Современные технологии получения жидкого топлива из биомассы быстрым пиролизом. Обзор. Часть 2
Рассмотрены характеристики пиротоплива, полученного из биомассы путем быстрого пиролиза, и различные способы его применения. Розглянуто характеристики піропалива, отриманого з біомаси шляхом швидкого піролізу, та різні способи його застосування. Characteristics of bio oil obtained by fast pyrolysis...
Збережено в:
| Опубліковано в: : | Промышленная теплотехника |
|---|---|
| Дата: | 2005 |
| Автори: | , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Російська |
| Опубліковано: |
Інститут технічної теплофізики НАН України
2005
|
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/61483 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Современные технологии получения жидкого топлива из биомассы быстрым пиролизом. Обзор. Часть 2 / Т.А. Железная, Г.Г. Гелетуха // Промышленная теплотехника. — 2005. — Т. 27, № 5. — С. 79-90. — Бібліогр.: 22 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859730538434134016 |
|---|---|
| author | Железная, Т.А. Гелетуха, Г.Г. |
| author_facet | Железная, Т.А. Гелетуха, Г.Г. |
| citation_txt | Современные технологии получения жидкого топлива из биомассы быстрым пиролизом. Обзор. Часть 2 / Т.А. Железная, Г.Г. Гелетуха // Промышленная теплотехника. — 2005. — Т. 27, № 5. — С. 79-90. — Бібліогр.: 22 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Промышленная теплотехника |
| description | Рассмотрены характеристики пиротоплива, полученного из биомассы путем быстрого пиролиза, и различные способы его применения.
Розглянуто характеристики піропалива, отриманого з біомаси шляхом швидкого піролізу, та різні способи його застосування.
Characteristics of bio oil obtained by fast pyrolysis are considered. The ways of pyrolysis oil application are analyzed. It is shown that often quality of pyrolysis oil is not enough for direct application as fuel.
|
| first_indexed | 2025-12-01T12:44:59Z |
| format | Article |
| fulltext |
Настоящая статья является второй частью ста;
тьи [1], в которой были рассмотрены состояние и
перспективы развития технологий быстрого пи;
ролиза, а также характеристики различных тех;
нологий быстрого пиролиза биомассы. Здесь бу;
дут проанализированы вопросы применения
пиротоплива (пиролизных масел) и капитальные
затраты пиролизных установок.
На сегодняшний день имеется опыт использо;
вания пиротоплива в котлах, дизельных и газо;
турбинных двигателях. Начаты исследования по
сжиганию пиролизных масел в двигателе Стир;
линга. Области применения пиротоплива различ;
ны в разных странах. Например, в Швеции и
Финляндии перспективным считается использо;
вание пиротоплива как заменителя котельного
топлива, а в Дании, Италии, Финляндии и Вели;
кобритании – совместное производство теплоты
и электроэнергии на дизельных электростанциях.
Характеристики пиротоплива
Жидкие продукты пиролиза представляет со;
бой высокоокисленные углеводороды со значи;
тельным содержанием воды, как исходной, так и
образовавшейся в результате реакции. Может
ISSN 0204�3602. Пром. теплотехника, 2005, т. 27, № 5 79
НЕТРАДИЦИОННАЯ ЭНЕРГЕТИКА
Розглянуто характеристики піропа)
лива, отриманого з біомаси шляхом
швидкого піролізу, та різні способи його
застосування. Показано, що часто якість
піропалива є недостатньою для його
безпосереднього використання як пали)
ва. Застосовують різні технології підви)
щення якості, направлені на зменшення
корозійних властивостей та в'язкості
піролізної рідини. На даний час
найбільших успіхів досягнуто у спалю)
ванні піропалива у котлах. Є позитивний
досвід по його використанню в газових
турбінах та дизельних двигунах. Розпо)
чато дослідження щодо застосування
піропалива у двигуні Стірлінга. Про)
аналізовано капітальні затрати, що не)
обхідні для спорудження піролізних ус)
тановок.
Рассмотрены характеристики пиро)
топлива, полученного из биомассы путем
быстрого пиролиза, и различные спосо)
бы его применения. Показано, что часто
качество пиротоплива является недоста)
точным для непосредственного исполь)
зования в качестве топлива. Применяют)
ся различные технологии повышения
качества, направленные на уменьшение
коррозионных свойств и снижение вязко)
сти пиролизной жидкости. К настоящему
времени наибольшие успехи достигнуты
в сжигании пиротоплива в котлах. Имеет)
ся положительный опыт по его использо)
ванию в газовых турбинах и дизельных
двигателях. Начаты исследования по
применению пиротоплива в двигателе
Стирлинга. Проанализированы капиталь)
ные затраты, необходимые для создания
пиролизных установок.
Characteristics of bio oil obtained by
fast pyrolysis are considered. The ways of
pyrolysis oil application are analyzed. It is
shown that often quality of pyrolysis oil is
not enough for direct application as fuel.
Different upgrading technologies are used.
They are aimed to decrease corrosion
activity and viscosity of pyrolysis liquid.
Presently the most success is achieved in
combustion of bio oil in boilers. There also
exists some positive experience on appli)
cation of pyrolysis oil in gas turbines and
diesel engines. Investigation of the use of
pyrolysis oil in Stirling engine was started.
Capital costs of pyrolysis installations are
analyzed.
УДК 662.76
ЖЕЛЕЗНАЯ Т.А., ГЕЛЕТУХА Г.Г.
Институт технической теплофизики НАН Украины
СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ ЖИДКОГО
ТОПЛИВА ИЗ БИОМАССЫ БЫСТРЫМ ПИРОЛИЗОМ
Обзор. Часть 2.
КПД – коэффициент полезного действия
Qн
р – низшая теплота сгорания
Индексы
т – тепловой
э – электрический
присутствовать также твердое углистое вещество.
