RU2631459C1 - Method of producing electricity from uncommediate (wet) fuel biomass and device for its implementation - Google Patents
Method of producing electricity from uncommediate (wet) fuel biomass and device for its implementation Download PDFInfo
- Publication number
- RU2631459C1 RU2631459C1 RU2016114316A RU2016114316A RU2631459C1 RU 2631459 C1 RU2631459 C1 RU 2631459C1 RU 2016114316 A RU2016114316 A RU 2016114316A RU 2016114316 A RU2016114316 A RU 2016114316A RU 2631459 C1 RU2631459 C1 RU 2631459C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- steam
- gasification
- air
- stage
- heat
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
- F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
- F01K17/00—Using steam or condensate extracted or exhausted from steam engine plant
- F01K17/04—Using steam or condensate extracted or exhausted from steam engine plant for specific purposes other than heating
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
- F23G—CREMATION FURNACES; CONSUMING WASTE PRODUCTS BY COMBUSTION
- F23G5/00—Incineration of waste; Incinerator constructions; Details, accessories or control therefor
- F23G5/02—Incineration of waste; Incinerator constructions; Details, accessories or control therefor with pretreatment
- F23G5/04—Incineration of waste; Incinerator constructions; Details, accessories or control therefor with pretreatment drying
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
- F23K—FEEDING FUEL TO COMBUSTION APPARATUS
- F23K1/00—Preparation of lump or pulverulent fuel in readiness for delivery to combustion apparatus
- F23K1/04—Heating fuel prior to delivery to combustion apparatus
-
- Y—GENERAL 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
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E20/00—Combustion technologies with mitigation potential
- Y02E20/12—Heat 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
Description
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). Unconventional technologies. Energy biowaste. Terms and definitions), and under biomass fuel - solid primary biomass, solid waste from processing primary biomass, solid urban (household) waste (MSW) that can be used as energy 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 CO2 (по отношению к балансу углекислого газа в атмосфере), что снижает антропогенную нагрузку на окружающую среду;- renewability, i.e. neutrality in CO 2 emissions (relative to the balance of carbon dioxide in the atmosphere), which reduces the anthropogenic pressure on the environment;
- 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 невозможно либо 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 its growth potential in the framework of existing technologies is limited due to the fact that most of the energy comes from to the so-called "waste" heat, which is often impossible to use effectively or difficult 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 / 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 содержат 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 associated electric generator / Handbook. “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. …", from. 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, как правило, 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, which usually 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 сгорания 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 combustion chamber of the boiler (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 above source: Use of biomass energy ..., sec. 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 A<60%, содержание углерода C>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 the use of 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.- bulkiness of equipment.
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 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 various methods have been developed for the gasification of solid fuels and the design of gasification reactors (gas generators) / see the above Handbook. 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 p .; G.G. Tokarev. Gas generating cars. Gos. scientific - those. publishing house lit., M., 1955 /, while the fuel 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 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 (ДВС), 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 producing 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 (ICE), implemented in a gas-generating electric power plant / cm. the above reference "Boiler houses and power plants on biofuel ...", 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 / Г.Г.Токарев. Газогенераторные автомобили. Гос. науч.-тех. изд-во машиностр. лит., М., 1955/, однако ему присущи существенные недостатки:This method of power generation based on gas piston units has received practical distribution / GG Tokarev. Gas generating cars. Gos. scientific publishing house lit., M., 1955 /, however, it has significant shortcomings:
- 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 (CO, NOx) в атмосферу вследствие использования газопоршневых агрегатов в технологической цепи генерирования электроэнергии;- high content of harmful emissions (CO, NOx) 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 (significant specific gravity per unit of power and dimensions, the presence of a complex multi-stage system for cleaning, cooling and drying gas, 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 внешнего сгорания) 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 gasification of fuel biomass in the first stage and burning of the obtained fuel gas and conversion of thermal energy into mechanical energy in a heat engine (external engine combustion) of a closed cycle, where the working fluid circulates in a closed circuit without any connection 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 (ПТУ, ППД, ПВМ, турбина ORC, двигатель Стерлинга).In power plants of low power (up to 100 ... 500 kW), proven technologies can be used based on well-known engines (PTU, PPD, FDA, ORC turbine, Stirling engine).
