, Политехническая ул., 29. Тел.: (812) 550-40-14 Тел./факс: (812)297-57-76

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет»

На правах рукописи

0420115 Ай-ї *

Алешина Алена Сергеевна

ГАЗИФИКАЦИЯ РАСТИТЕЛЬНОЙ БИОМАССЫ В ГАЗОГЕНЕРАТОРАХ

КИПЯЩЕГО СЛОЯ

05.14.04 - Промышленная теплоэнергетика

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель -доктор технических наук, доцент

Сергеев Виталий Владимирович

Санкт-Петербург - 2013

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ............................................................................... 4

1. Предпосылки энергетического использования растительной биомассы.. 12

1.1. Ресурсы растительной биомассы......................................... 12

1.2. Особенности растительной биомассы как топлива.................... 23

1.3. Технологии энергетического использования растительной биомассы................................................................................. 26

1.4. Технологические схемы и установки газификации растительной биомассы.................................................................................. 34

2. Анализ технологии и аппаратов газификации растительной биомассы в кипящем слое............................................................................ 47

2.1. Виды газогенераторов кипящего слоя................................. 47

2.2. Технические характеристики растительной биомассы............... 54

2.3. Технологические схемы использования газогенераторов кипящего слоя..................................................................................... 57

2.3.1. Технология совместного сжигания угля и генераторного газа, получаемого в газогенераторе циркулирующего кипящего слоя "РугоАош"................................................................................. 59

2.3.2. Электростанция с газогенераторами кипящего слоя под давлением и парогазовым циклом...................................................... 64

2.3.3. Газогенераторная ПГУ-ТЭС на растительной биомассе

« Уагпашо»................................................................................ 65

2.3.4. Электростанция с двухступенчатым газогенератором на растительной биомассе «ОиБзії^»................................................... 67

2.3.5. УаБкіІиосІоп Уоіта, г. Вааса - крепнейшая в мире газогенераторная электростанция на древесине.......................................... 69

3. Разработка моделей процесса газификации растительной биомассы в газогенераторах кипящего слоя...................................................... 71

3.1. Кинетическая модель....................................................... 72

3.2. Модель термодинамического равновесия..........................................................73

3.3. Модель, основанная на соотношении СО/СОг в генераторном газе....................................................................................................................................................................................85

3.4. Технические характеристики газогенераторов кипящего слоя... 86

3.5. Конструктивные характеристики газогенераторов кипящего слоя 93

3.6. Оценка термической эффективности газогенератора....................................95

4. Экспериментальные и расчетные исследования процесса газификации растительной биомассы в газогенераторах кипящего слоя......................................98

4.1. Экспериментальный стенд с газогенератором кипящего слоя.... 98

4.2. Расчет процесса газификации растительной биомассы в газогенераторах кипящего слоя..........................................................................................................................106

4.2.1. Воздушная газификация растительной биомассы................................107

4.2.2. Паровая газификация растительной биомассы....................................128

5. Современные технологии энергетического использования генераторного газа..........................................................................................................................................................................141

5.1. Парогазовая установка с газогенераторами кипящего слоя............141

5.2. Производство синтетического природного газа путем газификации растительной биомассы в газогенераторе кипящего слоя..............................144

ЗАКЛЮЧЕНИЕ....................................................................................................................................................157

ЛИТЕРАТУРА......................................................................................................................................................159

ВВЕДЕНИЕ

Мировое потребление энергии постоянно увеличивается по ряду причин, основные из которых - рост численности населения, улучшение качества жизни, индустриализация и быстрый экономический рост развивающихся стран. Ограниченность традиционных топливных ресурсов и прогнозы об их скором исчерпании заставляют задуматься о поиске альтернативных источников энергии. Роль энергетики на основе возобновляемых ресурсов (энергия солнца, энергия ветра, энергия биомассы и т. д.) неуклонно растет.

Среди топливно-сырьевых источников потенциально мощнейшим на планете является биомасса. Ежегодный прирост только растительной биомассы (в

1Я

топливном эквиваленте) составляет 3,0-10 кДж, в то время как годовое потребление нефти, газа и угля в мире находится на уровне около 5,11017кДж [1].

Впервые определение биомассы как «любого органического вещества, доступного на возобновляемой основе, включая сельскохозяйственные культуры и отходы, древесину и древесные остатки, отходы животноводства и бытовые отходы» было сформулировано в 1980 г. В настоящее время в странах Европейского Союза биомасса определяется как «биоразлагаемая часть продукции, отходов и остатков сельского хозяйства (растительного и животного происхождения), лесного хозяйства и смежных отраслей, а также органическая часть промышленных и бытовых отходов» [2].

В России в соответствии с ГОСТ «биомассой называют все виды веществ растительного и животного происхождения, продукты жизнедеятельности организмов и органические отходы, образующиеся в процессах производства, потребления продукции и на этапах технологического цикла отходов» [3].

