RU2737833C1 - Autonomous electric generation method and device - small solid fuel power plant for its implementation - Google Patents
Autonomous electric generation method and device - small solid fuel power plant for its implementation Download PDFInfo
- Publication number
- RU2737833C1 RU2737833C1 RU2020122346A RU2020122346A RU2737833C1 RU 2737833 C1 RU2737833 C1 RU 2737833C1 RU 2020122346 A RU2020122346 A RU 2020122346A RU 2020122346 A RU2020122346 A RU 2020122346A RU 2737833 C1 RU2737833 C1 RU 2737833C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- gas
- reactor
- fuel
- air
- steam
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
- C10B—DESTRUCTIVE DISTILLATION OF CARBONACEOUS MATERIALS FOR PRODUCTION OF GAS, COKE, TAR, OR SIMILAR MATERIALS
- C10B49/00—Destructive distillation of solid carbonaceous materials by direct heating with heat-carrying agents including the partial combustion of the solid material to be treated
- C10B49/02—Destructive distillation of solid carbonaceous materials by direct heating with heat-carrying agents including the partial combustion of the solid material to be treated with hot gases or vapours, e.g. hot gases obtained by partial combustion of the charge
- C10B49/04—Destructive distillation of solid carbonaceous materials by direct heating with heat-carrying agents including the partial combustion of the solid material to be treated with hot gases or vapours, e.g. hot gases obtained by partial combustion of the charge while moving the solid material to be treated
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
- C10J—PRODUCTION OF PRODUCER GAS, WATER-GAS, SYNTHESIS GAS FROM SOLID CARBONACEOUS MATERIAL, OR MIXTURES CONTAINING THESE GASES; CARBURETTING AIR OR OTHER GASES
- C10J3/00—Production of combustible gases containing carbon monoxide from solid carbonaceous fuels
- C10J3/02—Fixed-bed gasification of lump fuel
- C10J3/06—Continuous processes
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
- F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
- F02B43/00—Engines characterised by operating on gaseous fuels; Plants including such engines
- F02B43/08—Plants characterised by the engines using gaseous fuel generated in the plant from solid fuel, e.g. wood
-
- 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
- F23G5/027—Incineration of waste; Incinerator constructions; Details, accessories or control therefor with pretreatment pyrolising or gasifying stage
-
- 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
-
- 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
- Y02E20/16—Combined cycle power plant [CCPP], or combined cycle gas turbine [CCGT]
- Y02E20/18—Integrated gasification combined cycle [IGCC], e.g. combined with carbon capture and storage [CCS]
-
- 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
- Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
- Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
- Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
- Y02T10/30—Use of alternative fuels, e.g. biofuels
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Combustion & Propulsion (AREA)
- Oil, Petroleum & Natural Gas (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Solid Fuels And Fuel-Associated Substances (AREA)
- Processing Of Solid Wastes (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к малой распределенной электроэнергетике на основе переработки местных, прежде всего возобновляемых энергоресурсов, а именно твердого низкосортного углеродсодержащего сырья - биомассы, в том числе некондиционной в виде отходов производства и потребления, торфа, бурых углей и т.п., путем газификации для использования в автономных энергетических установках в интересах построения устойчивой системы децентрализованного энергоснабжения, а также решения проблемы экологически безопасной утилизации (переработки) твердых коммунальных отходов.The invention relates to a small distributed electric power industry based on the processing of local, primarily renewable energy resources, namely solid low-grade carbonaceous raw materials - biomass, including substandard in the form of production and consumption waste, peat, brown coal, etc., by gasification for use in autonomous power plants in the interests of building a sustainable system of decentralized energy supply, as well as solving the problem of environmentally safe disposal (recycling) of municipal solid waste.
«Энергетическая стратегия России на период до 2030 года» предусматривает «… развитие малой энергетики в зоне децентрализованного энергоснабжения за счет повышения эффективности использования местных энергоресурсов, в том числе новых видов топлива, получаемых из различных видов биомассы», которая относится к низкосортным видам топлива с высокой влажностью (до 85% и более), малой энергетической плотностью, низкой теплотой сгорания, неоднородностью фракционного состава, но при этом обладает весомыми преимуществами по сравнению с ископаемыми углеродсодержащими видами сырья, а именно возобновляемостью, почти полным отсутствием серы, а также других вредных для оборудования и окружающей среды химических элементов и соединений, распространенностью и доступностью. Нерафинированная некондиционная биомасса (древесные отходы, отходы сельскохозяйственной деятельности, отходы производства и потребления, в том числе твердые коммунальные отходы.), а также иные местные виды топлив, прежде всего на основе низкосортного твердого углеродсодержащего сырья (торф и продукты его переработки, бурые угли), в совокупности составляют топливные ресурсы, использование которых потенциально возможно в районах (территориях) их образования, производства, добычи и экономическая эффективность потребления которых ограничена районами (территориями) их происхождения /Постановление Правительства РФ от 22.02.2012 г. N 154 «О требованиях к схемам теплоснабжения, порядку их разработки и утверждения»/. Они представляют собой дешевый (с низкой, нулевой или отрицательной стоимостью) и практически не используемый в настоящее время источник местных энергоресурсов.The Energy Strategy of Russia for the period up to 2030 provides for “... the development of small-scale energy in the area of decentralized energy supply by increasing the efficiency of the use of local energy resources, including new types of fuel obtained from various types of biomass”, which refers to low-grade fuels with high humidity (up to 85% or more), low energy density, low calorific value, heterogeneity of the fractional composition, but at the same time it has significant advantages over fossil carbon-containing raw materials, namely renewability, almost complete absence of sulfur, as well as other harmful to equipment and the environment of chemical elements and compounds, abundance and availability. Unrefined substandard biomass (wood waste, agricultural waste, production and consumption waste, including solid municipal waste.), As well as other local types of fuels, primarily based on low-grade solid carbon-containing raw materials (peat and its processed products, brown coal) , in the aggregate, make up fuel resources, the use of which is potentially possible in the regions (territories) of their formation, production, production and the economic efficiency of consumption of which is limited to the regions (territories) of their origin / Decree of the Government of the Russian Federation of 22.02.2012 N 154 "On requirements for heat supply schemes, the procedure for their development and approval ”/. They represent a cheap (with low, zero or negative cost) and currently practically unused source of local energy resources.
Несмотря на доминирование традиционной энергетики, в России имеются обширные районы, где развитие энергоснабжения по экономическим, экологическим и социальным условиям, а также условиям ресурсообеспечения целесообразно рассматривать с учетом масштабного использования малых автономных электростанций на возобновляемых источниках энергии.Despite the dominance of traditional energy, there are vast regions in Russia where the development of energy supply in terms of economic, environmental and social conditions, as well as the conditions of resource supply, should be considered taking into account the large-scale use of small autonomous power plants using renewable energy sources.
В первую очередь к ним могут быть отнесены зоны автономного энергоснабжения, площадь которых составляет около 70% территории всей страны, где по разным подсчетам проживает от 10 до 20 млн. человек. Также потенциальными пользователями возобновляемой энергии могут выступать: зоны централизованного энергоснабжения с большим дефицитом электроэнергии и значительными материальными потерями и социальными проблемами из-за частых отключений потребителей энергии, населенные пункты со сложной экологической обстановкой, объекты с морально и физически изношенным традиционным энергетическим оборудованием, рекреационно-оздоровительные зоны.First of all, these can include zones of autonomous power supply, the area of which is about 70% of the territory of the whole country, where, according to various estimates, from 10 to 20 million people live. Also, potential users of renewable energy can be: zones of centralized energy supply with a large shortage of electricity and significant material losses and social problems due to frequent outages of energy consumers, settlements with a difficult environmental situation, objects with morally and physically worn out traditional energy equipment, recreational zones.
Наиболее серьезным недостатком «большой энергетики» являются огромные потери полезной энергии при доставке ее от производителей конечным потребителям. Даже при применении самых последних достижений науки и техники в развитых странах эти потери составляют 60…70%. Кроме того, создание крупных электростанций обусловлено множеством экономических, экологических, географических и геологических сдерживающих факторов, а также требованиями безопасности и охраны окружающей среды. Природоохранные ограничения, высокая стоимость земли и воды, значительные капитальные затраты, государственное регулирование и множество других препятствий создают трудности во всем мире для строительства новых мощных электростанций.The most serious drawback of “big power engineering” is the huge losses of useful energy when it is delivered from producers to end consumers. Even with the use of the latest achievements of science and technology in developed countries, these losses amount to 60 ... 70%. In addition, many economic, environmental, geographic and geological constraints, as well as safety and environmental requirements, are driving the construction of large power plants. Environmental restrictions, high land and water costs, significant capital expenditures, government regulations and many other obstacles create difficulties around the world for the construction of new powerful power plants.
В связи с этим одним из перспективных направлений развития мировой энергетики является создание инфраструктуры распределенного производства энергии - распределенной энергетики. Распределенное производство энергии (Distributed power generation) - концепция распределенных энергетических ресурсов - подразумевает наличие множества потребителей, которые производят тепловую и электрическую энергию для собственных нужд, направляя излишки в общую сеть. Такая схема обеспечивает уменьшение потерь электроэнергии при транспортировке по причине максимальной приближенности электрогенераторов к потребителям электричества, а также ведет к уменьшению количества и протяженности линий электропередачи.In this regard, one of the promising areas of development of the world energy is the creation of infrastructure for distributed energy production - distributed energy. Distributed power generation - the concept of distributed energy resources - implies the presence of many consumers who produce heat and electricity for their own needs, directing the surplus to the general network. Such a scheme ensures a decrease in electricity losses during transportation due to the maximum proximity of electric generators to electricity consumers, and also leads to a decrease in the number and length of power lines.
Распределенное производство электроэнергии (распределенная электрогенерация) характеризуется малыми затратами на обслуживание, низким загрязнением окружающей среды и высокой эффективностью.Distributed power generation (distributed power generation) is characterized by low maintenance costs, low environmental pollution and high efficiency.
К сферам эффективного применения малых автономных электростанций как технической основы распределенной электрогенерации можно отнести также поддержание баланса спроса с учетом перспектив развития глобальной неуглеродной экономики, обеспечение устойчивого электроснабжения на территориях с долговременными чрезвычайными ситуациями, на станциях зарядки электромобилей, создание экологически чистой альтернативы мусоросжигательным технологиям, особенно в мегаполисах, при исключении или существенном снижении вредных выбросов в атмосферу (парниковых газов, прежде всего СО2, оксидов азота и др. выбросов) и загрязнения (сбросов) водных ресурсов. Сырьевая база - местные низкосортные виды сырья, в том числе возобновляемое сырье - биомасса (отходы производства, твердые коммунальные отходы и т.п.), торф и бурые угли, а также продукты их переработки.The areas of effective use of small autonomous power plants as a technical basis for distributed power generation can also include maintaining a balance of demand, taking into account the prospects for the development of a global non-carbon economy, ensuring sustainable power supply in areas with long-term emergency situations, at charging stations for electric vehicles, creating an environmentally friendly alternative to waste incineration technologies, especially in megacities, with the elimination or significant reduction of harmful emissions into the atmosphere (greenhouse gases, primarily CO 2 , nitrogen oxides and other emissions) and pollution (discharges) of water resources. Raw materials base - local low-grade raw materials, including renewable raw materials - biomass (industrial waste, solid municipal waste, etc.), peat and brown coal, as well as products of their processing.
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.Obtaining electricity from solid biomass, which is a universal type of high quality energy, 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 are carried out through the use of thermal power plants (TPP), in particular, condensing power plants, however, their electrical efficiency, especially in terms of power plants of low power, is extremely low and the possibilities of its growth within the framework of existing technologies are limited due to the fact that most of the energy is on the removed, so-called "waste" heat, which is often difficult to effectively use in practice.
Наиболее существенные недостатки способов получения электроэнергии на основе технологий прямого сжигания биомассы:The most significant disadvantages of methods for generating electricity based on technologies for direct combustion of biomass:
- 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 losses), which does not allow building a sustainable energy system on their basis;
- 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 (по оценкам, 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 and expensive cleaning of flue gases is required (according to estimates, the cost of a modern more than 60% 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 (т.н. треугольник 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, at which its autogenous (self-sustaining) combustion is possible without the use of additional fuel, corresponds to the Tanner condition (the so-called Tanner triangle): 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 biomass, its preliminary processing (grinding, compaction, drying, homogenization, etc.) or refining (production of fuel granules - pellets, fuel briquettes) is required;
- требуется отвод большого количества «сбросной» теплоты и, соответственно, большой расход охлаждающей воды;- it is required to remove a large amount of "waste" heat and, accordingly, a large consumption of cooling water;
- громоздкость оборудования.- bulky equipment.
