Газогенераторные установки теперь и в Беларуси или новое – это хорошо забытое старое

Сегодня наблюдается повышенный интерес к технологиям использования растительной биомассы в качестве топлива. Причем если раньше биомасса рассматривались лишь для выработки тепловой энергии, то сегодня все активнее рассматриваются возможности эксплуатации установок для комбинированной выработки тепловой и электрической энергии. 

Одной из подобных технологий является газификация древесины. Для реализации используются специальные машины, которые называются газогенераторами.

Газогенераторная установка (Источник: компания производитель)

КАК ЭТО РАБОТАЕТ?

При газификации происходит полное превращение органической части древесины в горючий газ и жидкие продукты. Газификация осуществляется в вертикальных шахтах, называемых газогенераторами, в которых протекает три основных процесса, условно разделяемых по зонам. В верхней части шахты происходит сушка древесины (зона 1). Затем сухое топливо подвергается термическому разложению (швелеванию) в токе нагретого газа, двигающегося горловине газогенератора (зона II). В последней зоне осуществляется процесс собственно газификации, протекающий уже не с древесиной, а с углем — продуктом швелевания древесины (зона III). Здесь происходит окисление древесного угля воздухом, подаваемым в газогенератор через колосниковую решетку и дутьевые фурмы. При газификации других видов твердого топлива (ископаемых углей, сланцев, кокса, торфа и др.) вместо воздушного иногда используют парокислородное или воздушное дутье, обогащенное кислородом.

Серьезная проблема, препятствующая широкому использованию генераторного газа, выработанного при газификации древесины, - смолообразование, которое происходит при охлаждении газа до температуры ниже 200 °С. Смола образуется на внутренних поверхностях газопроводов, на рабочих поверхностях газовой турбины и на поршневой группе газовых моторов.

Таких примеров достаточно много в автомобилестроении. Вот несколько из них:

США 1943 год (Источник: Forest Product Laboratory)

Opel Cadet с газификационной установкой

Помимо автомобилестроения газификация древесины нашло свое применение и в энергетике. Впервые использовать данную технологию для получения тепла начали в 30-ые ХХ века. Синтез-газ подавался в котлоагрегат, где и происходило его сжигание.

В 40-ые годы Советский Союз и Германия стали законодателями мод в получении синтез-газа из древесины. Данная технология настолько быстро развивалась, что современные «инновации» были разработаны еще в те далекие времена. 

В 60-70-ые годы технология газификации древесины приостановилась из-за роста добычи нефти и газа. Тогда газификация древесины не могла конкурировать с «черным золотом». И вот в нынешнее время на фоне экологического кризиса и истощения нефтяных запасов, вновь возник интерес к технологии получения синтез-газа из биомассы, преимущественно древесины.

Сегодня можно найти несколько производителей газификационных когенерационных установок на биомассе. Большинство подобных установок имеют одинаковое устройство.

Газогенераторная установка состоит из двух основных частей. Непосредственно самого газификатора и когенерационной установки (электрогенератора на древесном газу).

Газификационная когенерационная установка на биомассе 
(Источник: завод производитель)

Завод производитель поставляет подобное оборудование в следующих вариантах исполнения:

• электрической мощностью 30кВт
• электрической мощностью 45 кВт

Техническая характеристика газификационных когенерационных установок приведена ниже:

Источник: завод производитель

Как можно заметить из технической характеристики оборудования, отличительной особенностью является топливная эффективность. Так электрический КПД газификационной когенерационной системы находиться в диапазоне 23% в теплофикационном режиме и это намного выше аналогичного показателя для паротурбинных установок (ПТУ) и ORC-установок, которые в диапазоне 0,3-1,5 МВт демонстрируют электрический КПД от 8% до 18% в теплофикационном цикле.

Энергетический баланс представлен ниже:

Пусть Вас не пугает небольшая мощность данных установок. Это сделано для некоторых целей. Во-первых, данные установки подходят для небольших заводов по деревообработке и производству мебели. Где имеется небольшое количество древесных отходов. Во-вторых, каскадные системы из множества установок позволяют создавать объекты (мини-ТЭЦ на биомассе) МВт-ного класса с существенно более высоким КПД и высокой гибкостью конфигураций, достигаемой при помощи отключения единичных установок и точного следования за графиком потребления. В каскадной конфигурации газификационные когенерационные установки действительно являются уникальной эффективной альтернативой традиционным системам (ORC и паровым турбинам) в классе 1 МВт.

РАЗМЕРЫ ОБОРУДОВАНИЯ

Проектирование и строительство газогенераторных установок упрощено, благодаря использованию стандартизованных модульных установок полной заводской готовности, что позволяет существенно сократить сроки на строительство и снизить технологические и строительные риски.

Газогенераторная установка принципиально состоит из двух частей (газификатор и когенерационной установки), то по сравнению с обычной газопоршневой установкой ей необходимо больше места для установки.

Рассмотрим необходимые размеры для установки газогенератора электрической мощностью 45 кВт. Размеры оборудования:

ОПЫТ ЭКСПЛУАТАЦИИ

Не смотря на то, что данная технология известна уже давно. Действующих установок не так уж и много. В Западной Европе и Северной Америке более 300 установок находятся в коммерческой эксплуатации. Мини-ТЭЦ на базе когенерационных газификационных установок, собранных в кластеры по 10-20 штук в ряд и более, позволяют конфигурировать простые легко возводимые энергетические объекты на топливной щепе. Из-за высоких экологических показателей и низкому уровню шума установки применяются не только на деревообрабатывающих и лесозаготовительных предприятиях, а также обеспечивают энергией сельскохозяйственные объекты, отели, СПА-центры, офисные здания, склады и логистические объекты.

