Изобретение относится к способу получения превращаемой энергии (в электрическую энергию, и т.д.) в термодинамическом цикле из сырьевого материала, содержащего углерод. Оно также относится к системе для исполнения такого способа.
Область изобретения представляет собой производство электроэнергии из сырьевого материала, содержащего углерод, и, более конкретно, из угля и/или сухой биомассы.
Производство электроэнергии методом комбинированного производства тепловой и электрической энергии (когенерации) из тепловой энергии, полученной сгоранием топливного сырьевого материала, содержащего углерод, представляет собой процесс, который очень хорошо известен специалистам в этой области технологии.
Этот процесс состоит, в его наиболее универсальном варианте, в применении теплоты от сгорания биомассы для нагревания текучей среды, которая затем используется в системе для когенерации электроэнергии, такой как турбоальтернатор.
Однако затруднение состоит в том, что способы и системы для генерирования электроэнергии из углеродсодержащих сырьевых материалов должны выполнять сжигание материала так, чтобы передавать столько полученного энергетического потенциала указанного сгорания, сколько возможно. Во всех процессах сгорания проявляется неизбежный вывод в отношении коэффициента полезного действия: производительность сгорания связана с качеством и степенью влажности указанного углеродного материала, и общий выход тепловой энергии обусловливается генератором теплоты, его конструкцией, эффективностью процессов горения в нем (и, следовательно, появлением корки (отложений несгоревшего материала), вызванным более и менее полным сгоранием, которая постепенно, и скорее быстро, снижает эффективность теплообмена в тепловом генераторе).
В существующих системах наиболее широко используемый способ сгорания выполняют в окислительной атмосфере, то есть, способ, в котором топливо из указанного сырьевого материала, содержащего углерод, окружено воздухом. Общая производительность указанных тепловых генераторов составляет приблизительно 85% PCI (низшая теплотворная способность) применяемого углеродсодержащего материала, причем требования в отношении технического обслуживания соотносятся с качеством и степенью влажности указанного углеродного сырьевого материала.
Системы этого типа генерируют газообразные продукты сгорания (дымовые газы), более или менее насыщенные пылью, COV (летучими органическими соединениями), NOx, сложными молекулами загрязнителей (метан, монооксид углерода, диоксины, PCB (полихлорированные дифенилы), и т.д.), и СО2, относительно сгорания углерода, содержащегося в указанном сырьевом материале, содержащем углерод. По меньшей мере 15% величины PCI указанного углеродного сырьевого материала рассеиваются в дымовые газы и негорючие продукты. Когда дело касается биомассы растительного и/или животного происхождения, PCI указанного углеродного сырьевого материала варьирует между 2 и 5,2 кВт-час/кг, в зависимости от его относительной влажности (то есть, передаваемый общий выход тепловой энергии между 1,7 и 4,4 кВт-час/кг); или когда речь идет об ископаемом углероде: между 6 и 8 кВт-час/кг, в зависимости от концентрации углерода в нем (то есть, передаваемый общий выход тепловой энергии между 5,1 и 6,8 кВт-час/кг). Количество СО2, содержащегося в дымовых газах современных систем, варьирует между 10 и 18% на нормальный м3 дымовых газов, и его концентрирование для возможного хранения и/или связывания требует применения сложных и дорогостоящих способов.
За несколько прошлых лет в практику были внедрены новые системы и способы оптимизации производительности сгорания и концентраций СО2 в дымовых газах: они главным образом касаются окислителей, обогащенных кислородом, вплоть до систем чисто кислородного горения. Эти системы и способы значительно повышают общий выход тепловой энергии, и дымовые газы являются менее вредоносными для окружающей среды, поскольку они состоят главным образом из СО2, который может быть легко поглощен. Однако эти системы и способы зависят от непрерывной подачи кислорода, и поэтому его производство является дорогостоящим и не свободным от воздействия на окружающую среду.
Цель настоящего изобретения состоит в том, чтобы избежать упомянутых выше недостатков.
Еще одной целью настоящего изобретения является предложение способа и системы для получения электроэнергии из биомассы, содержащей углерод. Является ли упомянутая углеродная биомасса ископаемой или нет (углерод и/или растительная и/или животная биомасса и/или отходы/мусор), если содержит достаточно углерода для ее исследования, она может содержать молекулярный водород. В этих условиях раскрытые ниже реакции являются идентичными, и только конечные результаты варьируют в зависимости от разности молярных масс между углеродом и водородом (1 моль С=12 г, 1 моль Н2=2,016 г). Окисление этого водорода в цепочке реакций образует водяной пар, который будет сконденсирован и повторно использован в указанной цепочке реакций, как раскрыто ниже, а также полученная внутренняя теплота. Содержит ли углеродсодержащий сырьевой материал водород или нет, не оказывает существенного влияния на цель изобретения: получение электроэнергии, или на его производительность. Поэтому описание настоящего изобретения рассматривает материал, состоящий главным образом из углерода (ископаемый уголь, древесный уголь, уголь от пиролиза органической биомассы, и т.д.), но, однако, не исключает биомассу растительного и/или животного происхождения и/или углеродные отходы, которые должны быть кондиционированы и высушены. Подготовка упомянутых углеродных материалов состоит в раздроблении/измельчении (которое оптимизирует протекание пиролитических реакций) и высушивании, если необходимо.
