Энергетический комплекс на основе газификации отходов биомассы
BIOMASS WASTE GASIFICATION BASED ENERGY SYSTEM

Изобретение относится к энергетике, а точнее - к устройству энергетического комплекса (ЭК) на основе газификации отходов биомассы (БМ) и может быть использовано для обеспечения тепловой и электрической энергией потребителей, которые не подключены к централизованным сетям электро- и теплоснабжения.
Известны технические решения по устройству ЭК на основе газификации БМ, в частности мусора и твердых бытовых отходов (ТБО) в газогенераторных установках, обеспечивающие процесс термического разложения этих отходов под действием высоких температур (до 1100°C) в процессе горения отходов при ограниченном доступе воздуха. Получаемый в таких установках газ может использоваться в качестве топливного газа для котельных и как моторный газ для двигателей внутреннего сгорания (RU 2303192 С1, МКП F22B 33/18, C10J 3/86 от 29.06.2006, публ. 20.07.2007, Бюл. №20 «Комплекс газотеплоэлектрогенераторный»). Однако из-за наличия в генераторном газе продуктов сгорания и азота воздуха полученный топливный газ обладает низкой теплотворной способностью и ограниченными возможностями применения в качестве моторного топлива. Кроме того, такого рода газогенераторные установки не подходят для газификации биомассы с высокой влажностью из-за высокого потребления энергии для предварительной сушки БМ.
Известны схемы энергетических комплексов (ЭК), обеспечивающие получение тепловой и электрической энергии за счет использования в качестве топлива горючего газа, образующегося в результате процесса сверхкритической водной газификации (SCWG) БМ, одна из которых описана в патенте (патент US №20170066982 МПК C02F 11/086, 2014). Согласно описанию, ЭК обеспечивает сжатие и нагрев потока водной суспензии газифицируемой БМ для перевода в сверхкритическое состояние и его газификации с получением топливного газа, который далее используется для обеспечения работы турбины электрогенератора. ЭК содержит противоточный теплообменник, газожидкостный сепаратор и турбину. При этом, предварительно подготовленная водная суспензия газифицируемой БМ направляется насосом через 1-й входной канал низкотемпературной стороны теплообменника, в то время как с противоположной высокотемпературной стороны теплообменника в его 2-й канал направляется поток после обработки в реакторе. Таким образом, в устройстве обеспечивается рекуперативный теплообмен между встречными потоками газифицируемой суспензии БМ и движущимся во встречном направлении высокотемпературным потоком, выходящим из реактора. Сепаратор газ/жидкость с входным патрубком, подключенным к высокотемпературному выходу 1-го канала теплообменника, обеспечивает разделение парогазовой и жидкой фаз обработанного потока, и формирует на выходе поток жидкой рабочей среды в субкритическом состоянии, который возвращается через 2-й высокотемпературный проточный канал теплообменника. Турбина работает на выделенном газожидкостным сепаратором топливном газе.
Описанное устройство имеет следующие недостатки:
- неэффективность из-за потери потенциальной энергии парогазовой смеси, образующейся при работе ЭК;
- ненадежность работы вследствие возникновения пробок, забивающих каналы противоточного теплообменника вследствие образования твердого осадка из растворенных в БМ минеральных солей, интенсивно осаждающихся при переходе нагретой суспензии БМ в сверхкритическое состояние.
4
2
2
Известное решение (Matsumura Y. et al., JP 2008249207, МПК A61C 13/07, публ. 16.10.2008) описывает ЭК, который обеспечивает более эффективную выработку энергии с использованием топливного газа, содержащего метан (СН водород (Н) и углекислый газ (CO), полученного при SCWG БМ. Энергетический комплекс содержит: устройство предварительной подготовки суспензии БМ, SCWG-реактор, генератор энергии, работающий на вырабатываемом топливном газе, теплообменный аппарат для нагрева реактора путем сжигания части вырабатываемого топливного газа в кислородсодержащем газе, предварительного подогревателя для рекуперативного нагрева смеси топливного газа с кислородсодержащим газом теплом выхлопных газов, исходящих из генератора энергии или теплообменного аппарата для нагрева реактора, или теплообменный аппарат для нагрева находящейся при высоком давлении суспензии БМ.
