Инновационная технология газификации древесины. Часть 2
Инновационная технология газификации древесины
Часть 2
Инновационная технология газификации древесины. Часть 1
Сравнительные данные по инвестиционным и производственным
затратам газогенераторных ТС для централизованного (мощность 5
МВт) и децентрализованного (0,5 МВт) отопления
В Западной Европе структура издержек малых децентрализованных когенерационных газогенераторных ТЭС (стоимость персонала и другие текущие производственные расходы) незначительно отличается от структуры издержек обычных тепловых станций в пересчете на 1 кВт вырабатываемой тепловой энергии. При дополнительной выработке электроэнергии эффективность когенерационных газогенераторных станций значительно повышается. На графике 1 можно увидеть сравнительные данные по инвестиционным и производственным затратам газогенераторных ТС (тепловых станций) для централизованного отопления (мощность 5 МВт) и децентрализованного (0,5 МВт). Инвестиции в станцию большей мощности значительно выше за счет инфраструктуры - в основном за счет прокладки тепловых сетей (до 50% в объеме общих затрат).
На графике 2 показана структура доходов тепловой газификационной станции мощностью 440 кВт (стоимость оборудования - 220 тыс. евро) и когенерационной газификационной станции с технологией Heatpipe Reformer мощностью 600 кВт (стоимость - 520 тыс. евро) со сравнимым количеством вырабатываемой тепловой энергии. Рассмотрены два варианта: с государственным софинансированием проекта в виде грантов, субсидий и прочего и без таковых. Используемое топливо: 50% - топливная щепа стоимостью 40 евро/т и 50% - опил и стружка стоимостью 10 евро/т. Объем эксплуатации - 4500 ч в год. Кредитная ставка - 5% годовых. Достоинства станции с Heatpipe Reformer (см. ЛПИ № 4, 2013) очевидны, в том числе и за счет дополнительной генерации электроэнергии, несмотря на ее высокую стоимость.
Перспективы газогенерации растительной биомассы в России
В последние годы электрогазогенерация на древесных отходах получила развитие в ФРГ, Индии и ряде других стран, появились разработки и в Российской Федерации. Но если в странах ЕС почти все правительства оказывают реальную экономическую поддержку производителям «зеленой» энергии, то в России этого пока не наблюдается, что тормозит коммерческое использование зарубежных разработок в этой сфере в энергетике страны и не способствует интересу российских компаний к разработке и выпуску оборудования для производства «зеленой» энергии.
Среди российских разработок в этой области можно выделить оборудование, которое выпускают группа компаний «Адаптика» (г. Брянск) и ООО «ЦНИДИ» (г. Санкт-Петербург).
В ГК «Адаптика» разработали и наладили промышленное производство не только генераторов синтез-газа, но и комплекса установок, в комплектацию которого, помимо генераторов, входят: сушильные агрегаты, отопительные установки (в том числе работающие на опилках) и электрогазогенераторные ТЭС. Использование этого оборудования уже сегодня экономически выгодно, особенно тем компаниям, у которых имеется большой запас неутилизированных углеродосодержащих отходов и нет доступа к централизованному энергоснабжению.
Структура доходов тепловой газификационной станции мощностью 440 кВт
и когенерационной газификационной станции с технологией Heatpipe
Reformer
В качестве примера рассмотрим разработанную компанией «Адаптика» когенерационную установку электрической мощностью 100 кВт, встроенную в систему энергообеспечения завода «Интерреммаш» и функционирующую уже больше двух лет.
Вот что рассказал об этом проекте научный консультант завода Борис Стольберг: «Установка, все комплектующие которой российского производства, а автоматика немецкая, может для выработки электроэнергии функционировать в двух режимах: как газовое оборудование и как газодизельное. При необходимости обеспечивается полная автоматизация всех процессов.
В качестве топлива используются древесные отходы и техсырье влажностью до 25%. Одной загрузки хватает на восемь часов работы. Расход топлива на получение 1 кВт электроэнергии - от 0,6 до 1,2 кг в зависимости от влажности и вида сырья.
Вот результаты одного из анализов состава получаемого синтез-газа до его очистки: СО - 23,5%, Н2 - 15%, СН4 - 3%, О2 - 1%, СnНm - <0,5%, СО2 - 10%, N2 - 47%.
Cогласно проведенным исследованиям и тестам, показатели загрязненности синтез-газа перед двигателем укладываются в требования (менее 25 мг на 1 м3), заявленные производителями двигателей, в том числе и немецкими специалистами.
Схема мини-ТЭС, включающая в себя обращенный процесс газификации, что позволяет минимизировать нежелательные примеси, представлена на схеме.
Стоимость подобной мини-ТЭС рассчитывается исходя из базовых $1500 за 1 кВт установленной мощности.
