Способ переработки твердого топлива с использованием солнечной энергии Российский патент 2024 года по МПК F24S90/00 C10J3/46 

Изобретение относится к области теплоэнергетики и может быть использовано при проектировании систем автономного комплексного энергоснабжения населенных пунктов, небольших промышленных предприятий и объектов сельского хозяйства.

Газогенератор - аппарат, в котором проводится газификация твердого топлива. Под газификацией понимается процесс преобразования органической части твердого или жидкого топлива в горючие газы при высокотемпературном нагреве с окислителем (кислород, воздух, водяной пар, CO₂ или, чаще, их смесь), который подается в соотношении с топливом ниже стехиометрического, также полученный газ называют генераторным в соответствии с названием аппарата, в котором проводится данный процесс. Сырьем для процесса газификации обычно служат каменный уголь, бурый уголь, горючие сланцы, торф, дрова, мазут, гудрон, другое биотопливо.

Из-за нечувствительности к качеству сырья и наличию балластов (минеральных примесей и влаги) газификация твердого топлива находит широкое применение для переработки низкосортных видов топлива. Кроме того, полученное газообразное топливо при сжигании выделяет значительно меньшее количество вредных веществ, нежели при прямом сжигании твердого топлива.

В настоящее время существуют различные способы газификации - в потоке, в неподвижном и кипящем слое. Наиболее перспективным является способ газификации в потоке, в котором происходит практически полное преобразование топлива в газ при высокой температуре. Для реализации процесса смесь окислителя (воздуха) и топлива необходимо предварительно нагреть. В существующих газогенераторах реализуются различные способы нагрева, однако все они требуют дополнительных затрат энергии, части газифицируемого топлива или полученного генераторного газа. Полученный генераторный газ является горючим и может сживаться в котлах, камерах сгорания или печах.

Для обеспечения бесперебойного энергоснабжения автономных объектов является перспективным использование автономных газогенераторных электростанций малой мощности (мини-ТЭЦ), работающих на привозном ископаемом твердом топливе и биотопливе (лесосечных отходах, торфе, сельскохозяйственных отходах).

Техника газификации развивается в направлении повышения производительности (до 200000 м³/ч) и КПД (до 90%) путем повышения температуры и давления процесса.

Известен способ выработки электроэнергии (патент РФ №2310765; F02C 6/02, F02C 3/34 от 20.11.2007 Бюл. №32) путем ввода в экзотермореакторную камеру под давлением потоков кислорода, топлива и газового балласта, получения также под давлением горячих продуктов сгорания, подачи их в рабочую полость турбины, передачи вращательного усилия приводу электрогенератора, вывода в атмосферу, использования в качестве газового балласта собственных продуктов сгорания, охлаждения экзотермореакторной камеры и дополнительной выработки электроэнергии азотом, отличающийся тем, что на выработку электроэнергии подают вначале ожиженные, а затем сжатые потоки кислорода и азота, нагреваемые перед вводом в экзотермореакторную камеру в системе ее охлаждения, а также теплом выводимых в атмосферу потоков продуктов сгорания и азота, нагретый поток азота направляют на дополнительный газотурбоэлектрогенератор, а возвращаемые продукты сгорания ожижают, уже в ожиженном состоянии сжимают и нагревают перед вводом в экзотермореакторную камеру. Недостатком данного способа является необходимость предварительного получения кислорода и азота.

Известен энерготехнологический комплекс (патент РФ №136801; С10В 53/00 F23G 5/00 от 20.01.2013 Бюл. №2), содержащий газопоршневой энергоблок и программатор, предназначенный для управления режимом работы энергоблока с возможностью получения электроэнергии и тепла одновременно в различных пропорциях путем изменения режима работы энергоблока, отличающийся тем, что содержит в качестве исполнительного механизма регулятор расхода воздуха в энергоблок для поддержания задаваемого программатором коэффициента расхода воздуха в интервале 0,95-1,0, газоводяной теплообменник, в котором нагреваемой средой является вода, а охлаждаемой - задаваемая программатором часть отработанных газов энергоблока, а также смеситель оставшейся части отработанных газов энергоблока и охлажденных в теплообменнике, причем комплекс содержит реактор торрефикации гранулированного биотоплива, в котором теплоносителем являются газы, полученные в смесителе. Недостатком данного способа является необходимость использования газов, полученных при торрефикации биотоплива, на проведение процесса.

