Способ получения электроэнергии из некондиционной топливной биомассы и устройство для его осуществления

Изобретение относится к электроэнергетике на основе возобновляемых источников энергоресурсов и местных видов топлива, в частности биомассы, децентрализованному электроснабжению, а также к переработке и утилизации твердых органических, в том числе бытовых отходов. Техническим результатом является повышение эффективности производства электроэнергии. Способ предусматривает на первой стадии подачу исходного сырья - измельченной топливной биомассы различного происхождения - и осуществление ее паровоздушной газификации в плотном слое в реакторе-газификаторе прямого процесса, при этом в процессе газификации в противоток движению сырья через нижнюю часть реактора-газификатора, где происходит накопление и вывод твердых продуктов - отходов газификации, в активную зону газификации посредством, например, дутья подают газифицирующие агенты - воздух и водяной пар и/или воду - в необходимых для протекания окислительно-восстановительных реакций газификации соотношениях с газифицируемым сырьем, а получаемый в результате газификации горючий топливный газ фильтруется через слой загруженного в реактор-газификатор сырья и отводится из его верхней части для использования на второй стадии, включающей сжигание получаемого топливного газа в паровом котле, преобразование тепловой энергии пара в механическую энергию в тепловой машине и в электрическую энергию посредством электрогенератора. Причем сырье для газификации - некондиционную по содержанию влаги топливную биомассу, подвергают предварительной подготовке, включающей сушку, для чего создают замкнутый контур циркуляции рабочего тела тепловой машины, в котором отработавший пар охлаждают в воздушном конденсаторе атмосферным воздухом, который затем за счет принудительной циркуляции в качестве сушильного агента используют для конвективной воздушно-калориферной сушки подаваемого сырья, а отработавший пар, завершивший фазовый переход, в виде конденсата продолжает циркулировать в замкнутом контуре, при этом сырьем для сушки является оптимизированная биотопливная смесь, которую получают путем смешивания сырья из различных групп, характеризующихся различными значениями параметров топливной биомассы, в том числе некондиционной по одному или нескольким параметрам, при этом оптимизируемой характеристикой является относительная влажность биотопливной смеси, параметром оптимизации - состав смеси как соотношение весовых долей видов сырья в конечной смеси, а критерием оптимальности - соответствие значения относительной влажности биотопливной смеси оптимальному значению, обеспечивающему максимум электрического КПД на выходе электрогенератора при полном удалении внешней влаги из сырья в процессе его сушки. 2 н. и 14 з.п. ф-лы, 1 табл., 4 ил.

 

МПК F01K 17/06 - рекуперация энергии пара в паросиловых установках, например, использование отработавшего пара для сушки твердого топлива, сжигаемого в той же установке

МПК F23G 5/00 - сжигание отходов или низкосортных топлив,

5/02 - с предварительной обработкой

5/027 - со стадией пиролиза или газификации

5/04 - сушка

5/08 - с дополнительным нагревом

5/20 - со сжиганием во вращающихся или колеблющихся барабанах

5/46 - рекуперация тепла

МПК F28C 3/00 - Прочие теплообменные аппараты непосредственного контакта

3/18 - …мелкораздробленный твердый материал движется во вращающихся барабанах

Изобретение относится к электроэнергетике на основе возобновляемых источников энергоресурсов и местных видов топлива, в частности биомассы, децентрализованному электроснабжению, а также к переработке и утилизации твердых органических, в том числе бытовых отходов.

Приоритетным направлением научно-технического прогресса в энергетике является создание и развитие эффективных технологий использования местных энергоресурсов, в том числе новых видов топлива, получаемых из различных видов биомассы, для построения устойчивой системы децентрализованного энергоснабжения, а также решения сопутствующей задачи утилизации твердых городских (бытовых) отходов.

Под биомассой понимаются все виды вещества растительного и животного происхождения, продукты жизнедеятельности организмов и органические отходы, образующиеся в процессах производства, потребления продукции и на этапах технологического цикла отходов (ГОСТ Р 52808-2007. Нетрадиционные технологии. Энергетика биоотходов. Термины и определения), а под топливной биомассой - твердая первичная биомасса, твердые отходы переработки первичной биомассы, твердые городские (бытовые) отходы (ТБО), которые могут быть использованы в качестве энергетического сырья.

Биомасса как энергоресурс относится к низкосортным видам топлива с высокой относительной влажностью (до 85% и более), малой энергетической плотностью, низкой теплотой сгорания, неоднородностью фракционного состава, при этом обладает следующими преимуществами по сравнению с ископаемыми углеродсодержащими видами сырья (нефть, природный газ, уголь, торф, горючие сланцы):

- возобновляемостью, т.е. нейтральностью по выбросу СО2 (по отношению к балансу углекислого газа в атмосфере), что снижает антропогенную нагрузку на окружающую среду;

- почти полным отсутствием серы, что снимает проблему кислотных осадков, а также других вредных для оборудования и окружающей среды химических элементов и соединений;

- распространенностью и доступностью.

Энергетическое использование биомассы предполагает либо непосредственное сжигание, либо производство промежуточных энергоносителей: твердых, газообразных или жидких биотоп лив.

Биомасса может использоваться для получения энергии либо без дополнительной обработки, что относится к рафинированной или подготовленной по параметрам (гранулометрическому, или фракционному составу, влажности, зольности, насыпной плотности и др.) в соответствии с техническими условиями топливной биомассе, либо с минимальной подготовкой применительно к нерафинированной некондиционной биомассе, которая представляет собой дешевый (с низкой, нулевой или отрицательной стоимостью) и практически не используемый в настоящее время источник местных энергоресурсов.

Получение из твердой биомассы электроэнергии, представляющей собой универсальный вид энергии высокого качества, базируется как на традиционных способах прямого сжигания, так и на современных термохимических технологиях /ГОСТ Р 54531-2011 Нетрадиционные технологии Возобновляемые и альтернативные источники энергии. Термины и определения/ и осуществляется посредством применения теплоэлектростанций (ТЭС), в частности, конденсационных электростанций, однако их электрический КПД, особенно в части энергоустановок малой мощности, крайне невысок и возможности его роста в рамках существующих технологий ограничены ввиду того, что большая часть энергии приходится на отводимое, так называемое «сбросное» тепло, которое часто на практике эффективно использовать затруднительно.

Известны способы и устройства получения электроэнергии (электрогенерации) в энергоустановке - тепловой электростанции (ТЭС), преобразующей энергию горения твердого топлива, в частности, биомассы, в энергию пара по технологиям прямого сжигания - в неподвижном слое, в псевдоожиженном (кипящем и циркулирующем) слое, пылевое сжигание (в факеле, в вихре) - применительно к виду используемого топлива и тепловой мощности котельного агрегата с дальнейшим преобразованием энергии пара в механическую энергию тепловой машины (в частности, паровой машины, в т.ч. турбины) и связанного с ней электрогенератора /Справочник. «Котельные и электростанции на биотопливе. Современные технологии получения тепловой и электрической энергии с использованием различных видов биомассы». Овсянко А.Д., Печников С.А., Санкт-Петербург, Биотопливный портал WOOD-PELLETS.COM. 2008 г. 360 с. с илл.; «Применение энергии биомассы для отопления и горячего водоснабжения в Республике Беларусь. Методические рекомендации по применению передовой практики. Часть А: Сжигание биомассы.» - ЭСКО. Электронный журнал энергосервисной компании «Экологические системы», №2, февраль, 2006/. Так как топливная биомасса и образующийся при ее сжигании топочный (дымовой) газ содержат элементы, которые могут вызвать повреждение двигателя, такие как частицы зольной пыли, металлы и хлорные примеси, современные технологии производства энергии посредством сжигания биомассы основаны на использовании процессов с замкнутым циклом, где процессы сжигания и производства энергии разделяются посредством передачи тепла горячего дымового газа на теплоноситель, используемый во вторичном цикле, что позволяет уменьшить объем вредных выбросов.