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, указанный выше источник: Копытов В.В. Газификация конденсированных топлив…, 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 H2, монооксид углерода CO 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 газовой топке парового котла (парогенератора), 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, the above source: Kopytov V.V. Gasification of condensed fuels ..., 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, blowing 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 the gas furnace of the 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 reactor -gasifier as a gasifying agent in the volume necessary for gasification reactions, flue gases are filtered with a purifier with lime (a special filter-neutralizer sulfur) and are released 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.
В изобретении обеспечивается получение технических результатов, которые 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, и, 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 исходное сырье для производства электроэнергии перед подачей на газификацию непрерывно либо дозировано загружается в сушильный аппарат барабанного типа, где подвергается конвективной воздушно-калориферной сушке с использованием тепловой энергии от охлаждения и конденсации отработавшего пара. Для этого создают замкнутый контур циркуляции рабочего тела тепловой (паровой) машины, в котором отработавший пар конденсируется посредством двухступенчатой схемы воздушного охлаждения с промежуточной (межступенчатой) конвективной воздушно-калориферной сушкой сырья. При этом сушильный агент -атмосферный воздух - в качестве теплоносителя и влагопоглотителя посредством принудительной, в частности, однократной циркуляции отбирает тепло от парового теплоносителя в паровоздушном теплообменнике на 1-й ступени конденсации, затем подогревает и осушает сырье в сушильном аппарате, в частности, барабанного типа, и далее охлажденный и увлажненный воздух отбирает тепло от парового теплоносителя в паровоздушном теплообменнике на 2-й ступени конденсации и возвращается в атмосферу, а также частично в необходимом регулируемом объеме используется для дутья в реакторе в качестве газифицирующего агента, содержащего в своем составе также и некоторую часть влаги, а отработавший пар, завершивший фазовый переход в виде конденсата, продолжает циркулировать в замкнутом контуре, высушенное же сырье непрерывно либо дозировано поступает в реактор-газификатор.The invention provides technical results, which 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 thermal energy of fuel gas burned in a steam boiler (steam generator) into electricity through heat (steam) machines with an electric generator, and, secondly, in expanding the range of used cheap low-grade raw materials, including substandard (in moisture content up to 70 ... 85%), oplivnuyu biomass, and are achieved due to the fact that the feedstock for the production of electric power before being fed to gasification dosed continuously or loaded into a dryer drum, where the air is subjected to convective drying-air heater using the thermal energy from the cooling and condensing the exhaust steam. To do this, create a closed loop circulation of the working fluid of a heat (steam) machine, in which the exhaust steam is condensed by means of a two-stage air cooling circuit with an intermediate (interstage) convective air-caloriferous drying of raw materials. In this case, the drying agent — atmospheric air — as a heat carrier and a desiccant, by means of forced, in particular, single circulation, takes heat from the steam heat carrier in the steam-air heat exchanger at the 1st stage of condensation, then heats and dries the raw materials in the dryer, in particular, of a drum type , and then cooled and humidified air draws heat from the steam coolant in the steam-air heat exchanger at the 2nd stage of condensation and returns to the atmosphere, as well as partially in the necessary the controlled volume is used for blowing in the reactor as a gasifying agent, which also contains some moisture, and the exhaust steam, which has completed the phase transition in the form of condensate, continues to circulate in a closed circuit, while the dried raw material is continuously or metered into the gasification reactor .
