ПРОГРЕСС ЭНЕРГО
Характеристика сырья и готовой продукции при быстром пиролизе
Энергетический комплекс переработки углеродсодержащих отходов (ЭКПУО) — это компактно расположенные взаимосвязанные технические устройства и агрегаты, предназначенные для получения из органических отходов или возобновляемых видов сырья горючего газа, жидкого топлива и углистого порошкообразного материала способом быстрого пиролиза, а также генерирования электрической и тепловой энергии.
Для ЭКПУО применимо любое углеродосодержащее сырьё растительного или животного происхождения: отходы лесозаготовок и деревообработки, солома, лузга, куриный помет, навоз, канализационный ил, торф, бурый уголь, нефтешламы и др. Исходное сырье перед пиролизом проходит стадию подготовки — механическую сепарацию, сушку и измельчение. Такие свойства сырья, как влажность, размер составляющих органических частиц, а также отсутствие инородных включений (металл, стекло, камни и др.) требуют обязательной подготовки сырья для обеспечения эффективного пиролизного процесса.
Общими особенностями органического сырья как энергетического топлива являются:
- высокая реакционная способность (выход летучих на горючую массу составляет от 75…80% до 92%);
- крайне нестабильная влажность (в зависимости от способов получения биомассы, ее хранения и складирования влажность колеблется от 25 до 65%);
- повышенные загрязняющие и шлакующие свойства минеральной части при низкой зольности (за счет повышенного содержания щелочных элементов К2O + Na2O, достигающего 30..35%);
- затрудненность движения сырья по тракту за счет волокнистого строения материала (в питателях, бункерах и др.).
Древесные отходы. Органическая часть древесины и других растительных образований состоит в основном из углеводов и в меньшей степени из белков, жиров, восков и смол, входящих в состав растительных клеток или заполняющих межклеточное пространство растительной ткани. Основными компонентами углеводов являются целлюлоза (С6Н10О5), из которой построены стенки клеток, гемицеллюлоза, представляющая собой гидролизирующуюся часть целлюлозы, и лигнин – особое инкрустирующее вещество, заполняющее межклеточные промежутки (С9Н24О10). Содержание целлюлозы в органической части многоклеточных растений достигает 60%, содержание лигнина 20…30% (в зависимости от породы и возраста древесины). Растительная ткань пропитана водой, в которой растворены различные минеральные соли, образующие при сжигании древесины золу. Содержание солей в древесине обычно 1%.
Состав органической массы древесины разных пород может характеризоваться следующими усредненными данными: углерод - 50%; водород - 6%; кислород - 43%, азот - 0,43%; сера - 0%; зольность сухой массы древесины - 1…2%.
Растительные сельскохозяйственные отходы. Растительные отходы сельского хозяйства — это остатки растительности при извлечении необходимой части сельскохозяйственной культуры после сбора урожая и его промышленной переработки. Выделяются две группы таких отходов:
• сельскохозяйственного производства;
• перерабатывающей промышленности.
К первой группе относятся отходы, которые остаются после сбора урожая сельскохозяйственных культур — солома, стебли подсолнуха и кукурузы, ботва овощных культур и другие.
Ко второй группе относятся остатки перерабатывающей промышленности — лузга, шелуха, мякина, кожура, багасса и другие.
Общими показателями растительных отходов при применении их в качестве энергетического сырья независимо от способа переработки являются:
• размер частичек — от нескольких миллиметров до 1,5…2 метров;
• плотность — 0,2… 1,2 г/см3;
• содержание влаги зависит от вида культуры, нормированный показатель — 14 % (в отходах овощных культур может достигать 80 %);
• содержание золы — 4…20 %;
• содержание азота — 0,4…4,5 %;
• содержание серы должно быть не больше 0,25 %;
• общее содержание минеральных веществ при производстве топлива практически не учитывается;
• содержание клетчатки при нормированной влажности — 5…40 %.
Содержание клетчатки является одним из самых важных показателей при определении энергосодержания отходов, так как именно клетчатка — это основной энергетический компонент. Наличие углерода, основной составляющей органического топлива, определяется теплота сгорания биомассы. Каждая из сельскохозяйственных культур имеет достаточно однородный состав, поэтому теплота их сгорания различается незначительно и находится в пределах 15 800…16 000 кДж/кг.
