Теплотехнология получения твёрдого композитного топлива из низкосортного органического сырья

Среди различных используемых источников энергии органическому топливу принадлежит главная роль (более 94 % в масштабах всего мира) [1]. Наиболее распространенным видом органического топлива в теплоэнергетике является твердое, как правило, каменный и бурый уголь, запасы которого на территории России разрабатываются всего в нескольких регионах. Стоимость угля при доставке в регионы, не имеющие собственных запасов, существенно возрастает за счет транспортных расходов. По экспертным оценкам [2-5], затраты на транспортировку увеличивают стоимость топлива более чем в 1,5 раза и достигают 70-80 % от его конечной цены.
Наиболее напряженная ситуация складывается в удаленных и труднодоступных районах, имеющих низкую плотность населения, малую освоенность территорий и слабые транспортные связи с административными центрами. Согласно приведенным данным [6, 7] в России насчитывается свыше 30 тыс. населенных пунктов, расположенных в районах подобного рода, в которых проживает более 10 % населения страны. Энергоснабжение этих поселений осуществляется децентрализованно, в основном котельными на твердом топливе и дизель- генераторными станциями [8], логистика доставки топлива для которых существенно осложнена удаленностью пунктов назначения от основных транспортных магистралей, большими расстояниями перевозок, их многозвенностью и сезонностью завоза. В некоторые районы доставка возможна только воздушным или речным способами. В результате затраты на топливо являются главной составляющей расходов теплоснабжения, а экономически обоснованные тарифы на электроэнергию в некоторых районах достигают 68 руб./кВт∙ч [9-11].
Более того, перегруженность железнодорожных путей и периодически возникающие на них аварии, как и взрывы и последующие долгосрочные восстановительные работы на угледобывающих шахтах, создают напряженную ситуацию и ставят под вопрос энергетическую безопасность не только удаленных и труднодоступных районов, но и целых регионов.
В начале 2000-х годов решение проблемы обеспечения регионов РФ энергоресурсами виделось в переводе котельного оборудования с твердого на более дешевый и экологически чистый вид топлива – природный газ. В результате перевода доля природного газа в энергетике РФ к 2008 году составила 53,1 % [12]. Однако, после того как государство изменило свою политику в отношении искусственного сдерживания низкого уровня цен на газ на внутреннем рынке, стоимость его кубического метра увеличилась в 3-4 раза и приблизилась к мировым показателям. Началась обратная тенденция – многие запроектированные на уголь и временно переведенные на газ ТЭЦ и ГРЭС возвратным образом были реконструированы для работы на более дешевом твердом топливе.
5
Стоит отметить, что в мировой практике в топливно-энергетическом балансе большинства
экономически развитых стран использование газа для производства электроэнергии и тепла составляет не более 20-25 % [5]. Среди этих стран наблюдается общая тенденция к переходу на использование в энергетике нетрадиционных возобновляемых энергетических ресурсов, что подтверждается процессом коренного пересмотра энергетических стратегий. Более чем в 73 странах мира уже приняты такие программы [13-16], по результатам выполнения которых доля использования возобновляемых источников энергии в энергетике стран Европейского союза в период 2010-2035 годов должна увеличиться как минимум в 2 раза: с 840 т у.т. в 2010 году до 1680 т у.т. в 2035 году [17, 18]. В некоторых странах ЕС для достижения этой цели разработан ряд мер, на государственном уровне обязывающих энергопроизводителей увеличивать долю использования возобновляемых ресурсов в качестве топлива. Несоблюдение этих мер карается огромными штрафами.
В связи со всем вышеперечисленным Правительство РФ разработало энергетическую стратегию России на период до 2030 года, согласно которой существенная роль отводится снижению доли газа в потреблении первичных топливно-энергетических ресурсов, развитию использования новых возобновляемых источников энергии и энергоносителей, вовлечение в топливно-энергетический баланс местных возобновляемых ресурсов – низкосортного сырья. В соответствии с «Основными направлениями государственной политики в сфере повышения энергетической эффективности электроэнергетики на основе использования возобновляемых источников энергии» целевым ориентиром является увеличение относительного объема производства и потребления электроэнергии с использованием возобновляемых источников, в результате чего к 2030 году плановый объем ввода новых генерирующих мощностей на базе возобновляемых источников должен составить почти 41 ГВт, а уровень выработки электроэнергии – не менее 80-100 млрд кВтч в год [12]. Для достижения поставленной цели государственная политика будет предусматривать:
«…рациональное применение мер государственной поддержки развития возобновляемой энергетики;
разработку комплекса мер по государственной поддержке промышленности и научных институтов для обеспечения отрасли возобновляемых источников энергии российским оборудованием, комплектующими и передовыми технологиями;
восстановление и поддержку развития производства местных источников топлива, создание тепловых электростанций и котельных, работающих на этих источниках (торф, отходы лесной и деревообрабатывающей промышленности), в том числе в труднодоступных и удаленных регионах;