Для оценки эксплуатационных затрат примем следующие условия:
● топливо: свежесрубленное техсырье влажностью 60%;
● расход топлива: 1 кг/кВт·ч при влажности 20%;
● стоимость поставляемого техсырья: 200 руб. за 1 м3 навалом;
● удельная стоимость обслуживания миниТЭС: 0,5 руб./кВт·ч;
● расход электроэнергии на собственные нужды: 5%;
● все вырабатываемое тепло уходит на сушку техсырья.
При соблюдении этих условий получим себестоимость 1 кВт·ч, равную 1,3 руб. Хотя здесь и не учтены амортизация и налоги, стоимость электроэнергии, выработанной на такой электрогазогенераторной ТЭС, будет по крайней мере в три раза меньше сегодняшних тарифов для большинства регионов страны».
Одним из путей повышения эффективности автономных энергоустановок является перевод на местные топливные ресурсы. Учитывая, что такие установки, как правило, эксплуатируются в зонах, где нет доступа к централизованным электрическим и тепловым сетям, задача обеспечения устойчивого энергоснабжения при применении таких установок чрезвычайно актуальна.
Схема мини-ТЭС, включающая в себя обращенный процесс газификации, что позволяет минимизировать нежелательные примеси
На основании материалов, которые предоставили в распоряжение автора руководители ООО «ЦНИДИ» (г. Санкт-Петербург) Евгений Орлов и Леонид Власов и дирекция ОАО АК «Якутскэнерго» (г. Якутск), рассмотрим принципы обеспечения бесперебойного энергоснабжения применительно к газогенераторным энергетическим установкам (ГГЭУ), которые создаются совместными усилиями Центрального научно-исследовательского дизельного института (ЦНИДИ) и ОАО АК «Якутскэнерго» в рамках «Программы развития малой энергетики Республики Саха (Якутия) на 2005-2010 годы и на период до 2015 года».
На первом этапе проекта была разработана и построена энергоустановка, состоящая из одного газогенератора типа ГГМ-300 с системой охлаждения и очистки генераторного газа, представляющего собой один газогенераторный модуль, и одного электроагрегата на базе адаптированного к работе на генераторном газе дизельного двигателя ЯМЗ-238 мощностью 100 кВт.
Газогенераторная энергетическая установка ГГЭУ-100
электрической мощностью 100 кВт (разработка ООО
«ЦНИДИ»)
В газогенераторе реализован обращенный процесс слоевой газификации при атмосферно-воздушном дутье, обеспечиваемом при его розжиге с помощью электроприводной воздуходувки, а при выходе на рабочий режим - самим поршневым двигателем в процессе самовсасывания образующегося при газификации генераторного газа, на котором, собственно, и работает этот двигатель.
Первый опытно-промышленный образец такой энергоустановки прошел сертификационные испытания на соответствие разработанным техническим условиям и национальным стандартам.
В качестве основного топлива такого энергетического комплекса могут быть использованы древесина, торф, уголь, сланец и другие местные органические ресурсы. В связи с тем, что для перевода двигателя внутреннего сгорания на генераторный газ выбран газодизельный цикл, наряду с твердым топливом энергетический комплекс потребляет также дизельное топливо, используемое в нормальном режиме для воспламенения (подсветки) генераторного газа в цилиндре двигателя, и в аварийном режиме - как резервное топливо, на котором ДВС может работать в случае сбоя поставок твердого топлива или нарушения процесса выработки генераторного газа.
Конструкция всех изготовленных до настоящего времени образцов ГГЭУ представляет собой сочетание одного газогенератора и одного электроагрегата, что дает нам право называть их одноагрегатными. Такие установки применялись ранее (в период дефицита видов топлива, вырабатываемых из нефти) на целом ряде транспортных средств (автомобилях, тракторах, тепловозах, речных судах), а также в качестве автономных двигателей локомобилей.
Газогенератор и бак-расширитель электрогазо-
генераторной ТЭС завода «Интерреммаш»
Возврат к применению таких установок на транспортных средствах сегодня нецелесообразен, за исключением технологического транспорта. Но есть смысл рассматривать их в качестве маломощных автономных стационарных и передвижных источников энергии для предприятий лесодобывающего и лесоперерабатывающего комплексов, где имеется устойчивое энергоснабжение, а газогенераторные установки могут быть использованы с целью энергосбережения и утилизации некондиционного сырья и отходов.
В тех случаях, когда ГГЭУ является единственным автономным источником энергии, и требуется устойчивое энергоснабжение, необходима установка нескольких параллельно работающих источников энергии, объединяемых в единый энергетический комплекс, который обычно называется мини-ТЭЦ.
В настоящее время ОАО АК «Якутскэнерго» и ООО «ЦНИДИ» ведут работы по созданию мини-ТЭЦ, состоящих из двух газогенераторных модулей ГГМ-300 и четырех параллельно работающих электроагрегатов мощностью 100 кВт каждый, притом что заявленная электрическая мощность мини-ТЭЦ составляет 200 кВт, то есть два электроагрегата являются резервными.
