Газификация древесных отходов и биомасс

Много ли человеку тепла надо? Если из этого риторического вопроса исключить понятие «тепло душевное» (а его, как известно, надо очень много) и ограничиться только теплом физическим, и притом лишь для отопления, горячего водоснабжения, работы бань, прачечных, то ответ можно дать вполне определенный, с учетом, конечно, того, о какой климатической зоне проживания идет речь.

Возьмем для примера среднюю географическую полосу. Здесь зимой одному человеку требуется около 2 тысяч килокалорий в час (летом, разумеется, существенно меньше); в расчете на год выйдет приблизительно 6 миллионов килокалорий. Значит, чтобы обеспечить теплом, скажем, поселок с трехтысячным населением, надо сжечь за год более 2 тонн мазута.

В горячей воде, паре нуждаются не только быт и коммунальное хозяйство, но и промышленное и сельскохозяйственное производства.
Наиболее выгодно централизованное снабжение теплом, в частности от мощных теплофикационных станций. Но существуют сотни городов, где таких станций нет, тысячи поселков колхозных и совхозных усадеб, леспромхозов, наконец, немало фабрик, заводов, для снабжения теплом которых построены или строятся котельные. Решить проблему экономичного производства тепла удается далеко не всегда, так как используют для этой цели в основном привозное топливо — мазут, уголь. А ведь во многих местах, где работают или должны строиться котельные, есть достаточно древесных отходов, торфа, низкосортного топлива. Конечно, для эффективного производства тепла из них нужна рентабельная техника.

Газогенератор "Бионер"

Понятен поэтому повышенный интерес, проявленный на международной выставке «Твердое топливо — 86» (она проводилась в сентябре прошлого года в Ленинграде) к газогенератору «Бионер», изготовляемому машиностроительным заводом Хямеенлинна фирмы «Перусюхтюмя» (Финляндия).

«Бионер» служит для получения горючего газа из древесных отходов, щепы, брикетов торфа и бурого угля, различных биомасс, а также из смесей всех этих видов топлива. Название аппарата и отражает эту его «всеядность», а созвучие со словом «пионер» указывает на новаторский характер созданного оборудования.

Газификация топлива, то есть процесс его термической обработки в газогенераторе с целью получения горючего газа, известна давно и находит довольно широкое применение. Естественно, возникает вопрос: чем же «Бионер» отличается от традиционных установок, в чем его новизна?

Новый газогенератор представляет собой шахтную печь. В нее сверху подается топливо, которое под действием своего веса опускается. А снизу, ему навстречу, вдувается воздух через вращающуюся решетку. Топливо, встречаясь с горячим газом, нагревается, высыхает и отдает ему влагу. Температура в этой зоне, зоне сушки, в зависимости от влажности топлива, а она может достигать 50%, бывает 200—400 °С.

Продолжая опускаться, топливо нагревается еще больше: до 400—800°С, происходит пиролиз — от топлива отделяются летучие вещества, оно коксуется. В газообразное состояние переходят не только легкие фракции углеводородов, среди которых основная—это метан, но и тяжелые, образующие древесную смолу.

В следующей температурной зоне (800—1200°С), а это и есть собственно зона газификации, закоксовавшееся топливо — его твердый углеродистый остаток — вступает в реакцию с кислородом, содержащимся в свежем вдуваемом воздухе. В результате окисления (горения) образуются двуокись углерода СO₂ и водяной пар. Но так как кислорода очень мало и его недостаточно, чтобы сгорел весь углерод, то при температуре выше 900°С продукты окисления продолжают взаимодействовать с несгоревшим углеродом. Процесс газификации завершается образованием окиси углерода (СО) и водорода, которые вместе с газообразными углеродами, дегтем и являются горючими компонентами генераторного газа; кроме того, в нем содержатся инертные компоненты — азот из воздуха, водяной пар от влажного топлива и двуокись углерода.