Пиротопливо имеет гораздо более высокую энер;
гетическую плотность по сравнению с исходным
сырьем, которая сравнима с энергетической плот;
ностью, например, дизельного топлива. Однако
его элементарный состав и вязкость существенно
отличаются от традиционных жидких топлив, а
теплота сгорания практически вдвое ниже (табл. 1,
2). Наличие большого количества воды затрудняет
воспламенение пиротоплива. Кислоты могут вы;
звать коррозию материалов энергогенерирующего
оборудования. При использовании пиротоплива
необходимо уделять особое внимание таким эле;
ментам оборудования, как емкости для хранения,
насосы, вентили, форсунки и т.п. Они должны
быть изготовлены из специальных коррозионно;
стойких материалов, например, полипропилена.
Ухудшение качества пиротоплива может про;
изойти при температурах свыше 100 оС, которые
неблагоприятным образом влияют на его физи;
ческие свойства (увеличение вязкости, сепара;
ция фаз, отложение битумоподобного осадка
вследствие полимеризации). Для снижения вяз;
кости пиротоплива в целях перекачки и распыле;
ния применяют предварительный нагрев, добавле;
ние воды, метанола или этанола. Соприкосновение
с воздухом также вызывает ухудшение качества
пиротоплива, но с меньшей скоростью, чем при
росте температуры. Пиротопливо можно хранить
в закрытой емкости с минимальным отверстием
для избежания избыточного роста давления. По
имеющимся данным, пиротопливо может таким
образом храниться в хорошем состоянии до двух
и более лет [2, 3].
80 ISSN 0204�3602. Пром. теплотехника, 2005, т. 27, № 5
НЕТРАДИЦИОННАЯ ЭНЕРГЕТИКА
Та б л . 1 . Сравнение энергетических характеристик различных топлив [9]
Та б л . 2 . Сравнение характеристик пиротоплива и традиционных жидких топлив [12]
Повышение качества пиротоплива
До настоящего времени не существует утверж;
денных национальных или международных стан;
дартов на качество пиротоплива, полученного из
биомассы. Одной из причин является отсутствие
достаточного количества пиролизных масел,
произведенных по различным технологиям быс;
трого пиролиза, для их сравнения и проведения
долговременных экспериментов по использова;
нию в качестве топлива. Тем не менее, ряд орга;
низаций, таких как Orenda Aerospace Corporation
(Канада), VTT, Fortum Oil&Gas Oy (бывшая Neste
Oy) (Финляндия) активно работают в этом на;
правлении и определяют, какими характеристи;
ками должно обладать пиротопливо для приме;
нения в котлах, дизельных двигателях, газовых
турбинах.
Для оценки возможности использования пи;
ролизных масел в качестве топлива наиболее
важными являются следующие показатели: теп;
лота сгорания, содержание твердых частиц, со;
держание воды, вязкость, стабильность, гомо;
генность, температура воспламенения. Качество
пиротоплива, полученного быстрым пиролизом
из биомассы, может быть недостаточным для его
использования в коммерческих целях (в первую
очередь, в двигателях). Поэтому применяются
различные технологии повышения качества, ко;
торые можно разделить на физические и химиче;
ские. Физические методы заключаются в фильт;
рации жидкости/паров для удаления углистого
вещества, формировании эмульсий с углеводоро;
дами и добавлении растворителей. К химичес;
ким методам относят реакцию со спиртами, ка;
талитическое дезоксигенирование (удаление
кислорода), гидрогенизацию и каталитический
(цеолитовый) крекинг в паровой фазе [4].
Фильтрация паров перед конденсацией явля;
ется более эффективным методом удаления час;
тиц углистого вещества по сравнению с фильтра;
цией жидкости. Горячая фильтрация паров
выполняется с использованием спеченного ме;
талла, пористой керамики и гибких элементов из
керамических волокон. Эти фильтры работают
при температуре 400…420 оС, то есть в диапазоне
температур, который является оптимальным для
избежания конденсации паров и минимизации
потери жидкого продукта вследствие термичес;
кого крекинга. При использовании горячей филь;
трации выход жидкого продукта составляет
50…55%, то есть на 10% меньше, чем при исполь;
зовании на той же установке циклонов. Однако со;
держание золы в пиротопливе после горячей филь;
трации – менее 0,01%, а щелочных металлов –
менее 10 млн–1, что существенно лучше показа;
телей пиротоплива без фильтрации. Чем ниже
содержание твердых частиц, тем ниже вязкость
пиролизной жидкости и тем меньше она густеет
при хранении [5].
Полярные растворители (метанол, фурфураль и
др.) применяются для гомогенизации пиролизных
масел и снижения вязкости. Вязкость пиротопли;
ва, содержащего 10% метанола, растет в 20 раз
медленнее, чем без добавления метанола. Влия;
ние растворителей на вязкость реализуется тремя
механизмами: 1 – физическое растворение без
воздействия на скорость химических реакций, 2 –
снижение скорости реакций посредством моле;
кулярного растворения или изменения микрост;
руктуры пиротоплива, 3 – химические реакции
между растворителем и компонентами пиротоп;
лива. Использование растворителей является од;
ним из самых простых и практичных методов
улучшения качества пиротоплива [5].
Основной характеристикой, ухудшающей ка;
чество пиротоплива, является высокое содержа;
ние кислорода – 25...40% (в мазуте – до 1%). Уда;
ление кислорода из жидких продуктов пиролиза
основывается либо на традиционной гидрогени;
зации, либо на развивающейся цеолитовой тех;
нологии [2]. Гидрогенизация – это присоедине;
ние водорода к химическим элементам или к
соединениям обычно под влиянием катализато;
ров (рис. 1). Содержание кислорода в пиротоп;
ливе может быть уменьшено в значительной сте;
пени или полностью обработкой под высоким
давлением в среде Н2, как это делается при пере;
работке нефтепродуктов. Кислород удаляется в
виде воды. Гидрогенизацию проводят в паровой
или жидкой фазе, пропуская пары гидрируемого
вещества вместе с водородом над катализатором
или пропуская водород в гидрируемую жидкость,
смешанную с катализатором. Обработка пиро;
топлива позволяет снизить содержание кислоро;
да до 2.2;3.0% с применением в качестве катали;
ISSN 0204�3602. Пром. теплотехника, 2005, т. 27, № 5 81
НЕТРАДИЦИОННАЯ ЭНЕРГЕТИКА
затора тетралина и до 4,7% – без катализатора.
