Термофотоэлектрокаталитическая когенерационная установка для утилизации свалочного биогаза

Изобретение относится к комбинированной выработке тепла и электроэнергии. Установка включает вертикальные газодренажные скважины 8 с конденсатоотводчиками 9 и запорной арматурой для регулирования расхода 10 и контроля качественного состава 11 свалочного биогаза, соединенные газопроводом 12, оснащенным газовым компрессором 13, с газгольдером-конденсатором 14 высокого давления, имеющим запорную арматуру 15, обратный газовый клапан 16, обратный жидкостной клапан 17 и редукционный клапан 18, соединенные последовательно адсорбер 19 типа NaX, адсорбер 20 типа CaA, адсорбер 21 типа NaA с байпасными ветвями 22, 23, 24 и теплообменник 25 предварительного подогрева обогащенного биогазового топлива. Техническим результатом является утилизация свалочного биогаза при использовании безмашинной комбинированной генерации тепла и электрической энергии. 2 ил.

 

Изобретение относится к теплоэнергетике, в частности к комбинированной выработке тепла и электроэнергии в установках для утилизации свалочного биогаза.

Свалочный биогаз (СБ) образуется в теле мусорных свалок и полигонов для захоронения отходов потребления или твердых бытовых отходов (ТБО) в ходе био-метаногенеза в результате сложных процессов деструкции органических субстратов, содержащихся в ТБО, при участии микробной ассоциации различных анаэробных микроорганизмов и представляет собой газовую смесь из метана CH₄ (50÷60%), диоксида углерода СО₂, (35÷45%) и незначительных количеств сульфида водорода H₂S, азота N₂ и водорода H₂.

Общее упрощенное уравнение, описывающее анаэробное газообразование, записывается следующим образом:

Применительно к природным полимерам, таким как крахмал и целлюлоза (x=6; y=10; z=5), общее уравнение химической реакции имеет вид:

Скорость биологического процесса анаэробного газообразования зависит от вида популяции бактерий-деструкторов. Психрофильные бактерии обеспечивают протекание процесса при +5÷+20°С, мезофильные - при +30÷+40°С, термофильные - при +50÷+60°С. Процесс газообразования при более высоких температурах идет быстрее, чем при низких, и характеризуется примерно удвоением выхода биогаза на каждые 5°С.

Для эффективного круглогодичного сбора СБ пригодны мусорные свалки и полигоны для захоронения ТБО, глубина свалочного тела которых составляет не менее 20 метров - отметки, с которой в свалочном теле начинается формирование нейтрального слоя или зоны постоянных годовых температур, которые в каждом климатическом регионе в среднем на 4°С выше среднегодовой температуры окружающего воздуха.

Активная экстракция СБ осуществляется на рекультивированных территориях объектов захоронения через систему вертикальных газодренажных скважин с конденсатоотводчиками и запорной арматурой для регулирования расхода и контроля качественного состава биогаза, соединенных линиями газопроводов, оснащенных компрессионным оборудованием, с системами накопления и утилизации.

К практически значимой и имеющей сегодня техническое воплощение технологии утилизации относится использование обогащенного СБ в качестве топлива в газопоршневых и газотурбинных установках для комбинированной генерации тепла и электрической энергии [1].

Обогащение биогаза, путем снижения содержащихся в нем примесей, целесообразно осуществлять с применением адсорбции на неподвижном слое синтетических цеолитов типа NaA - для паров воды H₂O, типа NaX - для сульфида водорода H₂S и типа СаА - для диоксида углерода СO₂ [2].

Известным энергетическим установкам на основе машинной когенерации присущ ряд общеизвестных существенных недостатков, главными из которых являются следующие:

- сложная организация рабочих процессов, требующая согласованной работы основных и вспомогательных механизмов и агрегатов;

- наличие движущихся деталей и узлов, снижающих надежность и требующих постоянного профессионального и высококвалифицированного технического обслуживания;

- повышенное содержание токсичных веществ в продуктах сгорания, вследствие реализации высокотемпературных процессов воспламенения топлива с относительно высокими значениями рабочих давлений (исключением может стать использование при утилизации СБ газопоршневых энергетических установок с внешним подводом тепла, работающих по термодинамическому циклу Стирлинга).

