Способ получения электроэнергии из некондиционной (влажной) топливной биомассы и устройство для его осуществления Российский патент 2017 года по МПК F23G5/04 F23K1/04 F01K17/04 

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

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

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

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

- возобновляемостью, т.е. нейтральностью по выбросу CO₂ (по отношению к балансу углекислого газа в атмосфере), что снижает антропогенную нагрузку на окружающую среду;

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

- распространенностью и доступностью.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

- громоздкость оборудования.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Наиболее близким к изобретению по совокупности существенных признаков является известный способ и устройство для производства тепловой и электроэнергии посредством термической переработки углеродсодержащих материалов (горючих отходов) /см., например, указанный выше источник: Копытов В.В. Газификация конденсированных топлив…, с. 298-300/ на основе двухстадийной технологической схемы, предусматривающий на первой стадии газификацию биомассы, включая подачу сырьевого материала - измельченной твердой (топливной) биомассы различного происхождения, в том числе органических отходов, для паровоздушной газификации в плотном слое в реакторе-газификаторе прямого процесса. В процессе газификации в противоток движению сырья через нижнюю часть реактора-газификатора, где происходит накопление и вывод твердых продуктов - отходов газификации (золы), в активную зону газификации посредством, например, дутья подаются газифицирующие агенты - воздух и водяной пар и/или вода (в зависимости от конструкции реактора-газификатора) - в необходимых для протекания окислительно-восстановительных реакций газификации соотношениях с газифицируемым сырьевым материалом. Получаемый в результате газификации горючий топливный газ (генераторный, или продукт-газ), содержащий водород H₂, монооксид углерода CO и, в ряде случаев, метан и другие углеводороды и/или другие органические соединения (летучие фракции, пары смол), фильтруется через слой загруженного в реактор сырьевого материала и отводится из верхней части реактора. На второй стадии осуществляют сжигание получаемого горячего топливного газа в газовой топке парового котла (парогенератора), преобразование тепловой энергии пара в механическую энергию в тепловой (паровой) машине и далее в электрическую энергию посредством электрогенератора, при этом часть отработавшего пара может отбираться для подачи в реактор-газификатор в качестве газифицирующего агента в необходимом для протекания реакций газификации объеме, дымовые газы фильтруются очистителем с известью (специальным фильтром-нейтрализатором серы) и выбрасываются в атмосферу через дымовую трубу.

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

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

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

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

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

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

В изобретении обеспечивается получение технических результатов, которые выражаются, во-первых, в повышении электрического КПД способа и устройства для получения электроэнергии по двухстадийной схеме с газификацией сырья с последующим преобразованием тепловой энергии топливного газа, сжигаемого в паровом котле (парогенераторе), в электроэнергию посредством тепловой (паровой) машины с электрогенератором, и, во-вторых, в расширении спектра используемого дешевого низкосортного сырья, включая некондиционную (по содержанию влаги до 70…85%), топливную биомассу, и достигаются за счет того, что исходное сырье для производства электроэнергии перед подачей на газификацию непрерывно либо дозировано загружается в сушильный аппарат барабанного типа, где подвергается конвективной воздушно-калориферной сушке с использованием тепловой энергии от охлаждения и конденсации отработавшего пара. Для этого создают замкнутый контур циркуляции рабочего тела тепловой (паровой) машины, в котором отработавший пар конденсируется посредством двухступенчатой схемы воздушного охлаждения с промежуточной (межступенчатой) конвективной воздушно-калориферной сушкой сырья. При этом сушильный агент -атмосферный воздух - в качестве теплоносителя и влагопоглотителя посредством принудительной, в частности, однократной циркуляции отбирает тепло от парового теплоносителя в паровоздушном теплообменнике на 1-й ступени конденсации, затем подогревает и осушает сырье в сушильном аппарате, в частности, барабанного типа, и далее охлажденный и увлажненный воздух отбирает тепло от парового теплоносителя в паровоздушном теплообменнике на 2-й ступени конденсации и возвращается в атмосферу, а также частично в необходимом регулируемом объеме используется для дутья в реакторе в качестве газифицирующего агента, содержащего в своем составе также и некоторую часть влаги, а отработавший пар, завершивший фазовый переход в виде конденсата, продолжает циркулировать в замкнутом контуре, высушенное же сырье непрерывно либо дозировано поступает в реактор-газификатор.

