Помощь студентам в учебе
ОБОСНОВАНИЕ УСЛОВИЙ РЕАЛИЗАЦИИ АВТОТЕРМИЧЕСКОГО ПИРОЛИЗА ОРГАНИЧЕСКОЙ БИОМАССЫ ПРИМЕНИТЕЛЬНО К ТЕПЛОТЕХНОЛОГИЧЕСКОМУ ОБОРУДОВАНИЮ
|
ВВЕДЕНИЕ 4
ГЛАВА 1. ТЕХНОЛОГИИ ЭНЕРГОТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ
БИОМАССЫ 21
1.1 Проблемы сжигания биомассы традиционными методами 22
1.2. Обзор технологий переработки биомассы в энергетически ценные продукты 26
1.3 Пиролиз в связи с путями его возможного применения в
энерготехнологических процессах 32
1.4 Тепловые эффекты при термическом разложении 42
1.5 Реализация пиролиза в промышленных технологических установках 52
1.6 Постановка задач исследований 63
ГЛАВА 2. МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ ТЕРМИЧЕСКОЙ ПЕРЕРАБОТКИ . 65
2.1 Исследуемая биомасса и ее характеристики 65
2.2 Лабораторная база для термической переработки 69
2.3 Определение теплофизических характеристик исследуемых веществ 76
2.4 Составление теплового баланса термической переработки 80
2.5 Дифференциальный термический анализ 81
2.6 Оценка погрешности измерений 82
ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕРМИЧЕСКОЙ
ПЕРЕРАБОТКИ 84
3.1 Материальный баланс термической переработки 84
3.2 Теплотехнические характеристики продуктов термической переработки .... 93
3.3 Теплофизические характеристики исследуемых веществ 94
3.4 Тепловой баланс термической переработки 96
3.5 Анализ результатов 97
ГЛАВА 4. ТЕПЛОВЫЕ ЭФФЕКТЫ ТЕРМИЧЕСКОГО РАЗЛОЖЕНИЯ 113
4.1 Результаты экспериментального определения тепловых эффектов
разложения сырья 113
4.2 Оценка тепловых эффектов методом дифференциального термического
анализа 116
4.3 Анализ результатов 119
ГЛАВА 5. ПАРАМЕТРЫ ТЕРМИЧЕСКОЙ ПЕРЕРАБОТКИ БИОМАССЫ В АВТОТЕРМИЧЕСКОМ РЕЖИМЕ 122
5.1 Тепловые затраты на осуществление процесса и величина суммарного
теплового эффекта термической переработки 122
5.2 Влияние исходных характеристик сырья на величину суммарного теплового
эффекта термической переработки 127
5.3 Анализ результатов 129
5.4 Оценка экономической эффективности реализации пиролиза биомассы в
автотермическом режиме 131
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 134
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 137
ПРИЛОЖЕНИЕ А. Определение погрешности измерений 164
ПРИЛОЖЕНИЕ Б. Документы об использовании результатов работы 173
ПРИЛОЖЕНИЕ В. Расчет экономической эффективности реализации технологии пиролиза биомассы в автотермическом режиме 176
ГЛАВА 1. ТЕХНОЛОГИИ ЭНЕРГОТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ
БИОМАССЫ 21
1.1 Проблемы сжигания биомассы традиционными методами 22
1.2. Обзор технологий переработки биомассы в энергетически ценные продукты 26
1.3 Пиролиз в связи с путями его возможного применения в
энерготехнологических процессах 32
1.4 Тепловые эффекты при термическом разложении 42
1.5 Реализация пиролиза в промышленных технологических установках 52
1.6 Постановка задач исследований 63
ГЛАВА 2. МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ ТЕРМИЧЕСКОЙ ПЕРЕРАБОТКИ . 65
2.1 Исследуемая биомасса и ее характеристики 65
2.2 Лабораторная база для термической переработки 69
2.3 Определение теплофизических характеристик исследуемых веществ 76
2.4 Составление теплового баланса термической переработки 80
2.5 Дифференциальный термический анализ 81
2.6 Оценка погрешности измерений 82
ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕРМИЧЕСКОЙ
ПЕРЕРАБОТКИ 84
3.1 Материальный баланс термической переработки 84
3.2 Теплотехнические характеристики продуктов термической переработки .... 93
3.3 Теплофизические характеристики исследуемых веществ 94
3.4 Тепловой баланс термической переработки 96
3.5 Анализ результатов 97
ГЛАВА 4. ТЕПЛОВЫЕ ЭФФЕКТЫ ТЕРМИЧЕСКОГО РАЗЛОЖЕНИЯ 113
4.1 Результаты экспериментального определения тепловых эффектов
разложения сырья 113
4.2 Оценка тепловых эффектов методом дифференциального термического
анализа 116
4.3 Анализ результатов 119
ГЛАВА 5. ПАРАМЕТРЫ ТЕРМИЧЕСКОЙ ПЕРЕРАБОТКИ БИОМАССЫ В АВТОТЕРМИЧЕСКОМ РЕЖИМЕ 122
5.1 Тепловые затраты на осуществление процесса и величина суммарного
теплового эффекта термической переработки 122
5.2 Влияние исходных характеристик сырья на величину суммарного теплового
эффекта термической переработки 127
5.3 Анализ результатов 129
5.4 Оценка экономической эффективности реализации пиролиза биомассы в
автотермическом режиме 131
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 134
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 137
ПРИЛОЖЕНИЕ А. Определение погрешности измерений 164
ПРИЛОЖЕНИЕ Б. Документы об использовании результатов работы 173
ПРИЛОЖЕНИЕ В. Расчет экономической эффективности реализации технологии пиролиза биомассы в автотермическом режиме 176
Ископаемое топливо в производстве энергии, несмотря на негативное влияние его использования на окружающую среду и здоровье людей, продолжает занимать лидирующую позицию. По разным литературным данным [1-3], на долю традиционных источников приходится от 75 до 90% в мировом топливноэнергетическом балансе, и в ближайшем будущем полностью отказаться от ископаемого топлива не представляется возможным. Однако по ряду причин (экологических, политических и др.) мощность энергетических установок, основанных на возобновляемых источниках энергии, с каждым годом увеличивается [4, 5], являясь серьезным подспорьем для традиционной энергетики, особенно с учетом постоянного роста потребности в энергии. Так, на протяжении XXI века мировое энергопотребление выросло практически в полтора раза и по оценке экспертов составило на конец 2018 года ~14,5 млрд т н.э. [2].
За последние 50 лет выбросы CO2 в атмосферу существенно увеличились, при этом в основном за счет выбросов от сжигания органического топлива (табл. 1) [6-8].
Таблица 1 - Удельные выбросы парниковых газов [6]
Вид энергетики Количество выбросов, г CO2 экв/кВт-ч Вид энергетики Количество выбросов, г CO2 экв/кВт-ч
Гидроэнергетика 4 Геотермальная энергетика 45
Ветроэнергетика 12 Энергетика на природном газе 469
Ядерная энергетика 16
Биоэнергетика 18 Нефтяная энергетика 840
Солнечная энергетика 35 Угольная энергетика 1001
Кроме того, немалое влияние на рост парниковых газов в атмосфере оказывают утечки природного газа при его добыче и транспортировке на большие расстояния, которые могут превышать 4% [9]. Учитывая тот факт, что парниковая активность метана выше аналогичного показателя у углекислого газа в 25 раз на временном промежутке 100 лет и в 72 раза за 20 лет [10], даже с учетом того, что газовые станции вырабатывают примерно 47% от выбросов CO2 угольными станциями (табл. 1), общий вклад в выбросы парниковых газов от всей цепочки их деятельности находится на одном уровне. Более того, в случае если скорость утечки газа выше 1% в течение 100 лет и 1,7% в течение 20 лет, уровень выбросов при равных генерируемых мощностях угольной и газовой станций будет выше для последней [10].
Необходимость снижения выбросов парниковых газов сформулирована в ряде важных международных документов, среди которых Киотский протокол, принятый в 1997 г. и являющийся первым шагом к решению проблем изменения климата. Другим документом является Парижское соглашение 2015 г.,
подписанное 195 странами и обязывающее их сокращать вредные выбросы независимо от уровня экономического развития. Согласно этим документам рост средней температуры на планете не должен превышать 2°C по сравнению с доиндустриальной эпохой [11].
Снижения выброса парниковых газов в атмосферу можно добиться несколькими путями. Так как на долю генерации энергии из угля приходится около 1/3 в мировом топливно-энергетическом балансе, то необходимо повышение эффективности его использования и внедрение чистых угольных технологий, включающих в себя очистку дымовых газов, ТЭС комбинированного (парогазового) цикла с внутренней газификацией угля и другие. Эффективным методом также являются технологии улавливания и хранения углекислого газа , переход с угля на атомную энергетику и природный газ. Однако, согласно [12] максимального снижения выбросов парниковых газов (до 40% от общего количества снижения) можно добиться за счет развития технологий, основанных на альтернативных и возобновляемых источниках энергии. В связи с этим на сегодняшний день более чем в 50 странах мира приняты государственные программы поддержки возобновляемой энергетики, включающие в себя помимо прочего так называемые «зеленые» тарифы, являющиеся действенным методом политического воздействия на снижение выбросов парниковых газов [13].
