ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ УТИЛИЗАЦИИ ОРГАНИЧЕСКИХ ОТХОДОВ

Изобретение относится к устройствам для утилизации органических отходов на базе газогенератора и может быть использовано для выработки тепловой, электрической энергии, с попутным получением водорода и кислорода из воды с малой себестоимостью.
Известна газогенераторная энергетическая установка по патенту РФ №2280820, F24H 1/00, от 2004.06.10), содержащая корпус, внутри которого установлен бункер с древесным топливом, размещенное в нижней части корпуса топочное устройство с колосниковой решеткой, над которой расположен коллектор с фурмами, для подачи воздуха в зону горения топочного устройства, а между корпусом и бункером образована полость, связанная с вертикальным скруббером для очистки топочных газов от смолистых отложений дыма, который связан с вентилятором для розжига газогенератора, соединенным со смесителем, связанным с газодизелем, при этом она снабжена первым и вторым теплообменниками для нагрева в них воды. Скруббер связан с отстойником, из которого выведена магистраль для удаления шлама и магистраль отвода очищенной от шлама воды для направления ее на нейтрализацию
Однако известная установка не обладает достаточной эффективностью, что вызвано отсутствием автоматического управления работой ее основных конструктивных элементов, особенно при применении ее в реальных условиях эксплуатации, когда количество потребляемой энергии в соответствии с суточным графиком нагрузки изменяется в широком диапазоне, при этом снижаются не только их эффективные показатели, но и нарушается оптимальная настройка их параметров на расчетный режим. Кроме того, в этих условиях качество генераторного газа снижается и режим функционирования газодизеля также нарушается, что ведет к ухудшению экологических показателей.
Известна установка для утилизации древесных отходов по заявке РФ №2006147013, F23B 99/00, F23G 5/00, выбранная в качестве прототипа заявляемого решения. Установка создана на базе газогенератора, связанного магистралями с газодизелем, который в свою очередь соединен с электрогенератором. При этом установка оснащена автоматической системой управления получения генераторного газа и электроэнергии с применением ЭВМ (компьютера), связанной с одной стороны с аналого-цифровым преобразователем сигналов технологических параметров установки, который в свою очередь связан с преобразователем активной мощности трехфазного тока в цепи электрической нагрузки электрогенератора, соединенного с распределительным электрическим щитом установки, а с другой стороны ЭВМ связана с цифро-аналоговым преобразователем сигналов.
Известная установка повышает эффективность процесса получения электроэнергии на базе газогенератора и улучшает экологические показатели за счет применения компьютера в комплексе с блоками адаптации для управления и оптимизации параметров в процессе получения генераторного газа и его использования для выработки тепловой и электрической энергии.
К недостаткам известной установки можно отнести то, что когда количество потребляемой энергии в соответствии с суточным графиком нагрузки изменяется в широком диапазоне, то при частичных (не полных) нагрузках полностью не используются возможности выработки энергии. Эту задачу решает предлагаемая энергетическая установка.
Техническим результатом предлагаемого решения в случае неполного использования возможностей энергетической установки (при снижении потребления электроэнергии) является автоматическое подключение ее к дополнительной нагрузке, что в конечном итоге позволит увеличить КПД.
Технический результат достигается тем, что в известной энергетической установке для утилизации органических отходов, содержащей газогенератор, связанный магистралями с газодизелем, соединенным с электрогенератором, и снабженной автоматической системой управления получения генераторного газа и электроэнергии с применением ЭВМ, соединенной с одной стороны с аналого-цифровым преобразователем сигналов технологических параметров установки, который в свою очередь связан с преобразователем активной мощности трехфазного тока в цепи электрической нагрузки электрогенератора, соединенного с распределительным электрическим щитом установки, а с другой стороны связанной с цифро-аналоговым преобразователем сигналов, согласно предлагаемому решению установка дополнительно содержит устройство производства водорода и кислорода из воды в виде стартерной камеры для производства перегретого пара, с расположенными в ней настраиваемым электронагревателем и датчиком температуры перегретого пара, соединенной с одной стороны - с адаптером подачи воды в стартерную камеру, управляемым через цифро-аналоговый преобразователь, а с другой стороны соединенной с камерой диссоциации перегретого водяного пара, связанной через силовой блок высокого напряжения с распределительным электрическим щитом.
