Газогенерація новий спосіб – нові можливості
Автори розробки – фахівці ТОВ «Енергоінжиніринг» Сергій Чуваєв, Олег Мурашко та Вадим Никифоров закріпили право на інтелектуальну власність на оригінальний спосіб спалювання дрібнодисперсного палива, в основі якого два поєднані теплоенергетичні принципи – роботи регенеративної печі та контактного нагріву.
Основними проблемами для використання дрібнодисперсного палива (до 6 мм) є неможливість підтримки їх горіння в традиційних топках, обумовлена по суті повним провалом дрібних частинок через решітку колосників, а також неможливість подачі окислювача в щільне середовище пласта (при шаровому спалюванні) палива без застосування високонапірного наддуву .
Повне або часткове (газогенерація) спалювання дрібнодисперсного палива широко використовується у повсякденній практиці «великої» енергетики, причому для його здійснення потрібно забезпечити досить тривалий політ розпечених частинок твердого палива в навколишній газовій фазі - як у процесах горіння у факельних та циклонних топках, так і топках із киплячим шаром*.
Тобто, доречно говорити, що дрібнодисперсне тверде паливо в топкових пристроях малої потужності сьогодні майже не використовується.
Незважаючи на деякі зовнішні подібності з печами з киплячим або зваженим шаром і вихровими (циклонними) топками, такими як використання мінерального шару в ролі дзеркала горіння, а також наявність вихрового потоку газоподібних продуктів горіння палива в камері згоряння, пристрій конструктивно не відноситься ні до тих ні до інших.
Суть розробленого фахівцями компанії «Енергоінжиніринг» способу полягає в тому, що спалювання дрібнодисперсного органічного палива здійснюють у циліндричній футерованійкамери; в її нижній частині знаходиться шар мінеральної засипки (наприклад, піску), на який насипані в один шар великі частинки вогнетривких матеріалів, що є регенеративними елементами. Паливо рівномірно подається на дзеркало горіння, окислювач (повітря) подається через рухомі колектори в шар піску, де відбувається псевдозрідження регенеративних елементів. Такий перебіг процесу зумовив відпала потреба високонапірного продування (тиск в камері згоряння по суті дорівнює атмосферному), а також виключено провал частинок палива та віднесення палива, що не вступило в реакцію. Тому ККД пристрою по суті дорівнює ККД газових котлів - приблизно 92%.
Частинки твердого палива після багаторазового впливу на них з боку колекторів, що подають окислювач і надають ефект, що «шурує», постійно «оновлюються», в результаті чого спостерігається насичене протягом реакцій газоутворення. В кінцевому рахунку відбувається повне вигоряння паливної складової, вона стає золою (дрібнодисперсною пудрою), швидкість її витання нижче середньої швидкості руху газової фази в печі, і зола виноситься з топки.
Рухливі колектори, що працюють у постійному контакті з сипучим матеріалом регенеративної подушки, виконані з досить міцного і довговічного матеріалу. Термін їх експлуатації відповідає загальноприйнятим характеристикам для таких елементів топкових пристроїв. Як приклад придатності принципу обертання рухомих деталей пристрою в сипучому шарі для газогенераційних установок можна навести успішний досвід застосування в деяких моделях топок механізованих газогенераторів радіальних граблів, що шурують, що працюють всередині шару палива.
Конструкція пристрою передбачає заміну зношеного колектора без демонтажу корпусу камери згоряння тазняття навісного устаткування рамках регламенту планового технічного обслуговування.
Перехід від режиму повного спалювання палива до режиму газогенерації здійснюють варіюванням подачі повітря від α=1,1-1,2 до α=0,35-0,45 (дані для бурого вугілля), підтримуючи тим самим потрібний температурний режим на дзеркалі горіння нижче температури плавлення золи (тут - коефіцієнт надлишку повітря, відношення кількості повітря, фактично витраченого на спалювання палива, до кількості повітря, теоретично необхідного для повного спалювання палива; коефіцієнт надлишку повітря для кожного виду палива уточнюється експериментально).
При роботі в режимі газогенерації для покращення складу газу потрібна наявність водяної пари, що реагує з вуглецем палива, кількість якого може в ряді випадків підтримуватися шляхом добавки потрібної кількості води у вихідне паливо, щоб забезпечувати підтримку необхідної вологості палива.