Наиболее универсальным способом, позволяющим использовать такие виды сырья, является их высокотемпературная термохимическая конверсия, или газификация при температурах 800-1300°С в присутствии (дутье) воздуха или кислорода и водяного пара с получением топливного (иначе генераторного) газа - смеси H2, СО, СО2, NOx, СH4 /ГОСТ Р 54531-2011. Нетрадиционные технологии. Возобновляемые и альтернативные источники энергии. Термины и определения/, проводимая в газификаторах (иначе: реакторах-газификаторах, газогенераторах, конвертерах). При этом газ, который представляет собой дешевый, удобный и экологически чистый энергоноситель, в зависимости от его качества используется в дальнейшем в энергетической установке (сжигается в котельном агрегате или используется в качестве силового газа, т.е. для непосредственного получения энергии в двигателе - газопоршневой или газотурбинной установке). 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).The most universal way to use such types of raw materials is their high-temperature thermochemical conversion, or gasification at temperatures of 800-1300 ° C in the presence (blast) of air or oxygen and water vapor to obtain a fuel (otherwise generator) gas - a mixture of H 2 , CO , СО 2 , NO x , СH 4 / GOST R 54531-2011. Unconventional technologies. Renewable and alternative energy sources. Terms and definitions / carried out in gasifiers (otherwise: gasifier reactors, gas generators, converters). At the same time, gas, which is a cheap, convenient and environmentally friendly energy carrier, depending on its quality, is subsequently used in a power plant (burned in a boiler unit or used as a power gas, i.e. for direct energy production in an engine - gas piston or gas turbine). This allows you to significantly save on expensive equipment for gas cleaning of flue gases and equipment for the 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 (unreacted carbon) in the resulting gas and ash residue.
Инновационное направление для развития распределенной электрогенерации - развитие малых модульных установок до 1 МВт единичной мощности. Установки работают на воздушном (реже на кислородном) дутье, при атмосферном и среднем давлении, средних (до 1200°С), реже - высоких (1600-1800°С) температурах в плотном, кипящем слоях и в потоке, с использованием в основном низкосортного топлива (бурые угли, торф, биомасса). Уровень разработанности - в основном пилотные и демонстрационные проекты. К особенностям установок на воздушном дутье относят:An innovative direction for the development of distributed power generation is the development of small modular installations up to 1 MW of unit capacity. Installations operate on air (less often oxygen) blast, at atmospheric and medium pressure, medium (up to 1200 ° C), less often - high (1600-1800 ° C) temperatures in dense, fluidized beds and in a stream, using mainly low-grade fuels (brown coal, peat, biomass). Development level - mostly pilot and demonstration projects. The features of air blast installations include:
- низкокачественный газ (значительное количество балласта - N2, Н2О, СО2, а также смол и сажи);- low-quality gas (a significant amount of ballast - N 2 , H 2 O, CO 2 , as well as tar and soot);
- нерегулируемое соотношение Н2/СО;- unregulated ratio H 2 / CO;
- громоздкость, сложность и дороговизна при малой эффективности;- bulkiness, complexity and high cost with low efficiency;
- низкий коэффициент готовности.- low availability.
Однако потенциальные достоинства этих агрегатов значительны:However, the potential benefits of these units are significant:
- ориентация на использование местных топлив;- focus on the use of local fuels;
- компактность, мобильность, малый вес;- compactness, mobility, low weight;
- работа без наддува (при атмосферном давлении) на воздушном или обогащенном воздушном дутье и с твердым золоудалением (без шлакообразования);- work without pressurization (at atmospheric pressure) on air or enriched air blast and with solid ash removal (without slag formation);
- заводская готовность.- factory readiness.
Существующие технологии и конструкции газификации твердых (конденсированных) углеродсодержащих топлив весьма разнообразны /А. Самылин, М. Яшин. Современные конструкции газогенераторных установок. - ЛесПромИнформ, №1, 2009, с. 78-85; Железная Т.А., Гелетуха Г.Г. Обзор современных технологий газификации биомассы. - Пром. теплотехника, 2006, т.28, №2, с. 61-75; Копытов В.В. Газификация конденсированных топлив: ретроспективный обзор, современное состояние дел и перспективы развития - М: Инфра-Инженерия, 2012 - 504 с., с. 263-271/. С экологической точки зрения их главным преимуществом является сравнительно низкий уровень негативного воздействия на окружающую среду. Это, в первую очередь, обусловлено достаточно продолжительным (особенно для газификации в плотном слое) нахождением газообразных продуктов газификации конденсированных топлив сначала в зоне окисления (горения) при температурах от 1000…1200°С и выше, а затем в восстановительной (бескислородной) зоне формирования горючего топливного газа. При таких условиях происходит термическое разложение и восстановительное дехлорирование наиболее опасных веществ - диоксинов, фуранов, полихлорбифенилов, бенз(а)пиренов и других полициклических ароматических углеводородов.Existing technologies and designs for gasification of solid (condensed) carbon-containing fuels are very diverse / A. Samylin, M. Yashin. Modern designs of gas generating plants. - LesPromInform, No. 1, 2009, p. 78-85; Zheleznaya T.A., Geletukha G.G. Review of modern technologies for biomass gasification. - Prom. heat engineering, 2006, v.28, no. 2, p. 61-75; V. V. Kopytov Gasification of condensed fuels: a retrospective review, current state of affairs and development prospects - M: Infra-Engineering, 2012 - 504 p., P. 263-271 /. From an environmental point of view, their main advantage is a relatively low level of negative impact on the environment. This is primarily due to the rather long (especially for gasification in a dense layer) presence of gaseous products of gasification of condensed fuels, first in the oxidation (combustion) zone at temperatures from 1000 ... 1200 ° C and above, and then in the reducing (oxygen-free) formation zone combustible fuel gas. Under such conditions, thermal decomposition and reductive dechlorination of the most dangerous substances - dioxins, furans, polychlorinated biphenyls, benzo (a) pyrenes and other polycyclic aromatic hydrocarbons - occurs.
Низкосортное углеродсодержащее сырье, которое предназначено для использования в качестве топлива в настоящем изобретении, как правило, характеризуется повышенным содержанием золы (высокозольное сырье) и/или смол (высокобитуминозное сырье), а также влаги (влажное сырье). В связи с этим горючий топливный (иначе генераторный) газ, получаемый из такого некондиционного сырья по существующим технологиям (схемам) газификации, обладает свойствами, не позволяющими использовать его в качестве силового, т.е. для непосредственного получения энергии в двигателеLow-grade carbonaceous feedstocks that are intended for use as a fuel in the present invention are generally characterized by increased ash (high ash feedstock) and / or tar (high bituminous feedstock) and moisture (wet feedstock) contents. In this regard, combustible fuel (otherwise, generator) gas obtained from such substandard raw materials according to existing gasification technologies (schemes) has properties that do not allow it to be used as a power gas, i.e. for direct power generation in the engine
- газопоршневой или газотурбинной установке, а именно:- gas piston or gas turbine installation, namely:
- высокую температуру (300…700°С) и, соответственно, малую плотность, что приводит к ухудшению наполнения двигателя и падению его мощности;- high temperature (300 ... 700 ° С) and, accordingly, low density, which leads to a deterioration in the filling of the engine and a drop in its power;
- низкую объемную теплотворность вследствие большого содержания балласта (азота воздуха, влаги, углекислого газа); так, для наиболее калорийного газа, получаемого при воздушном дутье, - менее 4000 кДж/м3 сухого газа, для наиболее калорийного на парокислородном дутье под давлением - около 15000 кДж/м3 /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; с. 138-143/;- low volumetric calorific value due to the high content of ballast (air nitrogen, moisture, carbon dioxide); so, for the most high-calorie gas obtained with air blast - less than 4000 kJ / m 3 of dry gas, for the most high-calorie gas for steam-oxygen blast under pressure - about 15000 kJ / m 3 / Handbook. “Boilers and power plants on biofuel. Modern technologies for generating heat and electricity using various types of biomass. " Ovsyanko A.D., Pechnikov S.A., St. Petersburg, Biofuel portal WOOD-PELLETS.COM. 2008 360 p. with ill; from. 138-143 /;
- высокое содержание вредных примесей (зола, угольная пыль, сажа, смолистые вещества, сернистые соединения, влага), которые нарушают нормальную работу двигателя, вызывают преждевременный износ трущихся деталей и отказ двигателя.- high content of harmful impurities (ash, coal dust, soot, resinous substances, sulfur compounds, moisture), which disrupt the normal operation of the engine, cause premature wear of rubbing parts and engine failure.
Такие свойства получаемого топливного 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.Such properties of the resulting fuel gas - high temperature, the presence of moisture, dust and tar, low calorific value, low pressure - when it is used to generate electricity using technologies that are effective for natural gas (in open and semi-closed cycle plants - in gas piston units, gas turbine plants), lead to a significant complication and increase in the cost of equipment (multi-stage cleaning, cooling and drying systems, booster compressors are required), a significant decrease in the efficiency of the used power units, and the bulkiness of the installations.
Широкое практическое распространение получил способ электрогенерации на базе газопоршневых агрегатов /Г.Г. Токарев. Газогенераторные автомобили. Гос. науч.-тех. изд-во машиностр. лит., М., 1955/. Так, известная типовая твердотопливная газопоршневая электростанция /см. Справочник. «Котельные и электростанции на биотопливе …». с. 248-253/, состоит из участков топливоподготовки, газификации, электрогенерации и системы оборотной воды. При этом участок топливоподготовки включает в себя оборудование для предварительной подготовки топлива из исходного сырья - транспортеры, металлодетектор, дробилку для измельчения щепы, вибросито для удаления некондиционной щепы, систему управления и автоматики. На участке газификации установлен реактор-газификатор - газогенератор WBG400 с очистительными установками для охлаждения, осушки и очистки получаемого газа (циклон, скруббер Вентури, мокрая газодувка, осушитель газа, активный и пассивный фильтры тонкой очистки, контрольный фильтр и др.). Участок электрогенерации - это электрогенераторная установка с газопоршневым двигателем и шкафами управления. Участок системы оборотной воды предназначен для организации замкнутой системы технологической воды, используемой для охлаждения получаемого газа, и представляет собой блочно-модульного очистное сооружение (трубопроводы, насосы, емкости, блоки очистки, пульт управления, градирня или теплообменник).The method of power generation based on gas piston units has become widespread in practice / G.G. Tokarev. Gas generating vehicles. State scientific and technical publishing house of machine building. lit., M., 1955 /. So, the well-known typical solid-fuel gas-piston power plant / cm. Directory. "Boilers and power plants on biofuel ...". from. 248-253 /, consists of sections for fuel preparation, gasification, power generation and recycling water system. At the same time, the fuel preparation section includes equipment for the preliminary preparation of fuel from raw materials - conveyors, a metal detector, a crusher for crushing chips, a vibrating sieve for removing substandard chips, a control and automation system. At the gasification section, a gasifier reactor - a WBG400 gas generator with purification plants for cooling, drying and cleaning the produced gas (cyclone, Venturi scrubber, wet blower, gas dryer, active and passive fine filters, control filter, etc.) is installed. The power generation section is a generator set with a gas piston engine and control cabinets. The section of the circulating water system is designed to organize a closed system of process water used to cool the produced gas, and is a block-modular treatment facility (pipelines, pumps, tanks, treatment units, control panel, cooling tower or heat exchanger).
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.The power plant operates in CHP mode, providing an output electric power of 250 kW and a thermal power of 469 kW, with an overall efficiency of about 50% in nominal mode, taking into account useful heat recovery.
Существенные признаки приведенного решения, аналогичные признакам заявляемого изобретения:Essential features of the above solution, similar to the features of the claimed invention:
- наличие участков топливоподготовки, газификации и электрогенерации)- availability of fuel preparation, gasification and power generation sections)
- газификация твердого топлива в реакторе-газификаторе по схеме прямого процесса паровоздушной газификации в плотном слое;- gasification of solid fuel in a reactor-gasifier according to the scheme of the direct process of vapor-air gasification in a dense bed;
- использование очищенного и охлажденного топливного газа в газопоршневом двигателе;- use of purified and cooled fuel gas in a gas piston engine;
- применение водяного теплообменника в замкнутой системе охлаждения получаемого топливного газа.- the use of a water heat exchanger in a closed cooling system of the resulting fuel gas.
