RU2631455C1 - Method of producing electricity from substandard (wet) fuel biomass and device for its implementation - Google Patents

Method of producing electricity from substandard (wet) fuel biomass and device for its implementation Download PDF

Info

Publication number
RU2631455C1
RU2631455C1 RU2016114317A RU2016114317A RU2631455C1 RU 2631455 C1 RU2631455 C1 RU 2631455C1 RU 2016114317 A RU2016114317 A RU 2016114317A RU 2016114317 A RU2016114317 A RU 2016114317A RU 2631455 C1 RU2631455 C1 RU 2631455C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
steam
gasification
air
stage
heat
Prior art date
Application number
RU2016114317A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Алексей Григорьевич Варочко
Александр Иванович Забегаев
Игорь Владимирович Тихомиров
Original Assignee
Российская Федерация, от имени которой выступает Федеральное государственное унитарное предприятие "Центр эксплуатации объектов наземной космической инфраструктуры" (ФГУП "ЦЭНКИ")
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Российская Федерация, от имени которой выступает Федеральное государственное унитарное предприятие "Центр эксплуатации объектов наземной космической инфраструктуры" (ФГУП "ЦЭНКИ") filed Critical Российская Федерация, от имени которой выступает Федеральное государственное унитарное предприятие "Центр эксплуатации объектов наземной космической инфраструктуры" (ФГУП "ЦЭНКИ")
Priority to RU2016114317A priority Critical patent/RU2631455C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2631455C1 publication Critical patent/RU2631455C1/en

Links

Images

Classifications

    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01KSTEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K17/00Using steam or condensate extracted or exhausted from steam engine plant
    • F01K17/04Using steam or condensate extracted or exhausted from steam engine plant for specific purposes other than heating
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23GCREMATION FURNACES; CONSUMING WASTE PRODUCTS BY COMBUSTION
    • F23G5/00Incineration of waste; Incinerator constructions; Details, accessories or control therefor
    • F23G5/02Incineration of waste; Incinerator constructions; Details, accessories or control therefor with pretreatment
    • F23G5/04Incineration of waste; Incinerator constructions; Details, accessories or control therefor with pretreatment drying
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23KFEEDING FUEL TO COMBUSTION APPARATUS
    • F23K1/00Preparation of lump or pulverulent fuel in readiness for delivery to combustion apparatus
    • F23K1/04Heating fuel prior to delivery to combustion apparatus
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E20/00Combustion technologies with mitigation potential
    • Y02E20/12Heat utilisation in combustion or incineration of waste

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Processing Of Solid Wastes (AREA)
  • Solid Fuels And Fuel-Associated Substances (AREA)

Abstract

FIELD: electricity.
SUBSTANCE: method involves the production of electricity in a two-stage process scheme with the gasification of raw materials in a gasification reactor of the direct steam-air gasification process in a dense layer, in particular a cylindrical inclined rotary gasification reactor in the filtration combustion mode with superadiabatic heating, followed by direct combustion of the resulting hot fuel gas and conversion of the thermal energy of the resulting steam into electricity through a thermal (steam) machine and an electric generator. The invention provides for the recovery of the "waste" heat of the exhaust steam by condensing it in a closed loop of the working fluid (water/organic coolant) of the thermal (steam) machine through the two-stage air cooling scheme, including a continuous interstage combined convective air-heater and conductive (contact) drying of the initial raw materials in the condensation-drying unit, the air used in the required volume is supplied to the gasification reactor as a gasifying agent. The embodiment of the invention is assumed by introducing a condensation drying unit in the device connected to the output of a thermal (steam) machine for exhaust steam and constructively representing the two-stage air condenser of steam comprising a steam pipeline in the form of series-connected units - a module of the 1st stage of condensation, a steam and condensate drain with the integrated (built-in) rotating drying drum, a module of the 2nd stage of condensation. It is proposed to use different types of thermal (steam) machines - a steam turbine, a steam screw machine, a steam piston engine, an organic cycle turbine.
EFFECT: invention allows to increase the electrical efficiency and expand the range of cheap low-grade raw materials used in terms of substandard, including moisture content, fuel biomass, including utilized substandard solid municipal waste, while minimizing the harmful impact on the environment and ensuring the autonomy of the power generation process.
10 cl, 9 dwg, 1 tbl

Description

МПК F01K 17/06 - рекуперация энергии пара в паросиловых установках, например, использование отработавшего пара для сушки твердого топлива, сжигаемого в той же установкеIPC F01K 17/06 - recovery of steam energy in steam power plants, for example, the use of spent steam to dry solid fuel burned in the same installation

МПК F23G 5/00 - сжигание отходов или низкосортных топлив,IPC F23G 5/00 - incineration of waste or low-grade fuels,

5/027 - со стадией пиролиза или газификации5/027 - with the stage of pyrolysis or gasification

5/04 - сушка5/04 - drying

5/08 - с дополнительным нагревом5/08 - with additional heating

5/20 - со сжиганием во вращающихся или колеблющихся барабанах5/20 - with burning in rotating or oscillating drums

5/46 - рекуперация тепла5/46 - heat recovery

МПК F28C 3/00 - Прочие теплообменные аппараты непосредственного контактаIPC F28C 3/00 - Other direct contact heat exchangers

3/18 - …мелкораздробленный твердый материал движется во вращающихся барабанах3/18 - ... finely divided solid material moves in rotating drums

Способ получения электроэнергии из некондиционной (влажной) топливной биомассы и устройство для его осуществленияA method of producing electricity from substandard (wet) fuel biomass and a device for its implementation

Изобретение относится к биоэнергетике, а именно к электроэнергетике на основе возобновляемых источников энергоресурсов и местных видов топлива, в частности биомассы, децентрализованному электроснабжению, а также к переработке и утилизации твердых органических, в том числе бытовых отходов.The invention relates to bioenergy, and in particular to electric energy based on renewable energy sources and local fuels, in particular biomass, decentralized electricity supply, and also to the processing and disposal of solid organic, including household waste.

Приоритетным направлением научно-технического прогресса в энергетике является создание и развитие эффективных технологий использования местных энергоресурсов, в том числе новых видов топлива, получаемых из различных видов биомассы, для построения устойчивой системы децентрализованного энергоснабжения с сопутствующим решением задачи утилизации твердых городских (бытовых) отходов.The priority area of scientific and technological progress in the energy sector is the creation and development of effective technologies for the use of local energy resources, including new fuels derived from various types of biomass, to build a sustainable decentralized energy supply system with an accompanying solution to the problem of utilization of municipal solid (household) waste.

Под биомассой понимаются все виды вещества растительного и животного происхождения, продукты жизнедеятельности организмов и органические отходы, образующиеся в процессах производства, потребления продукции и на этапах технологического цикла отходов (ГОСТ Р 52808-2007. Нетрадиционные технологии. Энергетика биоотходов. Термины и определения), а под топливной биомассой - твердая первичная биомасса, твердые отходы переработки первичной биомассы, твердые городские (бытовые) отходы (ТБО), которые могут быть использованы в качестве энергетического сырья.Biomass refers to all types of substances of plant and animal origin, the waste products of organisms and organic waste generated in the processes of production, consumption of products and at the stages of the waste technological cycle (GOST R 52808-2007. Non-traditional technologies. Energy biowaste. Terms and definitions), and under fuel biomass - solid primary biomass, solid waste from processing primary biomass, solid urban (household) waste (MSW) that can be used as energy of raw materials.

Биомасса как энергоресурс относится к низкосортным видам топлива с высокой относительной влажностью (до 85% и более), малой энергетической плотностью, низкой теплотой сгорания, неоднородностью фракционного состава, при этом обладает следующими преимуществами по сравнению с ископаемыми углеродсодержащими видами сырья (нефть, природный газ, уголь, торф, горючие сланцы):Biomass as an energy resource refers to low-grade fuels with high relative humidity (up to 85% or more), low energy density, low heat of combustion, heterogeneity of fractional composition, while it has the following advantages compared to fossilized carbon-containing raw materials (oil, natural gas, coal, peat, oil shale):

- возобновляемостью, т.е. нейтральностью по выбросу СО2 (по отношению к балансу углекислого газа в атмосфере), что снижает антропогенную нагрузку на окружающую среду;- renewability, i.e. neutrality of CO 2 emission (relative to the carbon dioxide balance in the atmosphere), thereby reducing anthropogenic environmental load;

- почти полным отсутствием серы, что снимает проблему кислотных осадков, а также других вредных для оборудования и окружающей среды химических элементов и соединений;- an almost complete absence of sulfur, which removes the problem of acid precipitation, as well as other chemical elements and compounds that are harmful to equipment and the environment;

- распространенностью и доступностью.- prevalence and availability.

Энергетическое использование биомассы предполагает либо непосредственное сжигание, либо производство промежуточных энергоносителей: твердых, газообразных или жидких биотоплив.The energy use of biomass involves either direct combustion or the production of intermediate energy carriers: solid, gaseous or liquid biofuels.

Биомасса может использоваться для получения энергии без дополнительной обработки, что относится к рафинированной или подготовленной по параметрам (гранулометрическому, или фракционному составу, влажности, зольности, насыпной плотности и др.) в соответствии с техническими условиями топливной биомассе, либо с минимальной подготовкой применительно к нерафинированной некондиционной биомассе, которая представляет собой дешевый (с низкой, нулевой или отрицательной стоимостью) и практически не используемый в настоящее время источник местных энергоресурсов.Biomass can be used to produce energy without additional processing, which refers to refined or prepared according to the parameters (particle size or fractional composition, humidity, ash, bulk density, etc.) in accordance with the technical specifications of the fuel biomass, or with minimal preparation for unrefined substandard biomass, which is a cheap (with low, zero or negative cost) and practically not currently used source of local energy resources.

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.The production of electricity from solid biomass, which is a universal type of energy of high quality, is based both on traditional methods of direct combustion and on modern thermochemical technologies / GOST R 54531-2011 Non-traditional technologies Renewable and alternative energy sources. Terms and definitions / and is carried out through the use of thermal power plants (TPPs), in particular, condensing power plants, however, their electrical efficiency, especially in terms of low-power power plants, is extremely low and the possibilities for its growth in the framework of existing technologies are limited because most of the energy to the so-called "waste" heat that is often difficult to use effectively in practice.

Известны способы и устройства получения электроэнергии (электрогенерации) в энергоустановке - тепловой электростанции (ТЭС), преобразующей энергию горения твердого топлива, в частности, биомассы, в энергию пара по технологиям прямого сжигания - в неподвижном слое, в псевдоожиженном (кипящем и циркулирующем) слое, пылевое сжигание (в факеле, в вихре) - применительно к виду используемого топлива и тепловой мощности котельного агрегата с дальнейшим преобразованием энергии пара в механическую энергию тепловой машины (в частности, паровой машины, в т.ч. турбины) и связанного с ней электрогенератора, вырабатывающего электрическую энергию /Справочник. «Котельные и электростанции на биотопливе. Современные технологии получения тепловой и электрической энергии с использованием различных видов биомассы». Овсянко А.Д., Печников С.А., Санкт-Петербург, Биотопливный портал WOOD-PELLETS.COM. 2008 г. 360 с. с илл.; «Применение энергии биомассы для отопления и горячего водоснабжения в Республике Беларусь. Методические рекомендации по применению передовой практики. Часть А: Сжигание биомассы.» - ЭСКО. Электронный журнал энергосервисной компании «Экологические системы», №2, февраль, 2006/. Так как топливная биомасса и образующийся при ее сжигании топочный (дымовой) газ содержит элементы, которые могут вызвать повреждение двигателя, такие как частицы зольной пыли, металлы и хлорные примеси, современные технологии производства энергии посредством сжигания биомассы основаны на использовании процессов с замкнутым циклом, где процессы сжигания и производства энергии разделяются посредством передачи тепла горячего дымового газа на теплоноситель, используемый во вторичном цикле, что позволяет уменьшить объем вредных выбросов.Known methods and devices for generating electricity (electric power) in a power plant - a thermal power plant (TPP), which converts the combustion energy of solid fuel, in particular biomass, into steam energy using direct combustion technologies - in a fixed bed, in a fluidized (boiling and circulating) bed, dust burning (in a flare, in a whirlwind) - in relation to the type of fuel used and the thermal power of the boiler unit with further conversion of steam energy into mechanical energy of a heat engine (in particular, steam engine (including turbines) and the associated electric generator generating electric energy / Reference. “Boiler houses and biofuel power plants. Modern technologies for producing heat and electric energy using various types of biomass. ” Ovsyanko A.D., Pechnikov S.A., St. Petersburg, Biofuel portal WOOD-PELLETS.COM. 2008 360 s. with ill .; “The use of biomass energy for heating and hot water in the Republic of Belarus. Guidelines for the application of best practices. Part A: Biomass burning. ”- ESCO. Electronic journal of the energy service company Ecological Systems, No. 2, February 2006 /. Since the fuel biomass and the combustion (flue) gas generated during its combustion contain elements that can cause engine damage, such as fly ash particles, metals and chlorine impurities, modern technologies for energy production through biomass combustion are based on closed-cycle processes, where Combustion and energy production processes are separated by transferring the heat of the hot flue gas to the coolant used in the secondary cycle, which reduces the amount of harmful emissions .

