ИНВЕСТИЦИОННЫЙ ПОРТАЛ ВОЛГОГРАДСКОЙ ОБЛАСТИ

С чего начинается и как проводится газификация
индивидуального жилого дома…

Газификация индивидуального жилого дома начинается с получения технических условий на проектирование.

1. Технические условия (ТУ) на проектирование газоснабжения жилого помещения выдаются в производственно-техническом отделе (ПТО) городского, районного или межрайонного филиала АО «Газпром газораспределение Чебоксары» по заявлению на имя директора филиала.

Перечень документов, необходимых для получения технических условий на присоединение объекта газификации(индивидуального жилого дома) к газораспределительным сетям.

1) Наименование  лица, направившего запрос, его местонахождение и почтовый адрес (заявление).

 2) Нотариально заверенные копии учредительных документов, а также документы, подтверждающие полномочия лица, подписавшего запрос (копия паспорта домовладельца).

 3) Правоустанавливающие документы на земельный участок (для правообладателя земельного участка — свидетельство о государственной регистрации права на земельный участок и жилой дом).

 4) Информацию о границах земельного  участка,  на  котором  планируется осуществить  строительство  объекта  капитального  строительства   или на котором расположен реконструируемый объект капитального строительства; информацию  о  предельных  параметрах   разрешенного   строительства (реконструкции)  объектов  капитального  строительства,   соответствующих данному земельному участку; планируемую величину необходимой подключаемой нагрузки (оригинал технического паспорта существующего строения).

5) Информацию о разрешенном использовании земельного участка (письмо – ходатайство сельской администрации о газоснабжении жилого дома).

6) В случае если  подключение  объекта  капитального  строительства возможно только к существующим сетям инженерно-технического  обеспечения, принадлежащим на праве собственности или на ином законном основании лицу, которое является потребителем соответствующего  вида  ресурсов   (далее — основной абонент), технические  условия  такого  подключения  могут  быть выданы основным абонентом по согласованию с  ресурсоснабжающей  (сетевой) организацией,  к  чьим  объектам  присоединены  принадлежащие   основному абоненту сети инженерно-технического  обеспечения.   По  соглашению  между ресурсоснабжающей (сетевой) организацией и основным абонентом технические условия может разработать ресурсоснабжающая (сетевая) организация (разрешение на подключение от Собственника распределительного газопровода).

2. Проект газоснабжения жилого помещения выполняется специализированной проектной организацией, имеющей свидетельство о вхождении в саморегулируемую организацию в области проектирования систем газораспределения и газопотребления.

3. Согласовать в структурном подразделении ООО «Газпром межрегионгаз Чебоксары» технические решения по узлам учета газа в проекте газоснабжения жилого помещения.

4. Представить проект газоснабжения жилого помещения для согласования в ПТО филиала АО «Газпром газораспределение Чебоксары».

5. Монтаж наружного и внутреннего газопровода, установка газоиспользующего оборудования производится в соответствии с согласованным проектом специализированной монтажной организацией, имеющей свидетельство о вхождении в саморегулируемую организацию в области строительства систем газораспределения и газопотребления.

6. Приёмка в эксплуатацию законченного строительством объекта осуществляются специалистами филиала АО «Газпром газораспределение Чебоксары» после представления «Акта о техническом состоянии вентиляционных и дымовых каналов», выданного подразделениями ВДПО или другими лицензированными для этих работ юридическими лицами и предпринимателями.

7. До пуска газа необходимо оформить на территориальных участках или абонентских пунктах ООО «Газпром межрегионгаз Чебоксары» договор на его поставку.

Первичный пуск газа в газоиспользующее оборудование и пусконаладочные работы производятся работниками филиала АО «Газпром газораспределение Чебоксары» после прохождения в техническом кабинете филиала инструктажа по безопасному пользованию газом в быту с получением абонентской книжки. Одновременно заключается договор на техническое обслуживание внутридомового газового оборудования.

По вопросам проектирования газоснабжения, монтажа наружного и внутреннего газопровода и газового оборудования домовладельцы могут обратиться в филиалы АО «Газпром газораспределение Чебоксары», расположенные по адресам:

АО «Газпром газораспределение Чебоксары» в г. Алатыре – г.Алатырь, ул. Московская, 107а, тел.(83531)2-08-14;

АО «Газпром газораспределение Чебоксары» в пгт. Вурнары – п.Вурнары, ул. К. Маркса, 65, тел.(83537)2-74-08;

АО «Газпром газораспределение Чебоксары» в г. Канаше – г. Канаш, ул. Котовского, 7, тел. (83533)4-59-82;

АО «Газпром газораспределение Чебоксары» в г. Козловке – г.Козловка, ул.Шоссейная, 7, тел.(83534)2-22-33;

АО «Газпром газораспределение Чебоксары» в с. Моргауши – Моргаушский район, д. Ландыши, тел.(83541)6-02-25;

АО «Газпром газораспределение Чебоксары» в г. Новочебоксарске – г.Новочебоксарск, ул.Советская, 14а, тел.(8352)73-84-50;

АО «Газпром газораспределение Чебоксары» в г. Цивильске – г.Цивильск, ул. Трактористов, 1б, тел. (83545)2-11-26;

АО «Газпром газораспределение Чебоксары» в г. Чебоксары – г.Чебоксары, Мясокомбинатский проезд, 10, тел.(8352)52-15-66;

АО «Газпром газораспределение Чебоксары» в г. Шумерле – г.Шумерля, ул. Коммунальная, 3, тел.(83536)5-97-55;

ПТО АО «Газпром газораспределение Чебоксары» — г.Чебоксары, пр. И.Яковлева, 19а, тел.(8352) 51-19-23

Системы газификации | Министерство энергетики

Управление ископаемых источников энергии Министерства энергетики США в рамках Программы систем газификации разрабатывает гибкие, новаторские, устойчивые и преобразующие модульные конструкции для преобразования различных типов местного угля и угольных смесей в США с биомассой и твердыми твердыми веществами. отходы (ТБО) и пластмассовые отходы в чистый синтез-газ, чтобы обеспечить дешевое производство электроэнергии, ценных химикатов, водорода, транспортного топлива и других полезных продуктов для удовлетворения потребностей рынка, в сочетании с технологиями отрицательного выброса парниковых газов. Достижения в этой области помогут обеспечить скорейшее внедрение мелкомасштабной модульной газификации смеси угля / биомассы / ТБО / пластиковых отходов и других технологий на основе синтез-газа для производства водорода как на внутреннем, так и на международном рынках. Общая цель состоит в том, чтобы увеличить использование обильных запасов местного угля, биомассы, ТБО и пластиковых отходов в стратегических или целевых высокоценных приложениях, тем самым способствуя повышению энергетической безопасности, возрождению депрессивных рынков в традиционных угледобывающих регионах США. Штаты, и более экономное использование ТБО и пластиковых отходов.

Работа Министерства энергетики в области систем газификации предоставляет новые возможности для синтеза жидкого топлива из угля, а также угля, смешанного с биомассой, ТБО и пластиковыми отходами, предоставляя возможности местам с высокими затратами на импортируемое топливо и объектам, которые хотят хранить энергию в жидкости химическая форма. Газификация позволяет преобразовывать уголь, биомассу, ТБО и пластмассовые отходы в жидкости путем производства синтез-газа с последующим синтезом Фишера-Тропша для получения жидкого транспортного топлива на основе углеводородов.Технологии синтеза топлива на основе синтез-газа коммерциализируются в больших масштабах, но необходимы улучшения, чтобы эти технологии стали жизнеспособными для небольших масштабов, которые можно было бы использовать в отдаленных районах или вблизи устьев шахт. Эти ориентированные на рынок и зависящие от объекта приложения заставляют Министерство энергетики уделять особое внимание совершенствованию катализаторов, реакторов и других технологий, чтобы сделать газификацию смеси угля / биомассы / ТБО / пластмассовых отходов рентабельной и эффективной при гибких модульных масштабах.

Несмотря на то, что за последние несколько десятилетий технологии газификации были усовершенствованы, затраты на системы газификации остаются высокими.Исторически «эффект масштаба» приводил к снижению цен, но огромные капитальные вложения, необходимые для крупных заводов, и сопутствующие им финансовые риски стали серьезными препятствиями для проникновения на рынок. Предполагается, что меньшие по размеру и модульные системы газификации снизят затраты за счет принципа интенсификации процесса. Кроме того, за счет использования интенсификации реакции, передовых методов производства и современных материалов, а также улучшенных конструкций реакторов, новые модульные системы имеют потенциал для дальнейшего снижения затрат и повышения производительности.Модульные заводы по преобразованию энергии на основе газификации, которые имеют гибкие подходящие размеры, конфигурацию и расположение, чтобы использовать преимущества местных трудовых ресурсов и использовать сырье, состоящее из недорогого угля, угольных отходов, угольной мелочи, биомассы, ТБО и пластиковых отходов, можно оптимизировать для снабжают местные и нишевые рынки электроэнергией, комбинированным производством тепла и электроэнергии и производством топлива, тем самым обеспечивая значительные воздействия и выгоды для конкретной площадки.

Газификация угля и биомассы как чистого углеродно-отрицательного источника энергии для экологически чистого производства электроэнергии в Китае

Значение

Развертывание систем газификации угля и биоэнергетики с улавливанием и хранением углерода (CBECCS) дает Китаю многообещающие возможности для реализации его цели по сокращению выбросов углерода и загрязнению воздуха одновременно. Мы провели всестороннюю оценку технологии CBECCS для Китая, уделяя особое внимание конфигурации установок и топлива (например, соотношению биомассы) и экономике, а также CO ₂ и выбросам парниковых газов и сопутствующим преимуществам для качества воздуха. Мы находим значительные возможности для снижения выбросов углерода с помощью дополнительных преимуществ для качества воздуха от развертывания систем CBECCS в регионах, которые одновременно богаты пожнивными остатками и сталкиваются с неотложными потребностями в ограничении серьезного загрязнения воздуха. Таким образом, исследование предоставляет важную информацию для политиков, стремящихся использовать возможности использования энергии CBECCS с отрицательным выбросом углерода.

Abstract

Реализация цели Парижского соглашения по ограничению глобального потепления до 2 ° C к концу этого столетия, скорее всего, потребует внедрения углеродно-отрицательных технологий. Особенно важно, чтобы Китай, как крупнейший в мире эмиттер углерода, избегал привязки к углеродоемким технологиям производства электроэнергии с использованием угля и осуществлял плавный переход от производства электроэнергии с высоким содержанием углерода к производству электроэнергии с отрицательным выбросом углерода. Мы сосредоточены здесь на использовании комбинации угля и энергии биомассы для производства электроэнергии в Китае с использованием интегрированной системы цикла газификации в сочетании с улавливанием и хранением углерода (CBECCS).Такая система также снизит выбросы загрязняющих веществ в атмосферу, что будет способствовать достижению ближайшей цели Китая по улучшению качества воздуха. Мы оцениваем цены на производство электроэнергии с помощью шинопровода для CBECCS с соотношением компонентов растительных остатков от 0 до 100%, а также сопутствующие затраты на снижение выбросов углерода и сопутствующие выгоды для качества воздуха. Мы обнаружили, что системы CBECCS, использующие долю растительных остатков 35%, могут производить электроэнергию с нулевыми чистыми выбросами парниковых газов в течение всего жизненного цикла при нормированной стоимости электроэнергии не более 9.2 цента США за киловатт-час. Цена на углерод около 52,0 долларов США за тонну сделает CBECCS конкурентоспособным по стоимости с электростанциями, работающими на пылевидном угле. Таким образом, наши результаты предоставляют критически важную информацию для разработки стратегии CBECCS в Китае, чтобы использовать краткосрочные побочные выгоды для качества воздуха, закладывая основу для достижения отрицательных выбросов углерода в долгосрочной перспективе.

