АВТОНОМНАЯ КОГЕНЕРАЦИОННАЯ УСТАНОВКА С ВНУТРИЦИКЛОВЫМ ПИРОЛИЗОМ ТВЕРДОГО УГЛЕРОДСОДЕРЖАЩЕГО ТОПЛИВА

Полезная модель относится к области теплоэнергетики и может применяться для повышения энергетической безопасности, надежности энергоснабжения и экологической обстановки малых городов, поселков городского типа и сельских поселений Российской Федерации.
Известны различные установки, в которых в качестве топлива применяются многие виды местного углеродсодержащего сырья, включая каменные и бурые угли, торф, биомассу, промышленные и бытовые отходы. Актуальность их использования возрастает в связи с тем, что запасы ископаемых топлив неуклонно сокращаются, поэтому находят широкое применение различные методы переработки твердого топлива на основе термической конверсии исходного сырья [1].
Известны также установки, в которых получают синтетический газ (смесь водорода и монооксида углерода) путем пиролиза биомассы [2]. Такой газ может быть получен практически из любого продукта органического происхождения, включая многие породы деревьев, торф, шелуху семян подсолнечника, солому. Полученный синтез-газ относительно легко очищается от экологически неблагоприятных примесей.
Установки, генерирующие синтез-газ могут быть использованы на существующих газомазутных котельных агрегатах без проведения реконструкции эксплуатирующихся котлов, а эффективность выработки электрической энергии в газотурбинной установке на основе синтез-газа на 10-15% процентов выше, чем при прямом сжигании твердого углеродсодержащего топлива с использованием паротурбинного цикла.
Ближайшим прототипом является способ использования угля в парогазовой установке (ПГУ) на основе процесса пиролиза (патент RU 2487158 C2 от 31.05.2010). Ключевой особенностью данной схемы является использование в качестве топлива только продуктов пиролиза угля, что исключает необходимость использования стороннего источника топлива, например природного газа, для работы парогазовой установки. При этом продукты пиролиза подвергают очистке от соединений серы и азота непосредственно в пиролизере, жидкую фракцию продуктов пиролиза используют для нагрева исходного угля до расчетной температуры процесса пиролиза.
Недостатком данной технологии является то, что синтез-газ, образующийся при пиролизе угля с температурой порядка 800-850°C, без предварительного охлаждения подается в дожимной компрессор, что приводит к существенному увеличению удельной работы компрессора. К тому же температурный потенциал дымовых газов после котла-утилизатора, составляющий не менее 120-150°C, полезно не используется внутри цикла парогазовой установки.
Технической задачей настоящей полезной модели является разработка автономной когенерационной установки на основе пиролиза твердого органического топлива с применением решений, позволяющих повысить энергоэффективность блока за счет наиболее оптимального использования тепловой энергии внутри цикла при снижении энергетических затрат на собственные нужды.
Указанная задача решается за счет того, что автономная когенерационная установка с внутрицикловым пиролизом твердого углеродсодержащего топлива содержит последовательно соединенные между собой сушильный барабан для уменьшения влагосодержания топлива, пиролизер, циклон высокотемпературной механической очистки синтез-газа, связанный трубопроводом с охладителем синтез-газа, камеру сгорания угольного остатка и смол, соединенную с пиролизером, дожимной компрессор синтез-газа, приводимый в действие от электродвигателя через соединительную муфту, модульный блок, включающий в себя камеру сгорания парогазовой установки, а также газовую турбину, соединенную механически с генератором, и осевой компрессор воздуха, расположенные на одном валу, котел-утилизатор, установленный на выхлопе газовой турбины; паротурбинный блок, включающий паровую турбину, соединенную механически с генератором, конденсатор пара, расположенный после котла-утилизатора и питательный насос для организации циркуляции воды в контуре паротурбинной установки, конденсационный теплообменник, соединенный на входе трубопроводом подачи дымовых газов с сушильным барабаном и на выходе с сепаратором, предназначенным для разделения жидкой и газообразной фаз дымовых газов, при этом конденсат из сепаратора по трубопроводу отводится в контур паротурбинной установки, а дымовые газы выбрасываются в атмосферу.