Изобретение позволяет достигнуть вышеупомянутых целей с помощью способа получения электроэнергии из углеродного сырьевого материала (MPC) и, более конкретно, из углеродной биомассы (ВС), каковой способ включает по меньшей мере одно повторение следующих стадий, составляющий цикл обработки:
- газификации в первом так называемом газификационном реакторе углеродсодержащего сырьевого материала газовым потоком газификации, содержащим СО2 при высокой температуре, причем указанная газификация создает первый газовый поток, содержащий главным образом молекулы монооксида углерода (СО);
- окисления во втором так называемом «окислительном» реакторе указанными носителями кислорода в окисленном состоянии указанных молекул монооксида углерода, присутствующих в указанном первом газовом потоке, причем указанное окисление создает второй газовый поток при высокой температуре, содержащий СО2 и носители кислорода в восстановленном состоянии (Ме);
- активации в третьем так называемом «активационном» реакторе указанных носителей кислорода в восстановленном состоянии так называемым газовым потоком «активации», содержащим элементы кислорода, причем указанное окисление создает носители кислорода в окисленном состоянии и обедненный кислородом газовый поток активации при высокой температуре;
- преобразования в электроэнергию по меньшей мере части тепловой энергии указанного обедненного кислородом газового потока активации при высокой температуре, например, с помощью системы парогенератора/теплообменника и турбоальтернатора, для преобразования пара в электроэнергию.
Способ согласно изобретению позволяет получить ценную энергию из сырьевого материала, содержащего углерод, с более высоким выходом, чем в современных способах и системах.
Носители кислорода могут содержать NiO, Fe2O3, MgO, CaO и т.д.
Способ согласно изобретению позволяет генерировать электроэнергию из сырьевого материала, содержащего углерод, не выполняя сжигание биомассы. Фактически энергию, содержащуюся в биомассе, извлекают благодаря газификации биомассы потоком газообразного СО2 (термохимической реакции, преобразующей молекулу СО2 с участием элемента углерода в две молекулы монооксида углерода СО).
Способ согласно изобретению может включать, перед стадией создания ценного продукта, передачу части тепловой энергии, генерированной во время газификации, на обедненный кислородом газовый поток активации.
Поэтому газовый поток активации предварительно нагревается благодаря тепловой энергии процесса, полученной согласно изобретению из углеродного сырьевого материала (MPC), то есть, без подведения энергии извне.
Способ создания ценного продукта в виде тепловой энергии обедненного кислородом газового потока активации с высокой температурой преимущественно может дополнительно включать стадию передачи по меньшей мере одной части тепловой энергии от указанного обедненного кислородом газового потока активации так называемой текучей среде для генерирования электроэнергии, подаваемой в преобразующее устройство для выработки электроэнергии.
С другой стороны, способ согласно изобретению может включать регенерацию остаточной тепловой энергии из указанного обедненного кислородом газового потока активации, при которой по меньшей мере часть указанной остаточной тепловой энергии направляют в газовый поток газификации для использования в последующем цикле обработки.
Поэтому способ согласно изобретению позволяет выгодно утилизировать остаточную энергию для предварительного нагревания газового потока газификации, тем самым избегая применения внешнего источника энергии.
Способ согласно изобретению предпочтительно может включать стадию, в которой повышают температуру сырьевого материала, содержащего углерод, перед газификацией путем передачи по меньшей мере части тепловой энергии второго газового потока с высокой температурой указанному сырьевому материалу.
Поэтому тепловую энергию этого второго газового потока равным образом выгодно используют в способе согласно изобретению.
Способ согласно изобретению может дополнительно включать повторное использование в замкнутом цикле (контуре) по меньшей мере части СО2 во втором газовом потоке для формирования указанного газового потока газификации.
Способ согласно изобретению позволяет повторно использовать часть этого потока СО2 для нового цикла обработки. Поэтому ограничивается воздействие способа согласно изобретению на окружающую среду.
Технология согласно изобретению преимущественно может включать, перед стадией активации носителей кислорода, предварительное нагревание газового потока активации с использованием остаточной энергии текучей среды для генерирования электроэнергии.
Соответственно конкретному варианту исполнения способа согласно изобретению, он предпочтительно может включать подачу части второго газового потока в биореактор, содержащий микроводоросли. После охлаждения упомянутой части указанного второго газового потока указанные микроводоросли потребляют СО2, присутствующий в упомянутой части указанного второго газового потока, подаваемого в биореактор, в фотосинтезе с образованием, с одной стороны, газового потока кислорода, и, с другой стороны, биомассы, содержащей углерод.
В этом варианте исполнения способ согласно изобретению не оказывает никакого вредного воздействия на окружающую среду. С другой стороны, в этом конкретном варианте исполнения способ согласно изобретению производит по меньшей мере часть сырьевого материала, содержащего углерод, подвергаемого газификации в системе.
Кроме того, в этом варианте исполнения способа согласно изобретению микроводоросли образуют газовый поток кислорода. Этот газовый поток кислорода может быть выгодно использован в способе согласно изобретению, например, для выработки электроэнергии или тепловой энергии для любой из стадий способа согласно изобретению.