Выход качественного топлива достигает 24%
массы исходной сухой биомассы [6].
Цеолитовая технология, основанная на при;
менении синтетического цеолита, широко рас;
пространена в спиртовом производстве. Цеоли;
ты – это водные алюмосиликаты натрия и
кальция. Для повышения качества пиротоплива
используется цеолитовый крекинг пиролизных
паров, в котором цеолит выступает в качестве ка;
тализатора. В этом случае кислород из пиротоп;
лива удаляется в виде CO, CO2 и H2O. Цеолито;
вый крекинг рекомендуется проводить
непосредственно при формировании паров пи;
ролиза, то есть добавлять катализатор в пиролиз;
ный реактор. Это связано с тем, что, во;первых,
сконденсированное пиротопливо в дальнейшем
трудно перевести в паровую фазу и, во;вторых,
при термическом воздействии пиротопливо мо;
жет разложиться на другие химические соедине;
ния. По сравнению с гидрогенизацией, требую;
щей расхода водорода, цеолитовая технология
является более дешевой [7].
Качество пиротоплива с точки зрения сниже;
ния его кислотности может быть улучшено путем
приготовления бинарных био;эмульсий. Эмуль;
сии производятся из пиролизной жидкости и
традиционного дизельного топлива. Одна из тех;
нологий предложена компанией CSGI (Италия)
и состоит из двух стадий. На первой стадии из не;
обработанной пиролизной жидкости путем
фильтрации удаляются продукты, склонные к
полимеризации, и высокомолекулярные соеди;
нения. Процесс проходит в вакууме в присутст;
вии неорганических и органических адсорбен;
тов. Жидкость освобождается от соединений, от;
ветственных за ее спонтанную полимеризацию (в
основном, муравьиной кислоты и связанных с ней
промежуточных продуктов). Таким образом суще;
ственно снижается коррозионная активность пи;
ротоплива, вызванная высокой кислотностью. На
второй стадии непосредственно формируют
эмульсию из пиротоплива и традиционного ди;
зельного топлива. Био;эмульсия по сравнению с
необработанной пиролизной жидкостью имеет
меньшую вязкость, меньшее поверхностное на;
тяжение, меньшую коррозионную активность, а
также более высокую теплоту сгорания и цетано;
вое число. Положительной чертой описанной
технологии является сравнительная дешевизна и
возможность интегрирования в пиролизную ус;
тановку.
Вопросом создания эмульсий из RTР;пиро;
топлива и дизельного топлива и изучением обла;
сти их применения занимается также Ensyn
Group Inc (Канада). Исследования, выполнен;
ные этой компанией в сотрудничестве с Petro;
Canada (Канада), VTT Energy, Neste Oy (Финлян;
дия) и Ormrod Diesel (Великобритания),
показали, что эмульсии из пиротоплива и ди;
зельного топлива могут применяться в котлах и
дизельных двигателях. В CANMET Energy
Technology Centre (Канада) разработана техноло;
гия создания стабильных микроэмульсий, состо;
ящих на 5…30% из пиролизных масел и дизель;
ного топлива. По сравнению с обычным
82 ISSN 0204�3602. Пром. теплотехника, 2005, т. 27, № 5
НЕТРАДИЦИОННАЯ ЭНЕРГЕТИКА
Рис. 1 Типичная реакция гидрогенизации кислородсодержащего соединения пиротоплива
пиротопливом эти эмульсии являются менее
коррозионноактивными и лучше воспламеняют;
ся, однако технология их производства требует
больших затрат энергии. В эмульсиях, разрабо;
танных в университете Florence, концентрация
пиротоплива в дизтопливе составляет от 10 до
90% [8].
Ни одна из технологий повышения качества
пиротоплива не является пока коммерчески при;
годной, не получены надежные данные по балан;
су массы в рассматриваемых процессах и по экс;
плуатации установок, основанных на описанных
технологиях [2, 9]. Однако активность, с которой
ведутся работы в этой области, и полученные на
сегодня результаты свидетельствует о том, что это
вопрос времени, и технологии улучшения каче;
ства достигнут коммерческого уровня.
Использование пиротоплива в котлах
Вопросом применения пиротоплива в котлах
занимается ряд организаций в Европе, США и
Канаде. Несмотря на ряд очевидных трудностей
по сравнению со сжиганием традиционного топ;
лива (низкая теплота сгорания, большое содер;
жание воды, кислотность), использование пиро;
топлива как заменителя легкого котельного
топлива считается одним из наиболее перспек;
тивных способов его утилизации. Во многом это
связано с высокой стоимостью нефтепродуктов и
постоянной тенденцией к ее увеличению. Работы
в этой области ведутся в двух направлениях. С
одной стороны, системы сжигания адаптируются
к пиролизным маслам (установка специальных
горелок на существующих котлах), что позволяет
избежать дорогостоящей процедуры повышения
качества топлива. С другой стороны, совершен;
ствуют саму технологию быстрого пиролиза с це;
лью получения более качественного жидкого
продукта.
Финская компания Fortum Oy, работая над во;
просом использования пиротоплива как замени;
теля котельного топлива для котлов мощностью
0,1…10 МВт, выполнила модификацию сущест;
вующей системы сжигания топлива. Проведены
испытания по сжиганию пиротоплива, получен;
ного из древесной биомассы, в котле Danstoker
мощностью 2,5 МВт. Котел имел горелку, пред;
назначенную для сжигания, как мазута, так и пи;
ролизных масел. Тесты проводились на чистом
пиротопливе и на смесях пиротоплива с топоч;
ным мазутом в различных пропорциях. Котел
продемонстрировал удовлетворительную работу
на смесях топлива, и было установлено, что для
достижения устойчивого горения при использо;
вании только пиролизных масел, необходимы
незначительные модификации [8, 10, 11].