Однако этому и подобным техническим решениям с использованием реакторов шахтного типа присущи недостатки, существенно ограничивающие область их эффективного использования в интересах малой распределенной электроэнергетики, а именно:However, this and similar technical solutions using shaft-type reactors have inherent disadvantages that significantly limit the area of their effective use in the interests of small-scale distributed electric power industry, namely:
- 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;
- низкая эффективность превращения твердого топлива в газообразное (КПД газификации до 80%) ввиду тепловых и химических потерь от недожога топлива (сажа, провал в зольник, унос углерода в виде пыли);- low efficiency of converting solid fuel into gaseous (gasification efficiency up to 80%) due to thermal and chemical losses from fuel underburning (soot, sinking into the ash pan, carbon carryover in the form of dust);
- высокое содержание вредных выбросов (СО, NOx) в атмосферу вследствие использования газопоршневых двигателей в технологической цепи генерирования электроэнергии;- high content of harmful emissions (CO, NO x ) into the atmosphere due to the use of gas piston engines in the technological chain of power generation;
- ограничения по использованию некондиционного сырья (содержание влаги не выше 0,20);- restrictions on the use of substandard raw materials (moisture content not higher than 0.20);
- 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 installations, a significant specific weight per unit of power and dimensions, the presence of a complex multistage system for cleaning, cooling and drying gas, a low degree of automation.
В то же время известен ряд технических решений, направленных на повышение эффективности газификации углеродсодержащего, и в частности, низкосортного сырья, а также на обеспечение требуемого уровня технико-экономических и эксплуатационно-технических характеристик энергетических установок в целом за счет инновационных технологий газификации, а также интеграции технологических процессов топливоподготовки, газификации и электрогенерации.At the same time, a number of technical solutions are known aimed at increasing the efficiency of gasification of carbon-containing, and in particular, low-grade raw materials, as well as ensuring the required level of technical, economic and operational and technical characteristics of power plants in general through innovative gasification technologies, as well as integration technological processes of fuel preparation, gasification and power generation.
Известны 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. Подобная схема предпочтительна 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). При этом в энергоустановках малой мощности могут быть использованы отработанные технологии на базе таких известных двигателей замкнутого цикла, как паротурбинная установка (ПТУ), паровой поршневой двигатель (ППД), паро-винтовая машина (ПВМ), турбина органического цикла (ORC). Такие решения предлагаются в известном «Способе получения электроэнергии из некондиционной (влажной) топливной биомассы и устройстве для его осуществления» (патент RU 2631455, Варочко А.Г., Забегаев А.И., Тихомиров И.В., дата публ. 22.09.2017).Known methods and installations for the production of electricity on the basis of a two-stage technological scheme, providing at the first stage gasification of fuel biomass, and at the second stage - combustion of the resulting fuel gas and conversion of thermal energy into mechanical energy in a heat engine (engine) of a closed cycle, where the working fluid circulates in a closed loop without communication with the atmosphere. Such a scheme is preferable from the point of view of minimizing the harmful effect on the environment by reducing harmful emissions into the atmosphere. As a result of reducing or eliminating the requirements for cleaning fuel gas, not only is gas cleaning equipment simplified and cheaper, but the calorific value of the gas also increases due to the combustible low- and high-molecular organic compounds (for example, alcohols and, especially, resins) contained in it. In addition, if the operation of cooling the produced gas is excluded, while saving on the appropriate equipment, the physical heat of the hot gas contributes to the heating of the working fluid of the power plants, and the issue of disposal of liquid secondary waste (gas condensate) is also removed. At the same time, proven technologies based on such well-known closed-cycle engines as a steam turbine unit (STU), a steam piston engine (SPE), a steam-screw engine (PVM), and an organic cycle turbine (ORC) can be used in low-power power plants. Such solutions are offered in the well-known "Method for producing electricity from substandard (wet) fuel biomass and a device for its implementation" (patent RU 2631455, Varochko A.G., Zabegaev A.I., Tikhomirov I.V., published date 22.09. 2017).
Способ предполагает производство электроэнергии по двухстадийной технологической схеме с газификацией сырья в реакторе-газификаторе прямого процесса паровоздушной газификации в плотном слое, в частности цилиндрическом наклонном вращающемся реакторе-газификаторе в режиме фильтрационного горения со сверхадиабатическим разогревом, что позволяет эффективно газифицировать сырье, в том числе высокозольное /Кислов В.М. Газификация древесины и ее компонентов в фильтрационном режиме. Автореферат дисс.на соискание ученой степени к.ф.м.н. ИПХФ РАН, Черноголовка, 2008; Зайченко А.Ю. Влияние движения твердой фазы на характер фильтрационного горения. Автореферат дисс. на соискание ученой степени к.ф.м.н. Черноголовка - 2008. ИПХФ РАН/, и последующим непосредственным сжиганием получаемого горячего топливного газа и преобразованием тепловой энергии в электроэнергию посредством тепловой (паровой) машины и электрогенератора.The method involves the production of electricity according to a two-stage technological scheme with gasification of raw materials in a gasifier reactor of a direct process of vapor-air gasification in a dense bed, in particular, a cylindrical inclined rotating gasifier reactor in a filtration combustion mode with superadiabatic heating, which makes it possible to efficiently gasify raw materials, including high-ash / Kislov V.M. Gasification of wood and its components in a filtration mode. Abstract of a thesis for the degree of Ph.D. IPHF RAS, Chernogolovka, 2008; Zaychenko A.Yu. Influence of solid phase motion on the character of filtration combustion. Abstract dissertation. for the degree of Ph.D. Chernogolovka - 2008. IPCP RAS /, and subsequent direct combustion of the resulting hot fuel gas and conversion of thermal energy into electricity by means of a thermal (steam) engine and an electric generator.
Изобретение предусматривает рекуперацию «сбросной» теплоты отработавшего в тепловой машине пара посредством его конденсации в замкнутом контуре циркуляции рабочего тела (воды/органического теплоносителя) тепловой (паровой) машины по двухступенчатой схеме воздушного охлаждения, включающей непрерывную межступенчатую комбинированную конвективную воздушно-калориферную и кондуктивную (контактную) сушку исходного сырья, использованный при этом воздух в необходимом объеме подают в реактор-газификатор в качестве газифицирующего агента. Осуществление изобретения предполагается 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. Предлагается использование различных типов тепловой машины - ПТУ, ПВМ, ППД, турбины ORC.The invention provides for the recuperation of the "waste" heat of the steam spent in the heat engine by means of its condensation in a closed circuit of the circulation of the working fluid (water / organic coolant) of the heat (steam) engine according to a two-stage air cooling scheme, including a continuous interstage combined convective air-heater and conductive (contact ) drying of the feedstock, the air used in the required volume is fed into the reactor-gasifier as a gasifying agent. The implementation of the invention is assumed by introducing a condensation-drying unit into the device, connected to the outlet of a heat (steam) machine for exhaust steam and structurally representing a two-stage air steam condenser containing a steam line in the form of series-connected units - a module of the 1st condensation stage, a bypass collector steam and condensate drain with integrated (built-in) rotating drying drum, module of the 2nd stage of condensation. It is proposed to use various types of heat engines - PTU, FDA, RPM, ORC turbine.
Существенные признаки приведенного решения, аналогичные признакам заявляемого изобретения:Essential features of the above solution, similar to the features of the claimed invention:
- газификация топлива в реакторе прямого процесса паровоздушной газификации в плотном слое, в частности цилиндрическом наклонном вращающемся реакторе, предпочтительно в режиме фильтрационного горения со сверхадиабатическим разогревом;- gasification of fuel in the reactor of the direct process of steam-air gasification in a dense bed, in particular in a cylindrical inclined rotating reactor, preferably in a filtration combustion mode with superadiabatic heating;
- воздушно-конвекционная сушка исходного некондиционного (влажного) сырья в конденсационно-сушильном блоке с интегрированным (встроенным) вращающимся сушильным барабаном за счет рекуперации потерь тепла с подачей отработанного при этом воздуха в необходимом объеме в реактор в качестве газифицирующего агента.- air-convection drying of the original substandard (wet) raw material in a condensation-drying unit with an integrated (built-in) rotating drying drum due to heat loss recovery with the supply of waste air in the required volume to the reactor as a gasifying agent.
Известен также «Способ получения электроэнергии из некондиционной (влажной) топливной биомассы и устройстве для его осуществления» (патент RU 2631456, Варочко А.Г., Забегаев А.И., Тихомиров И.В., дата публ. 22.09.2017), отличающийся от вышеприведенного тем, что сырье для производства электроэнергии перед подачей на газификацию дополнительно подвергают кондуктивно-конвективной сушке отходящими дымовыми газами, которые перед выбросом в атмосферу проходят очистку органическим адсорбером со сменными фильтрующими элементами. Соответственно дополнительно к существенным признаки приведенного решения, аналогичным признакам заявляемого изобретения, относятся:It is also known "A method for generating electricity from substandard (wet) fuel biomass and a device for its implementation" (patent RU 2631456, Varochko A.G., Zabegaev A.I., Tikhomirov I.V., published on September 22, 2017), which differs from the above in that the raw material for power generation, before being fed to gasification, is additionally subjected to conductive-convective drying with flue gases, which are purified by an organic adsorber with replaceable filter elements before being released into the atmosphere. Accordingly, in addition to the essential features of the above solution, similar features of the claimed invention, include:
- кондуктивный нагрев твердого топлива после сушки перед загрузкой в реакторы за счет тепла выхлопных газов;- conductive heating of solid fuel after drying before loading into reactors due to the heat of exhaust gases;
- очистка дымовых (выхлопных) газов посредством их фильтрации через сменные фильтрующие элементы из органического адсорбента - активированного угля.- purification of flue (exhaust) gases by filtration through replaceable filtering elements made of organic adsorbent - activated carbon.
Приведенные выше изобретения позволяют повысить электрический КПД, расширить спектр используемого дешевого низкосортного сырья в части некондиционной, в том числе по содержанию влаги (до 0,70…0,85), топливной биомассы, при минимизации вредного влияния на окружающую среду и обеспечении автономности процесса производства электроэнергии.The above inventions make it possible to increase the electrical efficiency, expand the range of used cheap low-grade raw materials in terms of substandard ones, including the moisture content (up to 0.70 ... 0.85), fuel biomass, while minimizing the harmful effect on the environment and ensuring the autonomy of the production process electricity.
Однако данные решения имеют ряд недостатков, ограничивающих возможности их эффективного применения в распределенной энергетике, а именно громоздкость оборудования - тепловых машин, теплообменников, паровых котлов, трудоемкость его обслуживания, а также сложность и высокая стоимость ввиду необходимости установки дополнительно специальных газовых горелок и камер дожигания для низкокалорийного топливного газа. Кроме того, предлагаемое использование в энергоустановках малой мощности (до 1 МВт) для электрогенерации двигателей замкнутого цикла (ПТУ, ППД, ПВМ, турбина ORC) значительно уступает по эффективности (электрическому КПД) отработанным технологиям на базе газопоршневых двигателей /см. А. Самылин, М. Яшин. Современные конструкции …»/.However, these solutions have a number of disadvantages that limit the possibilities of their effective use in distributed energy, namely, the cumbersomeness of equipment - heat engines, heat exchangers, steam boilers, the laboriousness of its maintenance, as well as the complexity and high cost due to the need to install additional special gas burners and afterburners for low calorific fuel gas. In addition, the proposed use in power plants of low power (up to 1 MW) for the power generation of closed-cycle engines (PTU, RPM, FDA, ORC turbine) is significantly inferior in efficiency (electrical efficiency) to the proven technologies based on gas piston engines / cm. A. Samylin, M. Yashin. Modern designs ... "/.
На устранение указанных недостатков направлено известное техническое решение - «Способ газификации твердого топлива и устройство для его осуществления (патент RU 2663144, Тихомиров И.В., Егоров О.В., Забегаев А.И, дата публ. 01.08.2018), являющееся наиболее близким к заявляемому изобретению по совокупности следующих существенных признаков.A well-known technical solution is aimed at eliminating these shortcomings - "Method for gasification of solid fuel and a device for its implementation (patent RU 2663144, Tikhomirov I.V., Egorov O.V., Zabegaev A.I., published on 01.08.2018), which is closest to the claimed invention in the combination of the following essential features.
Способ предусматривает газификацию твердого низкосортного углеродсодержащего сырья, в качестве которого используют биомассу, в том числе некондиционную (как высокозольную, так и высокобитуминозную) в виде отходов производства и потребления, а также торф, бурые угли, с последующим использованием полученного горючего топливного газа непосредственно в двигателях внутреннего сгорания - газопоршневых энергетических установках, прежде всего для выработки электроэнергии.The method provides for the gasification of solid low-grade carbon-containing raw materials, which is used as biomass, including substandard (both high-ash and high-bituminous) in the form of production and consumption waste, as well as peat, brown coal, with the subsequent use of the resulting combustible fuel gas directly in engines internal combustion - gas piston power plants, primarily for power generation.