Для прямого сжигания разработано и широко используется достаточно простое оборудование, такое как котлы, представляющие собой сочетание топок различных конструкций с теплообменниками между горячими дымовыми газами и рабочим телом. Топки установок для сжигания обычно оснащены механическим или пневматическим устройством подачи топлива и оборудованы системами контроля технологических процессов, обеспечивающими автоматизацию процесса эксплуатации.

Так, известным распространенным примером технического осуществления способа электрогенерации на основе прямого сжигания биомассы является технологический процесс, реализуемый в работе традиционной паротурбинной конденсационной электростанции /см. указанный выше Справочник. «Котельные и электростанции на биотопливе. …», с. 152-230; Трухний А.Д., Лосев С.М. «Стационарные паровые турбины», М., 1981/ в составе паросиловой (паротурбинной) установки с электрогенератором, а также участка топливоподготовки и хранения.

На участке топливоподготовки и хранения исходная некондиционная биомасса, т.е. биомасса, не полностью соответствующая техническим условиям технологии сжигания, подготавливается в рамках технологических механических операций измельчения, очистки и сортировки, а также сушки (подсушивания). Для обеспечения бесперебойной работы участок содержит топливный механизированный секционированный склад для хранения оперативного запаса подготовленного сырья, а также технологический транспорт (транспортер сырья) необходимого типа и производительности (ленточные и скребковые транспортеры и нории, гибкие и негибкие шнеки, стокерные полы, системы пневмотранспорта).

Подготовленная биомасса с топливного склада подается транспортером в бункер и далее сжигается в топке - камере котла (парогенератора), превращая питательную воду в сухой насыщенный пар, который в свою очередь поступает (как правило, в перегретом состоянии) по паропроводу к паровой турбине. Расширяясь в ней, пар вращает ее ротор, соединенный с ротором электрогенератора, который вырабатывает электрический ток. Отработанный пар поступает в конденсатор - теплообменник, по трубкам которого непрерывно протекает холодная вода, подаваемая циркуляционным насосом из водоема или специального охладительного устройства (градирни). Пар конденсируется в межтрубном пространстве и стекает вниз, конденсат подается в деаэратор и питательным насосом возвращается в котел, чем замыкается технологический пароводяной цикл преобразования химической энергии топлива в механическую энергию вращения ротора турбоагрегата. Дымовые газы, отдав основную часть теплоты питательной воде, поступают на трубы водяного экономайзера и воздухоподогреватель, отдавая тепло питательной воде и воздуху для горения топлива, и далее с помощью дымососа через электрофильтры, улавливающие летучую золу, и дымовую трубу в атмосферу.

Известны также варианты описанного выше способа электрогенерации, где вместо паротурбинной установки (ПТУ) может использоваться иной тип тепловой (паровой) машины с замкнутым циклом, а именно, паровой поршневой двигатель (ППД), паровая винтовая машина (ПВМ), тепловая турбина органического цикла Ренкина (ORC) и др. /см. указанный выше источник: «Применение энергии биомассы …», разд. 4/.

Наиболее существенные недостатки способов получения электроэнергии на основе технологий прямого сжигания биомассы:

- низкий общий и электрический КПД (существенные тепловые потери), что не позволяет на их основе строить устойчивую энергетическую систему;

- не решена проблема вредных выбросов в атмосферу (золы уноса, содержащей тяжелые металлы; сажи; монооксида углерода; окислов серы и азота; соединений хлора; диоксинов и полиароматических углеводородов), требуется сложная дорогостоящая очистка дымовых газов (стоимость современного мусоросжигающего завода более чем на 60% состоит из стоимости очистных сооружений);

- шлаки, как правило, содержат недогоревший углерод и полиароматику;

- ограничены возможности использования влажной и высокозольной биомассы, нижний предел теплоты сгорания влажного и высокозольного органического вещества, при котором возможно автогенное (самоподдерживающееся) его сжигание без применения дополнительного топлива, соответствует условию Таннера: относительная влажность W<50%, зольность А<60%, содержание углерода С>25%;

- сложность автоматизации технологических процессов, т.к. ввиду низкой теплоты сгорания, высокой влажности и неоднородности биомассы требуется ее предварительная обработка (измельчение, уплотнение, сушка, гомогенизация и т.п.) или рафинирование (изготовление топливных гранул - пеллет, топливных брикетов);

- требуется отвод большого количества «сбросной» теплоты и, соответственно, большой расход охлаждающей воды;

- громоздкость оборудования.

Из известных технологий преобразования биомассы в электрическую энергию наиболее предпочтительны технологии, способы, устройства на основе двухступенчатого, или двухстадийного процесса термохимической конверсии сырья, а именно с предварительной (внутрицикловой) газификацией сырья, поскольку позволяют получить дешевый, удобный и экологически чистый энергоноситель - топливный (генераторный) газ, при сжигании которого концентрация вредных веществ в дымовых выбросах существенно снижается.

Это позволяет существенно сэкономить на дорогостоящем оборудовании газоочистки дымовых газов и оборудовании обеззараживания перерабатываемых отходов. Кроме того, при газификации недожог топлива в сравнении с прямым сжиганием существенно ниже, а в получаемом газе и зольном остатке практически отсутствует сажа (не прореагировавший углерод).

Разработано большое количество разнообразных методов газификации твердого топлива и конструкций реакторов-газификаторов (газогенераторов) / см. указанный выше Справочник. Котельные и электростанции на биотопливе.…»; Биомасса как источник энергии. Под ред. С. Соуфера, О. Заборски.- М., Мир, 1985; А. Самылин, М. Яшин. Современные конструкции газогенераторных установок. -ЛесПромИнформ, №1, 2009, с. 78-85; Копытов В.В. Газификация конденсированных топлив: ретроспективный обзор, современное состояние дел и перспективы развития - М.: Инфра-Инженерия, 2012. - 504 с; Г.Г. Токарев. Газогенераторные автомобили. Гос. науч.-тех. изд-во машиностр. лит., М., 1955/, при этом получаемый в результате газификации топливный (генераторный) газ может использоваться как топливо для двигателей внутреннего (при условии применения оборудования очистки и охлаждения) и внешнего (при условии применения горелок, аналогичных котельным) сгорания с последующим преобразованием механической энергии в электроэнергию.

Так, известен способ получения электроэнергии из биомассы (древесной щепы) по двухстадийной технологической схеме посредством мини-ТЭЦ на базе газопоршневых двигателей внутреннего сгорания (ДВС), реализуемый в газогенераторной электростанции /см. указанный выше Справочник «Котельные и электростанции на биотопливе …», с. 248-253/, состоящей из четырех участков: топливоподготовки, газификации, электрогенерации, системы оборотной воды для охлаждения топливного газа. Участок топливоподготовки состоит из транспортера с металлодетектором для сепарации металловключений, дробилки для измельчения древесных кусков в щепу, вибросита для отсеивания некондиционной щепы, транспортера для подачи кондиционной щепы в загрузочную станцию, транспортной системы для подачи топлива из загрузочной станции в шлюзовое устройство газогенератора, системы управления и автоматики. На участке газификации установлен газогенератор WBG400 с очистительными установками для охлаждения и очистки топливного газа перед подачей в газопоршневой двигатель. Участок электрогенерации состоит из электрогенераторной установки с газопоршневым двигателем и шкафами управления. На участке системы оборотной воды устанавливается блочно-модульное очистное сооружение, состоящее из трубопроводов, насосов, емкостей, блоков очистки, пульта управления, градирни или теплообменника. Газогенераторная электростанция работает в режиме ТЭЦ, обеспечивая выходную электрическую мощность 250 кВт и тепловую мощность 469 кВт, с общим КПД около 50% в номинальном режиме с учетом полезной утилизации тепла.

