EA042053B1

EA042053B1 - METHOD AND COGENERATION PLANT FOR GENERATION OF ELECTRICITY USING ORGANIC RANKIN CYCLE

Info

Publication number: EA042053B1
Application number: EA202100001
Authority: EA
Inventors: Дмитрий Владимирович КЛИМОВ; Рафаил Львович Исьёмин; Александр Валерьевич Михалёв; Олег Юрьевич Милованов; Сергей Николаевич Кузьмин; Леонид Викторович Караханов; Бруле Матью; Табет Фузи
Original assignee: Ао "Продмаш"
Filing date: 2020-12-04
Publication date: 2022-12-30

Description

Область техникиTechnical field

Изобретение относится к биоэнергетике и может быть использовано в различных отраслях народного хозяйства, в которых необходима генерация электроэнергии, в том числе за счет утилизации образующихся на предприятиях органических горючих отходов.The invention relates to bioenergy and can be used in various sectors of the national economy that require the generation of electricity, including through the disposal of organic combustible waste generated at enterprises.

Основной областью применения изобретения могут стать птицефабрики, которые, с одной стороны, испытывают большую потребность в электроэнергии, а, с другой стороны, имеют большие объемы отходов в виде помета и его смеси с подстилкой. Эти отходы требуют уничтожения или переработки, а существующие технологии и логистические проблемы не позволяют их эффективно использовать в качестве органического удобрения.The main field of application of the invention can be poultry farms, which, on the one hand, are in great demand for electricity, and, on the other hand, have large volumes of waste in the form of manure and its mixture with bedding. These wastes require destruction or processing, and existing technologies and logistical problems do not allow them to be effectively used as organic fertilizer.

Уровень техникиState of the art

Установки с использованием органического цикла Ренкина в настоящее время, в основном, используются для утилизации низкопотенциального тепла дизельных и газовых электрогенерирующих установок. Однако, известно случаи использования электрогенерирующих установок с органическим циклом Ренкина, в которых используется термическая энергия, полученная в результате сжигания различных биоотходов (например, древесных отходов, помета, смеси помета с подстилкой и т.п.).Plants using the organic Rankine cycle are currently mainly used for the utilization of low-grade heat from diesel and gas-fired power plants. However, cases are known of the use of power generating plants with an organic Rankine cycle, which use thermal energy obtained from the combustion of various biowaste (for example, wood waste, manure, a mixture of manure with bedding, etc.).

Известен способ генерации с использованием органического цикла Ренкина и установка, реализующая этот способ, которая включает котел, в котором за счет сжигания органического топлива нагревается вода, испаритель, в котором происходит испарение низкокипящей жидкости и превращение ее в пар, турбогенератор, в котором пар подается на турбину и происходит генерация электрической энергии, и устройство для охлаждения и конденсации пара низкокипящей жидкости (http://www.zuccatoenergia.it/).There is a generation method using the organic Rankine cycle and an installation that implements this method, which includes a boiler in which water is heated by burning organic fuel, an evaporator in which a low-boiling liquid evaporates and turns it into steam, a turbogenerator in which steam is supplied to a turbine and electric energy is generated, and a device for cooling and condensing the vapor of a low-boiling liquid (http://www.zuccatoenergia.it/).

Недостатком такого способа и такой установки является ее достаточно низкая эффективность (КПД=13,3-13,6%). Низкая эффективность установки обусловлена потерями тепла в окружающую среду в системе котел-вода-низкокипящий теплоноситель, а также невозможностью получить высокую температуру пара низкокипящего теплоносителя (температура пара низкокипящего теплоносителя ограничена значениями температуры в 160°C, до которой можно нагреть воду в котле).The disadvantage of this method and this installation is its rather low efficiency (efficiency=13.3-13.6%). The low efficiency of the installation is due to heat losses to the environment in the boiler-water-low-boiling heat carrier system, as well as the inability to obtain a high vapor temperature of the low-boiling heat carrier (the vapor temperature of the low-boiling heat carrier is limited to 160°C, to which water can be heated in the boiler).

Наиболее близким к предлагаемому является способ генерации электрической энергии с использованием органического цикла Ренкина и установка, реализующая этот способ, которая включает топку, в которой за счет сжигания органического топлива образуются горячие топочные газы, испаритель, в котором за счет тепла горячих топочных газов происходит испарение низкокипящей жидкости и превращение ее в пар, турбогенератор, в котором пар подается на турбину и происходит генерация электрической энергии, устройство для охлаждения и конденсации пара низкокипящей жидкости и дымовую трубу, по которой топочные газы выбрасываются в атмосферу (http://www.triogen.nl/).Closest to the proposed is a method for generating electrical energy using the organic Rankine cycle and an installation that implements this method, which includes a furnace in which hot flue gases are formed due to the combustion of organic fuel, an evaporator in which low-boiling gas is evaporated due to the heat of hot flue gases. liquid and its transformation into steam, a turbogenerator in which steam is supplied to the turbine and electric energy is generated, a device for cooling and condensing the vapor of a low-boiling liquid and a chimney through which flue gases are emitted into the atmosphere (http://www.triogen.nl /).

