Инновационная технология газификации древесины, часть 2

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 когене-рационных 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 газификацион-ной станции с технологией Иеа1р1ре

Reformer мощностью 600 кВт (стои­мость — 520 тыс. евро) со сравнимым количеством вырабатываемой тепло­вой энергии. Рассмотрены два вари­анта: с государственным софинан-сированием 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.

Сравнительные данные по инвестиционным и производственным затратам газогенераторных ТС для централизованного (мощность 5 МВт) и децентрализованного (0,5 МВт) отопления

Структура доходов тепловой газификационной станции мощностью 440 кВт и когенерационной газификационной станции с технологией Heatpipe Reformer

Перспективы газогенерации растительной биомассы

В последние годы электрогазоге-нерация 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 углеродо-содержащих отходов и нет доступа к централизованному энергоснабжению.

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%, СпНn — <0,5%, СО2 — 10%, N2 — 47%.

Согласно 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 техсы-рье влажностью 60%;
• расход топлива: 1 кг/кВт-ч при влажности 20%;
• стоимость поставляемого техсы-рья: 200 руб. за 1 м³ навалом;
• удельная стоимость обслужива­ния мини-ТЭС: 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».

Схема мини-ТЭС, включающая в себя обращенный процесс газификации, что позволяет минимизировать нежелательные примеси

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.

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 «Якутск-энерго» в рамках «Программы раз­вития малой энергетики Республики Саха (Якутия) на 2005-2010 годы и на период до 2015 года».

Часть электрогазогенераторной ТЭС (завод «Интерреммаш»): двигатель/электрогенератор и блок очистки синтез-газа (циклон,ресивер-охладитель, скруббер и электрофильтр)

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.

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. 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 «Якутск-энерго» 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.

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 т условного топлива (т. у. т), за один сезон.