Данный способ электрогенерации на базе газопоршневых агрегатов получил практическое распространение / Г.Г. Токарев. Газогенераторные автомобили. Гос. науч.-тех. изд-во машиностр. лит., М., 1955/, однако ему присущи существенные недостатки:

- низкий электрический КПД (-18%) ввиду необходимости охлаждения топливного газа (энергетические потери до 20%), а также превалирующей доли (2/3 и более) тепловой составляющей в выходной мощности;

- высокое содержание вредных выбросов (СО, NOx) в атмосферу вследствие использования газопоршневых агрегатов в технологической цепи генерирования электроэнергии;

- ограничения по сырью (содержание влаги не выше 20%);

- низкие эксплуатационно-технические характеристики установок (значительный удельный вес на единицу мощности и габариты, наличие сложной многоступенчатой системы очистки, охлаждения и осушки газа, низкая степень автоматизации).

Свойства получаемого генераторного газа (высокая температура, присутствие влаги, пыли и смол, низкокалорийность, низкое давление) при его использовании для производства электроэнергии по технологиям, эффективным для природного газа (в установках открытого и полузамкнутого цикла - в газопоршневых агрегатах, газотурбинных установках), приводят к значительному усложнению и удорожанию оборудования (требуются многоступенчатые системы очистки, охлаждения и осушки, дожимные компрессоры), существенному снижению эффективности работы применяемых энергоагрегатов, громоздкости установок.

В значительной степени свободны от указанных недостатков известные способы и установки для производства электроэнергии на основе двухстадийной технологической схемы, предусматривающей на первой стадии газификацию топливной биомассы, а на второй стадии - сжигание полученного топливного газа и преобразование тепловой энергии в механическую энергию в тепловой машине (двигателе) замкнутого цикла, где рабочее тело циркулирует по замкнутому контуру без связи с атмосферой.

Подобную схему следует признать предпочтительной с точки зрения минимизации вредного влияния на окружающую среду за счет снижения вредных выбросов в атмосферу. В результате снижения либо снятия требований по очистке топливного газа не только упрощается и удешевляется оборудование газоочистки, но и повышается теплотворная способность газа за счет содержащихся в нем горючих низко- и высокомолекулярных органических соединений (например, спиртов и, особенно, смол). Кроме того, при исключении операции по охлаждению получаемого газа одновременно с экономией на соответствующем оборудовании свой вклад в нагрев рабочего тела энергоустановок вносит физическое тепло горячего газа, а также снимается вопрос утилизации жидких вторичных отходов (газового конденсата).

В энергоустановках малой мощности (до 100…500 кВт) могут быть использованы отработанные технологии на базе известных двигателей замкнутого цикла (ПТУ, ППД, ПВМ, турбина ORC).

Наиболее близким к изобретению по совокупности существенных признаков является известный способ и устройство для производства тепловой и электроэнергии посредством термической переработки углеродсодержащих материалов (горючих отходов) на основе двухстадийной технологической схемы /см. указанный выше источник: Копытов В.В. Газификация конденсированных топлив …, с. 298-300/, предусматривающий на первой стадии газификацию биомассы, включая подачу сырьевого материала - измельченной твердой (топливной) биомассы различного происхождения, в том числе органических отходов, для паровоздушной газификации в плотном слое в реакторе-газификаторе прямого процесса. В процессе газификации в противоток движению сырья через нижнюю часть реактора-газификатора, где происходит накопление и вывод твердых продуктов - отходов газификации (золы), в активную зону газификации посредством, например, дутья подаются газифицирующие агенты - воздух и водяной пар и/или вода (в зависимости от конструкции реактора-газификатора) - в необходимых для протекания окислительно-восстановительных реакций газификации соотношениях с газифицируемым сырьевым материалом. Получаемый в результате газификации горючий топливный газ (генераторный, или продукт-газ), содержащий водород Н2, монооксид углерода СО и, в ряде случаев, метан и другие углеводороды и/или другие органические соединения (летучие фракции, пары смол), фильтруется через слой загруженного в реактор сырьевого материала и отводится из верхней части реактора. На второй стадии осуществляют сжигание получаемого горячего топливного газа в паровом котле (парогенераторе), преобразование тепловой энергии пара в механическую энергию в тепловой (паровой) машине и далее в электрическую энергию посредством электрогенератора, при этом часть отработавшего пара может отбираться для подачи в реактор-газификатор в качестве газифицирующего агента в необходимом для протекания реакций газификации объеме, дымовые газы фильтруются очистителем с известью (специальным фильтром-нейтрализатором серы) и выбрасываются в атмосферу через дымовую трубу.

Процесс газификации топлива осуществляется в реакторе-газификаторе шахтного типа прямого процесса газификации, в частности, в наклонном вращающемся цилиндрическом реакторе-газификаторе в режиме фильтрационного горения со сверхадиабатическим разогревом в «плотном» слое /см., например, патент RU 2376527, Манелис и др., дата публ. 20.12.2009; патент RU 2322641, Дорофеенко и др., дата публ. 27.11.2007; Кислов В.М. Газификация древесины и ее компонентов в фильтрационном режиме. Автореферат дисс. к.ф.м.н. ИПХФ РАН, Черноголовка, 2008/.

Достоинствами указанных способа и устройства являются высокий КПД газификации, отсутствие системы охлаждения и очистки газа, низкий уровень вредных выбросов в атмосферу. При этом имеется ряд существенных недостатков:

- ограниченные возможности использования некондиционного сырья для газификации (влажность - до 25…50%, зольность - до 10…25% и др. / см. указанные выше источники: Справочник. «Котельные и электростанции на биотопливе …», с. 220; Копытов В.В. Газификация конденсированных топлив …, с. 280-290/);

- значительные тепловые потери и, соответственно, низкий электрический КПД (до 0,15…0,25), вредное влияние на окружающую среду ввиду большого расхода охлаждающей воды и возможного присутствия в дымовых газах продуктов неполного сгорания и уноса (пыли);

- невысокие эксплуатационно-технические показатели (громоздкость оборудования - реактора-газификатора, конденсаторов рабочего теплоносителя, низкая адаптация к колебаниям нагрузки, ограниченные возможности автоматизации).

Предлагаемое изобретение направлено на решение задачи повышения эффективности производства электроэнергии (электрического КПД) в автономных энергоустановках малой мощности, работающих на местном возобновляемом энергоресурсе - биомассе, с расширением спектра используемого сырья, включая дешевую некондиционную топливную биомассу, в том числе с высоким содержанием влаги, при минимизации вредного влияния на окружающую среду процесса производства электроэнергии.

В изобретении обеспечивается получение технических результатов, которые выражаются, во-первых, в повышении электрического КПД способа и устройства для получения электроэнергии по двухстадийной схеме с газификацией сырья с последующим преобразованием тепловой энергии топливного газа, сжигаемого в паровом котле (парогенераторе), в электроэнергию посредством тепловой (паровой) машины с электрогенератором, и, во-вторых, в расширении спектра используемого дешевого низкосортного сырья, прежде всего некондиционной по содержанию влаги топливной биомассы.

Указанные технические результаты, а также возможность использования сырья с повышенной влажностью (до 70…85% и выше), достигаются за счет того, что введен участок топливоподготовки для приведение исходного сырья до кондиций биотоплива с параметрами, соответствующими техническим условиям переработки (газификации), при этом поступающее на переработку сырье перед подачей его на газификацию предварительно аккумулируется (складируется) таким образом, что каждая очередная поступающая партия сырья, включая некондиционную биомассу, т.е не соответствующую техническим условиям для газификации применительно к конкретному реактору-газификатору по содержанию влаги, складируется и хранится отдельно от других поступивших партий сырья, для подачи на газификацию осуществляется подготовка сырья посредством составления смеси сырья из двух и более партий, которое, например, попарно дозировано (в определенном объеме) смешивается в определенных весовых пропорциях таким образом, чтобы получить оптимизированный состав биотопливной смеси, причем оптимизируемой характеристикой является относительная влажность биотопливной смеси, параметром оптимизации - состав смеси (соотношение весовых долей видов сырья в конечной смеси), а критерием оптимальности процесса является соответствие значения относительной влажности (общей влаги) биотопливной смеси оптимальному значению, обеспечивающему максимум электрического КПД на выходе электрогенератора. Полученная биотопливная смесь гомогенизируется путем перемешивания с дальнейшей непрерывной либо дозированной ее загрузкой в сушильный аппарат барабанного типа, где подвергается конвективной воздушно-калориферной сушке с нагревом высушиваемого материала посредством воздуха в качестве сушильного агента с использованием тепловой энергии от охлаждения и конденсации отработавшего пара, для чего создается замкнутый контур циркуляции рабочего тела тепловой машины (воды или органического теплоносителя), в котором отработанный в тепловой (паровой) машине пар конденсируется посредством воздушного охлаждения, при этом сушильный агент - атмосферный воздух - в качестве теплоносителя и влагопоглотителя посредством принудительной циркуляции отбирает тепло от парового теплоносителя в паровоздушном теплообменнике, затем подогревает и осушает сырье в сушильном аппарате, в частности, барабанного типа, и далее увлажненный воздух в необходимом (регулируемом) объеме используется для дутья в реакторе-газификаторе в качестве газифицирующего агента, остальная часть возвращается в атмосферу, а отработавший пар, завершивший фазовый переход, в виде конденсата продолжает циркулировать в замкнутом контуре, высушенное же сырье непрерывно либо дозировано поступает в реактор-газификатор.