Для прямого сжигания разработано и широко используется достаточно простое оборудование, такое как котлы, представляющие собой сочетание топок различных конструкций с теплообменниками между горячими дымовыми газами и рабочим телом. Топки установок для сжигания обычно оснащены механическим или пневматическим устройством подачи топлива и оборудованы системами контроля технологических процессов, обеспечивающими автоматизацию процесса эксплуатации.For direct combustion, fairly simple equipment has been developed and is widely used, such as boilers, which are a combination of furnaces of various designs with heat exchangers between hot flue gases and a working fluid. The furnaces of combustion plants are usually equipped with a mechanical or pneumatic fuel supply device and equipped with process control systems that automate the operation.

Так, известным распространенным примером технического осуществления способа электрогенерации на основе прямого сжигания биомассы является технологический процесс, реализуемый в работе традиционной паротурбинной конденсационной электростанции /см. указанный выше Справочник. «Котельные и электростанции на биотопливе…», с. 152-230; Трухний А.Д., Лосев С.М. «Стационарные паровые турбины», М., 1981/ в составе паросиловой (паротурбинной) установки с электрогенератором, а также участка топливоподготовки и хранения.So, a well-known common example of the technical implementation of the method of power generation based on direct combustion of biomass is a technological process implemented in the work of a traditional steam-turbine condensing power plant / cm. The above reference. “Boiler houses and biofuel power plants ...”, p. 152-230; Trukhny A.D., Losev S.M. “Stationary steam turbines”, M., 1981 / as part of a steam power (steam turbine) installation with an electric generator, as well as a fuel preparation and storage section.

На участке топливоподготовки и хранения исходная биомасса, не полностью соответствующая техническим условиям технологии сжигания, т.е некондиционная, подготавливается в рамках технологических механических операций измельчения, очистки и сортировки, а также сушки (подсушивания). Для обеспечения бесперебойной работы участок содержит топливный механизированный секционированный склад для хранения оперативного запаса подготовленного сырья, а также технологический транспорт (транспортер сырья) необходимого типа и производительности (ленточные и скребковые транспортеры и нории, гибкие и негибкие шнеки, стокерные полы, системы пневмотранспорта).At the fuel preparation and storage area, the initial biomass that does not fully comply with the technical conditions of the combustion technology, i.e. substandard, is prepared as part of the technological mechanical operations of grinding, cleaning and sorting, as well as drying (drying). To ensure smooth operation, the section contains a mechanized fuel sectional warehouse for storing the operational stock of prepared raw materials, as well as technological transport (feed conveyor) of the required type and capacity (belt and scraper conveyors and elevators, flexible and inflexible screws, stocker floors, pneumatic conveying systems).

Подготовленная биомасса с топливного склада подается транспортером в бункер и далее сжигается в топке - камере котла (парогенератора), превращая питательную воду в сухой насыщенный пар, который в свою очередь поступает (как правило, в перегретом состоянии) по паропроводу к паровой турбине. Расширяясь в ней, пар вращает ее ротор, соединенный с ротором электрогенератора, который вырабатывает электрический ток. Отработанный пар поступает в конденсатор - теплообменник, по трубкам которого непрерывно протекает холодная вода, подаваемая циркуляционным насосом из водоема или специального охладительного устройства (градирни). Пар конденсируется в межтрубном пространстве и стекает вниз, конденсат подается в деаэратор и питательным насосом возвращается в котел, чем замыкается технологический пароводяной цикл преобразования химической энергии топлива в механическую энергию вращения ротора турбоагрегата. Дымовые газы, отдав основную часть теплоты питательной воде, поступают на трубы водяного экономайзера и воздухоподогреватель, отдавая тепло питательной воде и воздуху для горения топлива, и далее с помощью дымососа через электрофильтры, улавливающие летучую золу, и дымовую трубу в атмосферу.The prepared biomass from the fuel depot is fed by the conveyor to the hopper and then burned in the furnace - the boiler chamber (steam generator), turning the feed water into dry saturated steam, which in turn enters (usually in an overheated state) through the steam line to the steam turbine. Expanding in it, the steam rotates its rotor, connected to the rotor of the electric generator, which generates an electric current. The waste steam enters a condenser - a heat exchanger, through the tubes of which cold water flows continuously, supplied by a circulation pump from a reservoir or a special cooling device (cooling tower). The steam condenses in the annulus and flows down, the condensate is supplied to the deaerator and returned to the boiler with a feed pump, which closes the technological steam-water cycle of converting the chemical energy of the fuel into mechanical rotational energy of the rotor of the turbine unit. Flue gases, having given the bulk of the heat to the feed water, go to the pipes of the water economizer and the air heater, giving off heat to the feed water and air for burning fuel, and then using a smoke exhauster through electrostatic precipitators that capture fly ash and the chimney into the atmosphere.

Известны также варианты описанного выше способа электрогенерации, где вместо паротурбинной установки (ПТУ) может использоваться иной тип тепловой (паровой) машины с замкнутым циклом, а именно, паровой поршневой двигатель (ППД), паровая винтовая машина (ПВМ), тепловая турбина органического цикла Ренкина (ORC) и др. /см. указанный выше источник: «Применение энергии биомассы…», разд. 4/.Variants of the above-described method of electric generation are also known, where instead of a steam turbine installation (PTU), a different type of closed-cycle heat (steam) machine can be used, namely, a steam piston engine (PPD), a steam screw machine (FDA), and a Rankine organic cycle heat turbine (ORC) et al. / See source indicated above: “Use of biomass energy ...”, sect. four/.

Наиболее существенные недостатки способов получения электроэнергии на основе технологий прямого сжигания биомассы:The most significant disadvantages of methods for generating electricity based on direct biomass burning technologies:

- низкий общий и электрический КПД (существенные тепловые потери), что не позволяет на их основе строить устойчивую энергетическую систему;- low overall and electrical efficiency (significant heat loss), which does not allow them to build a stable energy system;

- не решена проблема вредных выбросов в атмосферу (золы уноса, содержащей тяжелые металлы; сажи; монооксида углерода; окислов серы и азота; соединений хлора; диоксинов и полиароматических углеводородов), требуется сложная дорогостоящая очистка дымовых газов (стоимость современного мусоросжигающего завода более чем на 60% состоит из стоимости очистных сооружений);- the problem of harmful emissions into the atmosphere (fly ash containing heavy metals; soot; carbon monoxide; oxides of sulfur and nitrogen; chlorine compounds; dioxins and polyaromatic hydrocarbons) has not been solved; complex, expensive flue gas treatment is required (the cost of a modern incinerator is more than 60 % consists of the cost of treatment facilities);

- шлаки, как правило, содержат недогоревший углерод и полиароматику;- slags, as a rule, contain unburned carbon and polyaromatics;

- ограничены возможности использования влажной и высокозольной биомассы, нижний предел теплоты сгорания влажного и высокозольного органического вещества, при котором возможно автогенное (самоподдерживающееся) его сжигание без применения дополнительного топлива, соответствует условию Таннера: относительная влажность W<50%, зольность А<60%, содержание углерода С>25%;- the possibilities of using wet and high-ash biomass are limited, the lower limit of the calorific value of wet and high-ash organic matter, in which it is possible to autogenously (self-sustaining) burning it without using additional fuel, meets the Tanner condition: relative humidity W <50%, ash content A <60%, carbon content C> 25%;

- сложность автоматизации технологических процессов, т.к. ввиду низкой теплоты сгорания, высокой влажности и неоднородности биомассы требуется ее предварительная обработка (измельчение, уплотнение, сушка, гомогенизация и т.п.) или рафинирование (изготовление топливных гранул - пеллет, топливных брикетов).- the complexity of the automation of technological processes, because due to the low heat of combustion, high humidity and heterogeneity of the biomass, its preliminary processing (grinding, compaction, drying, homogenization, etc.) or refining (production of fuel pellets - pellets, fuel briquettes) is required.

- требуется отвод большого количества «сбросной» теплоты и, соответственно, большой расход охлаждающей воды;- requires the removal of a large amount of "waste" heat and, accordingly, a large flow rate of cooling water;

- громоздкость оборудования (прежде всего, конденсаторов пара).- cumbersome equipment (primarily steam condensers).

Из известных технологий преобразования биомассы в электрическую энергию наиболее предпочтительны технологии, способы, устройства на основе двухступенчатого, или двухстадийного процесса термохимической конверсии сырья, а именно с предварительной (внутрицикловой) газификацией сырья, поскольку позволяют получить дешевый, удобный и экологически чистый энергоноситель - топливный (генераторный) газ, при сжигании которого концентрация вредных веществ в дымовых выбросах существенно снижается.Of the known technologies for converting biomass into electrical energy, the most preferable are technologies, methods, and devices based on a two-stage or two-stage process for the thermochemical conversion of raw materials, namely, with preliminary (in-cycle) gasification of raw materials, since they make it possible to obtain a cheap, convenient and environmentally friendly energy carrier - fuel (generator) ) gas, during the combustion of which the concentration of harmful substances in flue emissions is significantly reduced.

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).This allows you to significantly save on expensive equipment for gas flue gas treatment and equipment for disinfection of recyclable waste. In addition, during gasification, the underburning of fuel is significantly lower in comparison with direct combustion, and there is practically no soot in the produced gas and ash residue (unreacted carbon).

Разработано большое количество разнообразных методов газификации твердого топлива и конструкций реакторов-газификаторов (газогенераторов) /см. указанный выше Справочник. «Котельные и электростанции на биотопливе…»; Биомасса как источник энергии. Под ред. С. Соуфера, О. Заборски.- М., Мир, 1985; А. Самылин, М. Яшин. Современные конструкции газогенераторных установок. - ЛесПромИнформ, №1, 2009, с. 78-85; Копытов В.В. Газификация конденсированных топлив: ретроспективный обзор, современное состояние дел и перспективы развития - М.: Инфра-Инженерия, 2012. - 504 с; Г.Г. Токарев. Газогенераторные автомобили. Гос. науч. - тех. изд-во машиностр. лит., М., 1955/, при этом получаемый в результате газификации топливный (генераторный) газ может использоваться как топливо для двигателей внутреннего (при условии применения оборудования очистки и охлаждения) и внешнего (при условии применения горелок, аналогичных котельным) сгорания с последующим преобразованием механической энергии в электроэнергию.A large number of diverse methods for the gasification of solid fuels and designs of gasification reactors (gas generators) / cm have been developed. The above reference. “Boiler houses and biofuel power plants ...”; Biomass as a source of energy. Ed. S. Soufer, O. Zaborski.- M., Mir, 1985; A. Samylin, M. Yashin. Modern designs of gas generating units. - LesPromInform, No. 1, 2009, p. 78-85; Kopytov V.V. Gasification of condensed fuels: a retrospective review, current status and development prospects - M .: Infra-Engineering, 2012. - 504 s; G.G. Tokarev. Gas generating cars. Gos. scientific - those. publishing house lit., M., 1955 /, while the fuel (generator) gas obtained as a result of gasification can be used as fuel for internal engines (subject to the use of cleaning and cooling equipment) and external (subject to the use of burners similar to boiler rooms) combustion followed by the conversion of mechanical energy into electricity.