И вот здесь мы подошли к центральному моменту. Для прохождения реакции газификации температура золы — несгораемого минерального остатка топлива — должна поддерживаться непременно выше 900°С, но в то же время не переходить за верхнюю границу, определяемую температурой плавления золы, которая обычно находится между 1100—1200°С. Зола, расплавившаяся на решетке, нарушает нормальный ход всех стадий газификации, выбивает «почву из-под ног» у автоматики, регулирующей дальнейший процесс использования генераторного газа, и чаще всего надолго прерывает работу.

В этом главная причина того, что до сих пор биомассы используются в газогенераторах далеко не в том объеме, который соответствует их потенциальным ресурсам.

Чтобы исправить такое положение, надо обеспечить надежное, стабильное течение процесса газификации. А для этого в зоне ее прохождения необходимо гарантированно иметь требуемую температуру, управляя ею в соответствии с изменением состава топлива.

Как же это удается делать на «Бионере»? С этой целью предусмотрена возможность регулировать влажность подаваемого в генератор воздуха и тем самым поддерживать температуру в заданных пределах. Такая идея не реализована ни в одном из известных способов.

Использование генераторного газа

Генераторный газ, полученный в «Бионере», служит либо топливом для теплоцентрали (см. цветную вкладку), либо сжигается в промышленных установках, например, в котлах, сушильных и обжиговых печах.

Эффективное производство газа из биомассы — лишь одна часть проблемы использования ее в качестве топлива. Другая часть связана со сжиганием такого газа. Где бы он в дальнейшем ни применялся, надо обеспечить полное его сгорание. Это важно не только из соображений экономичности работы. Должны строго выполняться и требования по охране окружающей среды.

Существующие горелки для этого не годились, так как они не были рассчитаны на сжигание газа, содержащего деготь.
Была создана специальная горелка, в которой воздух смешивается с газом точно в той пропорции, которая обеспечивает полноту его сгорания.

В дымовых газах нет серы, а твердых веществ содержится не более 250 миллиграммов в одном кубометре, то есть меньше допускаемого любыми нормами. Благодаря этому не загрязняется окружающая среда. Станции не нужен фильтр очистки дымовых газов, без которого достичь столь малого количества пыли в дыме не удается ни при каком другом способе сжигания.

Теплоцентраль «Бионер» может работать без присутствия эксплуатационного персонала — в автоматическом режиме. При помощи датчика, следящего за уровнем топлива, автоматизируется его подача в генератор; температурой воды в котле определяется количество воздуха, участвующего в процессе газификации, и таким образом регулируется мощность станции, а замеры содержания кислорода в дымовых газах служат информацией, которую используют для управления вентилятором, направляющим воздух в горелку газового котла. Все параметры, от которых зависят режим работы теплоцентрали и ее надежность, регулируются с помощью микропроцессорной техники.

Конструкция генератора и горелки такова, что позволяет, если необходимо, снизить мощность до 10% от номинальной. Более того, можно даже приостановить работу станции, не спуская полностью воду из системы, например, на выходные дни, а затем довольно быстро запустить ее. А сжигание топлива, суше обычно применяемого, дает возможность превышать мощность на 40%. Такой широкий диапазон регулировки обеспечивает оптимальное использование мощности в течение года. Теплоцентраль имеет кпд 85% и более.

Используя оборудование «Бионер», относительно несложно перевести на генераторный газ котельные, работающие на мазуте. Затраты на такую реконструкцию несравнимы с той экономией, которая получится от замены дорогостоящего мазута, скажем, щепой.

Газогенератор «Бионер» выпускается мощностью от 1 до 15 МВт. Чтобы представить себе возможности таких установок, возьмем для примера станцию с генератором в 5 МВт. При максимальной эксплуатации 6 тысяч часов в год она вырабатывает тепла столько, что его хватит для бытовых и коммунальных нужд поселку с населением 5 тысяч человек. Мазута для этого пришлось бы сжечь — вместо щепы! —3 тысячи тонн.

Первая газогенераторная теплоцентраль «Бионер» мощностью 5,2 МВт была построена в 1981 году в Финляндии. Опыт ее эксплуатации подтвердил, что она может надежно работать без обслуживающего персонала, отличается высокими технико-экономическими показателями, выбросы в окружающую среду минимальны.