Кроме того, при сжигании органических топлив образуются оксиды серы и азота, оказывающие вредное воздействие на живые организмы. Выбросы SO2 и NOx при генерации энергии из угля (11,8 и 4,3 г/ кВт-ч соответственно) имеют наивысшие показатели наряду с генерацией из нефти [8], а угольная зола содержит в себе опасные оксиды алюминия, железа, мышьяка и других элементов [14]. В связи с этим подсчитанный Всемирной организацией здравоохранения средний показатель смертности на млрд кВт-ч вырабатываемой энергии имеет наибольшее значение для угольной генерации и равен 100, что в 4 раза больше, чем для генерации энергии из биомассы, при этом аналогичные показатели для других видов возобновляемой энергетики (солнечная, ветровая, гидро-) составляют около единицы [10].
В связи с вышеотмеченным в последнее время все больше внимания уделяется поиску и развитию технологий, основанных на альтернативных и возобновляемых источниках энергии, что позволит снизить негативный эффект от деятельности энергетической отрасли. Помимо экологической составляющей, фактором в поддержку развития альтернативной энергетики является истощение запасов ископаемых топлив. Согласно данным по подтвержденным запасам и уровню добычи [15], нефти и газа хватит лишь на ближайшие 50 лет [16], причем их ресурсы распределены очень неравномерно. Около 70% доказанных запасов нефти приходится на страны ОПЕК, более 70% запасов природного газа сосредоточено на территории бывшего СССР и стран Ближнего Востока [17]. Этот факт позволяет данным странам осуществлять контроль над поставками, что делает неустойчивым и зависимым энергетический сектор других стран. Обеспеченность запасами каменного угля составляет 114 лет [16], однако рост населения и переход развивающихся стран к индустриальной экономике приводят к постоянному увеличению спроса на тепло- и электроэнергию, что может заметно сократить эту цифру. Так, по оценкам Международного энергетического совета, к 2050 году прогнозируется рост потребности в энергии в 3 раза [18], что может привести человечество к вопросу о дефиците ископаемых топлив уже во второй половине XXI века. Учитывая также, что объёмы добычи нефти, природного газа и каменного угля не снижаются, а сложность их добычи повышается по мере истощения месторождений, постепенно увеличивается стоимость произведенной из них энергии. В связи с этим актуальность внедрения технологий получения энергии из нетрадиционных и возобновляемых источников обосновывается также тем, что их запасы являются практически неиссякаемыми.
С точки зрения неисчерпаемости ресурса перспективной также выглядит атомная энергетика. Запасы только одного из элементов, использующихся в качестве ядерного топлива - урана, оцениваются ядерным энергетическим агентством в 7,6 млн т на конец 2014 года, чего будет достаточно приблизительно на 135 лет [19]. Кроме того, разрабатываются технологии добычи урана из воды морей и океанов [20, 21]. Количество урана, заложенного в водные ресурсы, в несколько раз превышает его общее содержание в твердом минеральном сырье [22]. Кроме того, по сравнению с ископаемым топливом уран может быть использован повторно после переработки.
Основными проблемами в области ядерной энергетики являются необходимость утилизации и хранения радиоактивных отходов, обеспечение безопасности и вывод АЭС из эксплуатации [23-25]. Более того, одним из продуктов деятельности ядерного цикла является плутоний - основной материал для атомных бомб. После последней крупной аварии на АЭС Фукусима-1 в Японии ряд стран придерживаются политики отказа от ядерной энергетики, а Италия стала первой страной, закрывшей все атомные электростанции [26]. Все вышеперечисленное не позволяет развивать отрасль в объемах, необходимых для покрытия роста энергопотребления, что также подтверждает актуальность развития ВИЭ.
Опыт некоторых стран показывает эффективное использование различных возобновляемых ресурсов, которые вносят значительный вклад в их топливноэнергетический баланс. Например, Исландия занимает ведущее место в мире по выработке тепло- и электроэнергии за счёт геотермальных источников, на их долю приходится около 1/3 всей получаемой энергии страны [27]. Действующие в районе ее столицы, города Рейкьявик, две ГеоЭС практически полностью обеспечивают теплоснабжение жителей за счет геотермальной воды [28]. Другая станция, расположенная в г. Хусавик, на 80% покрывает потребности его жителей в электроэнергии [29].
Суммарная мощность введенных в эксплуатацию в 2018 году солнечных и ветроэлектростанций в мире составила более 160 ГВт, что превышает мощность объектов традиционной энергетики, введенных за этот же период [23, 30]. Развитие ветроэнергетики актуально в основном в северных странах Европы (Дания, Финляндия и др.). Лидером по установленной мощности ветрогенераторов в мире является Китай (415 ГВт) [31]. Солнечная энергетика активно развивается в Китае, ОАЭ и Индии, где расположены самые крупные объекты мощностью от 300 до 1500 МВт [23], а также в США и южных странах Европы.
Активным участником развития возобновляемой энергетики в Европейском союзе является Германия, что связано с полным отказом от атомной энергетики к 2022 году и постепенным снижением мощностей угольных ТЭС [32]. Данный факт говорит о необходимости компенсации энергии, произведенной из этих источников и составляющей значительную часть в энергобалансе. При этом Германия наряду с Францией являются лидирующими европейскими странами с точки зрения привлечения инвестиций в сектор возобновляемой энергетики [33].
Для нашей страны развитие ВИЭ на сегодняшний день имеет локальный характер. Основная часть ветроэнергетических станций мощностью 80 МВт сосредоточена в Крыму, в Ульяновской области с 2018 года действует крупнейшая в России ВЭС-1 «Фортум» мощностью 35 МВт [34]. Ресурсы геотермальной энергетики используются на Камчатке - расположенные в этом районе ГеоЭС суммарной мощностью 74 МВт покрывают до 30% потребностей региона в электроэнергии [35]. Крупный, даже по мировым масштабам, комплекс солнечных электростанций (более 300 МВт) действует в Крыму [23], также солнечная энергетика распространена в Поволжье и Республике Алтай, на долю которых пришлась большая часть из введенных в РФ за последние три года мощностей объектов солнечной энергетики (129 МВт) [36]. Суммарная мощность завершенного в 2020 году кластера солнечной энергетики в Республике Алтай составила 120 МВт.
Однако суммарная мощность установок на возобновляемых источниках в России на сегодняшний день составляет лишь ~2 ГВт [37], что отражает низкий вклад (около 1%) в топливно-энергетический баланс страны [38]. Это обуславливается слабой государственной поддержкой и малым количеством регламентирующих документов. Принятая в России программа «Энергоэффективность и развитие энергетики», предполагавшая ввод к 2020 году 6,2 ГВт генерирующих мощностей на основе ВИЭ, оказалась не выполнена, также не достигнуты на данный момент и показатели ряда других документов, регламентирующих развитие возобновляемой энергетики [39-41].
В то же время многие регионы РФ являются энергодефицитными и зависимыми от поставок топлива. В связи с этим увеличиваются расходы на производство энергии за счет транспортных издержек. Например, в самом крупном регионе страны (республике Саха) большую часть коммунальных расходов в бюджете составляют затраты на поставку энергетических ресурсов [29]. Обеспечение труднодоступных регионов электроэнергией на сегодняшний день осуществляется с помощью ЛЭП, а тепловой энергией - при помощи местных котельных, работающих в основном на угле и дизельном топливе, что также сказывается и на экологической обстановке. В этой связи переход на доступные в регионах альтернативные и возобновляемые источники энергии позволит уменьшить стоимость ее производства за счет отсутствия затрат на транспортировку топлива и снизить связанные с этим выбросы CO2.
Однако, несмотря на отдельные успехи и положительный опыт некоторых стран в области возобновляемой энергетики, полный переход на ресурсы ВИЭ пока не видится возможным, в основном из-за нестабильности и прерывистости их действия. Например, солнечная энергетика и ветроэнергетика зависят от сезонного, климатического и географического факторов. Вопрос значительного повышения их эффективности может быть решен путем разработки дешевых способов аккумулирования и хранения энергии либо применения комбинированных схем (например, СЭС-ГЭС и др.) [23]. Ресурсы гидротермальной энергии сосредоточены в основном в зонах вулканической активности, горячих источников, гейзеров и т.п., а для использования ресурсов петротермальной энергетики необходимо дорогостоящее бурение глубоких скважин, так как температура земных пород увеличивается в среднем на 20°С/км. В плане доступности выделяется такой ресурс, как биомасса, её энергетическое использование не зависит от перечисленных выше факторов и практически ничем не отличается от использования ископаемых топлив.
Заключенная в биомассу энергия может быть полезно использована для нужд энергетики. С учетом того, что ~80% от всей биомассы суши приходится на леса и травянистые экосистемы, растительный покров земли составляет около 1800 млрд т в пересчете на сухое вещество [29]. При этом ежегодно в процессе фотосинтеза производится еще до 200 млрд т биомассы, в которой в виде химических связей накапливается ~3-1021 Дж энергии [29, 42], что в 5 раз превышает мировое производство энергии [2].
