СПОСОБ ВЫРАБОТКИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ В ГАЗОВОЙ ТУРБИНЕ НА ОСНОВЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ПРОДУКТОВ ГАЗИФИКАЦИИ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА Российский патент 2024 года по МПК F02C3/28 B01D53/00 

Изобретение относится к области теплоэнергетики и может быть использовано на промышленных предприятиях и при проектировании систем автономного энергоснабжения.

Процесс выработка электрической энергии в газовой турбине заключается в том, что при сжигании топлива в камере сгорания образуются высокотемпературные продукты сгорания, которые нагревают сжатый воздух, подаваемый из компрессора. Смесь воздуха и продуктов сгорания, обладающая высокой энтальпией подается на лопатки газовой турбины. Подобная смесь газов и воздуха может быть получена при газификации твердого топлива - угля, торфа, горючих сланцев.

Газификацией называется процесс преобразования органической части твердого или жидкого топлива в горючие газы при нагреве с окислителем, в качестве которого используется кислород, воздух, водяной пар, углекислый газ или смесь этих веществ в определенном соотношении. При газификации не происходит полного окисления компонентов топлива, поскольку соотношение топлива и окислителя ниже стехиометрического.

По сравнению с процессом сжигания топлива газификация менее чувствительна к качеству сырья, поэтому может применяться для термической переработки топлив с высокой влажностью и зольностью.

Наиболее перспективным и эффективным способом является газификация в потоке, которая может быть реализована при повышенном давлении и обеспечивает полное преобразование органической части топлива в газообразные продукты, в состав которых входят оксид и диоксид углерода, водород, метан, водяной пар и сероводород при наличии серы в топливе.

Для обеспечения бесперебойного энергоснабжения автономных объектов перспективным является использование автономных газогенераторных электростанций малой мощности (мини-ТЭЦ), работающих на привозном ископаемом твердом топливе, запас которого может быть сделан на весь отопительный сезон и более продолжительное время.

Газотурбинные установки развиваются в направлении использования различных видов топлив, которые могут быть преобразованы в газ, для обеспечения возможности автономной работы в составе малых тепловых электростанций или промышленных энерготехнологических комплексов.

Известен способ выработки электроэнергии при помощи бескомпрессорной газовой турбины (патент РФ №30864; F02C 1/02от 03.02.2003) основанный на утилизации избыточного давления колошникового газа доменной печи после системы мокрой газоочистки с использованием воды оборотного цикла, соединенная с турбогенератором переменного тока, содержащая образующие проточную часть статор, состоящий из корпуса и неподвижных направляющих лопаток, и имеющий возможность вращаться ротор с рабочими лопатками, установленный в опорном и опорно-упорном подшипниках скольжения, расположенных на фундаменте, отличающаяся тем, что частота вращения ротора выбрана краткой частоте переменного тока турбогенератора, при этом корпус содержит по крайней мере один подводящий и один отводящий патрубки, соединенные с трубопроводами для входа и выхода колошникового газа, причем статор дополнительно содержит поворотные регулирующие направляющие лопатки, снабженные гидроприводом, а кроме того, она дополнительно содержит систему промывки проточной части водой оборотного цикла газоочистки доменной печи, содержащую разбрызгивающие форсунки, установленные перед поворотными регулирующими направляющими лопатками, и систему отвода конденсата от подводящего и отводящего трубопроводов и патрубков с по крайней мере двумя конденсатоотводчиками, установленными на уровне нулевой отметки фундамента. Недостатком данного способа является работа турбины только совместно с доменной печью на металлургическом предприятии.

Известна кислородно-топливная установка (патент РФ № 2757404; F02C 1/08 от 2021.08. Бюл. №29), состоящая из многоступенчатого компрессора, насоса, кислородного компрессора, воздухоразделительной установки, регенератора, содержащего горячие и холодные контуры теплоносителей, камеры сгорания, топливного компрессора, газовой турбины, охладитель-сепаратора, многоступенчатого компрессора с промежуточным охлаждением, блока газификации угля, первого поверхностного теплообменника с горячим и холодным контурами теплоносителя, первого компрессора и турбины, второго поверхностного теплообменника с горячим и холодным контурами теплоносителя, второго компрессора и турбины, парогенератора с холодным и горячим контурами теплоносителя, при этом второй выход охладителя-сепаратора соединен с холодным контуром теплоносителя парогенератора, соединенным с входом блока газификации угля, выход которого соединен с входом горячего контура теплоносителя первого поверхностного теплообменника, а его выход соединен с входом горячего контура теплоносителя второго поверхностного теплообменника, выход которого соединен с входом топливного компрессора, а выход воздухоразделительной установки параллельно соединен с входами первого и второго компрессоров, выход первого компрессора соединен с входом горячего контура теплоносителя парогенератора, выход которого соединен с входом холодного контура теплоносителя первого поверхностного теплообменника. Недостатком данной установки является ограничение в использовании тепла синтез-газа.

