СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ УСТРОЙСТВОМ ДЛЯ ВЫРАБОТКИ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ В СООТВЕТСТВИИ С ДАННЫМ СПОСОБОМ Российский патент 2012 года по МПК C10J3/20 F02B43/08 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к способу управления устройством для выработки электроэнергии и к устройству для использования указанного способа, которое включает в себя газогенератор для биомассы, такой как отходы, древесная стружка, солома и т.д., который является газогенератором шахтного типа с восходящим потоком и с фиксированным слоем, сверху в газогенератор загружается сырье для газификации, снизу подается агент газификации; газовый двигатель, приводящий в действие электрогенератор, вырабатывающий электроэнергию, причем газовый двигатель приводится в действие топливным газом, образующимся в газогенераторе.

Уровень техники

Известно, что в подобных устройствах для выработки электроэнергии используется газгольдер, установленный между газогенератором и газовым двигателем или другим оборудованием, используемым при производстве топливного газа, позволяющий отдельно регулировать производство и потребление топливного газа и компенсировать колебания количества производимого газа, поддерживая, таким образом, постоянную выработку электроэнергии.

Из документа FR 2844804 известно об использовании газа, подаваемого в газогенератор с нисходящим потоком, в качестве топлива газового двигателя, вырабатывающего электроэнергию. Кроме того, получаемый газ используют в качестве топлива в горелке, обеспечивающей нагрев. Утверждается, что различное количество производимого газа частично отбирается под действием механической инерции газового двигателя. Очевидно, такое изменяющееся количество производимого газа также может быть отобрано путем изменения подачи газа в горелку. Основным недостатком газогенератора с нисходящим потоком является то, что производимый газ имеет высокую температуру, приблизительно 500-650°С, и его необходимо немедленно охлаждать, чтобы уменьшить вероятность взрыва. После охлаждения, до использования газа в газовом двигателе, осуществляют ряд дополнительных операций - очистку, мокрую очистку и фильтрацию. В данном документе, кроме того, указано, что топливо из биомассы, подаваемое в газогенератор, представляет собой обезвоженную, высушенную и гранулированную биомассу с определенным содержанием влаги, 10-25%. В данном документе ничего не говорится о технических характеристиках агента газификации, за исключением того, что для сушки, пиролиза, восстановления и окисления используется атмосферный воздух.

Из документов US 2004/0168468 A1 и GB 2331128 A известно, что газ в газовый двигатель, вырабатывающий электроэнергию, подают из газогенератора высокого давления. Газогенератор высокого давления пригоден для газификации измельченного твердого ископаемого топлива, такого как уголь или отходы нефтяной промышленности, с получением топливного газа с высокой температурой в диапазоне 500-1000°С. Основным недостатком таких газогенераторов высокого давления является то, что газогенератор должен представлять собой герметичный резервуар высокого давления, и что подачу топлива и агента газификации в такой газогенератор необходимо производить при высоком давлении, имеющемся в этом резервуаре, что связано с использованием для их подачи компрессоров высокого давления.

В документе US 2004/0168468 A1 описываются варианты автоматической подачи потока твердого топлива в газогенератор сверху и снизу, основанной на мониторинге выходной мощности генератора. Кроме того, в этом документе описана сложная система разделения воздуха, в которой воздух разделяется на два потока, состоящих из N₂ и О₂, соответственно, из которых чистый кислород используется как агент газификации в высокотемпературном газогенераторе высокого давления и в устройстве для сжигания, например газовой турбине, а отделенный N₂ подают с целью охлаждения газовой турбины.

В GB 2331128 A описано использование промежуточного накопителя высокого давления для хранения дымового газа, либо, в качестве альтернативы, сам газогенератор высокого давления используется в качестве промежуточного накопителя газа.