Известно устройство [3] для осуществления способа термофотоэлектрокаталитического преобразования энергии, выделяемой при сгорании углеводородных топлив, содержащее элемент для сжигания углеводородного топлива в виде инжекционной газовой горелки со светопрозрачной защитной оболочкой, каталитическую структуру на тканевой основе, пропитанную окислами редкоземельных металлов, с высокой светоотдачей в состоянии накаливания в определенном спектральном диапазоне и фотоэлектрическую батарею, с оптимальной для данного спектрального диапазона границей основной полосы фотоактивного поглощения, а также оптическую систему фокусировки светового потока в виде бифокального эллипсоида вращения с зеркальной внутренней поверхностью и дополнительный блок термоэлектрического преобразования тепловой энергии, отводимой от высокотемпературных продуктов сгорания.

Недостатком известного устройства является отсутствие ключевых составляющих, обеспечивающих возможность организации комбинированной генерации тепла и электрической энергии для утилизации СБ.

Технический результат изобретения заключается в улучшении технико-эксплуатационных параметров установок для утилизации СБ при использовании безмашинной термофотоэлектрокаталитической комбинированной генерации тепла и электрической энергии.

Заявленный технический результат достигается следующим образом. Известное устройство, содержащее элемент для сжигания углеводородного топлива в виде инжекционной газовой горелки со светопрозрачной защитной оболочкой, каталитическую структуру на тканевой основе, пропитанную окислами редкоземельных металлов, с высокой светоотдачей в состоянии накаливания в определенном спектральном диапазоне и фотоэлектрическую батарею, с оптимальной для данного спектрального диапазона границей основной полосы фотоактивного поглощения, а также оптическую систему фокусировки светового потока в виде бифокального эллипсоида вращения с зеркальной внутренней поверхностью и дополнительный блок термоэлектрического преобразования тепловой энергии, отводимой от высокотемпературных продуктов сгорания, включает в свой состав газовый контур, в который входят вертикальные газодренажные скважины с конденсатоотводчиками и запорной арматурой для регулирования расхода и контроля качественного состава свалочного биогаза, соединенные газопроводом, оснащенным газовым компрессором, с газгольдером-конденсатором высокого давления, имеющим запорную арматуру, обратный газовый, обратный жидкостной и редукционный клапаны, соединенные последовательно адсорбер типа NaX, адсорбер типа СаА, адсорбер типа NaA с байпасными ветвями и теплообменник предварительного подогрева обогащенного биогазового топлива, а также жидкостной теплообменный контур, содержащий патрубок подвода охлаждающей жидкости, рубашку охлаждения блока термоэлектрического преобразования, теплообменник патрубка отвода продуктов сгорания, а также патрубок отвода нагретой жидкости в производственно-технические или коммунально-бытовые системы горячего водоснабжения.

Процесс термофотоэлектрокаталитической когенерации в предлагаемом устройстве можно представить в виде:

Здесь

O₂ - кислород (окислитель);

λ - длина волны излучаемой световой энергии;

a=λ₀ - нижняя граница излучаемого светового диапазона;

b=λ_пор - верхняя граница излучаемого светового диапазона;

E_λ - энергия монохроматического излучения;

E - интегральная энергия светового излучения;

t_{накаливания} - температура накаливания.

На фиг.1 показана схема термофотоэлектрокаталитической когенерационной установки для утилизации СБ, на фиг.2 представлен узел I на фиг.1.