Процесс паровоздушной газификации в плотном слое проводят одновременно в нескольких (не менее чем двух) цилиндрических наклонных вращающихся реакторах в составе полиреакторного газификатора (реакторного кластера). Он представляет собой последовательность двух чередующихся фаз - режимов, реализующих обращенный и прямой процессы газификации. На одной (первой) фазе осуществляют загрузку в верхнюю часть реактора твердого топлива - предварительно подготовленного (уплотненного и/или измельченного при необходимости) сырья и подают газифицирующий агент - воздух - непосредственно в реакционную зону, где перемещающееся туда твердое топливо частично окисляется (сгорает) и частично газифицируется (по обращенному процессу), а основная его часть в виде кокса перемещается в зону активации, где его подвергают обработке перегретым водяным паром при температуре выше 800°С и в виде активированного угля аккумулируют в буферной зоне, причем образующуюся при этом парогазовую смесь отводят из реактора. На другой (второй) фазе осуществляют паровоздушную газификацию в плотном слое (по прямому процессу, предпочтительно в режиме фильтрационного горения со сверхадиабатическим разогревом) аккумулированного активированного угля, обеспечивая его реверсивное движение, с подачей в реакционную зону парогазовой смеси, отводимой из других (смежных) реакторов, работающих в первой фазе, и с встречной фильтрацией через перемещающийся слой активированного угля получаемого горючего топливного газа, который выводят из реактора и после охлаждения - водяного испарительного и воздушного - подают для непосредственного использования в качестве силового газа в энергетических установках, в частности, в газопоршневых двигателях энергоагрегатов, а также с выводом из реактора твердых остатков газификации - золы.The process of vapor-air gasification in a dense bed is carried out simultaneously in several (not less than two) cylindrical inclined rotating reactors as part of a poly-reactor gasifier (reactor cluster). It is a sequence of two alternating phases - modes that implement reverse and direct gasification processes. In one (first) phase, solid fuel is loaded into the upper part of the reactor - previously prepared (compacted and / or crushed, if necessary) raw material and a gasifying agent - air - is fed directly into the reaction zone, where the solid fuel moving there is partially oxidized (burned) and partially gasified (according to the reverse process), and its main part in the form of coke moves to the activation zone, where it is subjected to treatment with superheated steam at a temperature above 800 ° C and is accumulated in the form of activated carbon in the buffer zone, and the resulting vapor-gas mixture is removed from the reactor. In the other (second) phase, vapor-air gasification is carried out in a dense bed (by a direct process, preferably in the filtration combustion mode with superadiabatic heating) of the accumulated activated carbon, providing its reverse movement, with the supply of a vapor-gas mixture to the reaction zone, withdrawn from other (adjacent) reactors operating in the first phase, and with counter-filtration through a moving layer of activated carbon of the resulting combustible fuel gas, which is removed from the reactor and after cooling - water evaporation and air - is fed for direct use as a power gas in power plants, in particular, in gas piston engines of power units, as well as with the removal from the reactor of solid residues of gasification - ash.
Устройство для осуществления этого способа - полиреакторный газификатор (реакторный кластер) - состоит из нескольких (двух и более) совместно работающих цилиндрических наклонных вращающихся (реверсивных) реакторов с возможностью изменения режима вращения реактора, включая реверсивный (маятниковый со сменой направления вращения) режим, водяного испарительного теплообменника парогенератора и газовоздушного теплообменника для охлаждения отводимого из реакторов горючего топливного газа и газопровода-коллектора для подачи его в качестве силового газа в газопоршневые двигатели, а также бункера для золы. При этом каждый реактор оснащен загрузочным устройством с бункером для сырья, пароводяной рубашкой, встроенной в пространство внутри двойной боковой стенки реактора, состоящей из внешней стенки - кожуха и внутренней стенки рабочей камеры с перфорированным участком для обеспечения инжекции перегретого пара из пароводяной рубашки в рабочую камеру реактора, разгрузочным устройством и дутьевыми каналами для подачи газифицирующего агента - воздуха в реакционную зону рабочей камеры реактора. В рабочей камере выделены также зона активации с патрубком для отвода парогазовой смеси в парогазоотводный канал-коллектор (непосредственно либо через межстеночную полость реактора) и буферная зона для аккумулирования активированного угля, поступающего из зоны активации, с подвижным расширительным поршнем с регулируемой скоростью перемещения и с полым штоком для отвода горючего топливного газа, а также разгрузочным устройством для вывода твердых остатков газификации - золы - из рабочей камеры реактора в бункер для золы. Работа реактора осуществляется в фазе (режиме) обращенного процесса газификации и в фазе (режиме) прямого процесса газификации со сменой фаз посредством поворота реактора в вертикальной плоскости для обеспечения реверсивного движения газифицируемого твердого топлива внутри реактора.A device for implementing this method - a poly-reactor gasifier (reactor cluster) - consists of several (two or more) jointly operating cylindrical inclined rotating (reversible) reactors with the ability to change the reactor rotation mode, including a reversible (pendulum with a change in the direction of rotation) mode, water evaporative a heat exchanger of a steam generator and a gas-air heat exchanger for cooling the combustible fuel gas removed from the reactors and a manifold gas pipeline for supplying it as a power gas to gas piston engines, as well as a hopper for ash. In this case, each reactor is equipped with a loading device with a hopper for raw materials, a steam-water jacket built into the space inside the double side wall of the reactor, consisting of an outer wall - a shell and an inner wall of the working chamber with a perforated section to ensure injection of superheated steam from the steam-water jacket into the working chamber of the reactor , an unloading device and blowing channels for supplying a gasifying agent - air to the reaction zone of the working chamber of the reactor. In the working chamber, an activation zone with a branch pipe for withdrawing the vapor-gas mixture into the vapor-gas outlet channel-collector (directly or through the inter-wall cavity of the reactor) and a buffer zone for the accumulation of activated carbon coming from the activation zone with a movable expansion piston with a variable speed of movement and with a hollow a rod for the removal of combustible fuel gas, as well as a discharge device for the removal of solid residues of gasification - ash - from the working chamber of the reactor into the ash bin. The operation of the reactor is carried out in the phase (mode) of the reverse gasification process and in the phase (mode) of the direct gasification process with a change of phases by rotating the reactor in a vertical plane to ensure the reverse movement of the gasified solid fuel inside the reactor.
Приведенные существенные признаки в совокупности образуют технологическую схему получения чистого охлажденного газа для непосредственного использования газопоршневыми двигателями при производстве электроэнергии, что, в свою очередь, за счет исключения оборудования очистки и осушки топливного газа позволяет значительно повысить компактность и мобильность установки, снизить стоимость оборудования, его монтажа и эксплуатационных расходов, повысить эффективность (КПД газификации и электрический КПД), а также автономность электрогенерации, которая ограничивается только необходимостью наличия внешнего источника (запаса) воды.The above essential features together form a technological scheme for obtaining clean cooled gas for direct use by gas piston engines in power generation, which, in turn, due to the exclusion of equipment for cleaning and drying fuel gas, can significantly increase the compactness and mobility of the installation, reduce the cost of equipment, its installation and operating costs, to increase efficiency (gasification efficiency and electrical efficiency), as well as autonomy of power generation, which is limited only by the need for an external source (reserve) of water.
Однако к недостаткам, ограничивающим возможности его эффективного использования в малой распределенной энергетике, следует отнести существенные ограничения по допустимой относительной влажности сырья (до 0,15…0,20), недостаточную эффективность теплозащиты реактора, значительные тепловые потери и высокое содержание вредных выбросов (CO, NOx) в атмосферу вследствие использования газопоршневых агрегатов в технологической цепи генерирования электроэнергии.However, the disadvantages that limit the possibilities of its effective use in small distributed power engineering include significant restrictions on the permissible relative humidity of raw materials (up to 0.15 ... 0.20), insufficient efficiency of reactor thermal protection, significant heat losses and a high content of harmful emissions (CO, NO x ) into the atmosphere due to the use of gas piston units in the technological chain of power generation.
Настоящее изобретение направлено на решение технической проблемы повышения эффективности автономной электрогенерации с использованием энергоустановок малой мощности, работающих на твердом низкосортном углеродсодержащем сырье - некондиционной биомассе, и в первую очередь с высоким содержанием влаги, включая отходы производства и потребления, торфе, бурых углях и т.п., при минимизации вредного влияния на окружающую среду.The present invention is aimed at solving the technical problem of increasing the efficiency of autonomous power generation using low-power power plants operating on solid low-grade carbon-containing raw materials - substandard biomass, and primarily with a high moisture content, including production and consumption waste, peat, brown coal, etc. ., while minimizing the harmful effect on the environment.
Предлагаемое изобретение обеспечивает получение следующих технических результатов.The proposed invention provides the following technical results.
Во-первых, расширяется спектр используемого дешевого низкосортного сырья в части содержания влаги (до 0,7…0,8), что позволяет существенно снизить себестоимость электроэнергии. Это достигается тем, что в ходе предварительной подготовки влажное сырье перед подачей в реакторы на газификацию подвергают воздушно - конвекционной сушке с кондуктивным нагревом с использованием тепла получаемого топливного газа посредством охлаждения и конденсации водяного пара, получаемого в результате испарительного охлаждения топливного газа, и с использованием нагретого воздуха после воздушного охлаждения топливного газа. Кроме того, для сушки сырья используют также нагретый воздух, отработанный в системах охлаждения газопоршневых двигателей энергоагрегатов, а перед загрузкой сырья в реакторы осуществляют дополнительный кондуктивный его нагрев посредством выхлопных газов газопоршневых двигателей энергоагрегатов. Для осуществления этого в составе устройства образован участок топливоподготовки с конденсационно-сушильным блоком для воздушно-конвекционной сушки сырья с его кондуктивным нагревом и бункером для сырья с возможностью дополнительного кондуктивного нагрева сырья после сушки перед загрузкой в реакторы.. При этом конструктивно данные элементы выполнены как теплообменники, обеспечивающие эффективное рекуперативное использование тепла охлаждаемого топливного газа и охлаждаемых газопоршневых двигателей.Firstly, the range of used cheap low-grade raw materials in terms of moisture content (up to 0.7 ... 0.8) is expanding, which can significantly reduce the cost of electricity. This is achieved by the fact that in the course of preliminary preparation, the wet raw material, before being fed to the reactors for gasification, is subjected to air-convection drying with conductive heating using the heat of the obtained fuel gas by cooling and condensing water vapor obtained as a result of evaporative cooling of the fuel gas, and using heated air after air cooling of fuel gas. In addition, heated air is also used to dry the raw material, which is exhausted in the cooling systems of the gas piston engines of power units, and before loading the raw material into the reactors, additional conductive heating is carried out by means of exhaust gases from the gas piston engines of power units. To accomplish this, a fuel preparation section with a condensation-drying unit for air-convection drying of raw materials with its conductive heating and a raw material hopper with the possibility of additional conductive heating of raw materials after drying before loading into reactors is formed as part of the device. In this case, structurally, these elements are designed as heat exchangers ensuring efficient recuperative use of heat from cooled fuel gas and cooled gas piston engines.
Во-вторых, повышается эффективность теплозащиты (водяного охлаждения) используемого реактора, и соответственно его компактность, надежность и долговечность за счет подачи в его пароводяную рубашку воды в виде конденсата из созданного замкнутого (без сброса вовне) контура циркуляции воды, включающего резервуар воды-конденсата, водяной испарительный теплообменник - парогенератор и конденсационно-сушильный блок, с входом извне для восполнения расхода воды, что также снимает потребность в оборудовании водоподготовки и позволяет исключить отдельный участок системы оборотной технологической воды в целом.Secondly, the efficiency of thermal protection (water cooling) of the used reactor increases, and, accordingly, its compactness, reliability and durability due to the supply of water in the form of condensate to its steam-water jacket from the created closed (without discharge to the outside) water circulation loop, including a reservoir of water-condensate , a water evaporative heat exchanger - a steam generator and a condensation-drying unit, with an external input to replenish the water flow, which also removes the need for water treatment equipment and allows you to exclude a separate section of the recycled process water system as a whole.
В-третьих, повышается эффективность электрогенерации - электрический КПД, за счет утилизации (рекуперации) тепла от охлаждения получаемого топливного газа и газопоршневых двигателей энергоагрегатов для сушки сырья в конденсационно-сушильном блоке, а также тепла выхлопных газов для нагрева сырья в бункере для сырья после сушки перед загрузкой в реакторы.Thirdly, the efficiency of power generation increases - electrical efficiency, due to the utilization (recuperation) of heat from cooling the resulting fuel gas and gas-piston engines of power units for drying raw materials in a condensation-drying unit, as well as heat of exhaust gases for heating raw materials in the raw material bin after drying before loading into reactors.