Суммарная выработка энергии на установках, использующих биомассу и различные отходы, составила на конец 2017 года ~15,5 млн ТВт-ч [43]. При этом высокой остается доля традиционных способов переработки биомассы (например, сжигание дров, для производства которых в основном используется качественная древесина) [3]. Однако пример других стран показывает эффективность энергетического применения биомассы, представленной отходами различных отраслей промышленности. В общем топливно-энергетическом балансе Европейского союза основная доля среди возобновляемых ресурсов приходится на биомассу и возобновляемые отходы (~65% от общего вклада ВИЭ) [44]. Лидерами в данном секторе являются Австрия и Швеция, так как около половины их территории занимают леса. В Дании переработка соломы позволяет производить 17 млн ГДж энергии [45], а использование различных технологий переработки биомассы позволяет суммарно получать от 60 до 90 млн ГДж энергии, что покрывает ~12% от общего потребления в стране [2, 5, 44, 45].
В Кении 70% кофейной шелухи, образующейся в ходе обработки зерен, идет на производство брикетов для бытового использования [46]. Лидерами в области производства древесных топливных гранул и брикетов являются США, Канада и Германия, причем в Канаде производство превышает потребление, в связи с чем часть топлива экспортируется в Европу [47]. В Индии ежегодно образуется до 500 млн т биомассы, энергетическое использование которой эквивалентно 17,5 ГВт вырабатываемой мощности [48].
Применительно к суровым условиям климата и географическому расположению РФ биомасса, по оценке многих исследователей [49-51], выступает в качестве первоочередного ресурса ВИЭ. Ее энергетическое использование в том числе поможет решить проблему утилизации местных биоотходов, которые могут наносить вред окружающей среде. Например, накопление различных древесных отходов и остатков лесоперерабатывающей промышленности увеличивает пожароопасность лесов и предприятий, осуществляющих эту деятельность. Длительное хранение сельскохозяйственных отходов приводит к их гниению и выделению токсичных веществ, что ухудшает санитарную обстановку, а их захоронение приводит к деградации плодородного слоя почвы [52].
Наша страна в силу своей территории обладает значительными запасами различных видов биомассы. По площади лесов Россия занимает первое место в мире, при этом в Сибири, на Дальнем Востоке и на Урале сосредоточено более половины от их количества [53]. Годовой прирост целесообразной для энергетического использования биомассы составляет около 800 млн т [54]. Ежегодное накопление перезрелой древесины составляет до 500 млн т, кроме того в ходе деятельности лесоперерабатывающих предприятий на долю различных отходов (щепа, опилки, стружка и т.п.) приходится ~40% от исходного сырья [55]. В Южной и Центральной частях России, а также на юге Сибири сосредоточены запасы биомассы однолетних растений и сельскохозяйственных культур [37, 54]. Еще одним возможным ресурсом для энергетического использования является торф, относящийся во многих странах к возобновляемым ресурсам при условии, что его годовой прирост превышает объёмы добычи. Россия является одним из лидеров в мире по площади болот (~1,5 млн км2) [56], а с учетом того, что годовой прирост слоя торфа составляет ~1 мм [57] его запасы, которые могут быть использованы в том числе и для нужд энергетики, составляют значительное количество.
На сегодняшний день потенциал биоресурсов в России остается маловостребованным. Количество электроэнергии, получаемой за счет использования различных биотоплив, составляет менее 100 ГВт-ч, а тепловой энергии - около 20000 ТДж, что в сотни раз уступает производству энергии из ископаемых источников [2]. При этом на долю местных котельных и индивидуальных отопительных установок приходится 1/4 от общего производства тепла [58]. Большая часть этих котельных работает на традиционных видах топлива, однако в нескольких регионах постепенно внедряются альтернативные технологии использования биомассы. Проекты по переводу котельных на торф и щепу реализованы в республике Карелия [59], Владимирской, Псковской и Тверской областях [58]. В Европейской части страны функционируют мини-ТЭЦ на биомассе со скромной суммарной мощностью ~100 МВт, а также заводы по производству из биомассы твердого топлива (пеллеты, гранулы, брикеты), биогаза и жидкого биотоплива [37].
Наиболее актуальным переход на местные запасы ресурсов биомассы видится для труднодоступных районов, энергообеспечение которых в данный момент осуществляется за счёт привозного топлива. Снижение зависимости от внешних поставок ископаемого сырья и в то же время утилизация отходов биомассы, причиняющих экологический вред окружающей среде, делает их энергетическое использование в этих регионах оправданным и экономически целесообразным.
В связи с вышеотмеченным актуально исследование характеристик биомассы, распространённой в РФ и доступной для энергетического использования, а также технологий ее термической переработки. Для увеличения доли биомассы в топливно-энергетическом балансе необходимо решение двух важных вопросов: расширение знаний о её составе и свойствах и грамотное использование этих знаний для оптимизации существующих, а также внедрения новых технологий по энергетическому использованию исходного сырья и продуктов его переработки.
Основной проблемой широкого использования биомассы для энергетических целей является низкий КПД ее сжигания традиционными методами. В связи с этим актуально внедрение альтернативных технологий термической переработки биомассы с целью повышения ее энергетических свойств. Одним из широкорассматриваемых в литературе методов является пиролиз [60], позволяющий получить энергетически ценное топливо различных фракций - жидкое, твердое и газообразное. Ограничением для повсеместного внедрения установок, основанных на пиролитической переработке биомассы, являются высокие затраты на организацию процесса, и, как следствие, увеличение стоимости готовой продукции.
Частичного покрытия тепловых затрат можно добиться путем использования теплоты, выделяющейся в ходе реакций разложения органической составляющей биомассы. Более того, процесс пиролиза биомассы может быть организован в автотермическом режиме, соответственно, энергия будет необходима лишь для инициации процесса. Следует отметить, что для рассмотрения данного вопроса необходимо определение как теплотехнических характеристик биомассы - для сравнения с традиционными ископаемыми ресурсами, так и теплофизических - для изучения тепловых эффектов и проведения тепловых расчетов.
Исходя из вышеизложенного, целью диссертационной работы является обоснование условий термической переработки различных видов биомассы, обеспечивающих возможность ее осуществления в автотермическом режиме.
Для достижения поставленной цели диссертационной работы решались следующие задачи.
1. Выбор объекта исследования среди ресурсов биомассы, распространенной в Томской области и близрасположенных районах.
2. Обоснование методики и экспериментальной базы для исследования пиролитической переработки различных видов биомассы.
3. Осуществление экспериментальной переработки биомассы для установления влияния условий процесса и состава сырья на тепловой эффект.
4. Определение теплофизических характеристик исследуемого сырья и углеродистого остатка после его термической переработки при различной температуре.
5. Разработка универсальной методики, позволяющей оценить возможность проведения пиролиза различных видов биомассы за счет тепловыделения в процессе разложения.
6. Оценка эффективности реализации пиролиза в автотермическом режиме.
Научная новизна работы.
1. На основе изучения тепловых эффектов пиролиза различных видов биомассы Томской области и близрасположенных районов, включающей отходы сельскохозяйственного производства (солома, отруби, скорлупа кедрового ореха), отходы деревообрабатывающей промышленности (опилки), отходы животноводства и торф, получены новые знания и выявлены закономерности по влиянию характеристик исходного сырья и параметров процесса на величину тепловыделения в процессе разложения. Впервые предложена аналитическая зависимость теплового эффекта разложения биомассы от ее состава (соотношения H/C).
2. Впервые получены граничные характеристики исследуемой биомассы (влажность, зольность) и параметры пиролиза (температурный интервал), при которых суммарный тепловой эффект процесса имеет положительное значение.
3. Получены новые экспериментальные результаты, описывающие влияние температуры процесса пиролиза на теплофизические характеристики углеродистого остатка после термической переработки биомассы трех степеней минерализации - низкой (солома), средней (отруби) и высокой (торф).
4. Предложена новая методика оценки возможности проведения пиролиза в автотермическом режиме, учитывающая тепловые эффекты разложения органической части, на основе которой построена тройная диаграмма, отражающая область теплотехнических характеристик биомассы (влажность, зольность, молярное соотношение H/C), при которых процесс может быть организован за счет собственного тепловыделения в ходе разложения.
Практическая значимость. Сформирована база теплотехнических и теплофизических характеристик биомассы Томской области, предназначенная для тепловых расчетов энерготехнологического оборудования. Установлены температурные интервалы экзотермических реакций и зависимости величины теплового эффекта разложения и удельной теплоемкости от молярного соотношения H/C в составе различных видов биомассы, способствующие развитию технологий топливопереработки и повышению их ресурсоэффективности в области энергетического использования биоресурсов за счет организации процессов в автотермическом режиме.
