Способ автономной электрогенерации и устройство - малая твердотопливная электростанция для его осуществления Российский патент 2020 года по МПК C10J3/06 F02B43/08 C10B49/04 F23G5/27 

Изобретение относится к малой распределенной электроэнергетике на основе переработки местных, прежде всего возобновляемых энергоресурсов, а именно твердого низкосортного углеродсодержащего сырья - биомассы, в том числе некондиционной в виде отходов производства и потребления, торфа, бурых углей и т.п., путем газификации для использования в автономных энергетических установках в интересах построения устойчивой системы децентрализованного энергоснабжения, а также решения проблемы экологически безопасной утилизации (переработки) твердых коммунальных отходов.

«Энергетическая стратегия России на период до 2030 года» предусматривает «… развитие малой энергетики в зоне децентрализованного энергоснабжения за счет повышения эффективности использования местных энергоресурсов, в том числе новых видов топлива, получаемых из различных видов биомассы», которая относится к низкосортным видам топлива с высокой влажностью (до 85% и более), малой энергетической плотностью, низкой теплотой сгорания, неоднородностью фракционного состава, но при этом обладает весомыми преимуществами по сравнению с ископаемыми углеродсодержащими видами сырья, а именно возобновляемостью, почти полным отсутствием серы, а также других вредных для оборудования и окружающей среды химических элементов и соединений, распространенностью и доступностью. Нерафинированная некондиционная биомасса (древесные отходы, отходы сельскохозяйственной деятельности, отходы производства и потребления, в том числе твердые коммунальные отходы.), а также иные местные виды топлив, прежде всего на основе низкосортного твердого углеродсодержащего сырья (торф и продукты его переработки, бурые угли), в совокупности составляют топливные ресурсы, использование которых потенциально возможно в районах (территориях) их образования, производства, добычи и экономическая эффективность потребления которых ограничена районами (территориями) их происхождения /Постановление Правительства РФ от 22.02.2012 г. N 154 «О требованиях к схемам теплоснабжения, порядку их разработки и утверждения»/. Они представляют собой дешевый (с низкой, нулевой или отрицательной стоимостью) и практически не используемый в настоящее время источник местных энергоресурсов.

Несмотря на доминирование традиционной энергетики, в России имеются обширные районы, где развитие энергоснабжения по экономическим, экологическим и социальным условиям, а также условиям ресурсообеспечения целесообразно рассматривать с учетом масштабного использования малых автономных электростанций на возобновляемых источниках энергии.

В первую очередь к ним могут быть отнесены зоны автономного энергоснабжения, площадь которых составляет около 70% территории всей страны, где по разным подсчетам проживает от 10 до 20 млн. человек. Также потенциальными пользователями возобновляемой энергии могут выступать: зоны централизованного энергоснабжения с большим дефицитом электроэнергии и значительными материальными потерями и социальными проблемами из-за частых отключений потребителей энергии, населенные пункты со сложной экологической обстановкой, объекты с морально и физически изношенным традиционным энергетическим оборудованием, рекреационно-оздоровительные зоны.

Наиболее серьезным недостатком «большой энергетики» являются огромные потери полезной энергии при доставке ее от производителей конечным потребителям. Даже при применении самых последних достижений науки и техники в развитых странах эти потери составляют 60…70%. Кроме того, создание крупных электростанций обусловлено множеством экономических, экологических, географических и геологических сдерживающих факторов, а также требованиями безопасности и охраны окружающей среды. Природоохранные ограничения, высокая стоимость земли и воды, значительные капитальные затраты, государственное регулирование и множество других препятствий создают трудности во всем мире для строительства новых мощных электростанций.

В связи с этим одним из перспективных направлений развития мировой энергетики является создание инфраструктуры распределенного производства энергии - распределенной энергетики. Распределенное производство энергии (Distributed power generation) - концепция распределенных энергетических ресурсов - подразумевает наличие множества потребителей, которые производят тепловую и электрическую энергию для собственных нужд, направляя излишки в общую сеть. Такая схема обеспечивает уменьшение потерь электроэнергии при транспортировке по причине максимальной приближенности электрогенераторов к потребителям электричества, а также ведет к уменьшению количества и протяженности линий электропередачи.

Распределенное производство электроэнергии (распределенная электрогенерация) характеризуется малыми затратами на обслуживание, низким загрязнением окружающей среды и высокой эффективностью.

К сферам эффективного применения малых автономных электростанций как технической основы распределенной электрогенерации можно отнести также поддержание баланса спроса с учетом перспектив развития глобальной неуглеродной экономики, обеспечение устойчивого электроснабжения на территориях с долговременными чрезвычайными ситуациями, на станциях зарядки электромобилей, создание экологически чистой альтернативы мусоросжигательным технологиям, особенно в мегаполисах, при исключении или существенном снижении вредных выбросов в атмосферу (парниковых газов, прежде всего СО₂, оксидов азота и др. выбросов) и загрязнения (сбросов) водных ресурсов. Сырьевая база - местные низкосортные виды сырья, в том числе возобновляемое сырье - биомасса (отходы производства, твердые коммунальные отходы и т.п.), торф и бурые угли, а также продукты их переработки.

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 затруднительно.

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 (по оценкам, 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 (т.н. треугольник Таннера): относительная влажность W<50%, зольность А<60%, содержание углерода С>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.

Наиболее универсальным способом, позволяющим использовать такие виды сырья, является их высокотемпературная термохимическая конверсия, или газификация при температурах 800-1300°С в присутствии (дутье) воздуха или кислорода и водяного пара с получением топливного (иначе генераторного) газа - смеси H₂, СО, СО₂, NO_x, СH₄ /ГОСТ Р 54531-2011. Нетрадиционные технологии. Возобновляемые и альтернативные источники энергии. Термины и определения/, проводимая в газификаторах (иначе: реакторах-газификаторах, газогенераторах, конвертерах). При этом газ, который представляет собой дешевый, удобный и экологически чистый энергоноситель, в зависимости от его качества используется в дальнейшем в энергетической установке (сжигается в котельном агрегате или используется в качестве силового газа, т.е. для непосредственного получения энергии в двигателе - газопоршневой или газотурбинной установке). 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).

Инновационное направление для развития распределенной электрогенерации - развитие малых модульных установок до 1 МВт единичной мощности. Установки работают на воздушном (реже на кислородном) дутье, при атмосферном и среднем давлении, средних (до 1200°С), реже - высоких (1600-1800°С) температурах в плотном, кипящем слоях и в потоке, с использованием в основном низкосортного топлива (бурые угли, торф, биомасса). Уровень разработанности - в основном пилотные и демонстрационные проекты. К особенностям установок на воздушном дутье относят:

- низкокачественный газ (значительное количество балласта - N₂, Н₂О, СО₂, а также смол и сажи);

- нерегулируемое соотношение Н₂/СО;

- громоздкость, сложность и дороговизна при малой эффективности;

- низкий коэффициент готовности.

Однако потенциальные достоинства этих агрегатов значительны:

- ориентация на использование местных топлив;

- компактность, мобильность, малый вес;

- работа без наддува (при атмосферном давлении) на воздушном или обогащенном воздушном дутье и с твердым золоудалением (без шлакообразования);

- заводская готовность.

Существующие технологии и конструкции газификации твердых (конденсированных) углеродсодержащих топлив весьма разнообразны /А. Самылин, М. Яшин. Современные конструкции газогенераторных установок. - ЛесПромИнформ, №1, 2009, с. 78-85; Железная Т.А., Гелетуха Г.Г. Обзор современных технологий газификации биомассы. - Пром. теплотехника, 2006, т.28, №2, с. 61-75; Копытов В.В. Газификация конденсированных топлив: ретроспективный обзор, современное состояние дел и перспективы развития - М: Инфра-Инженерия, 2012 - 504 с., с. 263-271/. С экологической точки зрения их главным преимуществом является сравнительно низкий уровень негативного воздействия на окружающую среду. Это, в первую очередь, обусловлено достаточно продолжительным (особенно для газификации в плотном слое) нахождением газообразных продуктов газификации конденсированных топлив сначала в зоне окисления (горения) при температурах от 1000…1200°С и выше, а затем в восстановительной (бескислородной) зоне формирования горючего топливного газа. При таких условиях происходит термическое разложение и восстановительное дехлорирование наиболее опасных веществ - диоксинов, фуранов, полихлорбифенилов, бенз(а)пиренов и других полициклических ароматических углеводородов.