В 2003;2005 гг. ряд организаций под руковод;
ством VTT (Финляндия) в рамках проекта COM;
BIO, финансируемого Европейской Комиссией,
выполнили широкомасштабное исследование по
сжиганию пиротоплива в котлах мощностью
0,05…10 МВт. Пиротопливо производилось на
пилотной установке производительностью 500 кг
древесины/ч, работающей по технологии
ForesteraTM. Типичные характеристики получен;
ного жидкого продукта представлены в табл. 3.
Критериями качества считалось содержание
твердых частиц на уровне <0,05% масс. и воды –
23…25% масс. Для улучшения качества пиротоп;
лива использовалось приготовление эмульсий
(10% пиролизной жидкости + 90% легкого ко;
тельного топлива) и горячая фильтрация в паро;
вой фазе. Тесты по сжиганию пиротоплива про;
водились на котле компании Fortum Oy
мощностью до 1 МВт и на тепловой станции
Arsta с котлом 9 МВт (Стокгольм). На бытовом
котле 50 кВт, спроектированном и построенном
компанией CSGI (Италия), исследовалось сжи;
гание пиротоплива и эмульсий [12].
Котел Fortum имеет горелку специальной кон;
струкции, разработанной Oilon Oy (Финляндия).
Поскольку пиролизная жидкость содержит боль;
шое количество воды, ее теплотворная способ;
ность по сравнению с нефтепродуктами значи;
тельно ниже, и дутьевого воздуха при горении
требуется примерно в 2 раза меньше. Это было
учтено Oilon Oy при модификации головки го;
релки котла Fortum. Существенных технических
проблем при сжигании пиротоплива не возник;
ло, результаты экспериментов оказались вполне
удовлетворительными. Эмиссия загрязняющих
веществ (кроме пыли) была достаточно низкой,
практически как при сжигании легких нефтепро;
дуктов. Содержание СО в продуктах сгорания со;
ставляло 30 ppm (млн–1), О2 – 4,5%. Установлено,
ISSN 0204�3602. Пром. теплотехника, 2005, т. 27, № 5 83
НЕТРАДИЦИОННАЯ ЭНЕРГЕТИКА
что содержание твердых частиц обязательно
должно быть ниже 0.05% масс., в противном слу;
чае происходит эрозия элементов оборудования
и требуется замена форсунок через каждые 1000 л
использованного пиротоплива.
Котел тепловой станции Arsta также оборудо;
ван горелкой, которая спроектирована под сжи;
гание пиролизных масел и представляет собой
вращающийся конус (5000 об/мин), что приводит
к распылению подаваемого топлива. Это особен;
но важно при совместном сжигании различных
топлив, поскольку способствует их хорошему пе;
ремешиванию. Для запуска котла на пиротопли;
ве потребовалось применение подсветки. В дан;
ном случае были использованы жирные кислоты,
однако наряду с ними может применяться смоля;
ное масло или тяжелое дизельное топливо. Котел
запускался полностью на подсветке, затем начи;
нала подаваться смесь жирных кислот и пиро;
топлива с постепенным увеличением доли по;
следнего. Подсветка также применялась, если
процесс горения становился нестабильным. Ре;
зультаты измерения состава дымовых газов пред;
ставлены в табл. 4.
Результаты экспериментов, выполненных на
котле CSGI 50 кВт показали, что для избежания
коррозии при перекачке пиротоплива требуется
насос из нержавеющей стали. Поскольку такой
вариант является очень дорогостоящим, была
разработана специальная технология “Niploy
process” для нанесения никелевого покрытия тол;
щиной 50 микрон на элементы обычного насоса.
Такое покрытие делает поверхность стойкой к кор;
розии, истиранию, тепловому удару (от +200 оС до
–192 оС) и снижает коэффициент трения.
Крупномасштабные испытания по совместно;
му сжиганию пиротоплива и угля были проведе;
ны на тепловой электростанции Manitowac
(Wisconsin, США). Пиротопливо, полученное по
RTP;технологии быстрого пиролиза, использо;
валось для коммерческого производства электро;
энергии. За месяц было наработано 370 часов
совместного сжигания топлив и обеспечено 5%
подвода теплоты для котла 20 МВтэ. Не было за;
фиксировано никакого негативного влияния на
работу котла по сравнению с его функциониро;
ванием в обычном режиме (на угле) [8].
Изучением и совершенствованием технологий
повышения качества пиротоплива и его сжига;
нием в котлах занимаются также компании
ENEL Produzione (Италия), CANMET (Канада),
MIT (США) и другие.
В настоящее время единственной коммерчес;
кой установкой, регулярно использующей пиро;
84 ISSN 0204�3602. Пром. теплотехника, 2005, т. 27, № 5
НЕТРАДИЦИОННАЯ ЭНЕРГЕТИКА
Та б л . 3 . Характеристики пиротоплива, полученного по технологии ForesteraTM [12]
топливо для выработки тепловой энергии, явля;
ется котел компании Red Arrow Products
(Wisconsin, США). Котел мощностью 5 МВт с ви;
хревой горелкой расположен на пиролизной
станции, работающей по RTP;технологии быст;
рого пиролиза. Он использует в качестве топлива
не только нерастворимую в воде фракцию пиро;
лизных масел (пиролитический лигнин), но и уг;
листое вещество и пиролизный газ. Пиротопливо
подается в зону горения через форсунку из не;
ржавеющей стали и распыляется для перемеши;
вания с воздухом; углистое вещество и пиролиз;
ный газ подаются по другим топливным
системам. Пиролизная станция и котел успешно
работают уже более десяти лет (с 1993 г.). Выпол;
ненные в 1994 г. замеры по эмиссии из котла по;
казали, что эмиссия СО составляет 17%, NOx –
1,2%, формальдегида – 0,2% от допустимого
уровня [8].