Раскрытие изобретения

На основании описанного выше известного уровня техники задачей настоящего изобретения является обеспечение упрощенных способа и устройства упомянутого типа, делающих возможной подачу получаемого газа в регулируемом количестве непосредственно в газовый двигатель, без необходимости использования газгольдера для компенсации изменения количества топливного газа, производимого в газогенераторе с восходящим потоком, и, таким образом, подачу регулируемой в соответствии с различными требованиями электрической мощности, что достигается путем непосредственной подачи топливного газа из газогенератора, снабженного соответствующим оборудованием для охлаждения и фильтрации, в газовый двигатель и регулирования производства топливного газа с целью поддержания постоянной и/или регулируемой выработки электроэнергии. Регулирование производства топливного газа может быть осуществлено путем регулирования количества подаваемого в газогенератор агента газификации.

По сравнению с газогенераторами высокого давления газогенератор с восходящим потоком, работающий под давлением, близким к атмосферному, представляет собой намного более простое и дешевое механическое устройство, в котором для газификации используется дешевая, малоценная биомасса, такая как отходы, древесная стружка, солома и т.д.

В газогенераторе с восходящим потоком в качестве топлива может быть использована негомогенная биомасса с высоким содержанием влаги и получен топливный газ с очень низкой температурой, процессом газификации можно управлять путем регулирования количества агента газификации, подаваемого в газогенератор снизу. Таким образом, постоянная выработка электроэнергии поддерживается путем регулируемого изменения в динамическом режиме количества и параметров агента газификации и, посредством этого, количества производимого топливного газа, подаваемого непосредственно в газогенератор, где он на 100% немедленно расходуется в газовом двигателе, приводящем в действие газогенератор.

Регулирование осуществляют, предпочтительно путем сравнения установленной величины нужной выходной мощности с реальной выработкой электроэнергии газовым двигателем и электрогенератором, и если имеется расхождение, его уменьшают, регулируя, то есть немного уменьшая или увеличивая, количество топливного газа, поступающего из газогенератора, так, чтобы сохранялась нужная выходная мощность. Такое регулирование выполняют, например, при помощи простого газового вентиля, изменяющего поток топливного газа, поступающий в газовый двигатель, каковое регулирование сопровождается последующим автоматическим изменением количества агента газификации, подаваемого в газогенератор.

Краткое описание чертежей

В следующем ниже подробном описании изобретения оно поясняется со ссылкой на примерный вариант осуществления устройства для выработки электроэнергии, соответствующего настоящему изобретению, представленный на чертежах, где

на фиг.1 представлена схема варианта осуществления устройства для выработки электроэнергии, соответствующего настоящему изобретению;

на фиг.2 представлен график, отражающий стабильную выработку электроэнергии, достигаемую в результате изменения степени открытия газового вентиля.

Осуществление изобретения

Устройство для выработки электроэнергии, показанное на фиг.1, включает газогенератор 1 шахтного типа с восходящим потоком и с фиксированным слоем, в который сырье газификации подают сверху загрузочным конвейером 2. Агент газификации вводят в газогенератор 1 снизу; агент газификации представляет собой увлажненный и предварительно нагретый воздух, подаваемый из увлажнителя 3 и воздухоподогревателя 4. Газ, образующийся в газогенераторе 1, подают в газовый двигатель 5, приводящий в действие генератор 6, вырабатывающий электроэнергию. Между газогенератором 1 и газовым двигателем 5 предусмотрено наличие оборудования для очистки газа в виде системы охлаждения газа 7 и электростатического осадителя 8, обеспечивающих подачу в газовый двигатель 5 чистого газа. Кроме того, вентилятор 9 увеличивает давление топливного газа, подаваемого в газовый двигатель 5, работу указанного вентилятора 9 регулируют с целью обеспечения постоянного давления, для этого поток топливного газа изменяют с помощью газового вентиля, установленного после вентилятора. Система охлаждения газа 7 соединена с теплообменником 10, таким образом используется тепло, отводимое от газа в системе охлаждения газа 7. Теплообменник 10 может являться частью системы охлаждения газа 7, а система охлаждения газа 7 может включать дополнительный башенный охладитель газа, предназначенный для снижения температуры топливного газа и извлечения из топливного газа дополнительного количества конденсата. Конденсат, образующийся в системе охлаждения газа 7, из нее выводят и, возможно, после очистки используют как воду, подаваемую в увлажнитель 3; очистка, возможно, включает отделение смолы и других горючих конденсирующихся продуктов. В электростатическом осадителе 8 удаляются другие частицы/аэрозоли, возможно присутствующие в топливном газе, до того, как этот газ будет подан в газовый двигатель 5. Отработавший газ после газового двигателя 5 может быть использован в воздухоподогревателе 4 для предварительного нагрева воздуха, используемого в качестве агента газификации, и, возможно, дополнительное количество тепла может быть отведено от отработавшего газа в отдельном теплообменнике 11 до того, как этот газ будет выпущен через трубу 14. Предварительно нагретый вторичный воздух из теплообменника 4 подают в нижнюю часть газогенератора 1 непосредственно, как показано на фиг.1, или в сочетании с первичным воздухом, увлажненным в увлажнителе 3, возможно, включающем отдельный воздушный вентилятор и систему циркуляции воды, в которой вода нагревается, возможно, с использованием избытка тепла из системы охлаждения газа 7, снимаемого в теплообменнике 10, и/или избытка тепла отработавшего в газовом двигателе 5 газа, снимаемого в теплообменнике 11.