Термофотокаталитическая когенерационная установка для утилизации свалочного биогаза, содержащая элемент для сжигания углеводородного топлива в виде инжекционной газовой горелки 1 со светопрозрачной защитной оболочкой 2, каталитическую структуру 3 на тканевой основе, пропитанную окислами редкоземельных металлов, с высокой светоотдачей в состоянии накаливания в определенном спектральном диапазоне и фотоэлектрическую батарею 4, с оптимальной для данного спектрального диапазона границей основной полосы фотоактивного поглощения, а также оптическую систему фокусировки светового потока в виде бифокального эллипсоида вращения 5 с зеркальной внутренней поверхностью 6 и дополнительный блок 7 термоэлектрического преобразования тепловой энергии, отводимой от высокотемпературных продуктов сгорания, включает в свой состав газовый контур, в который входят вертикальные газодренажные скважины 8 с конденсатоотводчиками 9 и запорной арматурой для регулирования расхода 10 и контроля качественного состава 11 свалочного биогаза, соединенные газопроводом 12, оснащенным газовым компрессором 13, с газгольдером-конденсатором высокого давления 14, имеющим запорную арматуру 15, обратный газовый 16, обратный жидкостной 17 и редукционный 18 клапаны, соединенные последовательно адсорбер 19 типа NaX, адсорбер 20 типа СаА, адсорбер 21 типа NaA с байпасными ветвями 22, 23, 24 и теплообменник 25 предварительного подогрева обогащенного биогазового топлива, а также жидкостной теплообменный контур, содержащий патрубок 26 подвода охлаждающей жидкости, рубашку 27 охлаждения блока 7 термоэлектрического преобразования, теплообменник 28 патрубка 29 отвода продуктов сгорания, а также патрубок 30 отвода нагретой жидкости в производственно-технические или коммунально-бытовые системы горячего водоснабжения (не показаны).

Установка работает следующим образом. Синтезированный в свалочном теле рекультивированного объекта захоронения биогаз отбирается из скважин 8 с конденсатоотводчиками 9 и подается газовым компрессором 13 через газовый обратный клапан 16 в газгольдер-конденсатор 14 высокого давления, в котором происходит конденсация остаточной влаги, содержащейся в биогазе, и усредняется его химический состав. Избыток конденсата удаляется через жидкостной обратный клапан 17 в атмосферу.

Из газгольдера-конденсатора 14 биогаз через запорную арматуру 15 и редукционный клапан 18 поступает в адсорбер 19 с байпасной ветвью 22, где происходит поглощение примесей сульфида водорода H₂S. Далее биогаз поступает в адсорбер 20 с байпасной ветвью 23, поглощающий примеси диоксида углерода СO₂, а затем в адсорбер 21 с байпасной ветвью 24, в котором происходит глубокая осушка газа, завершающая процесс его обогащения.

Обогащенное биогазовое топливо после предварительного подогрева в теплообменнике 25 поступает в инжекционную газовую горелку 1, в пламени которой каталитическая структура 3, находящаяся в первичной фокальной области бифокального эллипсоида вращения 5 в состоянии накаливания, излучает в определенном спектральном диапазоне световой поток, который после переотражения от зеркальной внутренней поверхности 6 эллипсоида 5, фокусируется во вторичной фокальной области, где располагается фотоэлектрическая батарея 4, с оптимальной для данного спектрального диапазона границей основной полосы фотоактивного поглощения. Фотоэлектрическая батарея 4 эффективно генерирует фото-ЭДС, преобразуя энергию сфокусированного светового потока в электрическую энергию.

Воздух, поступающий во внутренний объем эллипсоида вращения 5, отбирая на входе тепло от нагретой фотоэлектрической батареи 4 (вследствие внутренних потерь, определяемых физическими свойствами полупроводников и конструктивными параметрами батареи в целом), предварительно подогревается, частично инжектируется газовой горелкой 1 и, продолжая движение внутри эллипсоида 5, отбирает тепло (вследствие неполного отражения) от внутренней зеркальной поверхности 6 и от нагретой продуктами сгорания светопрозрачной защитной оболочки 2.

В кольцевом зазоре между оболочкой 2 и блоком 7 термоэлектрического преобразования происходит интенсивная передача тепла от нагретого воздуха к горячим спаям полупроводниковых термоэлементов последнего. При установившейся разности температур между нагреваемыми горячими и охлаждаемыми через рубашку 27 жидкостного охлаждения холодными спаями, термоэлектрический блок 7 генерирует термо-ЭДС, преобразуя тепловую энергию, выделяемую при сгорании обогащенного биогазового топлива, в электрическую энергию.

Остаточное тепло используется для нагрева жидкости, поступающей из патрубка 26, прошедшей через рубашку охлаждения 27 и теплообменник 25 газового контура, в теплообменнике 28 патрубка 29 отвода продуктов сгорания.

Нагретая жидкость через патрубок 30 подается в производственно-технические или коммунально-бытовые системы горячего водоснабжения.