Так, известен способ получения электроэнергии из биомассы (древесной щепы) по двухстадийной технологической схеме посредством мини-ТЭЦ на базе газопоршневых двигателей внутреннего сгорания, реализуемый в газогенераторной электростанции /см. указанный выше Справочник. «Котельные и электростанции на биотопливе…», с. 248-253/, состоящей из четырех участков: топливоподготовки, газификации, электрогенерации, системы оборотной воды для охлаждения топливного газа. Участок топливоподготовки состоит из транспортера с металлодетектором для сепарации металловключений, дробилки для измельчения древесных кусков в щепу, вибросита для отсеивания некондиционной щепы, транспортера для подачи кондиционной щепы в загрузочную станцию, транспортной системы для подачи топлива из загрузочной станции в шлюзовое устройство газогенератора, системы управления и автоматики. На участке газификации установлен газогенератор WBG400 с очистительными установками для охлаждения и очистки топливного газа перед подачей в газопоршневой двигатель. Участок электрогенерации состоит из электрогенераторной установки с газопоршневым двигателем и шкафами управления. На участке системы оборотной воды устанавливается блочно-модульное очистное сооружение, состоящее из трубопроводов, насосов, емкостей, блоков очистки, пульта управления, градирни или теплообменника. Газогенераторная электростанция работает в режиме ТЭЦ, обеспечивая выходную электрическую мощность 250 кВт и тепловую мощность 469 кВт, с общим КПД около 50% в номинальном режиме с учетом полезной утилизации тепла.So, there is a known method of generating electricity from biomass (wood chips) according to a two-stage technological scheme by means of a mini-CHP based on gas piston internal combustion engines, implemented in a gas-generating electric power plant / cm. The above reference. “Boiler houses and biofuel power plants ...”, p. 248-253 /, consisting of four sections: fuel preparation, gasification, power generation, circulating water system for cooling fuel gas. The fuel preparation section consists of a conveyor with a metal detector for separating metal inclusions, a crusher for grinding wood pieces into chips, a vibrating screen for screening substandard chips, a conveyor for feeding the conditioned chips to the loading station, a transport system for supplying fuel from the loading station to the lock of the gas generator, a control system and automatics. At the gasification section, a WBG400 gas generator was installed with purification plants for cooling and purifying fuel gas before being fed to the gas piston engine. The power generation section consists of an electric generator with a gas engine and control cabinets. A block-modular treatment plant consisting of pipelines, pumps, tanks, purification units, a control panel, a cooling tower or a heat exchanger is installed on a section of the recycled water system. The gas-generating power plant operates in the CHP mode, providing an output electric power of 250 kW and a thermal power of 469 kW, with a total efficiency of about 50% in the nominal mode, taking into account useful heat recovery.

Данный способ электрогенерации на базе газопоршневых агрегатов получил практическое распространение /см. указанный выше источник: Г.Г. Токарев. «Газогенераторные автомобили…»/, однако ему присущи существенные недостатки:This method of power generation based on gas piston units has received practical distribution / cm. source indicated above: G.G. Tokarev. "Gas-generating cars ..." /, however, it has significant disadvantages:

- 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;- low electrical efficiency (~ 18%) due to the need to cool the fuel gas (energy losses up to 20%), as well as the prevailing share (2/3 or more) of the thermal component in the output power;

- высокое содержание вредных выбросов (СО, NOx) в атмосферу вследствие использования газопоршневых агрегатов в технологической цепи генерирования электроэнергии;- high content of harmful emissions (СО, NO x ) into the atmosphere due to the use of gas-piston units in the power generation technological chain;

- ограничения по сырью (содержание влаги не выше 20%);- restrictions on raw materials (moisture content not higher than 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.- low operational and technical characteristics of the plants: a significant specific gravity per unit of power and dimensions, the presence of a complex multistage system for cleaning, cooling and drying gas, a low degree of automation.

Свойства получаемого генераторного газа (высокая температура, присутствие влаги, пыли и смол, низкокалорийность, низкое давление) при его использовании для производства электроэнергии по технологиям, эффективным для природного газа (в установках открытого и полузамкнутого цикла - в газопоршневых агрегатах, газотурбинных установках), приводят к значительному усложнению и удорожанию оборудования (требуются многоступенчатые системы очистки, охлаждения и осушки, дожимные компрессоры), существенному снижению эффективности работы применяемых энергоагрегатов, громоздкости установок.The properties of the produced gas (high temperature, the presence of moisture, dust and resins, low calorie content, low pressure) when it is used to produce electricity using technologies effective for natural gas (in open and semi-closed cycle plants - in gas piston units, gas turbine units), to a significant complication and appreciation of equipment (requires multi-stage cleaning, cooling and drying systems, booster compressors), a significant decrease in operating efficiency is applied Mykh power units, cumbersome installations.

В значительной степени свободны от указанных недостатков известные способы и установки для производства электроэнергии на основе двухстадийной технологической схемы, предусматривающей на первой стадии газификацию топливной биомассы, а на второй стадии - сжигание полученного топливного газа и преобразование тепловой энергии в механическую энергию в тепловой машине (двигателе) замкнутого цикла, где рабочее тело циркулирует по замкнутому контуру без связи с атмосферой.To a considerable extent, the known methods and installations for generating electricity based on a two-stage technological scheme providing for the gasification of fuel biomass in the first stage and burning of the resulting fuel gas and the conversion of thermal energy into mechanical energy in a heat engine (engine) are largely free from these drawbacks. closed loop, where the working fluid circulates in a closed loop without communication with the atmosphere.

Подобную схему следует признать предпочтительной с точки зрения минимизации вредного влияния на окружающую среду за счет снижения вредных выбросов в атмосферу. В результате снижения либо снятия требований по очистке топливного газа не только упрощается и удешевляется оборудование газоочистки, но и повышается теплотворная способность газа за счет содержащихся в нем горючих низко- и высокомолекулярных органических соединений (например, спиртов и, особенно, смол). Кроме того, при исключении операции по охлаждению получаемого газа одновременно с экономией на соответствующем оборудовании свой вклад в нагрев рабочего тела энергоустановок вносит физическое тепло горячего газа, а также снимается вопрос утилизации жидких вторичных отходов (газового конденсата).Such a scheme should be recognized as preferable from the point of view of minimizing the harmful effects on the environment by reducing harmful emissions into the atmosphere. As a result of reduction or removal of requirements for fuel gas purification, gas cleaning equipment is not only simplified and cheapened, but also the calorific value of the gas is increased due to the combustible low and high molecular weight organic compounds contained in it (for example, alcohols and, especially, resins). In addition, with the exception of the operation to cool the produced gas at the same time as saving on the corresponding equipment, the physical heat of the hot gas contributes to the heating of the working fluid of the power plants, and the issue of recycling liquid secondary waste (gas condensate) is also addressed.

В энергоустановках малой мощности (до 100…500 кВт) могут быть использованы отработанные технологии на базе известных двигателей замкнутого цикла (ПТУ, ППД, ПВМ, турбина ORC).In power plants of low power (up to 100 ... 500 kW), proven technologies based on well-known closed-cycle engines (PTU, PDP, FDA, ORC turbine) can be used.

Наиболее близким к изобретению по совокупности существенных признаков является известный способ и устройство для производства тепловой и электроэнергии посредством термической переработки углеродсодержащих материалов (горючих отходов) /см., например, Копытов В.В. Газификация конденсированных топлив: ретроспективный обзор, современное состояние дел и перспективы развития - М.: Инфра-Инженерия, 2012. - 504 с., с. 298-300/ на основе двухстадийной технологической схемы, предусматривающий на первой стадии газификацию биомассы, включая подачу сырьевого материала - измельченной твердой (топливной) биомассы различного происхождения, в том числе органических отходов, для паровоздушной газификации в плотном слое в реакторе-газификаторе прямого процесса. В процессе газификации в противоток движению сырья через нижнюю часть реактора-газификатора, где происходит накопление и вывод твердых продуктов - отходов газификации (золы), в активную зону газификации посредством, например, дутья, подаются газифицирующие агенты - воздух и водяной пар и/или вода (в зависимости от конструкции реактора-газификатора) - в необходимых для протекания окислительно-восстановительных реакций газификации соотношениях с газифицируемым сырьевым материалом. Получаемый в результате газификации горючий топливный газ (генераторный, или продукт-газ), содержащий водород Н2, монооксид углерода СО и, в ряде случаев, метан и другие углеводороды и/или другие органические соединения (летучие фракции, пары смол), фильтруется через слой загруженного в реактор сырьевого материала и отводится из верхней части реактора. На второй стадии осуществляют сжигание получаемого горячего топливного газа в паровом котле (парогенераторе), преобразование тепловой энергии пара в механическую энергию в тепловой (паровой) машине и далее в электрическую энергию посредством электрогенератора, при этом часть отработавшего пара может отбираться для подачи в реактор-газификатор в качестве газифицирующего агента в необходимом для протекания реакций газификации объеме, дымовые газы фильтруются очистителем с известью (специальным фильтром-нейтрализатором серы) и выбрасываются в атмосферу через дымовую трубу.Closest to the invention in terms of essential features is a known method and device for the production of heat and electricity through the thermal processing of carbon-containing materials (combustible waste) / see, for example, Kopytov V.V. Gasification of condensed fuels: a retrospective review, current state of affairs and development prospects - M .: Infra-Engineering, 2012. - 504 p., P. 298-300 / based on a two-stage technological scheme, which provides for the first stage of gasification of biomass, including the supply of raw material - crushed solid (fuel) biomass of various origins, including organic waste, for vapor-air gasification in a dense layer in a direct process gasifier. In the process of gasification, in counter-flow to the movement of raw materials through the lower part of the gasification reactor, where solid products — gasification waste (ash) —are accumulated and removed, gasification agents — air and water vapor and / or water — are supplied to the active gasification zone by, for example, blasting (depending on the design of the gasifier reactor) - in the ratios necessary for the occurrence of redox reactions of gasification with gasified raw material. The resulting combustible fuel gas (generator or product gas) containing hydrogen H 2 , carbon monoxide CO and, in some cases, methane and other hydrocarbons and / or other organic compounds (volatile fractions, fumes of resins) is filtered through a layer of raw material loaded into the reactor and discharged from the top of the reactor. At the second stage, the resulting hot fuel gas is burned in a steam boiler (steam generator), the thermal energy of the steam is converted into mechanical energy in a heat (steam) machine, and then into electrical energy by means of an electric generator, while a part of the spent steam can be selected for supply to the gasifier reactor as a gasification agent in the volume necessary for gasification reactions, flue gases are filtered by a purifier with lime (a special sulfur neutralizing filter) and emissions They are emitted into the atmosphere through a chimney.

