БИОТЕРМОФОТОЭЛЕКТРОКАТАЛИТИЧЕСКАЯ КОГЕНЕРАЦИОННАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ЭКОЛОГИЧЕСКИ БЕЗОПАСНОЙ УТИЛИЗАЦИИ СВАЛОЧНОГО БИОГАЗА Российский патент 2009 года по МПК B09B3/00 C12S3/02 C12R1/89 F23D14/18 

Изобретение относится к теплоэнергетике, в частности к комбинированной выработке тепла и электроэнергии в установках для экологически безопасной 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 СH₄ (50÷60%), диоксида углерода СO₂ (35÷45%) с микропримесями сульфида водорода H₂S, азота N₂ и водорода H₂. Количественный состав примесей существенно зависит от органической структуры ТБО.

В настоящее время глобальные выбросы метана СH₄, относящегося к одному из самых опасных с точки зрения влияния на возникновение парникового эффекта газов, интегральная поглощательная способность которого по отношению к тепловому излучению земной поверхности в инфракрасной области спектра приблизительно в 20 раз превышает аналогичный показатель для основного парникового газа диоксида углерода СO₂, составляют 16% от общего уровня глобальных выбросов парниковых газов (глобальные антропогенные выбросы углекислого газа составляют 55%).

Доли метана и углекислого газа, содержащихся в свалочном СБ, в суммарном потоке антропогенных и эндогенных эмиссий последних в природную среду составляют около 4%, что соотносит данный факт к одной из действенных причин формирования негативных климатических эффектов локального и глобального масштабов.

Кроме того, повышенная концентрация СБ способствует формированию взрывопожароопасных условий как на самих объектах захоронения ТБО, так и на близлежащих территориях. Принимая во внимание увеличение в структуре ТБО удельного веса искусственных полимерных материалов, солей тяжелых металлов и химикатов, стихийное возникновение возгораний СБ на объектах захоронения несет в себе немалую экологическую опасность, обусловленную образованием и выбросом в атмосферу летучих высокотоксичных химических соединений, способных при определенных погодных условиях распространяться на значительные расстояния.

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.

Известна биоэнергетическая установка [1] для фотосинтеза технической биомассы зеленой микроводоросли - биологически активной добавки (БАД) в кормовой рацион сельскохозяйственных животных и выработки электроэнергии при каскадном преобразовании тепловой энергии и электромагнитной энергии светового излучения, выделяемых при сгорании обогащенного биогазового топлива, содержащая газовый, фотосинтезирующий и жидкостной теплообменный контуры.

Недостатком известной установки является отсутствие ключевых составляющих, обеспечивающих возможность организации комбинированной генерации тепла и электрической энергии для экологически безопасной утилизации СБ, в частности, элементов для активной экстракции СБ из тела мусорных свалок и полигонов для захоронения ТБО и элементов для дополнительной очистки СБ от характерных для данного типа биогаза повышенных концентраций токсичных микропримесей, таких, например, как сульфид водорода H₂S.

Дополнительную очистку от содержащегося в СБ сульфида водорода H₂S целесообразно проводить с применением адсорбции на неподвижном слое синтетического цеолита типа NaX [2].

Технический результат изобретения заключается в улучшении технико-эксплуатационных параметров биоэнергетической установки при использовании для утилизации СБ экологически безопасной биотермофотоэлектрокаталитической комбинированной генерации тепла и электрической энергии.