Технический результат предлагаемого изобретения, который выражается в минимизации вредного влияния на окружающую среду предлагаемых способа и устройства для получения электроэнергии, достигается за счет следующей совокупности действий и условий:

- в части снижения вредных выбросов в атмосферу - путем построения технологической цепи на основе использования в качестве сырья возобновляемого ресурса - биомассы, реализации двухстадийной схемы с газификацией биомассы, использования тепловых машин (двигателей) замкнутого цикла;

- в части снижения (исключения) вредного влияния (загрязнение, нарушение естественного температурного режима) на водные ресурсы - посредством исключения водяного охлаждения для отвода «сбросной» теплоты при конденсации теплоносителя (пара) и применения воздушного охлаждения;

- в части снижения отходов - за счет полноты переработки и исключения не утилизируемых отходов (в частности, специальных фильтров для очистки газов).

Технический результат, который выражается в обеспечении в предлагаемом изобретении автономности процесса производства электроэнергии, достигается посредством совокупности действий и условий через компоненты данной характеристики, включая:

универсальность по сырью, а именно возможность использования некондиционного по одному или нескольким рабочим параметрам сырья, по содержанию влаги, посредством введения участка топливоподготовки с предварительной подготовкой - механической обработкой (сортировкой, измельчением, компрессированием -уплотнением) сырья и последующим составлением биотопливной смеси сырья из различных партий с учетом выполнения ограничений на значения параметров конечной смеси для нахождения их в границах рабочих диапазонов (зольности Ad≤Ad гр, содержания углерода С≥Сгр, насыпной плотности BD≥BDгp и др.) согласно техническим условиям;

относительная независимость от внешних источников сырья за счет возможности аккумулирования сырья на складе, объем которого может быть рассчитан на достаточно длительный период работы;

практическую независимость от внешних источников водных ресурсов за счет применения конденсатора отработавшего пара с воздушным охлаждением;

независимость от внешних источников энергии;

отсутствие потребности в коммуникациях для транспортировки получаемого топливного газа, для передачи электроэнергии (снабжаются местные пользователи), а также в специальных стационарных (капитальных) сооружениях.

Также для достижения технического результата в виде расширения диапазона выходной электрической мощности, а также улучшения эксплуатационно-технических характеристик при осуществлении предлагаемого изобретения, таких как стабильная работа в широком диапазоне потребления электроэнергии и при различном качестве пара, полная автоматизация процессов, компактность (низкие габаритно-массовые характеристики), предлагается использовать цилиндрический наклонный вращающийся реактор-газификатор в режиме фильтрационного горения со сверхадиабатическим разогревом, а в качестве тепловой (паровой) машины - различные типы двигателей внешнего сгорания замкнутого цикла (ПТУ, ППД, ПВМ, турбины ORC).

Сущность изобретения поясняется фиг. 1-4.

На фиг. 1 представлена общая схема устройства для осуществления способа получения электроэнергии из некондиционной топливной биомассы по двухстадийной технологической схеме с участком топливоподготовки и воздушно-калориферной сушкой биомассы при использовании для газификации биомассы цилиндрического наклонного вращающегося реактора-газификатора.

На фиг. 2 приведены графики зависимости нижней теплотворной способности исходной биомассы от ее относительной влажности (общей влаги) при различных значениях НТС сухой биомассы.

На фиг. 3 приведены графики зависимости величины электрического КПД предлагаемого устройства от относительной влажности (общей влаги) исходной биомассы при различных значениях НТС сухой биомассы для практически реализуемого диапазона значений рабочих параметров устройства (величины КПД теплообмена при конденсации пара и сушке сырья, электрического и теплового КПД).

На фиг. 4 приведен график зависимости величины электрического КПД предлагаемого устройства от величины КПД теплообмена при конденсации пара и сушке сырья (рекуперации тепла отработавшего пара).

Способ получения электроэнергии из некондиционной топливной биомассы осуществляется посредством устройства (фиг. 1), которое работает следующим образом.

На первой стадии 1 предусматривается газификация предварительно подготовленной (кондиционной) биомассы F в реакторе-газификаторе 3 прямого процесса паровоздушной газификации в плотном слое. Сырье поступает в реактор-газификатор 3 через загрузочное устройство 4, в противоток движению сырья F через разгрузочное устройство 5, где происходит накопление и вывод твердых продуктов - отходов газификации (золы) R, в активную зону газификации посредством, например, дутья подаются газифицирующие агенты - воздух А и водяной пар и/или вода W - в необходимых для протекания окислительно-восстановительных реакций газификации (стехиометрических) соотношениях с газифицируемым сырьевым материалом, а получаемый в результате газификации топливный газ G, содержащий водород H2, монооксид углерода СО и, в ряде случаев, метан и другие углеводороды и/или другие органические соединения (летучие фракции, пары смол), фильтруется через слой загруженного сырья F и отводится из верхней части реактора-газификатора 3. Примеры технической реализации реакторов-газификаторов прямого процесса широко известны /см. указанные выше источники: «Биомасса как источник энергии...»; Копытов В.В. «Газификация конденсированных топлив …»; А.Самылин, М.Яшин. «Современные конструкции газогенераторных установок». -ЛесПромИнформ, №1, 2009, с. 78-85/.

На второй стадии 6, представляющей собой энергетическую (паросиловую) установку, получаемый топливный газ G непосредственно (без очистки и охлаждения) сжигается в паровом котле (парогенераторе) 7, оснащенном газовой горелкой, тепловая энергия пара преобразуется в механическую энергию в тепловой (паровой) машине 8 -двигателе внешнего сгорания, и в электроэнергию посредством электрогенератора 9, при этом часть отработавшего пара может отбираться для подачи в реактор-газификатор 3 в качестве газифицирующего агента в необходимом объеме.

В дополнение к приведенной известной двухстадийной схеме при осуществлении предлагаемого способа исходный сырьевой материал - некондиционная (с точки зрения применения в известных способах и устройствах газификации) по содержанию влаги топливная биомасса F - перед подачей на газификацию подвергается конвективной воздушно-калориферной сушке в сушильном аппарате 2, например, барабанного типа /ГОСТ 28115-89. Аппараты и установки сушильные. Классификация. Атмосферные с вращающимися барабанами насадочные/, входящим в состав дополнительно введенного участка топливоподготовки 12.

Сушильный агент - атмосферный воздух А - принудительно нагнетается через воздушный конденсатор 10, представляющий собой паровоздушный теплообменник, например, радиатор из пучков тонких оребренных трубок для прохождения отработавшего в тепловой (паровой) машине 8 пара, который в процессе охлаждения конденсируется и передает свою тепловую энергию нагреваемому воздуху.

Отработавший в сушильном аппарате 2 увлажненный воздух А в требуемом (регулируемом) объеме в качестве газифицирующего агента направляется в реактор-газификатор 3, его излишки возвращаются в атмосферу, а конденсат теплоносителя поступает в резервуар питательной воды 11.