Процесс газификации топлива осуществляется в реакторе-газификаторе шахтного типа прямого процесса газификации, в частности, в наклонном вращающемся цилиндрическом реакторе-газификаторе в режиме фильтрационного горения со сверхадиабатическим разогревом в «плотном» слое /см., например, патент RU 2376527, Манелис и др., дата публ. 20.12.2009; патент RU 2322641, Дорофеенко и др., дата публ. 27.11.2007; Кислов В.М. Газификация древесины и ее компонентов в фильтрационном режиме. Автореферат дисс. к.ф.м.н., ИПХФ РАН, Черноголовка, 2008/.The process of gasification of fuel is carried out in a shaft type gasifier reactor of a direct gasification process, in particular, in an inclined rotating cylindrical gasifier reactor in the filtration combustion mode with super-adiabatic heating in a “dense” layer / see, for example, patent RU 2376527, Manelis, etc. , date publ. 12/20/2009; patent RU 2322641, Dorofeenko et al., date publ. 11/27/2007; Kislov V.M. Gasification of wood and its components in a filtration mode. Abstract of diss. Ph.D., IPCP RAS, Chernogolovka, 2008 /.

Достоинствами указанных способа и устройства являются высокий КПД газификации, отсутствие системы охлаждения и очистки газа, низкий уровень вредных выбросов в атмосферу. При этом имеется ряд существенных недостатков:The advantages of these methods and devices are high gasification efficiency, lack of a cooling and gas purification system, low level of harmful emissions into the atmosphere. There are a number of significant drawbacks:

- ограниченные возможности использования некондиционного сырья для газификации (влажность - до 25…50%, зольность - до 10…25% и др. /см. указанные выше источники: Справочник. «Котельные и электростанции на биотопливе…», с. 220; Копытов В.В. «Газификация конденсированных топлив…», с. 280-290/);- limited opportunities for the use of substandard raw materials for gasification (humidity - up to 25 ... 50%, ash - up to 10 ... 25%, etc. / see the above sources: Reference. "Boilers and power plants using biofuels ...", p. 220; Kopytov VV "Gasification of condensed fuels ...", p. 280-290 /);

- значительные тепловые потери и, соответственно, низкий электрический КПД (до 0,15…0,25), вредное влияние на окружающую среду ввиду большого расхода охлаждающей воды и возможного присутствия в дымовых газах продуктов неполного сгорания и уноса (пыли);- significant heat loss and, consequently, low electrical efficiency (up to 0.15 ... 0.25), a harmful effect on the environment due to the large consumption of cooling water and the possible presence in the flue gases of products of incomplete combustion and entrainment (dust);

- невысокие эксплуатационно-технические показатели (громоздкость оборудования - реактора-газификатора, конденсаторов рабочего теплоносителя, низкая адаптация к колебаниям нагрузки, ограниченные возможности автоматизации).- low operational and technical indicators (bulkiness of equipment - gasification reactor, working fluid condensers, low adaptation to load fluctuations, limited automation capabilities).

Предлагаемое изобретение направлено на решение задачи повышения эффективности производства электроэнергии (электрического КПД) в автономных энергоустановках малой мощности, работающих на местном возобновляемом энергоресурсе - биомассе, с расширением спектра используемого сырья, включая дешевую некондиционную топливную биомассу, в частности, с высоким содержанием влаги, при минимизации вредного влияния на окружающую среду процесса производства электроэнергии.The present invention is aimed at solving the problem of increasing the efficiency of electricity production (electrical efficiency) in low-power autonomous power plants operating on local renewable energy - biomass, with the expansion of the range of raw materials used, including cheap substandard fuel biomass, in particular, with a high moisture content, while minimizing harmful effects on the environment of the electricity production process.

Технические результаты выражаются, во-первых, в повышении электрического КПД способа и устройства для получения электроэнергии по двухстадийной схеме с газификацией сырья с последующим преобразованием тепловой энергии топливного газа, сжигаемого в паровом котле (парогенераторе), в электроэнергию посредством тепловой (паровой) машины с электрогенератором, во-вторых, в расширении спектра используемого дешевого низкосортного сырья, включая некондиционную (по содержанию влаги до 70…85%) топливную биомассу, и достигаются за счет того, что замкнутый рабочий контур паросиловой установки для циркуляции рабочего тела (воды/пара или органического теплоносителя) образуется посредством двухступенчатой схемы воздушного охлаждения отработавшего пара, совмещенной в конденсационно-сушильном блоке с процессами промежуточной непрерывной (перманентной) конвективной воздушно-калориферной сушки и кондуктивного подогрева сырья за счет тепла конденсируемого пара, причем использованный для охлаждения и сушки воздух в необходимом объеме используется в реакторе-газификаторе в качестве газифицирующего агента.Technical results are expressed, firstly, in increasing the electrical efficiency of the method and device for generating electricity according to a two-stage scheme with gasification of raw materials, followed by the conversion of the thermal energy of the fuel gas burned in a steam boiler (steam generator) into electricity through a heat (steam) machine with an electric generator secondly, in expanding the spectrum of used cheap low-grade raw materials, including substandard (in terms of moisture content up to 70 ... 85%) fuel biomass, and are achieved due to the fact that for A closed working circuit of a steam-powered installation for circulating a working fluid (water / steam or an organic coolant) is formed by a two-stage air cooling system for exhaust steam combined in a condensation-drying unit with processes of continuous continuous (permanent) convective air-caloriferous drying and conductive heating of raw materials due to heat of condensed steam, and the air used for cooling and drying in the required volume is used in the gasification reactor as gasification agent.

При этом конденсационно-сушильный блок конструктивно выполняется как двухступенчатый воздушный конденсатор отработавшего в тепловой (паровой) машине пара, в который интегрирован (встроен) сушильный аппарат барабанного типа.In this case, the condensation-drying unit is structurally performed as a two-stage air condenser of the steam spent in the heat (steam) machine, into which the drum-type dryer is integrated (built-in).

В-третьих, технический результат предлагаемого изобретения выражается в минимизации вредного влияния на окружающую среду предлагаемых способа и устройства для получения электроэнергии и достигается за счет следующей совокупности действий и условий:Thirdly, the technical result of the invention is expressed in minimizing the environmental impact of the proposed method and device for generating electricity and is achieved through the following set of actions and conditions:

в части снижения вредных выбросов в атмосферу - путем построения технологической цепи на основе:in terms of reducing harmful emissions into the atmosphere - by building a technological chain based on:

- использования в качестве сырья возобновляемого ресурса - биомассы,- use as a raw material of a renewable resource - biomass,

- реализации двухстадийной схемы с газификацией биомассы,- implementation of a two-stage scheme with biomass gasification,

- использования энергетических (паросиловых) установок замкнутого цикла;- the use of energy (steam-powered) closed-cycle installations;

в части снижения (исключения) вредного влияния (загрязнение, нарушение естественного температурного режима) на водные ресурсы - посредством полного замещения водяного охлаждения для отвода «сбросной» теплоты при конденсации теплоносителя (пара) воздушным охлаждением.in terms of reducing (eliminating) the harmful effect (pollution, violation of the natural temperature regime) on water resources - by completely replacing water cooling to remove the "waste" heat during condensation of the coolant (steam) by air cooling.

В-четвертых, технический результат выражается в обеспечении в предлагаемом изобретении автономности процесса производства электроэнергии и достигается посредством совокупности действий и условий через компоненты данной характеристики, включая:Fourth, the technical result is expressed in ensuring in the proposed invention the autonomy of the electricity production process and is achieved through a combination of actions and conditions through the components of this characteristic, including:

практическую независимость от внешних источников водных ресурсов за счет применения конденсатора отработавшего пара с воздушным охлаждением;practical independence from external sources of water resources through the use of an air-cooled exhaust steam condenser;

независимость от внешних источников энергии;independence from external energy sources;

отсутствие потребности в коммуникациях для транспортировки получаемого топливного газа, для передачи электроэнергии (снабжаются местные пользователи), а также в специальных стационарных (капитальных) сооружениях.lack of communication requirements for transporting the resulting fuel gas, for the transmission of electricity (local users are supplied), as well as in special stationary (capital) facilities.

Также для достижения технического результата в виде расширения рабочего диапазона номинальной выходной электрической мощности, а также улучшения эксплуатационно-технических характеристик при осуществлении предлагаемого изобретения, таких как работа в широком диапазоне потребления электроэнергии и при различном качестве пара, полная автоматизация процессов, компактность оборудования, для газификации биомассы используется цилиндрический наклонный вращающийся реактор-газификатор в режиме фильтрационного горения со сверхадиабатическим разогревом, а в качестве тепловой (паровой) машины могут быть применены различные типы двигателей внешнего сгорания замкнутого цикла (ПТУ, ППД, ПВМ, турбины ORC).Also, to achieve a technical result in the form of expanding the operating range of the rated output electric power, as well as improving the operational and technical characteristics during the implementation of the invention, such as working in a wide range of energy consumption and various steam quality, full automation of processes, compact equipment for gasification biomass a cylindrical inclined rotary gasifier reactor is used in the filtration combustion mode with super adiabat eskim heating, and as heat (steam) engines can be applied to different types of external combustion engines of the closed cycle (PTU, PDI, PVM, ORC turbine).

Сущность изобретения поясняется фиг. 1-9.The invention is illustrated in FIG. 1-9.

На фиг. 1 представлена общая схема устройства для осуществления способа получения электроэнергии из некондиционной (влажной) топливной биомассы по двухстадийной схеме с воздушно-калориферной сушкой и кондуктивным (контактным) подогревом сырья посредством конденсационно-сушильного блока в замкнутом рабочем контуре энергетической (паросиловой) установкиIn FIG. 1 shows a general diagram of a device for implementing a method for producing electricity from substandard (wet) fuel biomass according to a two-stage scheme with air-caloriferous drying and conductive (contact) heating of raw materials by means of a condensation-drying unit in a closed working circuit of an energy (steam-power) installation

На фиг. 2 представлена общая схема устройства для осуществления способа получения электроэнергии из некондиционной (влажной) топливной биомассы по двухстадийной технологической схеме с воздушно-калориферной сушкой и кондуктивным подогревом сырья в замкнутом рабочем контуре энергетической (паросиловой) установки при использовании для газификации биомассы цилиндрического наклонного вращающегося реактора-газификатора в режиме фильтрационного горения со сверхадиабатическим разогревом.In FIG. 2 shows a general diagram of a device for implementing a method for producing electricity from substandard (wet) fuel biomass according to a two-stage technological scheme with air-caloriferous drying and conductive heating of raw materials in a closed working circuit of an energy (steam-powered) installation when using a cylindrical inclined rotary reactor-gasifier for gasification in the filtration combustion mode with super-adiabatic heating.

На фиг. 3-6 представлена схема построения конденсационно-сушильного блока согласно фиг. 1, включая общий вид (фиг. 3), разрез А-А по сушильному барабану согласно фиг. 3, разрез Б-Б по загрузочному шлюзу согласно фиг. 3, разрез В-В по разгрузочному шлюзу согласно фиг. 3.In FIG. 3-6 shows a construction diagram of a condensation-drying unit according to FIG. 1, including a general view (FIG. 3), section AA through the dryer drum according to FIG. 3, section BB along the loading gateway according to FIG. 3, section BB of the discharge gate according to FIG. 3.

На фиг. 7 приведены графики зависимости нижней теплотворной способности (НТС) исходной биомассы от ее относительной влажности (общей влаги).In FIG. Figure 7 shows graphs of the dependence of the lower calorific value (STV) of the initial biomass on its relative humidity (total moisture).

На фиг. 8 приведены графики зависимости величины электрического КПД предлагаемого устройства от относительной влажности (общей влаги) исходной биомассы при различных значениях НТС сухой биомассы для практически реализуемого диапазона значений рабочих параметров устройства (величины КПД теплообмена при конденсации пара и сушке сырья, электрического и теплового КПД).In FIG. Figure 8 shows graphs of the dependence of the electrical efficiency of the proposed device on the relative humidity (total moisture) of the initial biomass at various values of the dry biomass NTS for a practically feasible range of device operating parameters (heat transfer efficiency during steam condensation and drying of raw materials, electrical and thermal efficiency).