Известна газогенераторная установка (патент РФ №2442817; C10J 3/20 C02F 11/04 от 20.02.2012 Бюл. №5), состоящая из последовательно расположенных газогенератора, циклона, газоводяного теплообменника, скруббера и электрогенератора с газовым двигателем и котлом-утилизатором, причем котел-утилизатор и газоводяной теплообменник связаны последовательно контуром циркуляции теплоносителя, а выход воды из скруббера связан с входом посредством последовательно расположенных отстойника и воздухоподогревателя, отличающаяся тем, что между воздухоподогревателем и входом воды в скрубберпредусмотрен по крайней мере один анаэробный биофильтр, а также охладитель воды - испаритель теплового насоса, состоящего из компрессора с газовым двигателем, конденсатора-водонагревателя и терморегулирующего вентиля, при этом анаэробный биофильтр посредством газопровода связан с газовым двигателем компрессора теплового насоса, а конденсатор-водонагреватель гидравлически связан с последовательно расположенными котлом-утилизатором, газоводяным теплообменником, узлом теплофикации, газовыми двигателями электрогенератора и компрессора теплового насоса с образованием замкнутого контура циркуляции теплоносителя. Недостатком данной установки является низкая температура воздуха, направляемого в газогенератор.

Известен способ получения электроэнергии из некондиционной (влажной) топливной биомассы и устройство для его осуществления (патент РФ №2631456; F02C 3/28 F23G 5/027 C10J 3/66 от 22.09.2017 Бюл. №27), предусматривающий на первой стадии подачу исходного сырья -измельченной 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, 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 с преобразованием тепловой энергии в механическую энергию посредством тепловой машины и в электрическую энергию посредством электрогенератора. При этом исходное сырье для производства электроэнергии перед подачей на газификацию подвергают полной глубокой сушке, включая конвективную воздушно-калориферную сушку для удаления внешней влаги с использованием тепла, отработавшего в тепловой машине рабочего тела посредством его воздушного охлаждения и, возможно, конденсации в замкнутом контуре циркуляции рабочего тела, а также кондуктивно-конвективную сушку отходящими дымовыми газами для удаления остаточной, в том числе реакционной, влаги. Недостаток данного способа заключается в затратах тепла на подогрев газифицирующих агентов -воздуха и водяного пара и/или воды.

Известна мини-ТЭЦ (патент РФ №2643877; F24J 3/08 от 12.12.2017 Бюл. №35), работающая на возобновляемых источниках энергии, содержащая первичные преобразователи природной энергии, тепловые аккумуляторы и преобразователи тепловой энергии в электрическую с системой утилизации тепловых сбросов, отличающаяся тем, что она имеет однотипные либо гибридные первичные преобразовательные установки с энергоресурсом на выходе в виде нагретого и сжатого воздуха, сезонные грунтовые аэродинамические нагреватели - накопители тепловой энергии, а также в качестве приводов электрогенераторов - мощные вторичные тепломеханические преобразователи без паросилового звена. Недостатком данного изобретения является раздельное использование возобновляемых энергоресурсов, а не их комбинация друг с другом.

В качестве прототипа выбрана башенная солнечная электростанция с циклом Брайтона (Meriche I.E., Baghidja A., BoukeliaT.E. Design and Performance Evaluation of Solar Gas Turbine Power Plant in South Western Algeria //International journal of renewable energy research / Imadeddinemeriche et al. 2014.V. 4. No.1.), где поглощенная солнечная энергия используется для нагрева сжатого воздуха перед поступлением в камеру сгорания газовой турбины, высокая температура воздуха используется для приведения в действие энергетического цикла Брайтона.

Недостатком прототипа является ограниченность в выборе топлива, на котором работает электростанция, а именно: в качестве топлива используется только природный газ. Также недостатком является невозможность осуществления когенерации ввиду использования в данной установке только газовой турбины.

Техническим результатом, на достижение которого направлено изобретение, является устранение перечисленных недостатков: расширение используемых видов топлива, возможность одновременного производства электроэнергии и промышленного пара / тепла, а также повышение эффективности преобразования энергии с увеличением надежности электроснабжения автономных объектов, экономии энергоресурсов и защите окружающей среды.

Технический результат достигается тем, что способ переработки твердого топлива с использованием солнечной энергии, характеризуется тем, что включает стадии, на которых:

а) воздух сжимается в компрессоре низкого или среднего давления

б) поток сжатого воздуха разделяют - одна часть, направляется в солнечный воздухонагреватель, расположенный на башне, а другая часть подается в паровой котел.

в) поток солнечного излучения поступает на поверхность гелиостатов, отражается и концентрируется на поверхности солнечного воздухонагревателя.

г) внешняя приемная поверхность передает тепло пористой вставке солнечного воздухонагревателя, через поры которой проходит нагретый воздух.

д) нагретый до высокой температуры (600-850°С) воздух направляется в газогенератор, куда подается измельченное твердое топливо.

е) шлам отводится из газогенератора для дальнейшей переработки.

ж) газовая смесь из газогенератора подается в паровой котел, который подключен к паровой турбине, вырабатывающей электрическую энергию.

з) газы, выходящие из парового котла, попадают в атмосферу.

Также в способе переработки твердого топлива с использованием солнечной энергии для работы установки в темное время суток используется хранилище генераторного газа, которое заполняется газификатором в светлое время суток, когда солнечного излучения достаточно для нагрева воздуха до необходимой температуры газификации твердого топлива.

На фигуре показана схема для переработки твердого топлива с использованием солнечной энергии.