Известен ЭК, в котором широко используется возможность рекуперации тепловой энергии материальных потоков, является ЭК, описанный в патенте [Wada et al., US 20170073594 МПК C10J 3/76, C10J 3/86, 2014 г. (РСТ JP 2014/055692; WO 2014JP55692, публ. 05032014), публ.16.03.2016].
2
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является энергетический комплекс, описанный в [Kruse A., Hydrothermal biomass gasification. / J. of Supercritical Fluids, 47 (2009), 391-399], содержащий бункер биомассы, блок подготовки и хранения водной суспензии биомассы, резервуар с водным конденсатом, насосы высокого давления (НВД), экономайзер-теплообменник противоточного типа, предварительный подогреватель, вертикально расположенный реактор, корпус которого содержит два входных, газоотводящий и выходной патрубки, причем два входных и газоотводящий патрубки выполнены в верхней, а выходной патрубок - в нижней части корпуса реактора, шлюз для отвода продуктов реакции в жидкой и твердой фазе, конденсатор, газожидкостный сепаратор, нижний патрубок которого через регулируемый дроссельный клапан соединен с резервуаром для сбора водного конденсата, скруббер для очистки газовой смеси от CO, газовый выход которого соединен с газобаллонной рампой, газовый двигатель с электрогенератором, подключенный к газобаллонной рампе через регулирующий редуктор, при этом, первый НВД подключен к блоку подготовки водной суспензии биомассы, а его напорный патрубок соединен с 1-м контуром экономайзера и, далее, с 1-м входным патрубком реактора, второй НВД, подключен к резервуару с водным конденсатом, а его напорный патрубок соединен со 2-м контуром экономайзера и через контур предварительного подогревателя со 2-м входным патрубком реактора, а выход 3-го контура экономайзера соединен с конденсатором и, далее, с газожидкостным сепаратором.
Указанное устройство ЭК принято в качестве прототипа.
Преимуществом ЭК - прототипа является раздельный рекуперативный нагрев водной суспензии биомассы и воды в экономайзере с последующим перегревом сверхкритического потока воды в предварительном подогревателе с использованием тепла отходящих дымовых газов двигателя электростанции, и организация перемешивания перегретого сверхкритического потока воды с нагретым до субкритической температуры потоком биомассы в полости реактора.
В то же время, устройство прототипа обладает недостатками, суть которых:
- во-первых, в том, что при производстве электроэнергии, как наиболее ценного, универсального и ликвидного энергоресурса, не эффективно используется эксергия образующейся на выходе реактора высокоэнтальпийной парогазовой смеси, что приводит к снижению энергетической и экономической эффективности работы ЭК;
- во-вторых, в зависимости степени перегрева потока воды в предварительном подогревателе от температуры и объема дымовых газов, которые, в свою очередь, привязаны к режиму работы газового двигателя, обусловленному волатильностью текущей потребности в электрической мощности, что снижает управляемость ЭК, рассматриваемого в качестве технологического инструмента для газификации отходов биомассы с получением топливного газа в виде накапливаемого в газобаллонной рампе энергетического ресурса.
Технический результат изобретения заключается в повышении энергетической и экономической эффективности, управляемости энергетического комплекса, а также в повышении функциональности за счет возможности его использования в качестве накопителя энергии для режимов пикового потребления электрической мощности.