Агент газификации в форме увлажненного первичного воздуха и вторичного воздуха подают в нижнюю часть газогенератора в регулируемом количестве путем управления отдельными вентиляторами 12, 13 для первичного воздуха и вторичного воздуха соответственно; увлажнение регулируют путем регулирования количества тепла, подводимого к воде, циркулирующей в увлажнителе 3, таким образом в газогенератор 1 может быть подано регулируемое количество агента газификации с регулируемой влажностью.

Как показано на фиг.2, типичная кривая выработки электроэнергии во времени свидетельствует о том, что постоянную электрическую мощность можно поддерживать в течение длительного периода. Периодические изменения положения газового вентиля связаны с периодической подачей биомассы загрузочным конвейером 2.

Типично, первичный воздух является насыщенным водой при 70°С, а вторичный воздух является сухим при 400°С, каковые первичный воздух и вторичный воздух смешивают и используют в качестве агента газификации при 120°С.

В ходе функционирования газовым двигателем 5 и генератором 6 управляют так, чтобы получать нужную электрическую мощность, работу вентилятора 9 регулируют так, чтобы он подавал топливный газ в газовый двигатель 5 при постоянном давлении. Кроме того, работой газогенератора управляют при помощи вентиляторов 12, 13 для первичного воздуха и вторичного воздуха соответственно, с целью подачи топливного газа в верхнюю часть газогенератора при постоянном давлении, каковое давление, предпочтительно, поддерживают близким к внешнему атмосферному давлению, предпочтительно на 0-5 мм водяного столба, более предпочтительно на 0-1 мм водяного столба ниже внешнего атмосферного давления. Другими словами, регулирование вырабатываемой мощности выполняется путем регулирования положения газового вентиля. Изменение положения этого газового вентиля вызывает изменение управления вентилятором 9, поддерживающим постоянное давление на этом газовом вентиле, это вызывает изменение скорости вращения вентиляторов 12, 13 первичного и вторичного воздуха соответственно, с целью сохранения постоянного давления подаваемого топливного газа в верхней части газогенератора. При таком режиме управления работой газогенератора с фиксированным слоем и с восходящим потоком были получены следующие технические параметры:

диапазон регулирования вырабатываемой электрической мощности: 10%-100% максимальной мощности;

увеличение выработки электроэнергии: приблизительно 10% максимальной мощности/минуту;

уменьшение выработки электроэнергии: приблизительно 35% максимальной мощности/минуту.

Теоретически может осуществляться регулирование на уровне менее 10% максимальной мощности, однако это не имеет практического интереса из-за относительно больших потерь тепла и т.д.