Дополнительная утилизация тепла отработавших газов и охлаждающей жидкости путем направления циркуляционной воды в стартерную камеру для получения перегретого пара и затем в камеру диссоциации перегретого водяного пара приведет к повышению общего КПД установки.
Автоматическое подключение (в случае неполной нагрузки на установку) происходит путем взаимодействия адаптера подачи воды в стартерную камеру, который управляется через цифро-аналоговый преобразователь системы автоматизации установки. Автоматическое подключение устройства для получения водорода и кислорода к установке обеспечит создание дополнительной нагрузки в зависимости от изменения эксплуатационной нагрузки электрогенератора в широком диапазоне в связи с характером изменения потребления энергии (суточным графиком).
Используя положительную разницу между потребляемой и вырабатываемой тепловой и электрической энергией на получение водорода и кислорода из воды, можно регулировать подачу генераторного газа в газодизель и тем самым поддерживать частоту вращения коленчатого вала дизеля постоянной на переходных режимах, обеспечивая соответствие изменения нагрузки и расхода генераторного газа в самом оптимальном режиме. При этом повышается качество получаемого генераторного газа, уменьшается его удельный расход, существенно увеличивается количество выработанной энергии, за счет более полного использования энергетических возможностей газодизеля (близких к номинальным). Повышение КПД энергетической установки при этом возможно увеличить до 95%.
Сущность изобретения поясняется чертежом.
На фиг.1 - общий вид энергетической установки для утилизации органических отходов с получением из воды водорода и кислорода малой себестоимости.
Установка для утилизации древесных отходов содержит вертикальный корпус 1. В корпусе 1 размещен расходный бункер топлива 2, а в верхней части корпуса 1 расположен загрузочный люк 3 для подачи топлива. В нижней части корпуса 1 размещено топочное устройство 4 с коллектором 5 для подачи воздуха из атмосферы в зону горения топочного устройства 4. Между стенками корпуса 1 и расходного бункера 2 образована полость А, связанная первой магистралью 6, пропущенной через первый теплообменник 7, который связан с фильтром грубой очистки 8 генераторного газа от грязевых частиц, из верхней части фильтра 8 выведена вторая магистраль 9 для отбора из него очищенного генераторного газа, связанная с дымососом 10 и фильтром тонкой очистки 11 генераторного газа, из которого выведена третья магистраль 12, связанная со смесителем 13, а он четвертой магистралью 14 связан с газодизелем 15. Газовая свеча 16 (дымовая труба) связана пятой магистралью 17 через запорный клапан 19 с выходом дымососа 10. Для отвода тепла в воду при охлаждении генераторного газа через первый теплообменник 7 пропущена шестая магистраль 19, соединенная с выходом второго теплообменника 20, вход которого соединен седьмой магистралью 21 с выходом третьего теплообменника 22, при этом вход третьего теплообменника 22 соединен восьмой магистралью 23 с циркуляционным насосом 24 теплостанции Б, который связан девятой магистралью 25 с теплообменниками 26 потребителя тепла. Через второй теплообменник 20 пропущена десятая магистраль 27, связанная с выходом четвертого теплообменника 28, вход которого одиннадцатой магистралью 29 связан с газодизелем 15 для отвода его отработавших газов и нагрева воды для теплофикации. Смеситель 13 связан двенадцатой магистралью 30 с атмосферой для подвода к нему воздуха и образования в нем смеси генераторного газа с воздухом. Газодизель 15 тринадцатой магистралью 31 через топливный насос высокого давления 32 связан с расходной цистерной 33 запального дизельного топлива. Потребители электрической энергии, вырабатываемой описываемой установкой, связаны с ней через электрический распределительный щит 34, соединенный с электрическим генератором 35, приводимым в движение газодизелем 15. Из нижней часть фильтра 8 производится выгрузка фильтрующего материала (например, специально подготовленные по фракционному составу древесные отходы) для дальнейшего использования в качестве топлива. Система подачи топлива состоит из бункера основного запаса топлива 36, наклонного шнекового питателя 37, один конец которого помещен в нижнею часть бункера 36, а верхний его конец выведен в загрузочный люк 3. Третий теплообменник 22 для утилизации тепла циркуляционной воды внутреннего контура системы охлаждения газодизеля 15 связан на его выходе с четырнадцатой магистралью 38 и через клапан 39 с циркуляционным насосом 40, который через внутренние полости поверхностей охлаждения газодизеля 15 связан с терморегулятором 41, имеющим первый выход для соединения с пятнадцатой магистралью 42, соединенной с входом третьего теплообменника 22, а второй выход - для соединения с шестнадцатой магистралью 43 с пятым теплообменником 44 (радиатором), выход которого соединяется с семнадцатой магистралью 45, связывающей его с четырнадцатой магистралью 38 в сечении между клапаном 39 и насосом 40. Для сбора золы предусмотрен зольник с дверцей 46.