В четвертых, достигается минимизация вредного влияния на окружающую среду за счет того, что выхлопные газы газопоршневых двигателей энергоагрегатов подвергают очистке посредством фильтрации их через слой активированного угля (с адсорбцией содержащихся в них вредных веществ, прежде всего оксидов азота), получаемого на первой фазе процесса газификации и поступающего в адсорбционную полость подвижного расширительного поршня реактора.Fourthly, minimization of the harmful effect on the environment is achieved due to the fact that the exhaust gases of gas piston engines of power units are purified by filtering them through a layer of activated carbon (with the adsorption of harmful substances contained in them, primarily nitrogen oxides) obtained in the first phase of the gasification process and entering the adsorption cavity of the movable expansion piston of the reactor.
В-пятых, дополнительно обеспечивается адаптация (гибкость) к переменной нагрузке (потреблению электроэнергии) при поддержании неизменного (оптимального) режима работы реакторов за счет возможности оперативного изменения количества (посредством отключения/подключения отдельных газопоршневых двигателей) одновременно работающих энергоагрегатов, использования аккумуляторного блока на выходе электрогенерирующего кластера, а также установки накопителя горючего топливного газа - газгольдера (переменного или постоянного объема). Работа оборудования в таком режиме в свою очередь повышает его готовность, надежность, долговечность и ремонтопригодность, что обеспечивает непрерывность процесса автономной электрогенерации.Fifth, adaptation (flexibility) to variable load (electricity consumption) is additionally ensured while maintaining a constant (optimal) mode of operation of the reactors due to the possibility of promptly changing the number (by disconnecting / connecting separate gas piston engines) of simultaneously operating power units, using a storage unit at the output an electricity generating cluster, as well as installing a combustible fuel gas storage device - a gas holder (variable or constant volume). The operation of the equipment in this mode, in turn, increases its availability, reliability, durability and maintainability, which ensures the continuity of the autonomous power generation process.
В-шестых, дополнительно достигается высокая компактность оборудования и мобильность (транспортабельность) электростанции за счет конструктивных решений по полной интеграции (объединению) разнофункциональных агрегатов топливоподготовки и газификации в единый топливный блок.Sixth, high equipment compactness and mobility (transportability) of the power plant are additionally achieved through design solutions for the full integration (unification) of multifunctional fuel preparation and gasification units into a single fuel block.
Сущность изобретения поясняется на фиг. 1-12.The essence of the invention is illustrated in FIG. 1-12.
На фиг 1 представлена общая схема технологического процесса, иллюстрирующая сущность предлагаемого способа на ресурсно-энергетическом уровне описания, в виде последовательности этапов преобразования исходного сырья в электроэнергию.Figure 1 shows a general flow diagram illustrating the essence of the proposed method at the resource-energy level of description, in the form of a sequence of stages of converting the feedstock into electricity.
На фиг. 2 представлена структурно-функциональная схема малой твердотопливной электростанции для осуществления предлагаемого способа автономной электрогенерации.FIG. 2 shows a structural and functional diagram of a small solid fuel power plant for implementing the proposed method of autonomous power generation.
На фиг. 3 представлена технологическая схема процесса рекуперации тепла и очистки выхлопных газов газопоршневых двигателей энергоагрегатов.FIG. 3 shows the process flow diagram of the process of heat recovery and purification of exhaust gases of gas piston engines of power units.
На фиг. 4-6 показаны структурно-функциональные схемы основного элемента малой твердотопливной электростанции - цилиндрического реверсивного (наклонного вращающегося) реактора (в вертикальном положении) при работе в фазе (режиме) обращенного процесса газификации.FIG. 4-6 show the structural and functional diagrams of the main element of a small solid fuel power plant - a cylindrical reversible (inclined rotating) reactor (in a vertical position) when operating in the phase (mode) of the reverse gasification process.
На фиг. 7-9 показана структурно-функциональная схема основного элемента малой твердотопливной электростанции - цилиндрического реверсивного (наклонного вращающегося) реактора (в вертикальном положении) при работе в фазе (режиме) прямого процесса газификации.FIG. 7-9 shows a structural and functional diagram of the main element of a small solid fuel power plant - a cylindrical reversible (inclined rotating) reactor (in a vertical position) when operating in the phase (mode) of the direct gasification process.
На фиг. 10-11 приведена конструктивно-компоновочная схема малой твердотопливной электростанции для частного случая ее построения с полной интеграцией основных функциональных элементов (агрегатов) топливоподготовки и газификации в единый топливный блок.FIG. 10-11 shows the structural and layout diagram of a small solid fuel power plant for a particular case of its construction with full integration of the main functional elements (units) of fuel preparation and gasification into a single fuel block.
На фиг. 12 приведены графики зависимости нижней теплотворной способности Q исходного сырья от его относительной влажности (содержания общей влаги) W.FIG. 12 shows graphs of the dependence of the lower calorific value Q of the feedstock on its relative humidity (total moisture content) W.
Исходным энергоресурсом для производства электроэнергии является твердое низкосортное (некондиционное, в том числе по содержанию влаги) углеродсодержащее сырье - биомасса (как первичная, так и в виде отходов производства и потребления), торф, бурые угли и т.п. (фиг. 1). Как правило, для его использования в качестве твердого топлива в предлагаемом способе требуется однородность его гранулометрического (фракционного) состава, при необходимости достигаемая посредством его механической обработки - измельчения (для кускового сырья) и/или уплотнения (для сырья с низкой насыпной плотностью или мелкодисперсных материалов), для обеспечения газопроницаемости и сыпучести (перемешиваемости) получаемой фракции (на этапе предварительной подготовки 1) в последующих последовательных технологических операциях на этапах сушки 2, нагрева 3 и газификации 4 твердого топлива. Получаемый на этапе газификации 4 (в результате высокотемпературной термохимической конверсии твердого углеродсодержащего топлива) горючий топливный газ, температура которого достигает 300…700°С, проходит этап охлаждения 5 и при температуре до 30…50°С подается в двигатели внутреннего сгорания - газопоршневые двигатели на этап электрогенерации 6 с получением электроэнергии для потребителей.The initial energy resource for electricity generation is solid low-grade (substandard, including moisture content) carbon-containing raw materials - biomass (both primary and in the form of production and consumption waste), peat, brown coal, etc. (Fig. 1). As a rule, for its use as a solid fuel in the proposed method, uniformity of its granulometric (fractional) composition is required, if necessary, achieved by means of its mechanical processing - grinding (for lumpy raw materials) and / or compaction (for raw materials with low bulk density or finely dispersed materials ), to ensure gas permeability and flowability (mixing) of the resulting fraction (at the stage of preliminary preparation 1) in subsequent successive technological operations at the stages of drying 2,
Данный технологический процесс преобразования сырья в электроэнергию имеет следующие существенные особенности.This technological process of converting raw materials into electricity has the following essential features.
1. Этап сушки 2 предусматривает воздушно - конвекционную сушку влажного сырья - твердого топлива с рекуперативным использованием тепла, отводимого на этапе охлаждения 5, путем кондуктивного нагрева перемешиваемого сырья в процессе охлаждения и конденсации водяного пара, получаемого в результате испарительного охлаждения топливного газа, и с обдувом воздухом, нагретым в результате воздушного охлаждения топливного газа. При этом дополнительно может использоваться нагретый воздух, отработанный в системе охлаждения газопоршневых двигателей энергоагрегатов (см. этап электрогенерации 6).1. Drying
2. Этап нагрева 3 предполагает кондуктивный нагрев твердого топлива, поступающего после этапа сушки 2, с рекуперацией тепла выхлопных газов газопоршневых двигателей энергоагрегатов (этап электрогенерации 6).2.
3. На этапе газификации 4 осуществляется непрерывный процесс паровоздушной газификации в плотном слое одновременно в нескольких (не менее чем в двух) совместно работающих цилиндрических реверсивных (наклонных вращающихся) реакторах (реакторный кластер), в каждом из которых процесс представляет собой последовательность двух чередующихся фаз - режимов обращенного и прямого процессов газификации с промежуточным преобразованием газифицируемого твердого топлива в активированный уголь, что обеспечивает выход чистого топливного газа, а именно, без примесей (смол, частиц золы, не прореагировавшего углерода, сажи) и балласта (водяного пара).3. At the gasification stage 4, a continuous process of vapor-air gasification in a dense bed is carried out simultaneously in several (at least two) jointly operating cylindrical reversible (inclined rotating) reactors (reactor cluster), in each of which the process is a sequence of two alternating phases - modes of reverse and direct gasification processes with an intermediate transformation of the gasified solid fuel into activated carbon, which provides the output of clean fuel gas, namely, without impurities (tar, ash particles, unreacted carbon, soot) and ballast (water vapor).
В качестве газифицирующих агентов используется воздух (подогретый и увлажненный) и вода-конденсат после этапа сушки 2.Air (heated and humidified) and water-condensate after drying
Получаемый в результате частичной газификации в режиме обращенного процесса активированный уголь дополнительно используется для операции очистки выхлопных газов 7 газопоршневых двигателей энергоагрегатов от вредных токсичных примесей (оксидов азота NOX, сажи, углеводородов, СО).The activated carbon obtained as a result of partial gasification in the reverse process mode is additionally used for cleaning the exhaust gases of 7 gas piston engines of power units from harmful toxic impurities (nitrogen oxides NO X , soot, hydrocarbons, CO).
4. Этап охлаждения 5 включает испарительное водяное охлаждение топливного газа с использованием воды-конденсата после этапа сушки 2 и воды извне для восполнения ее расхода на этапе газификации 4, а также дополнительно воздушное охлаждение для снижения температуры топливного газа с 300…700°С до 30…50°С.4. Cooling stage 5 includes evaporative water cooling of fuel gas using condensate water after drying
5. На этапе электрогенерации 6 горючий топливный газ - охлажденный, без вредных примесей и балласта - используется в газопоршневых двигателях энергоагрегатов для выработки электроэнергии, подаваемой потребителям. Нагретый воздух, отработанный в системе охлаждения газопоршневых двигателей, также может подаваться на этап сушки 2.5. At the stage of power generation 6, combustible fuel gas - cooled, without harmful impurities and ballast - is used in gas-piston engines of power units to generate electricity supplied to consumers. The heated air exhausted in the cooling system of gas piston engines can also be supplied to drying
Способ автономной электрогенерации осуществляется посредством устройства - малой твердотопливной электростанции, которая работает следующим образом.The method of autonomous power generation is carried out by means of a device - a small solid fuel power plant, which works as follows.
Рассмотренные выше этапы технологического процесса электрогенерации реализуются на трех участках: участке топливоподготовки 8, участке газификации 9 и участке электрогенерации 10 (фиг. 2).The above stages of the technological process of power generation are implemented in three sections: the
Участок топливоподготовки 8. На этом участке реализуются технологические этапы сушки 2 и нагрева 3 сырья - твердого топлива.