В качестве примера, способ согласно изобретению может включать повторное использование по меньшей мере части потока кислорода, выработанного микроводорослями, с нагнетанием по меньшей мере части указанного потока кислорода в газификационный реактор для завершения газификации сырьевого материала, содержащего углерод.
С другой стороны, способ согласно изобретению может включать повторное использование и обработку биомассы, содержащей углерод, поставляемой биореактором, в ходе газификации указанной биомассы в газификационном реакторе.
Еще одной целью изобретения является предложение системы для получения электроэнергии из сырьевого материала, содержащего углерод, включающей:
- газификационный реактор для газификации углеродсодержащего сырьевого материала газовым потоком газификации, содержащим СО2 при высокой температуре, причем указанный реактор создает первый газовый поток, содержащий молекулы монооксида углерода (СО);
- окислительный реактор для окисления носителями кислорода в окисленном состоянии указанных молекул монооксида углерода (СО), присутствующих в первом газовом потоке, причем реактор создает второй газовый поток с высокой температурой, содержащий СО2 и носители кислорода в восстановленном состоянии;
- активационный реактор для активации указанных носителей кислорода в восстановленном состоянии газовым потоком, включающим элементы кислорода, причем указанный реактор поставляет носители кислорода в окисленном состоянии и избыток тепловой энергии;
- устройство для генерирования электроэнергии по меньшей мере из одной части указанного избытка тепловой энергии от указанной активации.
Система согласно изобретению предпочтительно может включать механическое устройство для транспортирования носителей кислорода из окислительного реактора в активационный реактор и/или из активационного реактора в окислительный реактор.
С другой стороны, система согласно изобретению может включать замкнутый рециркуляционный контур для части СО2, присутствующего во втором газовом потоке, используемого в качестве газового потока газификации.
Устройство для генерирования электроэнергии может включать турбоальтернатор или любое эквивалентное устройство.
Система согласно изобретению предпочтительно может включать биореактор, содержащий микроводоросли, в который подают часть СО2, присутствующего во втором газовом потоке, причем указанные микроводоросли потребляют указанный СО2 в фотосинтезе, и указанный реактор создает, с одной стороны, поток газообразного кислорода, и, с другой стороны, биомассу, содержащую углерод.
Другие преимущества и характеристики будут проявляться из анализа подробного описания неограничивающего варианта исполнения и сопроводительных фигур:
- Фигура 1 схематически представляет первый вариант исполнения системы согласно изобретению; и
- Фигура 2 схематически представляет второй вариант исполнения системы согласно изобретению.
В фигурах элементы, приведенные во всех из них, имеют одинаковые кодовые номера позиций.
Фигура 1 схематически представляет первый вариант исполнения системы согласно изобретению.
Система 100 включает газификационный реактор 102, окислительный реактор 104 и активационный реактор 106 для носителей кислорода.
Газификационный реактор состоит из двух сообщающихся и совместно действующих частей:
- загрузочной камеры (sas) 108 для высушенных углеродсодержащих материалов, включающей механизированный питающий вентиль (не показан) под контролем СО2 во избежание любого поступления воздуха и обеспечения герметичности системы; и
- СО2-конвертера 110 для сырьевого материала, содержащего углерод, надлежащим образом подготовленного.
В загрузочной камере 108 сухие материалы, содержащие углерод, обозначенные в фигурах как С, предварительно нагревают в результате контакта, конвекции и осмоса горячим газовым потоком СО2. Ниже в дальнейшем будет видно, что этот газовый поток из СО2 создается и предварительно нагревается системой 100. Этот газовый поток СО2 проходит сквозь сухие материалы, содержащие углерод С, передавая им свое теплосодержание. В процессе своего поступления в этот сектор через механизированный питающий вентиль, который обеспечивает воздухонепроницаемость благодаря нагнетанию СО2 под давлением, материалы, содержащие углерод, поглощают явную теплоту СО2. Указанные сырьевые материалы, содержащие углерод, вводят в данных последовательностях.
Сухие сырьевые материалы, содержащие углерод С, затем протекают под действием силы тяжести в конвертер 110 посредством трубчатых решеток (не показаны), снижающих их скорость.
Газовый поток FGG газификации, состоящий главным образом из реакционноспособного СО2 с высокой температурой, вводят в газификационный реактор 102. Реакционноспособный СО2 имеет температуру 900/1000°С или выше. Его нагнетают в газификационный реактор в режиме противотока с потоком материалов, содержащих углерод С, после циркуляции в трубах замедляющих решеток. Указанные трубчатые решетки исполняют роль теплообменника для материалов, содержащих углерод, добавляя большое количество дополнительной тепловой энергии, нужной для конверсии, с ролью замедлителя сырьевых материалов в газификационном реакторе.
Вводимый СО2 встречается с сухим материалом, содержащим углерод С, который в этой стадии достигает температуры около 900/1000°С. При контактировании происходит реакция конверсии СО2 в СО, и поэтому в тепловую энергию. Эта энергия полностью передает энергетический потенциал материалов, содержащих углерод С, в последующие реакционные секторы в системе 100.