2
Указанный технический результат достигается тем, что энергетический комплекс на основе газификации отходов биомассы, содержащий бункер биомассы, блок подготовки и хранения водной суспензии биомассы, резервуар с водным конденсатом, насосы высокого давления (НВД), экономайзер-теплообменник противоточного типа, предварительный подогреватель, вертикально расположенный реактор, корпус которого содержит два входных, газоотводящий и выходной патрубки, причем два входных и газоотводящий патрубки выполнены в верхней, а выходной патрубок - в нижней части корпуса реактора, шлюз для отвода продуктов реакции в жидкой и твердой фазе, конденсатор, газожидкостный сепаратор, нижний патрубок которого через регулируемый дроссельный клапан соединен с резервуаром для сбора водного конденсата, скруббер для очистки газовой смеси от СО, газовый выход которого соединен с газобаллонной рампой, газовый двигатель с электрогенератором, подключенный к газобаллонной рампе через регулирующий редуктор, при этом, первый НВД подключен к блоку подготовки водной суспензии биомассы, а его напорный патрубок соединен с 1-м контуром экономайзера и, далее, с 1-м входным патрубком реактора, второй НВД, подключен к резервуару с водным конденсатом, а его напорный патрубок соединен со 2-м контуром экономайзера и через контур предварительного подогревателя со 2-м входным патрубком реактора, а выход 3-го контура экономайзера соединен с конденсатором и, далее, с газожидкостным сепаратором, отличающийся тем, что энергетический комплекс снабжен парогазовой турбиной с электрогенератором, установленной между газоотводящим патрубком реактора и входным патрубком 3-го контура экономайзера, при этом напорный патрубок второго НВД соединен со 2-м контуром экономайзера через систему охлаждающих каналов конденсатора, теплоэнергетическим блоком, содержащим рекуперативный контур с циркуляционным насосом, двумя теплообменниками газ/жидкость с патрубками для жидкого теплоносителя, каждый из которых выполнен, по крайней мере, из двух секций, бойлером и блоком дымососа с третьим теплообменником газ/жидкость, газовый канал которого включен в канал отвода выхлопных газов перед выхлопной трубой ЭК, газовый канал первого теплообменника, содержащего не менее двух секций, включен в канал отвода выхлопных газов между блоком дымососа и газовым двигателем, а второго - в канал подачи кислородсодержащего газа (воздуха), контур жидкого теплоносителя, охватывающий циркуляционный насос, охлаждающий контур теплообменника дымососа, охлаждающий контур первого теплообменника, нагревающий контур второго теплообменника и греющий контур бойлера, охлаждающий канал которого включен в контур горячего водоснабжения, газовой горелкой интегрированной в конструкцию предварительного подогревателя и подключенной через регулирующий редуктор к газобаллонной рампе.
Кроме того, у рекуперативного контура теплоэнергетического блока газовый канал третьего теплообменника сопряжен с каналом отвода выхлопных газов перед выхлопной трубой ЭК, газовый канал второго теплообменника сопряжен с каналом подачи кислородсодержащего газа (воздуха).
Кроме того, дымосос и третий теплообменник газ/жидкость интегрированы в единый блок, установленный перед выхлопной трубой ЭК, входной патрубок охлаждаемого жидким теплоносителем канала теплообменника, соединен трубопроводом с циркуляционным насосом, а выходной - с входным патрубком нижней по потоку выхлопных газов секции первого теплообменника газ/жидкость, входящего в состав теплового блока, выходной патрубок первого теплообменника соединен с входным патрубком нижней по потоку воздуха секции второго теплообменника. Второй НВД, подключенный к резервуару с водным конденсатом, выполнен, по крайней мере, из 2-х последовательно включенных секций, причем участок трубопровода между 1-й и 2-й секцией НВД снабжен мембранным фильтром. Входящие трубопроводы 1-го и 2-го НВД выполнены с ответвлениями, соединенными между собой перемычкой с управляемым запорным клапаном, при этом, управляемыми запорными клапанами оснащены, также, и участок трубопровода между резервуаром с суспензией биомассы и перемычкой, и участок трубопровода между резервуаром водного конденсата и перемычкой, участок трубопровода на входе в блок подготовки и хранения водной суспензии биомассы, и участок трубопровода подачи водного конденсата на входе в резервуар с водным конденсатом. Конструкция конденсатора и газожидкостного сепаратора выполнена в едином конструктивном блоке.
Изобретение поясняется чертежом, на котором изображена схема ЭК с основными элементами и блоками технологического оборудования.