За счет прямого нагрева низкокипящего теплоносителя топочными газами с температурой 550°C и возможностью увеличения температуры пара низкокипящей жидкости КПД установки достигает 17%. (http://www.triogen.nl/why-triogen/benefits).Due to the direct heating of the low-boiling heat carrier with flue gases with a temperature of 550°C and the possibility of increasing the vapor temperature of the low-boiling liquid, the plant's efficiency reaches 17%. (http://www.triogen.nl/why-triogen/benefits).

Недостатком данного способа и данной установки является ее низкая надежность и низкая эффективность.The disadvantage of this method and this installation is its low reliability and low efficiency.

Низкая надежность установки вызвана быстрым ростом отложений плотных отложений золы на конвективных поверхностях нагрева испарителя при сжигании топлива с большим содержанием золы, имеющей низкую температуру плавления, что снижает эффективность генерации пара низкокипящего теплоносителя и требует частых остановок для очистки поверхностей испарителя. Низкая эффективность обусловлена тем, что топочные газы, покидающие испаритель, выбрасываются в атмосферу.The low reliability of the installation is caused by the rapid growth of deposits of dense ash deposits on the convective heating surfaces of the evaporator when burning fuel with a high ash content, which has a low melting point, which reduces the efficiency of low-boiling coolant steam generation and requires frequent stops to clean the evaporator surfaces. The low efficiency is due to the fact that the flue gases leaving the evaporator are released into the atmosphere.

Таким образом, технической задачей настоящего изобретения является повышение надежности и эффективности установки для генерации электроэнергии с использованием органического цикла Ренкина.Thus, the technical objective of the present invention is to improve the reliability and efficiency of an installation for generating electricity using the organic Rankine cycle.

Сущность изобретенияThe essence of the invention

Для решения поставленной задачи предложен способ получения электрической энергии с использованием органического цикла Ренкина, включающий стадии: получения топочных газов с температурой 1100-1200°C в топке путем сжигания органического топлива, подачи топочных газов в рубашку реактора для гетерогенного термокрекинга газообразных продуктов окислительной торрефикации с обеспечением температуры слоя частиц твердого продукта окислительной торрефикации 850-1000°C, с получением синтез-газа, который используют для полной или частичной замены органического топлива, сжигаемого в топке, подачи топочных газов из рубашки реактора для гетерогенного термокрекинга газообразных продуктов торрефикации в испаритель, с получением в испарителе пара низкокипящей жидкости, подачи пара низкокипящей жидкости в турбогенератор с генерацией электрической энергии, конденсации пара низкокипящей жидкости после турбогенератора и подачи конденсированной низкокипящей жидкости в испаритель для повторного использования, подачи топочных газов из испарителя в реактор для окислительной торрефикации биомассы и проведение окислительной торрефикации биомассы с получением газообразных и твердых продуктов окислительной торрефикации, разделения газообразных и твердых продуктов окислительной торрефикации и подачу газообразных и твердых продуктов окислительной торрефикации в реактор для гетерогенного термокрекинга.To solve this problem, a method is proposed for generating electrical energy using the organic Rankine cycle, which includes the following steps: obtaining flue gases with a temperature of 1100-1200°C in the furnace by burning organic fuel, supplying flue gases to the reactor jacket for heterogeneous thermal cracking of gaseous products of oxidative torrefaction with the provision the temperature of the particle layer of the solid product of oxidative torrefaction is 850-1000°C, with the production of synthesis gas, which is used to completely or partially replace the organic fuel burned in the furnace, the supply of flue gases from the reactor jacket for heterogeneous thermal cracking of gaseous torrefaction products into the evaporator, with the production in the low-boiling liquid vapor evaporator, supplying the low-boiling liquid vapor to the turbogenerator with electric power generation, condensing the low-boiling liquid vapor after the turbogenerator, and supplying the condensed low-boiling liquid to the evaporator for reuse, supplying flue gases from the evaporator to the reactor for oxidative torrefaction of biomass and carrying out oxidative torrefaction of biomass to obtain gaseous and solid products of oxidative torrefaction, separation of gaseous and solid products of oxidative torrefaction and supply of gaseous and solid products of oxidative torrefaction to the reactor for heterogeneous thermal cracking.

Кроме того, предложена установка для получения электрической энергии с использованием органического цикла Ренкина, которая включает последовательно установленные по ходу движения топочIn addition, an installation for generating electrical energy using the organic Rankine cycle is proposed, which includes furnaces installed in series in the direction of travel.