Реакция (I) конверсии СО2 в СО является эндотермической, согласно реакциям:
СО2-½ О2=СО+О+283 кДж/моль
С+½ О2 (из СО2)=СО-111 кДж/моль
Рассмотрим дефицит тепловой энергии в 172 кДж/моль СО2, преобразованного в СО с участием С. Каждая из двух образованных молекул СО имеет теплотворную способность 283 кДж/моль, то есть, в целом 566 кДж, тогда как теплотворная способность С (материала, содержащего углерод, с энергией для первичной реакции) составляет 394 кДж/моль. Тем самым в этих условиях основная цель состоит в подведении 172 кДж для реакции конверсии с помощью источника, не имеющего отношения к этому энергетическом потенциалу, или подведением внешнего тепла от еще одного источника теплоты, который не ухудшал бы такой выход. В описании ниже будет видно, как система согласно изобретению достигает этой цели.
В выпускном канале газификационного реактора 102 первый газовый поток PFG включает главным образом СО с температурой свыше 900°С. Этот первый газовый поток PFG поэтому фактически наполнен энергией и реакционноспособен. Это позволяет обеспечить передачу энергетического потенциала от сырьевых материалов, содержащих углерод, к окислительному реактору 104. Поэтому его вводят в окислительный реактор 104, в котором он будет окисляться при контакте с несущими кислород материалами МеО в окисленном, или активном, состоянии.
Активные носители кислорода МеО вводятся в окислительный реактор 104 на уровне верхней части этого реактора 104 и протекают через трубчатые решетки (не показаны), замедляющие это течение.
Первый газовый поток, поступающий из газификационного реактора 102, включающий главным образом СО, находится при температуре свыше 900°С. Его вводят в окислительный реактор 104 на уровне нижней части этого реактора 104 в противотоке с потоком носителей кислорода МеО. Контактирование между носителями кислорода в окисленном состоянии МеО (или активном) и первого газового потока вызывает:
- окисление молекул монооксида углерода СО в диоксид углерода СО2; эта реакция является экзотермической и выделяет 283 кДж/моль; и
- восстановление активных носителей кислорода МеО; эта реакция является эндотермической и поглощает 244,3 кДж/моль.
Поэтому общая реакция (II) является экзотермической:
2МеО-2½ О2+2 СО+2½ О2=2 СО2+2 Ме
+488,60 кДж -566 кДж = -77,4 кДж
Поэтому окислительный реактор 104 является экзотермическим на 77,4 кДж соответственно молярному эквиваленту СО2, которые будут предназначены для подведения 172 кДж в реакцию, протекающую внутри газификационного реактора 102 в отношении реакции II, описанной выше.
Указанный окислительный реактор поставляет второй газовый поток DFG, включающий главным образом СО2 при высокой температуре, и носители кислорода Ме в восстановленном состоянии (дезактивированном).
Окислительный реактор 104 поддерживают на должном температурном уровне (1000°С или ниже) благодаря второму газовому потоку DFG1 (часть второго газового потока DFG, используемого повторно после того, как указанный второй поток DFG изменил свое теплосодержание в разнообразных теплообменниках, охладивших его на выпускном канале указанного окислительного реактора 104), регулирующему температуру указанного окислительного реактора 104, отбирая избыток тепловой энергии в пользу его полезного теплосодержания для нового повторения.
Указанный второй газовый поток DFG, выходящий из окислительного реактора 104, проходит через загрузочную камеру 108 для сухих материалов, содержащих углерод. Поэтому этот второй газовый поток DFG используют для предварительного нагревания сухого сырьевого материала, содержащего углерод С, обменом его явной теплоты (путем контакта, конвекции или осмоса) с указанным сухим сырьевым материалом С.
На выходе из загрузочной камеры 108 второй газовый поток DFG охлаждается до температуры, с которой поступает сухой сырьевой материал, содержащий углерод С, в результате чего его существенное теплосодержание было передано. Его выводят из этой камеры 108 с помощью механического устройства (экстракторов/вентиляторов, не показаны), поддерживая всю систему в состоянии пониженного давления.
Носители кислорода Ме в восстановленном состоянии вводят в активационный реактор 106. Транспортирование носителей кислорода из окислительного реактора 104 в активационный реактор 106 выполняют с помощью механического устройства или под действием силы тяжести, в зависимости от конструкции реакторов.
Деактивированные носители кислорода Ме все еще имеют высокую температуру около 800°С и являются весьма реакционноспособными. Они протекают в активационный реактор 106 под действием силы тяжести через сеть трубчатых решеток (не показаны), замедляющих такое течение. Трубчатые решетки исполняют роль теплообменника, в котором циркулирует газовый поток DFG1 (часть второго повторно используемого газового потока DFG), в котором он воспринимает свое теплосодержание от газового потока FGG газификации.
В реакторе 106 Ме реактивируются кислородом из газового потока FA активации, который в настоящем примере поступает противотоком из окружающего атмосферного воздуха.
Окисление носителей кислорода Ме в контакте с воздухом является экзотермическим, выделяемая тепловая энергия составляет 244,30 кДж/моль Ме, то есть, 488,60 кДж для обоих молей Ni согласно контрольному примеру носителей кислорода в описании серии реакций.
Этот реактор создает на выпускном канале очень горячий обедненный кислородом газовый поток FAA активации с температурой 1100°С или ниже, и активированные носители кислорода МеО с такой же температурой.
Носители кислорода, прореагировавшие с образованием МеО, транспортируют в окислительный реактор 104 с помощью механического устройства или под действием силы тяжести, в зависимости от конструкции реакторов.
