Способ совместного производства электроэнергии и газового топлива при термической конверсии биомассы
Владельцы патента RU 2732392:
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Объединенный институт высоких температур Российской академии наук (ОИВТ РАН) (RU)
Изобретение относится к химической промышленности и энергетике, конкретно к способам термической конверсии биомассы для производства газового топлива, содержащего водород и монооксид углерода, посредством сжигания которого обеспечивается генерация электроэнергии. Биомассу дозированно подают через газоплотный питатель в верхнюю часть теплоизолированной реторты, над слоем биомассы осуществляют ввод продуктов сгорания от газового двигателя с заданным содержанием кислорода, в верхней части реторты за счет теплоты введенных продуктов сгорания производят испарение влаги и нагрев биомассы до температуры начала ее экзотермического разогрева (которая зависит от вида биомассы), в средней части реторты производят пиролитическое разложение биомассы, в нижней части реактора при температуре 950-1200°С производят термическую конверсию парогазовой смеси летучих продуктов пиролитического разложения биомассы и продуктов сгорания в слое твердофазных продуктов пиролитического разложения биомассы, при этом свободное от жидкой фазы газовое топливо, содержащее водород и монооксид углерода, получают в соответствии с реакциями CnHm=nC+(m/2)Н2, С+H2O=CO+H2, С+CO2=2СО и выводят из нижней части реторты наружу, далее его либо направляют внешнему потребителю, либо смешивают в заданном соотношении с воздухом атмосферы и направляют для сжигания в механически соединенный с электрогенератором газовый двигатель, а прореагировавший остаток твердофазных продуктов пиролитического разложения биомассы выгружают наружу через газоплотный затвор в самой нижней части реторты. Техническим результатом изобретения является совместное производство электроэнергии и газового топлива путем перехода к прямому нагреву биомассы газообразным теплоносителем, что позволяет многократно увеличить производительность процесса получения газового топлива и масштаб электрогенерации, отказаться от использования электрической энергии для нагрева биомассы и необходимости применения дорогостоящих и сложных в обработке жаростойких и жаропрочных материалов. 8 з.п. ф-лы, 1 ил.
Изобретение относится к химической промышленности и энергетике, конкретно - к способам термической конверсии биомассы для производства газового топлива, содержащего водород и монооксид углерода, посредством сжигания которого обеспечивается генерация электроэнергии.
Известны способы и устройства для производства газового топлива, содержащего водород и монооксид углерода, работающие по принципу обращенного процесса газификации (см., например, патент RU 2683064). Данная технология позволяет производить газовое топливо (генераторный газ), основными горючими компонентами которого являются водород и монооксид углерода, а затем, после очистки, использовать газовое топливо в двигателе внутреннего сгорания, вал которого соединен с электрогенератором для производства электроэнергии.
Недостатком подобной технологии является наличие в получаемом газовом топливе жидкой фазы, в количестве, как правило, не менее 200 мг/м3, что существенно ограничивает возможности непосредственного (без очистки) использования полученного газового топлива в электрогенерирующем оборудовании (например, электроагрегатах на базе двигателей внутреннего сгорания), поскольку наличие жидкой фазы приводит к быстрому образованию углеродных отложений на реакционных поверхностях. Очистка газового топлива от жидкой фазы является относительно сложным и затратным мероприятием, существенно снижающим экономическую эффективность процесса в целом, что в большинстве случаев делает неоправданным использование газового топлива, получаемого известными методами термической конверсии биомассы, в электрогенерирующем оборудовании.
Известны способы термической конверсии биомассы в газовое топливо, практически не содержащее жидкой фазы, основанные на модифицировании свойств получаемых газов непосредственно в печи (реакторе, реторте). В качестве ближайшего аналога принято техническое решение, описанное в полезной модели RU 97727 (приоритет от 12.03.2010). Основными элементами термической конверсии биомассы в данном техническом решении являются обогревательная камера, заключенная в теплоизоляционную оболочку, и вертикальная реторта с возможностью выхода газообразных продуктов конверсии в ее нижней части. Обогревательная камера включает верхнюю низкотемпературную секцию в виде электрической обмотки сопротивления для нагрева биомассы до 450-600°С, а также нижнюю высокотемпературную секцию в виде электрической нагревательной печи прямого действия для нагрева биомассы до 950-1000°С. Способ включает приготовление биомассы с влажностью, равной или превосходящей не более чем на 50-100% влажность, необходимую для полной конверсии биомассы в газообразное топливо, а также ссыпание в емкость остатка твердофазных продуктов пиролитического разложения биомассы (преимущественно, золы) через отверстия в днище. Внутри емкости расположен теплообменник охлаждения золы и нагрева теплоносителя для нужд отопления и/или горячего водоснабжения. Имеются также один или несколько трубчатых каналов, расположенных во внутреннем пространстве реторты, для вывода газообразных продуктов конверсии из нижней части реторты через ее верхнюю часть.