Животноводческие отходы. Это отходы органического происхождения, в основной массе — навоз и навозные стоки большого рогатого скота, свиней, куриный помет. Сопутствующими им могут быть материалы, которые используются для подстилки — солома, трава, торф.
Характеристики отходов животных, птицы зависят от усвояемости и состава кормового рациона. Экскременты животных содержат органические и неорганические вещества, которые поступают вместе с непереваренными остатками корма, выделяются через стенку кишечника или являются продуктами жизнедеятельности микроорганизмов. В целом с выделениями крупного рогатого скота, а также кур при батарейном их содержании выводится до 30-40% питательных веществ, получаемых животными с кормами. В навозе и помете содержатся остатки пищеварительных соков, отмершие клетки, бактерии и крупные частицы нерастворимых веществ, проглоченные вместе с кормом. Отходы могут содержать также корм, рассыпанный в загонах.
Количество и свойства навоза и помета зависят от возраста, рационов кормления и способов содержания животных. У крупного рогатого скота (КРС) в 1,5-3,0 раза больше твердых, чем жидких выделений, у свиней количество мочи в 1,5-2,6 раза больше, чем кала. Влажность смеси экскрементов КРС составляет 86-88%, экскрементов свиней - 88-91%, тогда как птичий помет отличается невысокой исходной влажностью - 66-74% и обладает большой степенью усушки (до 50%).
В зависимости от способа содержания животных (подстилочное или бесподстилочное) параметры отходов изменяются. Для подстилки применяют солому злаковых и торф (торфяную крошку), реже - древесные стружки и опилки. Подстилка улучшает физические свойства навоза, впитывает мочу и поглощает образующийся при ее разложении аммиак. Бесподстилочный жидкий навоз - подвижная смесь кала, мочи и технологической воды, попадающей в навоз при уборке помещения, мытье кормушек, из автопоилок - обладает текучестью и легко поддается перекачке по трубам самотеком или с помощью насосов.
Бурый уголь - твёрдый ископаемый уголь, образовавшийся из отмерших органических остатков под давлением нагрузки и под действием повышенной температуры на глубинах порядка 1 километра. Это наиболее молодой из ископаемых углей, это переходная форма от торфа к каменному углю. Он имеет бурый цвет, содержит 63 - 78 % углерода, плотность 1200 – 1500 кг/м3. На воздухе бурый уголь теряет влагу, растрескивается и превращается в мелочь.
Бурые угли делятся в зависимости от влажности на технологические группы: 1Б (влажность свыше 40 %), 2Б (30 – 40 %), 3Б (до 30 %).
Самое существенное отличие от каменного угля заключается в меньшем содержании углерода и значительно большем содержании битуминозных летучих веществ (до 50 %). Этим и объясняется, почему бурый уголь легче горит, дает больше дыма, запах, а также реакцию с едким калием. Содержание азота также значительно уступает каменным углям. Содержат много воды и поэтому имеют низкую теплоту сгорания (менее 24 МДж/кг).
Иловые осадки сточных вод представляют собой смесь, в которой экологически безвредные вещества прочно связаны с загрязняющими компонентами органической и неорганической природы. В процессе водоочистки происходит накопление существенных объемов предельно гидратированных иловых осадков, в которых вода находится в связанном состоянии. Свободного ее отделения от коллоидно-дисперсной фазы иловых осадков без введения специальных флокулянтов и коагулянтов не происходит даже при использовании интенсивного центрифугирования. Но и после введения указанных реагентов отделение жидкой фазы (осветленной воды) невелико и составляет 15-17% от исходного веса.
Основную часть сухого вещества осадков составляют органические соединения. Элементный состав сухого вещества осадков колеблется в широких пределах: углерод - 44-75%; водород - 5-8%; сера - 1-3%; азот - 3-10%; кислород - 12-40%. Минеральная часть осадков представлена в основном соединениями кремния, кальция, магния и железа.
Поступление стоков различных предприятий на городские очистные сооружения приводит к тому, что в ОСВ скапливается целый ряд тяжелых металлов и микроэлементов.
Торф – ценнейший природный биологический материал. Из всех видов твердых видов топлива – это самое молодое отложение, образующееся естественным образом, путем разложения отмерших частей деревьев, кустарников, трав и мхов, в условиях повышенной влажности и ограниченного доступа кислорода. От почвенных образований торф принято отличать по содержанию в нём органических соединений – не менее 50% по отношению к абсолютно сухой массе.