Заявленный технический результат достигается следующим образом. Когенерационная установка для экологически безопасной утилизации свалочного биогаза, содержащая газовый, фотосинтезирующий и жидкостный теплообменный контуры, при этом газовый контур включает в свой состав газопровод, оснащенный газовым компрессором, газгольдер-конденсатор высокого давления с запорной арматурой, обратным газовым, обратным жидкостным и редукционным клапанами, адсорбер типа NaA с байпасной ветвью, теплообменник предварительного подогрева обогащенного биогазового топлива с ветвью подвода к фотосинтезирующему контуру и ветвь отвода продуктов сгорания с газовым нагнетателем, в фотосинтезирующий контур входят элемент для сжигания углеводородного топлива в виде инжекционной газовой горелки со светопрозрачной защитной оболочкой, каталитическая структура на тканевой основе, пропитанной оксидами редкоземельных металлов, со светоотдачей в состоянии накаливания в спектральном диапазоне, фотоэлектрическая батарея с границей основной полосы фотоактивного поглощения для данного спектрального диапазона, оптическая система фокусировки светового потока в виде бифокального эллипсоида вращения с зеркальной внутренней поверхностью, дополнительный блок термоэлектрического преобразования тепловой энергии, отводимой о продуктов сгорания, фотореактор со светопрозрачным корпусом, установленным во вторичной фокальной плоскости оптической системы фокусировки светового потока над фотоэлектрической батареей, емкость-смеситель с перистальтическим циркуляционным насосом, емкости для абсорбции углекислоты из продуктов сгорания и обогащения биогаза, а также перистальтический насос подачи водной суспензии зеленой микроводоросли в центробежный сепаратор, при этом жидкостный теплообменный контур включает рубашку охлаждения блока термоэлектрического преобразования и теплообменник патрубка отвода продуктов сгорания, отличается тем, что газовый контур также включает в свой состав вертикальные газодренажные скважины с конденсатоотводчиками и запорной арматурой для регулирования расхода и контроля качественного состава биогаза, соединенные газопроводом, оснащенным газовым компрессором, с газгольдером-конденсатором высокого давления и адсорбер типа NaX с байпасной ветвью, при этом адсорбер типа NaX с байпасной ветвью, адсорбер типа NaA с байпасной ветвью и теплообменник предварительного подогрева обогащенного биогазового топлива соединены последовательно, а жидкостный теплообменный контур дополнительно включает патрубок подвода охлаждающей жидкости и патрубок отвода нагретой жидкости в производственно-технические или коммунально-бытовые системы горячего водоснабжения.

Процесс биотермофотоэлектрокаталитической 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;

τ - интегральная пропускательная способность водной суспензии зеленой микроводоросли;

t_{фотосинтеза} - температура процесса фотосинтеза;

t_{накаливания} - температура накаливания.

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

Биотермофотокаталитическая когенерационная установка для экологически безопасной утилизации свалочного биогаза, содержащая газовый, фотосинтезирующий и жидкостный теплообменный контуры, в которой газовый контур включает в свой состав вертикальные газодренажные скважины 1 с конденсатоотводчиками 2 и запорной арматурой для регулирования расхода 3 и контроля качественного состава биогаза 4, соединенные газопроводом 5, оснащенным газовым компрессором 6, с газгольдером-конденсатором 7 высокого давления, имеющим запорную арматуру 8, обратный газовый 9, обратный жидкостный 10 и редукционный 11 клапаны, а также соединенные последовательно адсорбер 12 типа NaX