Внедрение углеродно-отрицательных технологий, вероятно, сыграет важную роль в достижении долгосрочных целей по снижению выбросов углерода.В Парижском соглашении об изменении климата поставлены амбициозные цели: удержать повышение средней глобальной температуры до уровня ниже 2 ° C и продолжить усилия по ограничению повышения температуры до 1,5 ° C (1). Многие сценарии смягчения последствий были разработаны с использованием моделей комплексной оценки для изучения возможных путей достижения целей, поставленных в Париже. Общей чертой всех сценариев стабилизации климата, исследованных в отчете Межправительственной группы экспертов по изменению климата с температурой 1,5 ° C (2), является то, что широкомасштабное применение углеродно-отрицательных технологий, особенно биоэнергетики с улавливанием и хранением углерода (BECCS), будет быть необходимым во второй половине века (3). Хотя масштаб мощности BECCS варьируется, во всех этих сценариях требуется некоторое развертывание технологии BECCS для достижения значительного сокращения выбросов парниковых газов (ПГ) (4).

Хотя важность технологий с отрицательными выбросами широко признана, прогресс в продвижении внедрения BECCS был медленным. Учитывая, что первые в своем роде установки, скорее всего, будут слишком дорогими без существенных государственных субсидий, вскоре должны начаться выкуп и обучение на практике, чтобы BECCS была готова к несубсидируемому и повсеместному развертыванию к середине века.Кроме того, из-за сложности отмены существующих обязательств в отношении недорогих новых угольных электростанций во многих развивающихся странах, потребность в углеродно-отрицательных технологиях производства электроэнергии становится еще более острой для компенсации выбросов, ожидаемых от этих электростанций.

Существующие исследования BECCS часто сосредоточены на двух технологических путях преобразования биоэнергии в жидкое топливо: ( i ) посредством биохимических процессов, таких как производство биоэтанола с ферментацией (5), и ( ii ) посредством термохимических процессов, таких как газификация в сочетании с обработкой Фишера – Тропша (6, 7) или пиролиз с катализом и улучшением качества (8). Что касается биохимического пути, хотя существуют проверенные технологии преобразования сахаров и зерна в этанол, BECCS с использованием биохимических процессов сталкивается с такими проблемами, как ограничения землепользования и проблемы продовольственной безопасности (5). Напротив, термохимические процессы, в которых растительные остатки используются в качестве топлива, были предложены в ряде исследований как более многообещающий вариант снижения выбросов углерода (9, 10). Однако наиболее важным препятствием в этом случае, по крайней мере в ближайшей перспективе, является конкуренция со стороны стабильно низких цен на нефть (9, 11, 12).

Этот анализ фокусируется на альтернативном пути, который основан на термохимическом преобразовании угля и биомассы сельскохозяйственных культур для выработки электроэнергии. В частности, смеси угля и растительных остатков используются в качестве топлива для интегрированной системы комбинированного цикла газификации (IGCC) для производства электроэнергии. Благодаря этому процессу, выбросы CO ₂ концентрируются и готовы к использованию CCS (далее именуемой CBECCS для обозначения энергозатрат угля и биомассы). Этот путь имеет множество преимуществ.CBECCS производит большое количество электроэнергии для базовой нагрузки, которую можно легко интегрировать в существующие рынки электроэнергии. Он также обладает гибкостью в отношении соотношения угля и биомассы, интенсивности углерода и масштабов обработки. Обе функции удобны для немедленного развертывания и в долгосрочной перспективе способствуют коммерциализации.

Здесь мы используем Китай в качестве важного тестового примера по двум причинам. Во-первых, технология CBECCS дает Китаю возможность одновременно решать свои долгосрочные климатические проблемы и краткосрочные проблемы загрязнения воздуха (13).Как крупнейшая страна-эмитент CO ₂ , Китай в 2015 году внес 9,6 гигатонн (Гт) связанных с энергетикой выбросов CO ₂ (в основном из угля), что составляет 26,4% от общих мировых выбросов (14, 15). Китай также пообещал в Парижском соглашении достичь пика выбросов углерода к 2030 году или ранее, снизить углеродоемкость на 60-65% и к тому же времени увеличить потребление неископаемой энергии до 20% от общего потребления первичной энергии (16). Таким образом, системы CBECCS могут способствовать приверженности Китая декарбонизации своей энергетической системы.Кроме того, в отличие от традиционных угольных электростанций, системы CBECCS также удаляют почти все твердые частицы (включая твердые частицы с аэродинамическим диаметром менее 2,5 мкм, PM _2,5 ), оксиды азота (NO _x ). ) и диоксид серы (SO ₂ ) из синтез-газа перед инициированием процесса горения для выработки электроэнергии (6, 17, 18). В результате выбросы ТЧ _2,5 , NO _X и SO ₂ на киловатт-час на заводе CBECCS значительно ниже, чем выбросы от электростанций, работающих на пылевидном угле (ПК).Кроме того, сжигание растительных остатков (на открытых полях и в сочетании с приготовлением пищи и обогревом в жилых помещениях) в настоящее время является важным источником загрязнения воздуха внутри и снаружи помещений в Китае (19, 20). Используя растительные остатки в качестве топлива, системы CBECCS могут избежать загрязнения воздуха и воздействия на здоровье, связанного с сжиганием биомассы, как показано ниже. Таким образом, внедрение CBECCS может принести локальные краткосрочные дополнительные выгоды для качества воздуха, одновременно облегчая плавный переход к углеродно-нейтральной и, в конечном итоге, углеродно-отрицательной электроэнергетической системе в будущем.

Во-вторых, в то время, когда глобальное развертывание CCS, похоже, замедляется, Китай выделяется как особенно многообещающая возможность улучшить улавливание CO ₂ посредством газификации, которая является ключевым компонентом CBECCS. Среди трех подходов к улавливанию CO ₂ — предварительное сжигание (например, посредством газификации), последующее сжигание и улавливание кислородным сжиганием — продвигается только последующее сжигание, в частности, благодаря проекту модернизации системы CCS Petra Nova в Техасе, который был запущен в 2017 г. . Два других подхода на сегодняшний день не очень продвинулись.Однако, хотя многие запланированные или инициированные проекты IGCC-CCS в других местах были отменены, демонстрационный проект GreenGen IGCC в Китае является исключением; I фаза успешно эксплуатируется 7 лет, с 2012 г. (22). Фаза II планируется начать в 2020-х годах с целью окончательной интеграции ключевых технологий, включая IGCC и захват, использование и хранение CO ₂ (22). Таким образом, Китай и его проект GreenGen могут предложить многообещающую возможность в ближайшем будущем усовершенствовать технологию газификации угля и биомассы с помощью CCS.

В этом исследовании используется целостный подход к оценке экономической эффективности, потенциала снижения выбросов углерода и преимуществ для качества воздуха от развертывания систем CBECCS с использованием растительных остатков в Китае. На основе моделирования систем CBECCS с использованием Aspen Plus (11, 23) поток энергии и углеродный след оцениваются для всех процессов термохимического преобразования. Затем мы оцениваем их экономическую конкурентоспособность по сравнению с установками для сверхкритического ПК (SC-PC) при различных ценах на углерод. Кроме того, мы количественно оцениваем сопутствующие преимущества для качества воздуха от развертывания систем CBECCS мощностью 150 ГВт в континентальном Китае (на основе прогнозируемого масштаба будущих добавок угля), в которых используется около 24.3% имеющихся пожнивных остатков ( SI Приложение , Таблица S8).

Мы выделяем три вывода. Во-первых, при массовой доле пожнивных остатков в топливной смеси угля и биомассы более 35% системы CBECCS могут вырабатывать электроэнергию с нулевыми чистыми выбросами парниковых газов в течение жизненного цикла (в эквиваленте CO ₂ ). Во-вторых, когда цена на углерод достигает 52,0 долл. США за тонну CO ₂ , системы CBECCS с нулевыми выбросами парниковых газов становятся экономически конкурентоспособными по сравнению с традиционными электростанциями на базе ПК, при нормированной стоимости электроэнергии (LCOE) примерно 9. 2 цента США за киловатт-час. На конкурентоспособность систем CBECCS также сильно влияет цена биомассы. Наконец, внедрение систем CBECCS может значительно снизить выбросы загрязняющих веществ в атмосферу и улучшить качество воздуха. Например, в сильно загрязненном регионе Северного Китая потенциальное сокращение количества загрязнителей воздуха (SO ₂ , NO _X и первичных PM _2,5 ) в результате развертывания ~ 24,3 ГВт систем CBECCS может привести к 6,8% снижение среднегодовой PM _2.5 в 2015 году. Одна только эта мера может способствовать более чем 27% целевого показателя сокращения загрязнения, который был объявлен для части Пекин-Тяньцзинь-Хэбэй (BTH) в регионе Северного Китая в Плане действий по предотвращению и контролю Загрязнение воздуха выпущено Государственным советом Китая. В то время как системы CBECCS в настоящее время связаны с относительно высокими затратами, проблемы загрязнения воздуха являются дополнительным стимулом для раннего развертывания и могут способствовать долгосрочному снижению затрат по мере продвижения обучения.

Результаты

От угля / биомассы до синтез-газа и электроэнергии.

Система CBECCS начинается с процесса газификации, в котором твердое сырье из угля и биомассы превращается в газообразное топливо, то есть синтез-газ, состоящий в основном из H ₂ , CO и CO ₂ (24) _. Мы рассматриваем газогенератор с увлеченным потоком (EF), который обычно работает при высоких температурах (от 1300 до 1500 ° C), так что почти вся смесь угля и биомассы в сырье (более 99.5%) газифицируется (11, 23). Процесс высокотемпературной газификации эффективен для восстановления смол, что делает его более устойчивым, чем традиционные электростанции, к неоднородности сырья (25, 26). Кроме того, вариант газификации позволяет значительно снизить выбросы загрязняющих веществ в атмосферу по сравнению с прямым сжиганием этих видов топлива (27). Сырье твердого топлива частично окисляется в процессе, а не только обеспечивает энергию для эндотермических реакций в газогенераторе, которые генерируют CO и H ₂ (рис. 1), но и компенсируя потери энергии в системе (25, 28).