6
повышение эффективности обогащения и переработки местных ресурсов на основе
совершенствования применяемых технологий и оборудования;
создание условий для выработки энергии на базе использования городских бытовых отходов; развитие малой энергетики в зоне децентрализованного энергоснабжения за счет повышения
эффективности использования местных энергоресурсов, развития электросетевого хозяйства, сокращения объемов потребления завозимых светлых нефтепродуктов…» [12].
Традиционные способы сжигания топлива в энергетических целях в применении к низкосортному сырью, такому как торф, бурый уголь, сапропель, биомасса, связаны с рядом определенных трудностей – существующее котельное оборудование не приспособлено к использованию высоковлажных и высокозольных топлив: осложняется работа пылеприготовительных устройств, топочно-горелочного комплекса, пароперегревательных, экономайзерных и воздухоподогревательных поверхностей нагрева, снижается надежность работы дымососов, золоуловителей, системы гидрозолоудаления и котлоагрегата в целом, а также увеличиваются затраты на ремонт [19-22]. К тому же низкая прочность и хрупкость торфа и некоторых видов биомассы приводят к высокой величине провала при слоевом сжигании. В результате энергетическое использование низкосортного сырья в настоящее время сопровождается высокими эксплуатационными затратами и в связи с чем встречается крайне редко.
При этом, оставаясь не задействованным, низкосортное сырьё создает потенциальную опасность возникновения природных пожаров: по данным 2010 года торфяные пожары нанесли экономике России ущерб на более чем 85 млрд рублей; в 2011 году было зарегистрировано 32 тысячи лесных пожаров на площади 2,3 млн га, пострадали 199 населенных пункта в 19 регионах [23].
Современный подход к энергетическому использованию низкосортного сырья [19-22, 24-26] предполагает его сжигание традиционными прямыми способами или с предварительной теплотехнологической переработкой. Методы прямого сжигания низкосортного сырья на данный момент достаточно хорошо изучены. Они основаны на использовании обычных паросиловых циклов для выработки тепловой или электрической энергии. Методы теплотехнологической переработки можно разделить на физические и термические [24]. Первые из них не затрагивают структуру основной горючей части топлива и включают такие процессы облагораживания, как обогащение путём удаления влаги или части минеральных примесей из сырья (подсушивание, десульфация и др.). Вторые предусматривают частичную или полную деструкцию органического сырья путем его нагрева в определенных условиях (газификация, пиролиз, каталитическая конверсия), в результате которых получаются различные виды энергетических продуктов (горючий газ, полукокс, композитное топливо).

7
К современным способам энергетического использования, позволяющим эффективно
перерабатывать низкосортное сырье, можно отнести сжигание в кипящем слое [27-30], применение низкотемпературных вихревых топок [31-33], конверсию [34-44] или каталитическое сжигание [45-48]. Однако перечисленные способы требуют, как минимум, значительных капиталовложений для замены или модернизации имеющегося на данный момент котельного оборудования, что приводит к длительным срокам окупаемости. Сложившаяся ситуация показывает, что необходимо продолжать искать пути переработки низкосортного топлива для эффективного энергетического использования.
На сегодняшний день наиболее перспективным направлением для объектов «малой» энергетики видится переработка низкосортного сырья в твердое композитное топливо (ТКТ), такое как брикеты, пеллеты, гранулы и т.п. Интерес к данному направлению вызван тем, что ТКТ благодаря улучшенным теплотехническим характеристик обеспечивает высокую эффективность и экономичность сжигания, при этом потребителю не нужно вкладывать средства в переоснащение котельной: топливо подходит для широкого диапазона топливосжигающего оборудования слоевого типа. Производство ТКТ в России было начато еще в начале ХХ века, однако во второй его половине развитие этого направления затормозилась в связи с бурным подъёмом в нефтяной и газовой отраслях. Начиная с конца 90-х годов и до настоящего времени, переработка сырья в ТКТ вновь вызывает интерес у зарубежной и российской общественности, что подтверждается выросшим количеством промышленных установок по его производству (технологические линии Ruf, Nestro, Pini&Kay, Жаско и др.), большим числом зарегистрированных патентов и опубликованных работ по данной тематике.
ТКТ находит применение в жилищно-коммунальном хозяйстве, на вспомогательных котельных промышленных предприятий и сельского хозяйства. Основным недостатком современного производства ТКТ из низкосортного сырья является использование на стадии формования энергоёмкого прессового оборудования, стоимость которого порой превосходит половину стоимости всей технологической линии. Это приводит к высокой себестоимости продукции и соответственно неконкурентоспособной на топливно-энергетическом рынке цене: стоимость производимого ТКТ на внутреннем рынке России, как правило, превышает стоимость привозного каменного угля. В результате производство ТКТ имеет ярко выраженную экспортную направленность.
Снижение усилий, необходимых при формовке ТКТ, например, посредством добавления связующего вещества, позволит заменить прессы менее энергоёмким и более дешевым оборудованием, тем самым снизив и себестоимость самого изготавливаемого топлива.