- 1 042053 ных газов: топку, выполненную с возможностью сжигания органического топлива с образованием топочных газов, реактор для гетерогенного термокрекинга газообразных продуктов окислительной торрефикации биомассы, испаритель, выполненный с возможностью испарения низкокипящей жидкости и превращения ее в пар за счет тепла поступающих топочных газов, турбогенератор, выполненный с возможностью подачи пара на турбину с генерацией электрической энергии, устройство для охлаждения и конденсации пара низкокипящей жидкости, реактор для окислительной торрефикации биомассы, циклон для отделения газообразных продуктов окислительной торрефикации от твердых продуктов окислительной торрефикации, и дымовую трубу для удаления части газообразных продуктов торрефикации в атмосферу.- 1 042053 combustion gases: a furnace capable of burning organic fuel with the formation of flue gases, a reactor for heterogeneous thermal cracking of gaseous products of oxidative torrefaction of biomass, an evaporator configured to evaporate a low-boiling liquid and turn it into steam due to the heat of incoming flue gases, a turbogenerator , configured to supply steam to a turbine with electric power generation, a device for cooling and condensing vapor of a low-boiling liquid, a reactor for oxidative torrefaction of biomass, a cyclone for separating gaseous products of oxidative torrefaction from solid products of oxidative torrefaction, and a chimney for removing part of the gaseous torrefaction products in atmosphere.

Краткое описание чертежейBrief description of the drawings

На фиг. 1 представлена схема установки для генерации электрической энергии с использованием органического цикла Ренкина, реализующей предложенный способ.In FIG. 1 shows a diagram of an installation for generating electrical energy using the organic Rankine cycle, which implements the proposed method.

На фиг. 2 представлена схема реактора для гетерогенного термокрекинга газообразных продуктов окислительной торрефикации биомассы.In FIG. Figure 2 shows a diagram of a reactor for heterogeneous thermal cracking of gaseous products of oxidative torrefaction of biomass.

На фиг. 3 представлена схема реактора для окислительной торрефикации.In FIG. 3 is a diagram of a reactor for oxidative torrefaction.

Описание изобретенияDescription of the invention

Задача повышения надежности и эффективности установки с использованием органического цикла Ренкина для генерирования электрической энергии может быть решена посредством способа генерации электрической энергии и установки, реализующей данный способ, которая включает топку, в которой за счет сжигания органического топлива генерируются горячие топочные газы, испаритель, в котором за счет тепла горячих топочных газов происходит испарение низкокипящей жидкости и превращение ее в пар, турбогенератор, в котором пар подается на турбину и происходит генерация электрической энергии, устройство для охлаждения и конденсации пара низкокипящей жидкости и дымовую трубу, по которой топочные газы выбрасываются в атмосферу, где с целью повышения надежности и эффективности топочные газы, выходящие из топки с температурой 1100-1200°C, используют для гетерогенного термокрекинга при температуре 850-1000°C газообразных продуктов окислительной торрефикации в слое твердых продуктов окислительной торрефикации, газообразные продукты окислительной торрефикации образуются в результате окислительной торрефикации биомассы в среде топочных газов, покидающих испаритель и имеющих температуру 180-230°C, а синтез-газ, получаемый в результате гетерогенного термокрекинга газообразных продуктов окислительной торрефикации, используют для полной или частичной замены органического топлива, сжигаемого в топке, в которой генерируются горячие топочные газы.The problem of increasing the reliability and efficiency of the installation using the organic Rankine cycle for generating electrical energy can be solved by means of a method for generating electrical energy and a plant that implements this method, which includes a furnace in which hot flue gases are generated by burning organic fuel, an evaporator in which due to the heat of hot flue gases, the low-boiling liquid evaporates and turns it into steam, a turbogenerator in which steam is supplied to the turbine and electric power is generated, a device for cooling and condensing the low-boiling liquid vapor and a chimney through which flue gases are emitted into the atmosphere, where, in order to improve reliability and efficiency, flue gases leaving the furnace with a temperature of 1100-1200°C are used for heterogeneous thermal cracking at a temperature of 850-1000°C of gaseous products of oxidative torrefaction in a layer of solid products of oxidative torrefaction, gaseous products of oxidative torrefaction are formed as a result of oxidative torrefaction of biomass in the environment of flue gases leaving the evaporator and having a temperature of 180-230°C, and the synthesis gas obtained as a result of heterogeneous thermal cracking of gaseous products of oxidative torrefaction is used to completely or partially replace organic fuel, burned in a furnace in which hot flue gases are generated.