Высушенное сырье F из сушильного аппарата 2 непрерывно либо дозировано поступает через загрузочное устройство 4 в реактор-газификатор 3, твердый минеральный остаток от газификации биомассы - зола R - непрерывно или дозировано выгружается через разгрузочное устройство 5 в сборник золы (конструкции такого устройства могут быть различными).

Основным конструктивным элементом сушильного аппарата 2 барабанного типа является вращающийся сушильный барабан, в котором твердые частицы влажной биомассы F перемешиваются и обдуваются потоком принудительно циркулирующего сушильного агента - атмосферного воздуха А, являющегося одновременно теплоносителем и влагопоглотителем. Могут использоваться (альтернативно либо попеременно) режимы прямоточного или противоточного движения биомассы F и сушильного агента А. При этом сушильный барабан может устанавливаться под углом к горизонту, чтобы обеспечить необходимую скорость движения биомассы (для известных технических примеров это 3-4°). Частота вращения барабана может быть переменной и определяться параметрами высушиваемой биомассы (для известных технических примеров это 1,5-9 об/мин). Наклон барабана и его вращение обеспечивают движение биомассы под действием силы тяжести (и, возможно, напора воздуха для режима прямоточного движения) от загрузочной камеры (шлюза) к выгрузочной камере (разгрузочному шлюзу). В средней части сушильного барабана на его внутренней боковой стенке, как правило, устанавливаются лопастные, секторные, винтовые или иные насадки, обеспечивающие перемешивание сырья, что интенсифицирует процесс сушки, обеспечивая большую площадь поверхности контакта между частицами биомассы и сушильным агентом.

В качестве тепловой машины с замкнутым циклом могут быть применены паровая турбина, паровой поршневой двигатель, паровая винтовая машина (рабочее тело - вода), а также турбины органического цикла Ренкина - ORC (рабочее тело - органический теплоноситель).

При использовании на стадии газификации наклонного вращающегося цилиндрического реактора-газификатора 3 с загрузочным устройством 4 со шлюзовой камерой и вертикальным цилиндром, газификация осуществляется в режиме фильтрационного горения со сверхадиабатическим разогревом, а в качестве газифицирующих агентов используются воздух и вода, подающаяся в жидком состоянии в активную зону реактора-газификатора 3 (примеры технической реализации реакторов см. патент RU 2322641 С2, приоритет от 02.05.2006, Дорофеенко и др.; патент RU 2376527 С2 приоритет от 19.12.2007, Жирнов, Зайченко, Манелис, Полианчик).

Некондиционная, т.е. не соответствующая стандартам или техническим условиям и требующая предварительной подготовки, топливная биомасса представляет собой дешевый и практически не используемый в настоящее время источник местных энергоресурсов. К параметрам, по которым определяются кондиции биомассы как энергосырья и от которых зависит его стоимость и, соответственно, экономичность его использования, относятся такие рабочие характеристики, как теплотворная способность, общая влага, зольность, содержание углерода, насыпная плотность, форма частиц, фракционный состав (однородность) и др. /ГОСТ Р 54220-2010 Биотопливо твердое Технические характеристики и классы топлива. Часть 1. Общие требования; ГОСТ Р 54236-2010 Топливо твердое из бытовых отходов. Технические характеристики и классы/.

Энергетическая, и, соответственно, потребительская ценность топлива определяется в основном его теплотворной способностью - количеством энергии в единице массы топлива, которое может быть использовано для производства тепла/электричества. В частности, качество биомассы как топлива оценивается нижней теплотворной способностью (НТС) Q, которая в значительной степени зависит от содержания влаги в топливе. Его количественный показатель - относительная влажность (общая влага) W - является одной из наиболее важных переменных характеристик топлива, в значительной степени определяющей его стоимость и, в конечном счете, экономичность его энергетического использования на практике.

По справочным данным /см. указанные выше источники: Справочник «Котельные и электростанции на биотопливе …; «Биомасса как источник энергии…»/ средняя относительная влажность низкосортного дешевого сырья может составлять 33…50% для свежесрубленной и 50…80% для мокрой (транспортируемой по воде) древесины, до 70% - для отстоя городских сточных вод, 60…85% - для навоза, до 55% и более - для сельскохозяйственных отходов, 15…35% - для ТБО.

Взаимосвязь между вышеуказанными характеристиками может быть выражена следующим соотношением:

где Δtw - температура нагрева влаги сырья от текущего значения до 100°С;

Qc - НТС сухого вещества топлива;

Cw = - удельная теплоемкость воды;

Lγ = - удельная теплота парообразования.

Принимая Δtw=80° (от 20°С до 100°С); Cw=4,1872 кДж/кгК; Lγ=2 250 кДж/кг, получим

Зависимость НТС исходного сырья от его влажности W для заданного диапазона исходных данных представлена на фиг. 2.

Для полной сушки исходного сырья, а именно получения 1 кг сухого сырья, потребуется тепловой энергии в количестве (ккал):

Опытные данные по энергетической эффективности существующих малых энергоустановок с тепловыми двигателями (машинами) замкнутого цикла приведены в таблице 1 /см. указанные выше источники: «Применение энергии биомассы …»; А. Самылин, М Яшин. «Современные конструкции газогенераторных установок». - ЛесПромИнформ, №1, 2009, с. 78-85/.

Примем следующий диапазон параметров энергетической эффективности энергоустановок, в том числе для известных близких аналогов:

электрический КПД ηе=0,10…0,20

тепловой КПД ηт=0,45…0,65.

Достижимый (потенциальный) уровень электрического КПД ηе(y) для предлагаемого способа и устройства при полной сушке исходного сырья за счет тепла отработавшего пара может быть определен следующим образом:

или

Максимальную влажность Wmax исходного сырья, при которой возможна его внутрисистемная автотермическая (без поступления энергии извне, а именно за счет утилизации (рекуперации) «сбросной» тепловой энергии на выходе тепловой машины) сушка, можно определить из соотношения:

,

где γ - коэффициент теплообмена (рекуперации тепла отработавшего пара),

отсюда

Подставляя (7) в (5), получим выражение для достижимого уровня электрического КПД (W=Wmax):

Исследуем, как изменяется величина электрического КПД ηе при отклонении параметров [W, Qc] сырья в зависимости от текущей относительной влажности W исходного сырья в диапазоне возможных значений W=(0; Wпред), где предельное значение относительной влажности исходного сырья

а) Для случая 0<W<Wmax текущий 'электрический КПД определяется по (5),

б) Для случая Wmax<W<Wmax необходимо учесть системные потери тепла, обусловленные влажностью получаемого топливного газа /Кислов В.М. Газификация древесины и ее компонентов в фильтрационном режиме. Автореферат дисс.к.ф.м.н. ИПХФ РАН, Черноголовка, 2008. - с. 10-13/.

НТС исходного сырья определяется по (1), НТС подсушенного сырья определим как:

где Свп - удельная теплоемкость водяного пара,

Δtвн = температура нагрева водяного пара в дымовых газах,

ΔW - уменьшение влажности в результате сушки.

Принимая Свп - 2 510 Дж/кг, Δtвп=125° и поставляя в (10) численные значения, получим:

С учетом подсушки сырья справедливо соотношение:

Подставляя (12) в (11) получим

Определяя электрический КПД устройства как

и, подставляя (13) в (14), получим результирующее выражение для электрического КПД устройства:

при уточненном предельном значении относительной влажности:

Графики зависимости электрического КПД ηе(y) устройства от относительной влажности W исходной биомассы при различных значениях НТС Qc сухой биомассы приведены на фиг. 3.

Примечание: Некоторое приближение расчетов связано с тем, что с учетом температуры отработавшего («мятого») пара для предлагаемых типов тепловых (паровых) машин практически может быть реализована сушка только до воздушно-сухого состояния сырья. В то же время топливная биомасса в зависимости от ее происхождения, в частности древесина, может содержать также реакционную (химическую) влагу, отделение которой начинается при температуре свыше 150°.

Относительно эффективности предлагаемых технических решений можно сделать следующие выводы.