Машинный зал с каскадом из 20-ти когенерационных газификационных установок

В последние годы электрогазогенерация появились и в России. Среди российских разработок в этой области можно выделить оборудование, которое выпускают группа компаний «Адаптика» (г. Брянск) и ООО «ЦНИДИ» (г. Санкт-Петербург). К сожалению, референс-лист данные компании не предоставили, но на официальном сайте удалось найти пример использования на территории России.

В качестве примера рассмотрим разработанную компанией «Адаптика» когенерационную установку электрической мощностью 100 кВт, использующей в качестве топлива древесные отходы и тех. сырье влажностью до 25%. 

По результатам эксплуатации:

• одной загрузки хватает на восемь часов работы;
• расход топлива на получение 1 кВт электроэнергии - от 0,6 до 1,2 кг (в зависимости от влажности и вида сырья);
• показатели загрязненности синтез-газа перед двигателем укладываются в требования менее 25 мг на 1 м³ (что соответствует заявленным требованиям производителей когенерационного оборудования)

Электрогазогенераторная ТЭС на заводе «Интерреммаш»

В Беларуси опыта использования газогенераторных установок нет. Но сегодня группа компаний ТЭС ДКМ начала поставку оборудования для газификации биомассы. Стоит отметить также совместную работу ТЭС ДКМ с «ЭНЭКА» по первому, пилотному проекту по использованию газогенераторных установок на деревоперерабатывающем заводе в Минской области. Данный проект предусматривает установку 6-ти газогенераторов общей мощностью 270 кВт.

ЭКОНОМИКА

«Использование серийных компонентов позволило снизить капиталовложения «под ключ». Показатели инвестиционных затрат сопоставимы с затратами для строительства паротурбинных установок (ПТУ) и ORC систем в классе 0,3-1,5МВт. Разумность затрат на обслуживание также объясняется модульностью и серийностью основных компонентов», говорит управляющий директор компании SPANNER.

Для лучшего понимания экономического эффекта от внедрения газогенераторной установки на щепе, разберем один из примеров. В качестве аналога возьмем установку суммарной электрической мощностью 360 кВт и тепловой 868 кВт.

На основании разработанного технико-экономического обоснования капитальные затраты составят примерно 2,5 млн. долл. Капитальные затраты носят ориентировочную оценку. В данный расчет включена система топливоснабжения, затраты на строительство нового здания для энергоисточника. Поэтому если имеется здание или необходимо реконструировать существующую котельную на МВТ, то капитальные затраты будут ниже (затраты на здание составляют до 20% от начальных капитальных затрат).

Основные технические показатели от строительства приведены в таблице ниже:

Расчеты ОДО "Энэка"

Экономическая эффективность проекта зависит от многих факторов:

• Влажность щепы. Оптимальная влажность для газификации составляет 8% (максимальное значение 13%), если значение выше, то необходимо затратить часть тепла на сушку и потребуется больше электроэнергии на рубильную машину;
• Стоимость щепы. Сегодня цена на щепу в Беларуси варьируется в диапазоне от 10 до 20 €/м. куб.
• Обслуживание. Ориентировочные затраты на техническое обслуживание из опыта эксплуатации составляют порядка €140/kW. При каскадном использовании ремонт одной установки приводит к выбыванию не всей мощности, в то время как ремонт паровой турбины или ORC-установки приводит к останову всей мини-ТЭЦ.

Из этих факторов, стоимость щепы является критической, поэтому если газогенераторную мини-ТЭЦ установить на территории деревоперерабатывающего (обрабатывающего), где древесная щепа является отходами производства, экономический эффект будет выше.

Зависимость срока окупаемости от цены на щепу
Источник: расчеты ОДО "ЭНЭКА"
Примечание: срок окупаемости приведен ознакомительно, для каждого проекта необходима разработка ТЭО

ВЫВОД

Использование газогенераторных установок можно рассматривать в качестве автономных стационарных источников энергии для предприятий, где отходами является древесина. Установка данной технологии может повысить конкурентоспособность предприятия, особенно если имеется осушительная установка, которая позволяет получать отходы с влажностью не более 13%. Тепло от ГГУ направляется в технологический процесс на сушку древесины. Использование газогенераторной установки позволяет сократить затраты на покупку энергетических ресурсов и решить проблему с отходами.

Для повышения экономической эффективности проекта в соответствии с Законом РБ «О возобновляемых источниках энэргии» производимая электрическая энергия может поставляться в государственные сети с повышающим коэффициентом 1,3 в течение 10 лет со дня ввода в эксплуатацию. При продаже электроэнергии в сеть можно увеличить число использования установленной мощности, т.к излишки энергии будут продаваться государству.

Для России подобные установки могут быть одним из путей решения проблемы устойчивого энергоснабжения районов, где отсутствует доступ к централизованным электрическим и тепловым сетям (районы Крайнего Севера в России), но имеются запасы древесины. В данных регионах тарифы на электроэнергию и тепло одни из самых высоких из-за того, что в качестве топлива используют привозной дорогой мазут. Поэтому сроки окупаемости подобных проектов будут ниже.