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 использования в качестве сырья возобновляемого ресурса - биомассы, реализации двухстадийной схемы с газификацией биомассы, использования тепловых машин (двигателей) замкнутого цикла;- in terms of reducing harmful emissions into the atmosphere - by building a technological chain based on the use of a renewable resource as biomass, implementing a two-stage scheme with gasification of biomass, using closed-circuit heat machines (engines);
- в части снижения (исключения) вредного влияния (загрязнение, нарушение естественного температурного режима) на водные ресурсы - посредством исключения водяного охлаждения для отвода «сбросной» теплоты при конденсации теплоносителя (пара) и применения двухступенчатой схемы воздушного охлаждения с промежуточной (межступенчатой) конвективной воздушно-калориферной сушкой сырья;- in terms of reducing (eliminating) the harmful effect (pollution, violation of the natural temperature regime) on water resources - by eliminating water cooling to remove the "waste" heat during condensation of the coolant (steam) and using a two-stage air cooling system with an intermediate (interstage) convective air -caloriferous drying of raw materials;
- в части снижения отходов - за счет полноты переработки и исключения не утилизируемых отходов (в частности, специальных фильтров для очистки газов).- in terms of waste reduction - due to the completeness of processing and exclusion of non-recyclable waste (in particular, special filters for gas purification).
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 диапазона 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 (низкие габаритно-массовые характеристики), 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 range of output electric power, as well as improving operational and technical characteristics when implementing the present invention, such as working in a wide range of electricity consumption and with different steam quality, full automation of processes, compactness (low overall mass characteristics) ), for gasification of biomass a cylindrical inclined rotating reactor-gasifier is used in the mode of filtration combustion from super diabetic heating, and as a heat (steam) machine, various types of closed-loop external combustion engines (PTU, PPD, FDA, ORC turbines) can be used.
Сущность изобретения поясняется чертежами.The invention is illustrated by drawings.
На фиг. 1 представлена общая схема устройства для осуществления способа получения электроэнергии из некондиционной (по содержанию влаги) топливной биомассы по двухстадийной технологической схеме при использовании в качестве тепловой (паровой) машины ПТУ, ППД, ПВМ (рабочее тело - вода).In FIG. 1 shows a general diagram of a device for implementing a method of generating electricity from substandard (in terms of moisture content) fuel biomass according to a two-stage technological scheme when using PTU, PPD, PVM (working fluid - water) as a heat (steam) machine.
На фиг. 2 представлена общая схема устройства для осуществления способа получения электроэнергии из некондиционной (по содержанию влаги) топливной биомассы по двухстадийной технологической схеме при использовании в качестве тепловой (паровой) машины турбины ORC (рабочее тело - органический теплоноситель).In FIG. 2 shows a general diagram of a device for implementing a method for generating electricity from substandard (in terms of moisture content) fuel biomass according to a two-stage technological scheme when using an ORC turbine (working fluid - organic heat carrier) as a heat (steam) machine.
На фиг. 3 представлена общая схема устройства для осуществления способа получения электроэнергии из некондиционной (по содержанию влаги) топливной биомассы по двухстадийной технологической схеме при использовании для газификации биомассы цилиндрического наклонного вращающегося реактора-газификатора в режиме фильтрационного горения со сверхадиабатическим разогревом.In FIG. 3 shows a general diagram of a device for implementing a method for generating electricity from substandard (in terms of moisture content) fuel biomass according to a two-stage technological scheme when using a cylindrical inclined rotating gasifier reactor in the filtration combustion mode with super-adiabatic heating for biomass gasification.
На фиг. 4 приведены графики зависимости нижней теплотворной способности (НТС) исходной биомассы от ее относительной влажности (общей влаги).In FIG. Figure 4 shows graphs of the dependence of the lower calorific value (STV) of the initial biomass on its relative humidity (total moisture).
На фиг. 5 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 5 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. 6 приведен график зависимости величины электрического КПД предлагаемого устройства от величины КПД теплообмена при конденсации пара и сушке сырья (рекуперации тепла отработавшего пара).In FIG. Figure 6 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 of spent steam).