Очень горячий обедненный кислородом газовый поток FAA активации, полученный на выпускном канале активационного реактора 106, направляют через теплообменник 112 через газификационный реактор 102 к сети труб, исполняющей роль теплообменника и замедляющих решеток в указанном газификационном реакторе 102. Этот переход позволяет поддерживать высокую температуру, нужную для реакции конверсии СО2 над С, не перегружая теплосодержание перегретого обедненного кислородом газового потока FAA.
В выпускном канале газификационного реактора 102 перегретый обедненный кислородом газовый поток FAA переносится в теплообменник 112, в котором он обменивается существенной частью своей теплоты с текучей средой FGE для генерирования электроэнергии.
Затем указанную текучую среду для генерирования электроэнергии подают в турбоальтернатор 114, в котором тепловая энергия преобразуется в электрическую энергию.
В выпускном канале турбоальтернатора 114 текучая среда FGE для генерирования электроэнергии содержит остаточную тепловую энергию. В выпускном канале турбоальтернатора 114 эту текучую среду FGE нагнетают в еще один теплообменник 116, в котором остаточная энергия текучей среды FGE для генерирования электроэнергии передается газовому потоку FA активации, который будет использован в последующем цикле обработки для активирования носителей кислорода в активационном реакторе 106. Поэтому газовый поток FA активации, используемый в последующем цикле обработки, предварительно нагревается благодаря тепловой энергии, подведенной непосредственно системой согласно изобретению, не требуя подачи энергии извне.
На выходном канале этого второго теплообменника текучую среду FGE для генерирования электроэнергии опять нагнетают в первый теплообменник 112 для начала нового цикла.
Поэтому текучая среда FGE для генерирования электроэнергии циркулирует в замкнутом контуре 118, взаимно соединяющем первый теплообменник 112, турбоальтернатор 114 и второй теплообменник 116.
Часть DFG1 второго охлажденного газового потока DFG, выведенного из загрузочной камеры 108 газификационного реактора, вовлекают в рециркуляцию и используют в качестве газового потока газификации для последующего цикла. Другую часть DFG2 второго газового потока отправляют на хранение или выпускают в атмосферу.
Однако этот поток DFG1 является холодным и должен быть нагрет для использования в качестве газового потока газификации.
Обедненный кислородом газовый поток FAA, выходящий из первого теплообменника 112, после передачи большей части своей тепловой энергии текучей среде FGE для генерирования электроэнергии содержит остаточную энергию, которая передается газовому потоку DFG1 в теплообменнике 120.
Этот поток DFG1 затем проходит в сеть труб (исполняющую роль трубчатых решеток для замедления течения МеО, и теплообменника), размещенную в окислительном реакторе 104, для получения части теплосодержания и, в то же время, регулирования температуры окислительного реактора 104 до значений менее 1000°С. Благодаря этой передаче части тепловой энергии из окислительного реактора 104 второй газовый поток DFG передает часть своей тепловой энергии перед его введением в загрузочную камеру 108 газификационного реактора 102. Поэтому на выпускном канале указанного окислительного реактора 104 получают газообразный поток FGG для газификации, составленный повторно используемой частью DFG1 второго газового потока DFG. Газовый поток FGG газификации, полученный на выпускном канале окислительного реактора 104, затем нагнетают в сеть трубчатых решеток (которые исполняют роль теплообменника) активационного реактора 106. Затем он достигает полной работоспособности для конверсии СО2 с участием материалов, содержащих углерод, все время поддерживая температуру активационного реактора ниже 1000°С поглощением выделяющегося избытка энергии. Полученный на выпускном канале активационного реактора 106 газовый поток FGG газификации нагнетают в конвертер 110 для выполнения следующего цикла.
Второй газовый поток DFG, включающий главным образом СО2, генерированный реакцией окисления в окислительном реакторе 104, составлен 2 молями, теплосодержание которых составляет 101,331 кДж, к которым должны быть добавлены 77,40 кДж от экзотермического эффекта реакции, то есть: 178,731 кДж, из которых следует исключить Ср (молярную теплоемкость угля при температуре 1000°С) угля при температуре 1000°С, и Ср моля СО2 из рециркуляционной газификации и энергии конверсии, то есть:
- молярная теплоемкость углерода при температуре 1000°С-14 кДж/моль (1 моль С на 1 моль СО2); и
- энтальпию моля СО2 из рециркуляционной газификации =50,67 кДж/моль
Энергия конверсии = 172 кДж/моль СО2, то есть в целом:
14+50,67+172 кДж - 236,67 кДж на моль СО2, преобразованного одним молем углерода (энергия, необходимая для газификации).
В этой стадии регенерации технологической энергии дефицит тепловой энергии сокращается до: 178,731 кДж - 236,67=57,939 кДж на моль СО2, преобразованного 1 молем углерода. Этот дефицит тепловой энергии в 57,939 кДж на моль СО2 отбирается от тепловой энергии, подводимой к активационному реактору 106, перед производственным процессом термодинамической энергии и ее преобразования в электроэнергию.
Тепловая энергия 236,67 кДж на моль преобразованного СО2, потребляемого в серии реакций, должна быть подведена на старте системы. Затем система становится термически автономной, за исключением подачи углерода.
