СЖИГАНИЕ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА В ТОПКАХ ПАРОГЕНЕРАТОРОВ
Помет как энергетический ресурс
ПОМЕТ КАК ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ РЕСУРС.
Сразу оговоримся, что использование нативного (безподстилочного) помета для обеспечения энергетических нужд гораздо более дорогостоящий в сравнении с подстилочным пометом в плане как капитальных, так и эксплуатационных затрат. Но в случае огромного суточного количества, когда при использовании анаэробного сбраживания капитальные затраты вырастают до ассоциации с космическими программами, а спрос на площади размещения оборудования до размеров полигона для испытания ядерного оружия, и когда вопрос стоит не сколько в экономии энергоносителей сколько в утилизации отходов в соответствии с экологическими требованиями, взгляд на оговорку пропорционально мутирует в обратном направлении.
В предложенном варианте, когда количество помета составляет 500-800 тонн в сутки, вряд ли есть смысл занимать огромные территории под оборудование и емкости для термического ферментирования и сбраживания, а затем снова упираться в вопросы утилизации отработанной массы.
Возможны несколько направлений такого использования:
S выработка биогаза и дальнейшее его использование;
S прямое сжигание;
S газификация и использование полученного газообразного топлива.
ВЫРАБОТКА БИОГАЗА предполагает анаэробное разложение помета, очистку биогаза и сжигание в газопоршневых двигателях для получения электроэнергии и тепловой энергии за счет утилизации тепла выхлопных газов двигателей.
Оценим эффективность когенерационного комплекса на базе биогазовой установки, исходя из следующих
данных:
S мощность комплекса по переработке помета - 10 т/ч (при влажности 45%);
выход биогаза при анаэробном разложении куриного помета с подстилкой влажностью 60% по данным компании ZORG Biogas достигает 90 м3 на 1 тонну;
S теплота сгорания биогаза - 5000-6500 ккал/нмЗ;
к.п.д. электрический газопоршневых двигателей - 35 %;
S при работе газопоршневых двигателей в виде тепловой энергии можно получить до 40% от исходного энергетического потенциала топлива.
Анализ представленных данных показывает:
S из 10 т помета с влажностью 45% будет получено 13,75 т помета влажностью 60% выход газа составит 13,75 т/ч Я0 мз/т = 1237,5 м3/ч;
потенциал полученного газа 1237,5 мз/ч • 5750 ккал/мз = 7,12 (8,28 МВгчас);
что позволяет выработать электроэнергии — 8,28 МВт • 0,35 = 2,9 МВлчас;
дополнительно выработка тепловой энергии составит 7,12 Гкал • 0,4 = 2,85 Гкал.
Таким образом, комплекс, рассчитанный на производство биогаза из 10 т/ч подстилочного куриного помета влажностью 45% и производство электрической и тепловой энергии, обеспечивает генерацию: 2,9 МВт электрической энергии и 2,85 Гкал тепловой энергии.
Достоинства и недостатки такой технологии известны. Перечислим основные проблемы: длительный и достаточно тонкий процесс переработки исходного сырья, необходимость поддержания температуры субстрата выше температуры окружающей среды, большие объемы удобрений с высокой влажностью (92...95%), получаемых в ходе переработки. Существенной проблемой для подобного использования помета являются также высокие удельные капитальные вложения на создание комплексов, достигающие для анализируемого случая 2000...2500 Евро на 1 кВт установленной мощности.
ПРЯМОЕ СЖИГАНИЕ. Рассмотрим аналогичную ситуацию, предполагающую производство электрической и тепловой энергии. Подстилочный помет сжигается в паровом котле, вырабатываемый пар и используется для производства электрической энергии посредством паровой турбины.
Рассматривая комплексы в одинаковых условиях получим:
S мощность комплекса по переработке помета - 10 т/ч (при влажности 45%);
S к.п.д. парового котла, работающего на твердом топливе - 82%;
S к.п.д. парового турбогенератора при работе в конденсационном режиме -25%.
Анализ представленных данных:
S примем удельную низшую теплоту сгорания сухого материала 4000 ккал/кг, что вполне оправдано в случае использования в качестве наполнителя древесных опилок. Тогда полная теплота сгорания подстилочного помета при влажности 45% составит:
4000- (1-0,45) - 550- 0,45 = 1952,5 ккал/кг
S энергетический потенциал помета, сжигаемого за 1 час в котле, составит:
1952,5 • 10000 = 19,52 Гкал
S энергетический потенциал пара, полученного из помета:
19,52 Гкал • 0,82 = 16 Гкал (18,6 МВлчас)
S производство электрической энергии с использование паровой турбины, работающей в конденсационном режиме:
18,6 МВгчас 0,25 = 4,65 МВгчас.
Возможна также работа комплекса с турбиной, в которой предусмотрены промышленные отборы пара или теплофикационный режим. В этом случае производство электроэнергии будет снижено, но комплекс сможет поставлять тепловую энергию.
Таким образом, комплекс, рассчитанный на прямое сжигание 10 т/ч подстилочного куриного помета влажностью 45% и производство электрической энергии, может вырабатывать до 4,65 МВт электроэнергии.
В сравнении с технологией, рассмотренной ранее, капитальные затраты будут существенно ниже. Средние удельные расходы на комплекс производства электроэнергии по паровому циклу составляет 1500 Евро на 1 кВт установленной мощности.
