Промышленные газогенераторные мини-ТЭЦ на биомассе (древесных отходах)

Промышленные газогенераторные мини-ТЭЦ на биомассе (древесных отходах):

Технология, оборудование, опыт использования на примере Индии и перспективы применения в России

Бояров О.Д., к.т.н. Региональный менеджер Flex Technologies, Inc. (США), г. Москва

Шишкарев П.П., Руководитель направления мини-ТЭЦ ЗАО ?ЭСТ?, г. Москва

1. Введение

Реформирование РАО ?ЕЭС?, переложившее бремя модернизации энергетической отрасли во многом на плечи рядовых пользователей электроэнергии, повсеместно привело к непрерывному и значительному росту энерготарифов. Параллельный рост стоимости традиционных (ископаемых) видов топлива (угля, мазута, дизельного топлива), ужесточение контроля за утилизацией отходов, стремление перерабатывающих предприятий снизить свои издержки ? все эти факторы заметно увеличили в последние годы интерес к малым и средним автономным источникам электрической энергии. Дополнительный интерес вызывает тот факт, что в качестве топлива данные источники энергии чаще всего используют отходы биомассы, так называемые возобновляемые источники энергии (ВИЭ). Использование ВИЭ позволяет сокращать количество выбрасываемых в атмосферу парниковых газов, создает предпосылки для торговли квотами на выбросы СО₂ в рамках механизма реализации Киотского протокола.

Все это вызывает растущий интерес инвестиционных компаний, желающих финансировать строительство ?зеленых? энергетических объектов.

Предлагается комплексное оборудование для получения электрической и тепловой энергии посредством газогенераторных электростанций.

Тем не менее, несмотря на растущий интерес к такого рода оборудованию, на приобретение его решаются пока немногие. Потенциальных заказчиков одолевают сомнения и вопросы относительно специфики технологии газификации биомассы и применяемого оборудования.

Типовыми вопросами являются:

- Почему эта технология?

- Разве нельзя просто сжечь, получить пар и далее электроэнергию?

- Насколько надежно это оборудование?

- Используется ли это оборудование на практике, или это только опытные образцы?

- Что это даст нам в России?

В настоящей статье мы попытаемся ответить на эти вопросы.

2. Технология

Традиционной технологией получения электроэнергии является прямое сжигание древесных отходов в паровом котле и далее использование пара в паровой турбине. Недостатком традиционной технологии является высокая цена оборудования для малых электростанций мощностью менее 1 МВт, большие габариты, значительный расход топлива и другие. Конечно, существуют новые технологии, основанные на прямом сжигании, такие как Органический цикл Рэнкина (ORC), Энтропийный цикл, двигатели Стирлинга, но эти технологии еще более дорогие, а некоторые из них, по сути, находятся в стадии исследований и опытных разработок.

Единственной экономически выгодной альтернативой прямому сжиганию является технология газификации древесных отходов с использованием полученного генераторного газа в электрогенераторных установках с двигателями внутреннего сгорания (ДВС). Преимуществами газификации по сравнению с традиционной паровой технологией являются:

- Высокий электрический КПД - более 30%;

- Широкий диапазон мощностей ? от нескольких единиц до нескольких сотен кВт;

- Возможность выработки тепловой, электрической энергии  в режиме когенерации;

- Сравнительно невысокая стоимость, модульность оборудования;

- Прекрасные экологические характеристики: выхлопные газы двигателей содержат меньше выбросов, чем при работе на природном газе, побочные продукты представляют собой древесный уголь (используется как топливо) и древесную золу (используется как улучшитель почвы).

3. Оборудование

Промышленная газогенераторная мини-ТЭЦ представляет собой комплекс оборудования, полностью обеспечивающий реализацию вышеуказанной технологической схемы, а не просто газогенератор с двигателем на генераторном газе, как это обычно понимается в России.

На сегодняшний день базовое оборудование в основном импортного производства на диапазоне мощностей от 11 до 950 кВт и более.

Комплектация большей части вспомогательного оборудования (участок подготовки топлива, система оборотного водоснабжения, когенерационное оборудование) производится силами отечественных производителей.

При проектировании установленной мощности выше 1 МВт мини-ТЭЦ реализуется в виде нескольких параллельных блоков, синхронизированных между собой и, если необходимо, работающих параллельно с сетью.

Основной составляющей оборудования мини-ТЭЦ является газогенератор с очистительной установкой, предназначенный для получения силового генераторного газа энергетического применения. Индийская компания, которую в России представляет фирма Flex Technologies, Inc. и ЗАО ?ЭСТ?, является крупнейшим производителем малых и средних газогенераторов в мире. Основана в 1986 г. Число работающих 140 человек.

Основные технические характеристики газогенераторов показаны в Табл. 1.

Табл. 1

На 1 января 2008 года изготовлено и установлено более 900 газогенераторов. В последние 3 года производит более 100 газогенераторов в год производительностью от 10 до 4000 куб.м газа в час. Экспортирует примерно 20% газогенераторов в 15 стран мира, включая Россию, Белоруссию, США, Германию, Италию и т.д. На основе выпущенных газогенераторов, в частности, построены:

- Газогенераторные электростанции и мини-ТЭЦ на древесных отходах с газодизельными двигателями: 45 газодизельных электроагрегатов общей мощностью 6511 кВт;

- Газогенераторные электростанции и мини-ТЭЦ на древесных отходах с газопоршневыми двигателями: 21 газопоршневой электроагрегат общей мощностью 3530 кВт;

- Микро-газогенераторные электростанции на древесных отходах: 79 газопоршневых электроагрегата общей мощностью 652 кВт;

- Газогенераторные электростанции на сельскохозяйственных отходах с газодизельными двигателями: 36 газодизельных электроагрегатов общей мощностью 5285 кВт;

Электрогенераторные агрегаты, работающие на генераторном газе, предлагаются в широком диапазоне мощностей (от 11 до 1500 кВт), цен и происхождения. Установки на основе газодизельных (ГДЭА) и газопоршневых (ГПЭА) двигателей.

