УДК 633.002.68:620.9 Осьмак О.О. Серьогін 0 .0 . ( Національний університет харчових технологій ) ГАЗОГЕНЕРАЦІЯ - БЕЗВІДХОДНА ІАВТОЕНЕРГЕТИЧНА ТЕХНОЛОГІЯ УТИЛІЗАЦІЇ ПРОМИСЛОВИХ ВІДХОДІВ Работа посвящена разработке технических решений организации процессов подготовки, предварительной обработки, газификации и высокоэффективной термообработки с высокими экологическими показателями различного сырья органического происхождения с целью производства электрической и тепловой энергии. Technical Jobs posvyaschena designing solutions organization processes o f préparation, predvarytelnoy data Processing, and hazyfykatsyy vtiisokojjfektyvnoy termoobrabotky with high raw materials for various indicators o f environmentally orhanycheskoho origin with a view to the production o f electricd and thermal energy. Пріоритетним напрямком ресурсо- і енергоощадних технологій є впровадження економічно вигідних технологічних процесів, заснованих на енергетичному використанні різних видів рослинної біомаси. Основну частину з загальної маси енергетичного палива рослинного походження складають відходи деревини, які складаються з відходів лісозаготівельних і деревообробних підприємств. Україна має значні біоресурси, у тому числі у вигляді біовідходів переробки харчової сировини, які можуть бути використані як альтернативні або додаткові види палива. Як показують дослідження, за рахунок диверсифікації джерел первісних палив енергетика країни може очікувати заміщення близько 10 млн. т. умовного палива на рік, що, безперечно, С позитивним фактором у забезпеченні енергетичної незалежності країни. Беззаперечним є також той факт, що залучення бІоресурсів у паливний баланс країни сприятиме поліпшенню довколишнього середовища, оскільки, за результатами досліджень Із спалювання біомаси, як безпосередньо, так і у різноманітних модифікаціях із вугілщНиомасових сумішей, екологічні показники процесів спалювання палива за наявності у цьому біомаси суттєво переважають такі за умов спалювання одного вугілля. Вирішення проблем зумовлених енергетичною кризою та забрудненням навколишнього середовища є передумовою створення установок для виробництва паливного газу з біомаси, який може бути використаний у промисловості та сільському господарстві Сі.з|- Як безвідходну і автоенергетичну технологію утилізації промислових відходів доцільно застосувати газифікацію з виробленням генераторного газу, теплової та електроенергії шляхом комплексної термоконверсії всієї маси органічних відходів в товарні продукти. Процес газифікації твердого палива складається з ряду теплохімічних реакцій, які відбуваються в різних зонах стовпа палива в шахті газогенератора (рис. 1) [2,4], що утворюється бункером, реактором і колосниковими гратами. ЗБІРНИК НАУКОВИХ ПРАЦЬ №8/2011 р. 87 і _ ~ ~ 3 ЗЇапйарвт г^ ТГ~ &°~1^яЛ0*С0> Подіюря ^ -1 -* .0 $ Х £ 6 Щ?>со " " ~Киоеба ІР 7 ^ 0ЬашМ@®-Вугть Й ' хт 'Й ^ і.а й в ц Е л 1(-Н 'Н -Н -| І І" 3о/ЬНиК ^ решітка а) б) />ис, / - а) схема газогенератора зворотного процесу газифікації, 6) схема утворення генераторного газу. Першою зоною по ходу просування палива під власною вагою в шахті генератора є зона підсушування палива, потім воно послідовно проходить зони піролізу, горіння (утворення (СОд) і відновлення окислу вуглецю (СО) з вуглекислого газу (СО2). Повітря (точніше Ог) яке вводиться через решітку в шар палива, контактуючи з вуглецем практично миттєво перетворюється в вуглецеву кислоту (реакція 1) [5,6]. С + 0 2 —С02 (1) Піднімаючись догори через шар палива СОг, контактуючи з розжареним вуглецем, (реакція 2) перетворюється в окис вуглецю (СО). СО2 + С —> 2СО (2) Якщо біля решітки гази сильно нагріті, то можливо (реакція 3) утворення окису вуглецю 5 кисню і вуглецю. С + Н20 -* СО +Н2 (3) Щодо реакції 4 - горіння СО з вільним киснем і перетворення його в СОг, то в газогенераторі вона не повинна мати місця. 