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

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

- в части снижения (исключения) вредного влияния (загрязнение, нарушение естественного температурного режима) на водные ресурсы - посредством исключения водяного охлаждения для отвода «сбросной» теплоты при конденсации теплоносителя (пара) и применения двухступенчатой схемы воздушного охлаждения с промежуточной (межступенчатой) конвективной воздушно-калориферной сушкой сырья;

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

В-четвертых, технический результат выражается в обеспечении в предлагаемом изобретении автономности процесса производства электроэнергии и достигается посредством совокупности действий и условий через компоненты данной характеристики, включая:

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

независимость от внешних источников энергии;

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

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

Сущность изобретения поясняется чертежами.

На фиг. 1 представлена общая схема устройства для осуществления способа получения электроэнергии из некондиционной (по содержанию влаги) топливной биомассы по двухстадийной технологической схеме при использовании в качестве тепловой (паровой) машины ПТУ, ППД, ПВМ (рабочее тело - вода).

На фиг. 2 представлена общая схема устройства для осуществления способа получения электроэнергии из некондиционной (по содержанию влаги) топливной биомассы по двухстадийной технологической схеме при использовании в качестве тепловой (паровой) машины турбины ORC (рабочее тело - органический теплоноситель).

На фиг. 3 представлена общая схема устройства для осуществления способа получения электроэнергии из некондиционной (по содержанию влаги) топливной биомассы по двухстадийной технологической схеме при использовании для газификации биомассы цилиндрического наклонного вращающегося реактора-газификатора в режиме фильтрационного горения со сверхадиабатическим разогревом.

На фиг. 4 приведены графики зависимости нижней теплотворной способности (НТС) исходной биомассы от ее относительной влажности (общей влаги).

На фиг. 5 приведены графики зависимости величины электрического КПД предлагаемого устройства от относительной влажности (общей влаги) исходной биомассы при различных значениях НТС сухой биомассы для практически реализуемого диапазона значений рабочих параметров устройства (величины КПД теплообмена при конденсации пара и сушке сырья, электрического и теплового КПД).

На фиг. 6 приведен график зависимости величины электрического КПД предлагаемого устройства от величины КПД теплообмена при конденсации пара и сушке сырья (рекуперации тепла отработавшего пара).

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

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

На второй стадии получаемый топливный газ G непосредственно (без очистки и охлаждения) сжигается в паровом котле (парогенераторе) 7, оснащенном газовой топкой, тепловая энергия пара преобразуется в механическую энергию в тепловой (паровой) машине 8 - двигателе внешнего сгорания, и в электрическую энергию посредством электрогенератора 9.

В дополнение к приведенной известной двухстадийной схеме при осуществлении предлагаемого способа исходный сырьевой материал - некондиционная по содержанию влаги топливная биомасса F - перед подачей на газификацию с помощью транспортера 1 непрерывно либо дозировано загружается в сушильный аппарат 2, например, барабанного типа -/ГОСТ 28115-89. Аппараты и установки сушильные. Классификация. Атмосферные с вращающимися барабанами насадочные/, где подвергается конвективной воздушно-калориферной сушке с нагревом высушиваемого материала посредством воздуха A в качестве сушильного агента, который принудительно нагнетается из атмосферы через воздушный двухступенчатый конденсатор 10, а именно через модуль 1-й ступени конденсации 11, представляющий собой паровоздушный теплообменник, например, радиатор из пучков тонких оребренных трубок для прохождения отработавшего в тепловой (паровой) машине 8 пара, который передает свою тепловую энергию нагреваемому воздуху, реализуя 1-ю ступень процесса своего охлаждения и конденсации /примеры технической реализации двухступенчатых воздушных конденсаторов см. Клевцов А.В., Пронин В.А. «Конденсаторы ТЭС с воздушным охлаждением. Экология энергетики»: Учебное пособие для студентов, обучающихся по направлению «Теплоэнергетика», разд. 7.1.5. М.: Изд-во МЭИ, 2003; Юшков Б.В. "Разработка воздушного конденсатора нового поколения и исследование его характеристик". Дисс. к.т.н., М., 2001 г. - 234 с./.