Таким образом, исходя из рассмотренных определений, можно выделить группы ресурсов, относящихся к биомассе:

- растительная биомасса, образующаяся на основе фотосинтеза и включающая различные виды растений;

- биомасса животного происхождения, представляющая отходы жизнедеятельности и переработки животных;

- органические отходы, образующиеся в процессе производства продукции, ее конечного потребления и на этапах технологического цикла отходов.

Согласно международной классификации к растительной биомассе можно относить также и торф, но только в странах, обладающих его значительными запасами. К таким странам, прежде всего, относятся Россия и Канада.

Методы энергетического использования биомассы весьма разнообразны. Биомасса животного происхождения перерабатывается биохимическими методами (анаэробное сбраживание, ферментация), позволяющими получить биогаз, состоящий в основном из метана и диоксида углерода. Органическая часть промышленных и бытовых отходов, как правило, утилизируется на свалках с использованием технологии анаэробного разложения с получением свалочного газа.

Растительная биомасса, как правило, перерабатывается путем прямого сжигания для выработки тепловой энергии или путем термохимической газификации, позволяющей получить генераторный газ, основными горючими компонентами которого являются водород и оксид углерода и который может быть использован для выработки широкого спектра энергетической продукции. Биохимическая переработка растительной биомассы позволяет получить топливный спирт и горючий газ. В последние десятилетия широко исследуются различные методы химической и термохимической переработки растительной биомассы с получением жидких топлив - аналогов нефти и др. [4].

На протяжении многих веков, по крайней мере, на территории России, растительная биомасса являлась основным источником энергии. Еще в конце XIX века более 60 % в топливном балансе мировой энергетики составляли дрова. Однако в последующие годы ситуация существенно изменилась. Уголь, а позднее нефть и газ, добыча которых значительно лучше поддается индустриализации, постепенно вытеснили древесину из топливного баланса [5].

Изменению взгядов на растительное сырье способствовал, прежде всего, энергетический кризис, разразившийся в 1972-1973 гг. Увеличение цены на нефть почти в три раза заставило правительства развитых стран задуматься о последствиях, которые могут возникнуть при ориентации экономики исключительно на нефтяное сырье. Дело в том, что ценные вещества и материалы в тот период получались из добываемой нефти на основе нефть-органического синтеза. Но было доказано, что те же самые продукты могут быть получены с использованием уже имеющихся технологий и из растительного сырья [6]. Необходимо только было превратить это сырье методами термохимической газификации в так называемый синтез-газ [4]. Это способствовало тому, что интерес к процессам газификации как к источнику синтез-газа возродился с еще большей силой.

В настоящее время с каждым годом отмечается рост значимости растительной биомассы не только как источника энергии, но и как сырья для производства широкого спектра энергетической продукции. Подтверждением этого является внедрение технологии так называемого двухстадийного сжигания, которое заключается в том, что твердое топливо предварительно газифицируется (первая стадия процесса), а затем полученный генераторный газ сжигается в котлах или в различных типах тепловых двигателей (вторая стадия). Это направление приобретает все большее развитие, так как позволяет использовать при выработке электроэнергии высокоэффективные парогазовые энергетические установки [4].

За рубежом разрабатывается новый технологический процесс, позволяющий получить синтетический газ - аналог природного газа и сочетающий в себе термохимическую газификацию растительной биомассы в газогенераторах кипящего слоя с последующей обработкой полученного горючего газа при помощи химических методов.

Растительная биомасса как источник энергии обладает рядом достоинств. Кроме возобновляемости данного вида топлива, можно выделить такие качества, как экологическая чистота в сравнении с ископаемыми топливами, а также отсутствие воздействия на баланс свободного углерода в атмосфере. Последнее связа-

но с тем, что при сгорании растительной биомассы выделяется и выбрасывается в атмосферу меньше или, по крайней мере, столько же углекислого газа, что и поглощается растениями из атмосферы в процессе фотосинтеза. Таким образом, количество свободного углерода в атмосфере при сжигании биомассы не увеличивается. При сжигании растительной биомассы по сравнению с углем образуется в 20-30 раз меньше окислов серы и в 3-5 раз меньше золы [4]. В целом растительная биомасса рассматривается во многих странах как перспективный источник энергии на ближайшее будущее. Свидетельством этого является утвержденная в Европе Стратегия развития энергетики на основе биомассы1, в которой предусматривается использование древесного сырья для производства топлив для автотранспорта, а также генерация на ее основе тепловой и электрической энергии. К примеру, в Швеции доля энергии, получаемой из биомассы, в 2011 г. составила в конечном потреблении 31,6 %, превысив долю нефти (30,0 %) [7]. В Финляндии и Дании биомасса дает около 20 % всей энергии, неуклонно растет доля биомассы в энергетике Германии и других стран.

