Примеры использования и утилизации "дармовой" энергии. Альтернатива в альтернативе
Тема комбинированных решений в малой энергетике стала традиционной. Немало рассказывалось о когенераторных установках, вариантах и опыте строительства мини-ТЭС в нашей стране; довольно четко показаны плюсы применения малых автономных систем. Впрочем, данное направление далеко не исчерпано. Кроме утилизации бросового тепла и бросового давления в мировой практике широко распространено использование в энергетике различного рода мусора и отходов.
Говоря о моторных агрегатах, мы рассматривали в качестве горючего природный газ, дизельное топливо или их сочетание. Однако необходимость сбережения качественных углеводородных ресурсов уже несколько десятилетий назад подтолкнула конструкторов к поиску альтернативных решений. Дальше всех в этом направлении продвинулись специализированные фирмы, например известный австрийский производитель газовых моторов для энергетики Jenbacher AG и инженерная компания Austor-Com (Австрия).
Первый газовый двигатель от Jenbacher AG, работающий на альтернативном топливе, был установлен еще в 1957 г., он использовал коксовый газ. Далее фирма создавала моторы для работы на газе нефтепереработки, пропане, метаноле, бутане; в 1983 г. были введены в эксплуатацию установки на пиролизном и свалочном газах; с 1997 г. выпускаются агрегаты для использования малокалорийного газа химической промышленности. В настоящее время в мире действуют также поршневые мини-ТЭС на попутном, рудничном, городском, биологическом и канализационном газе.
Пригодные для получения энергии газы значительно отличаются по своим свойствам. Их главными параметрами являются высшая теплота сгорания и так называемое метановое число, характеризующее газ с точки зрения устойчивости к детонации. Первый показатель включает не только тепло, выделяющееся при сгорании газа, но и энергию, отдаваемую водой при конденсации по окончании горения. Что касается метанового числа, то оно выражает в процентах объемную долю метана СН4 в его смеси с водородом Н2, которая в контрольном моторе имеет ту же степень устойчивости к детонации, что и данный газ. (Параметр определяется при испытаниях.) Соответственно для чистого водорода метановое число равно нулю, а для чистого метана - 100%. На рис. 1 показана линейка теплоты сгорания различных газов; в таблице приведены характеристики детонационной устойчивости ряда энергоемких газов.
Еще один существенный параметр — скорость ламинарного пламени, то есть скорость протекания реакции между горючими составляющими газа и кислородом на внутренней поверхности корпуса пламени. Эта характеристика зависит от воздушного показателя X и достигает максимального значения при X = 1. В случае применения малокалорийных газов скорость ламинарного пламени показывает, возможно ли полноценное сгорание в двигателе газовоздушной смеси. Для эксплуатации мотора без добавления другого (опорного) газа этот показатель должен составлять не менее 8 см/с при X = 1.
Кроме того, для нормальной работы мотора необходимо соблюдать предельные концентрации вредных веществ в топливном газе. Jenbacher AG ограничивает содержание в горючем пыли, серных соединений, галогенов, кремния, аммиака, масел. При использовании древесного газа нужно также следить за очищенностью газа от смол (конденсата).
Мотор предъявляет требования к свойствам топливного газа, его чистоте, а также к стабильности этих показателей. В свою очередь горючее диктует особенности конструкции двигателя и условия его эксплуатации. При использовании газа с низким метановым числом предотвратить неконтролируемое (детонационное) сгорание можно смещением момента зажигания, снижением нагрузки мотора, повышением доли воздуха в смеси, рециркуляцией выхлопа, ослаблением наддува и снижением температуры смеси (как вариант - ее двухступенчатое охлаждение), снижением температуры воды в системе охлаждения мотора и увеличением ее количества.
Для применения газов с низкой теплотой сжигания используют, с одной стороны, специальную конфигурацию камеры сгорания, а с другой - прямую зависимость между ходом процесса и уровнем NOX в выхлопе, прибегая к автоматическому регулированию параметров процесса. Специальный газовый смеситель позволяет компенсировать колебания калорийности топлива (что имеет большое значение при использовании, например, свалочного газа), а также обеспечивает быстрый переход с одного топливного газа на другой. (Это необходимо там, где в качестве резерва используется традиционное газообразное горючее.).
Чтобы параметры топливной смеси были стабильны, необходим наддув. Для каждого газа рассчитывается своя степень уплотнения, что гарантирует максимальный КПД. Полного сжигания некоторых газов (например, газа мусорных свалок) можно достичь благодаря вторичной обработке выхлопа. Ниже приведены примеры мини-ТЭС, работающих на альтернативных газах.
Спустя некоторое время после поступления мусора на свалку начинается разложение биологических материалов под действием микроорганизмов. Одним из конечных продуктов этого процесса является газовая смесь, состоящая на 45-65% из СН4, на 25-35% из СО2 и на 10-20% из N2. Вредное воздействие метана на окружающую среду в 20 раз превышает негативное влияние углекислого газа. Бесконтрольно выделяясь, он затрудняет или делает невозможной планомерную регенерацию территории свалки, распространяя неприятный запах. В некоторых странах газ со свалки собирают и откачивают. Накапливаясь, он может служить источником энергии. Калорийность свалочного газа лишь наполовину меньше, чем у природного газа. Чтобы разумно использовать 35 млн. м3 свалочного газа, ежегодно выделяющегося на свалке Раутенвег под Веной, была создана станция с 12 агрегатами JGS 316 GS-L.LC электрической мощностью 7908 кВт; она покрывает потребности в электричестве 25 тыс. квартир. Подобные станции действуют также в Великобритании, Швейцарии, Австралии, Гонконге и других странах.