Производительность систем CBECCS при массовых соотношениях смешивания биомассы от 0 до 100%. ( A ) Процесс газификации: состав синтез-газа (CO, H ₂ и CO ₂ ) и связанные с ним эффективности преобразования энергии (отношение выходной энергии к входящей при более низкой теплотворной способности, LHV). ( B ) Процесс WGS: производство CO, H ₂ и CO ₂ и связанная с этим эффективность преобразования энергии.( C ) Общая эффективность производства электроэнергии: затраты энергии из угля и биомассы, а также чистая и валовая эффективность производства электроэнергии в системах CBECCS.

Рис. 1 A иллюстрирует результаты моделирования газификации EF с соотношением компонентов биомассы растительных остатков (CrB) в диапазоне от 0 до 100%. Сохраняя постоянным общее количество потребляемой энергии из угля и пожнивных остатков, мы обнаруживаем увеличение отношения CO ₂ в выходящих газах по мере увеличения доли биомассы. Между тем, эффективность преобразования снижается с ~ 81,8 до 75,2% с увеличением доли биомассы. Из-за относительно высокого содержания влаги и летучих веществ, содержащихся в биомассе ( SI Приложение , Таблица S6), и большего вклада кислородсодержащих химических связей (например, C – O, C = O и O – H) по сравнению с углем, более высокая доля биомассы требует дополнительной энергии в процессе газификации для разрыва этих связей. Кроме того, при более высоких соотношениях биомассы газификация сырья дает немного более высокое содержание H ₂ и более низкое содержание CO в синтез-газе, что обусловлено более высоким содержанием влаги в биомассе (25).Полученный синтез-газ в конечном итоге используется в процессе сгорания для выработки электроэнергии.

В процессе конверсии воды и газа (WGS) (CO + h3O↔CO2 + h3, ΔH (298K) = — 41,2 кДж / моль) большая часть углерода, содержащегося в сырье, превращается в CO ₂ . Концентрации CO ₂ , произведенные в процессе WGS, увеличиваются с 4% (3,7 ~ 4,3%) до 26% (24,9 ~ 27,4%) ( SI Приложение , таблицы S3 и S4). Поскольку процесс WGS является экзотермическим, синтез-газ на выходе из газификатора EF предварительно охлаждается с примерно 1300 ° C до 200 ° C путем гашения воды для облегчения реакции в прямом направлении (23).Приблизительно 16,0% энергии в сырье рекуперируется в виде пара от газификации и процесса WGS, который может быть направлен в систему парогенератора с рекуперацией тепла (HRSG) для повышения общей эффективности производства электроэнергии. Эффективность преобразования WGS демонстрирует тенденцию к небольшому увеличению в зависимости от увеличения доли поступающей биомассы (Рис. 1 B ). Это отражает тот факт, что дополнительные уровни биомассы приводят к более низкому содержанию CO в синтез-газе, полученном при газификации, снижая требования к нагрузке для реакции WGS.

Сдвинутый синтез-газ состоит в основном из H ₂ (от 35,6 до 40,1%), CO ₂ (от 24,9 до 27,4%) и H ₂ O (от 31,2 до 38,2%). CO ₂ и другие кислые газы, включая H ₂ S и COS, удаляются из смещенного синтез-газа с использованием метода Rectisol с использованием метанола в качестве рабочего тела (23). Во время процесса удаления кислого газа (AGR) требуется дополнительная энергия для термической регенерации растворителя и циклов абсорбции / десорбции CO ₂ .Примерно от 6,4 до 11,6% валовой выработки электроэнергии потребляется внутри блока разделения воздуха для отделения кислорода и для AGR для сжатия потока CO ₂ до 150 бар для использования (например, для увеличения нефтеотдачи или подготовки к окончательному использованию). секвестрация). SI Приложение , таблица S5 суммирует состав сырья и выбросы CO ₂ на киловатт-час при условии, что уровень улавливания CO ₂ составляет около 90%.

Как показано на рис.1 C , как валовая, так и чистая эффективность производства электроэнергии системой CBECCS несколько снижается с увеличением доли биомассы в сырье. Хотя добавление биомассы требует меньше энергии для подготовки сырья и улавливает больше тепла ПГРТ по сравнению с углем, высокое содержание влаги в биомассе требует большего количества кислорода при газификации и приводит к улавливанию большего количества CO ₂ по сравнению с углем. единственный случай, CBECCS-CrB0 (Рис. 1 B и SI Приложение , Таблицы S4 и S5).Из-за высокого внутреннего энергопотребления системы CBECCS могут производить электроэнергию с чистым КПД от 32,16 до 35,70%, что ниже, чем у современных электростанций с ПК без улавливания CO ₂ (~ 42,7%) (22, 29).

Прямой углерод и следы выбросов парниковых газов в течение всего жизненного цикла.

Мы оцениваем прямые выбросы CO ₂ и выбросы парниковых газов в течение жизненного цикла (измеренные в эквиваленте CO ₂ ) для систем CBECCS и сравниваем их с выбросами ПК и угольных электростанций IGCC в Китае.Прямые выбросы CO ₂ происходят только при сжигании угля на электростанциях (столбцы на рис. 2), в то время как выбросы парниковых газов в течение жизненного цикла (квадраты на рис. 2) включают также выбросы парниковых газов от предварительной обработки. угля и биомассы перед поступлением в энергосистемы ( SI Приложение , раздел S3) (30, 31). Сжигание биомассы не влияет на выбросы CO ₂ , поскольку содержание углерода в биомассе поступает из атмосферы в результате фотосинтеза.

Прямые выбросы CO ₂ и выбросы парниковых газов в течение жизненного цикла из систем CBECCS, угольных электростанций (PC) и станций IGCC без CCS. Столбики представляют собой прямые выбросы CO ₂ . Квадраты представляют выбросы парниковых газов в течение жизненного цикла, выраженные в эквиваленте CO ₂ .

Мы рассматриваем диапазон соотношений биомассы для системы CBECCS, включая случай, связанный только с углем, обозначенный как CBECCS-CrB0 (т.е. 0% растительных остатков), и четыре случая с 20%, 35%, 70% и 100% биомассы обозначены как CBECCS-CrB1 — -CrB4, соответственно (более подробная информация приведена в SI Приложение , Таблица S2).Оценка диапазона соотношений биомассы для CBECCS является оправданной, потому что переход тепловой энергетической системы Китая с преобладанием угля на растущую зависимость от топлива из биомассы должен происходить постепенно из-за проблем с осуществимостью (–), учитывая время, необходимое как для создания эффективного система сбора пожнивных остатков в больших масштабах и внесение изменений в цепочки поставок угля (например, шахты и транспорт), а также ( ii ) институциональные и политические причины для смягчения сопротивления со стороны действующих групп угольных интересов.

По сравнению с установками ПК и традиционным IGCC без CCS (черные полосы), на рис. 2 приведены выбросы парниковых газов в течение жизненного цикла (в эквиваленте CO ₂ ), связанных с производством 1 кВтч электроэнергии из систем CBECCS с коэффициентами биомассы. от 0 до 100%. Электроэнергия с нулевым выбросом в виде прямого CO ₂ и парниковых газов жизненного цикла достигается при доле растительных остатков 20% и 35% в топливной смеси (или CBECCS-CrB1 и -CrB2), соответственно. С долей биомассы выше 35% системы CBECCS становятся технологиями производства электроэнергии с отрицательными выбросами не только с точки зрения прямого CO ₂ , но и с точки зрения парниковых газов жизненного цикла.

CO ₂ , полученный в качестве побочного продукта из систем CBECCS, может быть использован и хранится в истощенных газовых бассейнах, используется для увеличения добычи нефти или метана из угольных пластов или изолирован в соответствующих геологических резервуарах (например, в глубоких соленых осадочных формациях. ) (11, 32⇓⇓ – 35). Для сценария развертывания CBECCS (например, всего 150 ГВт), который будет обсуждаться позже, годовой объем CO ₂ , потенциально необходимый для секвестрации, составляет 129 мегатонн (Mt), 164 Mt, 169 Mt, 169 Mt, 94 Mt и 77 Mt. соответственно, для шести регионов материкового Китая, а именно Северного Китая, Северо-Востока, Восточного Китая, Южно-Центрального Китая, Юго-Запада и Северо-Запада, что незначительно по сравнению с доступными наземными геологическими хранилищами в Китае (т.е., менее 0,036% от общего числа хранилищ) (34, 36⇓ – 38).

Нормированные и предельные затраты на электроэнергию с отрицательным выбросом углерода.

Мы оцениваем LCOE для пяти различных соотношений смешивания биомассы (т. Е. От 0% в CBECCS-CrB0 до 100% в -CrB4) и сравниваем их с результатами для растений SC-PC и IGCC. Без цены на углерод LCOE увеличивается с 8,78 центов США за киловатт-час для CBECCS-CrB0 до 9,98 центов США за киловатт-час для CBECCS-CrB4. Электростанции SC-PC имеют самый низкий LCOE — 4.67 центов США за киловатт-час, что соответствует ценам на электричество с шинопроводами, которые в настоящее время доступны для сетевых компаний в Китае (39). Из-за низкого LCOE уголь был доминирующим топливом в электроэнергетической системе Китая, увеличившись с 1114 ТВтч в 2000 году до 4284 ТВтч в 2015 году (40). Результаты показывают, что при отсутствии налогов на выбросы углерода или регулирования, ограничивающего выбросы CO ₂ , развертывание заводов CBECCS с экономической точки зрения в настоящее время не было бы привлекательным в Китае.

Рис. 3 A иллюстрирует влияние цен на углерод на LCOE систем CBECCS. CBECCS-CrB1 связан с нулевыми прямыми выбросами углерода, и поэтому его LCOE не зависит от цены на углерод. Для заводов с положительными выбросами углерода, в частности SC-PC, IGCC и CBECCS-CrB0, LCOE увеличивается с ростом цен на углерод. Напротив, для заводов с отрицательными прямыми выбросами (т.е. CBECSS-CrB2 to -CrB4) LCOE снижается с ростом цен на углерод.Более того, наклоны становятся более крутыми с более высокими отношениями смешивания биомассы (например, от CBECCS-CrB2 до -CrB4), предполагая, что более высокие цены на углерод могут эффективно стимулировать переход систем CBECCS к более высоким отношениям биомассы в качестве входящего топлива.

Экономический анализ выработки электроэнергии системами CBECCS. ( A ) LCOE для угольных электростанций, электростанций IGCC и систем CBECCS с ценой на углерод от 0 до 60 долларов США за тонну CO ₂ . ( B ) Предельные затраты на производство электроэнергии как функция массовых соотношений цен биомассы и углерода.Предельная стоимость CBECCS-CrB4 становится отрицательной при цене углерода выше 100 долларов за тонну CO ₂ . ( C ) Безубыточная цена углерода, чтобы сделать системы CBECCS конкурентоспособными по стоимости с установками ПК, в зависимости от цен и массовых соотношений смешивания биомассы. Цветные линии — это изокванты с одинаковыми безубыточными ценами на углерод. Массовая доля биомассы в топливном запасе колеблется от 0 до 100%.

