Звичайна газифікація - Енергоефективність та ПГ AQME

aqme

Газифікація - це процес, що працює при високій температурі (500–2000 ° C, залежно від технології), за допомогою якої тверда речовина на основі вуглецю перетворюється у водень (H2), оксид вуглецю (CO) та вуглекислий газ (CO2) за допомогою низки реакцій. Ця умова досягається впорскуванням газифікуючого агента (повітря, кисень, пара) в газифікатор в обмеженій кількості, щоб запобігти повному згорянню. Окрім завантаження вологи, газова суміш, відома як синтетичний газ (або синтетичний газ), також містить метан (метан), азот (N2) та незгорілі речовини у стані слідів (смоли).

Процес газифікації, як правило, триває у дві стадії. Спочатку матеріали розкладаються в присутності інтенсивного тепла (процес піролізу), утворюючи газоподібні та рідкі есенції. Потім вони перетворюються на синтез-газ в результаті реакцій газифікації, які виробляють тепло, необхідне для піролізу, дозволяючи автотеплову роботу (без додавання зовнішнього тепла) (ADEME, 2004). Реакції газифікації регулюються кількома змінними (наприклад, типом агента газифікації, температурою, тиском), які впливають на кінцевий склад синтез-газу.

Тому хороша синергія між різними процесами піролізу та газифікації є дуже важливою. Коливання на будь-якому рівні можуть призвести до падіння виробництва синтетичного газу або прискорення газифікації, що може призвести до втрати контролю. Також необхідний жорсткий контроль за складом та розміром введеного матеріалу, що може бути складним для відходів, враховуючи їх високу неоднорідність та навантаження забруднюючих речовин. Ось чому газифікація в основному розглядалася в минулому для відновлення лісозаготівельних, деревообробних та сільськогосподарських залишків. Однак технології еволюціонували, що робить можливим утилізацію змішаних відходів, хоча вони все ще створюють специфічні проблеми (особливо на рівні попередньої обробки). Таким чином, цей канал лікування залишається мало використовуваним у світі варіантом.

Рисунок 16: Типова схема потоку процесу газифікації з когенераційною установкою електроенергії та тепла або без неї


Доступні конфігурації

Комерційні газифікатори найрізноманітніші. В основному вони базуються на чотирьох шляхах газифікації, відмінність яких полягає головним чином у режимі циркуляції матеріалів у газифікаторі (рисунок 16) (ADEME, 2004). Двоступенева пірогазифікація - ще один підхід, головним привабливістю якого є розділення етапів піролізу та газифікації.

Газифікатори з фіксованим падінням шару: тверда сировина, розподілена зверху, повільно циркулює вниз, в той час як газифікуючий агент впорскується або в основу (потік проти струму), або в середину колони, звідки синтез-газ йде за переважним низхідним шляхом -токовий потік). Тому процес газифікації відбувається в нижній частині газифікатора, звідки генерується тепло відводиться вгору для піролізу вхідних матеріалів.

Газифікатори з фіксованим падаючим шаром досить добре освоєні, особливо для газифікації вугілля та біомаси. Однак їх використання для утилізації відходів дуже обмежене через проблеми циркуляції газу в шарі або навіть блокування, викликане строкатим матеріалом.

Газифікатори з киплячим шаром: попередньо оброблений твердий матеріал відповідного розміру вводиться в основу шару з інертного вогнетривкого матеріалу (наприклад: пісок, гранули глинозему). Це утримується у суспензії в газифікаторі за допомогою потоку повітря або повітря, збагаченого киснем, сприяючи таким чином реакціям теплопередачі та газифікації (щільний киплячий шар). Твердий матеріал також може захоплюватися вгору потоком повітря та синтетичного газу, а потім перероблятися до основи газифікатора зі свіжим матеріалом (циркулюючий киплячий шар). Сирий синтез-газ евакуюється до циклону з метою захоплення та переробки твердих частинок.

Газифікатори з псевдозрідженим шаром (щільні та циркулюючі) більше підходять для газифікації відходів, хоча вони потребують ефективної системи попередньої обробки, щоб контролювати розмір матеріалу (видаляючи дрібні та грубі фракції) для належного функціонування процесу. Цей тип попередньої обробки, ймовірно, покарає загальну економічну прибутковість процесу, навіть якщо вихід синтез-газу вищий у порівнянні з технологіями фіксованого падіння шару.