Фактически, как авторы настоящего изобретения только что раскрыли, система согласно изобретению позволяет производить/регенерировать/повторно использовать требуемые энергии для повышения температуры сырьевого материала, содержащего углерод, и различных газовых потоков, и для выполнения разнообразных реакций, сокращая начальную потребность в тепловой энергии от уровня 236,67 кДж до уровня 57,939 кДж на моль преобразованного СО2 (на один моль углерода, используемого для генерирования электроэнергии) на протяжении следующих циклов.
На этом этапе способа согласно изобретению 100% энергии одного моля углерода (МРС - сырьевого материала, содержащего углерод) передаются по цепочке реакций до производства электроэнергии (или термодинамической энергии/водяного пара), и СО2, полученный при его полном окислении, является чистым и поглощаемым без какой-либо иной формы способа, и конверсия СО2 обеспечивает повторное использование.
Поэтому второй газовый поток DFG, включающий главным образом СО2, является почти чистым (он может содержать частицы пыли, которые будут задерживаться классическим фильтром). Его разделяют на два объема с помощью набора регуляторов на выходе из загрузочной камеры 108 окислительного реактора 102. По меньшей мере 50% возвращают в систему на рециркуляцию для формирования газового потока газификации для следующего цикла обработки.
Остальной объем DFG2 собирают «без какой-нибудь переработки» для хранения или повторного использования в разнообразных вариантах применения. Следует подчеркнуть, что для каждого цикла этот объем соответствует атомам углерода, содержащимся в химическом составе углеродного материала, вводимого в газификационный реактор. Цепочка реакций, конверсий и переносов энергии с этих атомов углерода производит только чистый СО2, и не нужны другие способ и/или система. Эта стадия действительно полностью устраняет все современные процедуры, предназначенные для сбора СО2, которые будут очень дорогостоящими.
На этом этапе способа согласно изобретению обеспечивается разрешение проблемы негативного воздействия на окружающую среду (традиционных установок для получения электроэнергии из углеродсодержащих материалов); на этом этапе способа согласно изобретению тепловой баланс не уравновешен, с дефицитом в 57,939 кДж на моль СО2, преобразованного одним молем углерода; на этом этапе способа согласно изобретению цепочка реакций должна передавать энергию окисления двух молей Ме, генерированную в активационном реакторе 106, на текучую среду FGE для преобразования в электроэнергию.
В заключение, тепловой баланс является следующим:
- окисление двух молей Ме=2 моля МеО=488,60 кДж минус
- дефицит тепловой энергии в окислительном реакторе = 57,939 кДж на моль СО2, преобразованного одним молем углерода, то есть, в целом:
- 488,60 кДж - 57,939=430,661 кДж на один моль углерода.
Компенсация указанных 57,939 кДж дефицита тепловой энергии технологических реакций согласно изобретению обеспечивается:
- теплопередачей указанных 57,939 кДж дефицита тепловой энергии перегретого потока FAA воздуха для реакции газификации с помощью теплообменника, размещенного в газификационном реакторе 102; и/или
- дополнительным повторным использованием СО2 (1,15 моля полезного СО2 для подведения 57,939 кДж), который будет действовать в качестве теплоносителя для указанной энергии, которая отбирается от энергии, подводимой к активационному реактору 106.
Это позволяет обеспечить следующую взаимосвязь: в современной системе сгорание углерода (углеродсодержащих сырьевых материалов) деградирует энергетический потенциал (в особенности в отношении тепловых потерь с дымовыми газами), причем указанное снижение определяется выходом сгорания, поскольку остаток энергии сокращается потерями на обмены в генераторе. Серия таких снижений приводит к общему выходу около PCS (высшей теплотворной способности) (если имеется регенерация энергии от конденсации водяного пара, содержащегося в дымовых газах), или около PCI (наиболее общие данные). Для эффективного теплового генератора коэффициент полезного действия составляет около 85% от PCI.
Максимальный выход преобразования в электроэнергию современной установки составляет 35% от PCI, принимая во внимание всю сумму деградаций от сгорания до турбогенератора после прохождения через разнообразные теплообменники.
Система согласно изобретению также производит теплообмены теплоты реакций на водяной пар (текучая среда FGE для генерирования электроэнергии), который вводится в генератор тока турбины для преобразования в электроэнергию. Если принимать испаритель как точку отсчета, включенную в оба процесса, традиционную систему сгорания и систему согласно изобретению, то эта точка определяет реальный выход преобразования в электроэнергию.
Для обоих процессов запасена одна и та же тепловая энергия вводимых атомов углерода (MPCS), то есть PCI 394 кДж/моль С.
В процессах сгорания общий выход в генераторе составляет 85%, то есть, в испарителе доступен остаток тепловой энергии в 335 кДж/моль С. В этих системах эффективность преобразования в электроэнергию составляет 35% PCI, то есть: 394×0,35=138 кДж электроэнергии/моль С; если соотносить с испарителем, то реальный выход преобразования в электроэнергию доступной тепловой энергии для этого процесса составляет поэтому: 138×100/335=41%.
Способ согласно изобретению проводит термохимические реакции, которые не деградируют доступную энергию. В той же точке отсчета тогда будут в наличии 430,661 кДж на моль углерода в реакции, как определено ранее; преобразование в электроэнергию тогда составляет 430,661×41%=176,571 кДж электроэнергии, то есть, выигрыш в 38,571 кДж электроэнергии, на 27,95% больше электроэнергии «для того же количества введенного углерода».