При этом в состав энергетической установки включено устройство для выработки из воды высококалорийного топлива (водорода) и кислорода 58, а также комплект оборудования с системой автоматизированного управления всеми технологическими процессами получения генераторного газа и получения водорода и кислорода из воды, включающей ЭВМ (микроконтроллер) 47, связанный с одной стороны - с аналогово-цифровым преобразователем 48, на который поступает поток информации по первому каналу 49 от измерительного преобразователя активной мощности трехфазного тока 50 (например, типа Е829), соединенного с электрическим распределительным щитом 34, по второму каналу 51 - от датчика частоты вращения 52 коленчатого вала, установленного на топливном насосе высокого давления 32, по третьему каналу 53 - от датчика уровня древесного топлива 54, расположенного в расходном бункере 2, по четвертому каналу 55 - от датчика температуры водяного пара 56, установленного в стартерной камере для производства перегретого пара 57. С другой стороны микроконтроллер 47 связан - по пятому каналу - 59 с цифро-аналоговым преобразователем 60, который шестым каналом 61 связан с адаптером подачи воздуха 62, седьмым каналом 63 - с адаптером расхода генераторного газа, встроенным в корпус смесителя 13, восьмым каналом 64 - с адаптером 65, управляющим приводом шнекового питателя 37. Кроме того, цифро-аналоговый преобразователь 60 девятым каналом 66 связан с адаптером 67 подачи воды в стартерную камеру 57 для получения перегретого пара с помощью настраиваемого электронагревателя 68, которая механически соединена с камерой 69 диссоциации перегретого водяного пара под воздействием постоянного электрического поля высокого напряжения, создаваемого специальным силовым блоком 70, предназначенным для создания электрического поля постоянного тока высокого напряжения. Силовой блок высокого напряжения может быть выполнен, например, в виде трехфазного повышающего трансформатора (от 380 до 6000 В) с дополнительным преобразователем вида тока (из переменного в постоянный, в качестве которых могут применяться выпрямители тока различного вида); или умножители напряжения, с соответствующими параметрами по мощности электрического тока. Входной фильтр механической очистки воды 71 с одной стороны восемнадцатой магистралью 72 связан с водопроводной сетью, а девятнадцатой магистралью 73 со входом теплообменника 27, выход которого двадцатой магистралью 74 связывает его с адаптером 67 подачи воды в стартерную камеру 57. Электрический шит 34 десятым каналом 75 соединен с электронагревателем 68, одиннадцатым каналом 76 - со специальным силовым блоком 70, двенадцатым каналом 77 - с потребителями электроэнергии.
Энергетическая установка для утилизации органических отходов с получением из воды водорода и кислорода малой себестоимости работает следующим образом.
