УТИЛИЗАЦИОННАЯ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ

Полезная модель относится к области производства электроэнергии нетрадиционными методами, а конкретнее, к устройствам, использующим биометан, вырабатываемый из продуктов жизнедеятельности человека, животных, птиц, для производства электроэнергии и может найти применение в агропромышленных комплексах для производства электроэнергии.
Известна утилизационная электростанция (заявка на изобретение №94005667, МПК6 C02F 1/00, опубл. 10.04.1996 г.), содержащая корпус с перегородками и камерами гидролитического, кислого, регрессии кислого, щелочного брожения, размещенное вдоль корпуса перемешивающее устройство с перфорированными стенками, образующими секции с абразивной зернистой иммобилизационной насадкой, установленное на подвеске и взаимодействующее с источником возвратно-поступательных перемещений относительно питателя субстрата, причем камера щелочного брожения по биогазу и бражке сообщена с камерой ферментолиза, выполненной в виде последовательно размещенных бункеров снабженных иммобилизационной насадкой в виде жгутов, например, из базальтового волокна, а на входном патрубке установлен нагнетатель с эжектором, при этом первый по ходу перемещения продукта бункер выполнен с оросителями, сообщенными с растворным узлом для гидрата окиси кальция и сборниками ила корпуса брожения, а последующий бункер сообщен с микрофильтром, а по биомассе с дезинтегратором, а по дезинтеграту с оросителями жгутов.
К недостаткам вышеописанной электростанции можно отнести низкую степень утилизации отходов, что снижает эффективность работы установки.
Полезная модель решает задачу повышения эффективности электростанции за счет увеличения выхода биометана на первой стадии (в метантенке), используя теплоту уходящих газов из турбины, а также повышения эффективности сгорания биометана.
Для получения необходимого технического результата в утилизационной электростанции, содержащей корпус с перегородками и камерами гидролитического, кислого, регрессии кислого, щелочного брожения, размещенного вдоль корпуса перемешивающего устройства с перфорированными стенками, образующими секции с абразивной зернистой иммобилизационной насадкой, установленного на подвеске и взаимодействующего с источником возвратно-поступательных перемещений относительно питателя субстрата, камера щелочного брожения по биогазу и бражке сообщена с камерой ферментолиза, выполненной в виде последовательно размещенных бункеров, снабженных иммобилизационной насадкой в вида жгутов, например, из базальтового волокна, а на входном патрубке установлен нагнетатель с эжектором, при этом первый по ходу перемещения продукта бункер выполнен с оросителями, сообщенными с растворным узлом гидрата окиси кальция и сборниками ила корпуса брожения, а последующий бункер сообщен с микрофильтром, а по биомассе с дезинтегратором, а по дезинтеграту с оросителями жгутов, кроме того, электростанция оборудована газовой турбиной, связанной с электрогенератором и воздухопроводом с нагнетателем предлагается электростанцию дополнительно оборудовать камерой сгорания, связанной с компрессором, газовой турбиной и посредством насоса с камерой ферментолиза, на воздухопроводе, связывающем газовую турбину с нагнетателем, установить газо-водяной теплообменник, связанный водопроводом с перемешивающим устройством, кроме того, электрогенератор, подключить к двойной системе сборных шин, к которой через выключатели присоединены потребители энергии и трансформатор связи с внешней энергосистемой.
Утилизационная электростанция дополнена газо-водяным теплообменником, куда направляются выхлопные газы из турбины для нагрева воды, поступающей по трубам в перемешивающее устройство, в котором теплота воды полезно используется для поддержания нужной температуры исходного материала, т.е. осуществляется подогрев исходного материала на первой же стадии (в метантенке), а на второй стадии (в ферментолизе) выхлопные газы, уже отдавшие свое тепло воде, утилизируются с восстановлением диоксида углерода до метана. Кроме этого, предлагаемая электростанция дополнена двойной системой сборных шин. На шины системы подается электроэнергия от электрического генератора, связанного с газовой турбиной, а также осуществляется электроснабжение электроэнергией собственных нужд электростанции. Остальная часть электроэнергии передается в энергосистему через трансформатор. Помимо этого, связь с системой обеспечивает резервирование электроснабжения потребителей электростанции и электродвигателей утилизационной электростанции.
Предлагаемая утилизационная электростанция показана на прилагаемой к описанию схеме.
Утилизационная электростанция содержит корпус 1 с перегородками 2 и камерами 3-6 соответственно гидролитического, кислого, регрессии кислого и щелочного брожения, размещенное вдоль корпуса 1 перемешивающее устройство 7 с перфорированными стенками 8, образующими секции 9 с абразивной зернистой иммобилизационной насадкой 10, установленное на подвесках 11 и взаимодействующее с источником 12 возвратно-поступательных перемещений относительно питателя 13, причем камера 6 щелочного брожения по биогазу и бражке сообщена с камерой 14 ферментолиза, выполненной в виде последовательно размещенных бункеров 15 и 16, снабженных иммобилизационной насадкой в виде жгутов 17, например, из базальтового волокна, а на входном патрубке 18 установлен нагнетатель 19 с эжектором 20, при этом первый по ходу перемещения бункер 15 выполнен с оросителями 21, сообщенными с растворным узлом 22 для гидрата окиси кальция и сборниками 23 ила корпуса 1 брожения, последующий бункер 16 сообщен с микрофильтром 24, по биомассе - с дезинтегратором 25, а по дезинтеграту - с оросителями 26 жгутов 17, камера ферментолиза 14 соединена с камерой сгорания 29, биометан в которую подается с помощью насоса 28, камера сгорания 29 соединена с компрессором 30 и газовой турбиной 31, связанной с газоводяным теплообменником 32, куда подается вода с помощью насоса 33, газоводяной теплообменник 32, в свою очередь, связан водопроводом с перемешивающим устройством 7, а газопроводом - с камерой ферментолиза 14, кроме того, газовая турбина 31 связана с электрогенератором 34, подключенным к двойной системе сборных шин 36, к которой через выключатели 35 подключены потребители электростанции и трансформатор 37 связи с внешней энергосистемой.