Низкосортное углеродсодержащее сырье, которое предназначено для использования в качестве топлива в настоящем изобретении, как правило, характеризуется повышенным содержанием золы (высокозольное сырье) и/или смол (высокобитуминозное сырье), а также влаги (влажное сырье). В связи с этим горючий топливный (иначе генераторный) газ, получаемый из такого некондиционного сырья по существующим технологиям (схемам) газификации, обладает свойствами, не позволяющими использовать его в качестве силового, т.е. для непосредственного получения энергии в двигателе

- газопоршневой или газотурбинной установке, а именно:

- высокую температуру (300…700°С) и, соответственно, малую плотность, что приводит к ухудшению наполнения двигателя и падению его мощности;

- низкую объемную теплотворность вследствие большого содержания балласта (азота воздуха, влаги, углекислого газа); так, для наиболее калорийного газа, получаемого при воздушном дутье, - менее 4000 кДж/м³ сухого газа, для наиболее калорийного на парокислородном дутье под давлением - около 15000 кДж/м³ /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; с. 138-143/;

- высокое содержание вредных примесей (зола, угольная пыль, сажа, смолистые вещества, сернистые соединения, влага), которые нарушают нормальную работу двигателя, вызывают преждевременный износ трущихся деталей и отказ двигателя.

Такие свойства получаемого топливного 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.

Широкое практическое распространение получил способ электрогенерации на базе газопоршневых агрегатов /Г.Г. Токарев. Газогенераторные автомобили. Гос. науч.-тех. изд-во машиностр. лит., М., 1955/. Так, известная типовая твердотопливная газопоршневая электростанция /см. Справочник. «Котельные и электростанции на биотопливе …». с. 248-253/, состоит из участков топливоподготовки, газификации, электрогенерации и системы оборотной воды. При этом участок топливоподготовки включает в себя оборудование для предварительной подготовки топлива из исходного сырья - транспортеры, металлодетектор, дробилку для измельчения щепы, вибросито для удаления некондиционной щепы, систему управления и автоматики. На участке газификации установлен реактор-газификатор - газогенератор WBG400 с очистительными установками для охлаждения, осушки и очистки получаемого газа (циклон, скруббер Вентури, мокрая газодувка, осушитель газа, активный и пассивный фильтры тонкой очистки, контрольный фильтр и др.). Участок электрогенерации - это электрогенераторная установка с газопоршневым двигателем и шкафами управления. Участок системы оборотной воды предназначен для организации замкнутой системы технологической воды, используемой для охлаждения получаемого газа, и представляет собой блочно-модульного очистное сооружение (трубопроводы, насосы, емкости, блоки очистки, пульт управления, градирня или теплообменник).

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.

Существенные признаки приведенного решения, аналогичные признакам заявляемого изобретения:

- наличие участков топливоподготовки, газификации и электрогенерации)

- газификация твердого топлива в реакторе-газификаторе по схеме прямого процесса паровоздушной газификации в плотном слое;

- использование очищенного и охлажденного топливного газа в газопоршневом двигателе;

- применение водяного теплообменника в замкнутой системе охлаждения получаемого топливного газа.

Однако этому и подобным техническим решениям с использованием реакторов шахтного типа присущи недостатки, существенно ограничивающие область их эффективного использования в интересах малой распределенной электроэнергетики, а именно:

- 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;

- низкая эффективность превращения твердого топлива в газообразное (КПД газификации до 80%) ввиду тепловых и химических потерь от недожога топлива (сажа, провал в зольник, унос углерода в виде пыли);

- высокое содержание вредных выбросов (СО, NO_x) в атмосферу вследствие использования газопоршневых двигателей в технологической цепи генерирования электроэнергии;

- ограничения по использованию некондиционного сырья (содержание влаги не выше 0,20);

- 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.

В то же время известен ряд технических решений, направленных на повышение эффективности газификации углеродсодержащего, и в частности, низкосортного сырья, а также на обеспечение требуемого уровня технико-экономических и эксплуатационно-технических характеристик энергетических установок в целом за счет инновационных технологий газификации, а также интеграции технологических процессов топливоподготовки, газификации и электрогенерации.

Известны 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) замкнутого цикла, где рабочее тело циркулирует по замкнутому контуру без связи с атмосферой. Подобная схема предпочтительна 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). При этом в энергоустановках малой мощности могут быть использованы отработанные технологии на базе таких известных двигателей замкнутого цикла, как паротурбинная установка (ПТУ), паровой поршневой двигатель (ППД), паро-винтовая машина (ПВМ), турбина органического цикла (ORC). Такие решения предлагаются в известном «Способе получения электроэнергии из некондиционной (влажной) топливной биомассы и устройстве для его осуществления» (патент RU 2631455, Варочко А.Г., Забегаев А.И., Тихомиров И.В., дата публ. 22.09.2017).

Способ предполагает 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, что позволяет эффективно газифицировать сырье, в том числе высокозольное /Кислов В.М. Газификация древесины и ее компонентов в фильтрационном режиме. Автореферат дисс.на соискание ученой степени к.ф.м.н. ИПХФ РАН, Черноголовка, 2008; Зайченко А.Ю. Влияние движения твердой фазы на характер фильтрационного горения. Автореферат дисс. на соискание ученой степени к.ф.м.н. Черноголовка - 2008. ИПХФ РАН/, и последующим непосредственным сжиганием получаемого горячего топливного газа и преобразованием тепловой энергии в электроэнергию посредством тепловой (паровой) машины и электрогенератора.

Изобретение предусматривает рекуперацию «сбросной» теплоты отработавшего в тепловой машине пара посредством его конденсации в замкнутом контуре циркуляции рабочего тела (воды/органического теплоносителя) тепловой (паровой) машины по двухступенчатой схеме воздушного охлаждения, включающей непрерывную межступенчатую комбинированную конвективную воздушно-калориферную и кондуктивную (контактную) сушку исходного сырья, использованный при этом воздух в необходимом объеме подают в реактор-газификатор в качестве газифицирующего агента. Осуществление изобретения предполагается посредством введения в состав устройства конденсационно-сушильного блока, подключенного к выходу тепловой (паровой) машины для отработавшего пара и конструктивно представляющего собой двухступенчатый воздушный конденсатор пара, содержащий паропровод в виде последовательно соединенных узлов - модуля 1-й ступени конденсации, коллектора перепуска пара и отвода конденсата с интегрированным (встроенным) вращающимся сушильным барабаном, модуля 2-й ступени конденсации. Предлагается использование различных типов тепловой машины - ПТУ, ПВМ, ППД, турбины ORC.

Существенные признаки приведенного решения, аналогичные признакам заявляемого изобретения:

- газификация топлива в реакторе прямого процесса паровоздушной газификации в плотном слое, в частности цилиндрическом наклонном вращающемся реакторе, предпочтительно в режиме фильтрационного горения со сверхадиабатическим разогревом;

- воздушно-конвекционная сушка исходного некондиционного (влажного) сырья в конденсационно-сушильном блоке с интегрированным (встроенным) вращающимся сушильным барабаном за счет рекуперации потерь тепла с подачей отработанного при этом воздуха в необходимом объеме в реактор в качестве газифицирующего агента.

Известен также «Способ получения электроэнергии из некондиционной (влажной) топливной биомассы и устройстве для его осуществления» (патент RU 2631456, Варочко А.Г., Забегаев А.И., Тихомиров И.В., дата публ. 22.09.2017), отличающийся от вышеприведенного тем, что сырье для производства электроэнергии перед подачей на газификацию дополнительно подвергают кондуктивно-конвективной сушке отходящими дымовыми газами, которые перед выбросом в атмосферу проходят очистку органическим адсорбером со сменными фильтрующими элементами. Соответственно дополнительно к существенным признаки приведенного решения, аналогичным признакам заявляемого изобретения, относятся:

- кондуктивный нагрев твердого топлива после сушки перед загрузкой в реакторы за счет тепла выхлопных газов;

- очистка дымовых (выхлопных) газов посредством их фильтрации через сменные фильтрующие элементы из органического адсорбента - активированного угля.

Приведенные выше изобретения позволяют повысить электрический КПД, расширить спектр используемого дешевого низкосортного сырья в части некондиционной, в том числе по содержанию влаги (до 0,70…0,85), топливной биомассы, при минимизации вредного влияния на окружающую среду и обеспечении автономности процесса производства электроэнергии.