Твердое низкосортное (некондиционное, в том числе по содержанию влаги) углеродсодержащее сырье F после предварительной подготовки - механической обработки (при необходимости) непрерывно либо дозировано загружается в конденсационно-сушильный блок 11 через его загрузочный шлюз 12 во вращающийся сушильный барабан 13, где подвергается воздушно-конвекционной сушке с обдувом сушильным агентом - подогретым воздухом А, нагнетаемым по входному воздуховоду-коллектору 14 из элементов охлаждения на участках газификации 9 (газовоздушного теплообменника 15) и электрогенерации 10 (штатной системы охлаждения газопоршневых двигателей энергоагрегатов 16). При этом во внутренней рабочей полости сушильного барабана 13 твердые частицы влажного сырья F, перемешиваясь, обдуваются потоком сушильного агента - подогретого воздуха А, который является одновременно теплоносителем и влагопоглотителем. Одновременно происходит кондуктивный (опосредованный) нагрев сырья водяным паром, поступающим из водяного испарительного теплообменника - парогенератора 17 - охладителя топливного газа на участке газификации 9 через паропровод 18 во внутренний паропровод конденсационно-сушильного блока 11, где пар отдает тепло частицам влажного сырья F, интенсивно контактирующим с теплопередающей поверхностью внутренней рабочей полости сушильного барабана 13. При этом пар охлаждается и конденсируется, а стекающий конденсат собирается в коллекторе (пространстве между двумя соосными цилиндрами, внутренний - вращающийся сушильный барабан 13, внешний - неподвижная оболочка - кожух) и отводится через трубопровод 19 в резервуар воды 20.Solid low-grade (substandard, including moisture content) carbon-containing raw material F after preliminary preparation - mechanical treatment (if necessary) is continuously or dosed into the condensation-drying
При сушке могут использоваться (альтернативно либо попеременно) режимы прямоточного или противоточного движения сырья F и сушильного агента - воздуха А. При этом сушильный барабан 13 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 сырья F под действием силы тяжести (и, возможно, напора воздуха для режима прямоточного движения) от загрузочного шлюза 12 к разгрузочному шлюзу 21. Частота вращения барабана может быть переменной и определяться параметрами высушиваемого сырья (для известных технических примеров это 1,5-9 об/мин), угол наклона барабана также может варьироваться. На внутренней поверхности сушильного барабана 13 устанавливаются лопастные, секторные, винтовые или иные насадки, обеспечивающие перемешивание сырья и равномерное распределение его по сечению барабана, что интенсифицирует процесс сушки, обеспечивая большую площадь поверхности контакта между частицами сырья и сушильным агентом.When drying can be used (alternatively or alternately) modes of direct-flow or counter-current flow of raw materials F and drying agent - air A. In this case, the drying
Использованный воздух в необходимом объеме подают по выходному воздуховоду 22 на участок газификации 9 в полиреакторный газификатор - реакторный кластер 23 в качестве газифицирующего агента, а излишки отработавшего воздуха выбрасываются в атмосферу, например, через выхлопную трубу 24.The used air in the required volume is supplied through the
Предпочтительным вариантом технической реализации конденсационно-сушильного блока 11 можно считать вариант с интегрированным (встроенным) вращающимся сушильным барабаном и двухступенчатой схемой воздушного охлаждения, включающей непрерывную межступенчатую комбинированную сушку исходного сырья (пример технической реализации см. «Способ получения электроэнергии …» патент RU 2631455).The preferred option for the technical implementation of the condensation-drying
Высушенное сырье F из конденсационно-сушильного блока 11 (через его разгрузочный шлюз 21) непрерывно либо дозировано перегружается в бункер для сырья 25 (через его загрузочный шлюз 26), где аккумулируется и подвергается кондуктивному (контактному) нагреву за счет тепла выхлопных газов, поступающих по начальному участку 27 газопровода-коллектора выхлопных газов из электрогенерирующего кластера 28 от газопоршневых двигателей энергоагрегатов 16 (температура выхлопных газов на выходе двигателя может достигать 300…400°С). Проходя через внутренние газопроводные полости 29 (см. фиг. 3), выхлопные газы отдают тепло частицам сырья F, контактирующим с теплопередающей поверхностью внутренней рабочей полости бункера для сырья 25, и поступают по промежуточному участку 30 газопровода-коллектора выхлопных газов в реакторный кластер 23. Нагретое сырье - твердое топливо F через разгрузочные шлюзы 31 подается на участок газификации 9 (в реакторы реакторного кластера 23).Dried raw material F from the condensation-drying unit 11 (through its discharge gate 21) is continuously or dosed into the raw material hopper 25 (through its loading gate 26), where it is accumulated and subjected to conductive (contact) heating due to the heat of the exhaust gases coming through the
Участок газификации 9. На этом участке (фиг. 2) реализуются технологические этапы газификации 4 и охлаждения 5 (см. фиг. 1) в рамках процесса газификации - термохимической конверсии подготовленного (высушенного и нагретого) сырья - твердого углеродсодержащего топлива в горючий топливный газ, пригодный для непосредственного эффективного использования в газопоршневых двигателях электрогенераторов 16, а именно не содержащий смол, сажи, воды и т.п. примесей и охлажденный до приемлемой температуры (не выше 30…50°С). Для этого в участок газификации 9 включен полиреакторный газификатор - реакторный кластер 23 из нескольких (не менее двух) совместно работающих цилиндрических реверсивных (наклонных вращающихся) реакторов, а также топливный газопровод-коллектор 32 с водяным испарительным теплообменником - парогенератором 17 и газовоздушным теплообменником 15 для охлаждения отводимого из реакторов горючего топливного газа G и подачи его в газопоршневые двигатели энергоагрегатов 16. При этом конструкция каждого реактора обеспечивает возможность его работы как в фазе (режиме) обращенного процесса газификации (реакторы 33, фиг. 2), так и в фазе (режиме) прямого процесса газификации (реакторы 34, фиг. 2) со сменой фаз посредством изменением наклона (поворота) реактора в вертикальной плоскости и обеспечения реверсивного движения газифицируемого топлива внутри реактора. Также обеспечивается возможность изменения режима (направления, скорости) вращения каждого реактора вокруг своей оси.Gasification section 9. In this section (Fig. 2), the technological stages of gasification 4 and cooling 5 (see Fig. 1) are implemented as part of the gasification process - thermochemical conversion of prepared (dried and heated) raw material - solid carbon-containing fuel into combustible fuel gas, suitable for direct efficient use in gas-piston engines of
Реактор, работающий в фазе (режиме) обращенного процесса газификации (фиг. 4-6), соединен своим загрузочным устройством 35 с бункером для сырья 25 через его соответствующий разгрузочный шлюз 31 (см. фиг. 3), откуда поступает подготовленное (высушенное и нагретое) твердое топливо F, заполняя зону пиролиза (коксования) 36 рабочей камеры реактора.The reactor, operating in the phase (mode) of the reverse gasification process (Fig. 4-6), is connected by its
Реактор оснащен встроенной пароводяной рубашкой 37 (пример технической реализации см. «Способ газификации топливной биомассы и устройство для его осуществления», патент RU 2631811, Забегаев А.И., Тихомиров И.В. и др., дата публ. 29.06.2017), обеспечивающей тепловую защиту стенок реактора в высокотемпературных зонах рабочей камеры, с перфорированным участком для инжекции перегретого пара из пароводяной рубашки 37 в рабочую камеру, и дутьевыми каналами 38 для подачи газифицирующего агента/окислителя - воздуха в реакционную зону 39 рабочей камеры, где переместившееся туда в виде кокса топливо частично окисляется (сгорает), обеспечивая достижение температуры 900…1100°С, необходимой, во-первых, для осуществления термических процессов в зоне пиролиза 36 и, во-вторых, для частичной воздушной газификации топлива и получения слоя раскаленного угля, который перемещается далее в зону активации 40, где при температуре не менее 800°С подвергается обработке водяным паром, перегретым за счет теплового потока из реакционной зоны 39 и поступающим посредством самоинжекции из пароводяной рубашки 37 сквозь перфорированную стенку 41.The reactor is equipped with a built-in steam-water jacket 37 (for an example of technical implementation, see "Method for gasification of fuel biomass and device for its implementation", patent RU 2631811, Zabegaev A.I., Tikhomirov I.V. et al., Published on June 29, 2017) , providing thermal protection of the walls of the reactor in high-temperature zones of the working chamber, with a perforated section for injecting superheated steam from the steam-
Образующиеся в зоне пиролиза 36 газы (летучие фракции, пары смол) с примесью горючего топливного газа, получаемого в результате процесса частичной газификации топлива в реакционной зоне 39 и зоне активации 40 и объем которого ограничивается регулированием скорости воздушного дутья и поступления пара, а также времени пребывания топлива в реакционной зоне 39, вместе с не прореагировавшим водяным паром составляют парогазовую смесь, которая отводится через патрубок циркуляции 42 в парогазовый канал-коллектор 43 (непосредственно либо через секционированную межстеночную полость 44 реактора). При этом для обеспечения надежности (при возможных отказах патрубка циркуляции 42) могут быть оборудованы дополнительные (дублирующие) патрубки циркуляции, выходящие в отдельные секции секционированной межстеночной полости 44 (см. фиг. 5, 6), оснащенные независимыми выходами в парогазовый канал-коллектор 43.The gases formed in the pyrolysis zone 36 (volatile fractions, resin vapors) with an admixture of combustible fuel gas obtained as a result of the process of partial gasification of fuel in the
Активированный уголь, получаемый в результате обработки угля в зоне активации 40 перегретым водяным паром (с соответствующим понижением температуры вследствие эндотермических реакций), аккумулируется в расположенной ниже буферной зоне 45 посредством опускания (с регулируемой для обеспечения оптимальных рабочих параметров процесса скоростью перемещения) подвижного расширительного поршня 46, который выполнен полым. При этом внутренняя адсорбционная полость 47 заполняется произведенным активированным углем С в процессе перемещения расширительного поршня 46 из начального положения в положение 48 за счет открытия створок 49. Перемещение расширительного поршня 46 прекращается в положении 48 с упором в торцевую стенку 50 реактора, при этом буферная зона 45 заполнена активированным углем, а боковая цилиндрическая стенка 51 расширительного поршня в положении 48 вместе с кожухом 52 и торцевой стенкой 50 реактора образуют кольцевую камеру 53, которая используется для фильтрации/очистки выхлопных газов двигателей газопоршневых энергоагрегатов после перевода реактора в фазу (режим) прямого процесса газификации.Activated carbon obtained as a result of the treatment of coal in the
Перевод реактора в указанный режим (фиг. 7-9) осуществляется посредством его поворота (реверса) в вертикальной плоскости. При этом загрузочное устройство 35 отключается от бункера для сырья 25 (см. фиг. 4), а в зоне пиролиза (коксования) 36 оставшееся там подготовленное (в том числе высушенное и нагретое) топливо фиксируется в качестве «подушки», поддерживающей слой аккумулированного в буферной зоне 45 активированного угля.Transfer of the reactor to the specified mode (Fig. 7-9) is carried out by means of its rotation (reverse) in the vertical plane. In this case, the
Дополнительно к продолжающемуся воздушному дутью через дутьевые каналы 38 из парогазового канала-коллектора 43 (непосредственно либо через секции межстеночной полости 44 реактора и патрубок циркуляции 42) начинает поступать парогазовая смесь от реакторов, работающих в фазе (режиме) обращенного процесса газификации, в рабочую камеру реактора, причем в реакционную зону 39, которая постепенно перемещается на место зоны активации 40 (см. фиг. 4) за счет образования зоны охлаждения 54, где происходит накопление твердых остатков газификации - золы R, которая по мере вращения реактора высыпается через каналы разгрузочного устройства 55 и выделенные секции межстеночной полости 44 в бункер для золы 56. Скорость выгрузки золы R из реактора определяется посредством выбора конструктивных параметров разгрузочного устройства и рабочих параметров реактора (скорости вращения, скорости воздушного дутья) таким образом, чтобы положение реакционной зоны 39 в реакторе в фазе (режиме) прямого процесса газификации оставалось постоянным.In addition to the continuing air blast through the blowing
В режиме прямого процесса газификации обеспечивается практически полное разложение смол поступающей парогазовой смеси в высокотемпературной (900…1100°С) окислительно-восстановительной реакционной зоне 39, завершение реакций газификации углерода топлива с образованием смешанного (воздушного и водяного) горючего топливного газа:In the mode of the direct gasification process, almost complete decomposition of the tars of the incoming steam-gas mixture in the high-temperature (900 ... 1100 ° C)
С+O2 → СО2+97650 ккал/мольC + O 2 → CO 2 +97650 kcal / mol
2С+О2 → 2СО+58860 ккал/моль2С + О 2 → 2СО + 58860 kcal / mol
2СО+О2 → 2СО2+136440 ккал/моль2CO + O 2 → 2CO 2 +136440 kcal / mol
СО2+С → 2СО - 38790 ккал/мольСО 2 + С → 2СО - 38790 kcal / mol
С+Н2О=СО+Н2 - 28380 ккал/мольC + H 2 O = CO + H 2 - 28380 kcal / mol
С+2Н2О=СО2+2Н2 - 17970 ккал/моль,C + 2H 2 O = CO 2 + 2H 2 - 17970 kcal / mol,
причем восстановительные реакции углерода (в виде раскаленного активированного угля) с углекислым газом и водяным паром эндотермические (с поглощением тепла), что позволяет ограничить температуру уровнем начала плавления биомассы - 1150°С /см. Справочник. «Котельные и электростанции на биотопливе …», с. 32/ и таким образом исключить возможное шлакообразование в рабочей камере реактора, в том числе и при использовании иного низкосортного сырья (бурых углей, торфа).Moreover, the reduction reactions of carbon (in the form of red-hot activated carbon) with carbon dioxide and water vapor are endothermic (with heat absorption), which makes it possible to limit the temperature to the level of the beginning of melting of biomass - 1150 ° C / cm. Directory. "Boilers and power plants on biofuel ...", p. 32 / and thus exclude possible slagging in the working chamber of the reactor, including when using other low-grade raw materials (brown coal, peat).