Перед началом работы энергетической установки в газогенератор 1 размещается необходимое количество запальной массы твердого топлива (бумага, стружка, измельченные сухие дрова, древесный уголь), затем открывается клапан 18 газовой свечи 16, запускается газодизель 15 на дизельном топливе для обеспечения электроэнергией от электрического генератора 35 дымососа 10, электропривода наклонного шнекового питателя 37 подачи топлива (электроэнергия на собственные нужды установки) и автоматизированной системы управления работой энергетической установки. С помощью наклонного шнекового питателя 37 расходный бункер 2 газогенератора заполняется древесным топливом до верхнего уровня, после чего наклонный шнековый питатель 37 отключается, крышка люка 3 газогенератора закрывается, а его управление переводится с ручного на автоматическое от ЭВМ (микроконтроллера) 47, при этом подача генераторного газа по третьей магистрали 12 перекрыта встроенным в смеситель 13 адаптером, который также управляется по седьмому каналу 63 системой автоматизированного управления работой установки. Затем магистрали шестая 19 и девятая 25 заполняются водой из теплофикационной сети, включается дымосос 10. Через дверку топочного устройства 4 поджигается запальное древесное топливо и дверка топочного устройства герметично закрывается. Древесное топливо в топочном устройстве 4 сгорает, создавая при этом зону его пиролиза, где происходит образование генераторного газа. Через некоторое время, определяемое конструкцией газогенератора, поджигается генераторный газ в газовой свече 16. При достижении устойчивого горения генераторного газа в газовой свече 16, газодизель 15 переводится на газодизельный процесс, который на режиме запуска установки в действие осуществляется с помощью органов ручного управления адаптером в смесителе 13. При работе установки генераторный газ из полости А по первой магистрали 6 проходит через первый теплообменник 7, к которому по шестой магистрали 19 поступает циркуляционная вода системы теплофикации (после нагрева она отводится по шестой магистрали 19 в систему В к потребителям тепла), а после охлаждения до необходимого уровня он поступает на фильтр грубой очистки 8 от грязевых частиц. Из верхней части фильтра грубой очистки 8 выведена вторая магистраль 9 для подачи охлажденного и предварительно очищенного газа к фильтру тонкой очистки 11 и к дымососу 10, пройдя тонкую очистку в фильтре 11 генераторный газ по третьей магистрали 12 направляется к смесителю 13, связанному двенадцатой магистралью 30 с атмосферой. Полученная смесь генераторного газа с атмосферным воздухом по четвертой магистрали 14 подается в газодизель 15, в котором осуществляется ее сгорание с использованием небольшой дозы запального дизельного топлива, подаваемого топливным насосом высокого давления 32, соединенного двенадцатой магистралью 31 с расходной цистерной 33 запального дизельного топлива. Отработавшие газы газодизеля 15 выводятся по одиннадцатой магистрали 29, пропущенной через третий теплообменник 22 по десятой магистрали 27 подаются на вход второго теплообменника 20 и охлажденные выбрасываются в атмосферу. Циркуляционная вода теплофикационной системы теплостанции Б и потребителей тепла ТЭС В транспортируется с помощью циркуляционного насоса 24, вход которого девятой магистралью 25 связан с системой потребителей тепла ТЭС, выход - восьмой магистралью 23 соединен со входом третьего теплообменника 22. Циркуляционная вода из третьего теплообменника 22 по седьмой магистрали 21 подается на вход второго теплообменника 20, где нагревается до более высокой температуры отработавшими газами от газодизеля 15 и по шестой магистрали 19 направляется через первый теплообменник 7 к потребителям тепла 26.
При получении из воды водорода и кислорода она предварительно подогревается отработавшими газами газодизеля 15 в четвертом теплообменнике 28, на вход которого по девятнадцатой магистрали 73 подается очищенная в фильтре 71 вода, поступающая по восемнадцатой магистрали 72 из водопроводной сети, а по двадцатой магистрали 74 направляется в адаптер подачи воды в стартерную камеру 57 устройства 58 для выработки водорода и кислорода из воды, где вода превращается в перегретый пар с постоянной температурой 500-550°С, которая поддерживается с помощью настраиваемого электронагревателя 68. Перегретый пар из стартерной камеры 57 подается в камеру диссоциации 69, где под воздействием постоянного электрического поля высокого напряжения (6000 В), создаваемого специальным силовым блоком 70, связанным для электропитания одиннадцатым каналом 76 с электрическим щитом 34, образуется водород и кислород. Электрощит 34 двенадцатым каналом 77 связан с электрической сетью потребителя.
