Установка для газификации угля - инновационное решение для энергообеспечения зерносушильных установок в Красноярском крае

Одной из важнейших характеристик зерна как товара является его способностьк длительному хранению, определяемая прежде всего влажностью зерна, снижение которой до безопасных пределов обеспечивается сушкой.

Из-за сложных погодных условий в Красноярском крае в сушке нуждается около 80 % собираемого зерна. При среднем валовом сборе зерна в Красноярском крае в 2009 г. 2,4 млн т в год на сушку потребляется 25…30 тыс. т жидкого топлива. При этом средняя стоимостьреализации зерновых культур с 2000 по 2007 гг. у производителей возросла на 55…60%, асредняястоимостьосновныхвидовтоплива–на 150…300 %. По экспертным оценкам, из общего количества энергоресурсов, затраченных на производство зерна, прямые затраты на сушку достигают 30 %, а доля энергозатрат в себестоимости сушки зерна составляет 75…80 %.

Удельный расход дизельного топлива для сушки зерна на наиболее распространенных типовых зерносушиль- ных установках СОБ-50, ДСП-50 составляет примерно 1,25 кг на тонно-процент (приведенный расход тепла – 1 280 ккал/кг испаренной влаги, КПД сушки – 47 %). В период уборочных работ необходимо обеспечитьсушку в среднем от 14 до 24 % зерна. Таким образом, удельный расход дизтоплива на 1 т зерна составляет примерно 10 кг, или 150 руб./т при цене дизтоплива около 15 тыс. руб./т (с доставкой и скидкой 10 % на ГСМ для сельхозпроизводителей).

Традиционный метод экономии тепловой энергии за счет повышения КПД сушки с нынешних 45…50 % до теоретически возможных 65…70 % экономически неэффективен. Снижение издержек на сушку может бытьдо-стигнуто только при переводе зерносушильных установок на использование радикально более дешевых топлив.

Наиболее перспективным и дешевым видом топлива в Красноярском крае являются бурые угли Канско-Ачинского бассейна (КАБ), стоимостькоторых составляет всреднем300…600руб./т. Стоимостьтонныусловноготоп-лива (ТУТ) в виде дизтоплива превосходит стоимостьТУТ в виде бурого угля КАБ с учетом доставки на большинство сельхозпредприятий Красноярского края более чем в 10 раз.

Возможны два варианта применения угля для сушки зерна.

Первый вариант – это прямое сжигание угля с использованием дымовых газов для нагрева теплоносителя (воздуха), применяемого для сушки зерна. При этом возникает ряд проблем. Во-первых, угольный предтопок должен располагаться в непосредственной близости от зерносушильной установки – в пределах эффективной транспортировки большого объема теплоносителя в сушилку (не далее 10…20 м). На это не всегда возможно из-за стесненной территории предприятия. Во-вторых, угольный предтопок обладает низкой маневренностью. Для вывода его из холодного состояния в рабочий режим требуется несколько часов, а нахождение в «горячем резерве» ведет к перерасходу угля. В-третьих, этот вариант достаточно затратен: оценки показывают, что инвестиции в перевод сушилки с дизтоплива на прямое сжигание угля составят около 13 млн руб., а срок окупаемости – не менее пяти с половиной сезонов.

Второй вариант – это газификация угля с использованием получаемого горючего газа для нагрева теплоносителя. Процесс газификации угля – это высокотемпературное (900…1 100 °С) превращение органической мас-сыуглявгазообразныевещества (СО, Н2,СН4, СО2, Н2О, N2) при взаимодействии с кислородом воздуха в условиях недостатка окислителя. Зерносушилка комплектуется газогенераторной установкой, которая может бытьразме-щена в пределах эффективной транспортировки горючего газа к сушилке (до 200…300 м). Газификатор угля обладает высокой маневренностью: из холодного состояния в рабочий режим он выводится за30 мин и может до 3 сут находиться в «горячем резерве» без подачи дутья, т. е. без потребления угля. Удельные капитальные затраты на установку тепловой мощностью 3,8 Гкал/ч составляют около 7 млн руб., т. е. газогенераторная установка более чем вдвое дешевле угольного предтопка такой же тепловой мощности, а срок ее окупаемости при аналогичных условиях составит два сезона.

Таким образом, оснащение зерносушилок газогенераторными установками с целью замещения дизтоплива горючим газом из угля является единственным приемлемым способом повышения энергоэффективности сушки зерна и снижения затрат на производство зерновой продукции.

Для разработки конструкторской документации типовой газогенераторной установки было выполнено экспериментальное исследование процесса газификации угля марки 3Б разреза «Большесырский» (Балахтинское месторождение КАБ) по инновационной технологии «Тер-мококс-СГ». В основу этой технологии положен процесс газификации угля на воздушном дутье в режиме обратной тепловой волны, защищенный российскими и зарубежными патентами [1–4]. Сутьэффекта обратной тепловой волны состоит в том, что в слое угля при определенных режимах подачи дутья фронт горения может смещаться не только в направлении потока газифицирующего агента (дутья), но и против потока [5]. В традиционных газификаторах и в слоевых топках фронт горения смещается в одном направлении с потоком газифицирующего агента. Зона пиролиза в этом случае расположена за зоной горения, поэтому продукты термического разложения угля (сажа, смолистые вещества, канцерогены, фенолы и другие токсичные вещества), загрязняют газ и поступают в атмосферу. Когда же фронт горения смещается навстречу дутью, то зона пиролиза находится перед зоной горения и продукты пиролиза разлагаются в высокотемпературной зоне термохимических превращений. Вследствие этого технология «Термококс-СГ» отличается высокой экологической безопасностью.

Экспериментальный газификатор представляет собой вертикальный реактор шахтного типа периодического действия со стационарным слоем дробленого угля, вко-тором зажигание слоя осуществляется сверху, а подача воздуха – снизу. При определенных условиях спустя некоторое время после зажигания в верхней части слоя формируется тепловая волна, которая затем перемещается навстречу дутью с примерно постоянной скоростью. Для измерения температуры слоя угля внутри засыпки равномерно размещены стационарные ХА-тер-мопары. Одновременно с помощью газоанализатора выполняется непрерывный анализ продуктового газа. Варьируемым параметром при проведении экспериментов является расход дутьевого воздуха, фракционный состав угля сохраняется постоянным.

Целью серии экспериментов являлось достижение максимума выхода горючего газа с наибольшей калорийностью. В результате обработки данных серии экспериментов по газификации угля в плотном слое был найден оптимальный режим работы газификатора при производстве горючего газа, определены соответствующие технологические параметры, материальный и тепловой балансы процесса, характеристики полученных продуктов (см. таблицу).

В результате исследований было установлено, что газ из большесырского угля, имеющий калорийность 905 ккал/м3, может успешно использоваться в качестве топлива в процессах сушки зерна, стройматериалов ит. п., а также при обжиге кирпича, извести.

Полученные результаты явились основой для разработки технологической и конструкторской документации установки по газификации большесырского угля. Запуск первого образца инновационной газогенераторной установки, созданный по заказу ООО «Сибуголь» (Красноярск), состоялся 12 ноября 2010 г. в поселке Балахта.