На основе LCOE мы находим безубыточную цену на углерод в 42 доллара.0 и 52,0 долл. США за тонну CO _2, , чтобы сделать CBECCS с нулевыми выбросами парниковых газов (то есть конфигурацию CBECCS-CrB2) конкурентоспособной по стоимости по сравнению с угольными установками IGCC и SC-PC, соответственно.

Предельная стоимость систем CBECCS зависит от затрат на топливо, эксплуатационных расходов и затрат на техническое обслуживание (O&M), а также цены на углерод. При цене на углерод в 100 долларов за тонну система CBECCS-CrB4 со 100% биомассой будет производить электроэнергию с отрицательным выбросом углерода с отрицательными предельными затратами. (Рис.3 B ).Примечательно, что при такой высокой цене на углерод и высоком относительном соотношении биомассы краткосрочные предельные затраты CBECCS могут быть ниже даже, чем затраты на возобновляемую электроэнергию (т. Е. Практически нулевые). Это означает, что при подходе к диспетчеризации с учетом требований, основанном на предельных затратах, CBECCS, как управляемый источник генерации, потенциально может иметь наивысший приоритет и отправляться первым среди всех источников генерации. Это может гарантировать высокий коэффициент мощности для блоков CBECCS, компенсируя соответствующие капитальные затраты и затраты на топливо.Однако в настоящее время решения об отправке в Китае не следуют процедурам экономического обоснования. Вместо этого правительство устанавливает фиксированные часы работы для каждого класса электростанций (41). В ближайшем будущем, поскольку CBECCS также использует уголь, вполне возможно, что электростанции CBECCS смогут следовать существующим правилам и практикам для угольных электростанций с гарантированными часами работы. В долгосрочной перспективе, по мере того, как Китай продолжает текущую рыночную реформу электроэнергетического сектора (41, 42), переход к диспетчеризации по критериям качества может лучше отражать экономику и отдавать приоритет электроэнергии с отрицательной стоимостью, вырабатываемой из CBECCS с высокой ценой на углерод и соотношение биомассы.

Однако цена биомассы может зависеть от множества факторов, включая радиус сбора и затраты на транспортировку и хранение (более подробное обсуждение в SI Приложение , раздел S2.2). Здесь мы исследуем, при различных соотношениях биомассы, как цены на биомассу повлияют на безубыточную цену углерода, то есть уровень, на котором CBECCS-CrB2 становится рентабельным по сравнению с установками SC-PC (рис. 3 C). ). При отсутствии топлива из биомассы (например, CBECCS-CrB0) безубыточная цена углерода составляет около 63 долларов за тонну CO ₂ , независимо от цены биомассы.Как показано на рис. 3 C , при цене биомассы ниже 80 долларов за тонну безубыточная цена на углерод снижается в зависимости от соотношений смешивания биомассы. Это указывает на то, что добавление биомассы к сырью приводит к снижению затрат на сокращение выбросов CO ₂ . Например, при текущей цене растительных остатков 50 долларов за тонну безубыточная цена на углерод снижается с 63 долларов за тонну для CBECCS-CrB0, который использует только уголь, до 52 долларов за тонну для CBECCS-CrB2 с коэффициентом смешивания биомассы 35. %.Однако, если цена биомассы превысит 80 долларов за тонну, безубыточная цена углерода увеличится с увеличением доли биомассы.

Снижение выбросов углерода и повышение качества воздуха.

По сравнению с установками ПК или прямым сжиганием биомассы, производство электроэнергии с помощью систем CBECCS имеет более низкие выбросы углерода и загрязняющих веществ в атмосферу. Чтобы пролить свет на потенциальные выгоды для углерода и качества воздуха от развертывания CBECCS, мы разработали контрфактический сценарий на 2015 год, в котором CBECCS развертываются для вытеснения недавно построенных в Китае заводов по производству ПК, которые в основном являются сверхкритическими и сверхсверхкритическими установками.В мире с ограниченными выбросами углерода этим молодым угольным станциям, возможно, потребуется досрочно выйти из эксплуатации к середине века — вероятному временному горизонту, когда CBECCS может начать играть более важную роль. В частности, мы разрабатываем сценарий, в котором развернуты в общей сложности 150 ГВт установок CBECCS с нулевыми выбросами ПГ (CBECCS-CrB2), исходя из масштаба прогнозируемых добавок угля Международным энергетическим агентством (43). В частности, мы предполагаем, что около 24,3% пожнивных остатков, имеющихся в материковом Китае, используются в качестве входящего топлива, что, таким образом, может поддерживать развертывание и эксплуатацию 366 установок CBECCS с нулевыми выбросами парниковых газов (т.е., CBECCS-CrB2) мощностью 410 МВт каждая (44). При коэффициенте мощности 80% для CBECCS этот сценарий может заменить 1051 ТВтч электроэнергии, вырабатываемой угольными электростанциями, что эквивалентно 18,1% от общего объема электроэнергии, произведенной в Китае в 2015 году (40). Замещение этого количества угольной электроэнергии, производимой сверх- или сверхкритическими установками, может снизить годовые выбросы CO ₂ на целых 0,88 Гт, что эквивалентно 9,3% от общих выбросов углерода в Китае (9,6 Гт) в 2015 году (рис.4).

Сокращение общих годовых выбросов загрязнителей воздуха, достигаемое сценарием развертывания CBECCS-CrB2 при массовом соотношении биомассы 35%: ( A ) SO ₂ , ( B ) NO _X , ( C ) PM _2,5 и ( D ) BC. Мы представляем результаты для шести регионов материкового Китая: Северного Китая (NC), Северо-Востока (NE), Восточного Китая (EC), Южно-Центрального Китая (SCC), Юго-Запада (SW) и Северо-Запада (NW). Столбики представляют собой сокращения выбросов от замены угольных электростанций (ПК) системами CBECCS и от отказа от OBB и DBB.

Помимо потенциального вклада в борьбу с выбросами углерода, развертывание систем CBECCS для вытеснения производства угля может также привести к сокращению традиционных выбросов загрязняющих веществ в атмосферу, что, таким образом, будет способствовать достижению ближайших целей Китая по контролю за загрязнением воздуха (13). Развертывание CBECCS снижает загрязнение воздуха двумя способами: ( i ) вытесняют выработку электроэнергии на угле и связанное с этим загрязнение воздуха и ( ii ) избегают биомассы, которая в противном случае могла бы потребляться более загрязняющими способами, такими как открытое сжигание биомассы (OBB) и сжигание биомассы в домашних условиях (DBB).Традиционно для китайских фермеров 17-25,6% пожнивных остатков сжигаются на поле (10, 27, 28). Таким образом, OBB является основным источником загрязнения воздуха, особенно прямых выбросов твердых частиц, включая черный углерод (BC). Наши результаты показывают, что предусмотренный здесь сценарий развертывания может способствовать значительному сокращению первичных загрязнителей воздуха, включая NO _X , SO ₂ , PM _2,5 и BC, во всех регионах, особенно в Северном и Восточном Китае, где смог. эпизоды с высоким уровнем загрязнения воздуха случаются часто ( SI Приложение , рис.S5).

Например, развертывание систем CBECCS-CrB2 мощностью 24,3 ГВт в Северном Китае может снизить выбросы SO ₂ на 169,3 килотонн (кт), NO _X на 132,4 кт, первичных PM _2,5 на 225,2 кт и BC на 8,8 кт, что эквивалентно соответственно 5,2%, 3,6%, 12,2% и 3,8% общих региональных выбросов в 2015 году. На основе моделирования качества воздуха с использованием метеорологического исследования и прогнозирования — многомасштабного уровня качества воздуха сообщества (45) шкала сокращение выбросов загрязняющих веществ в атмосферу, достигаемое с помощью сценария развертывания CEBCCS-CrB2, может снизить среднегодовую концентрацию PM _2.5 на 6,8% в регионе Северного Китая (19). Чтобы поместить это в контекст, Китай поставил цель снизить среднегодовую концентрацию PM _2,5 на 25% в регионе BTH на севере Китая с 2012 по 2017 год, как объявлено в опубликованном Плане действий по предотвращению и контролю загрязнения воздуха. Государственного совета Китая. Наш сценарий CEBCCS-CrB2 может достичь более 27,2% от этого целевого показателя сокращения PM _2,5 . Учитывая, что стоимость ВВП для реализации плана действий для региона BTH в 2017 году была оценена примерно в 61 миллиард долларов, потенциальная экономия, которую может дать развертывание CBECCS на затратах на борьбу с загрязнением воздуха, может быть значительной (46, 47).Ожидается, что процентное снижение концентраций PM _2,5 будет еще больше зимой, когда сжигание биомассы в жилых помещениях вносит значительный вклад в эпизоды серьезного загрязнения воздуха в Китае (48). Кроме того, поскольку выбросы СУ вносят свой вклад как в загрязнение воздуха, так и в локальное воздействие на климат (в виде нагревающего аэрозоля), сокращение выбросов СУ за счет развертывания CBECCS приведет к уменьшению загрязнения, а также к снижению потепления.

Обсуждение

Пути развертывания CBECCS в Китае.

Развертывание систем CBECCS, использующих растительные остатки в качестве сырья для биомассы, представляет собой беспроигрышную стратегию по сокращению загрязнения воздуха и выбросов углерода в Китае (49, 50). Внедрение CBECCS в Китае может иметь четыре основных преимущества: ( i ) CBECCS может в конечном итоге достичь отрицательных выбросов парниковых газов при увеличении соотношения биомассы; ( ii ) OBB / DBB и связанного с ним загрязнения воздуха можно было бы избежать, используя биомассу в качестве топлива для системы CBECCS; ( iii ) фермеры могут получить дополнительную компенсацию от продажи биомассы из остатков сельскохозяйственных культур, что может принести пользу экономическому развитию сельских районов; и ( iv ) по сравнению с другими странами или регионами, такими как Соединенные Штаты и Европейский Союз, капитальные и эксплуатационные затраты на систему CBECCS, вероятно, будут намного ниже в Китае, обеспечивая более низкую возможность развертывания (22 , 51).Хотя наш анализ сосредоточен на Китае, многие страны развивающегося мира, такие как Бразилия и Индия, также сталкиваются с проблемой изменения климата, а также серьезного загрязнения воздуха в результате сжигания биомассы. Дорожная карта CBECCS в Китае, следовательно, также имеет эталонное значение для развивающегося мира, чтобы использовать сопутствующие выгоды от снижения как загрязнения воздуха, так и выбросов CO ₂ .

