Высокотемпературная газификация отходов: новые направления развития
Опубликовано Редактор 13-06-2012 (4 прочтений)Россия, к сожалению, была и остается «необитаемым островом» в море как традиционных, так и инновационных решений в сфере высокотемпературной газификации бытовых и других видов отходов. А ведь применение данной технологии позволит экологически чисто и технически сравнительно просто перерабатывать бытовые отходы без их предварительной подготовки с получением на выходе синтез-газа как основного продукта конверсии.
Жизненный цикл высокотемпературной газификации (ВТГ) органических компонентов твердых бытовых и других видов отходов (далее - ТБО) берет свое начало в середине 1980-х гг., когда были сделаны первые попытки распространить опыт газификации углей, торфа, древесной биомассы на ТБО и подобные им объекты. После первых, далеко не всегда удачных экспериментов стало понятно, что в своей основе метод может быть использован как способ переработки ТБО, но его инженерная, а тем более коммерческая реализация в данной сфере требует очень большого объема НИР и ОКР, создания экспериментальных и демонстрационных объектов, способных убедить инвесторов в перспективности нового направления. Именно на этом этапе были созданы электродуговые плазмотроны (ЭДП), являющиеся в настоящее время одним из основных инструментов промышленной реализации ВТГ ТБО.
В начале XXI в. были построены первые полупромышленные и промышленные ВТГ-комплексы, общее количество которых к настоящему времени достигает около 40 единиц. Опыт эксплуатации этих комплексов выявил наряду с достоинствами ряд технологических, экономических и организационных проблем в реализации ВТГ, что и обусловило появление новых направлений развития в этой области. Такими направлениями в настоящее время являются:
• появление принципиально новых (для ВТГ ТБО) способов создания зоны высоких (>1 500 °C) температур, где и осуществляется полный цикл конверсии биомассы в синтез-газ, а негазифицируемых фракций - в остеклованный агломерат, или завершение этого цикла, если первой стадией конверсии являлись пиролиз, или низкотемпературная газификация биомассы;
• расширение коммерческой и организационной интеграции компаний, являющихся мировыми лидерами на отдельных этапах промышленной реализации ВТГ (подготовка отходов к ВТГ: при необходимости производство средств нагрева, в том числе плазмотронов, автоматизация управления ВТГ-комплексами, в том числе в целях расширения номенклатуры целевых продуктов, очистка синтез-газа в соответствии со схемами его дальнейшего использования, новые катализаторы, новые виды конечной продукции и т. д.), с компаниями-эксплуатантами ВТГ-комплексов, с потребителями продукции этих комплексов, с финансовыми структурами, в том числе российскими (крупный проект ВТГ в США), обеспечивающими экономическую устойчивость комплексов в период до выхода его на самоокупаемость - фактически, создание ВТГ-холдингов;
•развитие производственных мощностей единичных ВТГ-агрегатов (модулей) и компонуемых из них промышленных комплексов в двух диаметрально противоположных направлениях: увеличение этих мощностей до 400 тыс. т/год (модули) и до 1-1,5 млн т/год ТБО (комплексы) преимущественно в целях повышения их экономической эффективности; миниатюризация модулей в целях стационарного или мобильного обслуживания объектов (пострадавших от стихийных бедствий, военных, транспортных, медицинских и др.), для которых приоритетным является оперативное и полное уничтожение отходов при минимально допустимом загрязнении окружающей среды, когда экономические соображения не являются критическими; впервые в мировой практике начато сооружение ВТГ-комплекса для одновременного решения двух задач: переработки «свежих» ТБО и свалочной массы выведенного из эксплуатации полигона, на котором накоплен 1 млн т ТБО. В состав комплекса входит энергоблок мощностью 24 МВт, глубина переработки ТБО составит 99 %, технологической основой комплекса является двухступенчатая ВТГ;
• ВТГ-модули производственной мощностью 100-25 тыс. т/год отходов хорошо вписываются в структуру автономных муниципальных систем электро- и теплоснабжения и систем, обслуживающих крупные индивидуальные объекты: гипермаркеты, бизнесцентры, медицинские и образовательные центры, удаленные объекты добычи полезных ископаемых и др. Такие системы получают за рубежом все большее распространение в качестве альтернативы общегосударственным и региональным системам. Сдвиг в сторону автономных систем объясняется существенным (многократным) повышением общего КПД энергосистемы за счет снижения потерь в коротких автономных сетях и снижением расходов на их содержание по сравнению с протяженными общегосударственными и региональными сетями [1, 2]. Для России - наследницы гигантомании и централизма плановой экономики - изучение и рациональная реализация этой новой тенденции имеет особое значение;
• размещение ВТГ-комплексов на территориях существующих нефтегазоперерабатывающих заводов (НПЗ), в пределах «шаговой доступности» от них, или включение комплексов в структуру НПЗ. Во всех вариантах НПЗ являются технологически подготовленными потребителями всей гаммы целевых продуктов ВТГ-комплексов. Номенклатура продукции НПЗ расширяется за счет появления продукции из возобновляемых сырьевых ресурсов, негативное воздействие на окружающую среду снижается пропорционально объему ВТГ-переработки биомассы;