Утилизационная электростанция работает следующим образом.
3
В питатель 13 поступают откорректированные по углероду и азоту в соотношении 20:1 фекально-бытовые, птицеводческие, животноводческие и другие стоки и в перемешивающем устройстве 7 происходит их измельчение абразивной зернистой иммобилизационной насадкой 10 при возвратно-поступательных перемещениях на подвесках 11 от источника 12 до размеров частиц, соответствующих размерам микроорганизмов или их аглютинатов с одновременным разрушением оболочек некоторой части этих микроорганизмов насадкой 10 (вспученный перлит, керамзит, модифицированный цеолит и т.д.). Субстрат из перемешивающего устройства 7 через перфорированную стенку 8 переходит в камеры 3, 4, 5 и 6, в которых осуществляется брожение под воздействием анаэробов-гидролитиков, кислотогенов, ацетогенов и ацетогидрогенов с образованием бражки в нижних частях камер и биогаза в верхней. В камере 6 за счет образования гидрата окиси аммония и двууглекислого аммония бражке сообщается слабощелочная реакция. Биогаз из камеры 6 щелочного брожения отсасывается нагнетателем 19 и через патрубок 18, в котором к нему через эжектор 20 подмешивается бражка и смесь распыляется в бункере 15 и контактирует с иммобилизационной насадкой 10, дополнительно орошаемой известковым молоком из растворного узла 22 и гидрокарбонатом аммония из недоброда камер 3-6, причем расход гидрата окиси кальция не превышает 0,1 кг на 1 м бражки, однако этого достаточно для нейтрализации бражки и обеспечивает слабощелочную реакцию для жизнедеятельности метаногенов. Факел распыла нагнетателя 19 обрабатывает насадку 10 в бункере 16. Под действием орошения из оросителей 26 смываются старые и мертвые клетки метаногенов и обеспечивается доступ субстрата и биогаза к молодым клеткам. Субстрат отбирается в микрофильтр 24 для выделения биомассы, которую дезинтегрируют ударно-гидродинамическим, кавитационным и тепловым воздействием с разрушением оболочек и освобождением ферментов, которые возвращаются через оросители 26 в бункер 16 из дезинтегратора 25. Под воздействием ферментов осуществляется распад воды (ферментолиз) на водород и кислород. Водород восстанавливает диоксид углерода до метана, а кислород окисляет примеси, в том числе сероводород. Под воздействием ферментолиза биогаз превращается в биометан. Из патрубка 27 биометан посредством насоса 28 поступает в камеру сгорания 29, в которую также подается воздух из компрессора 30. Электроснабжение насоса 28 осуществляется от двойной системы сборных шин 36 (на схеме не показано). В результате происходит воспламенение газовоздушной смеси. После этого газ направляется в газовую турбину 31, которая вращает вал электрогенератора, где вырабатывается электроэнергия. Электроэнергия от генератора 34 подается через двойную систему сборных шин 36 потребителям, а ее излишки - через трансформатор 37 во внешнюю электрическую сеть. При этом выхлопные газы, с температурой порядка 550°С, из выходного патрубка турбины 31 направляются в газо-водяной теплообменник 32, где отдают свое тепло воде, а затем выхлоп направляется в нагнетатель 19 и утилизируется в камере ферментолиза 14 с восстановлением диоксида углерода до метана, нагретая вода, с температурой порядка 70°С, из теплообменника, в свою очередь, направляется в перемешивающее устройство 7, где подогревает исходную биомассу до нужной температуры, порядка 33°С.
При расчете эффективности установки за основной критерий принят коэффициент полезного использования теплоты топлива. Эффективность предлагаемой утилизационной электростанции определяется следующим образом:
550°С
i=726 кДж/кг - энтальпия выхлопных газов на выходе из турбины;
120°С
i=148,8 кДж/кг - энтальпия выхлопных газов, которая полезно используется.
С учетом того, что в турбине используется порядка 40% газа, а остальные 60% газа выводятся через выхлопной патрубок, примем долю выхлопных газов равную 0,6, следовательно, коэффициент полезного использования теплоты выхлопных газов:
и.в.г.
η=0,6·[(726-148,8)/726]·0.92=0.44,
где 0,92 - усредненный коэффициент полезного действия теплообменника.
Эффективность утилизационной электростанции определим как коэффициент полезного использования теплоты топлива
УЭС.
η=(0,44+0,4)·0,98=0,8232,
где 0,4 - доля газа, используемого в турбине,
0,98 - коэффициент полезного действия камеры сгорания.
Таким образом, коэффициент полезного использования теплоты топлива (эффективность установки) составляет 82%.
Кроме того, использование камеры сгорания позволяет эффективно сжигать биометан в потоке воздуха, который поступает из компрессора под высоким давлением. Так биометан, подаваемый насосом из камеры ферментолиза в необходимом объеме, при столкновении на высокой скорости с воздухом воспламеняются. Топливовоздушная смесь сгорает, выделяя большое количество энергии. Таким образом, за счет использования предлагаемой конструкции дополнительно повышается эффективность сгорания биометана. Энергия газообразных продуктов сгорания преобразуется в механическую работу за счет вращения струями раскаленного газа лопаток турбины. Некоторая часть полученной энергии расходуется на сжатие воздуха в компрессоре. Остальная часть работы передается на электрический генератор.