Чтобы добиться большей роли CBECCS в долгосрочной стратегии декарбонизации Китая, краткосрочное развертывание может быть сосредоточено на нескольких провинциях, которые имеют большие запасы биомассы и возможности для связывания CO ₂ с одной стороны, а также с другой стороны, под давлением необходимости ограничить местное использование угля и уменьшить загрязнение воздуха.Как показано в Приложении SI , рис. S4 и таблице S8, производство пожнивных остатков в Китае сконцентрировано, в частности, в двух зернопроизводящих районах, а именно в регионе Хуан-Хуай-Хай и на Северо-восточной равнине. Пять районов Китая с наибольшей плотностью посевов расположены в 10 провинциях, которые также имеют большой местный спрос на электроэнергию и страдают от серьезного местного загрязнения воздуха ( SI Приложение , Таблица S17) (40). Кроме того, бассейны Хуабэй и Ювань, охватывающие провинции Хэбэй, Хена, Шаньдун и Аньхой, обладают значительными способностями по улавливанию CO ₂ , оцениваемыми в 264 Гт и 186 Гт, соответственно ( SI Приложение , Таблица S18).Исходя из этих критериев, мы предполагаем, что четыре провинции — Шаньдун, Хэнань, Хэбэй и Аньхой — могут быть кандидатами на раннюю демонстрацию и первоначальное развертывание CBECCS. Эти провинции обладают достаточным запасом пожнивных остатков, обильными мощностями по улавливанию CO ₂ , большим существующим парком тепловых генераторов и значительными локальными выбросами углерода и загрязнителей воздуха (Рис. 4 и SI Приложение , Рис. S5 и Таблица S8. ). Развертывание систем CBECCS в этих провинциях могло бы использовать местные растительные остатки и ограничить загрязнение воздуха и в то же время увеличить производство зеленой электроэнергии.

Для широкомасштабного внедрения технологии CBECCS в Китае потребуется преодоление ряда препятствий, включая управление рисками и неопределенностями, связанными с соответствующими технологиями, сбором биомассы и углеродной политикой. Во-первых, системы CBECCS зависят от сложной комбинации передовых технологий, включая газификацию EF, конверсию WGS, CCS и сжигание водорода в газовых турбинах. Хотя IGCC, ключевой компонент CBECCS, является зрелой технологией в США и Европе, ее применение в Китае все еще находится на стадии демонстрации.В Китае необходимы программы исследований и разработок и демонстрационные проекты, чтобы овладеть основными технологиями и получить опыт, чтобы избежать технических рисков (50).

Во-вторых, для обеспечения надежного снабжения биоэнергией в больших масштабах необходимо создать двухточечную сеть сбора биомассы в сельскохозяйственных и / или лесных районах для повышения эффективности сбора (6). Централизованно механизированный сбор урожая может не только снизить затраты на сбор пожнивных остатков, но и способствовать повышению продуктивности сельского хозяйства (52).Поскольку поставки биомассы колеблются в зависимости от сезона, также потребуются хранилища, чтобы гарантировать стабильную и надежную поставку топливного сырья для систем CBECCS. Некоторые меры предварительной обработки, такие как гранулирование и торрефикация, могут быть применены для уменьшения места для хранения и уменьшения рисков (53). Кроме того, переход с пожнивных остатков на более крупномасштабные и более надежные заменители, такие как лесная биомасса, может способствовать более стабильному предложению (54).

В-третьих, несмотря на значительно меньшие выбросы CO ₂ и загрязняющих веществ, капитальные и постоянные затраты на эксплуатацию и обслуживание систем CBECCS составляют 102.На 17% и 117,94% выше, чем у электростанций СК-ПК соответственно (22). Без цены на выбросы, особенно CO ₂ , CBECCS неэкономично конкурировать с традиционными угольными электростанциями в настоящее время и реализовывать связанные с ними углеродные и экологические выгоды. В Китае в декабре 2017 года было объявлено о создании национального углеродного рынка, начиная с электроэнергетического сектора, и в настоящее время планируется, что он будет полностью запущен в 2020 году. Он будет вводить цену на выбросы углерода, которая должна отдавать предпочтение низкоуглеродным технологиям, таким как CBECCS (6 ).Для достижения критической точки безубыточности потребуются дополнительные стимулы (около 52,0 долл. США за тонну CO ₂ ), чтобы эффективно способствовать крупномасштабному применению CBECCS.

Роль CBECCS как части широкой дорожной карты CCS для Китая.

В широком контексте разработки китайской стратегии CCS, помимо технологии улавливания CO ₂ до сжигания на основе газификации, которая находится в центре внимания данного исследования, улавливание после сжигания также рассматривается как многообещающий выбор технологии, особенно в качестве варианта модернизации существующего угля. обожженные растения (43).Успешные демонстрации в промышленных масштабах уже были реализованы в Китае и других странах (22). Тем не менее, модернизация существующих угольных электростанций влечет за собой логистические проблемы, такие как наличие поблизости хранилища CO ₂ и наличие на площадке достаточного пространства для добавления объектов дожигания. Для сравнения, поскольку темпы добавления новых угольных электростанций в Китае, по прогнозам, замедлятся в ближайшие десятилетия, рынок CBECCS посредством газификации, вероятно, будет включать замену угольных электростанций, которые будут выведены из эксплуатации к середине века или позже (55).Для согласованности с таким временным горизонтом в этом исследовании сравниваются экономические и экологические последствия CBECCS с наиболее передовыми угольными установками в настоящее время, то есть сверхкритическими и сверхсверхкритическими угольными установками.

Для информирования о долгосрочной дорожной карте Китая по CCS и о том, как следует разделить рынок CBECCS между подходами к газификации и дожиганию, директивным органам и инвесторам необходимо сравнить вариант строительства новых заводов CBECCS с использованием технологии улавливания до сжигания со стратегией модернизации или строительство угольных электростанций с использованием технологии совместного сжигания биомассы и улавливания после сжигания.Ответ на эти вопросы требует будущих исследований по оценке существующих угольных электростанций на уровне электростанций с точки зрения их площади и доступности воды для добавления и эксплуатации улавливающих установок после сжигания, а также связанных с этим изменений в затратах и ​​эффективности (43, 56, 57). Тогда вариант модернизации существующих заводов можно сравнить с вариантом строительства новых заводов, использующих подходы газификации или дожигания.

Хотя количественное сравнение выходит за рамки настоящего исследования, качественно CBECCS с газификацией имеет ряд преимуществ перед технологией дожигания.Что наиболее важно, хотя модернизация традиционных угольных блоков с помощью CCS после сжигания, безусловно, может снизить выбросы углерода, оно ограничено техническим пределом для коэффициента совместного сжигания биомассы, который, следовательно, ограничивает потенциал снижения выбросов углерода. В настоящее время доля биомассы в установках совместного сжигания биомассы / угля обычно ниже 5% и редко превышает 10% на постоянной основе, хотя совместное сжигание 20% технически возможно (58). Напротив, технология CBECCS может работать не только при высоких соотношениях биомассы, но и может обеспечить нулевые выбросы CO ₂ в течение жизненного цикла при таком низком соотношении биомассы, как 35%.Таким образом, учитывая конечную потребность в отрицательных выбросах углерода для решения климатических проблем, CBECCS посредством газификации предоставляет более многообещающую возможность для постепенного увеличения доли биомассы, тем самым закладывая основу для полного отказа от ископаемой энергии и производства электроэнергии с отрицательным углеродом в долгий пробег.

Методы

Система CBECCS была смоделирована с использованием программного обеспечения Apsen Plus с допущениями для имеющихся в настоящее время современных процессов. Было смоделировано 20 соотношений смешивания растительных остатков с уравновешиванием потоков массы и энергии на каждом этапе и подтверждено существующей литературой (11, 23).Блок-схема системы CBECCS для производства электроэнергии проиллюстрирована на рис. 5, а подробная информация о параметрах модели, входах и выходах материалов и энергии обобщена в приложении SI , таблицы S1 – S6.

Блок-схема системы CBECCS для производства электроэнергии с использованием технологии IGCC с CCS.

Выбросы парниковых газов от угля и биомассы в течение жизненного цикла в системах CBECCS оцениваются с использованием стандартной модели ISO (Международной организации по стандартизации) с учетом как эксплуатационных выбросов, так и выбросов выше по течению, связанных с производством, переработкой и транспортировкой угля и биомассы. .Подробные данные приведены в SI Приложение , раздел S3 (30, 59). Сопутствующие выгоды от снижения загрязнения воздуха оценивались для основных загрязнителей воздуха, включая SO ₂ , NO _X , PM _2,5 и BC. Коэффициенты выбросов этих видов для систем CBECCS, угольных электростанций, OBB и DBB были взяты из кадастра выбросов для загрязнения воздуха в Китае, разработанного Университетом Цинхуа и задокументированного в существующей литературе ( SI Приложение , таблицы S15 и S16). (10, 51, 60–62).

LCOE для CBECCS, угольного IGCC и традиционных электростанций были оценены с использованием финансовой модели движения денежных средств, разработанной для этого анализа. Экономические параметры для Nth of a kind CBECCS-CrB0 были взяты из тематического исследования проекта GreenGen (IGCC) в Тяньцзине, Китай, представленного Азиатским банком развития (22). Поскольку доля биомассы увеличивается с 0% в CBECCS-CrB0 до 100% в -CrB4, мы предполагаем, что капитальные вложения за ночь увеличатся на 10%, а фиксированные затраты на эксплуатацию и техническое обслуживание — на 30% (10, 63).Экономические параметры для различных энергоблоков и моделей движения денежных средств описаны в приложении SI , таблица S14. Цены на уголь в Китае были взяты на уровне 80 долларов за тонну на основе средней цены энергетического угля на Бохайском крае в период с 2017 по 2018 год (64), а цены на биомассу были оценены как функция расстояния транспортировки и плотности биомассы с параметрами, откалиброванными с использованием существующей литературы. ( SI Приложение , раздел S2.2) (65). Анализ чувствительности LCOE с точки зрения капитальных затрат, ставки дисконтирования и цен на топливо проиллюстрирован в приложении SI , рис.S3.

Настоящий анализ также количественно оценил влияние на LCOE различных технологий производства электроэнергии налогов на выбросы углерода в диапазоне от 0 до 60 долларов за тонну CO ₂ . Затраты на сокращение выбросов CO ₂ (CCO2) с использованием систем CBECCS по сравнению с электростанциями SC-PC были количественно определены с помощью следующего уравнения: CCO2 = PkWhCBECCS − PkWhPCECO2CBECCS − ECO2PC,

, где реализованные PkWhCBECCS и PkWCOhPC соответственно относятся к , системой CBECCS и установкой SC-PC, а ECO2CBECCS и ECO2PC указывают на выбросы CO ₂ , связанные с производством 1 кВтч электроэнергии с использованием электростанций CBECCS и SC-PC, соответственно.

Благодарности

Мы благодарим рецензентов за ценные и конструктивные предложения. Мы особенно благодарны одному из рецензентов за ее кропотливые усилия по критике нескольких версий рукописи и за поднятые вопросы, которые способствовали важному улучшению окончательной презентации. XL, LC, JX, SW и SC были поддержаны Национальной программой ключевых исследований и разработок 2016YFC0208901, Национальным фондом естественных наук Китая, проектами 71722003 и 716, Государственной лабораторией по охране окружающей среды, ключевой лабораторией источников и контроля загрязнения воздуха, Совместным инновационным центром для регионов. Качество окружающей среды, Государственная ключевая объединенная лаборатория моделирования окружающей среды и контроля загрязнения, и Volvo Group в исследовательском проекте Исследовательского центра зеленой экономики и устойчивого развития Университета Цинхуа; и H.W., Q.Y., C.P.N. и M.B.M. были поддержаны грантом Гарвардского глобального института Гарвардско-китайскому проекту «Китай 2030/2050: энергетические и экологические вызовы будущего».

