Экологические характеристики термической утилизации отходов с внешним и внутренним подводом тепловой энергии

ЦЕЛЬ. Выявление оптимальных режимов для автотермического и аллотермического способов газификации растительной биомассы с точки зрения энергетических параметров генераторных газов, а также определение экологических показателей при последующем сжигании генераторных газов для получения тепловой энергии.

РЕЗУЛЬТАТЫ. При моделировании процессов газификации использована нестехиометрическая модель, основанная на предположении, что химически реагирующая многокомпонентная смесь находится в состоянии термодинамического и химического равновесия, которому соответствует минимальное значение изобарно-изотермического потенциала. При моделировании горения генераторного газа в смеси с воздухом использована кинетическая модель проточного реактора идеального смешения и учитывается детальный механизм химического взаимодействия для реагирующей системы C-H-O-N-S. Теплота сгорания генераторного газа, полученного при паровой газификации и внешнем подводе тепловой энергии существенно выше, чем теплота сгорания газа, полученного при внутреннем подводе тепловой энергии. Однако значения энергетического потенциала и термохимического КПД весьма близки для обоих типов газификации.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ. Для растительной биомассы, имеющей заданный осредненный элементный состав, определены условия газификации, способствующие повышению степени конверсии исходных материалов в генераторный газ. В частности, для автотермического способа газификации максимальные расчетные значения энергетического потенциала сухого обеззоленного генераторного газа и термохимического КПД получены при коэффициенте избытка воздуха α ≈ 0,32. Для аллотермического способа газификации максимальным расчетным значениям энергетического потенциала генераторного газа и термохимического КПД соответствует диапазон температуры газификации T ≈ 1050-1100 K и массовая доля подводимого пара g_H2O ≈ 0,217. Для обеспечения этих условий потребуется подвод тепловой энергии за счет сжигания ≈ 37 масс. % генераторного газа. Генераторный газ, полученный аллотермическим способом, имеет более высокие энергетические показатели, а негативное воздействие на окружающую среду при его последующем сжигании характеризуются меньшими удельными выбросами CO и CO₂ в пересчете на тонну условного топлива.

1. Puig-Arnavat M., Bruno J. C., Coronas A. Review and analysis of biomass gasification models // Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2010. V. 14. pp. 2841-2851. doi: 10.1016/j.rser.2010.07.030.

2. Dipal Baruah, Baruah D.C. Modeling of biomass gasification: a review // Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2014. V. 39. pp. 806–815. doi: 10.1016/j.rser.2014.07.129.

3. Farzad S., Mandegari M., Görgens J. A Critical review on biomass gasification, cogasification, and their environmental assessments // Biofuel Research Journal. 2016. V. 3(4). pp. 483–495. doi: 10.18331/BRJ2016.3.4.3.

4. Aydinli B., Caglar A., Pekol S., et al. The prediction of potential energy and matter production from biomass pyrolysis with artificial neural network // Energy Exploration & Exploitation. 2017. V. 35(6). pp. 698-712. doi: 10.1177%2F0144598717716282.

5. Safarian S., Unnþórsson R., Richter C. A review of biomass gasification modelling // Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2019. V. 110. pp. 378–391. doi: 10.1016/j.rser.2019.05.003.

6. Ramos A., Monteiro E., Rouboa A. Numerical approaches and comprehensive models for gasification process: a review // Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2019. V. 110. pp. 188–206. doi: 10.1016/j.rser.2019.04.048.

7. Mazaheri N., Akbarzadeh A.H., Madadian E., et al. Systematic review of research guidelines for numerical simulation of biomass gasification for bioenergy production // Energy Conversion and Management. 2019. V. 183. pp. 671–688. doi: 10.1016/j.enconman.2018.12.097.

8. Perera S., Wickramasinghe C., Samarasiri B., et al. Modeling of thermochemical conversion of waste biomass – a comprehensive review // Biofuel Research Journal. 2021. V. 8(4). pp. 1481–1528. doi: 10.18331/BRJ2021.8.4.3.

9. Kushwah A., Reina T.R., Short M. Modelling approaches for biomass gasifiers: a comprehensive overview // Science of the Total Environment. 2022. V. 834. pp. 155243. doi: 10.1016/j.scitotenv.2022.155243.

10. Ajorloo M., Ghodrat M., Scott J., et al. Recent advances in thermodynamic analysis of biomass gasification: a review on numerical modelling and simulation // Journal of the Energy Institute. 2022. V. 102. pp. 395–419. doi: 10.1016/j.joei.2022.05.003.

11. Tezer Ö., Karabağ N., Öngen A., et al. Biomass gasification for sustainable energy production: a review // International Journal of Hydrogen Energy. 2022. V. 47. Is. 34. P. 15419-15433. doi: 10.1016/j.ijhydene.2022.02.158.

12. Павлов Г.И., Ахметшина А.И., Сабирзянов А.Н., и др. Разработка расчетной схемы камеры сгорания для сжигания щепы старых шпал // Известия высших учебных заведений. ПРОБЛЕМЫ ЭНЕРГЕТИКИ. 2018. Т. 20. № 1-2. С. 3-13.

13. Таймаров М.А., Чикляев Е.Г. Разработка прямоточной пиролизной установки для пирогенетического разложения древесины // Известия высших учебных заведений. ПРОБЛЕМЫ ЭНЕРГЕТИКИ. 2020. Т. 22. № 6. С. 68-78. doi:10.30724/1998-9903-2020-22-6-68-78.

14. Донской И.Г. Математическое моделирование газификации древесины с разложением смолистых продуктов на частицах активных компонентов // Известия высших учебных заведений. ПРОБЛЕМЫ ЭНЕРГЕТИКИ. 2018. Т. 20. № 11-12. С. 107-117. doi:10.30724/1998-9903-2018-20-11-12-107-117.

15. Демин А.В. Оценка экологичности и эффективности процессов газификации биомассы // Вопросы современной науки и практики. Университет им. ВИ Вернадского. 2021. №. 1. С. 40-50. doi:10.17277/voprosy.2021.01.pp.040-050.

16. Naoumov V. I., Krioukov V.G., Abdullin A.L., et al. Chemical kinetics in combustion and reactive flows: modeling tools and applications. – Cambridge University Press, 2019. doi:10.1017/9781108581714.

17. NIST Chemical Kinetics Database / J.A. Manion, R.E. Huie, R. D. Levin et al // NIST Standard Reference Database 17, Version 7.0 (Web Version), Release 1.6.8, Data version 2022. – Gaithersburg, Maryland : National Institute of Standards and Technology, 2022. Доступно по: http://kinetics.nist.gov. Ссылка активна на 10 июня 2022.