Таким образом, установка, реализующая предлагаемый способ генерации электрической энергии с использованием органического цикла Ренкина, включает последовательно установленные по ходу движения топочных газов топку, в которой за счет сжигания органического топлива образуются горячие топочные газы, реактор для гетерогенного термокрекинга газообразных продуктов окислительной торрефикации биомассы, испаритель, в котором за счет тепла горячих топочных газов происходит испарение низкокипящей жидкости и превращение ее в пар, турбогенератор, в котором пар подается на турбину и происходит генерация электрической энергии, устройство для охлаждения и конденсации пара низкокипящей жидкости, реактор для окислительной торрефикации биомассы, циклон для отделения газообразных продуктов окислительной торрефикации от твердых продуктов окислительной торрефикации и дымовую трубу, по которой топочные газы выбрасываются в атмосферу.Thus, the installation that implements the proposed method for generating electrical energy using the organic Rankine cycle includes a furnace installed in series along the flow of flue gases, in which hot flue gases are formed due to the combustion of organic fuel, a reactor for heterogeneous thermal cracking of gaseous products of oxidative torrefaction of biomass, an evaporator in which, due to the heat of hot flue gases, a low-boiling liquid is evaporated and turned into steam; separation of gaseous products of oxidative torrefaction from solid products of oxidative torrefaction and a chimney through which flue gases are released into the atmosphere.

В частности, предложенная установка включает следующие элементы со ссылкой на фиг. 1: топку 1, в которой генерируются горячие топочные газы, реактор 2, для гетерогенного термокрекинга газообразных продуктов окислительной торрефикации биомассы, испаритель 3, в котором за счет тепла горячих топочных газов происходит испарение низкокипящей жидкости и превращение ее в пар, турбогенератор 4, в котором пар подается на турбину и происходит генерация электрической энергии, устройство для охлаждения и конденсации пара низкокипящей жидкости 5, реактор 6 для окислительной торрефикации исходной биомассы, циклон 7 для отделения газообразных продуктов окислительной торрефикации от твердых продуктов окислительной торрефикации и дымовую трубу 8, по которой часть газообразных продуктов окислительной торрефикации выбрасывается в атмосферу.In particular, the proposed installation includes the following elements with reference to FIG. 1: furnace 1, in which hot flue gases are generated; reactor 2, for heterogeneous thermal cracking of gaseous products of oxidative torrefaction of biomass; steam is supplied to the turbine and electric power is generated, a device for cooling and condensing the vapor of a low-boiling liquid 5, a reactor 6 for oxidative torrefaction of the initial biomass, a cyclone 7 for separating gaseous products of oxidative torrefaction from solid products of oxidative torrefaction, and a chimney 8, through which part of the gaseous oxidative torrefaction products are released into the atmosphere.

Установка работает следующим образом: на первом этапе в топку 1 подается твердое органическое топливо (например, древесная щепа или биогранулы, подстилочно-пометная масса и т.п.), в том числе топливо с большим содержанием золы (5-15%), имеющей температуру плавления ниже 1000°C, при сжигании которого генерируются горячие топочные газы с температурой 1000-1200°C.The installation works as follows: at the first stage, solid organic fuel (for example, wood chips or biogranules, litter-dung mass, etc.) is supplied to the furnace 1, including fuel with a high ash content (5-15%), which has melting temperature below 1000°C, which, when burned, generates hot flue gases with a temperature of 1000-1200°C.

Указанные горячие топочные газы с температурой 1000-1200°C подают в рубашку реактора для гетерогенного термокрекинга газообразных продуктов окислительной торрефикации.These hot flue gases with a temperature of 1000-1200°C are fed into the jacket of the reactor for heterogeneous thermal cracking of gaseous products of oxidative torrefaction.

Реактор для гетерогенного термокрекинга газообразных продуктов пиролиза изображен на фиг. 2.The reactor for heterogeneous thermal cracking of gaseous pyrolysis products is shown in Fig. 2.

Реактор имеет вертикальный корпус 1 с рубашкой 2, в которую подают дымовые газы с температурой 1100-1200°C. Корпус имеет штуцер 3 для входа газообразных продуктов окислительной торрефикации и штуцер 4 для выхода синтез-газа. Реактор также имеет узел 5 для загрузки частиц, в качестве которого используется твердый продукт окислительной торрефикации биомассы.The reactor has a vertical body 1 with a jacket 2, which is supplied with flue gases with a temperature of 1100-1200°C. The housing has a fitting 3 for the inlet of gaseous products of oxidative torrefaction and a fitting 4 for the outlet of synthesis gas. The reactor also has a node 5 for loading particles, which is used as a solid product of the oxidative torrefaction of biomass.

Реактор для термокрекинга газообразных продуктов окислительной торрефикации работает следующим образом.The reactor for thermal cracking of gaseous products of oxidative torrefaction operates as follows.