Сноски

• Автор: X.L. и M.B.M. спланированное исследование; X.L. и L.C. проведенное исследование; X.L., L.C., J.X., S.W., S.C. и Q.Y. внесены новые реагенты / аналитические инструменты; X.L., L.C., H.W., W.P., Q.Y., C.P.N. и M.B.M. проанализированные данные; и X.L., L.C., H.W., W.P., J.X., S.W., B.S., C.P.N. и M.B.M. написал газету.

• Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

• Эта статья представляет собой прямое представление PNAS.

• Эта статья содержит вспомогательную информацию на сайте www.pnas.org/lookup/suppl/doi:10.1073/pnas.1812239116/-/DCSupplemental.

• Авторские права © 2019 Автор (ы). Опубликовано PNAS.

Обзор производства возобновляемого авиационного топлива путем газификации биомассы и остаточных отходов

Реферат

В данной статье рассматривается производство возобновляемого авиационного топлива из биомассы и остаточных отходов с использованием газификации с последующим кондиционированием синтез-газа и катализатором Фишера-Тропша синтез.Обсуждаются проблемы, связанные с газификацией отходов, а также краткое изложение традиционных и новых технологий газификации. Сообщается о методах кондиционирования синтез-газа, включая удаление твердых частиц, смол, серы, диоксида углерода, соединений азота, хлора и щелочных металлов. Недавние разработки в области синтеза Фишера-Тропша, такие как новые рецептуры катализаторов, описаны наряду с реакторными технологиями для производства возобновляемого авиационного топлива. Энергоэффективность и капитальные затраты на преобразование биомассы и остаточных отходов в авиационное топливо являются основными препятствиями на пути широкого внедрения.Следовательно, дальнейшее развитие передовых технологий будет иметь решающее значение для авиационной промышленности для достижения заявленных целей по сокращению выбросов парниковых газов к 2050 году.

Ключевые слова: Твердые бытовые отходы, биомасса, газификация, синтез-газ, реактивное топливо, химикаты

1. Введение

В качестве альтернативного источника жидкого топлива биотопливо приобретает все большее значение из-за его возобновляемости, благоприятных химических свойств и более низких выбросов в течение жизненного цикла. Этот обзор посвящен синтезу возобновляемого авиационного топлива из биомассы и остаточных отходов.До пандемии COVID-19 годовое потребление авиационного топлива составляло около 343 миллиардов литров, из которых только 0,015 миллиарда литров были получены из возобновляемых источников. При обычном сценарии развития событий доля авиационного сектора в глобальных выбросах парниковых газов, по прогнозам, вырастет до 5% к 2050 году ( ^{Takriti et al., 2017} ). Международная авиационная отрасль взяла на себя амбициозные цели в области изменения климата, включая углеродно-нейтральный рост с 2020 года и сокращение вдвое выбросов CO ₂ к 2050 году ( ^{IATA, 2015} ).Для достижения этих целей критически важно более широкое использование экологически безопасного авиационного топлива (SAF). В настоящее время пять производственных маршрутов одобрены стандартом ASTM D7566 ( ^{Morgan et al., 2019 , Pearlson et al., 2013} ): топливо с гидрогенизированными эфирами и жирными кислотами (HEFA), полученное из отработанного кулинарного жира животного происхождения. жиры, водоросли и растительные масла (например, камелина) (HEFA-SPK), топливо Фишера-Тропша (FT) с использованием ресурсов твердой биомассы (например, древесных остатков) (FT-SPK), топлива FT с ароматическими соединениями с использованием ресурсов твердой биомассы ( е.g., остатки древесины) (FT-SKA), синтетический изопарафин (SIP) из ферментированного гидрообработанного сахара, ранее известный как углеводородное топливо прямого преобразования сахара в углеводороды, которое может быть смешано до 10% (SIP-SPK) и Спиртово-реактивное топливо (ATJ), производимое из изобутанола, который может быть смешан до максимального уровня 30% (ATJ-SPK) ( ^{Министерство энергетики США, 2020} ). Маршруты основаны на пяти основных методах преобразования, как показано на . В данной статье рассматривается текущее состояние двух способов, которые включают синтез авиационного топлива из твердой биомассы и исходного сырья с использованием газификации и процесса FT.

Утвержденный и исследуемый способ производства биотоплива ( ^{Morgan et al., 2019} ).

В глобальном масштабе наиболее богатыми ресурсами биомассы являются древесина и древесные отходы, твердые бытовые отходы, а также отходы сельского хозяйства, лесного хозяйства и животноводства ( ^{Ahmad et al., 2016} ). Лигноцеллюлозная биомасса и остаточные отходы могут быть преобразованы в СНФ, как показано на . Во-первых, сырье предварительно обрабатывается и часто уменьшается в размерах, а затем газифицируется для получения синтез-газа, который очищается для удаления загрязняющих веществ и кондиционируется в соответствии с требованиями процесса FT.Затем длинноцепочечные углеводороды от FT подвергаются гидроочистке и гидрокрекингу для производства авиационного топлива, отвечающего требуемым спецификациям.

Блок-схема типового процесса преобразования биомассы в жидкости на основе синтеза Фишера-Тропша для производства авиационного топлива (из ^{de Klerk, 2016} ).

Основные проблемы производства экологически безопасного авиационного топлива из лигноцеллюлозной биомассы и остаточных отходов включают: 1) низкую энергетическую плотность сырья, 2) неоднородность сырья с точки зрения химического состава, физических свойств и содержания влаги, 3) сложность и высокую капитальные затраты на газификацию, газоочистку и процесс FT и 4) низкую углеродную эффективность всего процесса.Эти проблемы привели к тому, что было произведено очень небольшое количество SAF. Фактически, на сегодняшний день авиационная промышленность в основном сосредоточена на проведении испытаний, чтобы продемонстрировать интеграцию SAF в существующие цепочки поставок топлива и продемонстрировать характеристики топлива в самолетах. Однако в последние годы было объявлено и начато строительство ряда коммерческих проектов ( ^{Fulcrum Bioenergy [WWW Document], 2019 , Green Car Congress, 2019} ).

Чтобы добиться большего производства SAF из процесса FT, требуется дальнейшее развитие технологий компонентов для повышения эффективности и снижения затрат. В следующих разделах рассматривается текущее состояние газификации, очистки синтез-газа, катализа Фишера-Тропша и очистки продукта.

2. Газификация

Газификация — это термохимический процесс, который можно использовать для преобразования любого углеродсодержащего материала в синтез-газ, преимущественно CO и H ₂ .В промышленных масштабах газификация чаще всего проводится автотермически, путем реакции субстехометрического количества кислорода с углеродсодержащим сырьем при температурах в диапазоне 800–1200 ° C. Доступен широкий спектр технологий газификации ( ^{Basu, 2013 , Higman and van der Burgt, 2008} ). Было построено множество крупных проектов по переработке ископаемого топлива, такого как природный газ, уголь и нефтяной кокс, в синтез-газ, а затем в водород, аммиак и жидкости Фишера-Тропша ( ^{Bell et al., 2011 , Higman, 2017} ). Для синтетического авиационного топлива биомасса и остаточные отходы являются многообещающим сырьем из-за их возобновляемости и низкого углеродного следа, но сталкиваются с проблемами из-за высокой изменчивости состава и низкой плотности энергии. Недавно был рассмотрен вопрос о газификации отходов производства электроэнергии и химикатов ( ^{Perkins, 2020} ). Во всем мире 114 проектов газификации биомассы находятся в эксплуатации, еще 15 простаивают или приостановлены (например, пилотные проекты DP1 + DME и проекты Bio2G в Швеции), а 13 заводов в настоящее время строятся или планируются (т.e., KSV Koblenz в Германии) ( ^{IEA, 2020 , Molino et al., 2018} ). Из них 106 установок предназначены для производства электроэнергии, 24 установки используются для производства жидкого топлива, 8 установок используются для синтеза газообразного топлива, а остальные 7 установок используются для химического производства ( ^{Molino et al., 2018} ) .

2.1. Типы реакторов газификации

В зависимости от конфигурации газификаторы подразделяются на три основных типа: неподвижный слой, псевдоожиженный слой и увлеченный поток.Эти типовые газификаторы можно разделить на категории, показанные на . Газификаторы сухой золы с неподвижным слоем с восходящим или нисходящим потоком идеальны для мелкомасштабного сырья биомассы с мощностью <50 МВт тепл ( ^{Basu, 2013 , Sikarwar et al., 2016} ). Для необработанного сырья из обычных отходов используются условия высокотемпературного шлакования для плавления неорганических материалов. Газификаторы с псевдоожиженным слоем могут использоваться для обработки биомассы и отходов производного топлива (RDF) из предварительно обработанных исходных отходов, которые должны соответствовать спецификациям по размеру, составу и содержанию влаги ( ^{Molino et al., 2016} ). Газификаторы с псевдоожиженным слоем далее подразделяются на барботажные и циркуляционные ( ^{Sikarwar et al., 2017, ,} , ^{Sikarwar et al., 2016,} ). Циркуляционные псевдоожиженные слои в основном используются для биомассы, тогда как барботажные слои могут использоваться для обработки предварительно обработанных отходов, таких как RDF. Газификаторы с увлеченным потоком, которые можно классифицировать в зависимости от того, являются ли они восходящим потоком или нисходящим потоком, требуют, чтобы размер сырья был в микрометровом диапазоне, и обычно они работают при давлении 20-80 бар.Газификаторы с увлеченным потоком предназначены для переработки угля, хотя некоторые из технологий были протестированы для совместной переработки угля и биомассы ( ^{Basu, 2013} ). Предварительная обработка обычных отходов для удовлетворения требований газификаторов с унесенным потоком нецелесообразна. показывает сводку мировых заводов по производству жидкого топлива на основе биомассы.

Классификация газификаторов и коммерчески доступных технологий по типу сырья.

Таблица 1

Сводная информация о заводах по производству жидкого коммерческого топлива с использованием биомассы и отходов ( ^{Molino et al., 2018} ).

2.2. Предварительная обработка сырья

Биомасса и отходы могут быть перспективными источниками топлива для газификации.Однако они состоят из множества горючих и негорючих материалов. Например, твердые бытовые отходы (ТБО) состоят из бумаги, пластика, картона, дерева, текстиля, а также металлов, стекла и многих других материалов. Следовательно, для многих технологий газификации отходы необходимо предварительно обрабатывать, чтобы получить топливо, полученное из отходов. Предварительная обработка обычно включает удаление негорючих продуктов, таких как сталь, бетон и стекло, снижение содержания влаги и гомогенизацию отходов для минимизации эксплуатационных проблем.Обработка биомассы подразделяется на механическую и биологическую ( ^{Stapf et al., 2019} ). Биологическая обработка включает биостабилизацию и компостирование. Было проведено несколько исследований с использованием этих методов предварительной обработки, и были получены положительные результаты за счет снижения образования кокса и смолы при одновременном увеличении выхода синтез-газа ( ^{Fang, 2008 , Tanksale et al., 2007} ). Биомассу и отходы также можно предварительно обработать химическими методами для изменения органических и неорганических свойств сырья.Более подробную информацию можно найти в ^{Shahabuddin et al. (2020)} .