Однако данные решения имеют ряд недостатков, ограничивающих возможности их эффективного применения в распределенной энергетике, а именно громоздкость оборудования - тепловых машин, теплообменников, паровых котлов, трудоемкость его обслуживания, а также сложность и высокая стоимость ввиду необходимости установки дополнительно специальных газовых горелок и камер дожигания для низкокалорийного топливного газа. Кроме того, предлагаемое использование в энергоустановках малой мощности (до 1 МВт) для электрогенерации двигателей замкнутого цикла (ПТУ, ППД, ПВМ, турбина ORC) значительно уступает по эффективности (электрическому КПД) отработанным технологиям на базе газопоршневых двигателей /см. А. Самылин, М. Яшин. Современные конструкции …»/.

На устранение указанных недостатков направлено известное техническое решение - «Способ газификации твердого топлива и устройство для его осуществления (патент RU 2663144, Тихомиров И.В., Егоров О.В., Забегаев А.И, дата публ. 01.08.2018), являющееся наиболее близким к заявляемому изобретению по совокупности следующих существенных признаков.

Способ предусматривает газификацию твердого низкосортного углеродсодержащего сырья, в качестве которого используют биомассу, в том числе некондиционную (как высокозольную, так и высокобитуминозную) в виде отходов производства и потребления, а также торф, бурые угли, с последующим использованием полученного горючего топливного газа непосредственно в двигателях внутреннего сгорания - газопоршневых энергетических установках, прежде всего для выработки электроэнергии.

Процесс паровоздушной газификации в плотном слое проводят одновременно в нескольких (не менее чем двух) цилиндрических наклонных вращающихся реакторах в составе полиреакторного газификатора (реакторного кластера). Он представляет собой последовательность двух чередующихся фаз - режимов, реализующих обращенный и прямой процессы газификации. На одной (первой) фазе осуществляют загрузку в верхнюю часть реактора твердого топлива - предварительно подготовленного (уплотненного и/или измельченного при необходимости) сырья и подают газифицирующий агент - воздух - непосредственно в реакционную зону, где перемещающееся туда твердое топливо частично окисляется (сгорает) и частично газифицируется (по обращенному процессу), а основная его часть в виде кокса перемещается в зону активации, где его подвергают обработке перегретым водяным паром при температуре выше 800°С и в виде активированного угля аккумулируют в буферной зоне, причем образующуюся при этом парогазовую смесь отводят из реактора. На другой (второй) фазе осуществляют паровоздушную газификацию в плотном слое (по прямому процессу, предпочтительно в режиме фильтрационного горения со сверхадиабатическим разогревом) аккумулированного активированного угля, обеспечивая его реверсивное движение, с подачей в реакционную зону парогазовой смеси, отводимой из других (смежных) реакторов, работающих в первой фазе, и с встречной фильтрацией через перемещающийся слой активированного угля получаемого горючего топливного газа, который выводят из реактора и после охлаждения - водяного испарительного и воздушного - подают для непосредственного использования в качестве силового газа в энергетических установках, в частности, в газопоршневых двигателях энергоагрегатов, а также с выводом из реактора твердых остатков газификации - золы.

Устройство для осуществления этого способа - полиреакторный газификатор (реакторный кластер) - состоит из нескольких (двух и более) совместно работающих цилиндрических наклонных вращающихся (реверсивных) реакторов с возможностью изменения режима вращения реактора, включая реверсивный (маятниковый со сменой направления вращения) режим, водяного испарительного теплообменника парогенератора и газовоздушного теплообменника для охлаждения отводимого из реакторов горючего топливного газа и газопровода-коллектора для подачи его в качестве силового газа в газопоршневые двигатели, а также бункера для золы. При этом каждый реактор оснащен загрузочным устройством с бункером для сырья, пароводяной рубашкой, встроенной в пространство внутри двойной боковой стенки реактора, состоящей из внешней стенки - кожуха и внутренней стенки рабочей камеры с перфорированным участком для обеспечения инжекции перегретого пара из пароводяной рубашки в рабочую камеру реактора, разгрузочным устройством и дутьевыми каналами для подачи газифицирующего агента - воздуха в реакционную зону рабочей камеры реактора. В рабочей камере выделены также зона активации с патрубком для отвода парогазовой смеси в парогазоотводный канал-коллектор (непосредственно либо через межстеночную полость реактора) и буферная зона для аккумулирования активированного угля, поступающего из зоны активации, с подвижным расширительным поршнем с регулируемой скоростью перемещения и с полым штоком для отвода горючего топливного газа, а также разгрузочным устройством для вывода твердых остатков газификации - золы - из рабочей камеры реактора в бункер для золы. Работа реактора осуществляется в фазе (режиме) обращенного процесса газификации и в фазе (режиме) прямого процесса газификации со сменой фаз посредством поворота реактора в вертикальной плоскости для обеспечения реверсивного движения газифицируемого твердого топлива внутри реактора.

Приведенные существенные признаки в совокупности образуют технологическую схему получения чистого охлажденного газа для непосредственного использования газопоршневыми двигателями при производстве электроэнергии, что, в свою очередь, за счет исключения оборудования очистки и осушки топливного газа позволяет значительно повысить компактность и мобильность установки, снизить стоимость оборудования, его монтажа и эксплуатационных расходов, повысить эффективность (КПД газификации и электрический КПД), а также автономность электрогенерации, которая ограничивается только необходимостью наличия внешнего источника (запаса) воды.

Однако к недостаткам, ограничивающим возможности его эффективного использования в малой распределенной энергетике, следует отнести существенные ограничения по допустимой относительной влажности сырья (до 0,15…0,20), недостаточную эффективность теплозащиты реактора, значительные тепловые потери и высокое содержание вредных выбросов (CO, NO_x) в атмосферу вследствие использования газопоршневых агрегатов в технологической цепи генерирования электроэнергии.

Настоящее изобретение направлено на решение технической проблемы повышения эффективности автономной электрогенерации с использованием энергоустановок малой мощности, работающих на твердом низкосортном углеродсодержащем сырье - некондиционной биомассе, и в первую очередь с высоким содержанием влаги, включая отходы производства и потребления, торфе, бурых углях и т.п., при минимизации вредного влияния на окружающую среду.

Предлагаемое изобретение обеспечивает получение следующих технических результатов.

Во-первых, расширяется спектр используемого дешевого низкосортного сырья в части содержания влаги (до 0,7…0,8), что позволяет существенно снизить себестоимость электроэнергии. Это достигается тем, что в ходе предварительной подготовки влажное сырье перед подачей в реакторы на газификацию подвергают воздушно - конвекционной сушке с кондуктивным нагревом с использованием тепла получаемого топливного газа посредством охлаждения и конденсации водяного пара, получаемого в результате испарительного охлаждения топливного газа, и с использованием нагретого воздуха после воздушного охлаждения топливного газа. Кроме того, для сушки сырья используют также нагретый воздух, отработанный в системах охлаждения газопоршневых двигателей энергоагрегатов, а перед загрузкой сырья в реакторы осуществляют дополнительный кондуктивный его нагрев посредством выхлопных газов газопоршневых двигателей энергоагрегатов. Для осуществления этого в составе устройства образован участок топливоподготовки с конденсационно-сушильным блоком для воздушно-конвекционной сушки сырья с его кондуктивным нагревом и бункером для сырья с возможностью дополнительного кондуктивного нагрева сырья после сушки перед загрузкой в реакторы.. При этом конструктивно данные элементы выполнены как теплообменники, обеспечивающие эффективное рекуперативное использование тепла охлаждаемого топливного газа и охлаждаемых газопоршневых двигателей.

Во-вторых, повышается эффективность теплозащиты (водяного охлаждения) используемого реактора, и соответственно его компактность, надежность и долговечность за счет подачи в его пароводяную рубашку воды в виде конденсата из созданного замкнутого (без сброса вовне) контура циркуляции воды, включающего резервуар воды-конденсата, водяной испарительный теплообменник - парогенератор и конденсационно-сушильный блок, с входом извне для восполнения расхода воды, что также снимает потребность в оборудовании водоподготовки и позволяет исключить отдельный участок системы оборотной технологической воды в целом.

В-третьих, повышается эффективность электрогенерации - электрический КПД, за счет утилизации (рекуперации) тепла от охлаждения получаемого топливного газа и газопоршневых двигателей энергоагрегатов для сушки сырья в конденсационно-сушильном блоке, а также тепла выхлопных газов для нагрева сырья в бункере для сырья после сушки перед загрузкой в реакторы.

В четвертых, достигается минимизация вредного влияния на окружающую среду за счет того, что выхлопные газы газопоршневых двигателей энергоагрегатов подвергают очистке посредством фильтрации их через слой активированного угля (с адсорбцией содержащихся в них вредных веществ, прежде всего оксидов азота), получаемого на первой фазе процесса газификации и поступающего в адсорбционную полость подвижного расширительного поршня реактора.

