Разработка систем комбинированной выработки тепловой и электрической энергии на основе исследования процессов пиролиза и газификации биомассы

• Автор: Федюхин, Александр Валерьевич
• Шифр специальности: 05.14.04
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2014
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 157 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ

1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

1.1 Анализ методов исследования термического распада биомассы

1.2 Анализ калорийности и состава газа

1.3 Анализ установок пиролиза биомассы

1.4 Анализ установок газификации биомассы

1.5 Анализ методов оценки воздействия вредных выбросов на

окружающую среду, применяемых в передовых странах

1.6 Постановка задачи

2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕРМОГРАВИМЕТРИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК БИОМАССЫ И ПРОДУКТОВ ЕЕ ТЕРМИЧЕСКОЙ КОНВЕРСИИ
2.1 Описание экспериментальной установки
2.2 Результаты термогравиметрических экспериментов
2.3 Обработка результатов термогравиметрического анализа
2.4 Проведение экспериментов по оценке состава продуктов пиролиза..
2.5 Выводы по главе
3. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОДУКТОВ ПИРОЛИЗА И ГАЗИФИКАЦИИ БИОМАССЫ
3.1 Разработка математической модели и методики расчета параметров термической конверсии углеродсодержащего топлива
3.2 Оценка равновесного состава газа, его объема и теплоты сгорания при пиролизе
3.3 Оценка равновесного состава газа, его объема и теплоты сгорания при газификации
3.4 Сравнение теоретических расчетов термической конверсии с литературными данными
3.5 Сопоставление теоретических расчетов процесса газификации с результатами экспериментальных исследований
3.6 Выводы по главе
4. РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ БИОМАССЫ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ТЕПЛОВОЙ И ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ
4.1 Выбор приоритетной схемы выработки тепловой и электрической энергии в ПГУ с пиролизером биомассы
4.2 Выбор приоритетной схемы выработки тепловой и электрической энергии в ПГУ с газификатором биомассы
4.3 Моделирование ПГУ с газификатором биомассы в компьютерной программе Aspen Plus
4.4 Расчет тепловых нагрузок и выбор паровой турбины для ПГУ
4.5 Сравнение циклов на основе пиролиза и газификации биомассы
4.6 Сравнение расчетов схем ПГУ с литературными данными
4.7 Выводы по главе
5. ОЦЕНКА СИСТЕМЫ ВЫРАБОТКИ ТЕПЛОВОЙ И ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ НА ОСНОВЕ БИОМАССЫ ПО ЭКОЛОГИЧЕСКИМ И ЭКОНОМИЧЕСКИМ ПОКАЗАТЕЛЯМ
5.1 Сравнение ПГУ на основе газификации биомассы и ТЭЦ на угле
5.2 Расчет капиталовложений и сроков окупаемости ПГУ на основе газификации биомассы
5.3 Проведение технико-экономической оценки рыночного потенциала полученных результатов
5.4 Выводы по главе
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
ПРИЛОЖЕНИЕ
ПРИЛОЖЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ
Актуальность работы
Общий запас древесины в России превышает 80 млрд. куб. м., благодаря чему наша страна занимает лидирующее место в мире по площади лесного фонда и его количеству на одного жителя. Потенциал использования биомассы в России составляет: валовый (467 млн. тут/год), технический (129 млн. тут/год), экономический (69 млн. тут/год), включая отходы агропромышленного комплекса - до 80 млн. тут/год; отходы лесопромышленного комплекса - более 30 млн. куб. м. В то же время в районы Крайнего Севера, Дальнего Востока и Сибири ежегодно завозится порядка 6-8 млн. тонн жидкого и 20-25 млн. тонн твердого топлива [47]. В настоящее время доля возобновляемых ресурсов в производстве энергии в России, включая малые гидроэлектростанции, не превышает 2 %, при планируемом целевом показателе - 4,5 % к 2020 году [51]. Использование биомассы в энергетических целях актуально также с точки зрения экологического аспекта, т.к. приведет к снижению выбросов парниковых газов в совокупности с утилизацией бытовых, промышленных, древесных и сельскохозяйственных отходов [26, 30, 52].
Переход на предлагаемый вид топлива для решения проблем энергоснабжения промышленности и ЖКХ должен сопровождаться применением передовых энергоэффективных технологий на базе пиролиза или газификации исходного сырья и последующей комбинированной выработки электрической и тепловой энергии в цикле ПГУ.
Цель работы заключается в разработке тепловых схем использования биомассы в энергетических целях с применением современных технологий комбинированной выработки тепловой и электрической энергии на основе непрерывного пиролиза или газификации исходного топлива.

Преимуществом подобных реакторов является низкие капитальные затраты, простота в эксплуатации, невысокая себестоимость производимого газа. К недостаткам принято относить неравномерность прогрева сырья, находящегося на решетке, высокую долю жидкой фракции в продуктах газификации.
Для решения проблем выхода большого количества смол и зашлаковывания решетки, был разработан реактор с разделением температурных зон путем подачи окислителя в середину газификатора. При этом газ отводится через нижнюю часть установки, где в зоне высоких температур происходит реакция крекинга смол с образованием из них летучих соединений (рис. 1.16).
Рисунок 1.16 - Схема газификатора с разделением температурных зон.
В таком реакторе содержание смол на выходе лежит в диапазон от 0,015 до 3 грамм на 1 кубометр газа, что позволяет применять их с двигателями внутреннего сгорания без лишних затрат на очистку и подготовку горючей смеси.
Реакторы с кипящим слоем демонстрируют высокую эффективность термической конверсии среды за счет равномерности прогрева всей засыпки
Биомасса
Сушка
Горение
Воздух
■►Газ