Использование пиротоплива
в дизельных двигателях
Утилизация пиротоплива в дизельных двига;
телях с целью выработки электроэнергии являет;
ся достаточно перспективным направлением, но
еще далеким от широкого коммерческого приме;
нения. Для возможности использования в двига;
теле к качеству пиротоплива предъявляются бо;
лее жесткие требования, чем для сжигания в кот;
ле. Основные проблемы связаны с высоким со;
держанием золы в пиротопливе, высокой
вязкостью и низким рН. Наиболее активно про;
блемой использования пиротоплива в дизельных
двигателях занимаются Ormrod Diesel (Велико;
британия) и Wartsila Diesel Oy (Финляндия)
(табл. 5) [13].
Еще первые испытания по сжиганию пиро;
топлива в одном цилиндре двигателя V32, выпол;
ненные Wartsila Diesel Oy в 1993 г. показали, что
КПД работы двигателя составляет 44,9% (по
Qн
р), а эмиссия NOx и CO ниже, чем при работе
на традиционном топливе, хотя общая эмиссия
углеводородов немного выше. Wartsila Diesel Oy
создала дизельную электростанцию мощностью
1,5 МВтэ для работы на пиротопливе, испытания
и доработка которой проходили в VTT. Результа;
ты позволили сделать вывод, что при наращива;
нии мощности двигателя не предвидится сущест;
венных проблем, вплоть до 15 МВтэ. [11, 14].
Дополнительная информация по указанным ис;
следованиям приведена в [15].
По результатам проведенных испытаний
Wartsila разработала требования к качеству пиро;
лизных масел, которым они должны удовлетво;
рять для использования в дизельном двигателе.
Аналогичные требования применительно к кот;
лам установила компания Stockholm Energi AB
(Швеция) – потенциальный потребитель пиро;
топлива для сжигания в котлах (табл. 6) [5, 16].
Компания Ormrod Diesel выполнила успешные
тестовые испытания по сжиганию пиротоплива в
модифицированном двухтактном дизельном двига;
теле мощностью 250 кВтэ. Три цилиндра из шести
были адаптированы под сжигание пиролизных ма;
сел с использованием до 5% дизтоплива в качестве
пилотного (подсветки) для инициации процесса
горения (три других цилиндра на период экспери;
ментов были закрыты). В двигателе использовалось
пиротопливо без какой;либо предварительной об;
работки, всего было наработано более 400 часов.
Замеры эмиссии показали, что кроме выбросов СО
все остальные показатели ниже таковых при работе
двигателя на дизтопливе [8, 17].
Исследования, проведенные VTT Energy
(Финляндия) на двигателях мощностью 4,8 кВт и
ISSN 0204�3602. Пром. теплотехника, 2005, т. 27, № 5 85
НЕТРАДИЦИОННАЯ ЭНЕРГЕТИКА
Та б л . 4 . Состав дымовых газов при сжига;
нии пиротоплива в котле тепловой станции Arsta
(Стокгольм)
84 кВт показали, что они могут эффективно ра;
ботать на пиролизных маслах, но для зажигания
необходимо обязательно применять пилотное
топливо. При этом эмиссия СО, NOx и углеводо;
родов находится примерно на том же уровне, что
и при работе на обычном дизтопливе. Другими
организациями, которые имеют опыт использо;
вания пиротоплива в дизельных двигателях, яв;
ляются CNR Institut Motori (Италия), университет
Kansas (США), MIT (США), BTG (Нидерланды).
Применение эмульсий с дизельным топливом в
небольших двигателях изучают Pasquali Macchine
Agricole (Италия) и университет Kassel (Герма;
ния). Обобщение опыта этих организаций, на;
копленного к настоящему времени, показывает,
что устойчивая и длительная работа дизельного
двигателя на пиролизных маслах возможна толь;
ко при условии выполнения довольно сущест;
венных модификаций элементов двигателя и
применения коррозионностойких материалов. В
случае использования эмульсий с дизельным
топливом значительных модификаций не требу;
ется, однако должны быть предприняты опреде;
ленные меры против коррозии поверхностей
двигателя [8, 13].
Использование пиротоплива
в газотурбинных двигателях
Первые эксперименты по использованию пи;
ролизной жидкости в газовых турбинах были вы;
полнены Teledyne CAE (США) в начале 1980;х
годов. Пиротопливо, полученное медленным пи;
ролизом из лесных и сельскохозяйственных от;
ходов, сжигалось на экспериментальном стенде с
газовой турбиной J69;T;29. Используемое жид;
кое топливо по своим свойствам было близко к
пиротопливу, получаемому быстрым пиролизом,
но имело большее содержание углерода и более
высокую вязкость. Результаты экспериментов
показали, что эмиссия СО выше, чем при сжига;
нии традиционных легких топлив, а эмиссия СН
86 ISSN 0204�3602. Пром. теплотехника, 2005, т. 27, № 5
НЕТРАДИЦИОННАЯ ЭНЕРГЕТИКА
Та б л . 5 . Организации, занимающиеся испытанием двигателей на пиротопливе
Та б л . 6 . Требования к качеству пиротоплива [5]
и NOx на том же уровне. Проблемой было зашла;
ковывание выхлопной секции двигателя золой,
содержащейся в пиротопливе [8].
Orenda Aerospace Corporation (Канада) в 1995 г.
начала широкомасштабные работы по утилиза;
ции пиротоплива в газовых турбинах с целью вы;
работки электроэнергии и является в настоящее
время наиболее активной компанией в этой об;
ласти. Orenda в сотрудничестве с Ensyn Group
Inc. и НПО Машпроект (Украина) модернизиро;
вала газотурбинный двигатель ГТ 2500 (мощ;
ность на валу 2,85 МВтэ) для работы на пиротоп;
ливе, и представляет его для использования в
промышленных масштабах. Основные модифи;
кации коснулись топливной форсунки – она бы;
ла приспособлена к работе на вязком топливе с
низкой теплотой сгорания. Для предотвращения
повреждения элементов высокотемпературной
секции были применены защитные покрытия.
