Житомирський національний агроекологічний університет

Науково-інноваційний інститут механізації агропромислового виробництва та енергоефективності

 

Перспективи використання технологій швидкісного піролізу торфу для

отримання енергетичних ресурсів

 

ВСТУП

 

Стан української економіки, а особливо її фундаменту – енергетичної галузі – вимагає кардинально нових підходів і рішень. Різке обмеження поставок газу з Росії вимагає рішучих кроків до переорієнтації на інші, альтернативні види енергії.

Однією із складових енергетичної незалежності України може стати переробка торфу способом швидкісного піролізу (ШП).

Дана робота присвячена аналізу існуючих світових технологій, технологічних ліній і обладнанню для швидкісного піролізу торфу.

При проведенні аналізу основна увага приділялась можливостям використання вказаних технологій, технологічних ліній і обладнання в Україні.

 

1. Технологія швидкісного піролізу торфу 

Піроліз – це руйнування структури речовини, її деструкція за допомогою високої температури, з обмеженим доступом кисню. Іншими словами піроліз – це суха перегонка сировини з високим вмістом вуглецю, яка проходить при високих температурах з обмеженим доступом кисню.

Найбільш ефективним, в плані енергетичної складової, є швидкий піроліз (ШП).

Швидкий піроліз – це піроліз, при якому підвід теплової енергії до вхідної речовини проводиться з високою швидкістю  без доступу кисню або повітряної суміші з обмеженою (регульованою) кількістю кисню.

Якщо повільний піроліз умовно подібний до процесу доведення води до стану закипання, то ШП умовно подібний до процесу попадання каплі води в розпечене масло («вибухове  закипання»).

Відмінними рисами ШП є:

- можливість побудови безперервного замкнутого технологічного виробничого процесу;

- мінімальний вміст чадного газу, при практичній відсутності вуглекислого газу;

- відносна «чистота» вихідних продуктів піролізу через відсутність процесу виділення смолистих речовин;

- мінімальна енергоємність процесу порівняно з іншими видами піролізу. Процес супроводжується виділенням теплової енергії (екзотермічні реакції перевершують ендотермічні);

- керованість температурними режимами процесу з можливістю (за певних умов) побудови «керованого синтезу вуглеводнів» і т.д.

В той же час ШП вимагає ретельної підготовки вихідної сировини:

- подрібнення до якомога меншого еквівалентного діаметра частинок вхідної речовини;

- сушку вхідної речовини  до якомога меншої відносної вологості (ідеально до 0% - абсолютно сухої речовини).

Якщо нівелювати ці недоліки, то собівартість вихідних продуктів ШП стає значно нижчою традиційних, отриманих з вугілля, нафти і природного газу.

Впровадження технології  ШП торфу у виробництво дозволить отримати наступні продукти переробки:

  1. Синтетичну нафту, що подібна за своїм складом до природної нафти і призначена для подальшої переробки на установках органічного синтезу на моторні палива або для спалювання в системах ТЕЦ і котелень замість традиційного пального, отриманого із звичайної нафти.
  2. Тверда вуглецева речовина - матеріал з високим вмістом вуглецю, що за своїм складом подібний до порошкоподібного коксу (напівкоксу) і призначений для використання в металургійній, хімічній, харчовій та шинній галузях промисловості, в системах ЖКГ та енергетики (як висококалорійне паливо), в сільському господарстві для виробництва добрив, в т. ч. і екологічно чистих.
  3. Синтез-газ, що представляє собою очищену і осушену газову суміш (метан, пропан, бутан, водень і т.д. із слідами СО) - призначений для використання в енергетичних системах і для побутових потреб населенням.
  4. Теплова енергія (вивільняється в процесі швидкого піролізу) - призначена для використання в системах ЖКГ та АПК, а також з метою додаткової генерації електроенергії.

 

Попередній аналіз показав, що середня собівартість продуктів ШП торфу в масштабах України становитиме:

- Синтетичної нафти - до 25 S США за 1 т;

- Синтезованого газу - до 20 S США за 1000 куб. м;

- Коксу (напівкоксу) - до 30 S США за 1 т;

- Еквівалент теплової енергії - до 4 S США за 1 Гкал.

Причому, за своїми енергетичними характеристиками (середньою теплотою згоряння) вихідні продукти ШП торфу не поступаються традиційним енергетичним  ресурсам (нафті, природному газу і вугіллю), а в багатьох випадках їх перевершують.  

 

На основі технології ШП торфу різними компаніями світу розроблено сучасне обладнання, яке в залежності від режимів роботи може давати наступну продукцію:

- «Синтетична нафта» (середня теплота згоряння складає 30 МДж/кг). Залежно від встановленого температурного режиму кількість «синтетичної нафти» коливається від 15% до 70% від сухої вхідної речовини;

- Синтез-газ, до складу якого входять водень, метан, бутан, невелика кількість оксиду вуглецю, при фактично повній відсутності вуглекислого газу (середня теплота згоряння складає 35 МДж на куб.м). Залежно від встановленого робочого температурного режиму його кількість коливається в межах від 20% до 65% від сухої вхідної речовини;

- Твердий високовуглецевий матеріал – кокс (напівкокс) (середня теплота згоряння складає 40 МДж/кг), його кількість  може коливатися в межах 10-20% від сухої вхідної речовини;

- Теплова енергія, що виділяється під час піролізу торфу. Кількість виділеної теплової енергії залежить від характеристик вхідної речовини. Наприклад, при переробці низинного торфу вона складає 12 МДж/кг сухого торфу.