Кількість пара становить 0,4-0,5 кг на 1 кг коксу - палива, що надходить в зону газифікації. Температура у зоні газифікації досить висока. Якщо в паливі міститься багато вологи і її певна частина разом з коксом надходить у зону газифікації, то кількість пари, що вводиться, скорочується. Так, наприклад, при газифікації торфу w=40-50% можна не додавати до повітря, що вводиться, водяна пара або додавати в мінімальній кількості*.
Примітно, що розробка ТОВ «Енергоінжиніринг» може сприяти залученню в паливно-енергетичний оборот мало затребуваних (через відсутність технологій для малої розподіленої тепло- та електроенергетики) «нетоварних», місцевих видів палива (тирса, тріска і пелети, гранульована біома) соняшника, солома та ін., дрібний кам'яний та бурийвугілля, торф). Не виключається можливість використання видів біопалива, що пройшли підготовку, але з тих чи інших причин, що не відповідають стандартам якості, а також RDF (Refuse Derived Fuel - відпрацьованого вторинного палива)
Топковий пристрій спалювання дрібнодисперсного твердого палива на дзеркалі псевдозрідженого мінерального шару з використанням регенеративних елементів схематично зображено на рис. 1.
Зображені на схемі модулі (II-IV) є компонентною основою для збирання або котелень при роботі «Модуля I» в режимі повного спалювання палива, або газогенераторних установок.
У модулів загальновідомі конструкції, вони можуть складатися з набору пристроїв, необхідних для вирішення різних завдань: «Модуль II» - для зниження температури газів, що відходять, і їх грубої очистки; «Модуль III» - для тонкого (вологого очищення) газу; «Модуль IV» – для сушіння газу.
Враховуючи експериментально отримані дані про питомі теплові потужності та особливості конструкції, розробники дійшли висновку, що використання пристроїв, заснованих на зазначеному принципі спалювання палива, найбільше доцільно для обладнання потужністю від 5 кВт до 1,5 МВт. Обґрунтована глибина регулювання потужності - 1:6, тобто встановлення потужністю 30 кВт стійко підтримує горіння палива при встановленому режимі 5 кВт. Лінійка агрегатів "Модуль I", що охоплюють заявлений діапазон, складається з декількох різних діаметрів камер згоряння.
Наприклад, у реактора газогенератора потужністю 700 кВт будуть наступні зовнішні габарити, мм: 1300 х 1300 х1500 (висота вказана з урахуванням розмірів редуктора та двигуна в нижній частині установки). Розміри топкової частини газогенератора дозволяють встановлювати їх у контейнері будь-якого відомого типорозміру. Експериментипоказали, що пристрій подібного типу може працювати на дрібнодисперсному паливі природної вологості: вологістю до 50% - у режимі повного спалювання палива та до 30% - у режимі газогенерації.
Конструкція топкового пристрою за складністю набору механічних агрегатів та вузлів, а також металомісткості не перевищує представлені на ринку пристрої для спалювання пелет малої потужності, що дозволяє зробити висновок: при серійному виробництві собівартість розробки ТОВ «Енергоінжиніринг» дозволить визначити конкурентну ціну її реалізації.
Далі будуть розглянуті кілька можливостей (комбінацій) використання винаходу в різних режимах його роботи спільно з іншими пристроями для вирішення завдань малої розподіленої тепло-і електроенергетики (МРЕ) з вироблення теплової та електричної енергії, запропонованих розробниками.
Пристрій може працювати в спектрі «непокритих» діапазонів потужності на вказаних видах палива (крім RDF) без їх попередньої підготовки, з вихідними параметрами, близькими до показників використання більш цінних і калорійних видів палива.
Характеристики пристрою дозволяють вважати, що він може відповідати, як мінімум, вимогам екологічного стандарту CSN EN 303-5 EURO-3.
Заявлений спосіб спалювання дрібнодисперсного твердого палива дозволяє після розігріву регенеративних елементів камери згоряння підтримувати процес бездимного горіння (повного спалювання) протягом усього часу роботи пристрою на встановленому режимі потужності.
При роботі з відпрацьованим вторинним паливом (RDF) установка «Модуль I» може виконувати функцію передтопки (газогенератора) з відповідною вставкою між ним та «Модулем II» агрегату відповідно до вимог технології спалювання палива RDF.
Конструкція пристрою передбачає використання легких вогнетривких матеріалів, тому для встановлення не потрібно пристрою фундаменту.