В качестве прототипа была выбрана схема (патент РФ № 2598062; С21В 5/06 от 08.03.2012. Бюл. №12) на базе металлургического предприятия, которая применяется для регулирования теплоты сгорания утилизируемого газа металлургического завода, способ, в котором по меньшей мере часть утилизируемого газа, выводимого из соответствующей металлургической печи со встроенной установкой для отделения С0₂, в газовой турбине используется утилизируемый газ для преобразования энергии, после тепло отходящих газов попадает в парогенератор для получения пара, в частности до присоединенного перед газовой турбиной резервуара для утилизируемого газа, в зависимости от величины теплоты сгорания утилизируемого газа после добавления остаточного газа, в частности после резервуара, для утилизируемого газа, примешивают по меньшей мере часть остаточного газа из установки для отделения С0₂, причем содержание остаточного газа повышают, когда теплота сгорания утилизируемого газа возрастает сверх предварительно заданного максимального значения теплоты сгорания, и содержание остаточного газа снижают, когда теплота сгорания утилизируемого газа сокращается ниже предварительно заданного минимального значения теплоты сгорания. Кроме того, заявлена установка для регулирования теплоты сгорания утилизируемого газа металлургического завода. Изобретение позволяет разработать способ регулирования теплоты сгорания утилизируемого газа, который обходится незначительным добавлением высококачественных горючих газов. Недостатком данного способа является узкая направленность на предприятия металлургии.

Недостатком прототипа является работа на низких значениях энтальпии газа, вследствие чего турбина выдает малую мощность. Также недостатком является работа турбины только в сфере использования доменных печей на металлургических предприятиях.

Техническим результатом, на достижение которого направлено изобретение, является устранение перечисленных недостатков: повышение параметров газа, входящего в турбину, замена теплоносителя на генераторный газ, возможность одновременного производства электроэнергии и генераторного газа, а также повышение эффективности преобразования энергии, экономии энергоресурсов и защите окружающей среды.

Технический результат достигается тем, что переработка твердого топлива в газогенераторе происходит при высоких значениях давления и температуры и характеризуется тем, что включает стадии, на которых:

а) воздух сжимается в компрессоре;

б) поток сжатого воздуха направляется в газогенератор;

в) к потоку сжатого воздуха в газогенераторе при высоких температурах поступает измельченное твердое топливо, для получения генераторного газа;

г) газ на выходе из газогенератора проходит очистку от твердых частиц;

д) нагретый до высокой температуры и при высоком давлении генераторный газ поступает из газогенератора в турбину, в которой параметры газа срабатываются, приводя во вращение ротор турбины;

е) газовая турбина подключена к электрогенератору, который преобразует энергию вращения ротора в электрическую;

ж) отработавшие в турбине газы поступают в резервуары на хранение и последующую переработку генераторного газа.

На чертеже показана схема для переработки твердого топлива с последующей выработкой электрической энергии в газовой турбине.

Цифрами на схеме обозначены компрессор 1, газогенератор 2 газовая турбина 3, электрогенератор 4.

Способ осуществляется следующим образом: воздух сжимается в компрессоре. Затем поток сжатого воздуха направляют в газогенератор, где он нагревается до высокой температуры за счет сжигания части топлива, к нему подается измельченное твердое топливо. Шлак отводится из газогенератора для дальнейшей переработки. Газовая смесь из газогенератора подается в газовую турбину 3, вырабатывающую электрическую энергию. Газы, выходящие из газовой турбины, попадают в хранилище генераторного газа.

Таким образом, способ выработки электрической энергии в газовой турбине на основе использования продуктов газификации твердого топлива, может быть применен на объектах химического, промышленного назначения и позволяет производить электроэнергию и генераторный газ для нужд объекта.

Способ выработки электрической энергии в газовой турбине на основе использования продуктов газификации твердого топлива осуществляется путем подачи воздуха, сжатого в компрессоре, в газогенератор для получения из измельченного твердого топлива генераторного газа, используемого в качестве теплоносителя в газовой турбине.

Изобретение относится к области теплоэнергетики и может быть использовано на промышленных предприятиях и при проектировании систем автономного энергоснабжения. Технический результат достигается тем, что переработка твердого топлива в газогенераторе происходит при высоких значениях давления и температуры и характеризуется тем, что включает стадии, на которых: воздух сжимается в компрессоре; поток сжатого воздуха направляется в газогенератор; к потоку сжатого воздуха в газогенераторе при высоких температурах поступает измельченное твердое топливо для получения генераторного газа; нагретый до высокой температуры и при высоком давлении генераторный газ поступает из газогенератора в турбину, в которой параметры газа срабатываются, приводя во вращение ротор турбины; газовая турбина подключена к электрогенератору, который преобразует энергию вращения ротора в электрическую; отработавшие в турбине газы поступают в резервуары на хранение и последующую переработку генераторного газа. 1 ил.

Способ выработки электрической энергии в газовой турбине на основе использования продуктов газификации твердого топлива, характеризующийся тем, что включает стадии, на которых:

а) воздух сжимается в компрессоре;

б) поток сжатого воздуха направляется в газогенератор;

в) к потоку сжатого воздуха в газогенераторе при высоких температурах поступает измельченное твердое топливо для получения генераторного газа;

г) газ на выходе из газогенератора проходит очистку от твердых частиц;

д) нагретый до высокой температуры и при высоком давлении генераторный газ поступает из газогенератора в турбину, в которой параметры газа срабатываются, приводя во вращение ротор турбины;

е) газовая турбина подключена к электрогенератору, который преобразует энергию вращения ротора в электрическую;

ж) отработавшие в турбине газы поступают в резервуары на хранение и последующую переработку генераторного газа.