- 2 042053- 2 042053

В корпус 1 реактора для гетерогенного термокрекинга через узел 5 загружают твердый продукт, полученный в реакторе для окислительной торрефикации биомассы. Через штуцер 3 в реактор для гетерогенного термокрекинга подают газообразные продукты окислительной торрефикации биомассы, полученные в реакторе для окислительной торрефикации, которые фильтруются через слой частиц твердого продукта окислительной торрефикации. Слой частиц твердого продукта окислительной торрефикации нагревается дымовыми газами с температурой 1100-1200°C. При этом температура слоя частиц твердого продукта окислительной торрефикации достигает 850-1000°C. При такой температуре в слое частиц твердого продукта окислительной торрефикации происходит химическое взаимодействие с газообразными продуктами окислительной торрефикации по следующим реакциям:In the vessel 1 of the reactor for heterogeneous thermal cracking through the node 5 download the solid product obtained in the reactor for oxidative torrefaction of biomass. Gaseous products of oxidative torrefaction of biomass obtained in the reactor for oxidative torrefaction are fed through nozzle 3 into the reactor for heterogeneous thermal cracking, which are filtered through a layer of particles of a solid product of oxidative torrefaction. The layer of particles of the solid product of oxidative torrefaction is heated by flue gases with a temperature of 1100-1200°C. The temperature of the layer of particles of the solid product of oxidative torrefaction reaches 850-1000°C. At this temperature, in the layer of particles of the solid product of oxidative torrefaction, chemical interaction occurs with gaseous products of oxidative torrefaction according to the following reactions:

СО₂ + С —► 2 СОCO ₂ + C -► 2 CO

Н₂О + С —> СО + Н₂ H ₂ O + C -> CO + H ₂

С₄Н₄О₂ -> 2 СО + 2 Н₂ C ₄ H ₄ O ₂ -> 2 CO + 2 H ₂

СН₂О₂ + С -> 2 СО + Н₂ CH ₂ O ₂ + C -> 2 CO + H ₂

СзНбОз -> 3 СО + 3 Н₂ CsHbOz -> 3 CO + 3 H ₂

СзНбО -> СО + 3 Н₂ + 2 СCsHbO -> CO + 3 H ₂ + 2 C

С₅Н₄О₂-+ 2 СО + 2 Н₂ + 3 СC ₅ H ₄ O ₂ -+ 2 CO + 2 H ₂ + 3 C

Степень гетерогенного разложения газообразных продуктов окислительной торрефикации зависит как от температуры в зоне их контакта с частицами твердого продукта окислительной торрефикации, так и от времени пребывания газообразных продуктов окислительной торрефикации в этом слое.The degree of heterogeneous decomposition of gaseous products of oxidative torrefaction depends both on the temperature in the zone of their contact with particles of the solid product of oxidative torrefaction and on the residence time of gaseous products of oxidative torrefaction in this layer.

Экспериментально показано, что при температуре примерно 1000°С в слое частиц твердого продукта окислительной торрефикации и времени контакта этих частиц с газообразными продуктами окислительной торрефикации порядка 4-10 с происходит практически полное преобразование газообразных продуктов окислительной торрефикации в синтез-газ. Реакционная способность частиц твердого продукта окислительной торрефикации при такой температуре настолько высока, что практически весь объем CO2, содержащийся в газообразных продуктах окислительной торрефикации, преобразуется в СО.It has been experimentally shown that at a temperature of about 1000°C in a layer of particles of a solid product of oxidative torrefaction and a contact time of these particles with gaseous products of oxidative torrefaction of about 4–10 s, almost complete conversion of gaseous products of oxidative torrefaction into synthesis gas occurs. The reactivity of the particles of the solid product of oxidative torrefaction at such a temperature is so high that almost the entire volume of CO2 contained in the gaseous products of oxidative torrefaction is converted to CO.

Высота слоя частиц твердого продукта окислительной торрефикации составляет от 500 до 1500 мм. При этом, большая высота слоя частиц окислительной торрефикации применяется при более низкой температуре гетерогенного термокрекинга.The height of the particle layer of the solid product of oxidative torrefaction is from 500 to 1500 mm. Here, a higher layer height of oxidative torrefaction particles is applied at a lower temperature of heterogeneous thermal cracking.

Окислительной торрефикации с последующим гетерогенным термокрекингом газообразных продуктов окислительной торрефикации могут быть подвергнуты любые виды биомассы. В таблице в качестве примера приведен состав синтез-газа и его теплота сгорания, полученного из двух видов биомассы (древесина и торф), подвергнутых окислительной торрефикации, с последующим термокрекингом газообразных продуктов окислительной торрефикации.Any kind of biomass can be subjected to oxidative torrefaction followed by heterogeneous thermal cracking of gaseous products of oxidative torrefaction. As an example, the table shows the composition of synthesis gas and its calorific value obtained from two types of biomass (wood and peat) subjected to oxidative torrefaction, followed by thermal cracking of gaseous products of oxidative torrefaction.