Кроме того, была создана топливная система для
двух видов топлива, с тем, чтобы двигатель мог
стартовать на дизельном топливе и затем перейти
на пиролизные масла. Пиротопливо для двигате;
ля производится по RTP;технологии компании
Ensyn. Перед подачей в камеру сгорания газотур;
бинного двигателя пиротопливо проходит через
систему подготовки и предварительного подо;
грева. Горение пиротоплива происходит в двух
выносных камерах сгорания цилиндрического
типа, имеющих воспламенители. В состав двига;
теля входит также компрессор, состоящий из де;
вяти осевых ступеней и одной центробежной
(степень сжатия 12:1) и трехступенчатая осевая
турбина. Частота вращения ротора – 14 тыс.
об/мин. На валу двигателя установлен планетар;
ный редуктор, соединенный с электрогенерато;
ром. Расход топлива составляет 15 кг/с, КПД –
28,5%. Газотурбинный двигатель соответствует
стандарту качества ISO 2314 [13].
В 2003 г. Orenda Aerospace Corporation провела
длительные тесты по сжиганию в турбине трех
видов пиротоплива от различных крупных про;
изводителей. Было использовано более 13 тыс. л
в газотурбинном двигателе и 8 тыс. л на испыта;
тельном стенде. Результаты экспериментов про;
демонстрировали техническую возможность ис;
пользования пиролизных масел в качестве
топлива для газовых турбин. Было установлено,
что эмиссия NOx составляет около половины от
уровня эмиссии при сжигании дизельного топ;
лива, а выбросы SO2 практически отсутствуют.
Эмиссия СО и твердых частиц чуть выше по
сравнению с дизельным топливом. Были разра;
ботаны требования к качеству пиротоплива, со;
гласно которым определяется его пригодность
для применения в турбине.
В университете Rostock (Германия) выполне;
ны испытания по сжиганию пиротоплива в не;
большой коммерческой газовой турбине T216
номинальной мощностью 75 кВтэ. Камера сгора;
ния турбины была модифицирована и оборудо;
вана двумя отдельными топливными системами
для возможности работы на пиротопливе и дизтоп;
ливе. По сравнению с дизтопливом эмиссия СО и
СН была значительно выше, а эмиссия NOx – ни;
же. Были зафиксированы отложения в камере
сгорания и на лопатках. Компания ENEL (Ита;
лия) на стационарном испытательном стенде
также провела исследования по сжиганию пиро;
топлива в газовой турбине. В целом можно сде;
лать вывод о технической возможности и целесо;
образности использования пиротоплива в
газотурбинных двигателях. Однако для этого не;
обходимы определенные модификации двигате;
ля, например, такие, которые выполнила Orenda
Aerospace Corporation на ГТ 2500 [8, 13, 17].
Использование пиротоплива
в двигателях Стирлинга
В последнее время стал изучаться вопрос о
возможности использования пиротоплива в дви;
гателе Стирлинга. Организация ZSW (Германия)
провела эксперименты по сжиганию пиролиз;
ных масел на когенерационной установке с дви;
гателем Стирлинга мощностью 25 кВт. Установка
оборудована модифицированной горелкой FLOX
(беспламенное окисление), которая включает
воздушную форсунку. Эксперименты продемон;
стрировали техническую возможность сжигания
пиротоплива в двигателе, при этом эмиссия за;
грязняющих веществ не превышала установлен;
ные в Германии нормы. Однако тепловой и элек;
трический КПД установки был невысоким (в
сумме 50…60%). Возможно, это было связано с
геометрией камеры сгорания и отсутствием
ISSN 0204�3602. Пром. теплотехника, 2005, т. 27, № 5 87
НЕТРАДИЦИОННАЯ ЭНЕРГЕТИКА
предварительного подогрева воздуха перед рас;
пылением [8].
Анализ капитальных затрат
на пиролизные установки
Удельные капитальные затраты на строитель;
ство пиролизных установок существенно зависят
от двух факторов – так называемого “эффекта
изучения” и мощности установки. Эффект изу;
чения представляет собой экономию различных
затрат при сооружении 10;й и далее установок,
связанную с накоплением определенного опыта
в этой области и с совершенствованием техноло;
гии. Чем новее технология, тем сильнее эффект
изучения. Например, расчеты, проведенные для
установки быстрого пиролиза с реактором с дву;
мя шнеками (Исследовательский центр Karlsruhe,
Германия), показали, что учет эффекта изучения
может снизить удельные капитальные затраты на
22…45%. Расчеты выполнены для случая установ;
ки мощностью 50 МВт, работающей 7000 ч/год на
соломе, с использованием трех различных мето;
дик оценки капитальных затрат [18] (табл. 7).
Удельные капитальные затраты нелинейно
уменьшаются с ростом мощности установки. По
данным [19] удельные капитальные затраты на уста;
новку быстрого пиролиза снижаются от 1150 $/кВтт
при мощности около 10 МВтт (по жидкому про;
дукту) до 250 $/кВтт при мощности 140 МВтт. На;
рушение общей закономерности наблюдается в
диапазоне мощности 40…60 МВтт (по жидкому
продукту). По;видимому, это связано с использо;
ванием авторами этих данных различных мето;
дик определения удельных капитальных затрат.
Состояние и перспективы развития
технологий быстрого пиролиза
биомассы в Украине
В настоящее время технологии медленного
пиролиза биомассы используются в Украине, в
основном, для производства древесного угля в
технологических целях металлургической и фар;
макологической промышленностей, а также для
очистки загрязненных вод и газов. Используют;
ся, как правило, установки камерного типа (про;
цесс карбонизации и медленного пиролиза), а в
качестве сырья применяется древесина твердых
пород. Лесохимические комбинаты, которые
производят древесный уголь, расположены, в ос;
новном, в Закарпатском регионе Украины.
Технология быстрого пиролиза биомассы
практически неизвестна в Украине, отсутствуют
как исследовательские, так и демонстрационные
установки. В Институте технической теплофизи;
ки НАН Украины разработана технология быст;
рого пиролиза в абляционном шнековом реакто;
ре, и есть планы по ее реализации на пилотной
установке.