Пиролизер может представлять собой вращающуюся печь с внешним обогревом и шнековой подачей топлива.
Котел-утилизатор может быть соединен с устройством осушки исходного сырья через трубопровод подачи дымовых газов.
Сушильный барабан предназначен для уменьшения влагосодержания топлива и может быть выполнен с возможностью его продувки снизу дымовыми газами.
Охладитель синтез-газа перед дожимным компрессором может быть выполнен пластинчатого типа.
Сушильный барабан может быть соединен с конденсационным теплообменником для нагрева сырой или химически очищенной воды в паротурбинном цикле.
Конденсационный теплообменник может быть включен в контур паротурбинной установки для его подпитки после сепарации дымовых газов.
Пиролизер может быть выполнен со шнековой подачей исходного сырья.
Камера сгорания может быть выполнена с возможностью дожигания твердых и жидких продуктов пиролиза для использования дымовых газов в качестве горячего теплоносителя в пиролизере.
Техническим результатом настоящей полезной модели является разработка автономной когенерационной установки на основе пиролиза твердого органического топлива, обеспечивающая повышенную энергоэффективность блока за счет наиболее оптимального использования тепловой энергии внутри цикла при снижении энергетических затрат на собственные нужды.
Полезная модель поясняется чертежом, где изображена принципиальная схема автономной когенерационной установки с внутрицикловым пиролизом твердого углеродсодержащего топлива.
Автономная когенерационная установка с внутрицикловым пиролизом твердого углеродсодержащего топлива содержит сушильный барабан 1, пиролизер, представляющий собой вращающую печь со шнековой подачей топлива 2, циклон высокотемпературной механической очистки синтез-газа 3, охладитель синтез-газа 4, электродвигатель 5, дожимной компрессор синтез-газа 6, камеру сгорания парогазовой установки 7, газовую турбину 8, генераторы 9, камеру сгорания угольного остатка и смол 10, осевой компрессор воздуха 11, котел-утилизатор 12, паровую турбину 13, конденсатор 14, питательный насос 15, конденсационный теплообменник 16, сепаратор 17.
Работает парогазовая установка следующим образом. Исходное топливо после сушильного барабана 1 подается в пиролизер 2 с помощью шнека, где осуществляется его бесконтактный обогрев продуктами горения угольного остатка и смол, сжигаемых с высоким коэффициентом избытка воздуха 2,5-3,0. В качестве пиролизера устанавливается вращающаяся печь с внешним обогревом, которая широко используется на отечественных и зарубежных металлургических комбинатах для процесса коксования [3]. Далее синтез-газ направляется в циклон высокотемпературной механической очистки 3 и затем в дожимной компрессор 6 с приводом от электродвигателя 5, где сжимается до давления 17-18 бар, чтобы осуществить подачу в камеру сгорания газовой турбины 7. Для снижения потребляемой энергии дожимным компрессором, является целесообразным до процесса сжатия охладить горючий газ с 800-900°C до 50-70°C. Располагаемую теплоту рационально отвести в пластинчатом охладителе 4, нагревая воздух, идущий на горение угольного остатка и смол. Продукты горения твердых и жидких фракций после камеры сгорания 10 направляются в пиролизер 2 для бесконтактного обогрева исходного сырья. Такое решение дополнительно позволяет снизить удельное энергопотребление пиролизера 2, обеспечив автономную работу без подвода стороннего топлива. Дымовые газы после газовой турбины 8, соединенной с генератором 9, направляются в котел-утилизатор 12, при этом предварительно смешиваясь с продуктами горения угольного остатка и смол, которые, в свою очередь, использовались в качестве горячего теплоносителя в пиролизере 2. Температурный потенциал смеси газов составляет 520-550°C, что делает возможным генерировать электрическую и тепловую энергию в блочной паротурбинной установке (ПТУ), который состоит из котла-утилизатора 12, паровой турбины 13, конденсатора 14, и питательного электронасоса 15. Разработанная схема позволяет применять теплофикационные агрегаты отечественного производства типов Т или ПТ, эффективность использования которых повышается, если направлять пар из отборов высокого давления для нужд промышленных и бытовых потребителей. Дымовые газы после котла-утилизатора 12 применяется для контактной осушки исходного сырья в сушильном барабане 1. Затем газовая смесь подается в конденсационный теплообменник 16 для нагрева сырой или химически очищенной воды в паротурбинном цикле. Сконденсировавшаяся вода из дымовых газов после сепаратора 17 используется для подпитки контура ПТУ, отработавшие газы выбрасываются в атмосферу.