Разработана программа для ЭВМ «Оценка возможности пиролиза биомассы в автотермическом режиме» №2020610364 от 04.02.2020г. для проектных организаций, позволяющая определить параметры исходной биомассы, обеспечивающие ведение термической переработки в автотермическом режиме за счет покрытия тепловых затрат процесса собственным тепловыделением в ходе реакций разложения сырья.
Результаты диссертационных исследований используются предприятиями ООО «Алавеста Групп» (Кемерово) и ООО «Сибирский биоуголь» (г. Калуга) при проектировании технологических установок пиролиза, а также в Национальном исследовательском Томском политехническом университете при подготовке бакалавров ООП «Энергетическое машиностроение» и магистров ООП «Проектирование и диагностирование энергетических агрегатов».
Связь работы с научными программами и грантами. Исследования параметров пиролитической переработки ресурсов биомассы, различных по элементному и компонентному составу, выполнены при поддержке гранта Российского фонда фундаментальных исследований «Аспиранты» № 20-38-90180 «Теплофизические основы ресурсоэффективной теплотехнологической переработки биомассы для экологически чистой энергетики» и Томского политехнического университета в рамках проекта ВИУ (задача 2.1). Разработка универсальной методики оценки возможности проведения пиролиза биомассы за счет тепловыделения в процессе разложения, а также расчеты согласно этой методике выполнены в рамках госзадания «Наука», тема «Современные методы мониторинга и прогнозирования состояния компонентов окружающей среды для обеспечения рационального природопользования» (FSWW-2020-0022).
Достоверность результатов диссертационных исследований
подтверждается использованием современного высокоточного оборудования и аттестованных методик ГОСТ, параллельным измерением одних и тех же величин с помощью различных методов, удовлетворительной повторяемостью опытов при идентичных начальных условиях, выполненной оценкой случайных погрешностей, а также сравнением полученных результатов с литературными данными.
Личный вклад автора включает в себя постановку задач работы, планирование и осуществление экспериментальных исследований, обработку и апробацию полученных результатов, а также их анализ и обобщение, оценку погрешностей величин, формулировку защищаемых выводов и положений.
Автор благодарит д.т.н., профессора Заворина А.С. за помощь в обсуждении текста диссертации и защищаемых положений, а также выражает искреннюю благодарность к.т.н., доценту Ивашутенко А.С. за предоставление оборудования и помощь в проведении экспериментов по определению теплофизических характеристик.
Научные положения, результаты и выводы, выносимые на защиту.
1. Пиролиз биомассы сопровождается экзотермическими реакциями разложения органической части сырья, при этом тепловой эффект по результатам дифференциального термического анализа составляет 1117-1943 кДж/кг (в пересчете на сухую беззольную массу) и увеличивается при возрастании H/C в составе сырья.
2. Суммарный тепловой эффект пиролиза для всех исследуемых видов биомассы имеет положительное значение при величине влажности исходного сырья менее 9,9%.
3. Значения теплоёмкости углеродистого остатка после термической переработки биомассы низкой и средней степеней минерализации (соломы и отрубей соответственно) существенно снижаются при увеличении температуры их получения с 300 до 400°C, что связано с разложением основной доли органических соединений в биомассе. Теплоёмкость углеродистого остатка после термической переработки торфа, обладающего высокой степенью минерализации, постепенно уменьшается в температурном интервале 200-500°C, что позволяет сделать вывод о существенном влиянии минеральной части в составе сырья на величину теплоемкости.
4. Пиролитическая переработка биомассы в автотермическом режиме возможна при следующих параметрах исходного сырья - молярное соотношение H/C в его составе > 1,59; влажность W* < 43%; зольность Ad < 41%.
Апробация работы. Результаты диссертационных исследований докладывались и обсуждались на XIII и XV Международных научно-технических конференциях «Проблемы совершенствования топливно-энергетического комплекса» (Саратов, 2016, 2020), IV Российской молодежной научной школе- конференции «Энергетика, электромеханика и энергоэффективные технологии глазами молодежи» (Томск, 2016), III Международной научной конференции студентов и молодых ученых «Молодежь, наука, технологии: новые идеи и перспективы» (Томск, 2016), XII Международной научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Энергия - 2017» (Иваново, 2017), Международной научной конференции молодых ученых и специалистов «Экология энергетики-2017» (Москва, 2017), Международной научно-практической конференции «Альтернативная и интеллектуальная энергетика» (Воронеж, 2018), XVII Международной научно-практической конференции «Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири. Сибресурс 2018» (Кемерово, 2018), IV и V Всероссийских научных конференциях с элементами школы молодых ученых «Теплофизика и физическая гидродинамика» (Ялта, 2019, 2020), Всероссийской научной конференции молодых ученых «Наука. Технологии. Инновации» (Новосибирск, 2019), международной научно-практической конференции «Экологическая, промышленная и энергетическая безопасность- 2020» (Севастополь, 2020).
Публикации. Основные положения, результаты и выводы диссертационных исследований опубликованы в 8 статьях в рецензируемых журналах, индексируемых базами данных Scopus и/или WoS (4 из которых также относятся к журналам из списка, рекомендованного ВАК для опубликования результатов диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук): «Fuel» (IF=5,776, Q1), «Biomass and bioenergy» (IF=4,038, Q1), «Waste and Biomass Valorization» (IF=2,608, Q2), «Journal of Thermal Analysis and Calorimetry» (IF=2,325, Q2); «Химия растительного сырья» («Khimiya Rastitel'nogo Syr'ya»), «Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов» («Bulletin of the Tomsk Polytechnic University. Geo Assets Engineering»).
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованных источников, включающего 284 наименования, содержит три приложения, 74 рисунка, 27 таблиц, 179 страниц.
Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулирована цель и поставлены задачи исследований, отражены новизна и практическая значимость полученных результатов, а также выводы и положения, выносимые на защиту.
В первой главе проведен литературный обзор, отражающий современное состояние исследований в области энергетического использования биомассы. Выделены проблемы выработки энергии при ее использовании традиционными методами сжигания. Сделан анализ альтернативных технологий и технических решений термической переработки биомассы, по результатам которого пиролиз выбран в качестве одного из эффективных способов переработки. Отдельно рассмотрены тепловые эффекты разложения органической части сырья и действующие промышленные пиролизные установки с анализом обеспечения их тепловых потребностей. По результатам литературного обзора конкретизированы проблемы в области исследований, на основании которых поставлены задачи диссертационной работы.
Во второй главе приведено описание состава и характеристик исследуемых видов биомассы, выбранных в качестве объекта исследования; представлено обоснование методики исследований и экспериментальной базы пиролитической переработки, позволяющей изучать материальные и тепловые балансы, динамику выхода получаемых продуктов и их характеристики, тепловые эффекты, наблюдаемые в процессе термического разложения.
В третьей главе приведены результаты термической переработки, включающие материальные балансы пиролиза исследуемой биомассы, теплотехнические характеристики продуктов переработки, а также состав полученного газа и динамику выхода жидких продуктов. Экспериментально определены теплофизические характеристики и значения плотности исходной биомассы и углеродистого остатка после ее термической переработки в спрессованном, насыпном и истинном состояниях. Построена зависимость теплоемкости исходной биомассы от ее состава (соотношения H/C), составлены тепловые балансы пиролитической переработки.
В четвертой главе экспериментально показан и подтвержден с помощью дифференциального термического анализа экзотермический характер проведения пиролиза биомассы, определены температурные интервалы протекания основных тепловых эффектов и проведена оценка их величины, на основании которой построена зависимость от соотношения H/C в составе биомассы.
В пятой главе предложена универсальная методика оценки возможности проведения пиролиза биомассы за счет тепловыделения в процессе разложения, с использованием которой проведены расчеты и построена тройная диаграмма, позволяющая оценить возможность переработки биомассы в автотермическом режиме на основании данных о ее теплотехнических характеристиках (влажность, зольность, молярное соотношение H/C). Рассчитаны тепловые затраты на проведение пиролиза, определены температурные интервалы окончания процесса, в которых суммарный тепловой эффект положителен, а также рассчитаны максимальные параметры влажности и зольности для каждого из видов исследуемой биомассы, при которых процесс может быть организован в автотермическом режиме.
В заключении представлено описание основных результатов и главные выводы, сформулированные в ходе работы над диссертацией.
За последние 50 лет выбросы CO2 в атмосферу существенно увеличились, при этом в основном за счет выбросов от сжигания органического топлива (табл. 1) [6-8].
Таблица 1 - Удельные выбросы парниковых газов [6]
Вид энергетики Количество выбросов, г CO2 экв/кВт-ч Вид энергетики Количество выбросов, г CO2 экв/кВт-ч
Гидроэнергетика 4 Геотермальная энергетика 45
Ветроэнергетика 12 Энергетика на природном газе 469
Ядерная энергетика 16
Биоэнергетика 18 Нефтяная энергетика 840
Солнечная энергетика 35 Угольная энергетика 1001
Кроме того, немалое влияние на рост парниковых газов в атмосфере оказывают утечки природного газа при его добыче и транспортировке на большие расстояния, которые могут превышать 4% [9]. Учитывая тот факт, что парниковая активность метана выше аналогичного показателя у углекислого газа в 25 раз на временном промежутке 100 лет и в 72 раза за 20 лет [10], даже с учетом того, что газовые станции вырабатывают примерно 47% от выбросов CO2 угольными станциями (табл. 1), общий вклад в выбросы парниковых газов от всей цепочки их деятельности находится на одном уровне. Более того, в случае если скорость утечки газа выше 1% в течение 100 лет и 1,7% в течение 20 лет, уровень выбросов при равных генерируемых мощностях угольной и газовой станций будет выше для последней [10].