На фиг. 9 приведен график зависимости величины электрического КПД предлагаемого устройства от величины КПД теплообмена при конденсации пара и сушке сырья (рекуперации тепла паросиловой установки).In FIG. Figure 9 shows a graph of the electrical efficiency of the proposed device versus the heat transfer efficiency during steam condensation and drying of raw materials (heat recovery from a steam-powered plant).

Способ получения электроэнергии из некондиционной (влажной) топливной биомассы осуществляется посредством устройства (фиг. 1), которое работает следующим образом.A method of producing electricity from substandard (wet) fuel biomass is carried out by means of a device (Fig. 1), which operates as follows.

На первой стадии предусматривается газификация измельченной (при необходимости) биомассы F в реакторе-газификаторе 3 прямого процесса паровоздушной газификации в плотном слое. Сырье поступает в реактор-газификатор 3 через загрузочное устройство 4, при этом в противоток движению сырья F через разгрузочное устройство 5, где происходит накопление и вывод твердых продуктов - отходов газификации (золы) R, в активную зону газификации посредством, например, дутья подаются газифицирующие агенты - воздух А и водяной пар и/или вода W - в необходимых для протекания окислительно-восстановительных реакций газификации (стехиометрических) соотношениях с газифицируемым сырьевым материалом, а получаемый в результате газификации горячий топливный газ G, содержащий водород Н2, монооксид углерода СО и, в ряде случаев, метан и другие углеводороды и/или другие органические соединения (летучие фракции, пары смол), фильтруется через слой загруженного сырьевого материала F и отводится из верхней части реактора-газификатора 3. Примеры технической реализации реакторов-газификаторов прямого процесса широко известны /см. указанные выше источники: «Биомасса как источник энергии…»; Копытов В.В. «Газификация конденсированных топлив…»; А. Самылин, М. Яшин. «Современные конструкции газогенераторных установок…»).At the first stage, gasification of the crushed (if necessary) biomass F in the gasification reactor 3 of the direct process of vapor-air gasification in a dense layer is provided. The raw material enters the gasifier reactor 3 through the loading device 4, while in countercurrent to the movement of the raw material F through the unloading device 5, where the solid products - gasification waste (ash) R are accumulated and removed, gasification flows are fed into the active gasification zone, for example, by blowing agents - air A and water vapor and / or water W - in the ratios required for the occurrence of redox gasification (stoichiometric) ratios with gasified raw materials, and g hot fuel gas G containing hydrogen H 2 , carbon monoxide CO and, in some cases, methane and other hydrocarbons and / or other organic compounds (volatile fractions, resin vapors), is filtered through a bed of loaded raw material F and is discharged from the top of the reactor -gasifier 3. Examples of technical implementation of direct process gasification reactors are widely known / see the above sources: "Biomass as a source of energy ..."; Kopytov V.V. "Gasification of condensed fuels ..."; A. Samylin, M. Yashin. "Modern design of gas generating units ...").

На второй стадии получаемый топливный газ G непосредственно (без очистки и охлаждения) сжигается в паровом котле (парогенераторе) 7, оснащенном газовой горелкой, тепловая энергия пара преобразуется в механическую энергию в тепловой (паровой) машине 8 - двигателе внешнего сгорания, и в электрическую энергию посредством электрогенератора 9, при этом часть отработавшего пара может отбираться для подачи в реактор-газификатор 3 в качестве газифицирующего агента в необходимом для протекания реакций газификации объеме (для реакторов-газификаторов с паровоздушным дутьем). В качестве альтернативы пару для некоторых конструкций реакторов-газификаторов предусматривается возможность подачи в активную зону воды в жидком виде.In the second stage, the resulting fuel gas G is directly (without purification and cooling) burned in a steam boiler (steam generator) 7 equipped with a gas burner, the thermal energy of the steam is converted into mechanical energy in a thermal (steam) machine 8 - an external combustion engine, and into electrical energy by means of an electric generator 9, while part of the spent steam can be selected for supply to the gasification reactor 3 as a gasification agent in the volume necessary for gasification reactions (for gasification reactors in a steam-blowing). As an alternative to steam, for some designs of gasification reactors, it is possible to supply liquid in the active zone.

В дополнение к приведенной известной двухстадийной схеме при осуществлении предлагаемого способа исходный сырьевой материал - некондиционная по содержанию влаги топливная биомасса F - перед подачей на газификацию с помощью транспортера 1 непрерывно либо дозировано загружается через загрузочный шлюз 23 в сушильный барабан 15 сушильно-конденсационного блока 2. Отработавший пар с выхода тепловой (паровой) машины 8 пропускается через входной патрубок паропровода 21 в конусообразный модуль 1-й ступени конденсации 16, представляющей собой паровоздушный теплообменник - радиатор /примеры технической реализации см. Клевцов А.В., Пронин В.А. «Конденсаторы ТЭС с воздушным охлаждением. Экология энергетики»: Учебное пособие для студентов, обучающихся по направлению «Теплоэнергетика», разд. 7.1.5. М.: Изд-во МЭИ, 2003; Юшков Б.В. "Разработка воздушного конденсатора нового поколения и исследование его характеристик". Дисс. к.т.н., М., 2001 г. - 234 с./, где проходит через пучок оребренных трубок, обдуваемых атмосферным воздухом А, засасываемым извне с помощью нагнетательного вентилятора 18 во внутреннюю рабочую полость 28 сушильного барабана 15, где твердые частицы влажной биомассы F, перемешиваясь, обдуваются потоком сушильного агента - подогретого за счет тепла отработавшего пара атмосферного воздуха А, который является одновременно теплоносителем и влагопоглотителем.In addition to the known two-stage scheme, in the implementation of the proposed method, the initial raw material — fuel biomass F substandard in moisture content — is fed continuously or dosed continuously through a loading gateway 23 into the drying drum 15 of the drying and condensing unit 2 before being fed to gasification using a conveyor 1 steam from the output of the heat (steam) machine 8 is passed through the inlet pipe of the steam line 21 into the cone-shaped module of the 1st stage of condensation 16, which is a steam air heat exchanger - radiator / examples of technical implementation, see Klevtsov A.V., Pronin V.A. “Air-cooled TPP condensers. Ecology of Energy ”: a textbook for students enrolled in the field of“ Power Engineering ”, Sec. 7.1.5. M .: Publishing House MPEI, 2003; Yushkov B.V. "Development of a new generation air condenser and study of its characteristics." Diss. Candidate of Technical Sciences, M., 2001 - 234 pp. /, where it passes through a bundle of finned tubes blown by atmospheric air A, which is sucked in from the outside by means of a blower 18 into the internal working cavity 28 of the drying drum 15, where solid particles wet biomass F, mixing, blown by a stream of drying agent - heated by the heat of the exhaust steam of atmospheric air A, which is both a heat carrier and a desiccant.

Пар при этом охлаждается и частично конденсируется, а оставшаяся несконденсированной часть пара перепускается по коллектору перепуска пара и отвода конденсата 27 в модуль 2-й ступени конденсации 17, аналогичный по конструкции модулю 1-й ступени конденсации 16, при этом через теплопроводящую стенку сушильного барабана 15 отдает тепло частицам влажной биомассы, интенсивно контактирующим с теплопередающей поверхностью внутренней рабочей полости барабана 28 в процессе сушки, а стекающий конденсат собирается в коллекторе 27 и отводится через трубопровод 20 в резервуар питательной воды 14, возвращаясь в рабочий контур энергетической (паросиловой) установки 6, при этом несконденсированные в итоге газы отсасываются эжектором 22.The steam is cooled and partially condensed, and the remaining non-condensed part of the steam is passed through the steam bypass and condensate drain manifold 27 to the module of the 2nd condensation stage 17, similar in design to the module of the 1st condensation stage 16, through the heat-conducting wall of the drying drum 15 gives heat to wet biomass particles that are intensively in contact with the heat transfer surface of the inner working cavity of the drum 28 during the drying process, and the draining condensate is collected in the collector 27 and is discharged through the pipe the pipeline 20 to the feed water tank 14, returning to the working circuit of the power (steam-powered) installation 6, while the non-condensed gases are finally sucked off by the ejector 22.

Коллектор 27 представляет собой пространство между двумя соосными цилиндрами, внутренний - вращающийся сушильный барабан 15, внешний - неподвижная оболочка (кожух).The collector 27 is the space between two coaxial cylinders, the inner one is a rotating drying drum 15, the outer one is a fixed shell (casing).

При сушке могут использоваться (альтернативно либо попеременно) режимы прямоточного или противоточного движения биомассы F и сушильного агента - воздуха А, для чего используется одна из двух симметричных схем загрузки - выгрузки. (Вариант размещения загрузочного 23 и разгрузочного 24 шлюзов при реализации встречного перемещения биомассы и сушильного агента (воздуха) показан пунктиром на фиг. 3). При этом сушильный барабан 15 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 биомассы под действием силы тяжести (и, возможно, напора воздуха для режима прямоточного движения) от загрузочного шлюза 23 к разгрузочному шлюзу 24. Частота вращения барабана может быть переменной и определяться параметрами высушиваемой биомассы (для известных технических примеров это 1,5-9 об/мин), сторона и угол наклона барабана также могут варьироваться.During drying, alternate-flow or counter-flow modes of biomass F and a drying agent, air A, can be used (alternatively or alternately), for which one of two symmetric loading and unloading schemes is used. (A variant of the placement of loading 23 and unloading 24 locks when implementing oncoming movement of biomass and drying agent (air) is shown by the dotted line in Fig. 3). In this case, the drying drum 15 can be installed at an angle to the horizontal to provide the necessary biomass speed F (for known technical examples, this is 3-4 °). The inclination of the drum and its rotation provide biomass movement under the action of gravity (and, possibly, air pressure for direct-flow mode) from the loading gateway 23 to the discharge gateway 24. The frequency of rotation of the drum can be variable and determined by the parameters of the dried biomass (for known technical examples, this 1.5-9 rpm), side and angle of the drum can also vary.

На внутренней поверхности сушильного барабана 15 устанавливаются лопастные, секторные, винтовые или иные насадки 30, обеспечивающие перемешивание сырья и равномерное распределение его по сечению барабана, что интенсифицирует процесс сушки, обеспечивая большую площадь поверхности контакта между частицами биомассы и сушильным агентом.On the inner surface of the drying drum 15, blade, sector, screw or other nozzles 30 are installed, providing mixing of the raw material and its uniform distribution over the cross section of the drum, which intensifies the drying process, providing a large contact surface area between the biomass particles and the drying agent.

Сушильный барабан 15 с торцов закрыт сетчатыми фильтрами - отсекателями биомассы 26, которые ограничивают перемещение биомассы и направляют ее в разгрузочный шлюз 24 с помощью насадок 30 на вынесенных консолях-держателях 31.The drying drum 15 is closed from the ends by mesh filters - biomass cut-offs 26, which limit the biomass movement and direct it to the discharge gateway 24 using nozzles 30 on remote console holders 31.

Поток сушильного агента - воздуха, увлажненного и охлажденного в результате сушки биомассы, - вытяжным вентилятором 19 направляется на обдув оребренных трубок конусообразного модуля 2-й ступени конденсации 17, в которых завершается конденсация пара, а отработавший (подогретый и увлажненный) воздух в требуемом (регулируемом) объеме направляется в реактор-газификатор 3 в качестве газифицирующего агента, а его излишки возвращаются в атмосферу.The flow of the drying agent — air humidified and cooled as a result of drying the biomass — is directed by an exhaust fan 19 to blow around the finned tubes of the cone-shaped module of the 2nd condensation stage 17, in which the steam condensation is completed, and the exhausted (heated and humidified) air in the required (regulated) ) the volume is sent to the gasification reactor 3 as a gasifying agent, and its excess is returned to the atmosphere.