Работой двух вентиляторов 12, 13, первичного и вторичного воздуха соответственно, управляют индивидуально с целью оптимизации газификации в газогенераторе 1, обеспечивая подачу агента газификации с температурой и влажностью, оптимизированными для данного процесса. Указанные параметры, очевидно, зависят от параметров подаваемой загрузочным конвейером 2 биомассы, то есть влажности указанной биомассы и ее состава. Подачу биомассы загрузочным конвейером 2 регулируют с целью поддержания, по существу, постоянного уровня биомассы в газогенераторе, например, при помощи установленного в верхней части газогенератора выравнивающего лопастного колеса, распределяющего биомассу по всей верхней поверхности, и регулирования работы загрузочного конвейера 2 в соответствии с сопротивлением, испытываемым выравнивающим лопастным колесом. Из нижней части газогенератора 1 отводят золу и утилизируют ее обычным образом. Работу газогенератора 1, предпочтительно, регулируют так, чтобы температура топливного газа в верхней части газогенератора была ниже 100°С, обычно около 75°С.

Выше настоящее изобретение описано в связи с предпочтительным вариантом его осуществления, однако возможно множество модификаций, не выходящих за объем следующей ниже формулы изобретения; помимо прочего, такие отступления включают использование для выработки электроэнергии более одного газового двигателя 5 и генератора 6 и, возможно, использование части топливного газа из газогенератора в бойлере для централизованного теплоснабжения, в каковом бойлере топливный газ, возможно, используется непосредственно после газогенератора без очистки. Кроме того, конденсат из системы охлаждения газа 7, представляющий собой надсмольную воду, может быть очищен путем отделения смолы от воды и очистки этой воды, как описано в Европейском патенте № 1395519, принадлежащем автору настоящей заявки. Отделенная смола может быть использована в качестве топлива или сырья для газификации. После теплообменника 11 и между системой охлаждения газа 7 и электростатическим осадителем 8 могут быть установлены дополнительные теплообменники, обеспечивающие получение надлежащей низкой температуры отработавшего газа в трубе 14 и газа в электростатическом осадителе 8, соответственно. Тепло, отводимое в некоторых теплообменниках, может быть использовано для централизованного теплоснабжения. Типичная температура топливного газа на входе в электростатический осадитель 8 составляет 35°С, а на выходе из него 40°С, вентилятор 9 затем увеличивает эту температуру до, приблизительно, 60°С в точке подачи в газовый двигатель, таким образом исключается риск конденсации топливного газа. Температура агента газификации, как описано выше, обычно составляет 120°С, однако эта температура может быть изменена в диапазоне от 70°С до 400°С. Как описано выше, агент газификации состоит из первичного воздуха и вторичного воздуха, однако в данный агент газификации может быть добавлено до 50% рециркулируемого дымового или отработавшего газа, который содержит СО₂ и Н₂О, участвующие в процессе газификации.

Изобретения относятся к способу управления устройством для выработки электроэнергии из биомассы, установке для выработки электроэнергии и могут быть использованы в энергетике. Устройство для выработки электроэнергии содержит газогенератор (1) шахтного типа с восходящим потоком и с фиксированным слоем для биомассы, в котором образуется топливный газ, приводящий в действие газовый двигатель (5). Сверху в газогенератор загружают сырье для газификации, снизу подают агент газификации. Газовый двигатель (5) приводит в действие электрогенератор (6). Топливный газ подают непосредственно из газогенератора (1) в газовый двигатель (5) без использования газгольдера и регулируют образование топливного газа в газогенераторе (1) для поддержания постоянного количества вырабатываемой электроэнергии. Вырабатываемую энергию регулируют посредством управления положением газового вентиля, установленного между газогенератором (1) и газовым двигателем (5). Регулируют вентилятор (9), установленный между газогенератором (1) и газовым вентилем, для поддержания постоянного давления в газовом вентиле. Регулируют подачу агента газификации для поддержания постоянного давления топливного газа. Изобретения позволяют подавать получаемый газ в регулируемом количестве непосредственно в газовый двигатель без использования газгольдера и поддерживать постоянную или регулируемую выработку электроэнергии. 2 н. и 9 з.п. ф-лы, 2 ил., 1 пр.