Необходимость снижения выбросов парниковых газов сформулирована в ряде важных международных документов, среди которых Киотский протокол, принятый в 1997 г. и являющийся первым шагом к решению проблем изменения климата. Другим документом является Парижское соглашение 2015 г.,
подписанное 195 странами и обязывающее их сокращать вредные выбросы независимо от уровня экономического развития. Согласно этим документам рост средней температуры на планете не должен превышать 2°C по сравнению с доиндустриальной эпохой [11].
Снижения выброса парниковых газов в атмосферу можно добиться несколькими путями. Так как на долю генерации энергии из угля приходится около 1/3 в мировом топливно-энергетическом балансе, то необходимо повышение эффективности его использования и внедрение чистых угольных технологий, включающих в себя очистку дымовых газов, ТЭС комбинированного (парогазового) цикла с внутренней газификацией угля и другие. Эффективным методом также являются технологии улавливания и хранения углекислого газа , переход с угля на атомную энергетику и природный газ. Однако, согласно [12] максимального снижения выбросов парниковых газов (до 40% от общего количества снижения) можно добиться за счет развития технологий, основанных на альтернативных и возобновляемых источниках энергии. В связи с этим на сегодняшний день более чем в 50 странах мира приняты государственные программы поддержки возобновляемой энергетики, включающие в себя помимо прочего так называемые «зеленые» тарифы, являющиеся действенным методом политического воздействия на снижение выбросов парниковых газов [13].
Кроме того, при сжигании органических топлив образуются оксиды серы и азота, оказывающие вредное воздействие на живые организмы. Выбросы SO2 и NOx при генерации энергии из угля (11,8 и 4,3 г/ кВт-ч соответственно) имеют наивысшие показатели наряду с генерацией из нефти [8], а угольная зола содержит в себе опасные оксиды алюминия, железа, мышьяка и других элементов [14]. В связи с этим подсчитанный Всемирной организацией здравоохранения средний показатель смертности на млрд кВт-ч вырабатываемой энергии имеет наибольшее значение для угольной генерации и равен 100, что в 4 раза больше, чем для генерации энергии из биомассы, при этом аналогичные показатели для других видов возобновляемой энергетики (солнечная, ветровая, гидро-) составляют около единицы [10].
В связи с вышеотмеченным в последнее время все больше внимания уделяется поиску и развитию технологий, основанных на альтернативных и возобновляемых источниках энергии, что позволит снизить негативный эффект от деятельности энергетической отрасли. Помимо экологической составляющей, фактором в поддержку развития альтернативной энергетики является истощение запасов ископаемых топлив. Согласно данным по подтвержденным запасам и уровню добычи [15], нефти и газа хватит лишь на ближайшие 50 лет [16], причем их ресурсы распределены очень неравномерно. Около 70% доказанных запасов нефти приходится на страны ОПЕК, более 70% запасов природного газа сосредоточено на территории бывшего СССР и стран Ближнего Востока [17]. Этот факт позволяет данным странам осуществлять контроль над поставками, что делает неустойчивым и зависимым энергетический сектор других стран. Обеспеченность запасами каменного угля составляет 114 лет [16], однако рост населения и переход развивающихся стран к индустриальной экономике приводят к постоянному увеличению спроса на тепло- и электроэнергию, что может заметно сократить эту цифру. Так, по оценкам Международного энергетического совета, к 2050 году прогнозируется рост потребности в энергии в 3 раза [18], что может привести человечество к вопросу о дефиците ископаемых топлив уже во второй половине XXI века. Учитывая также, что объёмы добычи нефти, природного газа и каменного угля не снижаются, а сложность их добычи повышается по мере истощения месторождений, постепенно увеличивается стоимость произведенной из них энергии. В связи с этим актуальность внедрения технологий получения энергии из нетрадиционных и возобновляемых источников обосновывается также тем, что их запасы являются практически неиссякаемыми.
С точки зрения неисчерпаемости ресурса перспективной также выглядит атомная энергетика. Запасы только одного из элементов, использующихся в качестве ядерного топлива - урана, оцениваются ядерным энергетическим агентством в 7,6 млн т на конец 2014 года, чего будет достаточно приблизительно на 135 лет [19]. Кроме того, разрабатываются технологии добычи урана из воды морей и океанов [20, 21]. Количество урана, заложенного в водные ресурсы, в несколько раз превышает его общее содержание в твердом минеральном сырье [22]. Кроме того, по сравнению с ископаемым топливом уран может быть использован повторно после переработки.
Основными проблемами в области ядерной энергетики являются необходимость утилизации и хранения радиоактивных отходов, обеспечение безопасности и вывод АЭС из эксплуатации [23-25]. Более того, одним из продуктов деятельности ядерного цикла является плутоний - основной материал для атомных бомб. После последней крупной аварии на АЭС Фукусима-1 в Японии ряд стран придерживаются политики отказа от ядерной энергетики, а Италия стала первой страной, закрывшей все атомные электростанции [26]. Все вышеперечисленное не позволяет развивать отрасль в объемах, необходимых для покрытия роста энергопотребления, что также подтверждает актуальность развития ВИЭ.
Опыт некоторых стран показывает эффективное использование различных возобновляемых ресурсов, которые вносят значительный вклад в их топливноэнергетический баланс. Например, Исландия занимает ведущее место в мире по выработке тепло- и электроэнергии за счёт геотермальных источников, на их долю приходится около 1/3 всей получаемой энергии страны [27]. Действующие в районе ее столицы, города Рейкьявик, две ГеоЭС практически полностью обеспечивают теплоснабжение жителей за счет геотермальной воды [28]. Другая станция, расположенная в г. Хусавик, на 80% покрывает потребности его жителей в электроэнергии [29].
Суммарная мощность введенных в эксплуатацию в 2018 году солнечных и ветроэлектростанций в мире составила более 160 ГВт, что превышает мощность объектов традиционной энергетики, введенных за этот же период [23, 30]. Развитие ветроэнергетики актуально в основном в северных странах Европы (Дания, Финляндия и др.). Лидером по установленной мощности ветрогенераторов в мире является Китай (415 ГВт) [31]. Солнечная энергетика активно развивается в Китае, ОАЭ и Индии, где расположены самые крупные объекты мощностью от 300 до 1500 МВт [23], а также в США и южных странах Европы.
Активным участником развития возобновляемой энергетики в Европейском союзе является Германия, что связано с полным отказом от атомной энергетики к 2022 году и постепенным снижением мощностей угольных ТЭС [32]. Данный факт говорит о необходимости компенсации энергии, произведенной из этих источников и составляющей значительную часть в энергобалансе. При этом Германия наряду с Францией являются лидирующими европейскими странами с точки зрения привлечения инвестиций в сектор возобновляемой энергетики [33].
Для нашей страны развитие ВИЭ на сегодняшний день имеет локальный характер. Основная часть ветроэнергетических станций мощностью 80 МВт сосредоточена в Крыму, в Ульяновской области с 2018 года действует крупнейшая в России ВЭС-1 «Фортум» мощностью 35 МВт [34]. Ресурсы геотермальной энергетики используются на Камчатке - расположенные в этом районе ГеоЭС суммарной мощностью 74 МВт покрывают до 30% потребностей региона в электроэнергии [35]. Крупный, даже по мировым масштабам, комплекс солнечных электростанций (более 300 МВт) действует в Крыму [23], также солнечная энергетика распространена в Поволжье и Республике Алтай, на долю которых пришлась большая часть из введенных в РФ за последние три года мощностей объектов солнечной энергетики (129 МВт) [36]. Суммарная мощность завершенного в 2020 году кластера солнечной энергетики в Республике Алтай составила 120 МВт.
Однако суммарная мощность установок на возобновляемых источниках в России на сегодняшний день составляет лишь ~2 ГВт [37], что отражает низкий вклад (около 1%) в топливно-энергетический баланс страны [38]. Это обуславливается слабой государственной поддержкой и малым количеством регламентирующих документов. Принятая в России программа «Энергоэффективность и развитие энергетики», предполагавшая ввод к 2020 году 6,2 ГВт генерирующих мощностей на основе ВИЭ, оказалась не выполнена, также не достигнуты на данный момент и показатели ряда других документов, регламентирующих развитие возобновляемой энергетики [39-41].