К основному недостатку ближайшего аналога следует отнести нерациональный энергоемкий способ нагрева биомассы, который заключается в передаче теплоты от электрической нагревательной камеры через стенку реторты. При таком нагреве возможности теплопередачи от периферии к центру реторты ограничены вследствие низкой теплопроводности слоя биомассы. В совокупности с необходимостью равномерного прогрева биомассы это накладывает существенное ограничение на допустимые радиальные размеры реторты, что, в свою очередь, ограничивает производительность устройства. Следует также отметить, что применение электропечей любого типа для нагрева биомассы обуславливает необходимость задействования непропорционально большого количества электроэнергии от внешних источников. Кроме того, для осуществления конверсии продуктов пиролиза в смесь водорода и монооксида углерода в высокотемпературной секции требуется поддержание температуры до 950÷1000°С, что обуславливает необходимость применения дорогостоящих жаростойких и жаропрочных материалов, к наиболее доступным из которых относятся стали и сплавы с высоким содержанием хрома и никеля, выдерживающие длительное воздействие высокой температуры в науглероживающей среде и в присутствии водорода. Такие материалы, как правило, характеризуются низкими показателями обрабатываемости и свариваемости, что затрудняет изготовление, монтаж, настройку и ремонт оборудования.
Технической задачей предлагаемого изобретения является совместное производство электроэнергии и газового топлива путем перехода к прямому нагреву биомассы газообразным теплоносителем, что позволяет многократно увеличить производительность процесса получения газового топлива и масштаб электрогенерации, отказаться от использования электрической энергии для нагрева биомассы и необходимости применения дорогостоящих и сложных в обработке жаростойких и жаропрочных материалов.
Решение указанной технической задачи достигается тем, что биомассу дозированно подают через газоплотный питатель в верхнюю часть теплоизолированной реторты, над слоем биомассы осуществляют ввод продуктов сгорания от газового двигателя с заданным содержанием кислорода, в верхней части реторты за счет теплоты введенных продуктов сгорания производят испарение влаги и нагрев биомассы до температуры начала ее экзотермического разогрева (которая зависит от вида биомассы) в средней части реторты производят пиролитическое разложение биомассы, в нижней части реактора при температуре 950-1200°С производят термическую конверсию парогазовой смеси летучих продуктов пиролитического разложения биомассы и продуктов сгорания в слое твердофазных продуктов пиролитического разложения биомассы, при этом свободное от жидкой фазы газовое топливо, содержащее водород и монооксид углерода, получают в соответствии с реакциями
и выводят из нижней части реторты наружу, далее его либо направляют внешнему потребителю, либо смешивают в заданном соотношении с воздухом атмосферы и направляют для сжигания в механически соединенный с электрогенератором газовый двигатель, а прореагировавший остаток твердофазных продуктов пиролитического разложения биомассы выгружают наружу через газоплотный затвор в самой нижней части реторты.
В ряде случаев газовое топливо из реторты дополнительно очищают от твердых частиц, и/или охлаждают, и/или кондиционируют до заданного соотношения долей водорода, монооксида углерода и примесей. До поступления в газовый двигатель газового топлива из реторты его работу без каких-либо регулировок осуществляют на метане или природном газе; кроме того, при отборе части газового топлива для внешнего потребителя - недостаток газового топлива для работы газового двигателя компенсируют метаном или природным газом. В ряде случаев в нижней части реторты помещают теплообменник для генерации горячей воды и/или водяного пара, которые получают за счет теплоты прореагировавшего остатка твердофазных продуктов пиролитического разложения биомассы перед его выгрузкой из реторты. Подачу биомассы через газоплотный питатель осуществляют по сигналу от датчика уровня в верхней части реторты. Регулирование подачей продуктов сгорания от газового двигателя осуществляют путем перепуска части продуктов сгорания в атмосферу.
На фиг. 1 представлена принципиальная схема совместного производства электроэнергии и газового топлива, содержащего водород и монооксид углерода, при термической конверсии биомассы по предлагаемому способу.
Приняты обозначения:
1 - газоплотный питатель,
2 - теплоизолированная реторта,
3 - ввод продуктов сгорания,
4 - газовый двигатель,
5 - электрогенератор,
6 - комплексом трубопроводов с запорно-регулирующей арматурой,
7 - вывод газового топлива,
8 - газоплотный затвор.