Различают торфа нормальнозольные (с зольностью менее 12%) и высокозольные (с зольностью более 12%). В химическом отношении торф характеризуют следующие показатели элементарного состава на горючую массу: С (углерод)=56%; Н (водород)=6%; О (кислород)=35%; N (азот)= 1 — 3,5% и S (сера)=0,1 — 1,5%.
Общую физическую характеристику торфа можно представить как систему, состоящую обычно из трех фаз: твердой (остатки растений и минеральные примеси), жидкой (вода) и газообразной (воздух, пар). Отдельные частицы твердой фазы торфа (его скелета) по своей величине весьма разнообразны — от нескольких миллиметров до размеров мельчайших частиц. Физико-химические свойства торфа в сильной степени зависят от характера отдельных его фаз и количественных соотношений между ними.
Нефтешламы. При добыче, транспортировке и переработке нефти происходит образование и накопление нефтешламов. В наиболее упрощенном виде нефтешламы представляют собой многокомпонентные устойчивые агрегативные физико-химические системы, состоящие главным образом, из нефтепродуктов, воды и минеральных добавок (песок, глина, окислы металлов и т.д.). Главной причиной образования нефтешламов является физико-химическое взаимодействие нефтепродуктов в объеме конкретного нефтеприемного устройства с влагой, кислородом воздуха и механическими примесями. В результате таких процессов происходит частичное окисление исходных нефтепродуктов с образованием смолоподобных соединений. Попадание в объем нефтепродукта влаги и механических загрязнений приводит к образованию водно-масляных эмульсий и минеральных дисперсий. Соотношение нефтепродуктов, воды и механических примесей колеблется в очень широких пределах: углеводороды составляют 5-90%, вода 1-52%, твердые примеси 0,8-65%.
Продукция пиролизной переработки.
В результате термического разложения углеводородов, которые входят в состав перерабатываемого сырья, получаются такие первичные продукты, как пиролизный газ и углистое вещество (твердый остаток). При охлаждении газа выделяется углеводородный дистиллят — синтетическая нефть.
Получаемый газ состоит из монооксида углерода, водорода, диоксида углерода, углеводородных соединений более высокого порядка, таких как метан, этан и др., содержит различные смолы, частицы углистого вещества и золы. Температура процесса пиролиза составляет 700‑900 град. С. Твердый остаток представляет собой смесь порошкового полукокса и минеральных элементов. Процентное содержание углерода в твердом остатке зависит от зольности сырья и параметров процесса пиролиза.
Выход пиролизного газа может достигать 80% массы сухого сырья и зависит от вида сырья и температуры пиролизной переработки. Теплотворная способность очищенного газа, получаемого в пиролизном реакторе, составляет 6000 - 18000 ккал/кг.
Кроме вышеуказанных первичных продуктов, процесс пиролиза обеспечивает получение дополнительной тепловой энергии при прохождении внутренних экзотермических реакций в реакторе пиролизной установки.
Далее первичные продукты пиролиза преобразуются в различную энергетическую продукцию:
1. Топливный газ (заменитель природного газа) — для получения тепловой энергии при сжигании в печах.
2. Сжиженный углеводородный газ — для использования в двигателях внутреннего сгорания и для бытовых нужд.
3. Электрическая энергия — получаемый топливный газ позволяет вырабатывать электрическую энергию в газоэлектрогенераторных установках.
4. Тепловая энергия — получается при охлаждении первичных продуктов пиролиза, а также при использовании когенерационных установок.
5. Диметиловый эфир — высокоэкологичное топливо 21 века. Получается в результате применения технологии синтеза легких компонентов пиролизного газа: монооксида углерода, водорода и ряда углеводородных цепочек.
6. Бензин — на основе применения синтеза тяжелых углеводородных цепочек пиролизного газа.
7. Печное пылеугольное топливо — порошковый полукокс с высоким содержанием углерода, успешно применяется в печах с пылеугольными горелками.
8. Сорбенты и активированные угли — за счет применения технологии вывода зольного остатка из получаемого высокоуглеродистого материала и его дальнейшей активации.
9. Жидкое топливо — пиролизный дистиллят дает возможность получать различные товарные топливные продукты, такие как печное топливо, солярное масло, судовое топливо и т.д.