8
Решение проблемы вовлечения в топливно-энергетический баланс и повышение
экономической эффективности использования местных ресурсов низкосортного органического сырья на основе их теплотехнологичной переработки в ТКТ представляется актуальной задачей научных исследований.
Основная идея [49-57] заключается в теплотехнологичной переработке местного низкосортного сырья в облагороженные высококалорийные продукты путем применения низкотемпературного пиролиза, в последующем формовании на их основе ТКТ. Основные преимущества такой переработки состоят в следующем:
 исходнымматериаломявляетсядоступноеместноевозобновляемоенизкосортноесырье;
 осуществление процесса теплотехнологической переработки в условиях низких температур позволяет избежать крупных капиталовложений на организацию производства и снижает экологическое загрязнение окружающей среды;
 связующим веществом является продукт, получаемый при термической переработке исходного сырья, или относительно дешевое и доступное вещество;
 отсутствует энергоемкое и дорогостоящее прессовое оборудование.
Преимущества получаемой продукции (ТКТ) следующие:
 универсальность позволяет использовать ТКТ в широком диапазоне топливосжигающих
устройств слоевого типа;
 высокая теплота сгорания существенно снижает расход при сжигании;
 высокая прочность ТКТ позволяет сохранить его целостность во время загрузки и
выгрузки при транспортировке и подаче в топку котла, тем самым снижая величину провала через колосниковую решетку;
 экологичность;
 влагостойкость позволяет сэкономить средства при хранении и подготовке ТКТ к сжиганию.
Промышленная реализация данного принципа переработки требует исследования и оптимизации параметров теплотехнологических процессов и формования ТКТ.
Исходя из вышеизложенного, целью диссертационной работы является разработка научно- технических основ теплотехнологии малотоннажной переработки низкосортного органического сырья в ТКТ, основанной на низкотемпературном пиролизе и предназначенной для объектов малой распределённой энергетики.
Тема диссертации соответствует целям программ развития энергетической отрасли Томской области («Энергетическая стратегия Томской области на период до 2020 года») и государства в целом («Энергетическая стратегия России до 2030 года»), а также находится в сфере приоритетных направлений науки, технологий и техники РФ («Энергоэффективность,

9
энергосбережение, ядерная энергетика») и критических технологий РФ («Технологии
энергоэффективного производства и преобразования энергии на органическом топливе»). Диссертация включает в себя введение, пять глав, заключение, список использованных
источников и приложения.
В первой главе показано развитие исследований в области теплотехнологической
переработки низкосортного сырья. Приведены описание и характеристики некоторых видов низкосортного сырья. Описаны теоретические аспекты теплотехнологической переработки и формования твердого топлива. На основе проведенной систематизации и анализа сведений о состоянии вопроса поставлены задачи настоящего исследования.
Во второй главе приведены описание экспериментальной установки и методика проведения исследований. Описаны образцы исследуемого органического сырья, представлены их теплотехнические характеристики и элементный состав. Показана методика обработки экспериментальных данных и оценки погрешности измерения.
Третья глава посвящена балансовым соотношениям теплотехнологии переработки низкосортного сырья, полученным по результатам экспериментальных исследований. Приведены материальные балансы теплотехнологической переработки, характеристики полученных продуктов и оценка сопутствующей переработке теплоты разложения органической массы сырья.
В четвертой главе представлены результаты формования ТКТ, его прочностные и теплотехнические характеристики, соответствующие исследуемому диапазону теплотехнических параметров теплотехнологии. Исследована возможность придания влагостойкости изготавливаемому топливу.
В пятой главе приведены рекомендации к проектированию теплотехнологических линий, предложена структурная схема малотоннажного производства ТКТ и реализующая её компоновочная схема технологической линии. Сделана технико-экономическая оценка возможности организации производства ТКТ на примере Кандинского торфяного месторождения Томской области.
В приложениях к диссертации приведены оценка погрешности измерений, акты об использовании результатов и тепловой расчет технологической линии.
По теме диссертации опубликованы 20 научных работ, в том числе 5 статей в изданиях, входящих в Перечень рецензируемых научных изданий, рекомендованных ВАК при Министерстве образования и науки РФ для опубликования основных результатов диссертаций, 3 статьи, индексируемые Scopus, 3 статьи, индексируемые РИНЦ, 9 докладов в сборниках международных и всероссийских конференций; а также получено 2 патента РФ и зарегистрирована 1 заявка на изобретение.