1. Для диапазона возможных значений параметров сырья (НТС сухого вещества Qc=2000…5000 ккал/кг) и технологических процессов (теплового КПД энергетической (паросиловой) установки ηт=0,45…0,65; коэффициента теплопередачи на сушку сырья γ=0,5) технический результат, выражаемый в увеличении электрического КПД, находит подтверждение, однако проявляется неравномерно, при этом существует оптимальное значение относительной влажности исходного сырья Wopt=Wmax и ему соответствует максимальное значение электрического КПД предлагаемого способа и устройства, которое не зависит от НТС Qc сухого вещества сырья и превышает электрический КПД ηе известных аналогов в 1,5 раза.

Примечание - Эффективность предлагаемых решений может несколько снижаться с учетом возможных эксплуатационных затрат электроэнергии, потребляемой вращающимся сушильным барабаном, насосами, вентиляторами (воздуходувками).

Так, по расчетам предлагаемое устройство с номинальной электрической мощностью 100…500 кВт должно иметь потребление по сырью (Qc=2000…5000 ккал/кг, W=Wopt=0,5…0,.7 - см. фиг. 5) в диапазоне 215…1535 кг/ч. Существующие модели сушилок барабанного типа БСЛ данной производительности имеют потребляемую мощность на вращение барабана 1…4 кВт, что не превышает ~1% выходной мощности. С учетом энергопотребления вентиляторными системами электростанций (~0,5…0,7% от выходной мощности) повышение доли минимально необходимых эксплуатационных энергозатрат находится в пределах 2% от выходной мощности, что позволяет считать несущественным снижение электрического КПД предлагаемого устройства.

2. Верхняя граница диапазона допустимых значений влажности Wдoп исходного сырья может быть определена, исходя из требований к энергетической эффективности. В частности, при условии указанная граница соответствует значениям Wдоп=0,7…0,85, что существенно выше возможностей рассмотренных выше аналогов (Wдоп=0,2…0,5) и подтверждает достижение технического результата, заключающегося в расширении спектра материалов, а именно по параметру влажности, используемых в качестве сырья для производства электроэнергии.

3. Нелинейный характер зависимости электрического КПД ηe(y) устройства от коэффициента теплообмена γ при конденсации пара и сушке сырья (фиг. 4) определяет возможности его существенного повышения при нахождении эффективных технических решений по рекуперации тепла отработавшего пара (особенно в области значений γ>0,5).

Реализация вышеприведенных возможностей по использованию некондиционного сырья в предлагаемом устройстве осуществляется следующим образом.

Исходное сырье F для производства электроэнергии - измельченная (при необходимости) некондиционная, в частности по содержанию влаги, топливная биомасса различного происхождения, в том числе органическая часть твердых бытовых (городских) отходов, поступающая на участок топливоподготовки 12, транспортером 13 непрерывно либо дозировано загружается в расходный секционированный склад сырья 14, причем каждая партия сырья, имеющая определенные известные рабочие параметры, в том числе содержание влаги, складируется через входной (загрузочный) шлюз 15 в соответствующую секцию склада отдельно от других партий сырья.

Подготовка сырья осуществляется путем смешивания сырья из двух и более партий с составлением оптимизированной биотопливной смеси, для чего сырье дозировано выгружается из определенных секций склада 14 через выходной (разгрузочный) шлюз 16 в соответствующих расчетных весовых пропорциях и посредством транспортера 13 загружается в бункер сырья 17, где перемешивается и гомогенизируется, затем непрерывно либо дозировано перегружается в сушильный аппарат 2.

При этом параметры смеси, в частности, из двух партий сырья определяются следующим образом:

относительная влажность

нижняя теплотворная способность

где α12≥0 - весовые доли смешиваемых партий сырья, α12=1,

W1, W2 - относительная влажность партий сырья,

Q1, Q2 - НТС партий сырья.

Оптимальные значения α1, α2 могут быть определены с учетом данных соотношений (7), а именно , где смеси определяется из (1) при .

При попарном переборе смешиваемых партий сырья возможное число вариантов состава смеси равно числу неупорядоченных сочетании , где n - число партии сырья.

С учетом возможной некондиционности сырья по иным параметрам помимо влажности составление биотопливной смеси сырья из различных групп (партий) может осуществляться с учетом выполнения ограничений на значения параметров конечной смеси для нахождения их в границах рабочих диапазонов (зольности Ad≤Аd гр, содержания углерода С≥Сгр, насыпной плотности BD≥BDгp и др.) согласно техническим условиям для газификации.

В участок топливоподготовки 12 может быть дополнительно введена линия предварительной подготовки сырья 19, которая подключается к транспортеру 13 и состоит из специализированных средств механической обработки (сортировки, измельчения, уплотнения - компрессирования) сырья 20.

Для определения (измерения) и/или текущего контроля рабочих параметров сырья (при необходимости) в процессе его поступления, хранения и подготовки на входе транспортера 13 и/или в секциях склада 14 могут устанавливаться соответствующие средства измерения и/или контроля 18 (влагомеры и т.п.).

Отработавший в сушилке 2 воздух может использоваться для предварительной подсушки хранящегося сырья, для чего пропускается через заданные секции склада 14.

Примечание - Участок топливоподготовки 12 может комплектоваться известными техническими средствами подготовки, хранения, погрузки твердого топлива, в том числе топливной биомассы /см. указанный выше Справочник. «Котельные и электростанции на биотопливе…/, отвечающими требованиям действующих норм и правил /СП 90.13330.2012 Электростанции тепловые. Актуализированная редакция СНиП П-58-75; СТО 70238424.27.100.023-2008. Топливно-транспортное хозяйство ТЭС. Прием и хранение твердого топлива Условия поставки. Нормы и требования; ГОСТ Р 54205-2010. Ресурсосбережение. Обращение с отходами. Наилучшие доступные технологии повышения энергоэффективности при сжигании: смешивание отходов с предварительной обработкой (измельчением крупногабаритных отходов и т.п.)/.

По графикам, приведенным на фиг. 3, рассматривая в качестве значений переменных параметров [W, Qc] исходной биомассы расчетные значения соответствующих параметров биотопливной смеси, которым соответствует точка максимума графика, можно сделать заключение о том, что оптимизированная по составу биотопливная смесь позволяет обеспечить максимальное значение электрического КПД предлагаемого устройства, которое превышает электрический КПД ηе известных аналогов в 1,5 раза (в частности, с 0,2 до 0,3 для принятых исходных данных). При этом предлагаемое изобретение обеспечивает достижение технического результата, заключающегося в расширении спектра материалов, используемых в качестве сырья для производства электроэнергии, поскольку с целью утилизации в составе биотопливной смеси в качестве ингредиента, добавляемого к кондиционному сырью, может быть использовано исходное некондиционное сырье любой, в том числе повышенной влажности (0,7…0,85 и выше), однако с точки зрения энергетической эффективности целесообразно ограничить содержание влаги величиной W≤Wпред=0,7…0,85 (см. фиг. 2).