с байпасной ветвью 13, адсорбер 14 типа NaA с байпасной ветвью 15 и теплообменник 16 предварительного подогрева обогащенного биогазового топлива с ветвью подвода 17 к фотосинтезирующему контуру и ветвь 18 отвода продуктов сгорания с газовым нагнетателем 19, а в фотосинтезирующий контур входят элемент для сжигания углеводородного топлива в виде инжекционной газовой горелки 20 со светопрозрачной защитной оболочкой 21, каталитическая структура 22 на тканевой основе, пропитанной оксидами редкоземельных металлов, с высокой светоотдачей в состоянии накаливания в определенном спектральном диапазоне и фотоэлектрическая батарея 23, с оптимальной для данного спектрального диапазона границей основной полосы фотоактивного поглощения, оптическая система фокусировки светового потока в виде бифокального эллипсоида вращения 24 с зеркальной внутренней поверхностью 25 и дополнительный блок 26 термоэлектрического преобразования тепловой энергии, отводимой от высокотемпературных продуктов сгорания, а также фотореактор 27 со светопрозрачным корпусом 28, установленным во вторичной фокальной плоскости оптической системы фокусировки светового потока над фотоэлектрической батареей 23, емкость-смеситель 29 с перистальтическим циркуляционным насосом 30, емкости 31 для абсорбции углекислоты из продуктов сгорания и емкости обогащения биогаза, а также перистальтический насос 33 подачи водной суспензии зеленой микроводоросли в центробежный сепаратор 34, включает также жидкостный теплообменный контур, содержащий патрубок 35 подвода охлаждающей жидкости, рубашку 36 охлаждения блока 26 термоэлектрического преобразования, теплообменник 37 патрубка 38 отвода продуктов сгорания, а также патрубок 39 отвода нагретой жидкости в производственно-технические или коммунально-бытовые системы горячего водоснабжения (не показаны).

Установка работает следующим образом. Обогащенное биогазовое топливо подается под давлением в инжекционную газовую горелку 20, в которой создается газовоздушная смесь, необходимая для процесса горения.

В пламени газовой горелки 20 каталитическая структура 22, находящаяся в первичной фокальной области бифокального эллипсоида вращения 24 в состоянии накаливания, излучает в биофотоактивном спектральном диапазоне световой поток, который после переотражения от зеркальной внутренней поверхности 25 эллипсоида 24, фокусируется во вторичной фокальной области, где располагается фотореактор 27 со светопрозрачным корпусом 28, в котором осуществляется «световая» стадия фотосинтеза в прокачиваемой через него перистальтическим циркуляционным насосом 30 водной суспензии зеленой микроводоросли, сопровождающаяся выделением молекулярного кислорода. Непоглощенная часть светового потока падает на фотоэлектрическую батарею 23 с оптимальной для данного спектрального диапазона границей основной полосы фотоактивного поглощения. Фотоэлектрическая батарея 23 эффективно генерирует фото-ЭДС, преобразуя энергию светового потока в электрическую энергию.

При снижении до определенного уровня электрической мощности фотоэлектрической батареи 23, обуславливаемого снижением интегральной пропускательной способности водной суспензии зеленой микроводоросли вследствие увеличения со временем биомассы последней, происходит ее отбор и перекачивание перистальтическим насосом 33 в центробежный сепаратор 34.

После фотореактора 27 водная суспензия зеленой микроводоросли поступает в емкость-смеситель 29, в которой происходит ее смешивание с фракцией водной суспензии с пониженной концентрацией зеленой биомассы после сепаратора 34 и неорганическими питательными добавками.

В емкостях 31 происходит растворение углекислоты и конденсация влаги, содержащихся в продуктах сгорания, а в емкостях 32 растворение углекислоты, содержащейся в биогазе.

Таким образом, водная суспензия зеленой микроводоросли получает требуемое сырье для осуществления «темновой» стадии фотосинтеза по генерации органических соединений и своего размножения.

Воздух, поступающий во внутренний объем эллипсоида вращения 24, отбирая на входе тепло от нагретой фотоэлектрической батареи 23 и термостатируя светопрозрачный корпус 28 фотореактора 27, предварительно подогревается, перемешивается с выделяющимся из фотореактора 27 кислородом, частично инжектируется газовой горелкой 20 и, продолжая движение внутри эллипсоида 24, отбирает тепло от его внутренней зеркальной поверхности 25 и от нагретой продуктами сгорания светопрозрачной защитной оболочки 21. В кольцевом зазоре между оболочкой 21 и блоком 26 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 36 жидкостного охлаждения холодными спаями, термоэлектрический блок 26 генерирует термо-ЭДС, преобразуя тепловую энергию, выделяемую при сгорании обогащенного биогазового топлива, в электрическую энергию.