Цифрами на схеме обозначены компрессор низкого или среднего давления 1, гелиостат 2 для направления солнечных лучей на солнечный воздухонагреватель 3, башня 4, на которой установлен воздухонагреватель, газогенератор 5 для преобразования твердого топлива в газообразное, хранилище генераторного газа 6, паровой котел 7; паровая турбина 8, электрогенератор 9, вентили 10.

Способ осуществляется следующим образом: воздух I сжимается в компрессоре низкого или среднего давления 1. Затем поток сжатого воздуха разделяют - одна часть, направляется в солнечный воздухонагреватель 3, расположенный на башне 4, а другая часть подается в паровой котел 7. Поток солнечного излучения поступает на поверхность гелиостатов 2, отражается и концентрируется на поверхности солнечного воздухонагревателя 3. Внешняя приемная поверхность передает тепло пористой вставке, через поры которой проходит нагретый воздух. Нагретый до высокой температуры (600-850°С) воздух направляется в газогенератор 5, куда подается измельченное твердое топливо П. В качестве топлива может быть использованы каменный уголь, бурый уголь, горючие сланцы, торф, дрова, другое биотопливо. Шлам IV отводится из газогенератора 5 для дальнейшей переработки. Для работы установки в темное время суток устанавливается хранилище генераторного газа 6, которое заполняется газификатором 5 в светлое время суток, когда солнечного излучения достаточно для нагрева воздуха до необходимой температуры газификации твердого топлива. Газовая смесь III из газогенератора 5 подается в паровой котел 7, который подключен к паровой турбине 8, вырабатывающей электрическую энергию и пар для нужд объекта. Газы, выходящие из парового котла 7, попадают в атмосферу.

Таким образом, способ переработки твердого топлива с использованием солнечной энергии может быть применен на объектах сельского хозяйства, лесозаготовках и небольших промышленных предприятиях и позволяет производить электроэнергию и пар для нужд объекта.

Способ переработки твердого топлива с использованием солнечной энергии осуществляется путем подачи воздуха, сжатого в компрессоре и нагретого в солнечном нагревателе, в газогенератор для получения генераторного газа из измельченного твердого топлива, используемого в качестве топлива в котельной установке с получением пара, направляемого на паровую турбину.

Изобретение относится к области теплоэнергетики и может быть использовано при проектировании систем автономного комплексного энергоснабжения населенных пунктов, небольших промышленных предприятий и объектов сельского хозяйства. Технический результат достигается тем, что способ переработки твердого топлива с использованием солнечной энергии характеризуется тем, что включает стадии, на которых: а) воздух сжимается в компрессоре низкого или среднего давления; б) поток сжатого воздуха разделяют - одна часть направляется в солнечный воздухонагреватель, расположенный на башне, а другая часть подается в паровой котел; в) поток солнечного излучения поступает на поверхность гелиостатов, отражается и концентрируется на поверхности солнечного воздухонагревателя; г) внешняя приемная поверхность передает тепло пористой вставке солнечного воздухонагревателя, через поры которой проходит нагретый воздух; д) нагретый до высокой температуры (600-850°С) воздух направляется в газогенератор, куда подается измельченное твердое топливо; е) шлам отводится из газогенератора для дальнейшей переработки; ж) газовая смесь из газогенератора подается в паровой котел, который подключен к паровой турбине, вырабатывающей электрическую энергию; з) газы, выходящие из парового котла, попадают в атмосферу. Также в способе переработки твердого топлива с использованием солнечной энергии для работы установки в темное время суток используется хранилище генераторного газа, которое заполняется газификатором в светлое время суток, когда солнечного излучения достаточно для нагрева воздуха до необходимой температуры газификации твердого топлива. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ переработки твердого топлива с использованием солнечной энергии, характеризующийся тем, что включает стадии, на которых:

а) воздух сжимается в компрессоре низкого или среднего давления;

б) поток сжатого воздуха разделяют - одна часть направляется в солнечный воздухонагреватель, расположенный на башне, а другая часть подается в паровой котел;

в) поток солнечного излучения поступает на поверхность гелиостатов, отражается и концентрируется на поверхности солнечного воздухонагревателя;

г) внешняя приемная поверхность передает тепло пористой вставке солнечного воздухонагревателя, через поры которой проходит нагретый воздух;

д) нагретый до высокой температуры (600-850°С) воздух направляется в газогенератор, куда подается измельченное твердое топливо;

е) шлам отводится из газогенератора для дальнейшей переработки;

ж) газовая смесь из газогенератора подается в паровой котел, который подключен к паровой турбине, вырабатывающей электрическую энергию;

з) газы, выходящие из парового котла, попадают в атмосферу.

2. Способ переработки твердого топлива с использованием солнечной энергии по п.1, в котором для работы установки в темное время суток используется хранилище генераторного газа, которое заполняется газогенератором в светлое время суток, когда солнечного излучения достаточно для нагрева воздуха до необходимой температуры газификации твердого топлива.