Состав синтез-газа и его теплота сгорания, полученного из двух видов биомассы (древесина и торф), подвергнутых окислительной торрефикации, с последующим ______термокрекингом газообразных продуктов окислительной торрефикации______Composition of synthesis gas and its calorific value obtained from two types of biomass (wood and peat) subjected to oxidative torrefaction, followed by ______ thermal cracking of gaseous products of oxidative torrefaction ______

Режим, материал Mode, material Объемная доля горючих компонентов (без учета соединений азота), % Volume fraction of combustible components (excluding nitrogen compounds), % Теплота сгорания (без учета соединений азота) Calorific value (excluding nitrogen compounds) Н H СО SO СН₄ CH ₄ МДж/м³ MJ / m ³ Окислительная торрефикация. Температура в зоне термокрекинга - 1000 °C Древесина Торф Oxidative torrefaction. Temperature in the thermocracking zone - 1000 °C Wood Peat 45 45 45 45 47 43 47 43 0,2 0,4 0.2 0.4 10,9 10,4 10.9 10.4

Выход синтез-газа, указанного в таблице состава, составляет примерно 1,8 нм³/кг биомассы, подвергнутой окислительной торрефикации. Указанный синтез-газ подают в топку 1 (фиг. 1) для полной или частичной замены органического топлива, в том числе топлива с большим содержанием золы, имеющей низкую температуру плавления. При сжигании синтез-газа зола не образуется, следовательно, на конвективных поверхностях нагрева испарителя отложений золы не наблюдается вообще, либо, при частичной замене органического топлива, сжигаемого в топке 1 на синтез-газ, скорость роста этих отложений золыThe output of the synthesis gas indicated in the composition table is approximately 1.8 Nm ³ /kg of biomass subjected to oxidative torrefaction. The specified synthesis gas is fed into the furnace 1 (Fig. 1) for complete or partial replacement of fossil fuels, including fuels with a high ash content having a low melting point. When burning synthesis gas, ash is not formed, therefore, no ash deposits are observed on the convective heating surfaces of the evaporator at all, or, with partial replacement of organic fuel burned in furnace 1 with synthesis gas, the growth rate of these ash deposits

- 3 042053 замедляется. Это повышает надежность установки для генерации электроэнергии с использованием органического цикла Ренкина.- 3 042053 is slowing down. This improves the reliability of the installation for generating electricity using the organic Rankine cycle.

Топочные газы, покидающие рубашку реактора для гетерогенного термокрекинга газообразных продуктов торрефикации имеют температуру 850-1000°C и направляются в испаритель 3 (фиг. 1), в котором за счет тепла горячих топочных газов происходит испарение низкокипящей жидкости, например, толуола, н-пентана, изопентана, и т.п., и превращение ее в пар. Испаритель имеет конструкцию, которая используется, например, в установке фирмы Triogen (http://www.triogen.nl/). В частности, испаритель представляет собой вертикальный теплообменник с пучком труб, по которым движется низкокипящая жидкость. Пучок труб установлен перпендикулярно движению топочных газов, которые движутся сверху вниз испарителя.Flue gases leaving the reactor jacket for heterogeneous thermal cracking of gaseous torrefaction products have a temperature of 850-1000°C and are sent to evaporator 3 (Fig. 1), in which, due to the heat of hot flue gases, a low-boiling liquid is evaporated, for example, toluene, n-pentane , isopentane, etc., and turning it into steam. The evaporator has a design that is used, for example, in a Triogen plant (http://www.triogen.nl/). In particular, the evaporator is a vertical heat exchanger with a bundle of tubes through which a low-boiling liquid moves. The tube bundle is installed perpendicular to the movement of flue gases, which move from top to bottom of the evaporator.

Полученный в испарителе пар направляется в турбогенератор 4 (фиг. 1), в котором пар подают на турбину и происходит генерация электрической энергии. Турбогенератор имеет конструкцию, которая используется, например, в установке фирмы Triogen (http://www.triogen.nl/). В частности, турбогенератор ORC WB-1 может представлять собой турбину, на лопатки которой поступает пар низкокипящей жидкости, полученный в испарителе. Вал турбины объединен с валом электрогенератора. На валу турбины размещен электрогенератор, который вырабатывает электрическую энергию.The steam obtained in the evaporator is sent to the turbogenerator 4 (Fig. 1), in which steam is supplied to the turbine and electrical energy is generated. The turbogenerator has a design that is used, for example, in the installation of the company Triogen (http://www.triogen.nl/). In particular, the turbogenerator ORC WB-1 can be a turbine, the blades of which are supplied with low-boiling liquid vapor obtained in the evaporator. The turbine shaft is combined with the generator shaft. An electric generator is located on the turbine shaft, which generates electrical energy.

Пар низкокипящей жидкости после турбогенератора 4 подают в устройство для охлаждения и конденсации пара низкокипящей жидкости 5 (фиг. 1). Устройство для охлаждения и конденсации пара низкокипящей жидкости 5 представляет собой трубчатый теплообменник, в котором пар низкокипящей жидкости подается в трубное пространство, а в межтрубное пространство подается с помощью насоса охлаждающая жидкость (например, водный раствор этиленгликоля). Сконденсированный пар вновь подается в испаритель 3 для повторного использования.The vapor of the low-boiling liquid after the turbogenerator 4 is supplied to the device for cooling and condensing the vapor of the low-boiling liquid 5 (Fig. 1). The device for cooling and condensing low-boiling liquid vapor 5 is a tubular heat exchanger in which low-boiling liquid vapor is supplied to the tube space, and cooling liquid (for example, an aqueous solution of ethylene glycol) is supplied to the annular space by means of a pump. The condensed steam is again fed into the evaporator 3 for reuse.