Далее, смесь воздуха с продуктами сгорания, через патрубок 38 поступает в ветвь отвода 18 и нагнетателем 19 прокачивается через емкости 31 в атмосферу.

Остаточное тепло используется для нагрева жидкости, поступающей из патрубка 35, прошедшей через рубашку охлаждения 36 и теплообменник 16 газового контура, в теплообменнике 37 патрубка 38 отвода продуктов сгорания.

Нагретая жидкость через патрубок 39 подается в производственно-технические или коммунально-бытовые системы горячего водоснабжения.

После центробежного сепаратора 34 концентрированная фракция водной суспензии зеленой микроводоросли используется в качестве биологически активной добавки в кормовой рацион сельскохозяйственных животных.

Синтезированный биогаз отбирается из скважин 1 с конденсатоотводчиками 2 и подается газовым компрессором 6 через газовый обратный клапан 9 в газгольдер-конденсатор 7 высокого давления, в котором происходит конденсация остаточной влаги, содержащейся в биогазе, и усредняется его химический состав. Избыток конденсата удаляется через жидкостный обратный клапан 10 в емкость 31.

Из газгольдера-конденсатора 7 биогаз через запорную арматуру 8 и редукционный клапан 11 поступает в адсорбер 12 с байпасной ветвью 13, где происходит поглощение примесей сульфида водорода H₂S и далее в емкости 32, где, как уже указывалось, происходит растворение содержащегося в нем диоксида углерода.

В адсорбере 14 с байпасной ветвью 15 на синтетических цеолитах типа NaA происходит глубокая осушка газа, завершающая процесс его обогащения. Обогащенное биогазовое топливо после предварительного подогрева в теплообменнике 16 поступает в инжекционную газовую горелку 20.

Формула для определения КПД биотермофотоэлектрокаталитической когенерационной установки в процессе выработки электроэнергии имеет вид:

η_БКУ=τη_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 [3]:

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.

Ограничив снижение пропускания водной суспензии зеленой микроводоросли значением τ≈0,9, получим значение КПД биоэнергетической установки при генерации электроэнергии η_БКУ≈0,18. При этом часть энергии узкоспектрального светового излучения будет израсходована на фотосинтез технической биомассы.

Проведем комплексную оценку эффективности биотермофотоэлектрокаталитической технологии утилизации СБ при электрогенерации и использовании водной суспензии зеленой микроводоросли в качестве биологически активной добавки в кормовой рацион сельскохозяйственных животных.

Опытные данные по культивированию хлореллы в установке КХ-60 показывают [4], что для производства в сутки 120 литров суспензии зеленой микроводоросли, пригодной для выпаивания сельскохозяйственных животных, требуется источник светового излучения мощностью 1 кВт. Для нашего случая (τ≈0,9) потребуется полный биофотоактивный световой поток мощностью 10 кВт. При η_свет≈0,3 подводимая к источнику светового излучения тепловая мощность должна составить ≈33 кВт, а суточный расход обогащенного (низшая теплотворная способность ≈30 МДж/м³) биогазового топлива составит 95 м³.

Для получения дополнительных привесов, например, в свиноводстве, 120 литров суспензии хлореллы используются для выпаивания в сутки в среднем 500 единиц свинопоголовья, при этом дополнительный суточный привес единичной особи составляет в среднем 100 г. Таким образом, суточный привес свинопоголовья из 500 особей составит 50 кг.

Электрическая мощность биоэнергетической установки при η_БКУ ≈ 0,18 составит приблизительно 6 кВт.

За месяц будет выработано около 4 МВт·ч электрической энергии, а привес свинопоголовья из 500 особей составит 1500 кг, при этом падеж животных снижается с 10 до 1%, а расходы на ветеринарные средства сводятся только к плановым вакцинациям, так как при использовании в кормовом рационе животных водной суспензии хлореллы антибиотики не применяются.