Далее подогретый воздух A поступает в сушильный аппарат 2, где в процессе сушки поглощает влагу и охлаждается, после чего проходит через модуль 2-й ступени конденсации 12, представляющий собой теплообменник, аналогичный теплообменнику 1-й ступени конденсации 11, в составе воздушного двухступенчатого конденсатора 10, где завершает процесс фазового перехода отработавшего пара в конденсат и в требуемом (регулируемом) объеме в качестве газифицирующего агента (в подогретом и увлажненном состоянии) направляется в реактор-газификатор 3, его излишки возвращаются в атмосферу, а конденсат собирается в коллекторе перепуска пара и отвода конденсата 13, откуда возвращается в резервуар питательной воды/органического теплоносителя 14.

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

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

Циркуляция воздуха в контуре «атмосфера - модуль 1-й ступени конденсации 11 - сушильный аппарат 2 - модуль 2-й ступени конденсации 12 - атмосфера» (с частичной подачей в необходимом регулируемом объеме в реактор-газификатор 3 в качестве газифицирующего агента) может осуществляться, например, по воздуховодам с помощью нагнетательных и вытяжных вентиляторов (воздуходувок).

Для частного случая использования в качестве тепловой машины турбины ORC (фиг. 2) рабочим телом тепловой машины является органический теплоноситель.

В частном случае использования на стадии газификации наклонного вращающегося цилиндрического реактора-газификатора 3 (фиг. 3) с загрузочным устройством 4 со шлюзовой камерой и вертикальным цилиндром, газификация осуществляется в режиме фильтрационного горения со сверхадиабатическим разогревом, а в качестве газифицирующих агентов используются воздух и вода, подающаяся в жидком состоянии в активную зону реактора-газификатора 3 (Примеры технической реализации реакторов см. патент RU 2322641 C2, приоритет от 02.05.2006, Дорофеенко и др.; патент RU 2376527 C2 приоритет от 19.12.2007, Жирнов, Зайченко, Манелис, Полианчик).

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

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

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

Взаимосвязь между вышеуказанными характеристиками может быть выражена следующим соотношением:

где Δt_w - температура нагрева влаги сырья от текущего значения до 100°C;

Q_c - НТС сухого вещества топлива;

C_w - удельная теплоемкость воды;

L_γ - удельная теплота парообразования.

Принимая Δt_w =80° (от 20°C до 100°C); C_w=4,1872 кДж/кгК; L_γ=2250 кДж/кг, получим

Зависимость НТС исходного сырья от его влажности W для заданного диапазона исходных данных представлена на фиг. 4.

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

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

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

электрический КПД η_e=0,10…0,20

тепловой КПД η_т=0,45…0,65.

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

или

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

,

где γ - коэффициент теплообмена при рекуперации тепла отработавшего пара,

отсюда

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

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

а) Для случая 0<W<W_max текущий 'электрический КПД определяется соотношением (5).

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

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

где C_вп - удельная теплоемкость водяного пара;

Δt_вп - температура нагрева водяного пара в дымовых газах;

ΔW - уменьшение влажности в результате сушки.

Принимая C_вп=2 510 дж/кг, Δt_вп=125° и поставляя в (10) численные значения, получим:

С учетом подсушки сырья справедливо соотношение:

Подставляя (12) в (11), получим

Определяя электрический КПД устройства как

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

при уточненном предельном значении относительной влажности:

Графики зависимости электрического КПД устройства от относительной влажности W исходной биомассы при различных значениях НТС Qc сухой биомассы приведены на фиг. 5.

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

Относительно эффективности предлагаемых технических решений можно сделать следующие выводы.

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

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

Так, по расчетам предлагаемое устройство с номинальной электрической мощностью 100…500 кВт должно иметь потребление по сырью (Q_c=2000…5000 ккал/кг, W=W_opt=0,5…0,7 - см. фиг. 5) в диапазоне 215…1535 кг/ч. Существующие модели сушилок барабанного типа БСЛ данной производительности имеют потребляемую мощность на вращение барабана 1…4 кВт, что не превышает ~1% выходной мощности.