1. Способ получения электроэнергии из некондиционной топливной биомассы по двухстадийной технологической схеме, предусматривающий на первой стадии подачу исходного сырья - измельченной (при необходимости) топливной биомассы различного происхождения - и осуществление ее паровоздушной газификации в плотном слое в реакторе-газификаторе прямого процесса, при этом в процессе газификации в противоток движению сырья через нижнюю часть реактора-газификатора, где происходит накопление и вывод твердых продуктов - отходов газификации (золы), в активную зону газификации посредством, например, дутья подают газифицирующие агенты - воздух и водяной пар и/или воду - в необходимых для протекания окислительно-восстановительных реакций газификации соотношениях с газифицируемым сырьем, а получаемый в результате газификации горючий топливный газ фильтруется через слой загруженного в реактор-газификатор сырья и отводится из его верхней части для использования на второй стадии, включающей сжигание получаемого топливного газа в паровом котле (парогенераторе), преобразование тепловой энергии пара в механическую энергию в тепловой (паровой) машине и в электрическую энергию посредством электрогенератора, отличающийся тем, что сырье для газификации - некондиционную по содержанию влаги топливную биомассу, подвергают предварительной подготовке, включающей сушку, для чего создают замкнутый контур циркуляции рабочего тела (воды или органического теплоносителя) тепловой машины, в котором отработавший пар охлаждают в воздушном конденсаторе атмосферным воздухом, который затем за счет принудительной циркуляции в качестве сушильного агента используют для конвективной воздушно-калориферной сушки подаваемого сырья, а отработавший пар, завершивший фазовый переход, в виде конденсата продолжает циркулировать в замкнутом контуре, при этом сырьем для сушки является оптимизированная биотопливная смесь, которую получают путем смешивания сырья из различных групп, характеризующихся различными значениями параметров топливной биомассы, в том числе некондиционной по одному или нескольким параметрам, при этом оптимизируемой характеристикой является относительная влажность биотопливной смеси, параметром оптимизации - состав смеси как соотношение весовых долей видов сырья в конечной смеси, а критерием оптимальности - соответствие значения относительной влажности биотопливной смеси оптимальному значению, обеспечивающему максимум электрического КПД на выходе электрогенератора при полном удалении внешней (гигроскопической) влаги из сырья в процессе его сушки.

2. Способ получения электроэнергии по п. 1, отличающийся тем, что оптимальное значение относительной влажности биотопливной смеси определяется как , где Δtw - температура нагрева влаги сырья до 100°C; Cw - удельная теплоемкость воды; Lγ - удельная теплота парообразования; - нижняя теплотворная способность сухого вещества биотопливной смеси; ηт - тепловой КПД тепловой (паровой) машины; γ - коэффициент теплопередачи от отработавшего пара на сушку сырья.

3. Способ получения электроэнергии по п. 2, отличающийся тем, что биотопливную смесь составляют из сырья двух групп, которые соответствуют одному из возможных вариантов попарного перебора всех N имеющихся групп сырья, при этом для каждого варианта оптимальные значения весовых долей αi, αj≥0 (αij=1) смешиваемых i-й и j-й партий сырья (i, j)∈[1,N], i≠j, определяют из соотношений для относительной влажности и нижней теплотворной способности смеси, где Wi, Wj - известные значения относительной влажности сырья i-й и j-й групп соответственно, Qi, Qj - известные или расчетные значения нижней теплотворной способности сырья i-й и j-й групп соответственно, с учетом соотношения .

4. Способ получения электроэнергии по одному (любому) из пп. 1-3, отличающийся тем, что составление биотопливной смеси проводят с выполнением ограничений на значения параметров смеси (зольности, насыпной плотности и др.) для нахождения их в заданных границах рабочих диапазонов.

5. Способ получения электроэнергии по п. 1, отличающийся тем, что использованный для сушки сырья воздух в необходимом (регулируемом) объеме подают в реактор-газификатор в качестве газифицирующего агента.

6. Устройство для получения электроэнергии из некондиционной топливной биомассы по двухстадийной технологической схеме, включающее транспортер для подачи сырья - измельченной топливной биомассы различного происхождения, в том числе органических отходов - в реактор-газификатор прямого процесса паровоздушной газификации в плотном слое, имеющий загрузочное устройство с шлюзовой камерой в верхней части и разгрузочное устройство со сборником отходов газификации - золы - в нижней части, а также выход в верхней части для подачи топливного газа, получаемого в результате газификации, в паровой котел (парогенератор) для сжигания, к нижней части реактора-газификатора подведены входы для подачи, например, посредством дутья, газифицирующих агентов - воздуха и водяного пара/воды в противоток движению сырья в активную зону газификации, при этом паровой котел (парогенератор) соединен с резервуаром теплоносителя - рабочего тела (воды или органического теплоносителя), а его выход для производимого пара соединен с входом тепловой (паровой) машины, которая конструктивно соединена с электрогенератором, отличающееся тем, что оно имеет в своем составе замкнутый контур для циркуляции рабочего тела (воды или органического теплоносителя) тепловой (паровой) машины, образованный посредством введения в состав устройства воздушного конденсатора для охлаждения и конденсации отработавшего в тепловой (паровой) машине пара, а также сушильного аппарата барабанного типа для конвективной воздушно-калориферной сушки исходного сырья из состава введенного участка топливоподготовки, куда также включены секционированный склад сырья и бункер-смеситель сырья, при этом транспортер имеет вход для поступающего на переработку исходного сырья и выход для его подачи через загрузочный шлюз в секционированный склад, при этом загрузочный шлюз позволяет каждую очередную партию исходного сырья, имеющую определенные известные рабочие параметры, загрузить в отдельную секцию склада, который через разгрузочный шлюз имеет выход на транспортер и далее в бункер-смеситель, при этом разгрузочный шлюз позволяет подавать сырье из различных секций непрерывно либо дозированно в требуемых для составления биотопливной смеси весовых пропорциях, а бункер-смеситель может вращаться и перемешивать загруженную биотопливную смесь, выход бункера-смесителя соединен с загрузочным шлюзом сушильного аппарата, оснащенного также разгрузочным шлюзом для подачи высушенного сырья в реактор-газификатор, а выход тепловой (паровой) машины для отработавшего пара соединен с воздушным конденсатором, выход которого для конденсата подключен к резервуару для питательной воды, воздушный конденсатор имеет также вход для нагнетаемого атмосферного воздуха, охлаждающего пар, и выход для подогретого паром воздуха через сушильный аппарат в атмосферу.

7. Устройство для получения электроэнергии по п. 6, отличающееся тем, что на входе транспортера и в каждой секции секционированного склада устанавливаются средства для определения (измерения) и/или текущего контроля параметров сырья (влажности, зольности, насыпной плотности и т.п.) каждой группы, результаты измерений используются для составления оптимизированной биотопливной смеси с учетом выполнения ограничений на значения параметров газифицируемого сырья, заданных, в частности, техническими условиями.

8. Устройство для получения электроэнергии по п. 6, отличающееся тем, что участок топливоподготовки дополнительно оснащен линией предварительной подготовки сырья, включающей специализированные средства механической сортировки и обработки (измельчения, компрессирования - уплотнения) сырья и соединенной с транспортером сырья, осуществляющим подачу поступающего исходного сырья и/или сырья из секций секционированного склада на сортировку и обработку и обратно в секции склада

9. Устройство для получения электроэнергии по п. 6, отличающееся тем, что выход сушильного аппарата подключен к реактору-газификатору для регулируемой подачи использованного воздуха в качестве газифицирующего агента.

10. Устройство для получения электроэнергии по п. 6 или 9, отличающееся тем, что выход использованного воздуха сушильного аппарата подключен к секционированному складу с возможностью изменения маршрута прохода воздуха как сушильного агента для подсушки хранящегося сырья через различные секции склада сырья, а каждая секция оснащена средствами (влагомерами) для непрерывного либо периодического контроля уровня относительной влажности хранящегося сырья, при этом воздух для подсушки может преимущественно направляться в секции склада с сырьем с повышенным уровнем влажности, секции имеют выходы в атмосферу для проходящего через них воздуха.

11. Устройство для получения электроэнергии по п. 6, отличающееся тем, что для газификации топливной биомассы используется цилиндрический наклонный вращающийся реактор-газификатор в режиме фильтрационного горения со сверхадиабатическим разогревом.

12. Устройство для получения электроэнергии по п. 6 или 11, отличающееся тем, что в качестве тепловой (паровой) машины используется паровая турбина конденсационного типа.

13. Устройство для получения электроэнергии по п. 6 или 11, отличающееся тем, что в качестве тепловой (паровой) машины используется паровая винтовая машина.

14. Устройство для получения электроэнергиипо п. 6 или 11, отличающееся тем, что в качестве тепловой (паровой) машины используется паровой поршневой двигатель.

15. Устройство для получения электроэнергии по п. 6 или 11, отличающееся тем, что качестве тепловой (паровой) машины используется турбина органического цикла Ренкина (ORC).