В-пятых, дополнительно обеспечивается адаптация (гибкость) к переменной нагрузке (потреблению электроэнергии) при поддержании неизменного (оптимального) режима работы реакторов за счет возможности оперативного изменения количества (посредством отключения/подключения отдельных газопоршневых двигателей) одновременно работающих энергоагрегатов, использования аккумуляторного блока на выходе электрогенерирующего кластера, а также установки накопителя горючего топливного газа - газгольдера (переменного или постоянного объема). Работа оборудования в таком режиме в свою очередь повышает его готовность, надежность, долговечность и ремонтопригодность, что обеспечивает непрерывность процесса автономной электрогенерации.

В-шестых, дополнительно достигается высокая компактность оборудования и мобильность (транспортабельность) электростанции за счет конструктивных решений по полной интеграции (объединению) разнофункциональных агрегатов топливоподготовки и газификации в единый топливный блок.

Сущность изобретения поясняется на фиг. 1-12.

На фиг 1 представлена общая схема технологического процесса, иллюстрирующая сущность предлагаемого способа на ресурсно-энергетическом уровне описания, в виде последовательности этапов преобразования исходного сырья в электроэнергию.

На фиг. 2 представлена структурно-функциональная схема малой твердотопливной электростанции для осуществления предлагаемого способа автономной электрогенерации.

На фиг. 3 представлена технологическая схема процесса рекуперации тепла и очистки выхлопных газов газопоршневых двигателей энергоагрегатов.

На фиг. 4-6 показаны структурно-функциональные схемы основного элемента малой твердотопливной электростанции - цилиндрического реверсивного (наклонного вращающегося) реактора (в вертикальном положении) при работе в фазе (режиме) обращенного процесса газификации.

На фиг. 7-9 показана структурно-функциональная схема основного элемента малой твердотопливной электростанции - цилиндрического реверсивного (наклонного вращающегося) реактора (в вертикальном положении) при работе в фазе (режиме) прямого процесса газификации.

На фиг. 10-11 приведена конструктивно-компоновочная схема малой твердотопливной электростанции для частного случая ее построения с полной интеграцией основных функциональных элементов (агрегатов) топливоподготовки и газификации в единый топливный блок.

На фиг. 12 приведены графики зависимости нижней теплотворной способности Q исходного сырья от его относительной влажности (содержания общей влаги) W.

Исходным энергоресурсом для производства электроэнергии является твердое низкосортное (некондиционное, в том числе по содержанию влаги) углеродсодержащее сырье - биомасса (как первичная, так и в виде отходов производства и потребления), торф, бурые угли и т.п. (фиг. 1). Как правило, для его использования в качестве твердого топлива в предлагаемом способе требуется однородность его гранулометрического (фракционного) состава, при необходимости достигаемая посредством его механической обработки - измельчения (для кускового сырья) и/или уплотнения (для сырья с низкой насыпной плотностью или мелкодисперсных материалов), для обеспечения газопроницаемости и сыпучести (перемешиваемости) получаемой фракции (на этапе предварительной подготовки 1) в последующих последовательных технологических операциях на этапах сушки 2, нагрева 3 и газификации 4 твердого топлива. Получаемый на этапе газификации 4 (в результате высокотемпературной термохимической конверсии твердого углеродсодержащего топлива) горючий топливный газ, температура которого достигает 300…700°С, проходит этап охлаждения 5 и при температуре до 30…50°С подается в двигатели внутреннего сгорания - газопоршневые двигатели на этап электрогенерации 6 с получением электроэнергии для потребителей.

Данный технологический процесс преобразования сырья в электроэнергию имеет следующие существенные особенности.

1. Этап сушки 2 предусматривает воздушно - конвекционную сушку влажного сырья - твердого топлива с рекуперативным использованием тепла, отводимого на этапе охлаждения 5, путем кондуктивного нагрева перемешиваемого сырья в процессе охлаждения и конденсации водяного пара, получаемого в результате испарительного охлаждения топливного газа, и с обдувом воздухом, нагретым в результате воздушного охлаждения топливного газа. При этом дополнительно может использоваться нагретый воздух, отработанный в системе охлаждения газопоршневых двигателей энергоагрегатов (см. этап электрогенерации 6).

2. Этап нагрева 3 предполагает кондуктивный нагрев твердого топлива, поступающего после этапа сушки 2, с рекуперацией тепла выхлопных газов газопоршневых двигателей энергоагрегатов (этап электрогенерации 6).

3. На этапе газификации 4 осуществляется непрерывный процесс паровоздушной газификации в плотном слое одновременно в нескольких (не менее чем в двух) совместно работающих цилиндрических реверсивных (наклонных вращающихся) реакторах (реакторный кластер), в каждом из которых процесс представляет собой последовательность двух чередующихся фаз - режимов обращенного и прямого процессов газификации с промежуточным преобразованием газифицируемого твердого топлива в активированный уголь, что обеспечивает выход чистого топливного газа, а именно, без примесей (смол, частиц золы, не прореагировавшего углерода, сажи) и балласта (водяного пара).

В качестве газифицирующих агентов используется воздух (подогретый и увлажненный) и вода-конденсат после этапа сушки 2.

Получаемый в результате частичной газификации в режиме обращенного процесса активированный уголь дополнительно используется для операции очистки выхлопных газов 7 газопоршневых двигателей энергоагрегатов от вредных токсичных примесей (оксидов азота NO_X, сажи, углеводородов, СО).

4. Этап охлаждения 5 включает испарительное водяное охлаждение топливного газа с использованием воды-конденсата после этапа сушки 2 и воды извне для восполнения ее расхода на этапе газификации 4, а также дополнительно воздушное охлаждение для снижения температуры топливного газа с 300…700°С до 30…50°С.

5. На этапе электрогенерации 6 горючий топливный газ - охлажденный, без вредных примесей и балласта - используется в газопоршневых двигателях энергоагрегатов для выработки электроэнергии, подаваемой потребителям. Нагретый воздух, отработанный в системе охлаждения газопоршневых двигателей, также может подаваться на этап сушки 2.

Способ автономной электрогенерации осуществляется посредством устройства - малой твердотопливной электростанции, которая работает следующим образом.

Рассмотренные выше этапы технологического процесса электрогенерации реализуются на трех участках: участке топливоподготовки 8, участке газификации 9 и участке электрогенерации 10 (фиг. 2).

Участок топливоподготовки 8. На этом участке реализуются технологические этапы сушки 2 и нагрева 3 сырья - твердого топлива.

Твердое низкосортное (некондиционное, в том числе по содержанию влаги) углеродсодержащее сырье F после предварительной подготовки - механической обработки (при необходимости) непрерывно либо дозировано загружается в конденсационно-сушильный блок 11 через его загрузочный шлюз 12 во вращающийся сушильный барабан 13, где подвергается воздушно-конвекционной сушке с обдувом сушильным агентом - подогретым воздухом А, нагнетаемым по входному воздуховоду-коллектору 14 из элементов охлаждения на участках газификации 9 (газовоздушного теплообменника 15) и электрогенерации 10 (штатной системы охлаждения газопоршневых двигателей энергоагрегатов 16). При этом во внутренней рабочей полости сушильного барабана 13 твердые частицы влажного сырья F, перемешиваясь, обдуваются потоком сушильного агента - подогретого воздуха А, который является одновременно теплоносителем и влагопоглотителем. Одновременно происходит кондуктивный (опосредованный) нагрев сырья водяным паром, поступающим из водяного испарительного теплообменника - парогенератора 17 - охладителя топливного газа на участке газификации 9 через паропровод 18 во внутренний паропровод конденсационно-сушильного блока 11, где пар отдает тепло частицам влажного сырья F, интенсивно контактирующим с теплопередающей поверхностью внутренней рабочей полости сушильного барабана 13. При этом пар охлаждается и конденсируется, а стекающий конденсат собирается в коллекторе (пространстве между двумя соосными цилиндрами, внутренний - вращающийся сушильный барабан 13, внешний - неподвижная оболочка - кожух) и отводится через трубопровод 19 в резервуар воды 20.

При сушке могут использоваться (альтернативно либо попеременно) режимы прямоточного или противоточного движения сырья F и сушильного агента - воздуха А. При этом сушильный барабан 13 может устанавливаться под углом к горизонту, чтобы обеспечить необходимую скорость движения биомассы F (для известных технических примеров это 3-4°). Наклон барабана и его вращение обеспечивают движение сырья F под действием силы тяжести (и, возможно, напора воздуха для режима прямоточного движения) от загрузочного шлюза 12 к разгрузочному шлюзу 21. Частота вращения барабана может быть переменной и определяться параметрами высушиваемого сырья (для известных технических примеров это 1,5-9 об/мин), угол наклона барабана также может варьироваться. На внутренней поверхности сушильного барабана 13 устанавливаются лопастные, секторные, винтовые или иные насадки, обеспечивающие перемешивание сырья и равномерное распределение его по сечению барабана, что интенсифицирует процесс сушки, обеспечивая большую площадь поверхности контакта между частицами сырья и сушильным агентом.

Использованный воздух в необходимом объеме подают по выходному воздуховоду 22 на участок газификации 9 в полиреакторный газификатор - реакторный кластер 23 в качестве газифицирующего агента, а излишки отработавшего воздуха выбрасываются в атмосферу, например, через выхлопную трубу 24.

Предпочтительным вариантом технической реализации конденсационно-сушильного блока 11 можно считать вариант с интегрированным (встроенным) вращающимся сушильным барабаном и двухступенчатой схемой воздушного охлаждения, включающей непрерывную межступенчатую комбинированную сушку исходного сырья (пример технической реализации см. «Способ получения электроэнергии …» патент RU 2631455).

Высушенное сырье F из конденсационно-сушильного блока 11 (через его разгрузочный шлюз 21) непрерывно либо дозировано перегружается в бункер для сырья 25 (через его загрузочный шлюз 26), где аккумулируется и подвергается кондуктивному (контактному) нагреву за счет тепла выхлопных газов, поступающих по начальному участку 27 газопровода-коллектора выхлопных газов из электрогенерирующего кластера 28 от газопоршневых двигателей энергоагрегатов 16 (температура выхлопных газов на выходе двигателя может достигать 300…400°С). Проходя через внутренние газопроводные полости 29 (см. фиг. 3), выхлопные газы отдают тепло частицам сырья F, контактирующим с теплопередающей поверхностью внутренней рабочей полости бункера для сырья 25, и поступают по промежуточному участку 30 газопровода-коллектора выхлопных газов в реакторный кластер 23. Нагретое сырье - твердое топливо F через разгрузочные шлюзы 31 подается на участок газификации 9 (в реакторы реакторного кластера 23).

Участок газификации 9. На этом участке (фиг. 2) реализуются технологические этапы газификации 4 и охлаждения 5 (см. фиг. 1) в рамках процесса газификации - термохимической конверсии подготовленного (высушенного и нагретого) сырья - твердого углеродсодержащего топлива в горючий топливный газ, пригодный для непосредственного эффективного использования в газопоршневых двигателях электрогенераторов 16, а именно не содержащий смол, сажи, воды и т.п. примесей и охлажденный до приемлемой температуры (не выше 30…50°С). Для этого в участок газификации 9 включен полиреакторный газификатор - реакторный кластер 23 из нескольких (не менее двух) совместно работающих цилиндрических реверсивных (наклонных вращающихся) реакторов, а также топливный газопровод-коллектор 32 с водяным испарительным теплообменником - парогенератором 17 и газовоздушным теплообменником 15 для охлаждения отводимого из реакторов горючего топливного газа G и подачи его в газопоршневые двигатели энергоагрегатов 16. При этом конструкция каждого реактора обеспечивает возможность его работы как в фазе (режиме) обращенного процесса газификации (реакторы 33, фиг. 2), так и в фазе (режиме) прямого процесса газификации (реакторы 34, фиг. 2) со сменой фаз посредством изменением наклона (поворота) реактора в вертикальной плоскости и обеспечения реверсивного движения газифицируемого топлива внутри реактора. Также обеспечивается возможность изменения режима (направления, скорости) вращения каждого реактора вокруг своей оси.

Реактор, работающий в фазе (режиме) обращенного процесса газификации (фиг. 4-6), соединен своим загрузочным устройством 35 с бункером для сырья 25 через его соответствующий разгрузочный шлюз 31 (см. фиг. 3), откуда поступает подготовленное (высушенное и нагретое) твердое топливо F, заполняя зону пиролиза (коксования) 36 рабочей камеры реактора.

Реактор оснащен встроенной пароводяной рубашкой 37 (пример технической реализации см. «Способ газификации топливной биомассы и устройство для его осуществления», патент RU 2631811, Забегаев А.И., Тихомиров И.В. и др., дата публ. 29.06.2017), обеспечивающей тепловую защиту стенок реактора в высокотемпературных зонах рабочей камеры, с перфорированным участком для инжекции перегретого пара из пароводяной рубашки 37 в рабочую камеру, и дутьевыми каналами 38 для подачи газифицирующего агента/окислителя - воздуха в реакционную зону 39 рабочей камеры, где переместившееся туда в виде кокса топливо частично окисляется (сгорает), обеспечивая достижение температуры 900…1100°С, необходимой, во-первых, для осуществления термических процессов в зоне пиролиза 36 и, во-вторых, для частичной воздушной газификации топлива и получения слоя раскаленного угля, который перемещается далее в зону активации 40, где при температуре не менее 800°С подвергается обработке водяным паром, перегретым за счет теплового потока из реакционной зоны 39 и поступающим посредством самоинжекции из пароводяной рубашки 37 сквозь перфорированную стенку 41.

Образующиеся в зоне пиролиза 36 газы (летучие фракции, пары смол) с примесью горючего топливного газа, получаемого в результате процесса частичной газификации топлива в реакционной зоне 39 и зоне активации 40 и объем которого ограничивается регулированием скорости воздушного дутья и поступления пара, а также времени пребывания топлива в реакционной зоне 39, вместе с не прореагировавшим водяным паром составляют парогазовую смесь, которая отводится через патрубок циркуляции 42 в парогазовый канал-коллектор 43 (непосредственно либо через секционированную межстеночную полость 44 реактора). При этом для обеспечения надежности (при возможных отказах патрубка циркуляции 42) могут быть оборудованы дополнительные (дублирующие) патрубки циркуляции, выходящие в отдельные секции секционированной межстеночной полости 44 (см. фиг. 5, 6), оснащенные независимыми выходами в парогазовый канал-коллектор 43.

Активированный уголь, получаемый в результате обработки угля в зоне активации 40 перегретым водяным паром (с соответствующим понижением температуры вследствие эндотермических реакций), аккумулируется в расположенной ниже буферной зоне 45 посредством опускания (с регулируемой для обеспечения оптимальных рабочих параметров процесса скоростью перемещения) подвижного расширительного поршня 46, который выполнен полым. При этом внутренняя адсорбционная полость 47 заполняется произведенным активированным углем С в процессе перемещения расширительного поршня 46 из начального положения в положение 48 за счет открытия створок 49. Перемещение расширительного поршня 46 прекращается в положении 48 с упором в торцевую стенку 50 реактора, при этом буферная зона 45 заполнена активированным углем, а боковая цилиндрическая стенка 51 расширительного поршня в положении 48 вместе с кожухом 52 и торцевой стенкой 50 реактора образуют кольцевую камеру 53, которая используется для фильтрации/очистки выхлопных газов двигателей газопоршневых энергоагрегатов после перевода реактора в фазу (режим) прямого процесса газификации.

Перевод реактора в указанный режим (фиг. 7-9) осуществляется посредством его поворота (реверса) в вертикальной плоскости. При этом загрузочное устройство 35 отключается от бункера для сырья 25 (см. фиг. 4), а в зоне пиролиза (коксования) 36 оставшееся там подготовленное (в том числе высушенное и нагретое) топливо фиксируется в качестве «подушки», поддерживающей слой аккумулированного в буферной зоне 45 активированного угля.

Дополнительно к продолжающемуся воздушному дутью через дутьевые каналы 38 из парогазового канала-коллектора 43 (непосредственно либо через секции межстеночной полости 44 реактора и патрубок циркуляции 42) начинает поступать парогазовая смесь от реакторов, работающих в фазе (режиме) обращенного процесса газификации, в рабочую камеру реактора, причем в реакционную зону 39, которая постепенно перемещается на место зоны активации 40 (см. фиг. 4) за счет образования зоны охлаждения 54, где происходит накопление твердых остатков газификации - золы R, которая по мере вращения реактора высыпается через каналы разгрузочного устройства 55 и выделенные секции межстеночной полости 44 в бункер для золы 56. Скорость выгрузки золы R из реактора определяется посредством выбора конструктивных параметров разгрузочного устройства и рабочих параметров реактора (скорости вращения, скорости воздушного дутья) таким образом, чтобы положение реакционной зоны 39 в реакторе в фазе (режиме) прямого процесса газификации оставалось постоянным.