/1
/4
/1
2
/1
ЭК содержит размещенные в общем контейнере бункер биомассы 1, блок подготовки и хранения водной суспензии биомассы 2, резервуар с водным конденсатом 3, насосы высокого давления (НВД) 4÷4, экономайзер-теплообменник противоточного типа 5, предварительный подогреватель 6, вертикально расположенный реактор 7, корпус которого содержит два входных, газоотводящий и выходной патрубки, причем два входных и газоотводящий патрубки выполнены в верхней, а выходной патрубок - в нижней части корпуса реактора, шлюз для отвода продуктов реакции в жидкой и твердой фазе 8, конденсатор 9, газожидкостный сепаратор 10, нижний патрубок которого через регулируемый дроссельный клапан 11 соединен с резервуаром для сбора водного конденсата 12, скруббер для очистки газовой смеси от CO 14, газовый выход которого соединен с газобаллонной рампой 15, газовый двигатель с электрогенератором 16, подключенный к газобаллонной рампе 15 через первый регулирующий редуктор 17.
/1
/1
/2
/2
/3
/3
Напорный патрубок 1-го НВД 4 подключенного к блоку подготовки водной суспензии биомассы 2 через запорный клапан 18, соединен с 1-м контуром экономайзера 5 и, далее, с 1-м входным патрубком реактора 7. Первая секция 2-го НВД 4 подключена через запорный клапан 18 к резервуару с водным конденсатом 3, напорный патрубок этой секции НВД присоединен к входному патрубку мембранного фильтра 19, напорный патрубок которого подключен к входу второй секции НВД 4, при этом, напорный патрубок второй секции НВД 4 подключен к 2-му контуру экономайзера через систему охлаждающих каналов конденсатора 9, и через канал предварительного подогревателя 6 к 2-му входному патрубку реактора 7. Выход 3-го контура экономайзера 5 соединен с конденсатором 9 и, далее, с газожидкостным сепаратором 10.
Парогазовая турбина 20 с электрогенератором, установлена между газоотводящим патрубком реактора 7 и входным патрубком 3-го контура экономайзера 5.
Теплоэнергетический блок 21, содержит рекуперативный контур с двумя теплообменниками газ/жидкость 22,23, бойлер 24 и блок дымососа с теплообменником газ/жидкость 25, газовый канал которого включен в канал отвода выхлопных газов 26 перед выхлопной трубой ЭК 27. Газовый канал первого теплообменника 22 включен в канал отвода выхлопных газов 26 между блоком дымососа и газовым двигателем, а второго 23 - в канал подачи воздуха 28. Контур жидкого теплоносителя теплоэнергетического блока включает циркуляционный насос 29, охлаждающий контур теплообменника дымососа 25, охлаждающий контур первого теплообменника 22, нагревающий контур второго теплообменника 23 и греющий контур бойлера 24, охлаждающий канал которого включен в контур горячего водоснабжения (Контур ГВС). Блок дымососа 25 интегрирован в единый корпус с теплообменником газ/жидкость, газовый канал которого включен в трубопровод выхлопных газов 26.
/2
Газовая горелка (не показана) интегрирована в конструкцию предварительного подогревателя 6 и подключена через второй регулирующий редуктор 17 к газобаллонной рампе 15. Предварительный подогреватель содержит теплоизолированный канал для вывода выхлопных газов от газовой горелки, который, посредством теплоизолированного газохода, соединен с начальным участком теплоизолированного выхлопного трубопровода 26.
/3
/1
Входящие трубопроводы 1-го и 2-го НВД выполнены с ответвлениями, которые соединены между собой перемычкой с управляемым запорным клапаном 18, при этом участок трубопровода между резервуаром с суспензией биомассы 2 и перемычкой также снабжен управляемым запорным клапаном 18.
/4
Контур подачи водного конденсата содержит резервуар для конденсата 12, фильтр 30 и насос 31. При этом, на линии подачи конденсата в резервуар с водой установлен управляемый запорный клапан 18, предназначенный для управления подачей конденсата в резервуар 3.
/5
На линии подачи конденсата в блок подготовки водной суспензии биомассы 2 также установлен управляемый запорный клапан 18, предназначенный для управления подачей конденсата в блок 2.
/2
2
Также в ЭК может использоваться отдельный резервуар для абсорбента 32, который трубопроводом через дросселирующий клапан 11 соединен с нижней частью скруббера CO, выполняющего функцию очистки реакционной смеси газов от углекислого газа, являющегося негорючей компонентой газовой смеси.