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, 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 A и водяной пар и/или вода (в зависимости от типа реактора-газификатора) W - в необходимых для протекания окислительно-восстановительных реакций газификации (стехиометрических) соотношениях с газифицируемым сырьевым материалом, а получаемый в результате газификации топливный газ G, содержащий водород H2, монооксид углерода CO и, в ряде случаев, метан и другие углеводороды и/или другие органические соединения (летучие фракции, пары смол), фильтруется через слой загруженного сырья 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». -ЛесПромИнформ, №1, 2009, с. 78-85).At the first stage, gasification of the crushed (if necessary) biomass F in the
На второй стадии получаемый топливный газ G непосредственно (без очистки и охлаждения) сжигается в паровом котле (парогенераторе) 7, оснащенном газовой топкой, тепловая энергия пара преобразуется в механическую энергию в тепловой (паровой) машине 8 - двигателе внешнего сгорания, и в электрическую энергию посредством электрогенератора 9.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 furnace, 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
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 в сушильный аппарат 2, например, барабанного типа -/ГОСТ 28115-89. Аппараты и установки сушильные. Классификация. Атмосферные с вращающимися барабанами насадочные/, где подвергается конвективной воздушно-калориферной сушке с нагревом высушиваемого материала посредством воздуха A в качестве сушильного агента, который принудительно нагнетается из атмосферы через воздушный двухступенчатый конденсатор 10, а именно через модуль 1-й ступени конденсации 11, представляющий собой паровоздушный теплообменник, например, радиатор из пучков тонких оребренных трубок для прохождения отработавшего в тепловой (паровой) машине 8 пара, который передает свою тепловую энергию нагреваемому воздуху, реализуя 1-ю ступень процесса своего охлаждения и конденсации /примеры технической реализации двухступенчатых воздушных конденсаторов 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./.In addition to the known two-stage scheme, in the implementation of the proposed method, the starting raw material — fuel biomass F substandard in moisture content — is fed continuously or metered into the drying
Далее подогретый воздух A поступает в сушильный аппарат 2, где в процессе сушки поглощает влагу и охлаждается, после чего проходит через модуль 2-й ступени конденсации 12, представляющий собой теплообменник, аналогичный теплообменнику 1-й ступени конденсации 11, в составе воздушного двухступенчатого конденсатора 10, где завершает процесс фазового перехода отработавшего пара в конденсат и в требуемом (регулируемом) объеме в качестве газифицирующего агента (в подогретом и увлажненном состоянии) направляется в реактор-газификатор 3, его излишки возвращаются в атмосферу, а конденсат собирается в коллекторе перепуска пара и отвода конденсата 13, откуда возвращается в резервуар питательной воды/органического теплоносителя 14.Then, the heated air A enters the
Высушенное сырье F из сушильного аппарата 2 непрерывно либо дозировано поступает через загрузочное устройство 4 в реактор-газификатор 3, твердый минеральный остаток от газификации биомассы - зола R - непрерывно или дозировано (порционно) выгружается через разгрузочное устройство 5 в сборник золы (конструкции устройства могут быть различными для различных типов реактора).The dried raw material F from the drying
Основным конструктивным элементом сушильного аппарата 2 барабанного типа является вращающийся сушильный барабан, в котором твердые частицы влажной биомассы F перемешиваются и обдуваются потоком принудительно циркулирующего сушильного агента - атмосферного воздуха А, являющегося одновременно теплоносителем и влагопоглотителем. Биомасса F поступает в барабан и удаляется из него через соответствующие загрузочный и разгрузочный шлюзы. При этом могут использоваться (альтернативно либо попеременно) режимы прямоточного или противоточного движения биомассы F и сушильного агента A, а этом сушильный барабан может устанавливаться под углом к горизонту, чтобы обеспечить необходимую скорость движения биомассы (для известных технических примеров это 3-4°). Частота вращения барабана может быть переменной и определяться параметрами высушиваемой биомассы (для известных технических примеров это 1,5-9 об/мин). Наклон барабана и его вращение обеспечивают движение биомассы под действием силы тяжести (и, возможно, напора воздуха для режима прямоточного движения) от загрузочной камеры (шлюза) к выгрузочной камере (разгрузочному шлюзу). В средней части сушильного барабана на его внутренней боковой стенке, как правило, устанавливаются лопастные, секторные, винтовые или иные насадки, обеспечивающие перемешивание сырья, что интенсифицирует процесс сушки, обеспечивая большую площадь поверхности контакта между частицами биомассы и сушильным агентом.The main structural element of the drum-
Циркуляция воздуха в контуре «атмосфера - модуль 1-й ступени конденсации 11 - сушильный аппарат 2 - модуль 2-й ступени конденсации 12 - атмосфера» (с частичной подачей в необходимом регулируемом объеме в реактор-газификатор 3 в качестве газифицирующего агента) может осуществляться, например, по воздуховодам с помощью нагнетательных и вытяжных вентиляторов (воздуходувок).Air circulation in the circuit “atmosphere - module of the 1st stage of condensation 11 - dryer 2 - module of the 2nd stage of condensation 12 - atmosphere” (with partial supply in the required regulated volume to the
Для частного случая использования в качестве тепловой машины турбины ORC (фиг. 2) рабочим телом тепловой машины является органический теплоноситель.For a special case of using an ORC turbine as a heat engine (Fig. 2), 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. 3) 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 C2, приоритет от 02.05.2006, Дорофеенко и др.; патент RU 2376527 C2 приоритет от 19.12.2007, Жирнов, Зайченко, Манелис, Полианчик).In the particular case of using at the gasification stage an inclined rotary cylindrical gasifier reactor 3 (Fig. 3) with a
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.