Формулу для определения коэффициента полезного действия (КПД) термофотоэлектрокаталитической когенерационной установки в процессе выработки электроэнергии можно представить в виде:

η_ТКУ = η_свет η_фэ + η_тэ (1-η_свет),

где

η_свет - КПД преобразования энергии, выделяемой при сгорании обогащенного биогазового топлива, в энергию светового излучения;

η_фэ - КПД фотоэлектрического преобразования;

η_тэ - КПД термоэлектрического преобразования.

Анализ технических характеристик имеющихся в свободной продаже газовых, бензиновых и керосиновых ламп калийного освещения позволяет принять в расчетах η_свет.≈0,3.

КПД фотоэлектрического преобразования узкоспектрального светового излучения можно оценить по формуле, аналогичной выражению для определения КПД солнечного фотоэлемента [4]:

где

- коэффициент потерь, обусловленный наличием контактной сетки на лицевой поверхности фотоэлемента;

- коэффициент потерь по напряжению;

- коэффициент заполнения вольт-амперной характеристики фотоэлемента;

A_s≈0,95 - интегральная поглощательная способность фотоэлемента;

Q≈0,95 - интегральное значение коэффициента собирания.

Для рассматриваемого процесса значение КПД фотоэлектрического преобразования составит η_фэ≈0,47.

При температуре отвода тепла от продуктов сгорания на уровне 400÷450°С реальное значение КПД термоэлектрического преобразования составит η_тэ≈0,08.

Используя промежуточные выкладки, получим значение КПД установки при генерации электрической энергии η_ТКУ≈0,20.

Источники информации

1. Козлов В., Кривоклякин В., Шучев В. Большое будущее когенерации. - Коммунальный комплекс России, 2006, №4 (22).

2. Колобродов В.Г., Хажмурадов М.А., Карнацевич Л.В., Санковский А. Способы повышения качества биогаза. - Твердые бытовые отходы, 2006, №8, с.11.

3. Адамович А.Б., Вестяк В.А. Прикладное 3-D моделирование в среде AutoCAD. - GGD (прикладная Gеометрия, инженерная Gрафика, компьютерный Dизайн), 2007, №1 (7), с.38-42.

4. Грилихес В.А., Орлов П.П., Попов Л.Б. Солнечная энергия и космические полеты. - М.: «Наука», 1984, с.99.

Когенерационная установка для утилизации свалочного биогаза, содержащая элемент для сжигания углеводородного топлива в виде инжекционной газовой горелки со светопрозрачной защитной оболочкой, каталитическую структуру на тканевой основе, пропитанную окислами редкоземельных металлов, со светоотдачей в состоянии накаливания в спектральном диапазоне, фотоэлектрическую батарею с границей основной полосы фотоактивного поглощения для данного спектрального диапазона, оптическую систему фокусировки светового потока в виде бифокального эллипсоида вращения с зеркальной внутренней поверхностью, дополнительный блок термоэлектрического преобразования тепловой энергии, отводимой от продуктов сгорания, газовый контур, в который входят газопровод, оснащенный газовым компрессором, газгольдер-конденсатор высокого давления с запорной арматурой, обратным газовым, обратным жидкостным и редукционным клапанами, адсорбер типа NaA с байпасными ветвями и теплообменник предварительного подогрева обогащенного биогазового топлива, и жидкостной теплообменный контур, содержащий рубашку охлаждения блока термоэлектрического преобразования и теплообменник патрубка отвода продуктов сгорания, отличающаяся тем, что газовый контур дополнительно включает вертикальные газодренажные скважины с конденсатоотводчиками и запорной арматурой для регулирования расхода и контроля качественного состава свалочного биогаза, соединенные газопроводом, оснащенным газовым компрессором, с газгольдером-конденсатором высокого давления, адсорбер типа NaX и адсорбер типа CaA, при этом адсорбер типа NaX, адсорбер типа CaA, адсорбер типа NaA и теплообменник предварительного подогрева обогащенного биогазового топлива соединены последовательно, а жидкостной теплообменный контур дополнительно содержит патрубок подвода охлаждающей жидкости и патрубок отвода нагретой жидкости в производственно-технические или коммунально-бытовые системы горячего водоснабжения.