/1,2
/1
/2
2
Секции компрессора 13 включены в поток газовой смеси до 13 и после 13 скруббера 14. Они позволяют обеспечить надлежащие условия для газоочистки смеси в скруббере и компремирование очищенного от CO топливного газа до установленного значения давления топливного газа в накопительной ГБР 15.
Газоотводящие трубопроводы 33, выполненные на каждом из резервуаров 12, 32, и предназначены для безопасного отвода «на свечу» горючих или дурно пахнущих газовых примесей, выделяющихся после сброса давления из конденсата и адсорбента в процессе их дегазации при атмосферном давлении.
ЭК работает следующим образом.
/1
Поставляемые на переработку в форме древесных опилок, опавшей листвы, соломы, торфа, жидких навозных стоков, птичьего помета, спиртовой барды и т.п. отходы БМ поступают в приемный бункер 1. Здесь происходит измельчение органических отходов, которые подаются, далее, в блок подготовки и хранения водной суспензии биомассы 2. В блоке 2 биомасса перерабатываются в пригодную для нормальной работы НВД однородную мелкодисперсную суспензию, которая, после открытия запорного клапана 18, начинает поступать на вход НВД и, далее, во второй нагнетательный канал экономайзера 5, представляющего собой противоточный теплообменник с двумя нагревающими и одним охлаждающим каналами.
До начала работы ЭК с подачей БМ, согласно предпусковому регламенту парогазового контура ЭК, выполняется пусковой режим на водном конденсате (без подачи биомассы), в ходе которого осуществляется предварительный прогрев технологического оборудования и арматуры. Пусковой режим заканчивается после достижения установленного значения температуры и давления материальных потоков на выходе из канала экономайзера, и выхода парогазовой турбины в рабочий режим.
/3
/1
/1
4
2
2
После окончания пускового режима, клапан 18 закрывается с одновременным открытием клапана 18. В результате суспензия БМ под сверхкритическим давлением начинает поступать на вход НВД 4 и, далее, через первый нагнетательный канал экономайзера 5 и соответствующий выходной патрубок нагретый поток БМ подается через первый входной патрубок реактора в полость реактора, где в результате смешения с перегретым сверхкритическим водным потоком газифицируется. В процессе газификации при сверхкритических условиях растворенные в потоке биомассы неорганические примеси (соли калия, кальция, фосфора, серы и аммиак) вступают в химические связи и осаждаются в нижней части SCWG-реактора в форме нерастворимого в сверхкритической воде минерального осадка. Одновременно, парогазовая смесь, содержащая пары воды и образовавшиеся в процессе газификации газы (главным образом, СН, Н и CO), через газоотводящий патрубок, выходящий из верхней части корпуса реактора, поступают на вход парогазовой турбины, где обеспечивают вращение ротора турбины с передачей соответствующего вращающего момента на ротор электрогенератора турбины, осуществляющего генерацию электрической мощности.
/3
/1
2
/1
Парогазовая смесь с выхода из турбины поступает во входной патрубок 3-го контура экономайзера 5, в котором передает тепловую энергию проходящим по 1-му и 2-му контуру во встречном направлении потокам водной суспензии биомассы и водного конденсата и, далее, в конденсатор, охлаждаемый нагнетаемым (посредством НВД 4) потоком водного конденсата. После конденсатора парогазовая смесь разделяется в газожидкостном сепараторе 10, откуда поток газовой смеси компримируется посредством входной секции компрессора 13 и направляется в скруббер для очистки от СО, а поток водного конденсата через регулируемый дроссельный клапан 11 поступает в резервуар сбора конденсата 12.
2
2
4
/2
/1,2
После выхода и скруббера 14, очищенный от СО газ, содержащий преимущественно горючие компоненты (Н и СН), компримируется в секциях компрессора 13 До заданного давления и направляется для накопления и энергетического использования в ГБР 15, откуда через регулирующие редукторы 17 обеспечивается работа газовой горелки предварительного подогревателя 6 и электростанции 16, осуществляющей регулирование потребляемой электрической мощности, вырабатываемой с использованием одного из возможных видов электрогенерирующих источников: например, газового двигателя, газовой турбины, двигателя Стерлинга, термоакустического двигателя или батареи топливных элементов.