2.3. Технологии газификации биомассы и отходов

Как показано в, технологии газификации доступны для обработки широкого спектра угля, биомассы и отходов. В этом разделе описывается несколько технологий газификации, которые подходят для производства авиационного топлива путем газификации биомассы и твердых отходов.

2.3.1. Плазменная газификация

Принципиальная схема плазменного газификатора показана на .Газификатор работает при температуре выше 2500 ° C и может обрабатывать необработанные общие отходы, медицинские отходы и опасные отходы, а также обеспечивать полную конверсию углерода независимо от типа сырья. Исходное сырье для отходов подается сбоку или сверху большого сосуда с огнеупорной футеровкой и вступает в реакцию с воздухом и / или кислородом, вводимым через фурмы. Плазменные горелки предназначены для нагрева и плавления отходов с образованием жидкого расплава при температуре ~ 1600 ° C. Высокотемпературный синтез-газ собирается из верхней части газификатора при температуре ~ 950 ° C, что означает, что смолы превращаются и реформируются в более мелкие молекулы, такие как CO, H ₂ , CH ₄ и CO ₂ ( ^{Alter NRG, 2018} ).Горячий синтез-газ охлаждается перед тем, как пройти через процессы газоочистки и использовать для производства энергии, химикатов или биотоплива. Благодаря очень высокой температуре этот газификатор способен плавить любой неорганический материал в отходах, который выпускается в виде расплавленного шлака из нижней части газогенератора ( ^{Favas et al., 2017 , Pourali, 2010} ) . Однако из-за очень высоких температур и сложной конструкции капитальные затраты очень высоки. Кроме того, плазменным резакам может потребоваться до 40–50% вырабатываемой электроэнергии для поддержания процесса (Sierra ^{Energy, 2019} ).Технология также требует высоких затрат на обслуживание и эксплуатацию ( ^{Матвеев и др., 2013,} , ^, , ^{, Минутилло и др., 2009,} ). Несмотря на то, что для плазменной газификации сообщается о высокой эффективности холодной газификации ( ^{Mazzoni et al., 2017} ), полезный электрический КПД, как правило, низок из-за энергопотребления плазменных горелок и вспомогательных нагрузок. AlterNRG имеет четыре референсных проекта: два в Китае, один в Индии и один в Японии — все они предназначены для производства электроэнергии ( ^{Alter NRG, 2018} ).

Технология плазменной газификации для газификации общих отходов.

В последнее время плазменные резаки были интегрированы с традиционными технологиями газификации для обработки синтез-газа в процессе, называемом усовершенствованной технологией плазменного газогенератора ( ^{Nair et al., 2005, , Pemen et al., 2003,} ). В этой технологии обработанные и высушенные отходы и биомасса сначала газифицируются в обычном газогенераторе с псевдоожиженным слоем, который производит неочищенный синтез-газ и гудрон.Этот неочищенный синтез-газ и гудрон вместе с непревращенными твердыми частицами подают в плазменный реактор и подвергают дальнейшей реакции при очень высокой температуре с помощью плазменных горелок с получением относительно чистого высокотемпературного синтез-газа. Высокотемпературный синтез-газ (~ 1200 ° C), генерируемый плазменным реактором, затем передается в блок рекуперации тепла, где температура снижается примерно до 200 ° C. Тепло, регенерированное из блока рекуперации тепла, используется для генерации пара, который используется в качестве псевдоожижающей среды (реагента) в первом реакторе.Охлажденный синтез-газ затем используется либо для производства электроэнергии, либо для химического / биотопливного синтеза. Хотя эта плазменная технология обеспечивает очень высокие температуры и почти полностью разбивает сырье на CO и H ₂ , что приводит к получению чистого сырого синтез-газа, как и в случае с прямыми плазменными газификаторами, технология является дорогостоящей, и было построено и введено в эксплуатацию лишь несколько установок в эксплуатацию, в основном для обращения с медицинскими и опасными отходами.

Zhang et al. исследовали конверсию твердых бытовых отходов в условиях плазменной газификации в газификаторе с восходящим потоком и движущимся слоем при температуре до 6000 ° C ( ^{Zhang et al., 2012} ). Результаты показали, что увеличение мощности плазмы с 240 кВт до 260 кВт приводит к увеличению отношения H ₂ / CO с 1,5 до 2,0. Повышенное отношение H ₂ / CO с использованием более высокой мощности плазмы привело к более высокой температуре и увеличению крекинга гудрона. Теплотворная способность продуктовых газов составляла от 6 до 7 МДж / Нм ³ при различных рабочих условиях, а максимальная энергоэффективность была определена как 58%. Отношение H ₂ / CO при плазменной газификации было определено намного выше, чем при газификации при традиционной газификации с использованием воздуха, кислорода и пара ( ^{Seo et al., 2018} ).

При газификации опасных промышленных отходов в условиях плазменной газификации наблюдается, что отношение H ₂ / CO составляет примерно единицу. Исследование, проведенное Mountouris et al. показали аналогичный состав газа при использовании осадка сточных вод в условиях плазменной газификации ( ^{Mountouris et al., 2006,} , ^, , ^{, Moustakas et al., 2005,} ). Напротив, ^{Lemmens et al.} провел исследование с использованием RDF и сообщил о соотношении H ₂ / CO около 0.5 (2007). Качество синтез-газа при плазменной газификации зависит от типа и качества топлива, содержания влаги, используемого окислителя, мощности плазмы и других условий. Важным преимуществом плазменной газификации является возможность работы с топливом низкого качества, например с топливом с высоким содержанием влаги. Mountouris et al. показали, что плазменная газификация может выдерживать содержание влаги до 40 мас.% без ущерба для качества синтез-газа ( ^{Mountouris et al., 2006,} ). Однако такая гибкость обходится дорого, что может оказаться непомерно высоким, если целью является производство авиационного топлива из общих отходов.

2.3.2. Плавильная газификация

Плавильные газификаторы с неподвижным / подвижным слоем широко используются при газификации твердых отходов, и доступно несколько коммерческих технологий. Компания Nippon Steel & Sumikin Engineering Co. Ltd. разработала технологию газификации отходов системы прямой плавки (DMS) с использованием газификатора шахтного типа с подвижным слоем при атмосферном давлении ( ^{Tanigaki and Ishida, 2014} ). В этой технологии необработанные ТБО или RDF реагируют с обогащенным воздухом и коксом.Хотя построено более 38 установок DMS, все они подают синтез-газ в котел для выработки пара, и поэтому эту технологию необходимо адаптировать для производства синтез-газа для синтеза авиационного топлива ( ^{Tanigaki et al., 2013 , Танигаки и Исида, 2014,} ).

Компания Thermoselect разработала технологию газификации необработанных отходов в синтез-газ при температуре ~ 1200 ° C и образование расплавленного шлака. В процессе Thermoselect отходы уплотняются и подвергаются пиролизу в горизонтальном канале с внешним обогревом при 800 ° C ( ^{Schilli, 2004 , Perkins, 2020} ).Затем частично разложившиеся отходы поступают в вертикальную реторту и газифицируются кислородом при 1600 ° C, в то время как минеральные вещества нагреваются до более чем 2000 ° C с использованием кислорода и природного газа с образованием жидкого расплава, который выпускается из нижней части реактора. Система очистки и кондиционирования газа по технологии Thermoselect задействована и состоит из кислотного скруббера, щелочного скруббера, стадии удаления пыли, десульфуризации и осушки газа. Эффективность холодного газа для модуля газификации составляет 59% ( ^{Campbell, 2008} ).Девять заводов мощностью от 38 до 289 тыс. Т / год по переработке отходов были разработаны с использованием технологии Thermoselect, семь построены в Японии ( ^{Frank Campbell, 2008, ,} , ^{Gersham et al., 2013,} ). Ни один из них не был разработан для преобразования синтез-газа в синтетическое топливо.

Недавно Sierra Energy разработала технологию газификации FastOx, которая основана на доменной печи, как показано на . Этот газогенератор представляет собой газификатор с неподвижным слоем, в котором пар и кислород вводятся снизу газификатора через фурмы ( ^{Sierra Energy, 2019} ).Реагенты пар / кислород создают высокую температуру 2200 ° C. КПД холодного газа составляет от 66 до 79%, а паразитная нагрузка в этой системе газификации оценивается в 16–20% по сравнению с 40–50% в плазменных газификаторах ( ^{Sierra Energy, 2019} ). Полученный синтез-газ отбирается из верхней части газогенератора для дальнейшей обработки. Минеральные вещества в отходах расплавляются с образованием шлака, который выпускается из нижней части газогенератора. Sierra Energy построила пилотную установку мощностью 20 тонн в сутки (т / сутки) на территории США.Площадка S. Army в Калифорнии, где в настоящее время строится демонстрационная установка мощностью 50 тонн в сутки. Следовательно, перед тем, как технология станет пригодной для использования в производстве авиационного топлива, потребуется дальнейшее масштабирование. Хотя некоторые могут рассматривать FastOx как новую концепцию, существует несколько коммерческих газификаторов, которые очень похожи по конструкции и принципу действия. Газификатор BGL, первоначально разработанный для переработки угля и адаптированный для совместной переработки отходов, имеет такую ​​же общую схему, хотя обычно работает при высоком давлении ( ^{Hirschfelder and Olschar, 2010,} ).Упомянутая выше система прямой плавки (DMS) Nippon также аналогична по концепции ( ^{Perkins, 2020 , Tanigaki and Kashiwabara, 2017} ).

Схема принципа работы технологии плавильной газификации FastOx от Sierra Energy.

Как и плазменная газификация, плавильные газификаторы предназначены для обработки необработанных общих отходов и работают при очень высоких температурах, что требует сложных и дорогостоящих конструкций реакторов. Основные статьи затрат включают системы подачи, блок разделения воздуха, реакторы с огнеупорной футеровкой, риформинг синтез-газа и потребность в высоколегированных металлах в системах охлаждения газа.

2.3.3. Газификация в псевдоожиженном слое

Для сырья биомассы существует ряд технологий газификации в циркулирующем псевдоожиженном слое (ЦКС), которые были коммерциализированы. Технология U-Gas изначально была разработана для угля, но может совместно обрабатывать биомассу ( ^{Higman and van der Burgt, 2008,} ). Valmet разработала систему CFB для сырья биомассы и построила в Финляндии ряд заводов мощностью до 300 МВт ( ^{Valmet, 2017} ). Ряд технологий с псевдоожиженным слоем, таких как система с циркулирующим псевдоожиженным слоем Ebara TwinRec и газификаторы с кипящим слоем Kobelco Eco и Outotec, были разработаны для сжигания синтез-газа для выработки электроэнергии и потребуют значительной адаптации для производства авиационного топлива ( ^{Tanigaki et al. ., 2013 , Tanigaki et al., 2012 , Yoshikawa, 2013} ). Хотя газификаторы с двойным псевдоожиженным слоем были реализованы в полукоммерческих масштабах, как, например, установка для газификации биомассы в Гюссинге, Австрия, они не получили широкого распространения и не получили значительного увеличения ( ^{Corella et al., 2007,} ).