Таким образом, в рабочей камере реализуется прямой процесс газификации активированного угля, аккумулированного в буферной зоне 45, когда посредством воздушного дутья, дополненного, во-первых, подачей парогазовой смеси и, во-вторых, перегретым водяным паром из пароводяной рубашки 37 для получения необходимого (предпочтительно стехиометрического) соотношения с газифицируемым углеродом топлива, с формированием газового потока, который проходит последовательно зону охлаждения 54, реакционную зону 39 и далее в виде получаемого горючего топливного газа (смеси активных компонентов - окиси углерода СО и водорода H2 с незначительной долей метана СН4 и кислорода О2 и пассивных компонентов - углекислого газа СО2 и значительной доли азота N2 воздуха /см. Справочник. «Котельные и электростанции на биотопливе …». с. 117-118, 140-143/), фильтруется через перемещающийся ему навстречу слой активированного угля в буферной зоне 45 и затем выводится через открывшийся (например, под собственным весом) газовый клапан 57 и полый шток 58 и далее в топливный газопровод-коллектор 32.Thus, in the working chamber, a direct process of gasification of activated carbon accumulated in the
Очистка получаемого топливного газа от примесей (частиц золы, не прореагировавшего углерода топлива, сажи, возможных следов смол) происходит за счет адсорбции в слое активированного угля в буферной зоне 45. Высокая степень переработки твердого топлива и очистки топливного газа обеспечивается за счет длины буферной зоны 45, а также высокой реакционной способности топлива - активированного угля (на основе исходного преимущественно растительного, в т.ч. древесного сырья), его газопроницаемости и сыпучести (перемешиваемости).Purification of the resulting fuel gas from impurities (ash particles, unreacted fuel carbon, soot, possible traces of tar) occurs due to adsorption in a layer of activated carbon in the
Поскольку получаемый горючий топливный газ имеет слишком высокую температуру (до 700°С и выше), для использования его в качестве силового газа в газопоршневых двигателях на участке газификации 9 предусмотрено рекуперативное водяное испарительное охлаждение (фиг. 2).Since the produced combustible fuel gas has a too high temperature (up to 700 ° C and higher), recuperative water evaporative cooling is provided in the gasification section 9 for its use as a power gas in gas piston engines (Fig. 2).
Выводимый из реакторов 34, работающих в фазе (режиме) прямого процесса газификации, горючий топливный газ поступает в топливный газопровод-коллектор 32, где его охлаждают в водяном испарительном теплообменнике - парогенераторе 17, куда из резервуара воды 20 подается под давлением вода, циркулирующая по замкнутому контуру, а также дополнительно (для восполнения расхода) вода извне. При этом получаемый в результате теплообмена водяной пар подают через паропровод 18 во внутренний паропровод конденсационно-сушильного блока 11.Combustible fuel gas discharged from
Эффективность охлаждения горючего топливного газа (для снижения его температуры до требуемых значений) может быть повышена за счет дополнительного воздушного охлаждения. Для этого газ охлаждают в газовоздушном теплообменнике 15, куда подается атмосферный воздух, который затем в подогретом состоянии поступает на участок топливоподготовки 8 (по входному воздуховоду 14 в сушильный барабан 13 конденсационно-сушильного блока 11). Охлажденный топливный газ поступает на участок электрогенерации 10 в электрогенерирующий кластер 28 для использования в качестве силового газа. При этом для обеспечения устойчивости подачи топливного газа в условиях его переменного расхода (колебания выходной мощности, отключения отдельных газопоршневых двигателей) топливный газопровод 32 может быть оснащен накопителем горючего топливного газа - газгольдером 61.The efficiency of cooling the combustible fuel gas (to reduce its temperature to the required values) can be increased by additional air cooling. To do this, the gas is cooled in a gas-
Одновременно с процессом газификации активированного угля, аккумулированного в буферной зоне 45 реактора, реализуется операция 7 очистки выхлопных газов, поступающих от газопоршневых двигателей энергоагрегатов 16 (см. фиг. 2, 3) по начальному участку 27 газопровода-коллектора выхлопных газов, через бункер для сырья 25, по промежуточному участку 30 газопровода-коллектора выхлопных газов в кольцевую камеру 53, которая разбита на секции, одни из которых являются впускными 59, а другие - выпускными 60 для выхлопных газов. Последние фильтруются через выделенный в фазе (режиме) обращенного процесса слой активированного угля, загруженного в адсорбционную полость 47 расширительного поршня, проходя сквозь его перфорированные боковые стенки 51, после чего поступают через полый шток 58 в выходную часть 62 газопровода-коллектора выхлопных газов и далее на выброс в атмосферу через выхлопную трубу 24.Simultaneously with the process of gasification of the activated carbon accumulated in the
После завершения газификации всего объема аккумулированного в буферной зоне 45 активированного угля расширительный поршень опускается в нижнее положение, где открываются створки 49 и отработанный активированный уголь выгружается в реакционную зону 39 для газификации с полным разложением адсорбированных вредных составляющих, включая токсичные оксиды азота NOx, а также сажу и углеводороды.After the completion of gasification of the entire volume of activated carbon accumulated in the
Участок электрогенерации 10. На этом участке реализуется технологический этап электрогенерации 6 - получения электроэнергии для внешних потребителей, а также для собственного энергопотребления (приводы реакторов и сушильного барабана, вентиляторы и насосы, загрузочные устройства, воспламенитель для запуска процесса газификации и др.), из топливного газа посредством энергоагрегатов 16 с газопоршневыми двигателями и генераторами переменного тока (в составе кластера 28). В условиях снижения потребляемой мощности часть энергоагрегатов 16 может оперативно отключаться, а излишки производимого топливного газа -накапливаться в газгольдере 61. Кроме того, для сглаживания колебаний потребляемой мощности, а также для обеспечения собственного электропотребления (начальный запуск, аварийное гарантированное электропитание) может быть введен накопитель электроэнергии - аккумуляторный блок с преобразователем энергии 63.
Частный случай технического осуществления предлагаемого способа автономной электрогенерации предусматривает полную интеграцию (объединение) разнофункциональных агрегатов топливоподготовки и газификации в единый топливный блок, конструктивно представляющий собой расположенную горизонтально систему соосно вложенных цилиндрических камер - полостей (фиг. 10, 11), в которых размещаются функциональные агрегаты. Через загрузочный шлюз 64 влажное сырье поступает в цилиндрическую сушильную полость 65 с вращающейся стенкой 66 и насадками 67, представляющую собой сушильный барабан, аналогичный сушильному барабану 13, работа которого описана ранее (см. фиг. 2). При этом механическая обработка (измельчение/уплотнение) исходного сырья может быть проведена предварительно либо посредством оснащения загрузочного шлюза 64 необходимыми устройствами (измельчителями, дробилками, мельницами, прессами).A particular case of the technical implementation of the proposed method of autonomous power generation provides for the full integration (combination) of multifunctional fuel preparation and gasification units into a single fuel block, structurally representing a horizontally located system of coaxially nested cylindrical chambers - cavities (Fig. 10, 11), in which functional units are located. Through the
Внутри сушильной полости 65 размещена цилиндрическая центральная полость 68 с реакторным кластером. Она разделена перегородками 69 на реакторные секции, в каждой из которых в перпендикулярной оси вращения системы цилиндров плоскости установлен цилиндрический реверсивный (наклонный вращающийся) реактор 70, работающий в фазе (режиме) обращенного процесса 71 либо в фазе (режиме) прямого процесса 72 газификации со сменой фазы (режима) посредством поворота. Высушенное и нагретое сырье - твердое топливо при вращении стенки 66 загружается через загрузочное устройство 38 в реакторы, находящиеся в фазе (режиме) обращенного процесса 71. В коллекторной полости 73 размещены парогазовый канал-коллектор 43, каналы подачи газифицирующих агентов - воздуха и воды (с резервуаром), топливный газопровод-коллектор 32, а также каналы выгрузки золы. Получаемый топливный газ G охлаждается в газовоздушном теплообменнике 15 и водяном испарительном теплообменнике - парогенераторе 17, из которого пар поступает во внутреннюю кольцевую паропроводную полость 74, где охлаждается и конденсируется. Для снижения теплопотерь топливный блок оснащается теплоизоляционной оболочкой 75.Inside the drying
Выхлопные газы из газопоршневых двигателей энергоагрегатов электрогенерирующего кластера 28 поступают в центральную полость 68, где последовательно проходят реакторные секции и внутренние адсорбционные полости реакторов, что обеспечивает кондуктивный нагрев сырья в сушильной полости 65 и их очистку перед выбросом в атмосферу.The exhaust gases from the gas piston engines of the power generating units of the
Технический эффект от предлагаемых решений можно оценить следующим образом.The technical effect of the proposed solutions can be assessed as follows.
Во-первых, существенно повышается экономичность (снижается себестоимость электроэнергии), поскольку расширяется спектр используемого дешевого низкосортного сырья в части содержания влаги за счет построения технологической схемы с системной рекуперацией потерь энергии, а именно использования тепла получаемого топливного газа в процессе его охлаждения (испарительного и воздушного), тепла от системы охлаждения и выхлопных газов газопоршневых двигателей энергоагрегатов для сушки и нагрева сырья на участке топливоподготовки.Firstly, the economy significantly increases (the cost of electricity is reduced), since the spectrum of cheap low-grade raw materials used in terms of moisture content expands due to the construction of a technological scheme with systemic recovery of energy losses, namely, the use of heat from the resulting fuel gas during its cooling (evaporative and air ), heat from the cooling system and exhaust gases of gas piston engines of power units for drying and heating raw materials at the fuel preparation section.
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) Wo - 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. указанный выше Справочник. «Котельные и электростанции на биотопливе …»; «Биомасса как источник энергии». Под ред. С. Соуфера, О. Заборски. - М., Мир, 1985/ средняя относительная влажность низкосортного дешевого сырья может составлять 0,33…0,5 для свежесрубленной и 0,5…0,8 для мокрой (транспортируемой по воде) древесины, до 0,7 - для отстоя городских сточных вод, 0,6…0,85 - для навоза, до 0,55 и более - для сельскохозяйственных отходов, 0,15…0,35 - для ТБО.The energy, and, accordingly, the 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 generate heat / electricity. In particular, the quality of biomass as a fuel is assessed by the lower heating value (LTS) Q, which largely depends on the moisture content of the fuel. Its quantitative indicator - relative humidity (total moisture) W o - is one of the most important variable characteristics of the fuel, largely determining its cost and, ultimately, the efficiency of its energy use in practice. For reference data / see. the above Reference. "Boiler houses and power plants on biofuel ..."; Biomass as a source of energy. Ed. S. Soufer, O. Zaborski. - M., Mir, 1985 / the average relative humidity of low-grade cheap raw materials can be 0.33 ... 0.5 for freshly cut and 0.5 ... 0.8 for wet (transported by water) wood, up to 0.7 - for urban sludge waste water, 0.6 ... 0.85 - for manure, up to 0.55 and more - for agricultural waste, 0.15 ... 0.35 - for solid waste.
Взаимосвязь между вышеуказанными характеристиками может быть выражена следующим соотношением /см. указанный выше «Способ получения электроэнергии …», патент RU 2631455/:The relationship between the above characteristics can be expressed by the following ratio / cm. the above "Method of generating electricity ...", patent RU 2631455 /:
где Δtw - температура нагрева влаги сырья от текущего значения до 100°С;where Δt w is the temperature of heating the raw material moisture 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 = - specific heat capacity of water;
Ly=- удельная теплота парообразования.L y = - 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
Из представленных на фиг. 10 графиков зависимости НТС Q исходного сырья от его относительной влажности W0 следует, что теоретически верхняя граница величины Wo используемого исходного сырья за счет предлагаемых решений может быть существенно повышена (от 0,15…0,20 для прототипа до 0,7…0,8), что позволяет перерабатывать практически любые виды влажного твердого низкосортного сырья. При этом определенное снижение верхней границы относительно теоретически возможной связано с необходимостью расхода электроэнергии на собственные нужды электростанции.From the examples shown in FIG. 10 graphs of the dependence of the NTS Q of the feedstock on its relative humidity W 0 it follows that theoretically the upper limit of the value W o of the feedstock used due to the proposed solutions can be significantly increased (from 0.15 ... 0.20 for the prototype to 0.7 ... 0 , 8), which allows you to process almost any kind of wet solid low-grade raw materials. At the same time, a certain decrease in the upper limit relative to the theoretically possible one is associated with the need to consume electricity for the plant's own needs.