В режиме прямого процесса газификации обеспечивается практически полное разложение смол поступающей парогазовой смеси в высокотемпературной (900…1100°С) окислительно-восстановительной реакционной зоне 39, завершение реакций газификации углерода топлива с образованием смешанного (воздушного и водяного) горючего топливного газа:

С+O₂ → СО₂+97650 ккал/моль

2С+О₂ → 2СО+58860 ккал/моль

2СО+О₂ → 2СО₂+136440 ккал/моль

СО₂+С → 2СО - 38790 ккал/моль

С+Н₂О=СО+Н₂ - 28380 ккал/моль

С+2Н₂О=СО₂+2Н₂ - 17970 ккал/моль,

причем восстановительные реакции углерода (в виде раскаленного активированного угля) с углекислым газом и водяным паром эндотермические (с поглощением тепла), что позволяет ограничить температуру уровнем начала плавления биомассы - 1150°С /см. Справочник. «Котельные и электростанции на биотопливе …», с. 32/ и таким образом исключить возможное шлакообразование в рабочей камере реактора, в том числе и при использовании иного низкосортного сырья (бурых углей, торфа).

Таким образом, в рабочей камере реализуется прямой процесс газификации активированного угля, аккумулированного в буферной зоне 45, когда посредством воздушного дутья, дополненного, во-первых, подачей парогазовой смеси и, во-вторых, перегретым водяным паром из пароводяной рубашки 37 для получения необходимого (предпочтительно стехиометрического) соотношения с газифицируемым углеродом топлива, с формированием газового потока, который проходит последовательно зону охлаждения 54, реакционную зону 39 и далее в виде получаемого горючего топливного газа (смеси активных компонентов - окиси углерода СО и водорода H₂ с незначительной долей метана СН₄ и кислорода О₂ и пассивных компонентов - углекислого газа СО₂ и значительной доли азота N₂ воздуха /см. Справочник. «Котельные и электростанции на биотопливе …». с. 117-118, 140-143/), фильтруется через перемещающийся ему навстречу слой активированного угля в буферной зоне 45 и затем выводится через открывшийся (например, под собственным весом) газовый клапан 57 и полый шток 58 и далее в топливный газопровод-коллектор 32.

Очистка получаемого топливного газа от примесей (частиц золы, не прореагировавшего углерода топлива, сажи, возможных следов смол) происходит за счет адсорбции в слое активированного угля в буферной зоне 45. Высокая степень переработки твердого топлива и очистки топливного газа обеспечивается за счет длины буферной зоны 45, а также высокой реакционной способности топлива - активированного угля (на основе исходного преимущественно растительного, в т.ч. древесного сырья), его газопроницаемости и сыпучести (перемешиваемости).

Поскольку получаемый горючий топливный газ имеет слишком высокую температуру (до 700°С и выше), для использования его в качестве силового газа в газопоршневых двигателях на участке газификации 9 предусмотрено рекуперативное водяное испарительное охлаждение (фиг. 2).

Выводимый из реакторов 34, работающих в фазе (режиме) прямого процесса газификации, горючий топливный газ поступает в топливный газопровод-коллектор 32, где его охлаждают в водяном испарительном теплообменнике - парогенераторе 17, куда из резервуара воды 20 подается под давлением вода, циркулирующая по замкнутому контуру, а также дополнительно (для восполнения расхода) вода извне. При этом получаемый в результате теплообмена водяной пар подают через паропровод 18 во внутренний паропровод конденсационно-сушильного блока 11.

Эффективность охлаждения горючего топливного газа (для снижения его температуры до требуемых значений) может быть повышена за счет дополнительного воздушного охлаждения. Для этого газ охлаждают в газовоздушном теплообменнике 15, куда подается атмосферный воздух, который затем в подогретом состоянии поступает на участок топливоподготовки 8 (по входному воздуховоду 14 в сушильный барабан 13 конденсационно-сушильного блока 11). Охлажденный топливный газ поступает на участок электрогенерации 10 в электрогенерирующий кластер 28 для использования в качестве силового газа. При этом для обеспечения устойчивости подачи топливного газа в условиях его переменного расхода (колебания выходной мощности, отключения отдельных газопоршневых двигателей) топливный газопровод 32 может быть оснащен накопителем горючего топливного газа - газгольдером 61.

Одновременно с процессом газификации активированного угля, аккумулированного в буферной зоне 45 реактора, реализуется операция 7 очистки выхлопных газов, поступающих от газопоршневых двигателей энергоагрегатов 16 (см. фиг. 2, 3) по начальному участку 27 газопровода-коллектора выхлопных газов, через бункер для сырья 25, по промежуточному участку 30 газопровода-коллектора выхлопных газов в кольцевую камеру 53, которая разбита на секции, одни из которых являются впускными 59, а другие - выпускными 60 для выхлопных газов. Последние фильтруются через выделенный в фазе (режиме) обращенного процесса слой активированного угля, загруженного в адсорбционную полость 47 расширительного поршня, проходя сквозь его перфорированные боковые стенки 51, после чего поступают через полый шток 58 в выходную часть 62 газопровода-коллектора выхлопных газов и далее на выброс в атмосферу через выхлопную трубу 24.

После завершения газификации всего объема аккумулированного в буферной зоне 45 активированного угля расширительный поршень опускается в нижнее положение, где открываются створки 49 и отработанный активированный уголь выгружается в реакционную зону 39 для газификации с полным разложением адсорбированных вредных составляющих, включая токсичные оксиды азота NO_x, а также сажу и углеводороды.

Участок электрогенерации 10. На этом участке реализуется технологический этап электрогенерации 6 - получения электроэнергии для внешних потребителей, а также для собственного энергопотребления (приводы реакторов и сушильного барабана, вентиляторы и насосы, загрузочные устройства, воспламенитель для запуска процесса газификации и др.), из топливного газа посредством энергоагрегатов 16 с газопоршневыми двигателями и генераторами переменного тока (в составе кластера 28). В условиях снижения потребляемой мощности часть энергоагрегатов 16 может оперативно отключаться, а излишки производимого топливного газа -накапливаться в газгольдере 61. Кроме того, для сглаживания колебаний потребляемой мощности, а также для обеспечения собственного электропотребления (начальный запуск, аварийное гарантированное электропитание) может быть введен накопитель электроэнергии - аккумуляторный блок с преобразователем энергии 63.

Частный случай технического осуществления предлагаемого способа автономной электрогенерации предусматривает полную интеграцию (объединение) разнофункциональных агрегатов топливоподготовки и газификации в единый топливный блок, конструктивно представляющий собой расположенную горизонтально систему соосно вложенных цилиндрических камер - полостей (фиг. 10, 11), в которых размещаются функциональные агрегаты. Через загрузочный шлюз 64 влажное сырье поступает в цилиндрическую сушильную полость 65 с вращающейся стенкой 66 и насадками 67, представляющую собой сушильный барабан, аналогичный сушильному барабану 13, работа которого описана ранее (см. фиг. 2). При этом механическая обработка (измельчение/уплотнение) исходного сырья может быть проведена предварительно либо посредством оснащения загрузочного шлюза 64 необходимыми устройствами (измельчителями, дробилками, мельницами, прессами).

Внутри сушильной полости 65 размещена цилиндрическая центральная полость 68 с реакторным кластером. Она разделена перегородками 69 на реакторные секции, в каждой из которых в перпендикулярной оси вращения системы цилиндров плоскости установлен цилиндрический реверсивный (наклонный вращающийся) реактор 70, работающий в фазе (режиме) обращенного процесса 71 либо в фазе (режиме) прямого процесса 72 газификации со сменой фазы (режима) посредством поворота. Высушенное и нагретое сырье - твердое топливо при вращении стенки 66 загружается через загрузочное устройство 38 в реакторы, находящиеся в фазе (режиме) обращенного процесса 71. В коллекторной полости 73 размещены парогазовый канал-коллектор 43, каналы подачи газифицирующих агентов - воздуха и воды (с резервуаром), топливный газопровод-коллектор 32, а также каналы выгрузки золы. Получаемый топливный газ G охлаждается в газовоздушном теплообменнике 15 и водяном испарительном теплообменнике - парогенераторе 17, из которого пар поступает во внутреннюю кольцевую паропроводную полость 74, где охлаждается и конденсируется. Для снижения теплопотерь топливный блок оснащается теплоизоляционной оболочкой 75.

Выхлопные газы из газопоршневых двигателей энергоагрегатов электрогенерирующего кластера 28 поступают в центральную полость 68, где последовательно проходят реакторные секции и внутренние адсорбционные полости реакторов, что обеспечивает кондуктивный нагрев сырья в сушильной полости 65 и их очистку перед выбросом в атмосферу.