В обоих процессах используют моль углерода для генерирования моля СО2.
В традиционной системе этот моль СО2 разбавляется в дымовых газах (в пропорции между 14 и 18% СО2 на нормальный м3), и его сбор требует значительных затрат.
В системе и способе согласно изобретению тот же моль СО2 не разбавляется, имеет долю в 98% или более в выходном объеме и может быть собран непосредственно. Этот моль СО2 может быть собран для хранения и/или повторного использования.
Фигура 2 схематически представляет второй вариант исполнения системы согласно изобретению.
Система 200, представленная в Фигуре 2, включает все элементы системы 100, как представленные в Фигуре 1.
Система 200 также включает биореактор, содержащий микроводоросли.
Часть DFG2 второго охлажденного газового потока, полученного на выходе из загрузочной камеры 108 газификационного реактора 102, нагнетают в биореактор 202. В биореакторе 202 с культурой водоросли диоксид углерода СО2 используется для фотосинтеза, который производится микроводорослями. Фотосинтез производит, с одной стороны, углеродную биомассу ВС, и, с другой стороны, газовый поток FO2 кислорода в результате отделения углеродного элемента <<С>> от двухатомной молекулы кислорода <<О2>>.
Полученную углеродную биомассу ВС подают в систему 204 кондиционирования биомассы, которая, например, может представлять собой:
- систему извлечения эфирных масел из микроводорослей с высоким содержанием липидов и пищевых-фармацевтических молекул, которые используются в фармакопее, и/или углеводородов. В конце экстракции остаются около 30% биомассы в форме угля, который может быть возвращен в газогенератор 102;
- или, например, систему сушки для кондиционирования перед ее введением в газификационный реактор 102.
Поток FO2 газообразного кислорода может быть направлен в систему согласно изобретению, например, на уровень газификационного реактора 102 для дополнения газификации материала, содержащего углерод, в реакторе 102.
Получение углеродсодержащей биомассы в этом втором варианте исполнения предпочтительно стимулирует выход тепловой энергии в контрольном испарителе, «поставляя» 394 кДж (от элемента С, повторно используемого в биомассе); преобразование в электроэнергию тогда составляет 430,661+394=824,661×41%=338,111 кДж электроэнергии, то есть, с множителем для производства электроэнергии «из того же моля введенного углерода» 2,45.
В этом примере углерод окисляется молекулой О2, тем самым опять генерируя СО2, который повторно используется тем же путем. Нет никаких выбросов в атмосферу или необходимости в очистке.
Изобретение, разумеется, не ограничивается примерами, раскрытыми выше.
Изобретение может быть использовано для производства электроэнергии из сырьевого материала, содержащего углерод, более конкретно из угля и/или сухой биомассы. Способ получения электроэнергии из сырьевого материала, содержащего углерод, включает стадии газификации сухого сырьевого материала в газификационном реакторе газовым потоком, содержащим главным образом СО2, при высокой температуре с созданием первого газового потока, включающего главным образом молекулы монооксида углерода; окисления в окислительном реакторе носителями кислорода в окисленном состоянии (МеО) при высокой температуре с созданием второго газового потока, содержащего СО2, и носители кислорода в восстановленном состоянии (Ме); активации в активационном реакторе носителей кислорода в восстановленном состоянии газовым потоком активации, включающим элементы кислорода, с созданием обедненного кислородом газового потока активации; и преобразования части тепловой энергии потока активации в электроэнергию. Изобретение позволяет получать электроэнергию из биомассы, содержащей углерод, а также создавать ценный продукт общей энергии для питания системы для генерирования электроэнергии, такой как турбоальтернатор. 2 н. и 13 з.п. ф-лы, 2 ил.
1. Способ получения электроэнергии из сырьевого материала, содержащего углерод (С), причем указанный способ включает по меньшей мере одно повторение следующих стадий, составляющих цикл обработки:
- газификации в первом так называемом газификационном реакторе (102) сухого сырьевого материала, содержащего углерод (С), газовым потоком (FGG) газификации, включающим главным образом СО2 при высокой температуре, причем указанная газификация создает первый газовый поток (PFG), включающий главным образом молекулы монооксида углерода (СО);
- окисления во втором так называемом окислительном реакторе (104) носителями кислорода в окисленном состоянии (МеО), причем указанные молекулы монооксида углерода (СО) присутствуют в указанном первом газовом потоке (PFG), и указанное окисление создает второй газовый поток (DFG) при высокой температуре, включающий СО2, и носители кислорода в восстановленном состоянии (Ме);
- активации в так называемом третьем активационном реакторе (106) указанных носителей кислорода в восстановленном состоянии (Ме) так называемым газовым потоком активации (FA), включающим элементы кислорода (О), причем указанное окисление создает носители кислорода в окисленном состоянии (МеО) и обедненный кислородом газовый поток (FAA) активации при высокой температуре; и
- преобразования в электроэнергию по меньшей мере части тепловой энергии указанного обедненного кислородом газового потока (FAA) активации при высокой температуре.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что, перед стадией конверсии, часть тепловой энергии, генерированной во время газификации, передается на обедненный кислородом газовый поток активации (FAA).