 

Таким чином, якщо звести всі отримані результати до еквівалентної теплової енергії (на прикладі низинного торфу, що має теплоту згоряння порядку 15 МДж/кг) і порівняти їх з корисною еквівалентної тепловою енергією продуктів переробки природної нафти, то отримаємо:

  1. У процесі переробки низинного торфу методом прямого спалювання в кількості 1 т еквівалентна теплова енергія складе 15 000 Мдж.
  2. У процесі переробки низинного торфу (відносною вологістю - 50%), методом ШП в режимі синтез-газу, в кількості 1т отримаємо:
    • - «Синтетичної нафти» - 100 кг або 3 000 Мдж екв. теплової енергії;
    • Синтез-газу – 450 кг або 19 000 Мдж екв. теплової енергії;
    • Кокс (напівкокс) – 50 кг або 2 000 Мдж екв. теплової енергії;
    • Теплова енергія - 7 000 Мдж екв. теплової енергії.

Разом сума екв. теплової енергії (для ШП торфу) складе - 31 000 Мдж.

  1. В процесі переробки 1т природної нафти отримаємо:
    • Бензинові фракції – 200 кг або 9 000 Мдж екв. теплової енергії;
    • Дизельні фракції – 200 кг або 8 500 Мдж екв. теплової енергії;
    • Масла і мазуту – 500 кг або 8 500 Мдж екв. теплової енергії.

Разом сума екв. теплової енергії переробки нафти становить - 26 000 Мдж.

Порівняння собівартості енергетичних ресурсів:

  • Вартість природного газу за 1 000 куб.м  становить – 3 600 гривень;
  • Вартість  нафти становить – 1 300 гривень/барель;
  • Собівартість 1т низинного торфу становить – 80-180 гривень ;
  • Вартість переробки 1т торфу по технології ШП не перевищуватиме 150 гривень.

Висновок: за потужністю генерації теплової енергії, а також економічними показниками (собівартістю виробництва 1 Гкал теплової енергії) технологія швидкісного піролізу торфу має переваги в порівнянні з використанням інших енергетичних ресурсів. Використання даної технології в сучасних умовах може суттєво підвищити рівень енергетичної незалежності держави.

  

2. Обгрунтування технологічної схеми швидкісного піролізу торфу

Виходячи  із  проведеного  аналізу  технологій  швидкісного  піролізу торфу пропонується  варіант  схеми  з  повторним  використанням тепла,  яке отримується (відбирається) при охолодженні піролізного реактора,  конденсатора  піролізних  газів  і пічних  газів.  Розроблена схема представлена на рисунку 1.

 

Рис.1. Технологічна схема установки швидкісного піролізу торфу

Відповідно до запропонованої схеми, на початковій стадії для розігріву реактора до заданої температури використовується газ-пропан в кількості до 20 кілограм. Піролізний реактор розігрівається, в залежності від режиму роботи, від 520 до 850 °С. Відпрацьовані гази з реактора подаються в теплообмінник, де проходить процес нагріву повітря, яке поступає в торф’яну сушарку. Температурний режим в сушарці підтримується в межах 120 °С ± 5°С. Вказана температура є оптимальною для сушіння вологого торфу, який висушується до вологості не більше 8% (оптимальна вологість до 2 %). Висушений торф із сушарки порційно подається в реактор, в якому протягом 1-6 секунд проходить швидкісний піроліз торфу. Отриманий в процесі піролізу газ  поступає в конденсатор. В процесі конденсації отримуємо синтетичну нафту і синтез-газ, які подаються в накопичувальні ємкості. В процесі піролізу, крім пірогазу, отримуємо порошкоподібну вуглецеву сировину (кокс, напівкокс), яка охолоджується нижче 40°С і подається в накопичувальну ємність. Отримане в процесі конденсації тепло і тепло з реактора подається на когенераційну установку для повторного використання, туди ж поступає і відпрацьоване тепло з сушарки для торфу.

Запропонована схема є найбільш економічно і енергетично ефективною.

Як показують попередні розрахунки, вартість такого виробництва (підприємства) потужністю по торфу 50 000 тон в рік  становитиме 20 – 25 мільйонів гривень. Термін реалізації проекту складає 10 – 16 місяців. Термін окупності проекту – 18 - 24 місяці з початку здачі об’єкта в експлуатацію.

 


З питань, пов’язаних з розробкою і впровадженням у виробництво проектів переробки торфу, в т. ч. і швидкісного піролізу, звертатися:

Житомирський національний агроекологічний університет

     д.е.н. Скидан Олег Васильович, тел. – 098 717 48 37

     к.т.н. Стельмах Володимир Миколайович, тел. – 096 405 91 10