Для отработанного сырья компании Enerkem и ThermoChem Recovery International (TRI) разработали технологии барботажного псевдоожиженного слоя для переработки RDF.В конструкции Enerkem слой нагревается путем прямого впрыска кислорода и пара ( ^{Enerkem, 2019} ), в то время как в конструкции TRI тепло передается за счет высокотемпературного дымового газа, проходящего через трубы, вставленные в газификатор ( ^{ThermoChem Recovery International Inc., 2020} ). схематически изображена технология газификатора TRI. Биомасса и / или RDF подаются из нижней боковой стенки, которая вступает в реакцию с перегретым паром, подаваемым из нижней части газогенератора. В верхней части газогенератора установлен циклонный сепаратор, который отделяет частицы от синтез-газа.К основным преимуществам этого газификатора относится высокое качество синтез-газа за счет косвенного нагрева и простота регулирования соотношения H ₂ / CO путем настройки рабочих параметров. Кроме того, удаление твердых частиц из синтез-газа интегрировано в газификатор, что делает систему компактной и более дешевой. Технология была протестирована на пилотной установке мощностью 4 тонны в день (мощность: 1 МВт тепл.) В рамках полностью интегрированного процесса биопереработки и продемонстрировала более 10000 часов бесперебойной работы ( ^{ThermoChem Recovery International Inc., 2020} ). Технология была выбрана для нескольких проектов, включая строящийся завод по производству биотоплива Sierra в Неваде, США, который будет ежегодно перерабатывать до 175000 ТБО для производства 42 миллионов литров транспортного топлива ( ^{Fulcrum Bioenergy, 2019} ).

Принципиальная схема газогенератора Thermo-Chem Recovery International (TRI).

2.3.4. Сверхкритическая водная газификация

Сверхкритическая водная газификация — это форма гидротермальной газификации, обычно проводимая в присутствии большого количества воды для производства H ₂ и CH ₄ ( ^{Rodriguez Correa and Kruse, 2018} ).Как правило, выход этого процесса очень высок. Однако факторы, влияющие на выход продукта, зависят от выбора температуры, соотношения биомассы и воды и катализатора. Наиболее выгодным аспектом гидротермальной газификации является ее способность обрабатывать сырье влажной биомассы с влажностью до 70 мас.%, Что существенно снижает затраты на сушку, которая является предпосылкой для традиционной термической газификации ( ^{Dahmen et al., 2010,} , ^, ). ^{Kruse et al., 2013} ).

Сверхкритическая газификация обычно выполняется либо при низкой температуре 374–550 ° C, либо при высокой температуре 550–700 ° C с катализатором или без него ( ^{Azadi and Farnood, 2011} ). ^{Kruse and Dahmen (2015)} изучали гидротермальную газификацию биомассы с высоким содержанием влаги в некаталитических условиях. Результаты показали, что при более низкой температуре производство CH ₄ предпочтительнее, чем H ₂ . Однако повышение температуры увеличивает выход (мол.%) H ₂ , но снижает CH ₄ .Выход H ₂ и CH ₄ достигает равновесия при температуре около 600 ° C. При низкотемпературной сверхкритической газификации скорость реакции настолько мала, что необходимо использовать катализаторы на основе переходных металлов ( ^{Elliott et al., 2006, , Osada et al., 2006,} ). Напротив, скорость реакции при высокотемпературной сверхкритической газификации очень высока, и полная газификация может быть достигнута при 700 ° C без присутствия какого-либо катализатора ( ^{Osada et al., 2006 , Schmieder et al., 2000} ).

Сверхкритическая водная газификация находится на ранней стадии зрелости, и CH ₄ в синтез-газе потребует дальнейшего риформинга для использования в процессе FT для получения SAF.

2.3.5. Микроволновая газификация

Пиролиз и газификация с помощью микроволн — эффективный метод преобразования биомассы. В научной литературе сообщается о значительном количестве исследований, посвященных преимущественно пиролизу биомассы ( ^{Chen et al., 2015} ). Преимущества микроволнового пиролиза / газификации перед традиционной газификацией включают однородный температурный профиль, способность обрабатывать большие частицы биомассы, выход более чистого продукта с высокой теплотворной способностью и экономическую эффективность ( ^{Chen et al., 2015} ). Однако роль микроволнового излучения в химических реакциях, особенно в нетепловых эффектах, до конца не изучена ( ^{Chen et al., 2015,} , ^, , ^{, Kuhnert, 2002,} ). Xie et al. исследовали микроволновую газификацию биомассы в присутствии катализаторов на основе Fe, Co и Ni в лабораторных условиях ( ^{Xie et al., 2014} ). Результаты показали, что Ni является наиболее эффективным катализатором с точки зрения выхода синтез-газа и снижения содержания смол. Оптимальное соотношение катализатора к биомассе составляет 1: 5–1: 3 с выходом синтез-газа более 80%. Было обнаружено, что добавление пара в реакцию является обязательным. Концепция газогенератора с двойным псевдоожиженным слоем с использованием микроволнового излучения была предложена ^{Xie et al. (2014)} .

Хотя использование микроволн может быть перспективным для газификации биомассы и отходов в долгосрочной перспективе, на сегодняшний день эта технология внедрена только в лабораторных масштабах.

3. Кондиционирование и очистка синтез-газа

Основными загрязнителями, обнаруженными в синтез-газе, являются: твердые частицы, смолы, соединения серы, соединения азота, щелочные металлы, хлор и диоксид углерода. Однако уровень загрязнения во многом зависит от сырья и процесса газификации. показаны общие области применения синтез-газа и соответствующие требования к очистке синтез-газа ( ^{Ephraim et al., 2020 , Prabhansu et al., 2015 , Richardson et al., 2015 , Woolcock and Brown, 2013} ). Для производства авиационного топлива из синтез-газа качество синтез-газа должно соответствовать строгим требованиям процесса синтеза FT. Недавняя работа по производству авиационного топлива из биомассы была проведена ^{Larson et al. (2020)} , которые оценили совместную газификацию сосновых бревен и бурого угля для производства низкоуглеродистого реактивного топлива. Предложенная конструкция, которая типична для тех, которые применяются в процессе FT, состояла из следующих этапов: охлаждение синтез-газа, фильтрация и очистка перед частичной регулировкой конверсии кислого водяного газа для изменения отношения H ₂ / CO в синтез-газе .Кислые газы, CO ₂ , H ₂ S и следы примесей удаляли с использованием охлажденного метанольного растворителя (Rectisol®), а уловленный H ₂ S превращали в влажную серную кислоту и продавали. CO ₂ также будет улавливаться и продаваться для использования в целях увеличения нефтеотдачи. Секция очистки синтез-газа в этом проекте была спроектирована для снижения технологического риска за счет использования проверенных технологий и снижения стоимости улавливаемого CO ₂ при производстве продуктов с добавленной стоимостью из загрязняющих веществ.

Таблица 2

В следующих разделах дается краткое описание доступных в настоящее время технологий очистки синтез-газа, их характеристик, преимуществ и недостатков в контексте производства авиационного топлива методом FT.

3.1. Твердые частицы

В зависимости от характеристик сырья и процесса газификации размер и состав твердых частиц могут сильно различаться.Основными составляющими твердых частиц являются остаточный твердый углерод и неорганические соединения, такие как щелочные и щелочноземельные металлы, кремнезем и железо, тогда как второстепенными составляющими являются мышьяк, селен, сурьма, цинк и свинец ( ^{Courson and Gallucci, 2019} ) . Твердые частицы могут вызвать сильную коррозию, эрозию и засорение, если их не удалить должным образом. Твердые частицы можно удалить с помощью различных методов, включая удаление теплого и горячего газа, инерционное разделение, фильтры, очистку жидкостью и электрофильтр.обобщает технологии удаления частиц горячего газа, их эффективность и условия эксплуатации ( ^{Courson and Gallucci, 2019 , Dayton et al., 2019 , Prabhansu et al., 2015 , Woolcock and Браун, 2013} ).

Таблица 3

Технология инерционного разделения основана на принципе разделения по массе и ускорению.Циклон — самое распространенное устройство в этой категории. Однако доступны и другие варианты, такие как агломераты пыли и ударный сепаратор. Одной из самых передовых технологий инерционного разделения является газовый циклон с обратным потоком, который работает с использованием частичной рециркуляции и имеет эффективность удаления 99,6%, что имеет даже более высокую эффективность, чем давно зарекомендовавшие себя высокоэффективные конструкции Stairmand ( ^{Sakin et al. , 2019} ).

Фильтр известен как барьерный фильтр, когда поток газа проходит через гранулы или пористые монолитные твердые тела.Во время фильтрации твердые частицы могут быть извлечены в четыре этапа: диффузия, инерционное воздействие, гравитационное осаждение и агрегация частиц. Керамические или металлические материалы — самые популярные ингредиенты для изготовления жестких фильтров. Они способны удалять 99,99% твердых частиц (<100 мм) при рабочих температурах выше 400 ° C ( ^{Prabhansu et al., 2015} ). Однако керамические фильтры хрупкие по своей природе, что приводит к производству барьерных фильтров из спеченного металла, в которых рабочие температуры могут быть увеличены до 1000 ° C, а эффективность удаления может достигать почти 100%.Другой жизнеспособный вариант барьерной фильтрации — это гранулированные фильтры с подвижным или неподвижным слоем, которые достигают эффективности более 99,9% даже при высоких температурах ( ^{Prabhansu et al., 2015} ).

При электростатическом разделении частицы заряжаются из-за сильного электрического поля и извлекаются из-за разницы в диэлектрических свойствах. Электростатические силы, действующие на частицы (<30 мкм), в 100 раз сильнее силы тяжести. Следовательно, электростатические осадители очень эффективны при удалении твердых частиц и традиционно использовались на электростанциях, работающих на угле / биомассе, для удаления летучей золы при температуре до 200 ℃ ( ^{Prabhansu et al., 2015} ). Они также популярны для удаления твердых частиц и смол из синтез-газа, получаемого при газификации биомассы.

Мокрая очистка используется для очистки холодного газа от твердых частиц. В зависимости от принципа действия и эффективности удаления влажную очистку холодного газа можно классифицировать в следующем порядке: распылительный скруббер> мокрый динамический скруббер> циклонный распылительный скруббер> ударный скруббер> скруббер Вентури> электростатический скруббер. обобщает технологии удаления твердых частиц холодного газа, их эффективность удаления и принцип работы ( ^{Courson and Gallucci, 2019 , Dayton et al., 2019 , Prabhansu et al., 2015 , Woolcock and Brown, 2013} ).

Таблица 4