В качестве тепловой (паровой) машины 8 рассматривается двигатель внешнего сгорания с замкнутым тепловым циклом (в частности, паровая турбина, паровой поршневой двигатель, паровая винтовая машина, тепловая турбина органического цикла Ренкина). Для частного случая использования в качестве тепловой машины турбины ORC рабочим телом тепловой машины является органический теплоноситель.As a thermal (steam) machine 8, an external combustion engine with a closed thermal cycle (in particular, a steam turbine, a steam piston engine, a steam screw machine, a Rankine organic cycle heat turbine) is considered. For a special case of using an ORC turbine as a heat engine, the working fluid of the heat engine is an organic heat carrier.

В частном случае использования на стадии газификации наклонного вращающегося цилиндрического реактора-газификатора 3 (фиг. 2) с загрузочным устройством 4 со шлюзовой камерой и вертикальным цилиндром, газификация осуществляется в режиме фильтрационного горения со сверхадиабатическим разогревом, а в качестве газифицирующих агентов используются воздух и вода, подающаяся в жидком состоянии в активную зону реактора-газификатора 3 (Примеры технической реализации реакторов см. патент RU 2322641 С2, приоритет от 02.05.2006, Дорофеенко и др.; патент RU 2376527 С2 приоритет от 19.12.2007, Жирнов, Зайченко, Манелис, Полианчик).In the particular case of using at the gasification stage an inclined rotating cylindrical gasifier reactor 3 (Fig. 2) with a charging device 4 with a lock chamber and a vertical cylinder, gasification is carried out in the filtration combustion mode with super-adiabatic heating, and air and water are used as gasification agents, fed in a liquid state to the active zone of a gasification reactor 3 (Examples of technical implementation of reactors see patent RU 2322641 C2, priority dated 05/02/2006, Dorofeenko et al .; patent RU 2376527 C2 priority of 12/19/2007, Zhirnov, Zaichenko, Manelis, Polyanchik).

Некондиционная, т.е. не соответствующая стандартам или техническим условиям и требующая предварительной подготовки, топливная биомасса представляет собой дешевый и практически не используемый в настоящее время источник местных энергоресурсов. К параметрам, по которым определяются кондиции биомассы как энергосырья и от которых зависит его стоимость и, соответственно, экономичность его использования, относятся такие рабочие характеристики, как теплотворная способность, общая влага, зольность, содержание углерода, насыпная плотность, форма частиц, фракционный состав (однородность) и др. /ГОСТ Р 54220-2010 Биотопливо твердое Технические характеристики и классы топлива. Часть 1. Общие требования; ГОСТ Р 54236-2010 Топливо твердое из бытовых отходов. Технические характеристики и классы/.Substandard, i.e. not meeting the standards or technical specifications and requiring preliminary preparation, fuel biomass is a cheap and practically not currently used source of local energy resources. The parameters that determine the conditions of biomass as energy raw materials and on which its cost and, accordingly, the efficiency of its use depend on such performance characteristics as calorific value, total moisture, ash content, carbon content, bulk density, particle shape, fractional composition ( homogeneity), etc. / GOST R 54220-2010 Solid biofuel Technical characteristics and fuel classes. Part 1. General requirements; GOST R 54236-2010 Solid fuel from household waste. Specifications and classes.

Энергетическая, и, соответственно, потребительская ценность топлива определяется в основном его теплотворной способностью - количеством энергии в единице массы топлива, которое может быть использовано для производства тепла/электричества. В частности, качество биомассы как топлива оценивается нижней теплотворной способностью (НТС) Q, которая в значительной степени зависит от содержания влаги в топливе. Его количественный показатель - относительная влажность (общая влага) W - является одной из наиболее важных переменных характеристик топлива, в значительной степени определяющей его стоимость и, в конечном счете, экономичность его энергетического использования на практике. По справочным данным /см. указанные выше источники: Справочник. «Котельные и электростанции на биотопливе…»; «Биомасса как источник энергии…»,/ средняя относительная влажность низкосортного дешевого сырья может составлять 33…50% для свежесрубленной и 50…80% для мокрой (транспортируемой по воде) древесины, до 70% - для отстоя городских сточных вод, 60…85% - для навоза, до 55% и более - для сельскохозяйственных отходов, 15…35% - для ТБО.The energy, and, accordingly, consumer value of fuel is determined mainly by its calorific value - the amount of energy per unit mass of fuel that can be used to produce heat / electricity. In particular, the quality of biomass as fuel is estimated by the lower calorific value (LF) Q, which is largely dependent on the moisture content of the fuel. Its quantitative indicator - relative humidity (total moisture) W - is one of the most important variable characteristics of the fuel, which largely determines its cost and, ultimately, the efficiency of its energy use in practice. For reference data / cm. sources indicated above: Handbook. “Boiler houses and biofuel power plants ...”; “Biomass as an energy source ...”, / the average relative humidity of low-grade cheap raw materials can be 33 ... 50% for freshly cut timber and 50 ... 80% for wet (transported by water) wood, up to 70% for sludge from urban wastewater, 60 ... 85 % - for manure, up to 55% and more - for agricultural waste, 15 ... 35% - for solid waste.

Взаимосвязь между вышеуказанными характеристиками может быть выражена следующим соотношением:The relationship between the above characteristics can be expressed by the following ratio:

Figure 00000001
Figure 00000001

где Δtw - температура нагрева влаги сырья от текущего значения до 100°С;where Δt w is the temperature of heating the moisture of the raw material from the current value to 100 ° C;

Qc - НТС сухого вещества топлива;Q c - NTS of dry matter of fuel;

Cw= - удельная теплоемкость воды;C w = is the specific heat of water;

Ly= - удельная теплота парообразования.L y = is the specific heat of vaporization.

Принимая Δtw=80° (от 20°С до 100°С); Cw=4,1872 кДж/кгК; Lγ=2250 кДж/кг, получимTaking Δt w = 80 ° (from 20 ° C to 100 ° C); C w = 4.1872 kJ / kgK; L γ = 2250 kJ / kg, we get

Figure 00000002
Figure 00000002

Зависимость НТС исходного сырья от его влажности W для заданного диапазона исходных данных представлена на фиг. 7.The dependence of the STC of the feedstock on its moisture content W for a given range of source data is shown in FIG. 7.

Для полной сушки исходного сырья, а именно получения 1 кг сухого сырья, потребуется тепловой энергии в количестве (ккал):For complete drying of the feedstock, namely the production of 1 kg of dry feedstock, heat energy is required in an amount (kcal):

Figure 00000003
Figure 00000003

Опытные данные по энергетической эффективности существующих малых энергоустановок с тепловыми двигателями (машинами) замкнутого цикла приведен в таблице 1 /см. указанные выше источники: «Применение энергии биомассы…»; А. Самылин, М. Яшин. «Современные конструкции газогенераторных установок». - ЛесПромИнформ, №1, 2009, с. 78-85/The experimental data on the energy efficiency of existing small power plants with closed-circuit heat engines (machines) are given in table 1 / cm. sources indicated above: “Use of biomass energy ...”; A. Samylin, M. Yashin. "Modern design of gas generating units." - LesPromInform, No. 1, 2009, p. 78-85 /

Figure 00000004
Figure 00000004

Примем следующий диапазон параметров энергетической эффективности энергоустановок, в том числе для известных близких аналогов:We take the following range of parameters of energy efficiency of power plants, including for well-known close analogues:

электрический КПД ηе=0,10…0,20electrical efficiency η e = 0.10 ... 0.20

тепловой КПД ηт=0,45…0,65.thermal efficiency η t = 0.45 ... 0.65.

Достижимый (потенциальный) уровень электрического КПД ηе (y) для предлагаемого способа и устройства при полной сушке исходного сырья за счет тепла отработавшего пара может быть определен следующим образом:The achievable (potential) level of electrical efficiency η e (y) for the proposed method and device during complete drying of the feedstock due to the heat of the spent steam can be determined as follows:

Figure 00000005
Figure 00000005

или

Figure 00000006
or
Figure 00000006

Максимальную влажность Wmax исходного сырья, при которой возможна его внутрисистемная автотермическая (без поступления энергии извне, а именно за счет утилизации (рекуперации) «сбросной» тепловой энергии на выходе тепловой машины) сушка, можно определить из соотношения:The maximum humidity Wmax of the feedstock, at which its intrasystem autothermal (without energy from the outside, namely due to the utilization (recovery) of "waste" heat energy at the outlet of the heat engine) drying is possible, can be determined from the ratio:

Figure 00000007
,
Figure 00000007
,

где γ - коэффициент теплообмена (рекуперации тепла отработавшего пара),where γ is the heat transfer coefficient (heat recovery of exhaust steam),

отсюда

Figure 00000008
from here
Figure 00000008

Подставляя (7) в (5), получим выражение для достижимого уровня электрического КПД (W=Wmax):Substituting (7) into (5), we obtain the expression for the attainable level of electrical efficiency (W = W max ):

Figure 00000009
Figure 00000009

Исследуем, как изменяется величина электрического КПД ηе при отклонении параметров [W, Qc] сырья в зависимости от текущей относительной влажности W исходного сырья в диапазоне возможных значений W=(0; Wпред), где предельное значение относительной влажности исходного сырьяInvestigate how the amount of electric efficiency η e for deviation parameter [W, Q c] raw material depending on the current relative humidity W of the feedstock in the range of possible values W = (0; W before), where the limiting value of the relative humidity of the feedstock

Figure 00000010
Figure 00000010

а) Для случая 0<W<Wmax текущий 'электрический КПД определяется соотношением (5),a) For the case 0 <W <W max, the current 'electrical efficiency is determined by the relation (5),

б) Для случая Wmax<W<Wпред необходимо учесть системные потери тепла, обусловленные влажностью получаемого топливного газа /Кислов В.М. Газификация древесины и ее компонентов в фильтрационном режиме. Автореферат дисс. к.ф.м.н. ИПХФ РАН, Черноголовка, 2008. - с. 10-13/.b) For the case W max <W <W before, it is necessary to take into account the system heat losses due to the humidity of the resulting fuel gas / Kislov V.M. Gasification of wood and its components in a filtration mode. Abstract of diss. Ph.D. IPCP RAS, Chernogolovka, 2008. - p. 10-13 /.

НТС исходного сырья определяется по (1), НТС подсушенного сырья определим как:The STC of the feedstock is determined by (1), the STV of the dried raw material is defined as:

Figure 00000011
Figure 00000011

где Свп - удельная теплоемкость водяного пара,where C VP - specific heat of water vapor,

Δtвп = температура нагрева водяного пара в дымовых газах,Δt VP = heating temperature of water vapor in flue gases,

ΔW - уменьшение влажности в результате сушки.ΔW - humidity reduction as a result of drying.

Принимая Свп=2510 Дж/кг, Δtвп=125° и поставляя в (10) численные значения, получим:Taking With VP = 2510 J / kg, Δt VP = 125 ° and supplying numerical values to (10), we obtain:

Figure 00000012
Figure 00000012

С учетом подсушки сырья справедливо соотношение:Given the drying of raw materials, the following ratio is true:

Figure 00000013
Figure 00000013

Подставляя (12) в (11) получимSubstituting (12) in (11) we obtain

Figure 00000014
Figure 00000014

Определяя электрический КПД устройства какDefining the electrical efficiency of the device as

Figure 00000015
Figure 00000015

и, подставляя (13) в (14), получим результирующее выражение для электрического КПД устройства:and, substituting (13) in (14), we obtain the resulting expression for the electrical efficiency of the device:

Figure 00000016
Figure 00000016

при уточненном предельном значении относительной влажности:at the specified limit value of relative humidity:

Figure 00000017
Figure 00000017

Графики зависимости электрического КПД ηе (y) устройства от относительной влажности W исходной биомассы при различных значениях НТС Qc сухой биомассы приведены на фиг. 8.The plots of the electric efficiency η e (y) of the device as a function of the relative humidity W of the initial biomass for different values of the TCF Q c of dry biomass are shown in FIG. 8.