Установка парогазовой турбины (ПТТ) с электрогенератором в промежутке между газоотводящим патрубком реактора и входным патрубком 3-го контура экономайзера обеспечивает эффективное использование потенциальной энергии парогазовой смеси с высоким эксергетическим потенциалом для получения электрической мощности и, как следствие, повышения энергетической и экономической эффективности, и электрической мощности энергетического комплекса.
Исполнение теплоэнергетического блока в форме рекуперативного контура с циркуляционным насосом, двумя теплообменниками газ/жидкость с патрубками для жидкого теплоносителя, каждый из которых выполнен, по крайней мере, из двух секций, бойлером и блоком дымососа с третьим теплообменником газ/жидкость, газовый канал которого включен в канал отвода выхлопных газов перед выхлопной трубой ЭК, причем газовый канал первого теплообменника, содержащего не менее двух секций, включен в канал отвода выхлопных газов между блоком дымососа и газовым двигателем, а второго - в канал подачи воздуха, контур жидкого теплоносителя, охватывающий циркуляционный насос, охлаждающий контур теплообменника дымососа, охлаждающий контур первого теплообменника, нагревающий контур второго теплообменника и греющий контур бойлера, охлаждающий канал которого включен в контур горячего водоснабжения - обеспечивает эффективную утилизацию тепловой энергии, выбрасываемой в процессе работы ЭК с выхлопными газами электростанции и блока предварительного подогревателя, имеющими температуру 400-450°C. Таким образом, обеспечивается повышение степени рекуперации вторичных тепловых потоков и эффективность использования газового топлива. В сумме это способствует улучшению энергетической и экономической эффективности работы ЭК в режиме когенерации, и дополнительному производству тепловой энергии, что также способствует достижению заявленного технического результата: повышения энергетической и экономической эффективности и тепловой мощности энергетического комплекса.
Исполнение предварительного подогревателя с встроенной газовой горелкой повышает стабильность работы ЭК в режиме накопления топливного газа, поскольку исключает присущую прототипу зависимость степени перегрева потока сверхкритической воды от объемного расхода и температуры выхлопных газов ЭК. Такой результат способствует повышению управляемости и функциональности работы ЭК, и важен, например, в случае работы ЭК в качестве накопителя энергии, обеспечивающего режимы пиковой генерации электрической мощности.
Исполнение второго НВД, подключенного к резервуару с водным конденсатом, в виде насосного агрегата, составленного не менее чем из 2-х последовательно включенных секций, с установкой между секциями мембранного фильтра для обессоливания водного конденсата, подаваемого в теплообменные каналы ЭК, предотвращает отложение солей на горячих стенках теплообменных каналов. Функционально это способствует повышению надежности работы ЭК. Данное исполнение подразумевает, также, реализацию вариантов с технологическим резервированием НВД, что важно для обеспечения технических требований по обеспечению надежности непрерывного процесса работы ЭК.
Исполнение входящих трубопроводов 1-го и 2-го НВД с ответвлениями, соединенными между собой перемычкой с управляемым запорным клапаном и оснащение управляемыми запорными клапанами, также, и участка трубопровода между резервуаром с суспензией биомассы и перемычкой, и участка трубопровода между резервуаром водного конденсата и перемычкой, участка трубопровода на входе в блок подготовки и хранения водной суспензии биомассы, и участка трубопровода подачи водного конденсата на входе в резервуар с водным конденсатом обеспечивает выполнение регламентов запуска и останова, повышает управляемость и надежность работы ЭК, как единого организма.
Выполнение конструкции конденсатора и газожидкостного сепаратора, а также дымососа с теплообменником газ/жидкость, в форме интегрированных в единый блок агрегатов, обеспечивает снижение весогабаритных параметров, стоимости блоков и затрат, связанных с монтажными и пусконаладочными работами, что снижает общую стоимость сооружения ЭК и способствует росту показателей эффективности проектов с использованием ЭК.