Паливна складова в ціні 1 ГКал (розраховувалася для Уральського федерального округу) при виробленні теплової енергії на встановленій установці з урахуванням заявленого ккд і цін на використовувані види палива та їх доставки (у радіусі до 1000 км) комбіновано різними видами транспорту в ряді розрахунків (за окремими забезпечує організаціям) наближається до аналогічного показника при виробленні на трубопровідному природному газі. (Для довідки: паливна складова в ціні 1 ГКал при виробленні на природному трубопровідному газі (виключно для районів з газовим котельним парком) у Свердловській обл. – близько 580 руб., у Курганській обл. – близько 435 руб.). В обґрунтування цього твердження наводиться розрахунок вартості паливної складової 1 Гкал тепла.
Паливна складова у витратах споживача, який бажає отримувати теплову енергію з більш екологічно чистого і «чистого» при технологічних операціях з ним палива, а саме - деревних пелет (ціна для розрахунку - 4500 - 5500 руб./т) складе 1125-1375 руб. / ГКал. Ця цифра, як це не парадоксально, буде актуальною, по суті, для всіх регіонів РФ.
У той самий час слід врахувати, що тариф відпустки споживачеві за 1 ГКал у зазначеному регіоні (Свердловська обл.) у місцевостях, використовують котельні, які працюють на вугіллі, -1880-2000 руб./ГКал. Дані з відкритих джерел про встановлені тарифи по інших регіонах свідчать про те, що їх середні значення можуть досягати і 3000 руб. / ГКал (як у Мурманській області), і 8000 руб.
Зумовлена конструкційними особливостями топкового пристроюгазогенератора номінальна потужність однієї повної енергетичної системи електроенергії становить від 10 до 250 кВт. Можлива каскадна система організації кількох енергетичних систем, об'єднаних центром управління та розподілу, подачі електро- та теплоенергії споживачеві. Габарити однієї повної енергетичної установки для отримання чистого сухого газу максимально можливої номінальної потужності (газ) дозволяють встановлювати її в 20-футовому контейнері.
Наведемо приклад укрупненого розрахунку показника EBITDA для повної установки (газогенератор + газопоршневий ДВС + електрогенератор) з номінальною електричною потужністю 100 кВт (при повному завантаженні на весь період експлуатації до повного напрацювання).
Моторесурс промислового поршневого газогенератора (мінімальний з усього складу обладнання) - близько 30 тис. мото-годин (близько 3,5 років).
До розрахунку застосовується нижчий тариф (для сільської місцевості) за 1 кВт•год, що діяв у Свердловській області у 2015 році, 2,31 руб./кВт•год. Також у розрахунку використовується значення вартості палива споживаного газогенератором для вироблення обсягу газу необхідного ДВЗ + електрогенератор для вироблення 1 кВт•год електроенергії + інші загальновиробничі витрати = 1,47 руб. - добуток ціни 1 т. бурого вугілля (див. вище) з іншими загальновиробничими витратами (нормативно +50%) на експериментально підтверджений обсяг потрібного палива). Таким чином, витрати споживача, що отримує електроенергію з централізованого джерела, становитимуть: 100 кВт х 30 тис. м/год = 3 млн кВт х 2,31 руб. = 6,93 млн руб. Витрати на паливо для одержання електроенергії власної генерації становитимуть: 3 млн кВт•год х 1,47 = 4,41 млн руб.
Економія коштів (за період 3,5 року) = 2,52 млн. руб.
Не складнопідрахувати показники економії у зонах з децентралізованою енергетикою, де розцінки на 1 кВт/год 20 руб./кВт•год та вище.
Для успішної реалізації проекту в галузі локального газопостачання малих поселень «Модуль ІІ» можна модернізувати. Теплообмінний пристрій розраховується з урахуванням можливості отримання пари, яка підводиться до вдосконаленого «Модуля I», внаслідок чого виходить більш калорійний силовий газ (понад 2000 ККал/м 3 ), придатний для трубопровідного транспортування.
Модель використання установки передбачає повну відмову від схеми центрального теплопостачання та перехід на схему централізованого локального трубопровідного газового постачання об'єктів із встановленням у них малих газових автономних опалювальних пристроїв (газових котлів). Такий підхід дозволить значно скоротити втрати при передачі тепла споживачам і підвищити якість опалення.
Зроблені фахівцями розрахунки переходу на подібну модель опалення малих поселень, що існують у масштабах та умовах МРЕ, показують, що виникає можливість реалізації додаткового товарного обсягу продукції (підключення більшої кількості споживачів за тих самих витрат, які сформувалися б при підключенні споживачів до центрального опалення від котельні) , що дозволить збільшити виручку компанії, що генерує, залежно від затверджених тарифів майже вдвічі в порівнянні з поточною ситуацією.