К сожалению, сжигание подстилочного помета без предварительной обработки - сложная задача, решение которой сопряжено с необходимостью обеспечения выполнения экологических нормативов. Влажность и состав утилизируемого помета - величина не постоянная, что оказывает влияние на режим эксплуатации оборудования и состав выбросов.
Сжиганию отходов в мире уделяется много внимания. Специальные требования к сжиганию отходов изложены в директиве 2000/76/ЕС Европейского парламента "О сжигании отходов". В этом документе сказано, что обязательным при сжигании неопасных отходов является поддержание в топочном пространстве температуры не менее 850 °С и выдержка при этой температуре газообразных продуктов, в течение минимум 2 секунд. Если сжигаются опасные отходы с содержанием более чем 1% галогенных органических соединений, выраженных как хлорин, температура должна быть не менее 1100 °С.
Проблемы прямого сжигания и возможные экологические риски существенно снижают ценность такого подхода к использованию помета.
ГАЗИФИКАЦИЯ. Реальной альтернативой технологиям производства биогаза и прямого сжигания может быть технология газификации куриного помёта с последующим использованием произведенного генераторного газа для выработки тепловой и электрической энергии. Важно, что применение технологии газификации наиболее эффективно в рамках многофункционального комплекса по утилизации куриного помёта.
При этом товарными продуктами на выходе комплекса являются удобрения, топливные пеллеты, электрическая и тепловая энергии.
Существует несколько технологий производства газообразного топлива путем термической его переработки. На основании собственного опыта газификации различных исходных продуктов, включая помет и другие отходы сельскохозяйственного производства, исходим из положения, что энергетический агрегат должен использовать подготовленное топливо со стабильными характеристиками по влажности, энергетическим показателям, фракционному составу. Только такой подход позволяет получить стабильные показатели работы энергетического комплекса.
Предлагаемые решения включают:
•S сушку подстилочного помета до относительной влажности 20%;
S гранулирование высушенного помета;
У газификацию топливных гранул;
У использование полученного газообразного топлива для производства тепловой и электрической энергии; У использование коксо-зольного остатка для производства удобрений.
Рассмотрим работу комплекса, рассчитанного на газификацию куриного помета для условий, представленных ранее:
У мощность комплекса по переработке помета - 10 т/ч (при влажности 45%);
У сушка помета до относительной влажности 20%;
У гранулирование, энергозатраты - 100 кВт/т гранул;
У к.п.д. электрический газопоршневых двигателей - 35 %;
У производство тепловой энергии - до 40% от исходного энергетического потенциала топлива;
У к.п.д. газогенератора по генераторному газу - 75%;
У дополнительное производство тепловой энергии 10%;
У к.п.д. сушильного комплекса 50%;
У образование коксо-зольного остатка - до 20%.
Анализ представленных данных:
У удельная теплота сгорания сухого материала 4000 ккал/кг, что оправдано в случае использования в качестве наполнителя древесных опилок.
Полная теплота сгорания подстилочного помета при влажности 20% составит:
4000 • (1-0,2) - 550- 0,2 = 3090 ккал/кг
Влажности 20% соответствует содержание 200 кг воды в 1 тонне помета. Для.получения такого результата из 1 тонны помета влажностью 45% необходимо удалить 312,5_кг воды. В результате из 10 тонн помета влажностью 45% получим 6,875 т помета_влажностью 20%. Общее количество испаренной влаги составит 3125 кг.
энергетический потенциал помета, подаваемого на газификацию, составит:
3090 • 6875 = 21,2 Гкал
энергетический потенциал газа, полученного из подготовленного помета:
21,2 Гкал • 0,75 = 15,9 Гкал (18,5 МВгчас)
производство электрической энергии с использованием поршневого двигателя, работающего на генераторном газе:
18,5 МВгчас 0,35 = 6,48 МВгчас.
дополнительно выработка тепловой энергии:
15,9 Гкал^ 0,1+15,9 Гкал^ 0,4 = 7,95 Гкал.
производство коксо-зольного остатка:
6,875 т • 0,2 = 1,375 т / час
Остаток, влажность которого близка к 0, а содержание минеральных веществ выше, чем у исходного помета, используется как наполнитель в производстве компостированных удобрений.
Энергетические затраты на функционирование комплекса:
У сушка помета, обеспечивающая удаление 3125 кг влаги в час. Потребление тепловой энергии:
550ккал/кг • 3125 кг / 0,5 = 3,44 Г кал;
У производство гранул для обеспечения работы комплекса:
6,875 т • 100 кВгчас = 687,5 кВгчас.
Таким образом, комплекс, рассчитанный на газификацию 10 т/ч подстилочного куриного помета влажностью 45% и производство электрической и тепловой энергии, за_вычетом энергии на собственные нужды обеспечивает генерацию 6,48 - 0,6875 = 5,8 МВт_электрической и 7,95 - 3,44 = 4,5 Г кал тепловой энергии.
Комплекс газификации может обеспечивать подачу газообразного топлива для_обеспечения работы энергетического оборудования - котлов, печей, иных_топливоиспользующих агрегатов. Вместо поршневых машин для производства_электрической энергии могут быть использованы также решения, предполагающие производство и использование пара в турбогенераторах или паровых машинах.
Александр Костенко kostenkoaa@amail.com +380(67) 643-41-59