• строительство многономенклатурных или специализированных мини-НПЗ на базе крупных ВТГ-комплексов как один из способов удлинения технологических цепочек ВТГ и получения конечной продукции с высокой добавленной стоимостью;
• повышение энергетического КПД ВТГ-комплексов за счет использования низкопотенциального тепла - теплового «хвоста» второй ступени когенерационного цикла (при среднемассовой температуре «хвоста» не менее 260 °C) для получения не только холода (традиционная тригенерация), но и электроэнергии с использованием термоэлектрогенераторов, топливных элементов и (или) двигателей внешнего сгорания, мощность которых в настоящее время составляет до 100 кВт с перспективой увеличения до 1 МВт. Расчеты, основанные на данных министерства энергетики США, показывают следующее: общее количество потребителей вторичного тепла на территории США составляет 50 тыс. единиц, средняя востребованная мощность вторичного энергогенератора (ВЭ) -250 кВт, среднегодовая выработка одного ВЭ в режиме работы «16 ч/сут, 300 дней/год» - 1,35 млн кВт^ч, среднегодовое снижение выброса СО2 - 794 т/один ВЭ, потенциальная потребность США в двигателях указанной мощности - 10 тыс. единиц;
• расширение практики создания ВТГ-комплексов в составе технопарков, ориентированных на защиту окружающей среды; в этом случае комплексы выполняют помимо энергогенерации функции демонстрационных объектов, обучения (либо аутсорсинга) персонала, тестирования технических решений, относящихся к ВТГ, снабжения технопарков электро-и тепловой энергией; объекты, расположенные на территории парков, являются стабильными потребителями энергии, вырабатываемой комплексами;
• использование биокатализаторов для повышения полноты и скорости трансформации синтез-газа в абсолютированный этанол;
• широкое использование ВТГ при переработке непищевых природных масел и использованных пищевых масел для получения высококачественного дизельного топлива.
Далее кратко рассматриваются принципы, состояние и перспективы развития первого из указанных направлений. Традиционными способами формирования зоны высоких температур при ВТГ являются плазменный нагрев перерабатываемого продукта и (или) экзотермические реакции конверсии - термической деструкции органических компонентов этого продукта в присутствии водяного пара и (или) кислорода (паровая, кислородная или парокислородная конверсия органических соединений в синтез-газ как основной (целевой) продукт конверсии). Основными инструментами плазменного нагрева в настоящее время являются электродуговые плазмотроны с внутренним или внешним (вынесенным) стационарным дуговым разрядом. Нагрев газифицируемой массы может быть также организован с использованием газовых горелок при одновременном вводе пара и (или) кислорода в зону реакции.
Новыми инструментами плазменного нагрева при ВТГ являются безэлектродный стационарный разряд, инициируемый и поддерживаемый переменным высокочастотным электромагнитным полем микроволнового диапазона частот и комбинация традиционного дугового разряда постоянного тока и радиочастотного индуцированного разряда в форме реверсируемого вихревого плазменного потока (факела). Оба индукционно-плазменных (ИП) варианта ВТГ инициированы и активно развиваются в США фирмами и организациями мирового уровня в области прикладных плазменных технологий, в том числе ВТГ ТБО. По оценкам компании - основного разработчика, главными преимуществами первого ИП-варианта перед ВТГ-комплексами на базе плазмотронов с внутренним дуговым разрядом считаются:
• существенно меньший расход энергии на собственные нужды (поддержание стационарного разряда и др.): около 10 % общей выработки по сравнению с 30-40 % (по некоторым данным, 40-80 %) при использовании плазмотронов указанного типа. Энергия, отдаваемая во внешние сети, соответственно возрастает с 815-1 630 до 2 000-2 200 кВтш/т ТБО при соответствующем уменьшении затрат на получение энергии;
• при использовании синтез-газа для производства тепловой энергии приведенная теплопроизводительность для ИП-варианта составляет 33 БТЕ/фунт ТБО (4,6 ккал/кг ТБО), производственная мощность ИП-модуля - 120 т ТБО/сут. Это позволяет генерировать мощность около 17 МВт, потребляя на собственные нужды примерно 2 МВт, оставляя для отпуска во внешние сети около 87 % развиваемой тепловой мощности;
• использование ИП-варианта ВТГ позволяет перерабатывать без предварительного обезвоживания отходы высокой влажности, например свекловичный жом и отходы целлюлозно-бумажного производства. Разработчики метода считают, что внутренняя влага отходов является поставщиком водяного пара - одного из участников паровой или парокислородной конверсии углеводородного сырья;
• ИП-реактор при необходимости может использоваться для получения синтетической нефти - конденсата парогазовых продуктов термического разложения органических компонентов ТБО и отходов другого происхождения. Выход такой нефти составляет 4050 % массы исходных органических компонентов. Синтетическая нефть является аналогом природной нефти, прошедшей стадии обезвоживания-обессоливания и атмосферной дистилляции.