1. Способ управления устройством для выработки электроэнергии, которое содержит:
a) газогенератор (1) для биомассы, такой как отходы, древесная стружка, солома, каковой газогенератор (1) является газогенератором шахтного типа с восходящим потоком и с фиксированным слоем, сверху в газогенератор загружается сырье для газификации, снизу подается агент газификации;
b) газовый двигатель (5), приводящий в действие электрогенератор (6), вырабатывающий электроэнергию, каковой газовый двигатель (5) приводится в действие топливным газом, образующимся в газогенераторе; при этом способ содержит следующие этапы:
- подачу образующегося топливного газа непосредственно из газогенератора (1) в газовый двигатель (5) без использования газгольдера и
- регулирование образования топливного газа в газогенераторе (1) для поддержания установленного нужного постоянного количества вырабатываемой электроэнергии, при этом регулирование образования топливного газа содержит этапы, при которых осуществляют:
- регулирование вырабатываемой энергии посредством управления положением газового вентиля, установленного между газогенератором (1) и газовым двигателем (5),
- регулирование вентилятора (9), установленного между газогенератором (1) и газовым вентилем, для поддержания постоянного давления в газовом вентиле, и
- регулирование подачи агента газификации для поддержания постоянного давления топливного газа, подаваемого в верхнюю часть газогенератора(1) к вентилятору.

2. Способ по п.1, содержащий дополнительный этап поддержания температуры топливного газа в верхней части газогенератора (1) на предварительно заданном уровне посредством индивидуального управления отдельными вентиляторами (12, 13) для подачи первичного и вторичного воздуха соответственно в качестве агента газификации.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что содержит дополнительный этап поддержания температуры топливного газа в верхней части газогенератора (1) ниже 100°С.

4. Способ по одному из пп.1, 2 и 3, отличающийся тем, что осуществляют поддержание постоянного давления топливного газа в верхней части газогенератора (1) близким к внешнему атмосферному давлению посредством регулирования подачи первичного и вторичного воздуха соответственно.

5. Способ по одному из пп.1, 2 и 3, отличающийся тем, что содержит этап, при котором осуществляют поддержание температуры топливного газа в верхней части газогенератора (1) ниже 100°С посредством индивидуального управления скоростью вентиляторов (12, 13) для первичного воздуха и вторичного воздуха соответственно.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что агент газификации представляет собой нагревающий воздух, причем в указанном греющем воздухе поддерживают постоянное содержание паров воды.

7. Способ по п.1, отличающийся тем, что агент газификации дополнительно содержит рециркулируемый дымовой газ или отработавший газ.

8. Способ по п.6 или 7, отличающийся тем, что указанное постоянное содержание паров воды поддерживают путем введения греющего воздуха в установку (3) с регулируемой влажностью и постоянной температурой.

9. Способ по п.1, отличающийся тем, что давление топливного газа в верхней части газогенератора (1) поддерживают на 0-5 мм вод. ст., предпочтительно на 0-1 мм вод. ст., ниже внешнего атмосферного давления.

10. Установка для выработки электроэнергии, включающая
- газогенератор (1) для газификации биомассы, такой как отходы, древесная стружка, каковой газогенератор (1) является газогенератором шахтного типа с восходящим потоком и с фиксированным слоем, сверху в газогенератор загружается сырье для газификации, снизу подается агент газификации;
- газовый двигатель (5), приводимый в действие топливным газом, образующимся в газогенераторе (1), и соединенный с электрогенератором (6), вырабатывающим электроэнергию, отличающаяся тем, что указанный газовый двигатель (5) непосредственно соединен с выходом указанного газогенератора (1) без использования газгольдера, причем осуществляют регулирование газогенератором посредством способа по п.1.

11. Установка по п.10, отличающаяся тем, что каждый из этапов регулирования в способе осуществляется посредством средств управления с замкнутой системой управления.