Примечание: Некоторое приближение расчетов связано с тем, что с учетом температуры отработавшего («мятого») пара для предлагаемых типов тепловых (паровых) машин практически может быть реализована сушка только до воздушно-сухого состояния сырья. В то же время топливная биомасса в зависимости от ее происхождения, в частности древесина, может содержать также реакционную (химическую) влагу, отделение которой начинается при температуре свыше 150°С.Note: Some approximation of the calculations is due to the fact that taking into account the temperature of the exhausted (“crushed”) steam for the proposed types of heat (steam) machines, drying can only be realized only to the air-dry state of the raw material. At the same time, fuel biomass, depending on its origin, in particular wood, may also contain reaction (chemical) moisture, the separation of which begins at temperatures above 150 ° C.

Относительно эффективности предлагаемых технических решений можно сделать следующие выводы.Regarding the effectiveness of the proposed technical solutions, the following conclusions can be made.

1. Для диапазона возможных значений параметров сырья (НТС сухого вещества Qc=2000…5000 ккал/кг) и технологических процессов (теплового КПД энергетической (паросиловой) установки ηт=0,45…0,65; коэффициента теплопередачи на сушку сырья γ=0,5) технический результат, выражаемый в увеличении электрического КПД, находит подтверждение, однако проявляется неравномерно, при этом существует оптимальное значение относительной влажности исходного сырья Wopt=Wmax∈(0,42…0,72), и ему соответствует максимальное значение электрического КПД

Figure 00000018
предлагаемого способа и устройства, которое не зависит от НТС Qc сухого вещества сырья и превышает электрический КПД ηе известных аналогов в 1,5 раза.1. For a range of possible values of raw parameters (STRP solids Q c = 2000 ... 5000 kcal / kg) and process (heat energy efficiency (steam power) Fitting η m = 0.45 ... 0.65, the heat transfer coefficient on the raw material drying γ = 0.5) the technical result, expressed in an increase in electrical efficiency, is confirmed, however, it is uneven, and there is an optimum value of the relative humidity of the feedstock W opt = W max ∈ (0.42 ... 0.72), and the maximum electrical efficiency value
Figure 00000018
the proposed method and device, which does not depend on the NTS Q c dry matter of raw materials and exceeds the electrical efficiency η e known analogues in 1.5 times.

Примечание. Эффективность предлагаемых решений может несколько снижаться с учетом возможных эксплуатационных затрат электроэнергии, потребляемой вращающимся сушильным барабаном, насосами, вентиляторами (воздуходувками).Note. The effectiveness of the proposed solutions may be somewhat reduced, taking into account the possible operational costs of the energy consumed by the rotating dryer drum, pumps, fans (blowers).

Так, по расчетам предлагаемое устройство с номинальной электрической мощностью 100…500 кВт должно иметь потребление по сырью (Qc=2000…5000 ккал/кг, W=Wopt=0,5…0,.7 - см. фиг. 5) в диапазоне 215…1535 кг/ч. Существующие модели сушилок барабанного типа БСЛ данной производительности имеют потребляемую мощность на вращение барабана 1…4 кВт, что не превышает ~1% выходной мощности. С учетом энергопотребления вентиляторными системами электростанций (~0,5…0,7% от выходной мощности) повышение доли минимально необходимых эксплуатационных энергозатрат находится в пределах 2% от выходной мощности, что позволяет считать несущественным снижение электрического КПД предлагаемого устройства.So, according to calculations, the proposed device with a rated electric power of 100 ... 500 kW should have a consumption of raw materials (Q c = 2000 ... 5000 kcal / kg, W = W opt = 0.5 ... 0, .7 - see Fig. 5) in the range of 215 ... 1535 kg / h. Existing models of BSL drum-type dryers of a given capacity have a power consumption per drum rotation of 1 ... 4 kW, which does not exceed ~ 1% of the output power. Taking into account the energy consumption by the fan systems of power plants (~ 0.5 ... 0.7% of the output power), the increase in the share of the minimum required operational energy consumption is within 2% of the output power, which allows us to consider the decrease in the electrical efficiency of the proposed device to be insignificant.

2. Верхняя граница диапазона допустимых значений влажности Wдоп исходного сырья может быть определена, исходя из требований к энергетической эффективности. В частности, при условии

Figure 00000019
указанная граница соответствует значениям Wдоп=0,7…0,85, что существенно выше возможностей рассмотренных выше аналогов (Wдоп=0,2…0,5) и подтверждает достижение технического результата, заключающегося в расширении спектра материалов, а именно по параметру влажности, используемых в качестве сырья для производства электроэнергии.2. The upper limit of the range of acceptable values of humidity W additional feedstock can be determined based on requirements for energy efficiency. In particular, subject to
Figure 00000019
the specified boundary corresponds to the values of W add = 0.7 ... 0.85, which is significantly higher than the capabilities of the above analogues (W add = 0.2 ... 0.5) and confirms the achievement of the technical result, which consists in expanding the spectrum of materials, namely, the parameter humidity used as raw material for electricity production.

3. Нелинейный характер зависимости электрического КПД

Figure 00000020
устройства от коэффициента теплообмена γ при конденсации пара и сушке сырья (фиг. 9) определяет возможности его существенного повышения при эффективной рекуперации тепла отработавшего пара (при γ>0,5). В предлагаемом изобретении это достигается за счет:3. The non-linear nature of the dependence of electrical efficiency
Figure 00000020
the device from the heat transfer coefficient γ during steam condensation and drying of the raw material (Fig. 9) determines the possibility of its significant increase with effective heat recovery of the exhaust steam (for γ> 0.5). In the present invention, this is achieved due to:

- исключения воздуховодов и соответственно потерь тепла между модулями конденсации и сушильным аппаратом (барабаном);- exclusion of air ducts and, accordingly, heat losses between the condensation modules and the drying apparatus (drum);

- использования дополнительно к конвективному также и кондуктивного механизма теплопередачи при сушке сырья.- use in addition to the convective also conductive heat transfer mechanism when drying raw materials.

Интенсификация процессов теплопередачи и соответствующее повышение коэффициента теплообмена γ достигается тем, что частицы влажной биомассы интенсивно контактируют с внутренней теплопередающей поверхностью сушильного барабана 15 в процессе сушки (механизм интенсификации является аналогом смешанных сухих градирен, использующих механизм испарительного охлаждения с орошением радиатора водой).The intensification of heat transfer processes and a corresponding increase in the heat transfer coefficient γ is achieved by the fact that the wet biomass particles are in intensive contact with the internal heat transfer surface of the drying drum 15 during the drying process (the intensification mechanism is analogous to mixed dry cooling towers using evaporative cooling with irrigation of the radiator with water).

Предлагаемое техническое решение позволяет также обеспечить сглаживание зависимости эффективности (электрического КПД) от температуры окружающего воздуха (холодный воздух эффективней при теплообмене с паром, горячий воздух - при сушке биомассы).The proposed technical solution also makes it possible to smooth out the dependence of efficiency (electrical efficiency) on the ambient temperature (cold air is more efficient in heat exchange with steam, hot air in drying biomass).

Claims (10)