Двоступенева пірогазифікація: Пірогазифікація (наприклад, обертовою піччю, гвинтовим піролізатором, а потім вертикальною камерою газифікації) спочатку передбачає етап піролізу матеріалу із зовнішнім джерелом тепла, що виникає в результаті згоряння частини синтез-газ, що утворюється в зоні газифікації за течією. Тому вигідніше використовувати цей тип газифікатора виключно для теплової рекуперації.

Цей підхід має перевагу згладжування неоднорідності форми та складу твердих відходів шляхом первинного піролізу без потоку газу, що дає можливість витягувати леткі речовини. Постановка не тільки обмежує підготовку відходів, але також надає можливість видаляти з матеріалу метали та інші інертні матеріали перед тим, як їх ввести в зону газифікації. Крок подрібнення між двома зонами обробки також покращує ефективність газифікації, що відбувається на порошкоподібному матеріалі, набагато більше, як вугілля або біомаса.

Таблиця 17: Переваги та недоліки газифікації залишкових матеріалів

Рисунок 17: Загальна схема різних конфігурацій газифікатора


Використання продуктів газифікації

Газ-синтез

Склад сирого синтетичного газу сильно варіюється залежно від використовуваного газифікуючого агента (табл. 18). Наприклад, використовуючи повітря, синтетичний газ буде містити велику кількість азоту, що незмінно знижує теплотворну здатність газу (зазвичай від 4 до 7 МДж/Нм 3 синтетичного газу). Газифікація киснем збільшує питому теплотворну здатність синтез-газу, але також передбачає встановлення промислового генератора кисню, що слід враховувати лише для великих установок. Швидкість потоку синтетичного газу на виході з газифікатора залежить від вхідного і його теплотворної здатності. Таким чином, газифікація деревних або вугільних залишків утворює більший обсяг синтез-газу, ніж газифікація комунальних залишкових матеріалів, витрата яких зазвичай становить від 1000 до 2000 Нм 3 на тонну відходів.

Таблиця 18: Типовий склад синтез-газу на сухій основів Швидкість виробництва базується на газифікації відходів теплотворною здатністю 8–12 ГДж/т. Для біомаси (14–18 ГДж/т) або вугілля (15–30 ГДж/т) швидкість виробництва вища.

Синтез-газ може використовуватися традиційним способом для виробництва електроенергії за допомогою генераторної установки, оснащеної, за необхідності, системою теплообміну, що відновлює тепло, що міститься в двигуні, і вихлопні гази двигуна. Однак при газифікації відходів утворюється "брудний" синтетичний газ, який вимагає значної подальшої обробки, щоб уникнути проблем з генераторною установкою. Тому бажаніше зосередитись на тепловій рекуперації in situ (наприклад: котел/парова турбіна в комбінованому циклі), а не на ex-situ рекуперації для цього типу процесу.

Синтетичний газ також може бути використаний для інших більш інноваційних ролей, таких як заміна викопного палива на промисловому рівні або синтез звичайних видів палива (наприклад, дизель, природний газ, алкоголь). Однак цей останній підхід до відновлення вимагає дуже ретельного очищення синтетичного газу з наступною низкою перетворень, щоб отримати бажаний склад. Потім очищений і кондиціонований синтез-газ впорскується в каталітичний реактор, який перетворює його або в метан (природний газ), або в «дизельний» розчин, або в спирт. Крім того, залежно від використовуваного каталітичного процесу, продукт синтезу, можливо, доведеться очистити до споживчого продукту. Хоча наукові знання відомі давно, цей підхід до оцінки синтетичного газу залишається значною мірою на етапі демонстрації, особливо для комерційних процесів, що стосуються муніципальних залишкових матеріалів.

Залишки газифікації

У випадку, коли більшість металів та інших інертних матеріалів відновлюється під час попередньої обробки матеріалів, кількість розплавленої золи має бути відносно невеликою, не будучи незначною. Якщо вони проходять вітрифікацію в газифікаторі або нижче за течією (секвестрування токсичних важких металів), їх можна утилізувати на звалищі без шкідливого впливу на навколишнє середовище або використовувати для відновлення цінних елементів.

З іншого боку, дьоготь, конденсована вода та зола, що потрапили в результаті очищення синтетичного газу, повинні утилізуватися відповідно, не маючи особливої ​​цінності. Це слід робити при дотриманні екологічних стандартів.