3. Способ по любому одному из пп. 1 или 2, отличающийся тем фактом, что конверсия включает стадию передачи по меньшей мере части тепловой энергии указанного обедненного кислородом газового потока (FAA) активации так называемой текучей среде (FGE) для генерирования электроэнергии, подводимой в преобразующее устройство для производства электроэнергии.
4. Способ по любому одному из пп. 1 или 2, отличающийся тем, что включает, с другой стороны, регенерацию остаточной тепловой энергии из указанного обедненного кислородом газового потока (FAA) активации, причем по меньшей мере часть указанной остаточной тепловой энергии, передаваемой газовому потоку газификации (FGG), используется в следующем цикле обработки.
5. Способ по любому одному из пп. 1 или 2, отличающийся тем, что включает стадию повышения температуры сырьевого материала, содержащего углерод (С), перед газификацией передачей по меньшей мере части тепловой энергии второго газового потока (DFG) при высокой температуре указанному сырьевому материалу, содержащему углерод (С).
6. Способ по п.1, отличающийся тем, что включает замкнутый контур рециркуляции по меньшей мере части (DFG1) СО2 из второго газового потока (DFG) для формирования указанного газового потока газификации (FGG).
7. Способ по п.3, отличающийся тем, что включает, перед стадией активации, предварительное нагревание газового потока активации (FA) остаточной энергией текучей среды (FGE) для генерирования электроэнергии.
8. Способ по п. 6, отличающийся тем, что включает подачу части (DFG2) второго газового потока (DFG) в биореактор (202), содержащий микроводоросли, после охлаждения указанной части (DFG2) указанного второго газового потока (DFG), причем указанные микроводоросли потребляют для фотосинтеза СО2, присутствующий в указанной части (DFG2) указанного второго газового потока (DFG), подаваемой в биореактор (202) с частью газового потока кислорода (FO2) и, в другой части, углеродсодержащей сырьевой биомассы (ВС).
9. Способ по п.8, отличающийся тем, что включает извлечение и обработку углеродсодержащей сырьевой биомассы (ВС), поставляемой биореактором (202), имея в виду газификацию указанной биомассы (ВС) в газификационном реакторе (102).
10. Способ по п.8, отличающийся тем, что включает повторное использование по меньшей мере части газового потока кислорода (FO2), генерированного микроводорослями, и нагнетание по меньшей мере части указанного потока кислорода (FO2) в газификационный реактор (102) для дополнения газификации сырьевого материала, содержащего углерод (С).
11. Система (100, 200) для получения электроэнергии из сухого сырьевого материала, содержащего углерод (С), причем указанная система включает:
газификационный реактор (102) для газификации углеродсодержащего сырьевого материала (С) газовым потоком газификации (FGG), содержащим СО2 при высокой температуре, причем указанный реактор (102) поставляет первый газовый поток (PFG), включающий молекулы монооксида углерода (СО);
- окислительный реактор (104) для окисления носителями кислорода в окисленном состоянии (МеО), причем указанные молекулы монооксида углерода (СО) присутствуют в указанном первом газовом потоке (PFG), и указанный окислительный реактор создает второй газовый поток (DFG) с высокой температурой, включающий СО2 и носители кислорода в восстановленном состоянии (Ме);
- активационный реактор (106) для активации указанных носителей кислорода в восстановленном состоянии (Ме) газовым потоком (FA), включающим элементы кислорода (О), причем указанный реактор (106) поставляет носители кислорода в окисленном состоянии (МеО) и избыток тепловой энергии;
- устройство (114) для генерирования электроэнергии по меньшей мере из части указанного избытка тепловой энергии от указанной активации.
12. Система по п.11, отличающаяся тем, что включает механическое устройство для транспортирования носителей кислорода из окислительного реактора в активационный реактор и/или из активационного реактора в окислительный реактор.
13. Система по любому одному из пп. 11 или 12, отличающаяся тем, что включает замкнутый контур рециркуляции для повторного использования части (DFG1) СО2, присутствующего во втором газовом потоке (DFG), в качестве газового потока (FGG) газификации.
14. Система по п. 11, отличающаяся устройством для генерирования электроэнергии, содержащим турбоальтернатор.
15. Система по любому одному из пп. 11 или 12, отличающаяся тем, что включает биореактор (202), содержащий микроводоросли, в который подается часть (DFG2) СО2, присутствующего во втором газовом потоке (DFG), в котором указанные микроводоросли потребляют для фотосинтеза указанный СО2, причем указанный биореактор (202), с одной стороны, поставляет газовый поток кислорода (FO2) и, с другой стороны, углеродную биомассу (ВС).
| US 2008078122 A1, 03.04.2008 | |||
| US 2008134579 A1, 12.06.2008 | |||
| СПОСОБ ВЫРАБОТКИ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ (ВАРИАНТЫ) И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ | 1997 |
|
RU2175075C2 |
| ЭКОЛОГИЧЕСКИ ЧИСТЫЙ СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ЭНЕРГИИ ИЗ УГЛЯ (ВАРИАНТЫ) | 2002 |
|
RU2287010C2 |
| СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ЭНЕРГИИ ИЗ УГЛЯ | 2008 |
|
RU2373259C1 |