Основные цели создания комбинированных ЭДП-ИП-плазмотронов: увеличение межремонтного и общего ресурсов эксплуатации, которые для ЭДП лимитируются низким ресурсом катодных узлов; повышение тепловой мощности единичных плазмотронов и использующих их модулей; повышение теплосодержания синтез-газа при его использовании в качестве теплоносителя. Поставленные цели считаются достигнутыми: ресурс комбинированных плазмотронов, по утверждению разработчиков, не ограничен, мощности, генерируемые единичными плазмотронами (модулями), в настоящее время подняты до 1,8 МВт, в перспективе будут доведены до 10 МВт.
Задачами компании - разработчика ИП и ЭДП-ИП-плазмотронов являются доведение разработок до уровня продажи лицензий изготовителям оборудования и (или) компаниям, эксплуатирующим это оборудование; создание демонстрационного производства, которое выполняло бы также функции центра обучения - подготовки и повышения квалификации кадров. В настоящее время компания эксплуатирует модуль периодического действия производительностью 10 т ТБО/сут и строит предприятие производственной мощностью 150 т ТБО/сут.
ЛИТЕРАТУРА
1. [Электронный ресурс] URL: www.renewableenergyworld.com.
2. [Электронный ресурс] URL: www.environmentalexpert.com.
3. [Электронный ресурс] URL: www.wasteadvantagemag.com.
Жизненный цикл высокотемпературной газификации (ВТГ) органических компонентов твердых бытовых и других видов отходов (далее - ТБО) берет свое начало в середине 1980-х гг., когда были сделаны первые попытки распространить опыт газификации углей, торфа, древесной биомассы на ТБО и подобные им объекты. После первых, далеко не всегда удачных экспериментов стало понятно, что в своей основе метод может быть использован как способ переработки ТБО, но его инженерная, а тем более коммерческая реализация в данной сфере требует очень большого объема НИР и ОКР, создания экспериментальных и демонстрационных объектов, способных убедить инвесторов в перспективности нового направления. Именно на этом этапе были созданы электродуговые плазмотроны (ЭДП), являющиеся в настоящее время одним из основных инструментов промышленной реализации ВТГ ТБО.
В начале XXI в. были построены первые полупромышленные и промышленные ВТГ-комплексы, общее количество которых к настоящему времени достигает около 40 единиц. Опыт эксплуатации этих комплексов выявил наряду с достоинствами ряд технологических, экономических и организационных проблем в реализации ВТГ, что и обусловило появление новых направлений развития в этой области. Такими направлениями в настоящее время являются:
• появление принципиально новых (для ВТГ ТБО) способов создания зоны высоких (>1 500 °C) температур, где и осуществляется полный цикл конверсии биомассы в синтез-газ, а негазифицируемых фракций - в остеклованный агломерат, или завершение этого цикла, если первой стадией конверсии являлись пиролиз, или низкотемпературная газификация биомассы;
• расширение коммерческой и организационной интеграции компаний, являющихся мировыми лидерами на отдельных этапах промышленной реализации ВТГ (подготовка отходов к ВТГ: при необходимости производство средств нагрева, в том числе плазмотронов, автоматизация управления ВТГ-комплексами, в том числе в целях расширения номенклатуры целевых продуктов, очистка синтез-газа в соответствии со схемами его дальнейшего использования, новые катализаторы, новые виды конечной продукции и т. д.), с компаниями-эксплуатантами ВТГ-комплексов, с потребителями продукции этих комплексов, с финансовыми структурами, в том числе российскими (крупный проект ВТГ в США), обеспечивающими экономическую устойчивость комплексов в период до выхода его на самоокупаемость - фактически, создание ВТГ-холдингов;