Енергозбереження

Економія енергії, пов’язана з газифікацією, пропорційна швидкості вироблення синтетичного газу та його теплотворній здатності, що, в свою чергу, залежить від складу газифікованого матеріалу. Для цього в літературі наведено теплотворну здатність між 8–12 ГДж на тонну залишкового матеріалу та 3–5 ГДж на тонну зневодненого мулу стічних вод (еквівалентно 14–18 ГДж/т сухого мулу). Однак цей енергетичний потенціал не повністю відновлюється, оскільки частина тепла втрачається зовні, проходячи, наприклад, через синтетичний газ та розплавлений попіл. Загальний урожай близько 70–80% можна очікувати за найкращих умов експлуатації. У таблиці 19 наведено, як ознака, економія енергії, досяжна методом модернізації синтетичного газу.

Таблиця 19: Порядок величини економії енергії (методом рекуперації), створеної газифікацією однієї тонни комунальних залишкових матеріалів
в Типовий коефіцієнт корисної дії для генераторної установки потужністю до 100 кВт становить 20–30%, але може досягати 30–35% для більш потужних моделей (Міністерство енергетики США, 2003). До цього слід додати зниження електричної ефективності на порядок на 60-80% для використання синтетичного газу.
Представляє валову кількість виробленої електроенергії. Чиста кількість, розподілена в електричну мережу, буде нижчою, якщо врахувати споживання електроенергії газифікаційною установкою (близько 100 кВт-год/т MR).
проти Вихід процесу синтезу сильно варіюється в залежності від умов, що існують.

Потенційне зменшення викидів ПГ

Газифікатор безпосередньо не несе або не відповідає за викиди ПГ. З іншого боку, синтетичний газ, коли він споживається нижче за течією, відповідає за викиди парникових газів, що виникають в результаті фракції газифікованих матеріалів, що походять з викопного походження (наприклад, пластик, гума). На жаль, це джерело повністю або частково компенсує скорочення ПГ, що застосовуються для заміни викопного палива самим синтетичним газом, якщо це можливо. Таким чином, з точки зору викидів парникових газів, основною перевагою звичайної газифікації залишається виключення викидів метану на звалище.

У таблиці 20 наведено основні джерела викидів парникових газів та скорочення, пов'язані з роботою газифікаційної установки. Для установки, де синтетичний газ, можливо, буде перетворений на рідке паливо (замість спалення), додатково до тих, що представлені в таблиці 20, слід додавати джерела парникових газів, пов'язаних із синтезом палива.

Таблиця 20: Основні джерела викидів парникових газів та скорочення для звичайної газифікаціїв На основі економії енергії, представленої в таблиці 19.
Небіогенна частина залишкових матеріалів, перетворених на синтетичний газ, включається до балансу, оскільки синтетичний газ згодом буде спалений.

Економічний аспект

Існує декілька прикладів комерційного газифікатора для утилізації міських залишкових матеріалів. З іншого боку, ми знаємо, що інвестиційні витрати на установку, що виробляє електроенергію (30–150 МВт) з вугілля або деревини, як правило, становлять від 1 500 000 до 2 500 000 доларів США за встановлену МВт (Національна лабораторія поновлюваних джерел енергії, 1996). Для більших установок (понад 200 МВт) початкова вартість може опуститися нижче 1 500 000 доларів за встановлену МВт (Міністерство енергетики США, 2003). Якщо припустити, що електрична ефективність становить 25% порівняно із синтетичним газом, цей тип інвестицій дорівнюватиме 100–200 дол./Т/год за одиницю переробки понад 500 000 т/год відходів, що виробляють близько 30 МВт електроенергії на повну потужність. З іншого боку, знаючи, що необхідні складні системи попередньої обробки, питома вартість швидко зросте, як і невеликі блоки газифікації за принципом економії на масштабі. Таким чином, згідно з недавнім дослідженням, ми повинні розраховувати на те, щоб інвестувати, як правило, 800 доларів на тонну на повну установку, тоді як витрати на експлуатацію та технічне обслуговування становитимуть 60 доларів за тонну обробки, що є високим у плані. Муніципальне (Stantec, 2011).

Практичні ресурси

  • MATTEUS +, інструмент підтримки прийняття рішень для менеджерів із залишкових матеріалів, розроблений Міністерством фінансів та економіки (МФЕ) у співпраці з Hydro-Québec та SNC-Lavalin.
  • Набір програмного забезпечення RETScreen у Канаді Natural Resources, інструмент для посилення рішень щодо чистої енергії
  • Дослідження факторів, які можуть вплинути на соціальну прийнятність обладнання для обробки залишкових матеріалів в Монреальській столичній громаді
  • Лексикон технологій обробки залишкових матеріалів: переваги та недоліки вибору технологій та сценаріїв збору коштів муніципалітету Квебеку