Использование термического крекинга
Растительная биомасса (древесные и сельскохозяйственные отходы) относится к возобновляемым углеводородным ресурсам и является одним из перспективных и экологически чистых заменителей минерального топлива. Интерес к ее использованию в энергетических целях обусловлен рядом факторов, в частности, развитием средств автономной энергетики, ростом внимания к экологическим аспектам производства тепло- и электроэнергии, доступностью.
Однако большая неравномерность биомассы и низкая плотность энергии приводят к снижению эффективности ее использования. За счет гранулирования может быть повышена экономическая составляющая процесса использования биомассы в энергетики. Производство пеллет растет во всем мире и в России к 2016 году достигло 1 млн. тонн в год. Наряду с расширением производства биогранул наблюдается тенденция повышения потребительских характеристик этого вида топлива, в частности увеличения удельного энергетического содержания и уменьшения гигроскопичности.
Разработка технологии торрефикации (нагрев до температур 200–300 °С в бескислородной среде) позволит получать топливные гидрофобные пеллеты из биомассы, с повышенными теплотехническими свойствами. Использование таких пеллет в энергетических целях приведет к полной или частичной замене твердого ископаемого топлива (угля) в топливно-энергетическом комплексе России и других стран.
В ОИВТ РАН разработан энерготехнологический комплекс, который может быть встроен непосредственно в технологическую линию по производству пеллет. Товарная продукция комплекса – торрефицированное гранулированное топливо, электроэнергия и тепловая энергия (рис. 1).
Рис. 1. Принципиальная схема энерготехнологического комплекса с реактором торрефикации
Проведенные испытания разработанного комплекса показали его работоспособность, вырабатываемая электрическая мощность составила 155 кВт, а производительность реактора по исходным пеллетам была 160 кг/ч. Эксперименты проводились с использованием древесных пеллет, в качестве исходного биосырья. Удельная низшая теплота сгорания торрефицированных пеллет увеличилась на 8–9 % по сравнению с необработанными пеллетами и составила 19,0 МДж/кг. В качестве блока утилизации использовались тканевые фильтры, которые в процессе испытаний быстро забились и перестали работать.
Побочными продуктами торрефикации являются пиролизные газы и жидкая фракция, представляющая собой смесь пирогенетической воды и смол. Количество и состав конденсирующихся и неконденсирующихся продуктов пиролиза зависят как от свойств исходного сырья, так и от ряда технологических параметров: темпа нагрева, конечной температуры, характерного времени нахождения в реакционной зоне и т.п. Анализ продуктов торрефикации растительной биомассы показывает, что диоксид и моноксид углерода являются основными неконденсирующимися продуктами, в то время как конденсирующиеся продукты состоят из уксусной кислоты, воды, метанола, муравьиной и молочной кислоты и фурфурола.
Кроме механических способов очистки пиролизных газов, которые показали свою неэффективность, для очистки уходящих газов можно использовать применять крекинг. Крекинг – это процесс термического разложения углеводородов с целью получения продуктов меньшей молекулярной массы. Существуют два основных типа крекинга: термический и каталитический. В первом случае это происходит при нагреве пиролизных газов и смол до высоких температур (~1000 °С), во втором применяются катализаторы, которые позволяют снизить температуру процесса до 800 °С.
В лаборатории распределенной генерации ОИВТ РАН был исследован термический крекинг побочных продуктов торрефикации. В качестве исходного материала для проведения экспериментальных исследований был взят куриный помет. Согласно статистике, ежегодно в России образуется более 20 млн. т. куриного помета. Большие его объемы накапливаются непосредственно вблизи птицеферм, а места хранения помёта, превращаются в потенциально опасные источники загрязнения окружающей природной среды. Куриный помет наряду с полезными веществами содержит отдельные виды патогенной микрофлоры (в частности, это протей, кишечная палочка и сальмонелла). Вопрос переработки куриного помета стоит очень остро. Этим и обосновывался выбор сырья для экспериментальных исследований.
Элементный химический состав и теплота сгорания куриного помета представлены в таблице 1.
Высокая зольность куриного помета значительно усложняет способы его переработки из-за снижения теплоты сгорания. Торрефикация куриного помета проводилась на установке, схема которой представлена на рис. 2.
Рис.2. Схема экспериментальной установки по торрефикации
Куриный помет помещался в реактор 1. Древесный уголь, полученный путем пиролиза древесины до температуры 1000°С, помещался в реактор 2 и нагревался до температуры Т2=1000 °С. Данная температура оставалась постоянной в течение всего эксперимента. Реактор с сырьем 1 нагревался до температуры Т1=250 °С с темпом нагрева 5 °С/мин. и выдерживался при данной температуре в течение 40 минут. Образующиеся торрефикационные газы и пары проходили через слой древесного угля.
В ходе эксперимента отслеживалось наличие жидкой фракции, которая обычно присутствует при торрефикации биомассы, при помощи холодильника В. Результаты эксперимента показали отсутствие торрефикационной жидкости. Объем образующихся газов определялся с помощью счетчика газов С. В ходе экспериментов отбирались пробы газов для хроматографического анализа полученной смеси (точка D).
Для исследования очистки торрефикационных газов может быть использован другой вид биомассы: древесина, торф, сельскохозяйственные отходы. Выбор исходного сырья определяется нуждами потребителя. В таблице 2 представлен элементный химический состав и теплота сгорания куриного помета после процесса торрефикации.
Из таблицы 2 видно, что теплота сгорания торрефицированного помета выросла на 25% по сравнению с исходным. При этом в значительной степени уменьшилось количество кислорода.
На рис. 3 представлен процесс нагрева куриного помета во время эксперимента. Для измерения температуры использовалось две термопары: первая помещалась в центр слоя сырья, вторая располагалась на стенке внутри реактора. Из рисунка видно, что сырье удалось выдержать в течение 40 минут в диапазоне температур 245-250 °С.
Рис.3. Нагрев исходного сырья (куриный помет) во время эксперимента
Изменение объема и состава выделявшихся во время эксперимента торрефикационных газов представлено на рис. 4 и 5.
Рис.4. Изменение объема выделившихся торрефикационных газов во времени
Рис.5. Изменение состава выделившихся торрефикационных газов во времени
Экспериментальные исследования показали, что из 1 кг высушенного куриного помета может быть получено 0,45 м3 газовой смеси (рис. 4), основную часть которой составляют СО и Н2 (рис. 5). Малая доля (менее 1 %) в газовой смеси CH4 и CO2 (таблица 3) и отсутствие жидкой фракции во время экспериментальных исследований говорят о разложении всех торрефикационных паров на нагретом до 1000 °С древесном угле. При этом полученная теплота сгорания газа – 11,76 МДж/нм3 – подтверждает, что полученная смесь может использоваться в энергетических целях.
Термический крекинг паров и смол может быть использован, как вариант очистки торрфикационных газов от пиролизных смол. Такое решение является весьма дорогостоящим и энергозатратным, поскольку требует нагрева древесного угля до 1000 °С. Достоинство данного способа состоит в том, что наряду с получением торрефиката, имеющего более высокую теплоту сгорания по сравнению с исходным сырьем – разница составила 25 % – в процессе образуется энергетический газ, состоящий на 92 % из СО и Н2, который может быть использован в энергетических установках для производства тепловой и электрической энергии.