Источники информации

1. Адамович А.Б., Адамович Б.А., Васильевич Ю.Б., Вестяк А.В., Вестяк В.А., Лысенко Г.П. Экологически безопасная промышленная биоэнергетика. - Экология и промышленность России, 2007, №7, с.11-17.

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

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

4. Богданов Н.И. Суспензия хлореллы в рационе сельскохозяйственных животных. - Пенза: РИО ПГСХА, 2007.

Изобретение относится к комбинированной выработке тепла и электроэнергии. Установка включает в свой состав вертикальные газодренажные скважины 1 с конденсатоотводчиками 2 и запорной арматурой для регулирования расхода 3 и контроля качественного состава свалочного биогаза 4, соединенные газопроводом 5, оснащенным газовым компрессором 6, с газгольдером-конденсатором 7 высокого давления, имеющим запорную арматуру 8, обратный газовый 9, обратный жидкостной 10 и редукционный 11 клапаны, соединенные последовательно адсорбер 12 типа NaX с байпасной ветвью 13, адсорбер 14 типа NaA с байпасной ветвью 15 и теплообменник 16 предварительного подогрева обогащенного биогазового топлива с ветвью подвода 17 к фотосинтезирующему контуру. Техническим результатом является использование для утилизации свалочного биогаза экологически безопасной комбинированной генерации тепла и электрической энергии. 2 ил.

Когенерационная установка для экологически безопасной утилизации свалочного биогаза, содержащая газовый, фотосинтезирующий и жидкостный теплообменный контуры, при этом газовый контур включает в свой состав газопровод, оснащенный газовым компрессором, газгольдер-конденсатор высокого давления с запорной арматурой, обратным газовым, обратным жидкостным и редукционным клапанами, адсорбер типа NaA с байпасной ветвью, теплообменник предварительного подогрева обогащенного биогазового топлива с ветвью подвода к фотосинтезирующему контуру и ветвь отвода продуктов сгорания с газовым нагнетателем, в фотосинтезирующий контур входят элемент для сжигания углеводородного топлива в виде инжекционной газовой горелки со светопрозрачной защитной оболочкой, каталитическая структура на тканевой основе, пропитанной оксидами редкоземельных металлов, со светоотдачей в состоянии накаливания в спектральном диапазоне, фотоэлектрическая батарея с границей основной полосы фотоактивного поглощения для данного спектрального диапазона, оптическая система фокусировки светового потока в виде бифокального эллипсоида вращения с зеркальной внутренней поверхностью, дополнительный блок термоэлектрического преобразования тепловой энергии, отводимой от продуктов сгорания, фотореактор со светопрозрачным корпусом, установленным во вторичной фокальной плоскости оптической системы фокусировки светового потока над фотоэлектрической батареей, емкость-смеситель с перистальтическим циркуляционным насосом, емкости для абсорбции углекислоты из продуктов сгорания и обогащения биогаза, а также перистальтический насос подачи водной суспензии зеленой микроводоросли в центробежный сепаратор, при этом жидкостной теплообменный контур включает рубашку охлаждения блока термоэлектрического преобразования и теплообменник патрубка отвода продуктов сгорания, отличающаяся тем, что газовый контур также включает в свой состав вертикальные газодренажные скважины с конденсатоотводчиками и запорной арматурой для регулирования расхода и контроля качественного состава биогаза, соединенные газопроводом, оснащенным газовым компрессором, с газгольдером-конденсатором высокого давления и адсорбер типа NaX с байпасной ветвью, при этом адсорбер типа NaX с байпасной ветвью, адсорбер типа NaA с байпасной ветвью и теплообменник предварительного подогрева обогащенного биогазового топлива соединены последовательно, а жидкостной теплообменный контур дополнительно включает патрубок подвода охлаждающей жидкости и патрубок отвода нагретой жидкости в производственно-технические или коммунально-бытовые системы горячего водоснабжения.