 Основные технические характеристики электрогенераторных агрегатов показаны в Табл. 2.

Тепло работающих двигателей используется в двух направлениях: для сушки топлива перед газификацией и/или для выдачи тепла потребителям. В последнем случае двигатели доукомплектовываются газоводяными теплообменниками для утилизации тепла выхлопных газов и/или пластинчатыми теплообменниками для утилизации тепла от системы охлаждения двигателей. Для выработки технологического пара устанавливаются котлы-утилизаторы выхлопных газов. В случае достаточного количества пара можно установить паровую турбину и тем самым мини-ТЭЦ будет работать по парогазовому циклу.

Вспомогательное оборудование включает оборудование для топливоподготовки и механизированной топливоподачи в газогенераторы, оборудование для охлаждения и очистки оборотной воды и, при получении достаточного количества древесного угля из газогенераторов, оборудования для его брикетирования. Выпуск всего вспомогательного оборудования по техническим требованиям фирмы Flex Technologies, Inc. полностью локализован в России.

4. Использование на примере Индии

Примеры некоторых действующих в Индии газогенераторных электростанций показаны на фотографиях.

Газогенераторная электростанция 500 кВт (5 х 100 кВт) введена в действие в июне 1997г на острове Госаба в шт. Зап.Бенгалия в 80км от Калькутты. С тех пор электростанция работает круглогодично по 16 часов в сутки.До этого электроэнергия на острове отсутствовала, но после запуска газогенераторной электростанции на острове началось бурное разви-тие туризма. Построено 10 отелей и несколько крупных супермаркетов, открыто отделение банка Индии, появился доступ в Интернет и т.д.

Газогенераторная электростанция мощностью 250 кВт введена в действие в 2005г в Медицинском исследовательском центре в Адичинчингири шт. Карнатака, имеющем в своем составе медицинский колледж. Электроэнергия от этой электростанции питает этот колледж.

Газогенераторная электростанция мощностью 1 МВт (4 х 250 кВт) введена в действие в августе 2002г в селе Кшетричера, шт. Трипура. Электро-станция снабжает электроэнергией близлежащие населенные пункты с населеним 20 тыс. человек, водопроводную станцию, госпиталь, станцию связи, механические мастерские и сельскохозяй-ственные фирмы. Владельцем и оператором электростанции является специальный коопера-тив, образованный этими населенными пунктами. Древесное топливо для работы электростанции поставляется со специальной плантации деревьев площадью 200га.

В целом, согласно данным Всемирного Банка Индия занимает 1-е место в мире по использованию газогенераторных электростанций для выработки электрической энергии, используя в качестве топлива древесные и сельскохозяйственные отходы. Такого результата Индия добилась благодаря целенаправленной государственной политике, которую с 1987 года осуществляет Министерство по нетрадиционным источникам энергии (МНИЭН) Индии. Исходя из общего количества древесных и сельскохозяйственных отходов в целом по Индии, МНИЭН оценивает общий потенциал газогенераторных электростанций не менее чем в 16000 МВт суммарной мощности.

Достигнутые результаты наглядно показаны на следующей диаграмме.

Перспективы применения в России

В России имеются огромные перспективы применения газогенераторных электростанций и мини-ТЭЦ на древесных отходах. В качестве примера можно рассмотреть проект, разработанный для поселка Нея Костромской области. Проблемы поселка Нея являются достаточно типичными для многих поселений и малых городов России, а именно:

- Большие затраты на приобретение угля для неэффективной (изношенной и устаревшей) котельной с КПД не превышающим 50%;

- Потери тепловой энергии до 70% на теплотрассе, связывающей котельную с удаленным жилым микрорайоном;

- Затраты на дизельное топливо для аварийной дизельной электростанции для электроснабжения муниципальных объектов 1 категории;

- Высокая эмиссия вредных выбросов в связи с использованием угля в котельной.

Предлагаемая газогенераторная мини-ТЭЦ позволяет:

1. Отказаться от дизельной электростанции;

2. Закрыть неэффективную угольную котельную;

3. Организовать отопление удаленного микрорайона с использованием электрических водогрейных котлов, получающих электроэнергию от мини-ТЭЦ;

4. Продавать избытки электроэнергии нуждающимся предприятиям;

5. Снабжать теплом от работающих двигателей объект социального назначения - баню, расположенных вблизи места строительства мини-ТЭЦ;

6. Улучшить экологическую обстановку в поселке Нея за счет сокращения выбросов от продуктов сгорания угля;

7. Полностью утилизировать древесные отходы, образующиеся на лесной делянке, которую администрация района сдаст в аренду местным предпринимателям;

8. Создать новые рабочие места и увеличить сбор налогов от предпринимателей.

Общая стоимость строительства мини-ТЭЦ была оценена в 400 тыс. долларов США. Исходя из стоимости и требуемых режимов работы мини-ТЭЦ, разработаны два варианта ТЭО с применением:

- двух газодизельных электроагрегатов по 240 кВт каждый;

- одного газопоршневого электроагрегата 240 кВт.

В таблице показаны результаты технико-экономических расчетов для двух вариантов мини-ТЭЦ.

Примечание:

1. Цены на оборудование и топливо приведены по данным на 1 января 2007 года.

2. Эксплуатационные затраты на содержание замещаемой угольной котельной и газогенераторной  мини-ТЭЦ соизмеримы, и потому в расчетах затрат не присутствуют.