Рассмотрим заложенные в проект основные решения для обеспечения бесперебойного энергоснабжения, главными из которых являются:
● опора на отечественное простое и широко распространенное оборудование;
● ремонтопригодность в условиях автономной эксплуатации;
● обеспечение безостановочной работы электроагрегата при проведении основных операций по техническому обслуживанию энергоустановки;
● наличие дополнительного оборудования для производства тепловой энергии;
● резервирование энергетического и вспомогательного оборудования;
● наличие резервного топлива;
● возможность использования альтернативных местных топливных ресурсов;
● резервирование запасов топливных ресурсов;
● поддержание количества и качества вырабатываемой энергии.
Выбор газодизельного процесса при адаптации дизельного двигателя к работе на генераторном газе был вызван целым рядом причин, главными из которых стали:
● возможность запуска установки при отсутствии посторонних источников электроснабжения, за счет работы электроагрегата на дизельном топливе в период розжига, запуска и прогрева газогенератора;
● использование дизельного топлива в качестве резервного в случае сбоев с поставкой древесного топлива или выхода из строя оборудования для его подготовки;
● довольно простая схема переоборудования дизельного двигателя на газодизельный цикл, реализуемая даже на месте эксплуатации двигателя;
● обеспечение оперативного автоматического перевода с дизельного на газодизельный цикл и обратно в ходе эксплуатации двигателя;
● возможность получения высоких показателей переходного процесса при сбросах и увеличении нагрузки;
● простота освоения и обслуживания, стабильность выходных электрических параметров.
Часть электрогазогенераторной ТЭС (завод
«Интерреммаш»): двигатель/электрогенератор и блок
очистки синтез-газа (циклон, ресивер-охладитель,
скруббер и электрофильтр)
Для реализации газодизельного процесса была разработана специальная система регулирования подачи газового топлива в дизельный двигатель, позволяющая менять соотношение газового и жидкого топлива в зависимости от количества и качества газового топлива и нагрузки, поданной на двигатель. При этом сохраняется возможность работы только по дизельному циклу; для перехода двигателя на этот цикл надо отключить подачу газового топлива.
Таким образом, использование газодизельного цикла значительно повышает надежность электроснабжения автономных газогенераторных энергоустановок, обеспечивая работу электроагрегатов как на газовом, так и на дизельном топливе.
Следует также отметить «всеядность» самого газогенератора: его можно использовать для газификации не только древесины, но и торфа, угля, сланцев и т. д. В ходе эксплуатации первого опытно-промышленного образца была продемонстрирована отличная работа газогенератора на различных видах древесины (щепе, отходах деревообработки, дровах), торфа и угля. Что касается последнего, то из двух сортов угля якутских месторождений один, так называемый сапропелевый, показал отличную склонность к газификации, в то время как другой - бурый уголь Кангаласского месторождения - оказался непригодным к газификации. Все вышесказанное позволяет сделать заключение о возможности использования в рассматриваемой энергоустановке разных видов местных сырьевых ресурсов.
При этом запасы энергоресурсов можно создать либо в виде разнообразного твердого топлива, либо в виде запасов генераторного газа (установив газгольдеры), а также в виде тепловых аккумуляторов (обычных водяных или с использованием эффекта фазового перехода), устанавливаемых в тепловой сети энергоустановки.
Следует отметить, что сам газогенератор является прекрасным энергетическим аккумулятором. Если на мини-ТЭЦ установлены два или более газогенератора, и в период низкого потребления энергии (например, ночью, когда расход электроэнергии значительно меньше, чем днем) часть газогенераторов отключены, то отключенный газогенератор в течение определенного периода (что зависит от теплоаккумуляторной способности его внутренней облицовки и температуры окружающей среды) остается в «горячем резерве» и может быть запущен в работу благодаря подаче дутьевого воздуха от штатной воздуходувки и выйти на рабочий режим, пока работающий газодизель-генератор потребляет заранее запасенный генераторный газ из газгольдера.
Благодаря возможности использования альтернативных энергоресурсов напрашивается вывод о необходимости создания гарантийных запасов имеющихся в распоряжении потребителя резервных видов топлива для повышения устойчивости и надежности энергоснабжения.
Учет рассмотренных выше аспектов при проектировании мини-ТЭЦ, создаваемых на базе газогенераторных энергоустановок, обеспечит надежное и бесперебойное энергоснабжение потребителей, выбравших этот вид энергетического оборудования.
В 2012 году в пос. Исит (Саха -Якутия) были завершены монтажные, пусконаладочные работы и начались испытания первой очереди газогенераторной электростанции, состоящей из одного газогенератора и двух газодизель-генераторов. Планируется, что электростанция будет работать в зимнее время в дизельном режиме, а в летнее - в газодизельном. Газификация древесных отходов (щепы, опилок, поросли, удаляемой при расчистке просек для высоковольтных линий) позволит заместить до 70% дизельного топлива, или 55 тонн условного топлива (т. у. т), за один сезон.
Сергей ПЕРЕДЕРИЙ,
Дюссельдорф, Германия
s.perederi@eko-pellethandel.de
