Оценка жизненного цикла снижения выбросов CO2 путем энергоэффективного пиролиза и газификации композиционной биомассы

В течение трех лет выполнения проекта выполнены запланированные экспериментальные и теоретические исследования, испытания на пилотном стенде, аналитические вычисления. Ключевые результаты исследований: (1) Создана база данных с основными энергетическими, экологическими и экономическими характеристиками перспективных компонентов композиционных биотоплив. Определены рациональные составы для практического применения по интегральным показателям. Выполнен цикл экспериментальных исследований механизмов, условий и характеристик протекания процессов пиролиза и газификации композиционной биомассы в лабораторных условиях с использованием современных программно-аппаратных комплексов анализа свойств исходных компонентов и получаемых продуктов. Зарегистрированы характеристики физико-химических процессов для нескольких режимов с разной интенсивностью подводимой энергии. В соответствии с научными интересами и возможностями членов коллектива из Индии и Бразилии акцент сделан на выполнение пиролиза и газификации в условиях продувки потоками CO2 и H2O для снижения эмиссии парниковых газов. (2) Созданы карты для описания механизмов пиролиза и газификации биомассы в условиях смешения продуктов этих процессов с потоком паров воды и углекислого газа, направленного на снижение эмиссии парниковых газов. Исследования выполнены с использованием группы стендов, базирующихся на смешанном теплообмене, светоиндуцированном и микроволновом нагреве. Создана группа моделей пиролиза и газификации биомассы при разных условиях нагрева. (3) Получены результаты экспериментальных и теоретических исследований процессов пиролиза и газификации перспективных видов биомассы при микроволновом, светоиндуцированном, радиационном, конвективном, кондуктивном, конвективном и смешанном нагреве. (4) Проведено математическое моделирование с варьированием основных исходных параметров в диапазонах, типичных для промышленных установок. (5) Обосновано, что повышение температуры с 400 до 625 °С при пиролизе наиболее типичных видов биомассы способствует увеличению массового выхода газа до 40 %, снижая при этом доли твердых жидких продуктов пиролиза до 34 % и 81 %, соответственно; по итогам экспериментов оптимальной температурой (с точки зрения максимизации выработки горючих газов (СО, Н2 и СН4) и поддержании концентраций СО2 на некотором среднем уровне) выбрано значение 575 °С; дальнейший рост температуры ингибировал образование CO в направлении генерации большего количества СО2; (6) оптимальным размером частиц биомассы является величина 250 мкм; по сравнению с частицами размерами 140 мкм и 180 мкм пиролиз опилок с размером частиц 250 мкм характеризовался более высокими концентрациями H2, CO и CH4; при пиролизе частиц большого размера (например, 800 мкм) концентрации CO2 были максимальными; меньший размер частиц обладал большей площадью контакта биомассы с пиролизующей средой, что приводило к более высоким скоростям химических реакций; экспериментальные исследования по определению влияния соотношения влаги (в виде воды или пара) к биомассе на характеристики продуктов пиролиза показали, что оптимальным соотношением воды к биомассе является 1:1; в данных условиях происходит интенсификация выхода газа на 20 %; концентрации Н2, СО и СН4 возрастают до 32 %, 20 % и 7 %, соответственно; дальнейшее увеличение соотношения воды к биомассе не привело к существенным изменениям концентраций горючих газов; (7) применение катализаторов на основе калия и кальция позволило увеличить долю газовых продуктов пиролиза с 8 до 17 % (в зависимости от типа и доли катализатора в общем составе смеси); значение оптимальной массовой доли канализатора составило около 5 мас.%; (8) при микроволновом пиролизе биомассы диапазоны средних значений концентраций СО, СН4, Н2 и СО2 составили 2.9-17.4 об.%, 1.5-9.8 об.%, 0.35-1.8 об.% и 3.5-12.7 об.%, соответственно; в среде водяных паров микроволновый пиролиз биомассы протекал интенсивнее, чем в воздухе; пар способствовал ускорению прогрева топлива за счет более быстрого нагрева среды вокруг образца; определено оптимальное количество пара, которое способствовало росту концентраций H2 до 2 раз и СО на 32 %; микроволновый пиролиз в среде дымовых газов характеризовался наивысшими концентрациями СО2, значения которых возрастали до 70 % при увеличении расхода дымовых газов; при этом регистрировался рост концентраций СО на 79 % и H2 на 77 %; (9) результаты математического моделирования пиролиза и газификации показали, что концентрации СО и H2 близки для всех случаев независимо от состава газифицирующего агента (воздух, пар, паровоздушная смесь и продукты сгорания); концентрации CO2 максимальны в продуктах сгорания и минимальны в атмосфере паров воды; значения концентраций метана также близки для всех газифицирующих агентов (воздух, пар, паровоздушная смесь и продукты сгорания); (10) проведен технико-экономический анализ перехода трех типичных станций (рассмотрены три объекта с существенно отличающейся установленной мощностью - от 10 до 330 МВт и базовым типом топлива: уголь, газ, мазут) с традиционного топлива на альтернативное (биомассу, композиционное жидкое топливо, генераторный газ); сравнение денежных потоков, соответствующих переходу станций на сжигание генераторного газа, получаемого при газификации разных топлив (биомасса, композиционное жидкое топливо, уголь), позволяет сделать заключение о том, что наиболее перспективным является переход на генераторный газ, получаемый при газификации композиционного топлива; в данном случае денежная экономия для станции № 1 составила 5670.6 млн. руб., для станции № 2 – 9641 млн. руб., для станции № 3 – 108.4 млн. руб.; представленные технико-экономические расчеты являются универсальными для всех объектов энергетики. (11) спроектирован, собран и запущен уникальный пилотный стенд для проведения синтеза Фишера-Тропша с получением из композиционной биомассы генераторного газа, жидких и твердых продуктов; с применением данного стенда установлено влияние совокупности факторов (свойства биомассы и компонентный состав, схема нагрева, темп нагрева и тепловые потоки, катализаторы, несущая и дисперсная среда в реакторе и др.) на производительность реактора. (12) Разработаны уникальные физические постановки и математические модели для прогнозирования характеристик пиролиза композиционной биомассы с пониженными антропогенными выбросами при задействовании наиболее перспективных схем нагрева: кондуктивная, конвективная, радиационная, смешанная, микроволновая, светоиндуцированная. С применением данных моделей установлены оптимальные условия пиролиза композиционной биомассы с разным составом на установках с перспективной производительностью. Основные результаты исследований опубликованы в международных квартильных журналах, индексируемых Web of Science и Scopus, в частности, Chemical Engineering and Processing, Environmental Science and Pollution Research, Applied Thermal Engineering, Journal of the Energy Institute, Process Safety and Environmental Protection, Applied Sciences, Energies. Подготовлены стратегии перевода энергетических установок РФ, Индии и Бразилии на генераторный газ от пиролиза композиционной биомассы с дополнительными статьями дохода за счет производства пиролизного масла и пиролизного угля. При реализации по оптовым ценам доход может составить до 2.5 млрд. руб./год, что значительно снизит сроки окупаемости соответствующих модернизаций энергетических установок. Обосновано, что в течение первых 10 лет реализации любого из разработанных сценариев может быть утилизировано до 5 млн. тонн накопленных отходов лесопиления и деревообработки, что освободит по меньшей мере 50 Га земель.