Mодульные установки комбинированного производства электроэнергии и жидких топлив на основе древесной биомассы

Высокая цена квалифицированного жидкого топлива в отдаленных районах Сибири и Дальнего Востока, а так же значительные запасы древесной биомассы в этих районах определяют актуальность представляемых исследований. Комплексная переработка древесной биомассы в синтетические жидкие топлива и электроэнергию позволит повысить энергетическую и экономическую эффективность переработки техногенных отходов, а так же улучшить экологическую обстановку указанных районов.

Целью работы является технико-экономическая оптимизация параметров модульных установок комбинированного производства электроэнергии и метанола из древесной биомассы.

В статье приведен анализ ранее выполненных работ по теме исследований. На его основе выбрано одно из эффективных направлений переработки древесной биомассы: окислительная конверсия этого сырья газифицирующим агентом с получением газа, обогащённого водородом и оксидами углерода; синтез из него квалифицированных жидких топлив; получение электроэнергии путем утилизации тепла конверсии, синтеза и тепла при сжигании продувочного газа процесса синтеза.

Приведена технологическая схема модульной энерготехнологической установки (МЭТУ), математическая модель ее элементов и схемы в целом. На основе разработанных методических подходов выполнены оптимизационные исследования технико-экономических параметров и конструкции модульной энерготехнологической установки.

В результате исследований получены оптимальные показатели представляемой технологии. Показано, что производство электроэнергии и метанола на основе биомассы с учетом комбинирования процессов повышает термический КПД процесса синтеза на 12% и выше, уменьшает инвестиции на 15-20% по сравнению с раздельным производством. При заданной эффективности инвестиций 15% стоимость метанола, произведенного из древесной биомассы составит 275-317 дол./т у.т. При такой стоимости метанол может конкурировать с как котельно-печным, так и моторным топливом в восточных регионах России.

1. George A., Olah., Alain Goeppert, et al. Beyond Oil and Gas. 2 ed/ Wiley-VCH. The Methanol // Economy. 2011. 356 p.

2. Sunggyu Lee., James G. Speight., Sudarshan K. Loyalka. Handbook of Alternative Fuel Technologies, Second Edition. CRC Press // Taylor & Francis Group, LLC, 2015. 712 p.

3. Firmansyah H., Tan Y., Yan J. Power and methanol production from biomass combined with solar and wind energy: analysis and comparison // Energy Procedia 2018. V.145. pp.576-81.

4. Yang S, Li B, Zheng J, Kankala RK. Biomass-to-Methanol by dual-stage entrained flow gasification: Design and techno-economic analysis based on system modeling. Journal of Cleaner Production 2018; 205:364-74.

5. Martín M, Grossmann IE. Towards zero CO 2 emissions in the production of methanol from switch grass. CO2 to methanol. Computers & Chemical Engineering 2017. V.105. pp.308-16.

6. Moellenbruck F, Kempken T, Dierks M, Oeljeklaus G, Goerner K. Cogeneration of power and methanol based on a conventional power plant in Germany // Journal of Energy Storage 2018.V.19. pp.393-401.

7. Bai Z., Liu., Gong L., et al. Thermodynamic and economic analysis of a solar-biomass gasification system with the production of methanol and electricity // Energy Procedia. 2018. V.152. pp. 1045–1050.

8. Клер АМ Эффективные методы схемно-параметрической оптимизации сложных теплоэнергетических установок: разработка и применение. Монография. Новосибирск: Академическое изд-во «Гео», 2018. 145 с.

9. Gao Z., Huang W., Yin L., Xie K. Liquid-phase preparation of catalysts used in slurry reactors to synthesize dimethyl ether from syngas: Effect of heat-treatment atmosphere // Fuel Processing Technology. 2009. V.9. pp.1442-1446.

10. Guang-jian L., Zheng L., Ming-hua W., Wei-dou N. Energy savings by co-production: A methanol/electricity case study // Applied Energy. 2010. V.8. pp. 2854-2859.

11. Hetland J., Anantharaman R. Carbon capture and storage (CCS) options for co-production of electricity and synthetic fuels from indigenous coal in an Indian context // Energy for Sustainable Development. 2009. V.13. pp. 56-63.

12. Larson E., Fiorese G., Liu G., et al. (), Co-production of decarbonized synfuels and electricity from coal + biomass // Energy Environ Science. 2010. V.3. pp. 28-42.

13. Manzolini G., Macchi E., Gazzani M. (), CO 2 capture in Integrated Gasification Combined Cycle with SEWGS – Pt B: Economic assessment, Fuel. 2013. V.105. pp. 220-227.

14. Pellegrini L., Soave G., Gamba S., Lange S. Economic analysis of a combined energy–methanol production plant // Applied Energy. 2011. V.88. pp. 4891-4897.

15. Robinson K, Tatterson D. Economics on Fischer–Tropsch coal-to-liquids method updated // Oil Gas J.2008. V.106. pp. 22-52.

16. Sajo P. Naik, Taegong Ryu, Vy Bui, et al. Synthesis of DME from CO 2 /H 2 gas mixture // Chemical Engineering Journal. 2011;167(1):362-368.

17. Sun S., Jin H., Gao L., Han W. Study on a multifunctional energy system producing coking heat, methanol and electricity // Fuel. 2010;89:1353-1360.

18. Kler AM., Tyurina EA., Mednikov AS. A plant for methanol and electricity production: Technical-economic analysis // Energy 2018. V.165. pp. 890-899.

19. Клер А.М., Деканова Н.П., Тюрина Э.А. и др. Теплоэнергетическе системы: Оптимизационные исследования. Новосибирск: Наука, 2005. 236 с.

20. Kler AM., Tyurina EA., Mednikov AS. Energy-technology installations for combined production of hydrogen and electricity with CO2 removal systems // International Journal of Hydrogen Energy. 2011, V. 36, Issue 1, pp. 1230–1235.

21. Kler A.M., Zharkov P.V., Epishkin N.O. An effective approach to optimizing the parameters of complex thermal power plants // Thermophysics and Aeromechanics. 2016. V. 23. № 2. pp. 289-296.

22. Kler AM, Tyurina EA. Production of products of deep coal processing: modeling of technologies, comparison of efficiency // The burning and plasma chemistry 2007.V.4. pp. 276-81.

23. Тюрина ЭА, Клер АМ. Оптимизационные исследования энергетических установок и комплексов. Новосибирск: Академическое изд-во «Гео», 2016. 298 с.

24. Berezina LA., Matyshak VA., Korchak VN., et al. An in SITU IR spectroscopic study of methanol conversion on an SNM-1 catalyst // Kinetics and Catalysis. 2009. V. 50. № 5. С. 775-783.

25. Rozovskii A.Ya., Lin G.I. Fundamentals of methanol synthesis and decomposition Topics in Catalysis. 2003. Т. 22. № 3-4. С. 137-150.

26. Розовский А.Я., Лин Г.И. Теоретические основы процесса синтеза метанола. М.: Химия, 1990. 272 с.

27. Skvortsov L. Explicit stabilized Runge-Kutta methods // Computational Mathematics and Mathematical Physics. 2011. V. 51. pp. 1153-1166.

28. Martín-Vaquero J., Kleefeld B. Extrapolated stabilized explicit Runge–Kutta methods // Journal of Computational Physics. 2016. V. 326. pp. 141–155.