В то же время многие регионы РФ являются энергодефицитными и зависимыми от поставок топлива. В связи с этим увеличиваются расходы на производство энергии за счет транспортных издержек. Например, в самом крупном регионе страны (республике Саха) большую часть коммунальных расходов в бюджете составляют затраты на поставку энергетических ресурсов [29]. Обеспечение труднодоступных регионов электроэнергией на сегодняшний день осуществляется с помощью ЛЭП, а тепловой энергией - при помощи местных котельных, работающих в основном на угле и дизельном топливе, что также сказывается и на экологической обстановке. В этой связи переход на доступные в регионах альтернативные и возобновляемые источники энергии позволит уменьшить стоимость ее производства за счет отсутствия затрат на транспортировку топлива и снизить связанные с этим выбросы CO2.
Однако, несмотря на отдельные успехи и положительный опыт некоторых стран в области возобновляемой энергетики, полный переход на ресурсы ВИЭ пока не видится возможным, в основном из-за нестабильности и прерывистости их действия. Например, солнечная энергетика и ветроэнергетика зависят от сезонного, климатического и географического факторов. Вопрос значительного повышения их эффективности может быть решен путем разработки дешевых способов аккумулирования и хранения энергии либо применения комбинированных схем (например, СЭС-ГЭС и др.) [23]. Ресурсы гидротермальной энергии сосредоточены в основном в зонах вулканической активности, горячих источников, гейзеров и т.п., а для использования ресурсов петротермальной энергетики необходимо дорогостоящее бурение глубоких скважин, так как температура земных пород увеличивается в среднем на 20°С/км. В плане доступности выделяется такой ресурс, как биомасса, её энергетическое использование не зависит от перечисленных выше факторов и практически ничем не отличается от использования ископаемых топлив.
Заключенная в биомассу энергия может быть полезно использована для нужд энергетики. С учетом того, что ~80% от всей биомассы суши приходится на леса и травянистые экосистемы, растительный покров земли составляет около 1800 млрд т в пересчете на сухое вещество [29]. При этом ежегодно в процессе фотосинтеза производится еще до 200 млрд т биомассы, в которой в виде химических связей накапливается ~3-1021 Дж энергии [29, 42], что в 5 раз превышает мировое производство энергии [2].
Суммарная выработка энергии на установках, использующих биомассу и различные отходы, составила на конец 2017 года ~15,5 млн ТВт-ч [43]. При этом высокой остается доля традиционных способов переработки биомассы (например, сжигание дров, для производства которых в основном используется качественная древесина) [3]. Однако пример других стран показывает эффективность энергетического применения биомассы, представленной отходами различных отраслей промышленности. В общем топливно-энергетическом балансе Европейского союза основная доля среди возобновляемых ресурсов приходится на биомассу и возобновляемые отходы (~65% от общего вклада ВИЭ) [44]. Лидерами в данном секторе являются Австрия и Швеция, так как около половины их территории занимают леса. В Дании переработка соломы позволяет производить 17 млн ГДж энергии [45], а использование различных технологий переработки биомассы позволяет суммарно получать от 60 до 90 млн ГДж энергии, что покрывает ~12% от общего потребления в стране [2, 5, 44, 45].
В Кении 70% кофейной шелухи, образующейся в ходе обработки зерен, идет на производство брикетов для бытового использования [46]. Лидерами в области производства древесных топливных гранул и брикетов являются США, Канада и Германия, причем в Канаде производство превышает потребление, в связи с чем часть топлива экспортируется в Европу [47]. В Индии ежегодно образуется до 500 млн т биомассы, энергетическое использование которой эквивалентно 17,5 ГВт вырабатываемой мощности [48].
Применительно к суровым условиям климата и географическому расположению РФ биомасса, по оценке многих исследователей [49-51], выступает в качестве первоочередного ресурса ВИЭ. Ее энергетическое использование в том числе поможет решить проблему утилизации местных биоотходов, которые могут наносить вред окружающей среде. Например, накопление различных древесных отходов и остатков лесоперерабатывающей промышленности увеличивает пожароопасность лесов и предприятий, осуществляющих эту деятельность. Длительное хранение сельскохозяйственных отходов приводит к их гниению и выделению токсичных веществ, что ухудшает санитарную обстановку, а их захоронение приводит к деградации плодородного слоя почвы [52].
Наша страна в силу своей территории обладает значительными запасами различных видов биомассы. По площади лесов Россия занимает первое место в мире, при этом в Сибири, на Дальнем Востоке и на Урале сосредоточено более половины от их количества [53]. Годовой прирост целесообразной для энергетического использования биомассы составляет около 800 млн т [54]. Ежегодное накопление перезрелой древесины составляет до 500 млн т, кроме того в ходе деятельности лесоперерабатывающих предприятий на долю различных отходов (щепа, опилки, стружка и т.п.) приходится ~40% от исходного сырья [55]. В Южной и Центральной частях России, а также на юге Сибири сосредоточены запасы биомассы однолетних растений и сельскохозяйственных культур [37, 54]. Еще одним возможным ресурсом для энергетического использования является торф, относящийся во многих странах к возобновляемым ресурсам при условии, что его годовой прирост превышает объёмы добычи. Россия является одним из лидеров в мире по площади болот (~1,5 млн км2) [56], а с учетом того, что годовой прирост слоя торфа составляет ~1 мм [57] его запасы, которые могут быть использованы в том числе и для нужд энергетики, составляют значительное количество.
На сегодняшний день потенциал биоресурсов в России остается маловостребованным. Количество электроэнергии, получаемой за счет использования различных биотоплив, составляет менее 100 ГВт-ч, а тепловой энергии - около 20000 ТДж, что в сотни раз уступает производству энергии из ископаемых источников [2]. При этом на долю местных котельных и индивидуальных отопительных установок приходится 1/4 от общего производства тепла [58]. Большая часть этих котельных работает на традиционных видах топлива, однако в нескольких регионах постепенно внедряются альтернативные технологии использования биомассы. Проекты по переводу котельных на торф и щепу реализованы в республике Карелия [59], Владимирской, Псковской и Тверской областях [58]. В Европейской части страны функционируют мини-ТЭЦ на биомассе со скромной суммарной мощностью ~100 МВт, а также заводы по производству из биомассы твердого топлива (пеллеты, гранулы, брикеты), биогаза и жидкого биотоплива [37].
Наиболее актуальным переход на местные запасы ресурсов биомассы видится для труднодоступных районов, энергообеспечение которых в данный момент осуществляется за счёт привозного топлива. Снижение зависимости от внешних поставок ископаемого сырья и в то же время утилизация отходов биомассы, причиняющих экологический вред окружающей среде, делает их энергетическое использование в этих регионах оправданным и экономически целесообразным.
В связи с вышеотмеченным актуально исследование характеристик биомассы, распространённой в РФ и доступной для энергетического использования, а также технологий ее термической переработки. Для увеличения доли биомассы в топливно-энергетическом балансе необходимо решение двух важных вопросов: расширение знаний о её составе и свойствах и грамотное использование этих знаний для оптимизации существующих, а также внедрения новых технологий по энергетическому использованию исходного сырья и продуктов его переработки.
Основной проблемой широкого использования биомассы для энергетических целей является низкий КПД ее сжигания традиционными методами. В связи с этим актуально внедрение альтернативных технологий термической переработки биомассы с целью повышения ее энергетических свойств. Одним из широкорассматриваемых в литературе методов является пиролиз [60], позволяющий получить энергетически ценное топливо различных фракций - жидкое, твердое и газообразное. Ограничением для повсеместного внедрения установок, основанных на пиролитической переработке биомассы, являются высокие затраты на организацию процесса, и, как следствие, увеличение стоимости готовой продукции.
Частичного покрытия тепловых затрат можно добиться путем использования теплоты, выделяющейся в ходе реакций разложения органической составляющей биомассы. Более того, процесс пиролиза биомассы может быть организован в автотермическом режиме, соответственно, энергия будет необходима лишь для инициации процесса. Следует отметить, что для рассмотрения данного вопроса необходимо определение как теплотехнических характеристик биомассы - для сравнения с традиционными ископаемыми ресурсами, так и теплофизических - для изучения тепловых эффектов и проведения тепловых расчетов.
Исходя из вышеизложенного, целью диссертационной работы является обоснование условий термической переработки различных видов биомассы, обеспечивающих возможность ее осуществления в автотермическом режиме.
Для достижения поставленной цели диссертационной работы решались следующие задачи.
1. Выбор объекта исследования среди ресурсов биомассы, распространенной в Томской области и близрасположенных районах.
2. Обоснование методики и экспериментальной базы для исследования пиролитической переработки различных видов биомассы.
3. Осуществление экспериментальной переработки биомассы для установления влияния условий процесса и состава сырья на тепловой эффект.
4. Определение теплофизических характеристик исследуемого сырья и углеродистого остатка после его термической переработки при различной температуре.
5. Разработка универсальной методики, позволяющей оценить возможность проведения пиролиза различных видов биомассы за счет тепловыделения в процессе разложения.
6. Оценка эффективности реализации пиролиза в автотермическом режиме.
Научная новизна работы.