16. Устройство для получения электроэнергии по п. 6, отличающееся тем, что для сушки сырья используется сушильный аппарат барабанного типа, имеющий по крайней мере один загрузочный шлюз и один разгрузочный шлюз для сырья, с возможностью работы в режимах непрерывной и/или дозированной загрузки/разгрузки, прямоточной (сырье и воздух перемещаются в одном направлении) и/или противоточной (сырье и воздух перемещаются в противоположных направлениях) сушки с возможностью варьирования угла наклона, скорости движения воздуха внутри барабана, скорости вращения барабана.



 

Похожие патенты:

Способ для обезвреживания и утилизации массива бытовых отходов содержит бурение скважин в толще массива и установку в них вертикальных перфорированных отводящих труб, солнечный нагрев и увлажнение массива, размещенного под пирамидальными прозрачными колпаками, атмосферными осадками и питательной водой из канавок между колпаками, анаэробное брожение в толще массива с получением био–газа (метана), вывод его из колпаков и пор массива через вертикальные перфорированные отводящие трубы, соединенные через газопроводы с компрессором, который создает разрежение в полости колпаков и соединенных с ним на всасе газопроводов и сжимает на выходе биогаз, который под давлением поступает в трубное пространство воздушного холодильника, охлаждаемого наружным воздухом за счет естественной тяги, где происходит его охлаждение с конденсацией значительной части водяных паров и тяжелых углеводородов.

Изобретение относится к устройствам для термического обезвреживания опасных отходов, а также отсортированных органических компонентов твердых бытовых отходов, углерод - и углеводородсодержащих отходов, в том числе нефтешламов, отходов предприятий органического синтеза, иловых осадков канализационных очистных сооружений, отходов медицинских и лечебно-профилактических учреждений и прочих горючих, биоразлагаемых отходов.

Предложен способ обеспечения теплом и электричеством компактных автономных объектов, расположенных в полевых условиях. Согласно способу в пиролизном котле, установленном в автономном объекте, сжигают твердое топливо в верхней части котла 1 с недостаточным количеством окислителя и дожигают пиролизный газ в нижней части котла 2, где подогревают теплоноситель замкнутой системы отопления 10, при этом часть пиролизного газа из верхней части котла 1 выводят наружу, отчищают от примесей и подают в двигатель внутреннего сгорания 8, на валу которого установлен электрогенератор 9.

Изобретения относятся к области пиролизной утилизации бытовых и промышленных отходов. Утилизированные бытовые и промышленные отходы направляют винтовым конвейером из бункера-накопителя в металлическую жаропрочную трубу корпуса мобильной пиролизной камеры, где винтовым конвейером перемещаются вдоль пиролизной камеры с разогревом и поддержанием температуры пиролиза в интервале 800-900°C.

Изобретение относится к способу и структурной схеме экологически безопасной переработки отходов и биомассы для повышения эффективности производства электроэнергии и тепла.

Изобретение относится к жилищно-коммунальному хозяйству и может быть использовано на полигонах по переработке твердых коммунальных отходов. Техническим результатом является повышение эффективности пиролизного реактора.

Изобретение относится к области теплоэнергетики и может использоваться как в бытовых отопительных системах, так и на небольших производствах, использующих тепловую энергию, а также для утилизации измельченных горючих бытовых отходов.

Изобретение относится к химической промышленности, а именно к способам очистки технологического оборудования, изготовленного из рядовых и легированных сталей, от полимерных отложений и эмульсионных каучуков путем термического разложения.

Изобретение относится к области производства биотоплив на основе возобновляемого органического сырья и может быть использовано для целей транспортной отрасли и в энергетике.

Изобретение относится к энергетике, в частности к устройствам для получения горючих газов, жидкого топлива и твердого остатка из пластмассы, полимеров, шин, автомобильных скрабов, кабелей.

Топливная система (8) и способ её промывки для газопаротурбинной установки с интегрированной газификацией угля, включающей газовую турбину (1). Топливная система (8) подключена к камере (3) сгорания газовой турбины (1) и содержит устройство (10) для газификации природного топлива и газопровод (9), ответвляющийся от устройства (10) для газификации и соединенный с камерой (3) сгорания газовой турбины (1).

Изобретение относится к энергетике. В изобретении описаны системы постепенного окисления, в которые поступает твердое, жидкое или газообразное топливо и которые обеспечивают обработку твердого, жидкого или газообразного топлива.

Изобретение относится к энергетике. Твердотопливная газотурбинная установка, содержащая компрессор, турбину, полезную нагрузку, расположенные на одном валу, твердотопливную камеру сгорания, выполненную в виде последовательно установленных газификатора, дожигателя и смесителя, и теплообменник.

Изобретение относится к области химии. В первом реакторе производят экзотермически-генерированный продукт 4 синтез-газа, преобразуя первую часть потока углеводородного сырья.

Изобретение относится к теплоэнергетике, а именно к способу получения высокотемпературного воздуха для использования его в качестве рабочего тела в газовой турбине.

Изобретение относится к энергетике. .

Изобретение относится к способу эксплуатации энергетической установки интегрированным газифицирующим устройством. .

Изобретение относится к газотурбинной технологии, используемой для получения работы и генерации электроэнергии или в качестве привода транспортных средств или компрессорных станций магистральных газопроводов.

Изобретение относится к области энергетики и может быть использовано для выработки электроэнергии гарантированных параметров в широком температурном диапазоне атмосферного воздуха при пониженном выбросе вредных веществ в составе выхлопных газов.

Изобретение относится к области теплоэнергетики, в частности к комбинированным энергетическим установкам, производящим электрическую и тепловую энергию. .

Изобретение относится к области коксохимии. Нагревают уголь (2) в коксовой печи (1).

Изобретение относится к электроэнергетике на основе возобновляемых источников энергоресурсов и местных видов топлива, в частности биомассы, децентрализованному электроснабжению, а также к переработке и утилизации твердых органических, в том числе бытовых отходов. Техническим результатом является повышение эффективности производства электроэнергии. Способ предусматривает на первой стадии подачу исходного сырья - измельченной топливной биомассы различного происхождения - и осуществление ее паровоздушной газификации в плотном слое в реакторе-газификаторе прямого процесса, при этом в процессе газификации в противоток движению сырья через нижнюю часть реактора-газификатора, где происходит накопление и вывод твердых продуктов - отходов газификации, в активную зону газификации посредством, например, дутья подают газифицирующие агенты - воздух и водяной пар иили воду - в необходимых для протекания окислительно-восстановительных реакций газификации соотношениях с газифицируемым сырьем, а получаемый в результате газификации горючий топливный газ фильтруется через слой загруженного в реактор-газификатор сырья и отводится из его верхней части для использования на второй стадии, включающей сжигание получаемого топливного газа в паровом котле, преобразование тепловой энергии пара в механическую энергию в тепловой машине и в электрическую энергию посредством электрогенератора. Причем сырье для газификации - некондиционную по содержанию влаги топливную биомассу, подвергают предварительной подготовке, включающей сушку, для чего создают замкнутый контур циркуляции рабочего тела тепловой машины, в котором отработавший пар охлаждают в воздушном конденсаторе атмосферным воздухом, который затем за счет принудительной циркуляции в качестве сушильного агента используют для конвективной воздушно-калориферной сушки подаваемого сырья, а отработавший пар, завершивший фазовый переход, в виде конденсата продолжает циркулировать в замкнутом контуре, при этом сырьем для сушки является оптимизированная биотопливная смесь, которую получают путем смешивания сырья из различных групп, характеризующихся различными значениями параметров топливной биомассы, в том числе некондиционной по одному или нескольким параметрам, при этом оптимизируемой характеристикой является относительная влажность биотопливной смеси, параметром оптимизации - состав смеси как соотношение весовых долей видов сырья в конечной смеси, а критерием оптимальности - соответствие значения относительной влажности биотопливной смеси оптимальному значению, обеспечивающему максимум электрического КПД на выходе электрогенератора при полном удалении внешней влаги из сырья в процессе его сушки. 2 н. и 14 з.п. ф-лы, 1 табл., 4 ил.

Наверх