2С0 + 0 2 2С02 (4) Реакція (4) можлива при поганій ізоляції, недостатній висоті і нерівномірній температурі шару палива. В цьому випадку кисень місцями може дійти до верхніх шарів палива, на своєму шляху не контактуючи з вуглецем високої температури, що може бути небезпечним і призвести до вибуху. Кінцева мета процесу газифікації - отримання як можна більшої кількості СО, і як можна меншої ЧИСТКИ СОг. В результаті отримуємо генераторний газ, що складається з: СО, Нг, СОг, N2, і не великої кількості СН4. Теплотворна здатність генераторного газу, залежно від вживаного виду палива, знаходиться в межах 1000-^1600 ккал/и1, У залежності від характеру контакту частинок біомаси з газовою фазою методи газогенерації можуть бути класифіковані на систему з нерухомим шаром (одна або декілька ступенів), систему з псевдозрідженим шаром та інші системи (система з проштовхуванням сировини, рідкий теплоносій) [2 ]. ЗБІРНИК НАУКОВИХ ПРАЦЬ №8/20 П £• 88 Нами запропонований метод повітряної газифікації рослинної біомаси в нерухомому (стаціонарному) шарі. Застосування повітряної газифікації рослинної біомаси дозволяє здешевити отримання генераторного газу, причому процес газоутворення проходить при атмосферному тиску. Вибраний метод має ряд суттєвих переваг перед іншими способами газифікації твердого палива: - можливість побудови газогенераторів великої одиничної потужності; - універсальність методу, який дозволяє застосовувати всі види рослинної біомаси, а також перехід з повітряного дуття на кисневе і парокисневе дуття; - невелика металоємність; - мала кількість стадій для підготовки рослинної біомаси. У системі газогенерації з нерухомим шаром при протиточному (прямоточному) русі газу утворюються різні температурні зони, які сприяють перетворенню зв'язаного вуглецю в газ. Існують комбіновані системи з нерухомим шаром сировини та використанням поворотних печей для твердих матеріалів і з рухомим шаром, що періодично перемішується (фірма Garrett Energy Research and Engineering). Вибір найбільш доцільного методу газифікації часто визначається типом і умовами підведення сировини, вимогами до вмісту вологи і зольних елементів [3]. При вмісті золи 1-2% і вологи більше 70%, наприклад у деревині без попередньої обробки, термічна переробка без введення додаткового палива неможлива. Не рекомендується також проводити термічну переробку водоростей з вмістом 82% води або торфу з вмістом 90% води без їх попередньої підготовки. Зниження вологості досягається механічним зневодненням або сушінням. Основні параметри вибраного процесу газифікації представлені в таблиці 1 Таблиця 1 сновні параметри вибраного процесу газифікації ____________________Вид палива____________________ Найменування параметра Розм. відходи деревини - , ______________________________________________ технологічна щепа_____________Відходи с/г (лузга) Теплова потужність ГЕКА-3 кВт 100 250 400 100 j 250 j 400 Теплотворна здатність газу ккал І 290 1250 1270 1205 f Гі98 І 1220 Теплотворна здатність палива ккал/кг 3774 3528 S S K T ymBIKWli5 °С 492 513 532 521 529 Температура газу на виході з фільтр» оС 52 «, 5о 54 57 « тонкої очистки________________________________ - _________ _______ Температура навколишнього повітрі °С 15 16 18 14 13 13 Втрат» палива кг/год 27 82 107 32 88 123 Вологість палим______________________ %_____________2 5 _____________________ 28 ______ Витрата газу на виході з фільтра тонкої мз/шд ?2 221 289 86 [ 238 332 очистки Витрата газу з 1 кг палива 1 м3/кг 1 2,7 І 2,7 І Витрата повітря м5/год 46 117,3 209 45,7 134,6 188,2 Тиск газу ка виході з газогенератора кПа 25 26 29 24 26 28 Атмосферний тиск мм.рт.ст 770 774 772 768 764 764 Час виходу на робочий режим с 24 26 24 28 26 21 ЗБІРНИК НАУКОВИХ ПРАЦЬ №8/2011 р. 89 ЗБІРНИК НАУКОВИХ ІІРЛЦЬ №8/2011 р. ~ ...................... Коефіцієнт корисної дії газогенератора % | 72 | 73 75 | 73 74 75 За участі автора розроблений і виготовлений дослідний зразок газогенератора шарового типу зворотної дії, з запроектованою тепловою потужністю від 100 до 200 кВт (рис. 2). Результати, отримані при газифікації в ньому різних видів низькосортного і високозольного палива, показали перспективність застосування технології газифікації для вирішення завдань зміни агрегатного стану рослинної біомаси. Основними складовими частинами енергетичного комплексу є: 1 газогенератор; 2 циклон для грубої очистки генераторного газу; 3 радіатор, що виконує функції додаткового фільтра і охолоджувача газу; 4 фільтр тонкої очистки, для остаточної очистки і охолодження газу; 5 рама (не входить в комплект поставки); 6 прилади для вимірювання температури газу на виході з газогенератора та на виході з фільтру тонкої очистки. / ^ Ы | в ! г Ш ГТ Ш і ; і ' І И : 1 і О с ь м а О! І I \ «4-і і і -м , / д / ІҐ л / / , \ / <І / < _ ___ і і ц - 5 Л - / - — -А Х = Т Д Ґ л/ и г / \/ 1 - газогенератор, 2 - циклон, 3 -радіатор (охолоджувач),4 - фільтр тонкої очистки, 5 - рама. Рис.2 - Газогенераційний енергетичний комплекс Газогенератор складається з металевого трубчастого корпусу з вбудованим паливним бункером, завантажувальним пристроєм, реакторною камерою і зольником для видалення золи і шлаку. Повітря, необхідне для газифікації палива, подається компресором безпосередньо в реакторну камеру, або всмоктується за рахунок депресії, створюваної двигуном внутрішнього згорання (у випадку застосування когенераційних технологій). Бункер призначений для завантаження палива і є циліндром, виготовленим з листової маловуглецевої сталі. Бункер встановлений усередині корпусу і закріплений болтами на термостійких прокладках на Його фланці разом з кришкою. Паливо завантажується в паливний бункер дозовано. Одна доза рівна 0,375 м3. Цієї кількості, залежно від навантаження і виду палива, що використовується, вистачає на 2-6 години автономної роботи комплексу. Завантажувальний пристрій являє собою люк, що закривається кришкою. По зовнішньому колу в кришці встановлений термостійкий матеріал, для ущільнення. З тією ж метою у кріпленні кришки люка введений амортизатор у вигляді листової ресори. У разі підвищення тиску усередині газогенератора (наприклад, при спалахах газу) унаслідок 90 наявності запобіжного клапана надлишок газу виходить назовні. На бічній поверхні корпусу в нижній його частині зроблено два люки, з кришками, на різьбі. Нижній люк призначений для мгдяпення золи із камери зольника, а верхній - для довантаження палива в зону відновлення. Люки мають ущільнюючі прокладки (термостійкий матеріал/сталь). Для відбору газу у верхній частині корпусу газогенератора приварений патрубок, до якого приєднаний газовідвідний трубопровід. При такому розташуванні патрубка газ, що відсмоктується із зони відновлення, проходить по кільцевій порожнині, утвореній стінками корпусу і бункера, і обігріває бункер, стабілізуючи термохімічні процеси, що протікають в реахторній зоні (крім того відбувається підсуппса палива), а сам газ - охолоджується. Реаюгорна камера призначена для забезпечення інтенсивного згорання палива. Корпус камери виготовлений з маловуглецевої листової сталі і приварений до нижньої частини бункера. У нижній частиш корпусу закріплена, на чотирьох штирях горловина, відлита з хромистої сталі. Між корпусом і горловиною прокладений термостійкий ущільнювач. У середній частині корпусу камери горіння розташовано по колу п'ять отворів - фурм для підведення повітря. Одна фурма безпосередньо сполучена з повітророзподільною коробкою, привареною до корпусу. Решта фурм сполучені з повітророзподільною коробкою трубами. До повітророзподільної коробки прикріплений чавунний повітрохідний патрубок, що сполучається зовні за допомогою трубопроводів з повітродувкою. У патрубку встановлений зворотний клапан, що перешкоджає виходу газу з газогенератора, наприклад при зупинці двигуна в парі з яким він використовується. Колосникові грати, розташовані в нижній частині корпусу газогенератора, підгримують шар розжареного палива під реакторною камерою. Зола через колосникові грати провалюється в камеру зольника. Прошуровування в цій зоні здійснюється важелем, сполученим з квадратним кінцем осі грат, що проходить назовні через сальникове ущільнення в стінці корпусу газогенератора. Висновок Таким чином, застосування газогенераційного енергетичного комплексу для утилізації промислових відходів є одночасно технічним, екологічним і соціальним завданнями. Література 1. Векає« Л.С., Марченко О.В., ПинегинС.П. и др. Мировая энергетика и переход к стойкому развитию - Новосибирск: Наука, 2000. - 300 с. 2. Гамбург Д.Ю, Семенов В.П. Производство генераторного газа на базе твердого топлива //Химическая промышленность. - 1983,-№5.-с. 4-10. 3. Зорина Т.И. и др. Современные тенденции в развитии технологий газификации твердого топлива. // Химия твердого топлива. - 198б.-МгЗ.-с.82-93. 4. Коялеров Л.К. Газомоторные установки,- Машгиз, 1951.-172с. 5. Шиллинг ГД., Бонн Би., Краус У. Газификация угля /Пер. пред. СР. Исламова-М: Надра, 1986- 175 с. 6. Yanome Senrou, abe Seiichi, Tanako Eitaro / / Ishik anajuma Narita English - 1991.- № 5-c. 309-314. ЗБІРНИК НАУКОВИХ ПРАЦЬ №8/2011 р, 91