Во время выгорания древесного топлива, первоначально размещенного в расходном бункере 2 газогенератора, в пределах - до установленного нижнего уровня, который определяется опытным путем для каждого конкретного типоразмера газогенератора, датчик уровня древесного топлива 54 по третьему каналу 53 направляет поток информации о количестве топлива в расходном бункере 2 на аналогово-цифровой преобразователь 48, который эту информацию преобразует и в цифровой форме передает ЭВМ (микроконтроллеру) 47, где она анализируется и вырабатывается соответствующий управляющий код, который по пятому каналу 59 через цифро-аналоговый преобразователь 60 и далее через восьмой канал 64 передается на адаптер 65, встроенный в электропривод шнекового питателя 37, для включения или выключения подачи новой порции утилизируемого топлива. Генераторный газ, вырабатываемый газогенератором 1, предназначен для замещения дизельного топлива при работе газодизеля 15 под нагрузкой, поэтому газодизель 15 при выводе установки на эксплуатационный режим в начальный момент расходует только дизельное топливо. При достижении эксплуатационного уровня электрической нагрузки включается система автоматического управления, которая, используя базу данных по наиболее значимым регулируемым параметрам основных агрегатов установки, внесенных в программу управления ЭВМ (микроконтроллера) 47, через адаптер, встроенный в смеситель 13, обеспечивает необходимую подачу генераторного газа во впускной коллектор газодизеля 15.
При этом за счет этого управления обеспечивается оптимальная пропорция газа с воздухом во впускном тракте в цилиндры газодизеля. Больше, чем это требуется газодизелю, газа не подается. При увеличении подачи генераторного газа цикловая подача дизельного топлива соответственно уменьшается до уровня минимальной (запальной), необходимой для устойчивой работы газодизеля 15. При изменении электрической нагрузки на шинах электрогенератора, поток информации об этом от измерительного преобразователя активной мощности 50 по первому каналу 49 передается аналого-цифровому преобразователю 48, который связан с ЭВМ (микроконтроллером) 47, с установленной в нем программой анализа этой информации и формирования управляющего сигнала для оптимальной корректировки количества подаваемого генераторного газа в газодизель 15, передаваемого по каналу 59 через цифро-аналоговый преобразователь 60 и далее по каналу 63, на адаптер, встроенный в смеситель 13. Необходимый расход генераторного газа обеспечивается с одной стороны количеством подаваемого воздуха путем непрерывной настройки адаптера 62, который управляется программой ЭВМ (микроконтроллера) 47, соединенного пятым каналом 59 с цифро-аналоговым преобразователем 60, а последний - шестым каналом 61 с адаптером 62. Программой ЭВМ (микроконтроллера) 47 учитывается влияние качества получаемого генераторного газа и осуществляется коррекция управляющего сигнала управления адаптером 62 по поступающему потоку информации от датчика 52 частоты вращения коленчатого вал газодизеля 15, соединенного вторым каналом 51 и через аналого-цифровой преобразователь 48 с ЭВМ (микроконтроллером) 47.
Кроме того, система автоматизации энергетической установки управляет технологическим процессом получения из воды водорода и кислорода, используя поток информации, поступающей от датчика активной мощности 50 изменяя расход воды с помощью адаптера 67 в зависимости от невостребованного потребителем количества электрической энергии (энергетических возможностей установки), так, чтобы расчетная нагрузка (по электрогенератору) оставалась постоянной и близкой к номинальной (или назначенной - эксплуатационной).
Предлагаемая конструкция установки для утилизации органических отходов с получением из воды водорода и кислорода малой себестоимости позволит повысить эффективность обеспечения потребителя тепловой энергией от теплообменников и электрической энергией от электрогенератора, снизить численность обслуживающего персонала установки, улучшить экологические показатели при ее эксплуатации.