Отходы сельскохозяйственного производства
(солома, стебли и початки кукурузы, стебли и
лузга подсолнуха и другие отходы) составляют
основу потенциала биомассы в Украине [20], об;
ладая при этом низким показателем объемной
энергетической плотности (порядка 2…4 ГДж/м3)
и, соответственно, высокими затратами на
транспортировку к установке термохимической
конверсии. В этой связи, особой перспективой в
Украине обладают передвижные (мобильные) ус;
тановки быстрого пиролиза для производства
жидкого топлива, которое имеет объемную энер;
гетическую плотность порядка 28 ГДж/м3. При
этом к месту расположения энергоустановки до;
ставляется не биомасса, а произведенное из нее
пиротопливо, что значительно снижает транс;
портные расходы. Быстрый пиролиз отходов
сельскохозяйственного производства является
практически единственно возможной технологи;
ей для использования в передвижных установках,
поскольку технологии прямого сжигания и гази;
фикации не имеют потребителя на произведен;
ную теплоту и генераторный газ непосредственно
в местах сбора/выращивания биомассы. Исполь;
зование мобильных установок позволит также
значительно снизить себестоимость энергии,
произведенной из биомассы, поскольку отсутст;
вуют капитальные и эксплуатационные затраты
на брикетирование, хранение и сушку биомассы.
Так, избыток соломы, доступный для получения
энергии, может быть переработан в жидкое топ;
ливо в течение летне;осеннего периода, причем в
дни, когда влажность соломы минимальна.
Для использования в составе мобильной уста;
новки наиболее оптимальной представляется
технология абляционного пиролиза, как ввиду
88 ISSN 0204�3602. Пром. теплотехника, 2005, т. 27, № 5
НЕТРАДИЦИОННАЯ ЭНЕРГЕТИКА
большей удельной производительности, просто;
ты и надежности, так и ввиду меньшей удельной
стоимости по сравнению с установками кипяще;
го слоя. Таким образом, наиболее перспективны;
ми для Украины представляются технологии аб;
ляционного пиролиза для использования в
составе передвижных установок (производитель;
ностью 50…200 кг сырья/ час) и технологии быс;
трого пиролиза в двух реакторах кипящего слоя
для использования в составе стационарных уста;
новок (производительностью 1…5 т сырья/час).
Материалы статьи подготовлены в рамках ра"
боты над проектом УНТЦ № 3036.
ISSN 0204�3602. Пром. теплотехника, 2005, т. 27, № 5 89
НЕТРАДИЦИОННАЯ ЭНЕРГЕТИКА
Та б л . 7 . Оценка капитальных затрат для установки быстрого пиролиза мощностью 50 МВт [18]
1) Топливо – солома пшеницы влажностью 14%, теплота сгорания 4 МВт · ч/т. Расход соломы 12,4 т/ч
(86800 т/год).
2) Объем хранилища для тюкованной соломы плотностью 120 кг/м3 – 24 тыс. м3, стоимость 125 евро/м3.
Срок хранения 4 дня.
3) Измельчение выполняется шредером (50 тыс. евро), соломорезкой (50 тыс. евро), молотковой
дробилкой (200 тыс. евро).
4) Объем хранилища для измельченной соломы плотностью 80 кг/м3 – 625 м3 (два бункера по 75 тыс. евро).
Срок хранения 4 часа.
5) Три крана (160 тыс. евро каждый), два конвейера (25 тыс. евро каждый).
6) По оценке авторов [18].
ЛИТЕРАТУРА
1. Гелетуха Г.Г., Железная Т.А. Получение
жидкого топлива из биомассы быстрым пироли;
зом и его использование. Часть 1 // Промышлен;
ная теплотехника. – 2005. – N 4, с. 91–100.
2. Bridgwater A.V. Biomass Pyrolysis
Technologies. Proc. of the 5th European Bioenergy
Conference. Lisbon, Portugal, 9–13 October 1989. –
Elsevier, 1989. – Vol.2, pp. 489–496.
3. Bridgwater A.V., Peacocke G.V.C. Fast pyroly;
sis for biomass // Renewable and Sustainable Energy
Reviews, N 4, 2000, рp. 1–73.
4. Czernik S. Review of Fast Pyrolysis of
Biomass. Presentation at Mississippi Bioenergy
Thermochemical technologies Roundtable, Jackson,
MS, January 28, 2004.
5. Oasmaa A., Czernik S. Fuel oil quality of bio;
mass pyrolysis oils – state of the art for the end users
// Energy & Fuels, 13, 1999, рp. 914–921.
6. Churin E., Grange P., Delmon B. Catalytic
Upgrading of Pyrolysis Oils. Proc. of the 5th European
Bioenergy Conference. Lisbon, Portugal, 9–13
October 1989. – Elsevier, 1989. – Vol. 2, pp. 616–620.
7. Williams P.T., Nugranad N. Aromatic
Hydrocarbons in the Catalytic Upgrading of Biomass
Pyrolysis Oils in the Presence of Stem. Proc. of the
10th European Bioenergy Conference. Wurzburg,
Germany, 8–11 June 1998. – CARMEN, 1998. – рр.
1589–1592.
8. Czernik S., Bridgwater A.V. Overview of appli;
cations of biomass fast pyrolysis oil // Energy &
Fuels, 18 (2), 2004, pp. 590–598.
9. Bridgwater A.V. Current and future prospects
for biomass and bioenergy. Presentation at Int. work;
shop “Future Technologies for a Sustainable
Electricity System”, 6–7 November 2003.
10. Steven Gust. Flash Pyrolysis Oil as Light Fuel
Oil Replacement // Bioenergia, N2, 1996, pp. 34–35.
11. Kai Sipila. Thermochemical Conversion of
Biomass // Bioenergia, N2, 1996, pp. 32–33.