Технический эффект от предлагаемых решений можно оценить следующим образом.

Во-первых, существенно повышается экономичность (снижается себестоимость электроэнергии), поскольку расширяется спектр используемого дешевого низкосортного сырья в части содержания влаги за счет построения технологической схемы с системной рекуперацией потерь энергии, а именно использования тепла получаемого топливного газа в процессе его охлаждения (испарительного и воздушного), тепла от системы охлаждения и выхлопных газов газопоршневых двигателей энергоагрегатов для сушки и нагрева сырья на участке топливоподготовки.

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_o - 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. указанный выше Справочник. «Котельные и электростанции на биотопливе …»; «Биомасса как источник энергии». Под ред. С. Соуфера, О. Заборски. - М., Мир, 1985/ средняя относительная влажность низкосортного дешевого сырья может составлять 0,33…0,5 для свежесрубленной и 0,5…0,8 для мокрой (транспортируемой по воде) древесины, до 0,7 - для отстоя городских сточных вод, 0,6…0,85 - для навоза, до 0,55 и более - для сельскохозяйственных отходов, 0,15…0,35 - для ТБО.

Взаимосвязь между вышеуказанными характеристиками может быть выражена следующим соотношением /см. указанный выше «Способ получения электроэнергии …», патент RU 2631455/:

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

Q_c - НТС сухого вещества топлива;

C_w=- удельная теплоемкость воды;

L_y=- удельная теплота парообразования.

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

Из представленных на фиг. 10 графиков зависимости НТС Q исходного сырья от его относительной влажности W₀ следует, что теоретически верхняя граница величины W_o используемого исходного сырья за счет предлагаемых решений может быть существенно повышена (от 0,15…0,20 для прототипа до 0,7…0,8), что позволяет перерабатывать практически любые виды влажного твердого низкосортного сырья. При этом определенное снижение верхней границы относительно теоретически возможной связано с необходимостью расхода электроэнергии на собственные нужды электростанции.

Во-вторых, повышается эффективность теплозащиты (водяного охлаждения) реактора за счет более интенсивного отвода тепла при подаче в его пароводяную рубашку воды (вместо пароводяной смеси) в виде конденсата из созданного замкнутого (без сброса вовне) контура циркуляции воды, включающего резервуар воды-конденсата, водяной испарительный теплообменник - парогенератор и конденсационно-сушильный блок, с входом извне для восполнения расхода воды, что обеспечивает повышение компактности, надежности и долговечности реактора, а также снимает потребность в оборудовании водоподготовки и позволяет исключить отдельный участок системы оборотной технологической воды в целом.

В-третьих, повышается эффективность электрогенерации - электрический КПД за счет системной рекуперации компонентов тепловой энергии, образующихся в процессе газификации (тепло охлаждаемого топливного газа) и электрогенерации (тепло системы охлаждения газопоршневых двигателей электрогенераторов и выхлопных газов), посредством их утилизации (использования) в процессе топливоподготовки (сушка и нагрев сырья с повышением его энергетической ценности - теплотворной способности согласно фиг. 10).

Исходя из того, что для современных газопоршневых электростанций соотношение электрической и тепловой мощности составляет 1:1,2, причем для малых, или мини-ТЭЦ, это соотношение может составлять 1:1,9 (см., например, указанный выше Справочник. «Котельные и электростанции на биотопливе …», с. 253), на основе предлагаемых решений, обеспечивающих перераспределение выходной мощности в сторону электрической составляющей, электрический КПД может быть потенциально повышен в 2,2…2,9 раза (без учета потерь при теплообмене). Так, для приведенного известного аналога - типовой малой твердотопливной газопоршневой электростанции /см. указанный выше Справочник. «Котельные и электростанции на биотопливе …», с. 253/ номинальной электрической мощностью 250 кВт электрический КПД может быть увеличен с 18% до 40…52%.

В четвертых, достигается экологическая безопасность, т.к. полностью исключается вредное влияние на окружающую среду, причем без какого-либо дополнительного оборудования (фильтров, нейтрализаторов и т.п.) и расходных материалов (специальных адсорбентов). Газообразные и твердые отходы производства электроэнергии - выхлопные газы газопоршневых двигателей и зола - не содержат каких-либо вредных (токсичных) составляющих. Наиболее токсичные оксиды азота NO_x, угарный газ СО, а также сажа и углеводороды адсорбируются в обособленном слое активированного угля и далее полностью разлагаются в высокотемпературной (900…1100°С) зоне реактора. Высокая реакционная способность активированного угля при газификации позволяет практически полностью исключить наличие остатков углерода и сажи в золе. Использованный в технологических процессах воздух возвращается в атмосферу без вредных примесей. Кроме того, исключается вредное влияние на водные ресурсы, поскольку используемая в технологических процессах вода циркулирует по замкнутому контуру без выбросов вовне.

В-пятых, обеспечивается непрерывность работы электростанции за счет адаптации к условиям переменой нагрузки (колебаниям потребляемой мощности электроэнергии), а также при отказах (плановых оперативных и долговременных отключениях) отдельных агрегатов реакторного кластера и электрогенерирующего кластера, посредством установки накопителей газа (газгольдера) и электроэнергии (аккумуляторного блока с преобразователем электроэнергии). При этом поддержание неизменного (оптимального) режима работы реакторов повышает их эффективность (КПД газификации), готовность, надежность, рабочий ресурс и ремонтопригодность. Полная автономность работы обеспечивается при наличии внешнего источника воды либо ее необходимого запаса на электростанции.

В-шестых, высокая компактность оборудования электростанции, которая дополнительно достигается посредством конструктивных решений по полной интеграции (объединению) разнофункциональных агрегатов топливоподготовки и газификации в единый топливный блок с использованием технических решений по построению компактных реакторов с водяной рубашкой (см. указанный выше патент RU 2631811). Таким образом возникает возможность создания малогабаритной мобильной электростанции как в полустационарном, так и в мобильном исполнении с размещением всего оборудования на одном транспортном агрегате различного базирования (автомобильного, железнодорожного, водного), что существенно расширяет сферу ее массового применения в распределенной малой электроэнергетике.

Изобретение относится к малой распределенной электроэнергетике и предназначено для децентрализованного энергоснабжения, а также экологически безопасной утилизации твердых коммунальных отходов, и направлено на решение технической проблемы повышения эффективности автономной электрогенерации с использованием малых энергоустановок на основе местных энергоресурсов - твердого низкосортного углеродсодержащего сырья - некондиционной биомассы, торфа, бурых углей при минимизации вредных выбросов. Подготовленное сырье подвергается паровоздушной газификации в плотном слое одновременно в нескольких цилиндрических реверсивных - наклонных вращающихся - реакторах с пароводяной рубашкой, топливный газ используется в газопоршневых двигателях энергоагрегатов. Газификацию в реакторе проводят попеременно в режимах обращенного и прямого процессов с очисткой топливного газа посредством фильтрации через образующийся слой активированного угля и с охлаждением - водяным испарительным и воздушным. Предварительно сырье подвергается рекуперативной воздушной сушке с кондуктивным нагревом за счет тепла топливного газа посредством построения замкнутого контура циркуляции воды для теплозащиты реактора, получения и охлаждения топливного газа, а также тепла от охлаждения двигателей и выхлопных газов, очищаемых перед выбросом активированным углем. Способ осуществляется посредством малой твердотопливной электростанции в составе участков топливоподготовки, газификации и электрогенерации в полустационарном и мобильном (с интеграцией агрегатов) исполнении. Технический результат: снижение себестоимости электроэнергии, повышение компактности, готовности, надежности, долговечности, ремонтопригодности и электрического КПД электростанции, непрерывности ее автономной работы, обеспечение экологической безопасности. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 12 ил.