1. Способ получения электроэнергии из некондиционной (влажной) топливной биомассы по двухстадийной технологической схеме, предусматривающий на первой стадии подачу исходного сырья - измельченной (при необходимости) топливной биомассы различного происхождения - и осуществление ее паровоздушной газификации в плотном слое в реакторе-газификаторе прямого процесса, при этом в процессе газификации в противоток движению сырья через нижнюю часть реактора-газификатора, где происходит накопление и вывод твердых продуктов - отходов газификации (золы), в активную зону газификации посредством, например, дутья подают газифицирующие агенты - воздух и водяной пар и/или воду - в необходимых для протекания окислительно-восстановительных реакций газификации соотношениях с газифицируемым сырьем, а получаемый в результате газификации горючий топливный газ фильтруется через слой загруженного в реактор-газификатор сырья и отводится из его верхней части для использования на второй стадии, включающей сжигание получаемого топливного газа в паровом котле (парогенераторе), преобразование тепловой энергии пара в механическую энергию в тепловой (паровой) машине и в электрическую энергию посредством электрогенератора, отличающийся тем, что на второй стадии образуют замкнутый контур циркуляции рабочего тела (воды/пара или органического теплоносителя) тепловой (паровой) машины, в котором конденсация отработавшего пара производится по двухступенчатой схеме воздушного охлаждения, включающей непрерывную межступенчатую комбинированную - конвективную воздушно-калориферную и кондуктивную (контактную) - сушку исходного сырья в конденсационно-сушильном блоке, при этом высушенное сырье подают в реактор-газификатор.1. A method of producing electricity from substandard (wet) fuel biomass according to a two-stage technological scheme, providing for the first stage to supply the feedstock - shredded (if necessary) fuel biomass of various origins and its vapor-air gasification in a dense layer in a direct process gasifier, in the process of gasification in countercurrent to the movement of raw materials through the lower part of the gasifier reactor, where the accumulation and withdrawal of solid products - gasification waste (ash), gasification agents — air and water vapor and / or water — are supplied to the active gasification zone by, for example, blasting, in the ratios necessary for the occurrence of oxidation-reduction gasification reactions with gasified raw materials, and the combustible fuel gas resulting from gasification is filtered through the layer loaded into the reactor gasifier of raw materials and is removed from its upper part for use in the second stage, including burning the resulting fuel gas in a steam boiler (steam generator), converting those steam energy into mechanical energy in a heat (steam) machine and into electric energy by means of an electric generator, characterized in that in the second stage they form a closed loop of the working fluid (water / steam or organic coolant) circulation of the heat (steam) machine, in which the condensation of the spent the steam is produced according to a two-stage air cooling scheme, including a continuous interstage combined - convective air-calorifer and conductive (contact) - drying of the feedstock into dryer-drying unit, while the dried raw material is fed into the gasifier reactor. 2. Способ получения электроэнергии по п. 1, отличающийся тем, что использованный в конденсационно-сушильном блоке воздух в необходимом регулируемом объеме подают в реактор-газификатор в качестве газифицирующего агента.2. The method of generating electricity according to claim 1, characterized in that the air used in the condensation-drying unit in the required controlled volume is supplied to the gasification reactor as a gasifying agent. 3. Устройство для получения электроэнергии из некондиционной (влажной) топливной биомассы, включающее транспортер для подачи сырья - измельченной твердой биомассы различного происхождения - в реактор-газификатор прямого процесса паровоздушной газификации в плотном слое, имеющий загрузочное устройство с шлюзовой камерой в верхней части и разгрузочное устройство с бункером для сбора отходов газификации (золы) в нижней части, а также выход в верхней части для подачи топливного газа, получаемого в результате газификации, для сжигания в паровом котле (парогенераторе), к нижней части реактора-газификатора подведены входы для подачи посредством, например, дутья газифицирующих агентов - воздуха и водяного пара/воды в активную зону газификации в противоток движению сырья, при этом паровой котел (парогенератор) подключен к резервуару питательной воды, а его выход для производимого пара соединен с входом тепловой (паровой) машины, которая конструктивно соединена с электрогенератором, отличающееся тем, что оно имеет замкнутый контур циркуляции рабочего тела (воды/пара) тепловой (паровой) машины, образованный 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, при этом модуль 1-й ступени конденсации образуется конусообразным пучком оребренных теплообменных трубок, входными отверстиями подключенных к входному патрубку пара, а выходными отверстиями соединенных с коллектором перепуска пара и отвода конденсата и расположенных таким образом, чтобы между ними были расстояния для прохождения атмосферного воздуха, для принудительной циркуляции которого непосредственно за трубками установлен осевой вентилятор для нагнетания воздуха в сушильный барабан, представляющий собой вращающийся цилиндр, внутри которого происходит пневмомеханическое перемещение сырья за счет вращения и принудительной циркуляции воздуха, а коллектор перепуска пара и отвода конденсата образуется внешней поверхностью сушильного барабана и неподвижной внешней по отношению к барабану оболочкой (кожухом), причем стенки барабана являются теплообменной поверхностью, внутреннее пространство коллектора замыкается на входы конусообразного пучка оребренных теплообменных трубок модуля 2-й ступени конденсации, расположенных таким образом, чтобы между ними были расстояния для прохождения воздуха из внутренней полости сушильного барабана в атмосферу, для чего непосредственно перед трубками установлен осевой вытяжной вентилятор, выходы теплообменных трубок замыкаются на эжектор, сушильный барабан оснащен по крайней мере одним загрузочным шлюзом для исходного сырья, подающегося транспортером сырья, и по крайней мере одним разгрузочным шлюзом для перегрузки высушенного сырья в реактор-газификатор.3. A device for generating electricity from substandard (wet) fuel biomass, including a conveyor for feeding raw materials - crushed solid biomass of various origin - to the gasification reactor of the direct process of vapor-air gasification in a dense layer, having a loading device with a lock chamber in the upper part and an unloading device with a hopper for collecting gasification waste (ash) in the lower part, as well as an outlet in the upper part for supplying fuel gas resulting from gasification for combustion in steam in the boiler (steam generator), the inputs for supplying, for example, blowing gasification agents - air and water vapor / water into the active gasification zone in countercurrent to the movement of raw materials, are connected to the lower part of the gasification reactor, while the steam boiler (steam generator) is connected to the feed tank water, and its output for the produced steam is connected to the input of a heat (steam) machine, which is structurally connected to an electric generator, characterized in that it has a closed circulation circuit of the working fluid (water / steam) thermal (pa a new) machine formed by introducing into the device a condensation-drying unit connected to the output of a heat (steam) machine for exhaust steam and structurally representing a two-stage air steam condenser containing a steam pipe in the form of series-connected units - the module of the 1st stage of condensation, steam bypass collector and condensate drain with integrated (built-in) rotating dryer drum, module of the 2nd stage of condensation, while the module of the 1st stage of condensation is an image is a cone-shaped bundle of finned heat exchanger tubes, inlet openings connected to the steam inlet pipe, and outlet openings connected to the steam bypass and condensate drain manifold and arranged so that there are distances between them for the passage of atmospheric air, for which forced axial circulation is established directly behind the tubes a fan for pumping air into the dryer drum, which is a rotating cylinder, inside of which there is a pneumomechanical e the movement of raw materials due to rotation and forced circulation of air, and the collector for steam bypass and condensate drainage is formed by the outer surface of the drying drum and the shell (casing) that is stationary with respect to the drum, and the walls of the drum are a heat exchange surface, the inner space of the collector closes to the inlets of the conical beam finned heat exchanger tubes of the module of the 2nd stage of condensation, arranged so that between them there are distances for the passage of air from the inside the lower cavity of the dryer drum into the atmosphere, for which an axial exhaust fan is installed directly in front of the tubes, the exits of the heat exchange tubes are closed to the ejector, the dryer drum is equipped with at least one loading gateway for feedstock supplied by a feed conveyor, and at least one discharge gateway for reloading dried raw materials in a gasifier reactor. 4. Устройство для получения электроэнергии по п. 3, отличающееся тем, что для газификации топливной биомассы используется цилиндрический наклонный вращающийся реактор-газификатор в режиме фильтрационного горения со сверхадиабатическим разогревом.4. A device for generating electricity according to claim 3, characterized in that for the gasification of fuel biomass a cylindrical inclined rotating reactor-gasifier is used in the filtration combustion mode with super-adiabatic heating. 5. Устройство для получения электроэнергии по п. 3 или 4, отличающееся тем, что в качестве тепловой (паровой) машины используется паровая турбина конденсационного типа.5. A device for generating electricity according to claim 3 or 4, characterized in that a condensing type steam turbine is used as a heat (steam) machine. 6. Устройство для получения электроэнергии по п. 3 или 4, отличающееся тем, что в качестве тепловой (паровой) машины используется паровая винтовая машина.6. A device for generating electricity according to claim 3 or 4, characterized in that a steam screw machine is used as a heat (steam) machine. 7. Устройство для получения электроэнергии по п. 3 или 4, отличающееся тем, что в качестве тепловой (паровой) машины используется паровой поршневой двигатель.7. A device for generating electricity according to claim 3 or 4, characterized in that a steam piston engine is used as a heat (steam) machine. 8. Устройство для получения электроэнергии по п. 3 или 4, отличающееся тем, что качестве тепловой (паровой) машины используется турбина органического цикла Ренкина (ORC) с органическим теплоносителем в качестве рабочего тела.8. A device for generating electricity according to claim 3 or 4, characterized in that the Rankine Organic Cycle Turbine (ORC) with organic heat carrier as a working fluid is used as a heat (steam) machine. 9. Устройство для получения электроэнергии по п. 3, отличающееся тем, что сушильный барабан имеет один и более загрузочных шлюзов и один и более разгрузочных шлюзов для высушиваемого сырья с возможностью работы в режимах непрерывной и/или дозированной загрузки/разгрузки, прямоточной (сырье и воздух перемещаются в одном направлении) и/или противоточной (сырье и воздух перемещаются в противоположных направлениях) сушки с возможностью варьирования в процессе работы угла наклона (вместе с конденсационно-сушильным блоком и/или автономно), скорости движения воздуха внутри барабана, скорости вращения барабана, на внутренней поверхности барабана крепятся лопасти, лопатки, спиралевидные ребра или иные насадки для перемешивания и перемещения сырья.9. A device for generating electricity according to claim 3, characterized in that the drying drum has one or more loading locks and one or more discharge locks for the dried raw materials with the possibility of operating in continuous and / or metered loading / unloading, direct-flow (raw and air moves in one direction) and / or countercurrent (raw materials and air move in opposite directions) drying with the possibility of varying the angle of inclination (together with the condensation-drying unit and / or independently) during operation For the movement of air inside the drum, the rotation speed of the drum, on the inner surface of the drum, blades, blades, spiral ribs or other nozzles are attached to mix and move the raw materials. 10. Устройство для получения электроэнергии по п. 3, отличающееся тем, что выход для отработанного воздуха конденсационно-сушильного блока соединен также с реактором-газификатором для регулируемого дутья.10. A device for generating electricity according to claim 3, characterized in that the exhaust air outlet of the condensation-drying unit is also connected to a gasification reactor for controlled blasting.
RU2016114317A 2016-04-13 2016-04-13 Method of producing electricity from substandard (wet) fuel biomass and device for its implementation RU2631455C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2016114317A RU2631455C1 (en) 2016-04-13 2016-04-13 Method of producing electricity from substandard (wet) fuel biomass and device for its implementation

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2016114317A RU2631455C1 (en) 2016-04-13 2016-04-13 Method of producing electricity from substandard (wet) fuel biomass and device for its implementation

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2631455C1 true RU2631455C1 (en) 2017-09-22

Family

ID=59931108

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2016114317A RU2631455C1 (en) 2016-04-13 2016-04-13 Method of producing electricity from substandard (wet) fuel biomass and device for its implementation

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2631455C1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2788409C1 (en) * 2022-05-31 2023-01-19 Виктор Николаевич Стародубцев Waste disposal plant

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5103743A (en) * 1987-09-21 1992-04-14 A. Ahlstrom Corporation Method and apparatus for drying solid material
RU2175075C2 (en) * 1996-12-26 2001-10-20 Мицубиси Хеви Индастриз, Лтд. Method and device for electrical energy generation (alternatives)
RU2301374C1 (en) * 2006-04-24 2007-06-20 Евгений Иванович Кондра Method and device for preparing fuel for combustion
RU2007116728A (en) * 2004-10-12 2008-11-20 Грейт Ривэ Энеджи (Us) METHOD OF HEAT PROCESSING, IMPROVEMENT OF QUALITY OF HIGH-MOISTURE MATERIALS USING HEAT SOURCES AND SYSTEM OF DISPOSAL OF HEAT AND CARBON DRYING

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5103743A (en) * 1987-09-21 1992-04-14 A. Ahlstrom Corporation Method and apparatus for drying solid material
RU2175075C2 (en) * 1996-12-26 2001-10-20 Мицубиси Хеви Индастриз, Лтд. Method and device for electrical energy generation (alternatives)
RU2007116728A (en) * 2004-10-12 2008-11-20 Грейт Ривэ Энеджи (Us) METHOD OF HEAT PROCESSING, IMPROVEMENT OF QUALITY OF HIGH-MOISTURE MATERIALS USING HEAT SOURCES AND SYSTEM OF DISPOSAL OF HEAT AND CARBON DRYING
RU2301374C1 (en) * 2006-04-24 2007-06-20 Евгений Иванович Кондра Method and device for preparing fuel for combustion

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
КОПЫТОВ В.В., Газификация конденсированных топлив: ретроспективный обзор, современное состояние дел и перспективы развития, Москва, Инфра-Инженерия, 2012, с.298-300. *

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2793101C1 (en) * 2022-04-13 2023-03-29 Игорь Владимирович Тихомиров Method of energy utilization of solid carbon-containing wastes and the small mobile solid fuel electric hydrogen device for its implementation
RU2788409C1 (en) * 2022-05-31 2023-01-19 Виктор Николаевич Стародубцев Waste disposal plant

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN101992204B (en) Domestic waste and sewage sludge resource ecology process for separating and recovering
JP2008519687A (en) Slurry dehydration and conversion of biosolids into renewable fuels
CN106938881A (en) A kind of processing system and method for carbonaceous solids discarded object
CN105314812A (en) Sludge treatment system and treatment method thereof
CN111989169B (en) Waste treatment system and waste treatment method
CN204388069U (en) A kind of solid waste pyrolysis formula fusion and gasification treating apparatus
CN105737163A (en) Household garbage internal circulation sealed low-temperature pyrolysis system and method based on decoupling combustion
CN105509059A (en) Power generation system and power generation method
CN103534462A (en) Gasifier power plant and management of wastes
CN105546548A (en) Multifunctional solid waste treatment device and solid waste treatment method thereof
CN101056968A (en) Method of slurry dewatering and conversion of biosolids to a renewable fuel
CN201072128Y (en) Biomass gasification electric generating apparatus of gas control type thermal decomposition system
RU2631450C1 (en) Method of producing electricity from substandard fuel biomass and device for its implementation
CN204421013U (en) Domestic garbage pyrolysis reduction treatment system
CN2697475Y (en) Screened pyrolyzing treatment furnace for domestic refuse
CN105327930A (en) Power generation system using household garbage and power generation method thereof
RU2631456C1 (en) Method for producing electricity from sub-standart (wet) fuel biomass and device for its implementation
CN205165331U (en) System for utilize domestic waste electricity generation
RU2631455C1 (en) Method of producing electricity from substandard (wet) fuel biomass and device for its implementation
JP2020055004A (en) Waste treatment system
RU2631459C1 (en) Method of producing electricity from uncommediate (wet) fuel biomass and device for its implementation
CN105331380A (en) Power generation system and power generation method
CN1863738A (en) Method and apparatus for treating organic matter
CN205664385U (en) Organic matter self -power is dry to divide resource system with pyrolysis, complete set
CN106402887A (en) System and method for drying garbage by means of waste heat from flue gas

Legal Events

Date Code Title Description
PD4A Correction of name of patent owner
PC43 Official registration of the transfer of the exclusive right without contract for inventions

Effective date: 20200826