Что такое газификатор биомассы и как он работает?

Что такое газификатор биомассы

A газификатор биомассы представляет собой реактор, который преобразует твердый органический материал, такой как древесная щепа, рисовая шелуха или сельскохозяйственные отходы, в горючую газовую смесь, называемую генераторным газом (или синтез-газом), путем частичного сгорания в среде с низким содержанием кислорода. Вместо того, чтобы полностью сжигать биомассу, газификатор ограничивает подачу кислорода примерно до 20-40% от того, что потребуется для полного сгорания. , что приводит к разложению материала на окись углерода, водород, метан и другие газы, которые затем могут быть сожжены в двигателе, турбине или горелке.

Это имеет практическое значение, поскольку позволяет промышленным предприятиям и сельским объектам превращать отходы, которые в противном случае были бы утилизированы, например, растительные остатки или древесные отходы, в полезное тепло или электричество. Хорошо спроектированный газификатор с нисходящей тягой, работающий на сухой древесной щепе, может обеспечить КПД холодного газа 70-85% Это означает, что большая часть исходного энергосодержания биомассы в конечном итоге может быть использована в выходящем газе, а не теряется в виде тепла во время преобразования.

Как работает газификация биомассы

Внутри газификатора биомасса проходит через четыре отдельные термохимические зоны по мере того, как она спускается или проходит через реактор. Понимание этих этапов объясняет, почему влажность сырья и размер частиц так важны для общей производительности.

Зона сушки

При температуре 100–200°C влага, находящаяся в биомассе, испаряется до начала химического распада. Сырье с влажностью выше 25% вынуждает газификатор тратить непропорционально большую часть тепла на сушку материала, что снижает полезный выход газа.

Зона пиролиза

При температуре 200–600°C высушенная биомасса термически разлагается без доступа кислорода, выделяя летучие газы и оставляя после себя обуглившиеся вещества. На этом этапе образуется большая часть смолистых соединений, которые впоследствии необходимо будет утилизировать в системе газоочистки.

Зона горения

Ограниченное количество воздуха, подаваемого сюда, сжигает часть угля и летучих веществ, создавая температуру 1000-1200°С которые запускают реакции эндотермического восстановления, происходящие чуть ниже.

Зона сокращения

При температуре 700–900°C углекислый газ и водяной пар реагируют с оставшимся углем, образуя окись углерода и водород — два газа, которые придают производственному газу большую часть его топливной ценности.

Типы газификаторов биомассы

Газификаторы классифицируются в первую очередь по тому, как воздух и топливо движутся через реактор относительно друг друга. В каждой конструкции предусмотрены определенные компромиссы между выходом смолы, пригодностью масштабов и устойчивостью к исходному сырью.

Для выработки электроэнергии с помощью двигателя, Газификаторы с нисходящим потоком являются наиболее широко распространенной конструкцией. поскольку их низкий выход смол снижает нагрузку на газоочистное оборудование и защищает детали двигателя от загрязнения.

Варианты сырья и их эффективность

Не вся биомасса работает одинаково внутри газификатора. Содержание влаги, зольность и теплотворная способность вместе определяют, сколько полезного газа будет производить данное сырье.

Как правило, сырье следует сушить до температуры ниже 20% влажность перед входом в большинство газификаторов с нисходящей тягой, поскольку более влажный материал снижает теплотворную способность газа и может полностью погасить зону горения во время работы.

Состав добывающего газа и энерговыработка

Газ, выходящий из газификатора биомассы, представляет собой смесь горючих и инертных компонентов. Его точное соотношение зависит от сырья и конструкции газификатора, но типичная мощность нисходящего потока находится в довольно постоянном диапазоне.

Этот состав дает добывающему газу теплотворную способность примерно 4,5-5,5 МДж/Нм³ , что намного ниже, чем у природного газа, но все же достаточно для работы двигателя с искровым зажиганием при правильном соотношении воздух-топливо, что обычно требует снижения мощности двигателей на 20-30% по сравнению с их номинальной мощностью природного газа.

Применение газификаторов биомассы

Производственный газ из газификатора биомассы можно использовать несколькими различными способами в зависимости от масштаба и конечной цели установки.

• Производство электроэнергии – Производительный газ питает модифицированный двигатель внутреннего сгорания, подключенный к генератору, что обычно встречается в системах мощностью от 10 кВт до 2 МВт.
• Термическое применение – прямое сжигание генераторного газа в печах, печах или котлах в таких отраслях, как производство кирпича, сушка пищевых продуктов и обработка текстиля.
• Комбинированное производство тепла и электроэнергии (ТЭЦ) – отходящее тепло из системы выхлопа и охлаждения двигателя улавливается для сушки или обогрева помещений наряду с выработкой электроэнергии.
• Сельские микросети для приготовления пищи и общественные сети – небольшие стационарные газификаторы снабжают газом для приготовления пищи или изолированные от электроэнергии населенные пункты, не подключенные к национальной сети.
• Преобразование синтез-газа в химикаты – в более крупных системах с псевдоожиженным слоем генераторный газ может быть дополнительно переработан в метанол или синтетическое топливо с помощью дополнительных каталитических стадий.