1. Способ автономной электрогенерации с газификацией твердого низкосортного углеродсодержащего сырья, в качестве которого используют биомассу в виде отходов производства и потребления, а также торф, бурые угли, и использованием полученного горючего топливного газа в газопоршневых двигателях энергоагрегатов, предусматривающий проведение процесса паровоздушной газификации в плотном слое одновременно в нескольких (не менее чем в двух) цилиндрических наклонных вращающихся реакторах, в каждом из которых процесс представляет собой последовательность двух чередующихся фаз - режимов обращенного и прямого процессов газификации, где на одной фазе (обращенного процесса) осуществляют загрузку твердого топлива - предварительно подготовленного (уплотненного и/или измельченного при необходимости) сырья - в верхнюю часть реактора и подают газифицирующий агент - воздух - в реакционную зону реактора, где перемещающееся туда твердое топливо частично окисляется (сгорает) и частично газифицируется, а основная его часть в виде кокса перемещается в зону активации, где его подвергают обработке перегретым водяным паром при температуре выше 800°С и в виде активированного угля аккумулируют в буферной зоне, причем образующуюся при этом парогазовую смесь отводят из реактора, а на другой фазе (прямого процесса) проводят паровоздушную газификацию аккумулированного активированного угля, предпочтительно в режиме фильтрационного горения со сверхадиабатическим разогревом, обеспечивая его реверсивное движение, с подачей в реакционную зону реактора воздуха и водяного пара, а также парогазовой смеси, отводимой из других реакторов, работающих в фазе обращенного процесса, и с встречной фильтрацией через перемещающийся слой активированного угля получаемого горючего топливного газа, который выводят из реактора и после охлаждения - водяного испарительного и воздушного - подают для использования в качестве силового газа в газопоршневых двигателях энергоагрегатов, а также с выводом из реактора твердых остатков газификации - золы, отличающийся тем, что некондиционное (влажное) сырье предварительно подвергают воздушно-конвекционной сушке с кондуктивным нагревом в процессе охлаждения и конденсации водяного пара, получаемого в результате испарительного водяного охлаждения топливного газа, и с обдувом воздухом, нагретым в результате воздушного охлаждения топливного газа, а выхлопные газы газопоршневых двигателей подвергают очистке посредством фильтрации через обособленный слой активированного угля.

2. Способ автономной электрогенерации по п. 1, отличающийся тем, что для сушки сырья используют также нагретый воздух, отработанный при охлаждении газопоршневых двигателей энергоагрегатов.

3. Способ автономной электрогенерации по п. 1 или 2, отличающийся тем, что выхлопные газы газопоршневых двигателей энергоагрегатов используют для дополнительного кондуктивного нагрева твердого топлива после сушки перед загрузкой в реакторы.

4. Способ автономной электрогенерации по п. 1, или 2, или 3, отличающийся тем, что воду, полученную конденсацией водяного пара при сушке сырья, и воздух, использованный для сушки сырья, в необходимом регулируемом объеме, предпочтительно в стехиометрическом соотношении с газифицируемым топливом, подают в реакторы в качестве газифицирующих агентов.

5. Устройство для автономной электрогенерации - малая твердотопливная электростанция на местном твердом низкосортном углеродсодержащем сырье, в качестве которого используется биомасса в виде отходов производства и потребления, а также торф, бурые угли, содержащее участок газификации в составе реакторного кластера из нескольких (не менее чем двух) совместно работающих цилиндрических наклонных вращающихся реакторов и парогазового канала-коллектора, при этом каждый реактор, имеющий возможность изменения угла наклона и режима вращения, оснащен загрузочным устройством, пароводяной рубашкой, встроенной в пространство внутри двойной боковой стенки реактора, состоящей из внешней стенки - кожуха и внутренней стенки рабочей камеры с перфорированным участком для обеспечения инжекции перегретого пара из пароводяной рубашки в рабочую камеру реактора, дутьевыми каналами для подачи газифицирующего агента - воздуха в реакционную зону рабочей камеры реактора, в которой выделены также зона активации с патрубком циркуляции парогазовой смеси, соединенным с парогазовым каналом-коллектором (непосредственно либо через секционированную межстеночную полость реактора) и буферная зона для аккумулирования активированного угля, поступающего из зоны активации, с подвижным (с регулируемой скоростью перемещения) расширительным поршнем с полым штоком для отвода горючего топливного газа в топливный газопровод-коллектор, а также разгрузочным устройством для вывода твердых остатков газификации - золы - из рабочей камеры реактора в бункер для золы, с возможностью поочередной работы каждого реактора в фазах - режимах обращенного и прямого процессов газификации посредством поворота реактора в вертикальной плоскости и обеспечения реверсивного движения газифицируемого твердого топлива в рабочей камере реактора, а также топливного газопровода-коллектора с водяным испарительным теплообменником-парогенератором и газовоздушным теплообменником для сбора и охлаждения отводимого из реакторов горючего топливного газа с подачей его в газопоршневые двигатели энергоагрегатов, отличающееся тем, что в его составе образованы участки топливоподготовки и электрогенерации, при этом в участок топливоподготовки входят конденсационно-сушильный блок для воздушно-конвекционной сушки сырья с кондуктивным нагревом и бункер для сырья с возможностью дополнительного кондуктивного нагрева, при этом конденсационно-сушильный блок конструктивно представляет собой теплообменник - воздушный конденсатор пара, содержащий внутренний паропровод с интегрированным (встроенным) вращающимся сушильным барабаном с теплопроводящими стенками, при этом внутренний паропровод на входе подключен к паровому выходу водяного испарительного теплообменника-парогенератора, а своим патрубком отвода конденсата - к резервуару воды, выход которого подключен к пароводяным рубашкам реакторов и к водяному испарительному теплообменнику-парогенератору с возможностью подачи в него дополнительно воды извне, при этом выход для воздуха газовоздушного теплообменника через воздуховод-коллектор соединен с сушильным барабаном, который оснащен загрузочным и разгрузочным шлюзами для перегрузки высушенного сырья в бункер для сырья, который оснащен загрузочным и разгрузочными шлюзами для перегрузки сырья в реакторы и конструктивно выполнен как теплообменник для кондуктивного нагрева сырья выхлопными газами газопоршневых двигателей энергоагрегатов, для чего он оснащен внутренними полостями, являющимися составными частями газопровода-коллектора выхлопных газов.

6. Устройство для автономной электрогенерации по п. 5, отличающееся тем, что подвижный расширительный поршень каждого из реакторов выполнен полым с возможностью поступления (загрузки) в него и высыпания (выгрузки) из него активированного угля, аккумулируемого в буферной зоне, а газопровод-коллектор выхлопных газов между его выходом из бункера для сырья и входом в выхлопную трубу имеет участок, выполненный в виде параллельных каналов, каждый из которых имеет вход и выход через адсорбционную полость подвижного расширительного поршня соответствующего реактора для фильтрации выхлопных газов через выделенный слой активированного угля.

7. Устройство для автономной электрогенерации по п. 5 или 6, отличающееся тем, что вход и выход для выхлопных газов в адсорбционной полости подвижного расширительного поршня каждого из реакторов образованы посредством перфорации боковых стенок подвижного расширительного поршня, которые при его выдвижении из буферной зоны рабочей камеры реактора вместе с кожухом и торцевой стенкой реактора образуют секционированную камеру в торцевой части реактора, включенную посредством своих впускных и выпускных секций в один из параллельных каналов газопровода-коллектора выхлопных газов, причем подключения выполнены через клапаны, открываемые при полном выдвижении подвижного расширительного поршня из буферной зоны реактора.

8. Устройство для автономной электрогенерации по п. 5, или 6, или 7, отличающееся тем, что к воздуховоду-коллектору дополнительно подключены выходы для воздуха из системы охлаждения газопоршневых двигателей энергоагрегатов.

9. Устройство для автономной электрогенерации по п. 5, или 6, или 7, или 8, отличающееся тем, что все функциональные элементы (агрегаты) участков топливоподготовки и газификации конструктивно интегрированы (объединены) в единый топливный блок в виде расположенной горизонтально или под небольшим наклоном к горизонту системы соосно вложенных цилиндрических камер-полостей в составе сушильной полости с вращающейся стенкой и насадками, внутри которой размещена центральная полость с реакторным кластером, разделенным на реакторные секции с цилиндрическими наклонными вращающимися реакторами с возможностью изменения их наклона посредством поворота в плоскости, перпендикулярной оси вращения системы цилиндрических камер-полостей, коллекторной полости с парогазовым каналом-коллектором, каналами подачи газифицирующих агентов - воздуха и воды, топливным газопроводом-коллектором и каналом выгрузки золы, а также полости для газовоздушного теплообменника и водяного испарительного теплообменника-парогенератора, при этом загрузочный шлюз сушильной полости может быть оснащен устройствами для механической обработки (измельчения, уплотнения) исходного сырья, а топливный блок в целом покрыт теплоизоляционной оболочкой.

10. Устройство для автономной электрогенерации по п. 5, или 6, или 7, или 8, или 9, отличающееся тем, что энергоагрегаты объединены в электрогенерирующий кластер с возможностью оперативного запуска/остановки газопоршневых двигателей энергоагрегатов, к выходу электрогенерирующего кластера подключен накопитель электроэнергии - аккумуляторный блок с преобразователем электроэнергии, а топливный газопровод-коллектор оснащен накопителем топливного газа - газгольдером.