1. На основе изучения тепловых эффектов пиролиза различных видов биомассы Томской области и близрасположенных районов, включающей отходы сельскохозяйственного производства (солома, отруби, скорлупа кедрового ореха), отходы деревообрабатывающей промышленности (опилки), отходы животноводства и торф, получены новые знания и выявлены закономерности по влиянию характеристик исходного сырья и параметров процесса на величину тепловыделения в процессе разложения. Впервые предложена аналитическая зависимость теплового эффекта разложения биомассы от ее состава (соотношения H/C).
2. Впервые получены граничные характеристики исследуемой биомассы (влажность, зольность) и параметры пиролиза (температурный интервал), при которых суммарный тепловой эффект процесса имеет положительное значение.
3. Получены новые экспериментальные результаты, описывающие влияние температуры процесса пиролиза на теплофизические характеристики углеродистого остатка после термической переработки биомассы трех степеней минерализации - низкой (солома), средней (отруби) и высокой (торф).
4. Предложена новая методика оценки возможности проведения пиролиза в автотермическом режиме, учитывающая тепловые эффекты разложения органической части, на основе которой построена тройная диаграмма, отражающая область теплотехнических характеристик биомассы (влажность, зольность, молярное соотношение H/C), при которых процесс может быть организован за счет собственного тепловыделения в ходе разложения.
Практическая значимость. Сформирована база теплотехнических и теплофизических характеристик биомассы Томской области, предназначенная для тепловых расчетов энерготехнологического оборудования. Установлены температурные интервалы экзотермических реакций и зависимости величины теплового эффекта разложения и удельной теплоемкости от молярного соотношения H/C в составе различных видов биомассы, способствующие развитию технологий топливопереработки и повышению их ресурсоэффективности в области энергетического использования биоресурсов за счет организации процессов в автотермическом режиме.
Разработана программа для ЭВМ «Оценка возможности пиролиза биомассы в автотермическом режиме» №2020610364 от 04.02.2020г. для проектных организаций, позволяющая определить параметры исходной биомассы, обеспечивающие ведение термической переработки в автотермическом режиме за счет покрытия тепловых затрат процесса собственным тепловыделением в ходе реакций разложения сырья.
Результаты диссертационных исследований используются предприятиями ООО «Алавеста Групп» (Кемерово) и ООО «Сибирский биоуголь» (г. Калуга) при проектировании технологических установок пиролиза, а также в Национальном исследовательском Томском политехническом университете при подготовке бакалавров ООП «Энергетическое машиностроение» и магистров ООП «Проектирование и диагностирование энергетических агрегатов».
Связь работы с научными программами и грантами. Исследования параметров пиролитической переработки ресурсов биомассы, различных по элементному и компонентному составу, выполнены при поддержке гранта Российского фонда фундаментальных исследований «Аспиранты» № 20-38-90180 «Теплофизические основы ресурсоэффективной теплотехнологической переработки биомассы для экологически чистой энергетики» и Томского политехнического университета в рамках проекта ВИУ (задача 2.1). Разработка универсальной методики оценки возможности проведения пиролиза биомассы за счет тепловыделения в процессе разложения, а также расчеты согласно этой методике выполнены в рамках госзадания «Наука», тема «Современные методы мониторинга и прогнозирования состояния компонентов окружающей среды для обеспечения рационального природопользования» (FSWW-2020-0022).
Достоверность результатов диссертационных исследований
подтверждается использованием современного высокоточного оборудования и аттестованных методик ГОСТ, параллельным измерением одних и тех же величин с помощью различных методов, удовлетворительной повторяемостью опытов при идентичных начальных условиях, выполненной оценкой случайных погрешностей, а также сравнением полученных результатов с литературными данными.
Личный вклад автора включает в себя постановку задач работы, планирование и осуществление экспериментальных исследований, обработку и апробацию полученных результатов, а также их анализ и обобщение, оценку погрешностей величин, формулировку защищаемых выводов и положений.
Автор благодарит д.т.н., профессора Заворина А.С. за помощь в обсуждении текста диссертации и защищаемых положений, а также выражает искреннюю благодарность к.т.н., доценту Ивашутенко А.С. за предоставление оборудования и помощь в проведении экспериментов по определению теплофизических характеристик.
Научные положения, результаты и выводы, выносимые на защиту.
1. Пиролиз биомассы сопровождается экзотермическими реакциями разложения органической части сырья, при этом тепловой эффект по результатам дифференциального термического анализа составляет 1117-1943 кДж/кг (в пересчете на сухую беззольную массу) и увеличивается при возрастании H/C в составе сырья.
2. Суммарный тепловой эффект пиролиза для всех исследуемых видов биомассы имеет положительное значение при величине влажности исходного сырья менее 9,9%.
3. Значения теплоёмкости углеродистого остатка после термической переработки биомассы низкой и средней степеней минерализации (соломы и отрубей соответственно) существенно снижаются при увеличении температуры их получения с 300 до 400°C, что связано с разложением основной доли органических соединений в биомассе. Теплоёмкость углеродистого остатка после термической переработки торфа, обладающего высокой степенью минерализации, постепенно уменьшается в температурном интервале 200-500°C, что позволяет сделать вывод о существенном влиянии минеральной части в составе сырья на величину теплоемкости.
4. Пиролитическая переработка биомассы в автотермическом режиме возможна при следующих параметрах исходного сырья - молярное соотношение H/C в его составе > 1,59; влажность W* < 43%; зольность Ad < 41%.
Апробация работы. Результаты диссертационных исследований докладывались и обсуждались на XIII и XV Международных научно-технических конференциях «Проблемы совершенствования топливно-энергетического комплекса» (Саратов, 2016, 2020), IV Российской молодежной научной школе- конференции «Энергетика, электромеханика и энергоэффективные технологии глазами молодежи» (Томск, 2016), III Международной научной конференции студентов и молодых ученых «Молодежь, наука, технологии: новые идеи и перспективы» (Томск, 2016), XII Международной научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Энергия - 2017» (Иваново, 2017), Международной научной конференции молодых ученых и специалистов «Экология энергетики-2017» (Москва, 2017), Международной научно-практической конференции «Альтернативная и интеллектуальная энергетика» (Воронеж, 2018), XVII Международной научно-практической конференции «Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири. Сибресурс 2018» (Кемерово, 2018), IV и V Всероссийских научных конференциях с элементами школы молодых ученых «Теплофизика и физическая гидродинамика» (Ялта, 2019, 2020), Всероссийской научной конференции молодых ученых «Наука. Технологии. Инновации» (Новосибирск, 2019), международной научно-практической конференции «Экологическая, промышленная и энергетическая безопасность- 2020» (Севастополь, 2020).
Публикации. Основные положения, результаты и выводы диссертационных исследований опубликованы в 8 статьях в рецензируемых журналах, индексируемых базами данных Scopus и/или WoS (4 из которых также относятся к журналам из списка, рекомендованного ВАК для опубликования результатов диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук): «Fuel» (IF=5,776, Q1), «Biomass and bioenergy» (IF=4,038, Q1), «Waste and Biomass Valorization» (IF=2,608, Q2), «Journal of Thermal Analysis and Calorimetry» (IF=2,325, Q2); «Химия растительного сырья» («Khimiya Rastitel'nogo Syr'ya»), «Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов» («Bulletin of the Tomsk Polytechnic University. Geo Assets Engineering»).
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованных источников, включающего 284 наименования, содержит три приложения, 74 рисунка, 27 таблиц, 179 страниц.
Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулирована цель и поставлены задачи исследований, отражены новизна и практическая значимость полученных результатов, а также выводы и положения, выносимые на защиту.
В первой главе проведен литературный обзор, отражающий современное состояние исследований в области энергетического использования биомассы. Выделены проблемы выработки энергии при ее использовании традиционными методами сжигания. Сделан анализ альтернативных технологий и технических решений термической переработки биомассы, по результатам которого пиролиз выбран в качестве одного из эффективных способов переработки. Отдельно рассмотрены тепловые эффекты разложения органической части сырья и действующие промышленные пиролизные установки с анализом обеспечения их тепловых потребностей. По результатам литературного обзора конкретизированы проблемы в области исследований, на основании которых поставлены задачи диссертационной работы.
Во второй главе приведено описание состава и характеристик исследуемых видов биомассы, выбранных в качестве объекта исследования; представлено обоснование методики исследований и экспериментальной базы пиролитической переработки, позволяющей изучать материальные и тепловые балансы, динамику выхода получаемых продуктов и их характеристики, тепловые эффекты, наблюдаемые в процессе термического разложения.
В третьей главе приведены результаты термической переработки, включающие материальные балансы пиролиза исследуемой биомассы, теплотехнические характеристики продуктов переработки, а также состав полученного газа и динамику выхода жидких продуктов. Экспериментально определены теплофизические характеристики и значения плотности исходной биомассы и углеродистого остатка после ее термической переработки в спрессованном, насыпном и истинном состояниях. Построена зависимость теплоемкости исходной биомассы от ее состава (соотношения H/C), составлены тепловые балансы пиролитической переработки.