•развитие производственных мощностей единичных ВТГ-агрегатов (модулей) и компонуемых из них промышленных комплексов в двух диаметрально противоположных направлениях: увеличение этих мощностей до 400 тыс. т/год (модули) и до 1-1,5 млн т/год ТБО (комплексы) преимущественно в целях повышения их экономической эффективности; миниатюризация модулей в целях стационарного или мобильного обслуживания объектов (пострадавших от стихийных бедствий, военных, транспортных, медицинских и др.), для которых приоритетным является оперативное и полное уничтожение отходов при минимально допустимом загрязнении окружающей среды, когда экономические соображения не являются критическими; впервые в мировой практике начато сооружение ВТГ-комплекса для одновременного решения двух задач: переработки «свежих» ТБО и свалочной массы выведенного из эксплуатации полигона, на котором накоплен 1 млн т ТБО. В состав комплекса входит энергоблок мощностью 24 МВт, глубина переработки ТБО составит 99 %, технологической основой комплекса является двухступенчатая ВТГ;
• ВТГ-модули производственной мощностью 100-25 тыс. т/год отходов хорошо вписываются в структуру автономных муниципальных систем электро- и теплоснабжения и систем, обслуживающих крупные индивидуальные объекты: гипермаркеты, бизнесцентры, медицинские и образовательные центры, удаленные объекты добычи полезных ископаемых и др. Такие системы получают за рубежом все большее распространение в качестве альтернативы общегосударственным и региональным системам. Сдвиг в сторону автономных систем объясняется существенным (многократным) повышением общего КПД энергосистемы за счет снижения потерь в коротких автономных сетях и снижением расходов на их содержание по сравнению с протяженными общегосударственными и региональными сетями [1, 2]. Для России - наследницы гигантомании и централизма плановой экономики - изучение и рациональная реализация этой новой тенденции имеет особое значение;
• размещение ВТГ-комплексов на территориях существующих нефтегазоперерабатывающих заводов (НПЗ), в пределах «шаговой доступности» от них, или включение комплексов в структуру НПЗ. Во всех вариантах НПЗ являются технологически подготовленными потребителями всей гаммы целевых продуктов ВТГ-комплексов. Номенклатура продукции НПЗ расширяется за счет появления продукции из возобновляемых сырьевых ресурсов, негативное воздействие на окружающую среду снижается пропорционально объему ВТГ-переработки биомассы;
• строительство многономенклатурных или специализированных мини-НПЗ на базе крупных ВТГ-комплексов как один из способов удлинения технологических цепочек ВТГ и получения конечной продукции с высокой добавленной стоимостью;
• повышение энергетического КПД ВТГ-комплексов за счет использования низкопотенциального тепла - теплового «хвоста» второй ступени когенерационного цикла (при среднемассовой температуре «хвоста» не менее 260 °C) для получения не только холода (традиционная тригенерация), но и электроэнергии с использованием термоэлектрогенераторов, топливных элементов и (или) двигателей внешнего сгорания, мощность которых в настоящее время составляет до 100 кВт с перспективой увеличения до 1 МВт. Расчеты, основанные на данных министерства энергетики США, показывают следующее: общее количество потребителей вторичного тепла на территории США составляет 50 тыс. единиц, средняя востребованная мощность вторичного энергогенератора (ВЭ) -250 кВт, среднегодовая выработка одного ВЭ в режиме работы «16 ч/сут, 300 дней/год» - 1,35 млн кВт^ч, среднегодовое снижение выброса СО2 - 794 т/один ВЭ, потенциальная потребность США в двигателях указанной мощности - 10 тыс. единиц;
• расширение практики создания ВТГ-комплексов в составе технопарков, ориентированных на защиту окружающей среды; в этом случае комплексы выполняют помимо энергогенерации функции демонстрационных объектов, обучения (либо аутсорсинга) персонала, тестирования технических решений, относящихся к ВТГ, снабжения технопарков электро-и тепловой энергией; объекты, расположенные на территории парков, являются стабильными потребителями энергии, вырабатываемой комплексами;
• использование биокатализаторов для повышения полноты и скорости трансформации синтез-газа в абсолютированный этанол;
• широкое использование ВТГ при переработке непищевых природных масел и использованных пищевых масел для получения высококачественного дизельного топлива.