Согласно проведенным расчетам при расходе биомассы около 5,1 т/ч номинальная электрическая мощность газовой турбины составляет 4 МВт, паровой турбины - 2,7 МВт. Электрический КПД брутто ПГУ равняется 30,2%, а суммарный коэффициент полезного использования топлива (КПИ) по электрической и тепловой нагрузке для установки с пиролизером биомассы достигает 55,6% [4-6]. Выполненные расчеты хорошо согласуются с результатами экспериментальных исследований на опытной установке термической конверсии биомассы [6]. Расхождения обусловлены наличием погрешностей экспериментальных исследований, т.е. невозможностью на практике достичь идеальных показателей синтез-газа, которые рассчитываются теоретически. Достоверность полученных результатов определяется применением положительно зарекомендовавших методик расчетов теплоэнергетических процессов и установок, а также совпадением отдельных результатов с экспериментальными данными и результатами исследований других авторов. В частности, в Дании в 2001 году была построена одна из первых успешных установок с внутрицикловой термической конверсией древесной щепы и выработкой электрической и тепловой энергии. При установленной электрической мощности станции 10 МВт КПД составляет 28% [7]. КПД предлагаемой автономной когенерационной установки превышает 30%, что обусловлено применением современного энергоэффективного оборудования, а также построением схем с регенерацией энергии внутри цикла и минимальными потерями в окружающую среду. При этом существующие разработки зарубежных ученых в данной области [8] позволяют также моделировать различные варианты энергетических установок на биомассе с КПД более 30%.
Источники информации:
1. Basu P. Biomass gasification and pyrolysis. Practical design and theory. 2010. Elsevier. 352 P
2. Рахманкулов Д.Л., Вильданов Ф.Ш., Николаева С.В., Денисов С.В. Успехи и проблемы производства альтернативных источников топлива и химического сырья. Пиролиз биомассы// Башкирский химический журнал. 2008. Том 15. №2. С.36-52.
3. Школлер М.Б. Полукоксование каменных и бурых углей; Инженерная академия России. Кузбасский филиал. Новокузнецк. 2011. 232 с.
4. Султангузин И.А., Федюхин А.В., Яворовский Ю.В. Разработка установки термической конверсии биомассы и производства тепловой и электрической энергии в ПГУ // Труды Второй Всероссийской научно-практической конференции «Повышение надежности и эффективности эксплуатации электрических станций и энергетических систем». Энерго-2012. - М.: Издательский дом МЭИ, 2012. С.397-400.
5. Федюхин А.В., Султангузин И.А., Степанова Т.А., Волошенко Е.В., Курзанов С.Ю., Исаев М.В. Оценка эффективности выработки тепловой и электрической энергии в установке с газификатором или пиролизером биомассы // Кокс и химия. - №8. - 2013. - С.38-42.
6. НИР по ГК от 27 июня 2013 г. № 14.516.11.0077: «Разработка эффективных технических решений для производства отечественных когенерационных энергоустановок мощностью до 50 МВт для автономного энергообеспечения» по теме: «Исследование и создание научно-технического задела в области технических решений для производства отечественных когенерационных энергоустановок мощностью до 50 МВт с использованием технологий газификации и пиролиза» (шифр заявки «2013-1.6-14-516-0029-012»).
7. Ahrenfeldt J., Thomsen Т.P., Henriksen U., Clausen L.R. Biomass gasification cogeneration - A review of state of the art technology and near future perspectives // Applied Thermal Engineering. - 2013. - №50. - P. 1407-1417.
8. Francois J., Abdelouahed L., Mauviel G., Feidt M., Rogaume C, Mirgaux O., Patisson F., Dufour A. Estimation of the energy efficiency of a wood gasification CHP plant using Aspen Plus // Chemical engineering transactions. - 2012. - №29. - P. 769-774.