В настоящее время интерес к энергетике на основе биомассы возрождается и в России. Об этом свидетельствует утвержеднная в 2012 году Программа «БИО-2020»2, в которой прогнозируется, что наша страна может стать одним из лидеров мирового рынка биоэнергетики за счет использования своих ресурсов. «В России образуется более 100 млн. тонн доступных для получения энергии отходов биомассы в год, энергетическая ценность которых составляет более 300 млн. МВт ч, или более 40 млн. т. у. т. При этом утилизируется не более 10 % из них... Поэтому перед энергетической отраслью стоит задача поэтапного создания новых правовых и технологических подходов в биоэнергетике, которые будут поддерживаться и стимулироваться государством».

Развитие газогенераторных технологий идет по трем направлениям: слоевая газификация, газификация в кипящем слое и газификация в потоке. Для газификации растительной биомассы применяются в основном слоевые газогенераторы

1 European Biomass Action Plan (СОМ(2(Ю5) 628 final), 7.12.2005

2 Комплексная программа развития биотехнологий в Российской Федерации на период до 2020 года. Утверждена Председателем Правительства РФ 24.04.2012 г. № 1853п-П8

и газогенераторы с кипящим слоем. Наша страна обладает определенными традициями и имеет значительный накопленный опыт в области слоевой газификации растительной биомассы. В работах Б. В. Канторовича, Д. Б. Гинзбурга, В. В. Померанцева, Л. В. Зысина, В. В. Сергеева и др. изложены методологические основы промышленной слоевой газификации растительного сырья.

В период с 1989 по 2002 гг. в России действовала программа по использованию растительной биомассы, в реализации которой принимали активное участие сотрудники кафедры «Промышленная теплоэнергетика» СПбГПУ. Были предприняты конкретные шаги к внедрению газогенераторных технологий в энергетику. При этом использовался как прошлый опыт, так и новейшие достижения в области теории горения, топочных процессов, автоматики, материаловедения и др. Совместно с НТЦ «Энерготехнология» было разработано несколько конструкций слоевых газогенераторов мощностью от 500 кВт до 3 МВт, некоторые из них нашли свое применение в промышленности. Однако, в большой энергетике полученные результаты остались пока невостребованными.

Для внедрения газогенераторных технологий в большую энергетику необходимо увеличение единичной мощности аппаратов, оптимизация технологического процесса и поиск оптимального решения как с технической, так и с экономической точки зрения. Этим условиям отвечает технология газификации растительной биомассы в кипящем слое, которая от слоевой газификации, в первую очередь, отличается значительно большей интенсивностью процессов тепло- и массообмена между твердыми частицами топлива и горячей парогазовой средой. Ускорение процессов термохимического разложения твердого топлива способствует выравниванию полей концентрации и температуры по высоте и в поперечном сечении шахты газогенератора, что, в свою очередь, приводит к увеличению выхода газа с единицы площади поперечного сечения шахты газогенератора, к уменьшению количества нежелательных примесей в газе и к выравниванию состава газа на выходе из шахты газогенератора.

Практическая реализация метода газификации в кипящем слое несколько сложнее, чем метода слоевой газификации. Это связано с необходимостью огра-

ничения скорости дутья газифицирующего агента и более комплексной предварительной подготовкой топлива (сушка, размол). При введении в процесс газификации в кипящем слое инертного твердого теплоносителя необходимо осуществлять улавливание и возврат уносимого из верхней части шахты газогенератора твердого теплоносителя, оставшегося топлива и летучей золы обратно в шахту газогенератора.

При создании аппаратов кипящего слоя мы сталкиваемся с необходимостью разработки модели процесса газификации в кипящем слое, позволяющей рассчитать состав генераторного газа в зависимости от исходного топлива, вида газифицирующего агента и режимных параметров.

В соответствии с этим сформулирована цель диссертации:

- разработать модели процесса газификации растительной биомассы в газогенераторах кипящего слоя.

Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

- проведено исследование технологии и аппаратов газификации растительной биомассы в кипящем слое;

- выбраны основные реакции процесса газификации растительной биомассы в газогенераторах кипящего слоя;

- проведены экспериментальные исследования с целью подтверждения адекватности разработанных моделей;

- определена область внедрения технологии газификации растительной биомассы в кипящем слое в промышленную теплоэнергетику;

- разработана технологическая схема получения синтетического природного газа на основе процесса газификации растительной биомассы в газогенераторах кипящего слоя.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- разработаны модели процесса газификации растительной биомассы в газогенераторах кипящего слоя;

- получены экспериментальные данные по составу генераторного газа при воздушной газификации растительной биомассы в аппаратах кипящего слоя;

- разработана технологическая схема получения синтетического природного газа на основе процесса газификации растительной биомассы в газогенераторах кипящего слоя.

Методология исследования. Проведенные исследования базировались на сочетании расчетных методов, основанных на фундаментальных термодинамических, физико-химических и технических представлениях о тепловых процессах в промышленных энергетических установках, работающих на растительной биомассе, с получением экспериментальных данных по газификации растительной биомассы в газогенераторах кипящего слоя.

Практическая значимос