С учетом энергопотребления вентиляторными системами электростанций (~0,5…0,7% от выходной мощности) повышение доли минимально необходимых эксплуатационных энергозатрат находится в пределах 2% от выходной мощности, что позволяет считать несущественным снижение электрического КПД предлагаемого устройства.

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

В-третьих, нелинейный характер зависимости электрического КПД устройства от коэффициента теплообмена γ при конденсации пара и сушке сырья (фиг. 6) определяет возможности его существенного повышения при нахождении эффективных технических решений по рекуперации тепла отработавшего пара (особенно в области значений γ>0,5).

Изобретение относится к электроэнергетике на основе возобновляемых источников энергоресурсов и местных видов топлива, в частности биомассы, децентрализованному электроснабжению, а также к переработке и утилизации твердых органических, в том числе бытовых отходов. Способ предлагает производство электроэнергии по двухстадийной технологической схеме с газификацией сырья в реакторе-газификаторе прямого процесса паровоздушной газификации в плотном слое, в частности, цилиндрическом наклонном вращающемся реакторе-газификаторе в режиме фильтрационного горения со сверхадиабатическим разогревом, и последующим непосредственным сжиганием получаемого топливного газа и преобразованием тепловой энергии получаемого пара в электроэнергию посредством тепловой (паровой) машины конденсационного типа и электрогенератора. Изобретение предусматривает рекуперацию «сбросной» теплоты посредством конденсации отработавшего пара в замкнутом контуре циркуляции рабочего тела (воды/органического теплоносителя) посредством двухступенчатой схемы воздушного охлаждения с промежуточной (межступенчатой) конвективной воздушно-калориферной сушкой исходного сырья путем принудительной циркуляции атмосферного воздуха. При осуществлении изобретения предлагается использование двухступенчатого воздушного конденсатора и сушильного аппарата, например, барабанного типа, а также различных типов тепловой (паровой) машины (паровой турбины, паровой винтовой машины, парового поршневого двигателя, турбины органического цикла). Изобретение позволяет повысить электрический КПД и расширить спектр используемого дешевого низкосортного сырья в части некондиционной, в том числе по содержанию влаги, топливной биомассы, включая утилизируемые некондиционные твердые городские (бытовые) отходы, при минимизации вредного влияния на окружающую среду и обеспечении автономности процесса производства электроэнергии. 2 н. и 7 з.п. ф-лы, 6 ил., 1 табл.

1. Способ получения электроэнергии из некондиционной (влажной) топливной биомассы по двухстадийной технологической схеме, предусматривающий на первой стадии подачу исходного сырья - измельченной (при необходимости) топливной биомассы различного происхождения - и осуществление ее паровоздушной газификации в плотном слое в реакторе-газификаторе прямого процесса, при этом в процессе газификации в противоток движению сырья через нижнюю часть реактора-газификатора, где происходит накопление и вывод твердых продуктов - отходов газификации (золы), в активную зону газификации посредством, например, дутья подают газифицирующие агенты - воздух и водяной пар и/или воду - в необходимых для протекания окислительно-восстановительных реакций газификации соотношениях с газифицируемым сырьем, а получаемый в результате газификации горючий топливный газ фильтруется через слой загруженного в реактор-газификатор сырья и отводится из его верхней части для использования на второй стадии, включающей сжигание получаемого топливного газа в паровом котле (парогенераторе), преобразование тепловой энергии пара в механическую энергию в тепловой (паровой) машине и в электрическую энергию посредством электрогенератора, отличающийся тем, что исходное сырье для производства электроэнергии перед подачей на газификацию подвергают сушке за счет тепловой энергии отработавшего в тепловой машине пара, для чего на второй стадии образуют замкнутый контур циркуляции рабочего тела (воды/пара или органического теплоносителя) тепловой (паровой) машины, в котором конденсацию отработавшего пара производят по двухступенчатой схеме воздушного охлаждения с промежуточной (межступенчатой) конвективной воздушно-калориферной сушкой сырья, при этом теплоносителем и влагопоглотителем является сушильный агент - атмосферный воздух, который посредством принудительной циркуляции последовательно пропускается через 1-ю ступень охлаждения и конденсации пара, сушильный аппарат с загруженным в него влажным сырьем и 2-ю ступень охлаждения и конденсации пара, после чего возвращается в атмосферу, при этом получаемым конденсатом отработавшего пара восполняют объем рабочего тела в замкнутом контуре, а высушенное сырье из сушильного аппарата подают на газификацию.