Среди них распределенная выработка электроэнергии в диапазоне 100 кВт-1 МВт остается наиболее распространенным коммерческим внедрением, особенно для таких предприятий, как рисовые мельницы или лесопилки, которые уже производят отходы биомассы на месте в качестве побочного продукта.

Ключевые показатели производительности для оценки

При сравнении систем газификаторов или поставщиков несколько показателей показывают, будет ли данная конструкция надежно работать в реальных условиях эксплуатации, а не только в идеальных лабораторных условиях.

Эффективность холодного газа

Он измеряет процент содержания энергии биомассы, которая попадает в охлажденный очищенный генераторный газ. Хорошо спроектированные системы нисходящей тяги достигают 70-85% , в то время как для плохо изолированных или слишком больших квартир этот показатель может упасть ниже 60%.

Удельная скорость газификации

Выраженный в кг биомассы, потребляемой в час на квадратный метр поперечного сечения реактора, он определяет, насколько компактным может быть газификатор при заданной выходной мощности, обычно в пределах 100-300 кг/ч/м².

Коэффициент отклонения

Это показывает, насколько далеко можно снизить производительность по сравнению с пиковой мощностью при сохранении стабильной газификации, при этом большинство конструкций с неподвижным слоем поддерживают Диапазон регулирования от 3:1 до 4:1 до того, как качество газа ухудшится.

Общие операционные проблемы и решения

В большинстве случаев низкая производительность газификаторов связана с несколькими повторяющимися эксплуатационными проблемами, для каждой из которых существует хорошо зарекомендовавший себя подход к их устранению.

1. Загрязнение смолой последующего оборудования решается с помощью многоступенчатой линии очистки, состоящей из циклонных сепараторов, водоочистителей и тканевых фильтров.
2. Непостоянная влажность сырья, устраняемая предварительной сушкой биомассы до целевого диапазона с использованием отходящего тепла, рекуперированного из газификатора или выхлопных газов двигателя.
3. Образование золы и клинкера при высоких температурах решается выбором сырья с зольностью менее 5% и установкой вращающейся решетки для удаления золы.
4. Стопор и направление топлива внутри бункера решаются за счет правильного размера частиц (обычно 20–100 мм) и систем механического перемешивания.
5. Износ двигателя из-за остаточных частиц устраняется путем добавления последней стадии тонкой фильтрации перед тем, как газ достигает впускного отверстия двигателя.

Предприятия, которые пропускают надлежащую линию газоочистки, сообщают, что интервалы технического обслуживания двигателей сокращаются по сравнению с типичными. От 4000–6000 часов работы до менее 1000 часов , что делает систему очистки одной из самых дорогостоящих инвестиций во всю установку.

Вопросы стоимости и окупаемости

Капитальные затраты на полную энергетическую систему газификации биомассы, включая газификатор, линию газоочистки и двигатель-генераторную установку, обычно варьируются от От 800 до 1500 долларов за кВт установленной мощности, при этом меньшие системы имеют более высокую стоимость за кВт из-за накладных расходов на фиксированное оборудование.

В эксплуатационных расходах преобладает обработка и подготовка сырья, а не само сырье, когда отходы биомассы используются на месте, поскольку материал может быть фактически бесплатным, в то время как на сушку, измельчение и транспортировку приходится основная часть текущих расходов. Для объектов, заменяющих дизельную генерацию, сроки окупаемости составляют от 2 до 4 лет обычно сообщается там, где стоимость дизельного топлива превышает 0,80 доллара США за литр и уже имеется постоянный поток отходов биомассы.

Как выбрать правильную систему газификатора биомассы

Выбор подходящей системы зависит от соответствия конструкции и масштаба газификатора имеющемуся сырью и предполагаемому конечному использованию, а не от выбора только на основе мощности.

• Убедитесь, что тип газификатора соответствует вашему доминирующему сырью; рыхлый материал с низкой плотностью, такой как рисовая шелуха, часто нуждается в псевдоожиженном слое, а не в блоке с нисходящей тягой с фиксированным слоем.
• Убедитесь, что поставщик предоставляет полную спецификацию газоочистной установки, а не только реактора-газификатора, поскольку обращение со смолой определяет реальную надежность.
• Запросите фактические данные по эффективности холодного газа от эталонной установки, использующей аналогичное сырье, вместо того, чтобы полагаться только на теоретические расчетные показатели.
• Оценивайте постоянство поставок сырья в течение всего года, поскольку для сезонных сельскохозяйственных отходов могут потребоваться складские помещения или вторичное сырье во избежание простоев.
• Заранее проверьте совместимость двигателя и требования к снижению мощности, поскольку не все дизельные или газовые двигатели переводятся на работу на генераторном газе без модификаций.

Системы, подобранные и правильно подобранные с учетом характеристик сырья с самого начала, постоянно превосходят выбранные системы только по показателям производительности, поскольку производительность газификатора гораздо более чувствительна к качеству топлива, чем большинство других технологий производства тепловой энергии.