Топочные газы покидают испаритель 3 с температурой 180-230°C и поступают в реактор 6 для окислительной торрефикации исходной биомассы.Flue gases leave the evaporator 3 at a temperature of 180-230°C and enter the reactor 6 for oxidative torrefaction of the original biomass.

Схема реактора 6 для окислительной торрефикации биомассы показана на фиг. 3.The scheme of the reactor 6 for oxidative torrefaction of biomass is shown in FIG. 3.

В частности, реактор для окислительной торрефикации имеет корпус 1, в котором размещен слой частиц биомассы 2. Этот слой частиц биомассы опирается на газораспределительную решетку 3. В нижней части реактора для окислительной торрефикации расположен узел приема топочных газов 4, а верхней части реактора расположен узел 5 для вывода отработанного топочного газа и твердого продукта окислительной торрефикации. Реактор для окислительной торрефикации оборудован бункером 6 для загрузки исходной биомассы.In particular, the oxidative torrefaction reactor has a housing 1 in which a layer of biomass particles 2 is placed. This layer of biomass particles rests on a gas distribution grid 3. A flue gas receiving unit 4 is located in the lower part of the oxidative torrefaction reactor, and a node 5 is located in the upper part of the reactor. for the withdrawal of exhaust flue gas and solid product of oxidative torrefaction. The reactor for oxidative torrefaction is equipped with a hopper 6 for loading the initial biomass.

Реактор для окислительной торрефикации работает следующим образом. Из бункера 6 измельченную биомассу загружают в реактор 1 и образуется слой 2 биомассы, опирающийся на газораспределительную решетку 3. Топочные газы с температурой 180-230°C через узел 4 для приема топочных газов входят в слой биомассы 2 и переводят слой 2 в псевдоожиженное состояние. Топочные газы содержат от 2 до 12% кислорода. Поэтому, при соприкосновении со слоем биомассы 2 в этом слое начинают развиваться экзотермические процессы, связанные с деструкцией биомассы. Температура в слое биомассы 2 может подниматься до 300°C и выше. При этом происходит торрефикация биомассы, частицы биомассы теряют часть своего веса и вместе с топочными газами выносятся из реактора для окислительной торрефикации через узел 5 для вывода отработанного топочного газа и твердого продукта окислительной торрефикации.The reactor for oxidative torrefaction operates as follows. The crushed biomass is loaded from the hopper 6 into the reactor 1 and a layer 2 of biomass is formed, based on a gas distribution grate 3. Flue gases with a temperature of 180-230°C through the unit 4 for receiving flue gases enter the biomass layer 2 and transfer the layer 2 to a fluidized state. Flue gases contain from 2 to 12% oxygen. Therefore, upon contact with the biomass layer 2, exothermic processes begin to develop in this layer, associated with the destruction of the biomass. The temperature in the biomass layer 2 can rise to 300°C and above. In this case, the biomass is torrefied, the biomass particles lose part of their weight and, together with the flue gases, are removed from the oxidative torrefaction reactor through the node 5 for the removal of the exhaust flue gas and the solid product of the oxidative torrefaction.

Газообразные и твердые продукты окислительной торрефикации поступают в циклон 7, в котором эти продукты отделяются друг от друга.Gaseous and solid products of oxidative torrefaction enter cyclone 7, in which these products are separated from each other.

Газообразные продукты окислительной торрефикации разделяют на два потока: часть газообразных продуктов окислительной торрефикации направляют в реактор 2 для гетерогенного термокрекинга и получения синтез-газа, а часть газообразных продуктов окислительной торрефикации направляютя в дымовую трубу 8 и выбрасывают в атмосферу.The gaseous products of oxidative torrefaction are divided into two streams: part of the gaseous products of oxidative torrefaction is sent to the reactor 2 for heterogeneous thermal cracking and production of synthesis gas, and part of the gaseous products of oxidative torrefaction is sent to the chimney 8 and emitted into the atmosphere.

Твердые продукты окислительной торрефикации направляют в реактор 2 для гетерогенного термокрекинга, в котором они используются как углеродсодержащие частицы в процессе гетерогенного термокрекинга.The solid products of oxidative torrefaction are sent to the heterogeneous thermal cracking reactor 2, in which they are used as carbonaceous particles in the heterogeneous thermal cracking process.

Таким образом, настоящее изобретение позволяет обеспечить повышение надежности и эффективности установки с использованием органического цикла Ренкина.Thus, the present invention makes it possible to improve the reliability and efficiency of a plant using the organic Rankine cycle.