2. Способ получения электроэнергии по п. 1, отличающийся тем, что отработавший воздух с выхода 2-й ступени воздушного конденсатора в регулируемом объеме подают в реактор-газификатор в качестве газифицирующего агента.

3. Устройство для получения электроэнергии из некондиционной (влажной) топливной биомассы по двухстадийной технологической схеме, включающее транспортер для подачи сырья - измельченной топливной биомассы различного происхождения - в реактор-газификатор прямого процесса паровоздушной газификации в плотном слое, имеющий загрузочное устройство с шлюзовой камерой в верхней части и разгрузочное устройство со сборником твердых отходов газификации (золы) в нижней части, а также выход в верхней части для подачи топливного газа, получаемого в результате газификации, на сжигание в паровом котле (парогенераторе), к нижней части реактора-газификатора подведены входы для подачи посредством, например, дутья газифицирующих агентов - воздуха и водяного пара/воды - в противоток движению сырья в активную зону газификации, при этом паровой котел (парогенератор) соединен с резервуаром питательной воды, а его выход для производимого пара соединен с входом тепловой (паровой) машины, которая конструктивно соединена с электрогенератором, отличающееся тем, что оно содержит сушильный аппарат для конвективной воздушно-калориферной сушки исходного сырья перед его подачей в реактор-газификатор, а также имеет замкнутый контур циркуляции рабочего тела (воды/пара) тепловой (паровой) машины, включающий воздушный двухступенчатый конденсатор отработавшего пара, при этом выход для отработавшего пара тепловой (паровой) машины соединен с входом 1-й ступени воздушного двухступенчатого конденсатора пара, поступающего с выхода тепловой (паровой) машины, 1-я ступень воздушного конденсатора соединена со 2-й ступенью через сушильный аппарат для принудительной циркуляции атмосферного воздуха в качестве теплоносителя и сушильного агента, а 2-я ступень воздушного конденсатора имеет выход для отработавшего воздуха в реактор-газификатор с регулируемой производительностью посредством воздушного дутья (дутьевого вентилятора/воздуходувки), а также в атмосферу, а коллектор перепуска пара и отвода конденсата воздушного конденсатора соединен с резервуаром питательной воды.

4. Устройство для получения электроэнергии по п. 3, отличающееся тем, что для газификации топливной биомассы используется цилиндрический наклонный вращающийся реактор-газификатор в режиме фильтрационного горения со сверхадиабатическим разогревом.

5. Устройство для получения электроэнергии по п. 3 или 4, отличающееся тем, что в качестве тепловой (паровой) машины используется паровая турбина конденсационного типа.

6. Устройство для получения электроэнергии по п. 3 или 4, отличающееся тем, что в качестве тепловой (паровой) машины используется паровая винтовая машина.

7. Устройство для получения электроэнергии по п. 3 или 4, отличающееся тем, что в качестве тепловой (паровой) машины используется паровой поршневой двигатель.

8. Устройство для получения электроэнергии по п. 3 или 4, отличающееся тем, что в качестве тепловой (паровой) машины используется турбина органического цикла Ренкина (ORC) с органическим теплоносителем вместо воды в качестве рабочего тела.

9. Устройство для получения электроэнергии по п. 3, отличающееся тем, что для сушки сырья используется сушильный аппарат барабанного типа, оснащенный по крайней мере одним загрузочным шлюзом и одним разгрузочным шлюзом для исходного сырья, с возможностью работы в режимах непрерывной и/или дозированной загрузки/разгрузки, прямоточной (сырье и воздух перемещаются в одном направлении) и/или противоточной (сырье и воздух перемещаются в противоположных направлениях) сушки с возможностью варьирования угла наклона, скорости движения воздуха внутри барабана и скорости вращения барабана.