Канализационный ил - продукт механической, биологической или химической очистки сточных вод. Его сушат и собирают в отстойники, где в ходе анаэробного брожения выделяется богатый метаном (30-50%) биогаз. (Кроме того, в смесь входит 30-40% углекислого газа и многочисленные слабые примеси.) Тепловую энергию мини-ТЭС, установленной на очистных сооружениях, можно использовать для нагревания иловой массы, что ускоряет и увеличивает выделение горючего продукта. Биогаз собирают, уплотняют, при необходимости очищают и хранят в накопителе. Оттуда с равномерным давлением он поступает в газопоршневой агрегат, вырабатывающий тепло и электроэнергию. На очистных сооружениях в Анасис-Айленд (Канада) установлено 4 газовых агрегата JGC 316 GS-B/N.L (рис. 3); тепловая мощность станции составляет 3932 кВт, электрическая - 3216 кВт. Электроэнергия идет на собственные нужды предприятия, а избытки поступают в центральную сеть. Дегазированный ил из отстойника опять сушат, компостируют и - в зависимости от его состава - вывозят на свалку или используют как сельскохозяйственное удобрение.
Вот описание еще одной действующей установки. Отдельно собираемый биомусор (пищевые отходы растительного происхождения) проходит механическую обработку и поступает в гнилостную башню. В процессе гниения выделяется газ, который собирается в промежуточном накопителе и через наддув подается в мотор. 350 м3/ч этого продукта преобразуется в электроэнергию, пар и горячую воду. Параллельно агрегаты используют также и свалочный газ, который после очистки от серы собирается в накопителях. Получаемые тепло и электричество удовлетворяют собственные нужды мусороперерабатывающей станции. Твердые отходы также компостируются и могут служить удобрением. Три газовых агрегата JGS 316 GS-B.L осуществляют бесперебойное энергоснабжение двух предприятий в Вар-нанагаре (Индия). 75% необходимого для их работы газа поступает из отходов сахарной фабрики. Остальные 25% происходят из сточных вод бумажной фабрики. Брожение отходов обоих производств осуществляется в отдельных биореакторах. Выделяемый газ в основном состоит из метана (60-65%) и углекислого газа (35-40%). Продукт, получаемый из отходов сахарной фабрики, содержит большое количество сероводорода H2S, который удаляют специальной очисткой. В едином накопителе ежедневно набирается около 22 тыс. м3 топливного газа.
Около 30 тыс. т навоза и 5 тыс. т органических отходов из бойни и других сельскохозяйственных объектов перерабатываются ежегодно на установке в Лахолме (Швеция) На первом этапе биомассу обеззараживают, пастеризуя в течение часа при температуре 70°С. Затем материал направляется в биореактор размером более 2 тыс. м3, где 20-25 дней гниет при температуре 38°С. Бактерии перерабатывают 40-50% этого вещества в газ, который содержит 60-70% метана. После химической очистки от примесей серы он сгущается (до давления около 1 бар) и высушивается. Производительность установки 3-4 тыс. м3 биогаза в сутки. Полученный продукт передается по трубопроводу длиной около 2 км в жилой район, где сжигается на мини-ТЭС с двумя газовыми агрегатами JMS 312 GS-B/N.L. Станция выдает в центральную сеть 450 кВт электрической мощности; тепловая энергия (650 кВт) используется для централизованного отопления 350 квартир. КПД системы 88,4%. Если по каким-то причинам поступление биогаза прерывается, мини-ТЭС без останова продолжает работу на природном газе.
Бытовые и промышленные отбросы, размельченные отходы, громоздкий мусор, канализационный ил, зараженная почва, вторичный мусор - разнообразнейшие виды отходов могут быть переработаны в пиролизный газ методом термоселекции. При этом мусор проходит в замкнутой системе следующие этапы обработки: уплотнение, деаэрацию, гомогенизацию и дегазацию при температуре выше 600°С в дегазационном канале; в заключение - распыление чистым кислородом и одновременное плавление металлических и минеральных частиц. Такая установка не зависит от внешних источников энергии. Смешанный газ, который образуется в высокотемпературном реакторе, впоследствии резко остужается и очищается на многочисленных фильтрах. При его охлаждении выделяется энергия, используемая для обработки мусора. Сам газ сжигается в агрегатах мини-ТЭС. Такая станция действует в городе Фондоточе (Италия).
На заводе в Профузе (Испания) производят кокс. При этом образуется коксовый газ, который содержит большую долю водорода (до 50%) и поэтому может использоваться только в специальных газовых агрегатах. Побочными продуктами многих химических производств являются малокалорийные газы, которые, однако, также могут быть использованы как топливо для двигателей мини-ТЭС. Так, при получении синтетической смолы, которая обычно используется в деревообработке, бумажной и резиновой промышленности, вырабатывается газовая смесь (18% Н2 и 82% N2). Теплота ее сгорания примерно в 20 раз ниже, чем у природного газа. Тем не менее этого достаточно, чтобы обеспечить химическое производство паром и электроэнергией. Можно привести еще целый ряд подобных примеров, но и сказанного достаточно для подтверждения фразы, составившей часть заголовка данной статьи: «Энергия - вокруг нас». Выводы?