Надежность повышается за счет того, что в топку для генерации горячего топочного газа подают синтез-газ, который служит для полной или частичной замены органического топлива, в том числе топлива с большим содержанием золы, имеющей низкую температуру плавления. При сжигании синтез-газа зола не образуется, следовательно, на конвективных поверхностях нагрева испарителя отложений золы не наблюдается, либо, при частичной замене органического топлива, сжигаемого в топке, генерирующей горячие топочные газы, скорость роста этих отложений золы замедляется.Reliability is increased due to the fact that synthesis gas is supplied to the furnace for generating hot flue gas, which serves to completely or partially replace organic fuel, including fuel with a high ash content, which has a low melting point. When burning synthesis gas, ash is not formed, therefore, no ash deposits are observed on the convective heating surfaces of the evaporator, or, with partial replacement of organic fuel burned in a furnace that generates hot flue gases, the growth rate of these ash deposits slows down.

Одновременно с повышением надежности обеспечивается повышение энергоэффективности установки для генерации электроэнергии с использованием органического цикла Ренкина. Энергоэффективность обеспечивается за счет того, что топочные газы, покидающие топку и имеющие температуру 11001200°C, используются для производства синтез-газа, а топочные газы, покидающие испаритель с темпеSimultaneously with the increase in reliability, an increase in the energy efficiency of the installation for generating electricity using the organic Rankine cycle is ensured. Energy efficiency is ensured by the fact that the flue gases leaving the furnace and having a temperature of 11001200°C are used to produce synthesis gas, and the flue gases leaving the evaporator at a temperature of

--

Claims

temperatures of 180-230°C are not emitted into the atmosphere, but are used for oxidative torrefaction of biomass, which results in the production of carbonaceous material and gases used as feedstock for the production of synthesis gas.

CLAIM

1. Installation for the production of electrical energy using the organic Rankine cycle, which includes sequentially installed in the direction of flue gases:

a furnace capable of burning organic fuel with the formation of flue gases, a reactor for heterogeneous thermal cracking of gaseous products of oxidative torrefaction of biomass, an evaporator configured to evaporate a low-boiling liquid and convert it into steam due to the heat of incoming flue gases, a turbogenerator configured to supply steam a turbine with electric power generation, a device for cooling and condensing vapor of a low-boiling liquid, a reactor for oxidative torrefaction of biomass, a cyclone for separating gaseous products of oxidative torrefaction from solid products of oxidative torrefaction.

2. Installation according to claim 1, additionally containing a chimney for removing part of the gaseous products of torrefaction into the atmosphere.

3. Installation according to claim 1, characterized in that the organic fuel is a solid organic fuel with an ash content of 5-15% and a melting point below 1000°C.

4. Installation according to claim 1, characterized in that the organic fuel is selected from the group including wood chips, biogranules and litter-dung matter.

5. Installation according to claim 1, characterized in that the biomass is selected from wood or peat.

6. Installation according to claim 1, characterized in that the low-boiling liquid is selected from the group including toluene, n-pentane and isopentane.

7. A method for generating electrical energy using the organic Rankine cycle, which includes the following steps:

production of flue gases with a temperature of 1100-1200°C in the furnace by burning organic fuel, supply of flue gases to the reactor jacket for heterogeneous thermal cracking of gaseous products of oxidative torrefaction, ensuring the temperature of the particle layer of the solid product of oxidative torrefaction is 850-1000°C, with the production of synthesis gas , which is used for complete or partial replacement of organic fuel burned in the furnace, the supply of flue gases from the reactor jacket for heterogeneous thermal cracking of gaseous torrefaction products to the evaporator, with the production of low-boiling liquid vapor in the evaporator, the supply of low-boiling liquid vapor to the turbogenerator with the generation of electrical energy, condensation low-boiling liquid vapor after the turbogenerator and supplying the condensed low-boiling liquid to the evaporator for reuse, supplying flue gases from the evaporator to the biomass oxidative torrefaction reactor and carrying out oxidative torrefaction of the biomass to obtain m of gaseous and solid products of oxidative torrefaction, separation of gaseous and solid products of oxidative torrefaction and supply of gaseous and solid products of oxidative torrefaction to the reactor for heterogeneous thermal cracking.

8. The method according to claim 7, characterized in that the organic fuel is a solid organic fuel with an ash content of 5-15% and a melting point below 1000°C.

9. The method according to claim 7, characterized in that the organic fuel is selected from the group including wood chips, biogranules and litter-dung matter.

10. Method according to claim 7, characterized in that the biomass is selected from wood or peat.

11. The method according to claim 7, characterized in that the low boiling point liquid is selected from the group consisting of toluene, n-pentane and isopentane.

12. The method according to claim 7, characterized in that the temperature of the flue gases leaving the evaporator to the biomass oxidative torrefaction reactor is 180-230°C.

-