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.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.
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.For reference data / cm. the above sources: Reference book “Boiler houses and biofuel power plants ...; “Biomass as a source of energy ...” / 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:
где Δtw - температура нагрева влаги сырья от текущего значения до 100°C;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;
Lγ - удельная теплота парообразования.L γ is the specific heat of vaporization.
Принимая Δtw =80° (от 20°C до 100°C); Cw=4,1872 кДж/кгК; Lγ=2250 кДж/кг, получим Taking Δt w = 80 ° (from 20 ° C to 100 ° C); C w = 4.1872 kJ / kgK; L γ = 2250 kJ / kg, we get
Зависимость НТС исходного сырья от его влажности W для заданного диапазона исходных данных представлена на фиг. 4.The dependence of the STC of the feedstock on its moisture content W for a given range of source data is shown in FIG. four.
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):
Опытные данные по энергетической эффективности существующих малых энергоустановок с тепловыми двигателями (машинами) замкнутого цикла приведены в таблице 1 /см. указанные выше источники: «Применение энергии биомассы…»; А. Самылин, М. Яшин. «Современные конструкции газогенераторных установок». - ЛесПромИнформ, №1, 2009, с. 78-85/.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 /.
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 ηe=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 
или 
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 W max of the feedstock, at which its intrasystem autothermal (without energy from the outside, namely due to the utilization (recovery) of "waste" thermal energy at the outlet of the heat engine) drying is possible, can be determined from the ratio:
где γ - коэффициент теплообмена при рекуперации тепла отработавшего пара,where γ is the heat transfer coefficient during heat recovery of the exhaust steam,
отсюда 
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 ):
Исследуем, как изменяется величина электрического КПД ηe при отклонении параметров [W, Qc] сырья в зависимости от текущей относительной влажности W исходного сырья в диапазоне возможных значений W=(0; Wпpeд), где предельное значение относительной влажности исходного сырьяWe study how the electric efficiency η e changes when the parameters [W, Qc] of the feedstock deviate 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
а) Для случая 0<W<Wmax текущий 'электрический КПД определяется соотношением (5).a) For the
б) Для случая Wmax<W<Wпред необходимо учесть снижение теплотворной способности получаемого топливного газа и системные потери тепла, обусловленные его влажностью / 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 of W max <W <W before, it is necessary to take into account the decrease in the calorific value of the resulting fuel gas and the system heat loss due to its humidity / V. Kislov 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:
где Cвп - удельная теплоемкость водяного пара;where C sn - specific heat of water vapor;
Δtвп - температура нагрева водяного пара в дымовых газах;Δtsun- temperature of heating water vapor in flue gases;
ΔW - уменьшение влажности в результате сушки.ΔW - humidity reduction as a result of drying.