12. Vivarelli S., Tondi G. Pyrolysis Oil: an innova;
tive liquid biofuel for heating. The COMBIO Project.
Presentation at Int. Workshop “Bioenergy for a sus;
tainable development”, Casino Vina del Mar – Chile,
8–9 November 2004.
13. Chiaramonti, Tondi G. Stationary applications
of liquid biofuels. Final Report on PTA contract
NNE5;PTA;2002;006, lot 36.
14. Ahnger A., Graham R.G. Liquid Biofuel for
Diesel Power Production: a Techno;Economic
Assessment. Proc. of the 9th European Bioenergy
Conference. Copenhagen, Denmark, 24–27 June
1996. – Pergamon, 1996. – Vol. 3, pp. 1614–1619.
15. Гелетуха Г.Г., Железная Т.А. Обзор совре;
менных технологий получения жидкого топлива
из биомассы быстрым пиролизом. Часть 2. //
Экотехнологии и ресурсосбережение. – 2000. –
N 3, с. 3–11.
16. Bridgwater A.V. Biomass Pyrolysis System
Design. Proc. of the 8th European Bioenergy
Conference. Vienna, Austria, 3–5 October 1994, vol.
2, pp. 1591–1602.
17. Bridgwater A.V. The Status of Fast Pyrolysis of
Biomass in Europe. Proc. of the 10th European
Bioenergy Conference. Wurzburg, Germany, 8–11
June 1998. – CARMEN, 1998. – рр. 268–271.
18. Lange S., Reimert R., Leible L. et al. Fast
pyrolysis of straw: assessment of the investments of
the first commercial plants. Proc. of the Second
World Biomass Conference. Rome, Italy, 10–14 May
2004. – ETA;Florence and WIP;Munich, 2004, рp.
997–999.
19. Solantausta Y., Gust S., Baglioni P. et al. Low
boiler emissions with a cost competitive liquid biofu;
el. Proc. of Second World Biomass Conference,
Rome, Italy, 10–15 May 2004, vol. 1, рp. 1086–1089.
20. Гелетуха Г.Г., Железная Т.А., Тишаев С.В.,
Кобзарь С.Г. Развитие биоэнергетических техно;
логий в Украине // Экотехнологии и ресурсосбе;
режение. – 2002. – N 3, с. 3–11.
21. Bridgwater A.V., Toft A.J., Brammer J.G. A
techno;economic comparison of power production
by biomass fast pyrolysis with gasification //
Renewable and Sustainable Energy Review, N6,
2002, рp. 181–248.
22. Solantausta Y., Bridgwater T., Beckman D.
Electricity Production by Advanced Biomass Power
Systems. VTT report 1729, 1996 ().
Получено 25.03.2005 г.
90 ISSN 0204�3602. Пром. теплотехника, 2005, т. 27, № 5
НЕТРАДИЦИОННАЯ ЭНЕРГЕТИКА
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-61483 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 0204-3602 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-01T12:44:59Z |
| publishDate | 2005 |
| publisher | Інститут технічної теплофізики НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Железная, Т.А. Гелетуха, Г.Г. 2014-05-06T12:13:40Z 2014-05-06T12:13:40Z 2005 Современные технологии получения жидкого топлива из биомассы быстрым пиролизом. Обзор. Часть 2 / Т.А. Железная, Г.Г. Гелетуха // Промышленная теплотехника. — 2005. — Т. 27, № 5. — С. 79-90. — Бібліогр.: 22 назв. — рос. 0204-3602 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/61483 662.76 Рассмотрены характеристики пиротоплива, полученного из биомассы путем быстрого пиролиза, и различные способы его применения. Розглянуто характеристики піропалива, отриманого з біомаси шляхом швидкого піролізу, та різні способи його застосування. Characteristics of bio oil obtained by fast pyrolysis are considered. The ways of pyrolysis oil application are analyzed. It is shown that often quality of pyrolysis oil is not enough for direct application as fuel. Материалы статьи подготовлены в рамках работы над проектом УНТЦ № 3036. ru Інститут технічної теплофізики НАН України Промышленная теплотехника Нетрадиционная энергетика Современные технологии получения жидкого топлива из биомассы быстрым пиролизом. Обзор. Часть 2 Modern technologies for liquid fuel production from biomass by fast pyrolysis. Review. Part 2 Article published earlier |
| spellingShingle | Современные технологии получения жидкого топлива из биомассы быстрым пиролизом. Обзор. Часть 2 Железная, Т.А. Гелетуха, Г.Г. Нетрадиционная энергетика |
| title | Современные технологии получения жидкого топлива из биомассы быстрым пиролизом. Обзор. Часть 2 |
| title_alt | Modern technologies for liquid fuel production from biomass by fast pyrolysis. Review. Part 2 |
| title_full | Современные технологии получения жидкого топлива из биомассы быстрым пиролизом. Обзор. Часть 2 |
| title_fullStr | Современные технологии получения жидкого топлива из биомассы быстрым пиролизом. Обзор. Часть 2 |
| title_full_unstemmed | Современные технологии получения жидкого топлива из биомассы быстрым пиролизом. Обзор. Часть 2 |
| title_short | Современные технологии получения жидкого топлива из биомассы быстрым пиролизом. Обзор. Часть 2 |
| title_sort | современные технологии получения жидкого топлива из биомассы быстрым пиролизом. обзор. часть 2 |
| topic | Нетрадиционная энергетика |
| topic_facet | Нетрадиционная энергетика |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/61483 |
| work_keys_str_mv | AT železnaâta sovremennyetehnologiipolučeniâžidkogotoplivaizbiomassybystrympirolizomobzorčastʹ2 AT geletuhagg sovremennyetehnologiipolučeniâžidkogotoplivaizbiomassybystrympirolizomobzorčastʹ2 AT železnaâta moderntechnologiesforliquidfuelproductionfrombiomassbyfastpyrolysisreviewpart2 AT geletuhagg moderntechnologiesforliquidfuelproductionfrombiomassbyfastpyrolysisreviewpart2 |