В четвертой главе экспериментально показан и подтвержден с помощью дифференциального термического анализа экзотермический характер проведения пиролиза биомассы, определены температурные интервалы протекания основных тепловых эффектов и проведена оценка их величины, на основании которой построена зависимость от соотношения H/C в составе биомассы.
В пятой главе предложена универсальная методика оценки возможности проведения пиролиза биомассы за счет тепловыделения в процессе разложения, с использованием которой проведены расчеты и построена тройная диаграмма, позволяющая оценить возможность переработки биомассы в автотермическом режиме на основании данных о ее теплотехнических характеристиках (влажность, зольность, молярное соотношение H/C). Рассчитаны тепловые затраты на проведение пиролиза, определены температурные интервалы окончания процесса, в которых суммарный тепловой эффект положителен, а также рассчитаны максимальные параметры влажности и зольности для каждого из видов исследуемой биомассы, при которых процесс может быть организован в автотермическом режиме.
В заключении представлено описание основных результатов и главные выводы, сформулированные в ходе работы над диссертацией.
В работе рассмотрены вопросы пиролитической переработки нескольких видов биомассы, обладающих различным компонентным составом (некондиционные пшеничные отруби, солома злаковых культур, скорлупа кедрового ореха, сосновые опилки, отходы животноводства, суховской торф), с целью повышения конкурентоспособности ее использования и снижения экономических затрат по сравнению с традиционными технологиями получения энергии.
На основании аналитического обзора охарактеризовано состояние области исследований, сформулирована цель и поставлены задачи настоящей работы. Для проведения физических экспериментов создан ряд установок, а для проведения тепловых расчетов пиролиза обоснована методика, позволяющая оценить возможность автотермической переработки биомассы.
В ходе экспериментов получены закономерности выхода продуктов пиролиза различных видов биомассы в зависимости от температуры процесса, а также определены их теплотехнические и теплофизические характеристики и элементный состав. На основании этих характеристик составлены тепловые балансы разложения сырья, результаты которых показывают, что в условиях экспериментов процесс сопровождается положительной теплотой разложения органической части сырья. Построена зависимость удельной теплоемкости биомассы от состава сырья (соотношения H/C), значения теплоемкости углеродистых остатков после термической переработки при различной температуре отражают интервалы основного разложения органической части биомассы.
Экспериментально установлен экзотермический характер разложения биомассы во время ее пиролитической переработки, данный факт подтвержден с помощью дифференциального термического анализа. На основании оценки величины тепловых эффектов построена зависимость тепловыделения, наблюдаемого в ходе разложения сырья, от молярного соотношения углерода и водорода в его составе. Проведен расчет тепловых затрат пиролиза всех видов исследуемой биомассы и определены характеристики сырья, при которых их пиролитическая переработка может быть организована в автотермическом режиме.
Сформулированы нижеследующие выводы.
1. Сформирована база теплотехнических характеристик (зольность, влажность, выход летучих веществ, теплота сгорания, элементный состав) видов биомассы, распространенной в Томской области и близрасположенных районах. Образцы биомассы характеризуются низким содержанием серы (<0,25%) в своем составе. Основная часть исследуемой биомассы (за исключением торфа) имеет относительно высокую теплоту сгорания (16,6-18,1 МДж/кг), торф ввиду высокой зольности (22,8%) обладает низким значением теплоты сгорания (11,8 МДж/кг).
2. Обоснована методика и экспериментальная база для исследования пиролитической переработки биомассы, позволяющая изучать: материальные и тепловые балансы; динамику выхода получаемых продуктов и их характеристики; тепловые эффекты, наблюдаемые в процессе термического разложения.
3. Экспериментально установлены температурные интервалы
экзотермических реакций (150-500°C), в которых скорость нагрева сырья превышает скорость нагрева реактора. Для нескольких видов биомассы (солома, скорлупа ореха) данный эффект приводит к возрастанию температуры сырья до значений выше температуры нагрева установки или равных ей (опилки, отходы животноводства).
4. Экспериментально установлено, что при увеличении температуры получения углеродистого остатка при переработке соломы и отрубей с 300 до 400°C происходит резкое снижение его удельной теплоемкости, что связано с разложением органических соединений в составе биомассы. Теплоемкость углеродистых остатков из торфа постепенно снижается с увеличением температуры их получения. Данный факт свидетельствует о том, что основной вклад в величину теплоемкости вносит минеральная составляющая сырья.
5. Разработана универсальная методика, позволяющая оценить
возможность осуществления пиролиза различных видов биомассы за счет собственного тепловыделения в процессе разложения. С ее использованием построена тройная диаграмма, отражающая область теплотехнических характеристик биомассы (влажность, зольность, молярное соотношение H/C), при которых возможна ее пиролитическая переработка в автотермическом режиме.
6. Проведена оценка экономической эффективности осуществления пиролиза биомассы в автотермическом режиме, на основании которой установлено, что данный способ обеспечения тепловых затрат процесса является наиболее экономичным среди рассмотренных. Экономические затраты на осуществление пиролитической переработки за счет собственного тепловыделения меньше по сравнению с затратами на проведение процесса существующими способами: за счет сжигания побочного продукта (пиролизного газа) - в 1,1 раз; за счет сжигания части перерабатываемого сырья - в 2,8 раз; за счет подвода электричества - в 20 раз.
На основании аналитического обзора охарактеризовано состояние области исследований, сформулирована цель и поставлены задачи настоящей работы. Для проведения физических экспериментов создан ряд установок, а для проведения тепловых расчетов пиролиза обоснована методика, позволяющая оценить возможность автотермической переработки биомассы.
В ходе экспериментов получены закономерности выхода продуктов пиролиза различных видов биомассы в зависимости от температуры процесса, а также определены их теплотехнические и теплофизические характеристики и элементный состав. На основании этих характеристик составлены тепловые балансы разложения сырья, результаты которых показывают, что в условиях экспериментов процесс сопровождается положительной теплотой разложения органической части сырья. Построена зависимость удельной теплоемкости биомассы от состава сырья (соотношения H/C), значения теплоемкости углеродистых остатков после термической переработки при различной температуре отражают интервалы основного разложения органической части биомассы.
Экспериментально установлен экзотермический характер разложения биомассы во время ее пиролитической переработки, данный факт подтвержден с помощью дифференциального термического анализа. На основании оценки величины тепловых эффектов построена зависимость тепловыделения, наблюдаемого в ходе разложения сырья, от молярного соотношения углерода и водорода в его составе. Проведен расчет тепловых затрат пиролиза всех видов исследуемой биомассы и определены характеристики сырья, при которых их пиролитическая переработка может быть организована в автотермическом режиме.
Сформулированы нижеследующие выводы.
1. Сформирована база теплотехнических характеристик (зольность, влажность, выход летучих веществ, теплота сгорания, элементный состав) видов биомассы, распространенной в Томской области и близрасположенных районах. Образцы биомассы характеризуются низким содержанием серы (<0,25%) в своем составе. Основная часть исследуемой биомассы (за исключением торфа) имеет относительно высокую теплоту сгорания (16,6-18,1 МДж/кг), торф ввиду высокой зольности (22,8%) обладает низким значением теплоты сгорания (11,8 МДж/кг).
2. Обоснована методика и экспериментальная база для исследования пиролитической переработки биомассы, позволяющая изучать: материальные и тепловые балансы; динамику выхода получаемых продуктов и их характеристики; тепловые эффекты, наблюдаемые в процессе термического разложения.
3. Экспериментально установлены температурные интервалы
экзотермических реакций (150-500°C), в которых скорость нагрева сырья превышает скорость нагрева реактора. Для нескольких видов биомассы (солома, скорлупа ореха) данный эффект приводит к возрастанию температуры сырья до значений выше температуры нагрева установки или равных ей (опилки, отходы животноводства).
4. Экспериментально установлено, что при увеличении температуры получения углеродистого остатка при переработке соломы и отрубей с 300 до 400°C происходит резкое снижение его удельной теплоемкости, что связано с разложением органических соединений в составе биомассы. Теплоемкость углеродистых остатков из торфа постепенно снижается с увеличением температуры их получения. Данный факт свидетельствует о том, что основной вклад в величину теплоемкости вносит минеральная составляющая сырья.
5. Разработана универсальная методика, позволяющая оценить
возможность осуществления пиролиза различных видов биомассы за счет собственного тепловыделения в процессе разложения. С ее использованием построена тройная диаграмма, отражающая область теплотехнических характеристик биомассы (влажность, зольность, молярное соотношение H/C), при которых возможна ее пиролитическая переработка в автотермическом режиме.
6. Проведена оценка экономической эффективности осуществления пиролиза биомассы в автотермическом режиме, на основании которой установлено, что данный способ обеспечения тепловых затрат процесса является наиболее экономичным среди рассмотренных. Экономические затраты на осуществление пиролитической переработки за счет собственного тепловыделения меньше по сравнению с затратами на проведение процесса существующими способами: за счет сжигания побочного продукта (пиролизного газа) - в 1,1 раз; за счет сжигания части перерабатываемого сырья - в 2,8 раз; за счет подвода электричества - в 20 раз.