Предлагаемый способ включает следующие характерные особенности конструктивного исполнения (см. фиг. 1). Газоплотный питатель поз. 1 размещен в самой верхней части теплоизолированной (например, посредством футеровки) реторты поз. 2. Над слоем биомассы расположен ввод продуктов сгорания поз. 3 от газового двигателя поз. 4, механически соединенного с электрогенератором поз. 5. В нижней части реторты поз. 2 размещены вывод газового топлива поз. 7 и газоплотный затвор поз. 8. Вывод газового топлива поз. 7 соединен с комплексом трубопроводов с запорно-регулирующей арматурой поз. 6.
Совместное производство электроэнергии и газового топлива, содержащего водород и монооксид углерода, при термической конверсии биомассы по предлагаемому способу осуществляется следующим образом. Биомасса посредством газоплотного питателя поз. 1 дозированно подается в верхнюю часть теплоизолированной реторты поз. 2. Через ввод продуктов сгорания поз. 3, расположенный над слоем биомассы, в реторту поз. 2 из газового двигателя поз. 4 подаются горячие продукты сгорания с заданным содержанием кислорода. В реторте поз. 2 биомасса движется под действием гравитационных сил сверху вниз, последовательно проходя три характерных этапа. На первом этапе за счет физической теплоты поступающих в реторту поз. 2 продуктов сгорания происходит нагрев биомассы, сопровождающийся ее высушиванием и частичным пиролитическим разложением с образованием продуктов в различных агрегатных состояниях. Твердые продукты частичного пиролитического разложения биомассы постепенно перемещаются вниз, в среднюю часть реторты поз. 2, а летучие продукты смешиваются с продуктами сгорания и также движутся вниз сквозь газопроницаемый слой твердых продуктов. Температура твердых продуктов частичного пиролитического разложения биомассы в конце первого этапа составляет 200-300°С. На втором этапе происходит дальнейший разогрев и пиролитическое разложение биомассы с образованием твердофазных (биоугля) и летучих продуктов. Превращение на данном этапе осуществляется за счет трех источников теплоты. Первым источником является остаточная физическая теплота горячих продуктов сгорания от газового двигателя поз. 4. Вторым источником является высвобождающаяся теплота экзотермических реакций, протекающих в слое биомассы в определенном температурном диапазоне, зависящем от вида биомассы. Третьим источником является теплота реакций окисления продуктов пиролитического разложения биомассы кислородом, содержащимся в продуктах сгорания от газового двигателя поз. 4, причем количество выделяющейся теплоты может регулироваться посредством изменения концентрации кислорода в продуктах сгорания, поступающих от газового двигателя поз. 4, за счет изменения коэффициента избытка воздуха в топливовоздушной смеси, подаваемой на сжигание. Температура биоугля в конце второго этапа составляет 950-1200°С. На третьем этапе при прохождении парогазовой смеси продуктов сгорания и летучих продуктов пиролитического разложения биомассы через газопроницаемый слой биоугля при температуре 950-1200°С происходит ее термическая конверсия в свободное от жидкой фазы газовое топливо, содержащее водород и монооксид углерода. За счет протекания реакций (2)-(3) происходит расходование углерода, составляющего основную часть биоугля. Из самой нижней части реторты поз. 2 прореагировавшие частицы биоугля, значительную часть которых составляет минеральный остаток (зола), посредством газоплотного затвора поз. 8 выгружаются наружу. Газовое топливо выводится из нижней части реторты поз. 2 наружу через вывод газового топлива поз. 7.
Вывод газового топлива поз. 7 посредством комплекса трубопроводов с запорно-регулирующей арматурой поз.6 объединяется с регулируемым вводом метана или природного газа, регулируемым вводом воздуха для создания топливовоздушной смеси и отводом газового топлива к внешнему потребителю. По комплексу трубопроводов с запорно-регулирующей арматурой поз. 6 газовое топливо поступает на сжигание в газовый двигатель поз. 4, предварительно смешиваясь с воздухом атмосферы в заданном соотношении, и/или к внешнему потребителю по отводу газового топлива. Газовое топливо может подвергаться охлаждению, очистке и кондиционированию для обеспечения требуемых характеристик, для этого необходимые элементы (теплообменники, фильтры и т.д.) присоединяются к комплексу трубопроводов с запорно-регулирующей арматурой поз. 6.
Топливовоздушная смесь подается для сжигания в газовый двигатель поз. 4, механически соединенный с электрогенератором поз. 5, для производства электроэнергии. Метан или природный газ могут подавать в газовый двигатель поз. 4 как на этапе начального разогрева (холостого хода), после которого происходит переключение на получаемое газовое топливо, так и для постоянной работы - в том случае, когда получаемое газовое топливо частично или полностью отводится внешнему потребителю.
С целью снижения температуры выгружаемого посредством газоплотного затвора поз. 8 прореагировавшего остатка твердофазных продуктов пиролитического разложения биомассы, а также увеличения общей эффективности процесса, в нижней части реторты поз. 2 возможно размещение теплообменника для генерации горячей воды и/или водяного пара (на фиг. 1 не показан), которые получают за счет теплоты прореагировавшего остатка твердофазных продуктов пиролитического разложения биомассы перед его выгрузкой из реторты поз. 2.