Принимая Cвп=2 510 дж/кг, Δtвп=125° и поставляя в (10) численные значения, получим:Taking C VP = 2 510 J / kg, Δt VP = 125 ° and supplying numerical values to (10), we obtain:
С учетом подсушки сырья справедливо соотношение:Given the drying of raw materials, the following ratio is true:
Подставляя (12) в (11), получимSubstituting (12) in (11), we obtain
Определяя электрический КПД устройства какDefining the electrical efficiency of the device as
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:
при уточненном предельном значении относительной влажности:at the specified limit value of relative humidity:
Графики зависимости электрического КПД
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°C.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.
Во-первых, для диапазона типичных 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 и ему соответствует максимальное значение электрического КПД 
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.So, according to calculations, the proposed device with a nominal 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) range 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.
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.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.
Во-вторых, верхняя граница диапазона допустимых значений влажности Wдоп исходного сырья может быть определена, исходя из требований к энергетической эффективности. В частности, при условии 
В-третьих, нелинейный характер зависимости электрического КПД
Claims (9)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2016114316A RU2631459C1 (en) | 2016-04-13 | 2016-04-13 | Method of producing electricity from uncommediate (wet) fuel biomass and device for its implementation |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2016114316A RU2631459C1 (en) | 2016-04-13 | 2016-04-13 | Method of producing electricity from uncommediate (wet) fuel biomass and device for its implementation |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2631459C1 true RU2631459C1 (en) | 2017-09-22 |
Family
ID=59931137
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2016114316A RU2631459C1 (en) | 2016-04-13 | 2016-04-13 | Method of producing electricity from uncommediate (wet) fuel biomass and device for its implementation |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2631459C1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2792934C1 (en) * | 2022-04-11 | 2023-03-28 | Общество с ограниченной ответственностью "БиоЭнерджи" | Cogeneration plant |
Citations (4)
| 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 |
-
2016
- 2016-04-13 RU RU2016114316A patent/RU2631459C1/en active
Patent Citations (4)
| 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)
| Title |
|---|
| КОПЫТОВ В.В., Газификация конденсированных топлив: ретроспективный обзор, современное состояние дел и перспективы развития, Москва, Инфра-Инженерия, 2012, с.298-300. * |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2792934C1 (en) * | 2022-04-11 | 2023-03-28 | Общество с ограниченной ответственностью "БиоЭнерджи" | Cogeneration plant |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN101992204B (en) | Domestic waste and sewage sludge resource ecology process for separating and recovering | |
| US4321151A (en) | Process for wastewater treatment and wastewater sludge conversion into energy | |
| AU2005304556B2 (en) | Slurry dewatering and conversion of biosolids to a renewable fuel | |
| US4321150A (en) | Process for wastewater treatment and wastewater sludge conversion into energy | |
| JP7050043B2 (en) | Waste treatment system | |
| CN106938881A (en) | A kind of processing system and method for carbonaceous solids discarded object | |
| CN111989169B (en) | Waste treatment system and waste treatment method | |
| CN105368499B (en) | Block biomass updraft type fixed bed gasification power generating simultaneously electricity, charcoal, the technique of heat | |
| CN105417923B (en) | A kind of sludge drying system | |
| 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 | |
| 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 | |
| CN104403680B (en) | The two-fluid cycle generating system and method for the predrying pyrolysis staged conversion of low-order coal | |
| CN204421013U (en) | Domestic garbage pyrolysis reduction treatment system | |
| RU2631450C1 (en) | Method of producing electricity from substandard fuel biomass and device for its implementation | |
| CN105327930A (en) | Power generation system using household garbage and power generation method thereof | |
| CN205165331U (en) | System for utilize domestic waste electricity generation | |
| RU2631456C1 (en) | Method for producing electricity from sub-standart (wet) fuel biomass and device for its implementation | |
| RU2631459C1 (en) | Method of producing electricity from uncommediate (wet) fuel biomass and device for its implementation | |
| JP2020055004A (en) | Waste treatment system | |
| RU2631455C1 (en) | Method of producing electricity from substandard (wet) fuel biomass and device for its implementation | |
| CN1863738A (en) | Method and apparatus for treating organic matter | |
| CN106402887A (en) | System and method for drying garbage by means of waste heat from flue gas | |
| CN206410140U (en) | Utilize the system of fume afterheat garbage drying |
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 |