Во-вторых, повышается эффективность теплозащиты (водяного охлаждения) реактора за счет более интенсивного отвода тепла при подаче в его пароводяную рубашку воды (вместо пароводяной смеси) в виде конденсата из созданного замкнутого (без сброса вовне) контура циркуляции воды, включающего резервуар воды-конденсата, водяной испарительный теплообменник - парогенератор и конденсационно-сушильный блок, с входом извне для восполнения расхода воды, что обеспечивает повышение компактности, надежности и долговечности реактора, а также снимает потребность в оборудовании водоподготовки и позволяет исключить отдельный участок системы оборотной технологической воды в целом.Secondly, the efficiency of thermal protection (water cooling) of the reactor is increased due to more intensive heat removal when water is supplied to its steam-water jacket (instead of the steam-water mixture) in the form of condensate from the created closed (without discharge to the outside) water circulation loop, including a water-condensate reservoir , a water evaporative heat exchanger - a steam generator and a condensation-drying unit, with an external input to replenish the water flow, which increases the compactness, reliability and durability of the reactor, and also removes the need for water treatment equipment and eliminates a separate section of the recycled process water system as a whole.
В-третьих, повышается эффективность электрогенерации - электрический КПД за счет системной рекуперации компонентов тепловой энергии, образующихся в процессе газификации (тепло охлаждаемого топливного газа) и электрогенерации (тепло системы охлаждения газопоршневых двигателей электрогенераторов и выхлопных газов), посредством их утилизации (использования) в процессе топливоподготовки (сушка и нагрев сырья с повышением его энергетической ценности - теплотворной способности согласно фиг. 10).Thirdly, the efficiency of power generation increases - electrical efficiency due to the systemic recovery of thermal energy components generated in the process of gasification (heat of the cooled fuel gas) and power generation (heat of the cooling system of gas piston engines of power generators and exhaust gases), through their utilization (use) in the process fuel preparation (drying and heating of raw materials with an increase in its energy value - calorific value according to Fig. 10).
Исходя из того, что для современных газопоршневых электростанций соотношение электрической и тепловой мощности составляет 1:1,2, причем для малых, или мини-ТЭЦ, это соотношение может составлять 1:1,9 (см., например, указанный выше Справочник. «Котельные и электростанции на биотопливе …», с. 253), на основе предлагаемых решений, обеспечивающих перераспределение выходной мощности в сторону электрической составляющей, электрический КПД может быть потенциально повышен в 2,2…2,9 раза (без учета потерь при теплообмене). Так, для приведенного известного аналога - типовой малой твердотопливной газопоршневой электростанции /см. указанный выше Справочник. «Котельные и электростанции на биотопливе …», с. 253/ номинальной электрической мощностью 250 кВт электрический КПД может быть увеличен с 18% до 40…52%.Proceeding from the fact that for modern gas-piston power plants the ratio of electric and thermal power is 1: 1.2, and for small, or mini-CHP plants, this ratio can be 1: 1.9 (see, for example, the above Reference. " Boilers and power plants on biofuel ... ", p. 253), based on the proposed solutions that ensure the redistribution of output power towards the electrical component, the electrical efficiency can potentially be increased by 2.2 ... 2.9 times (excluding heat exchange losses). So, for the given known analogue - a typical small solid-fuel gas piston power plant / cm. the above Reference. "Boilers and power plants on biofuel ...", p. 253 / rated electrical power 250 kW electrical efficiency can be increased from 18% to 40 ... 52%.
В четвертых, достигается экологическая безопасность, т.к. полностью исключается вредное влияние на окружающую среду, причем без какого-либо дополнительного оборудования (фильтров, нейтрализаторов и т.п.) и расходных материалов (специальных адсорбентов). Газообразные и твердые отходы производства электроэнергии - выхлопные газы газопоршневых двигателей и зола - не содержат каких-либо вредных (токсичных) составляющих. Наиболее токсичные оксиды азота NOx, угарный газ СО, а также сажа и углеводороды адсорбируются в обособленном слое активированного угля и далее полностью разлагаются в высокотемпературной (900…1100°С) зоне реактора. Высокая реакционная способность активированного угля при газификации позволяет практически полностью исключить наличие остатков углерода и сажи в золе. Использованный в технологических процессах воздух возвращается в атмосферу без вредных примесей. Кроме того, исключается вредное влияние на водные ресурсы, поскольку используемая в технологических процессах вода циркулирует по замкнутому контуру без выбросов вовне.Fourth, environmental safety is achieved, because harmful influence on the environment is completely excluded, and without any additional equipment (filters, neutralizers, etc.) and consumables (special adsorbents). Gaseous and solid waste from electricity generation - exhaust gases from gas piston engines and ash - do not contain any harmful (toxic) components. The most toxic nitrogen oxides NO x , carbon monoxide CO, as well as soot and hydrocarbons are adsorbed in a separate layer of activated carbon and then completely decompose in the high-temperature (900 ... 1100 ° C) zone of the reactor. The high reactivity of activated carbon during gasification makes it possible to almost completely eliminate the presence of carbon and soot residues in the ash. The air used in technological processes is returned to the atmosphere without harmful impurities. In addition, a harmful effect on water resources is excluded, since the water used in technological processes circulates in a closed loop without emissions to the outside.
В-пятых, обеспечивается непрерывность работы электростанции за счет адаптации к условиям переменой нагрузки (колебаниям потребляемой мощности электроэнергии), а также при отказах (плановых оперативных и долговременных отключениях) отдельных агрегатов реакторного кластера и электрогенерирующего кластера, посредством установки накопителей газа (газгольдера) и электроэнергии (аккумуляторного блока с преобразователем электроэнергии). При этом поддержание неизменного (оптимального) режима работы реакторов повышает их эффективность (КПД газификации), готовность, надежность, рабочий ресурс и ремонтопригодность. Полная автономность работы обеспечивается при наличии внешнего источника воды либо ее необходимого запаса на электростанции.Fifth, the continuity of the power plant operation is ensured by adapting to changing load conditions (fluctuations in power consumption), as well as in the event of failures (planned operational and long-term shutdowns) of individual units of the reactor cluster and power generating cluster, by installing gas storage tanks (gasholder) and electricity (battery pack with an electricity converter). At the same time, maintaining a constant (optimal) operating mode of the reactors increases their efficiency (gasification efficiency), availability, reliability, service life and maintainability. Full autonomy of work is ensured in the presence of an external source of water or its necessary supply at the power plant.
В-шестых, высокая компактность оборудования электростанции, которая дополнительно достигается посредством конструктивных решений по полной интеграции (объединению) разнофункциональных агрегатов топливоподготовки и газификации в единый топливный блок с использованием технических решений по построению компактных реакторов с водяной рубашкой (см. указанный выше патент RU 2631811). Таким образом возникает возможность создания малогабаритной мобильной электростанции как в полустационарном, так и в мобильном исполнении с размещением всего оборудования на одном транспортном агрегате различного базирования (автомобильного, железнодорожного, водного), что существенно расширяет сферу ее массового применения в распределенной малой электроэнергетике.Sixth, the high compactness of the power plant equipment, which is additionally achieved through design solutions for the full integration (combination) of multifunctional fuel preparation and gasification units into a single fuel block using technical solutions for the construction of compact reactors with a water jacket (see the above patent RU 2631811) ... Thus, it becomes possible to create a small-sized mobile power plant both in a semi-stationary and in a mobile version with the placement of all equipment on one transport unit of various bases (road, rail, water), which significantly expands the scope of its mass application in distributed small electric power industry.
Claims (10)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2020122346A RU2737833C1 (en) | 2020-07-06 | 2020-07-06 | Autonomous electric generation method and device - small solid fuel power plant for its implementation |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2020122346A RU2737833C1 (en) | 2020-07-06 | 2020-07-06 | Autonomous electric generation method and device - small solid fuel power plant for its implementation |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2737833C1 true RU2737833C1 (en) | 2020-12-03 |
Family
ID=73792698
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2020122346A RU2737833C1 (en) | 2020-07-06 | 2020-07-06 | Autonomous electric generation method and device - small solid fuel power plant for its implementation |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2737833C1 (en) |
Cited By (1)
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 |
Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2134713C1 (en) * | 1992-05-08 | 1999-08-20 | Стейт Электрисити Коммишн оф Виктория | Method and installation for gasification of powder-like solid carbon fuel and integrated power generation method |
CN202849349U (en) * | 2012-06-04 | 2013-04-03 | 上海锅炉厂有限公司 | Dry pulverized coal graded compression gasification device |
RU2519441C1 (en) * | 2010-03-23 | 2014-06-10 | Ухань Кайди Инджиниринг Текнолоджи Рисерч Инститьют Ко., Лтд. | Technology and device for obtaining synthesis gas from biomass by pyrolysis |
US20160045841A1 (en) * | 2013-03-15 | 2016-02-18 | Transtar Group, Ltd. | New and improved system for processing various chemicals and materials |
RU2631450C1 (en) * | 2016-04-13 | 2017-09-22 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Центр эксплуатации объектов наземной космической инфраструктуры" (ФГУП "ЦЭНКИ") | Method of producing electricity from substandard fuel biomass and device for its implementation |
RU2663144C1 (en) * | 2017-09-25 | 2018-08-01 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Центр эксплуатации объектов наземной космической инфраструктуры" (ФГУП "ЦЭНКИ") | Method of gasification of solid fuel and device for its implementation |
-
2020
- 2020-07-06 RU RU2020122346A patent/RU2737833C1/en active
Patent Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2134713C1 (en) * | 1992-05-08 | 1999-08-20 | Стейт Электрисити Коммишн оф Виктория | Method and installation for gasification of powder-like solid carbon fuel and integrated power generation method |
RU2519441C1 (en) * | 2010-03-23 | 2014-06-10 | Ухань Кайди Инджиниринг Текнолоджи Рисерч Инститьют Ко., Лтд. | Technology and device for obtaining synthesis gas from biomass by pyrolysis |
CN202849349U (en) * | 2012-06-04 | 2013-04-03 | 上海锅炉厂有限公司 | Dry pulverized coal graded compression gasification device |
US20160045841A1 (en) * | 2013-03-15 | 2016-02-18 | Transtar Group, Ltd. | New and improved system for processing various chemicals and materials |
RU2631450C1 (en) * | 2016-04-13 | 2017-09-22 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Центр эксплуатации объектов наземной космической инфраструктуры" (ФГУП "ЦЭНКИ") | Method of producing electricity from substandard fuel biomass and device for its implementation |
RU2663144C1 (en) * | 2017-09-25 | 2018-08-01 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Центр эксплуатации объектов наземной космической инфраструктуры" (ФГУП "ЦЭНКИ") | Method of gasification of solid fuel and device for its implementation |
Cited By (1)
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 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CN1673317B (en) | Carbonization and gasification of biomass and power generation system | |
TWI522454B (en) | Thermal and chemical utilisation of carbonaceous substances, in particular for emission-free generation of energy | |
US6032467A (en) | Method and apparatus for recovering energy from wastes | |
RU2662440C1 (en) | Method of gasification of solid fuel and device for its implementation | |
KR100993908B1 (en) | Method of transforming combustible wastes into energy fuel and Gasification system of combustible wastes | |
US8197565B2 (en) | System of the chemical engineering processes generating energy and utilizing municipal solid waste or a carbon content material mixture | |
JP4547244B2 (en) | Organic gasifier | |
JP2000351979A (en) | Gasification treatment of waste material | |
CN105202545A (en) | Garbage pyrolysis gasification incineration treatment device | |
CN102061196A (en) | Power generation method and device adopting plasma gasification of household garbage and biomass | |
KR20200133536A (en) | Power generating system by using syngas that pyrolysis and gasification using combustible renewable fuels including biomass | |
CN103409171A (en) | Biomass pressurized fluidized bed gasification gas turbine combined cycle power generation system | |
RU2663144C1 (en) | Method of gasification of solid fuel and device for its implementation | |
RU2668447C1 (en) | Method of gasification of solid fuel and device for its implementation | |
CN203403070U (en) | Biomass pressurized fluidized-bed gasification gas turbine combined cycle power generation system | |
KR101507956B1 (en) | Steam supply and power generation energy system using organic waste and method thereof | |
RU2631808C2 (en) | Method of gasifying fuel biomass and device for its implementation | |
JP3079051B2 (en) | Gasification of waste | |
KR101097443B1 (en) | Method of transforming combustible wastes into energy fuel and Gasification system of combustible wastes | |
RU2737833C1 (en) | Autonomous electric generation method and device - small solid fuel power plant for its implementation | |
RU2631811C2 (en) | Method of gasifying fuel biomass and device for its implementation | |
KR102254729B1 (en) | Hydrogen and carbon dioxide manufacturing method using combustible waste | |
RU2793101C1 (en) | Method of energy utilization of solid carbon-containing wastes and the small mobile solid fuel electric hydrogen device for its implementation | |
RU2680135C1 (en) | Device and method of plasma gasification of a carbon-containing material and unit for generation of thermal/electric energy in which the device is used | |
Dudyński | Novel oxygen-steam gasification process for high quality gas from biomass |