Для обеспечения автоматического регулирования подачи биомассы через газоплотный питатель поз. 1 в верхней части теплоизолированной реторты поз. 2 возможна установка датчика уровня (на фиг. 1 не показан), по сигналу с которого осуществляется дискретная подача биомассы.
В целях расширения возможностей регулирования процесса в тракте продуктов сгорания от газового двигателя поз. 4 возможно размещение подвижной заслонки, позволяющий перепускать в атмосферу определенную часть продуктов сгорания.
Применение предложенного технического решения целесообразно для энергетически и экологически рационального совместного производства электроэнергии и свободного от жидкой фазы газового топлива, содержащего водород и монооксид углерода, предназначенного как для применения в газовых двигателях, так и для иных целей внешнего потребителя. При этом относительная простота предложенного способа, возможность создания устройств в широком диапазоне производительности, высокая энергоэффективность процесса переработки и вариабельность подходящих для работы данного технического решения топливных ресурсов позволяют прогнозировать востребованность в современных условиях и в обозримой перспективе.
1. Способ совместного производства электроэнергии и газового топлива при термической конверсии биомассы, включающий ступенчатый нагрев биомассы в вертикальной реторте с последующим разделением образующихся твердой, жидкой и газообразной фаз, сжиганием газообразной фазы, содержащей водород и монооксид углерода, в газовом двигателе, механически соединенном с электрогенератором, отличающийся тем, что биомассу дозированно подают через газоплотный питатель в верхнюю часть теплоизолированной реторты, над слоем биомассы осуществляют ввод продуктов сгорания от газового двигателя с заданным содержанием кислорода, в верхней части реторты за счет теплоты введенных продуктов сгорания производят испарение влаги и нагрев биомассы до температуры начала ее экзотермического разогрева, в средней части реторты производят пиролитическое разложение биомассы, в нижней части реактора при температуре 950-1200°С производят термическую конверсию парогазовой смеси летучих продуктов пиролитического разложения биомассы и продуктов сгорания в слое твердофазных продуктов пиролитического разложения биомассы, при этом свободное от жидкой фазы газовое топливо, содержащее водород и монооксид углерода, получают в соответствии с реакциями
CnHm=nC+(m/2)Н2,
С+H2O=СО+Н2,
С+CO2=2СО
и выводят из нижней части реторты наружу, далее его либо направляют внешнему потребителю, либо смешивают в заданном соотношении с воздухом атмосферы и направляют для сжигания в механически соединенный с электрогенератором газовый двигатель, а прореагировавший остаток твердофазных продуктов пиролитического разложения биомассы выгружают наружу через газоплотный затвор в самой нижней части реторты.
2. Способ совместного производства электроэнергии и газового топлива при термической конверсии биомассы по п. 1, отличающийся тем, что газовое топливо из реторты дополнительно очищают от твердых частиц.
3. Способ совместного производства электроэнергии и газового топлива при термической конверсии биомассы по п. 1, отличающийся тем, что газовое топливо из реторты дополнительно охлаждают.
4. Способ совместного производства электроэнергии и газового топлива при термической конверсии биомассы по п. 1, отличающийся тем, что газовое топливо из реторты дополнительно кондиционируют до заданного соотношения долей водорода, монооксида углерода и примесей.
5. Способ совместного производства электроэнергии и газового топлива при термической конверсии биомассы по п. 1, отличающийся тем, что работу газового двигателя осуществляют на метане или природном газе до поступления в газовый двигатель газового топлива из реторты.
6. Способ совместного производства электроэнергии и газового топлива при термической конверсии биомассы по п. 1, отличающийся тем, что газовое топливо из реторты частично направляют внешнему потребителю, а недостаток газового топлива для работы газового двигателя компенсируют метаном или природным газом.
7. Способ совместного производства электроэнергии и газового топлива при термической конверсии биомассы по п. 1, отличающийся тем, что в нижней части реторты помещают теплообменник для генерации горячей воды или водяного пара, которые получают за счет теплоты прореагировавшего остатка твердофазных продуктов пиролитического разложения биомассы перед его выгрузкой из реторты.
8. Способ совместного производства электроэнергии и газового топлива при термической конверсии биомассы по п. 1, отличающийся тем, что подачу биомассы через газоплотный питатель осуществляют по сигналу от датчика уровня в верхней части реторты.
9. Способ совместного производства электроэнергии и газового топлива при термической конверсии биомассы по п. 1, отличающийся тем, что регулирование подачей продуктов сгорания от газового двигателя в реторту осуществляют путем перепуска части продуктов сгорания в атмосферу.