Далее кратко рассматриваются принципы, состояние и перспективы развития первого из указанных направлений. Традиционными способами формирования зоны высоких температур при ВТГ являются плазменный нагрев перерабатываемого продукта и (или) экзотермические реакции конверсии - термической деструкции органических компонентов этого продукта в присутствии водяного пара и (или) кислорода (паровая, кислородная или парокислородная конверсия органических соединений в синтез-газ как основной (целевой) продукт конверсии). Основными инструментами плазменного нагрева в настоящее время являются электродуговые плазмотроны с внутренним или внешним (вынесенным) стационарным дуговым разрядом. Нагрев газифицируемой массы может быть также организован с использованием газовых горелок при одновременном вводе пара и (или) кислорода в зону реакции.
Новыми инструментами плазменного нагрева при ВТГ являются безэлектродный стационарный разряд, инициируемый и поддерживаемый переменным высокочастотным электромагнитным полем микроволнового диапазона частот и комбинация традиционного дугового разряда постоянного тока и радиочастотного индуцированного разряда в форме реверсируемого вихревого плазменного потока (факела). Оба индукционно-плазменных (ИП) варианта ВТГ инициированы и активно развиваются в США фирмами и организациями мирового уровня в области прикладных плазменных технологий, в том числе ВТГ ТБО. По оценкам компании - основного разработчика, главными преимуществами первого ИП-варианта перед ВТГ-комплексами на базе плазмотронов с внутренним дуговым разрядом считаются:
• существенно меньший расход энергии на собственные нужды (поддержание стационарного разряда и др.): около 10 % общей выработки по сравнению с 30-40 % (по некоторым данным, 40-80 %) при использовании плазмотронов указанного типа. Энергия, отдаваемая во внешние сети, соответственно возрастает с 815-1 630 до 2 000-2 200 кВтш/т ТБО при соответствующем уменьшении затрат на получение энергии;
• при использовании синтез-газа для производства тепловой энергии приведенная теплопроизводительность для ИП-варианта составляет 33 БТЕ/фунт ТБО (4,6 ккал/кг ТБО), производственная мощность ИП-модуля - 120 т ТБО/сут. Это позволяет генерировать мощность около 17 МВт, потребляя на собственные нужды примерно 2 МВт, оставляя для отпуска во внешние сети около 87 % развиваемой тепловой мощности;
• использование ИП-варианта ВТГ позволяет перерабатывать без предварительного обезвоживания отходы высокой влажности, например свекловичный жом и отходы целлюлозно-бумажного производства. Разработчики метода считают, что внутренняя влага отходов является поставщиком водяного пара - одного из участников паровой или парокислородной конверсии углеводородного сырья;
• ИП-реактор при необходимости может использоваться для получения синтетической нефти - конденсата парогазовых продуктов термического разложения органических компонентов ТБО и отходов другого происхождения. Выход такой нефти составляет 4050 % массы исходных органических компонентов. Синтетическая нефть является аналогом природной нефти, прошедшей стадии обезвоживания-обессоливания и атмосферной дистилляции.
Основные цели создания комбинированных ЭДП-ИП-плазмотронов: увеличение межремонтного и общего ресурсов эксплуатации, которые для ЭДП лимитируются низким ресурсом катодных узлов; повышение тепловой мощности единичных плазмотронов и использующих их модулей; повышение теплосодержания синтез-газа при его использовании в качестве теплоносителя. Поставленные цели считаются достигнутыми: ресурс комбинированных плазмотронов, по утверждению разработчиков, не ограничен, мощности, генерируемые единичными плазмотронами (модулями), в настоящее время подняты до 1,8 МВт, в перспективе будут доведены до 10 МВт.
Задачами компании - разработчика ИП и ЭДП-ИП-плазмотронов являются доведение разработок до уровня продажи лицензий изготовителям оборудования и (или) компаниям, эксплуатирующим это оборудование; создание демонстрационного производства, которое выполняло бы также функции центра обучения - подготовки и повышения квалификации кадров. В настоящее время компания эксплуатирует модуль периодического действия производительностью 10 т ТБО/сут и строит предприятие производственной мощностью 150 т ТБО/сут.
О. В. Падалко,
НП «Управление отходами - стратегическая экологическая инициатива»
Журнал ТВЕРДЫЕ БЫТОВЫЕ ОТХОДЫ № 10 2011
НП «Управление отходами - стратегическая экологическая инициатива»
Журнал ТВЕРДЫЕ БЫТОВЫЕ ОТХОДЫ № 10 2011
ЛИТЕРАТУРА
1. [Электронный ресурс] URL: www.renewableenergyworld.com.
2. [Электронный ресурс] URL: www.environmentalexpert.com.
3. [Электронный ресурс] URL: www.wasteadvantagemag.com.
