Когенерационная установка
COGENERATION PLANT

Изобретение относится к оборудованию комбинированной термической переработки влажных твердых отходов органического происхождения с возможностью преобразования, получения тепловой и электрической энергии, на основе процессов пиролиза и газификации. Изобретение также пригодно для переработки сырых отходов деревообрабатывающей промышленности.
Известна установка для термической переработки твердых отходов, включающая камерную печь, состоящую из камеры сжигания с бункером для загрузки отходов и выходом для удаления золы, камеру дожигания, две циклонные камеры, расположенные рядом друг с другом и имеющие в верхней части тангенциальный ввод отходящих газов из камеры дожигания для равномерного омовения камер пиролиза, сообщенные газоходом с системой очистки отходящих газов, состоящую из последовательно соединенных скруббера, выполненного в виде трубы Вентури, приемной ванны, насадочного абсорбера, сепаратора и дымососа (см. патент РФ № 2400671, МПК F23G 5/027, F23G 5/14, F23G 15/00, 2010).
Недостатком данной установки является то, что после переработки остается значительно количество золы и углеродного остатка из камер пиролиза, который не имеет товарной ценности, вследствие неоднородности и загрязненности и требует последующей утилизации, а также то, что ценный продукт в виде горючего газа просто сжигается.
Известна установка пиролиза биомассы с системой получения энергии, включающая камерную печь, камеру газификации, циклон, паровой котел, паровую турбину и электрогенератор, (см. патент EP № 2985528, МПК F23G 5/027, F01K 27/00, C10B 53/02, 2014).
Недостатком данной установки является то, что она не позволяет перерабатывать органические отходы различного происхождения, а только растительную биомассу.
Известна газогенераторная установка, включающая газогенераторную топку, связанную газоходной трубой с теплообменником, имеющим входной патрубок для подвода воды, при этом топка образована вертикальным корпусом шахтного типа; колосниковую решетку; короба для размещения дверцы зольника и дверцы топки; цилиндрическую насадку, установленную на нижнем внутреннем участке верхней секции; козырек для направления потока генераторного газа, расположенный под насадкой; фильтр для отделения грязевых частиц от генераторного газа и устройство для подачи вторичного воздуха для сжигания газа перед теплообменником (см. патент РФ № 2263249, МПК F23B 1/14, 2003).
Недостатком данной установки является то, что она не предназначена для газификации влажного топлива, приводящее к плохому качеству получаемого на выходе генераторного газа, за счет которого снижается общая энергетическая эффективность.
Известна установка для обезвреживания и уничтожения твердых отходов, содержащая загрузочное устройство, камеру газификации с отверстиями вывода газообразных продуктов, камеру дожигания, приемный контейнер отходов (см. патент РФ № 2201552, МПК8 F23G 5/027, 5/14, 2003).
Существенным недостатком известной установки являются низкая энергетическая эффективность за счет больших тепловых потерь.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к изобретению является газогенератор ЦНИИМЭ-17, включающий прямоугольный бункер, состоящий из двух частей: верхней для подсушки топлива и нижней для пиролиза, соединенный с камерой газификации; загрузочный люк, патрубок выхода газа, патрубок удаления влажного воздуха, воздушный пояс с фурмами и патрубком подачи воздуха, горловину, зольник, дутьевой вентилятор (см. Юдушкин Н.Г., Артамонов М.Д. Газогенераторные тракторы. - М.:МАШГИЗ, 1955).
Недостатком прототипа является низкая теплотворная способность производимого горючего газа в следствии его повышенной влажности, что снижает общую энергетическую эффективность установки по возможности выработки тепловой и электрической энергии.
Задачей изобретения является создание установки, перерабатывающей влажные твердые отходы, содержащие различные органические материалы, в том числе растительного происхождения, образующие при комбинированной термической переработке горючие газы с высокой теплотворной способностью для выработки тепловой и электрической энергии.
Техническая задача решается тем, что известный газогенератор, включающий прямоугольный бункер, состоящий из двух частей: верхней для подсушки топлива и нижней для пиролиза, соединенный с камерой газификации; загрузочный люк, патрубок выхода газа, патрубок удаления влажного воздуха, воздушный пояс с фурмами и патрубком подачи воздуха, горловину, зольник, дутьевой вентилятор, согласно изобретению, содержит узел загрузки; конденсатор-осушитель, испаритель, концентратор кислорода, расположенный на линии подачи воздуха, дополнительные нагревательные элементы, воздушную рубашку и паровую рубашку в нижней части газификатора, шнек для удаления золы, фильтр тонкой механической очистки газов, рекуперативный теплообменник, при этом узел загрузки включает открытую рубашку в верхней части, заполненную сыпучим материалом; загрузочный люк содержит отбортовку размещаемую внутри рубашки и крышку, соединенную с отбортовкой эластичным газонепроницаемым рукавом; верхняя часть бункера для подсушки топлива сообщена с узлом загрузки шнековым питателем, изолирована от нижней части бункера для пиролиза секторным питателем, содержит дополнительные нагревательные элементы в виде воздушной рубашки и цилиндрических элементов, расположенных внутри бункера и сообщающихся с воздушной рубашкой; конденсатор-осушитель включает патрубок отвода конденсата, патрубки ввода и вывода воздуха, патрубок ввода влажного воздуха и патрубок вывода осушенного воздуха; патрубок удаления влажного воздуха сообщается с патрубком ввода влажного воздуха конденсатор-осушителя, а патрубок вывода осушенного воздуха расположен соосно внутри патрубка вывода воздуха образуя эжектор; испаритель включает патрубок ввода жидкости из рекуперативного теплообменника, патрубок вывода пара, соединенный с паровой рубашкой в нижней части газификатора и патрубок ввода газа сообщающийся с патрубком выхода газа газогенератора; воздушная рубашка в нижней части газификатора сообщается с воздушным поясом, содержит внутри два кольцевых затвора с возможностью вертикального перемещения.
Решение технической задачи позволит перерабатывать влажные твердые отходы, содержащие различные органические материалы, в том числе растительного происхождения и повысить теплотворную способность газа для выработки тепловой и электрической энергии.
Когенерационная установка изображена на фиг.1.
Когенерационная установка содержит прямоугольный бункер 1, состоящий из двух частей: верхней для подсушки топлива 2 и нижней для пиролиза 3, соединенный с камерой газификации 4; узел загрузки 5 с загрузочным люком, конденсатор-осушитель 6, испаритель 7, концентратор кислорода 8, расположенный на линии подачи воздуха 9; патрубок выхода газа 10, патрубок удаления влажного воздуха 11, воздушный пояс 12 с фурмами 13, воздушную рубашку 14 и паровую рубашку 15 в нижней части газификатора, горловину 16, зольник 17, шнек для удаления золы 18, дутьевой вентилятор 19, фильтр тонкой механической очистки газов 20, рекуперативный теплообменник 39.
Когенерационная установка работает следующим образом.
Влажные твердые отходы, хранящиеся на улице и состоящие из различных органических материалов растительного происхождения в предварительно измельченном виде до размеров не более 70х70х70 мм, поступают в узел загрузки 5 и закрываются крышкой 21, соединенной с отбортовкой 22 эластичным газонепроницаемым рукавом 23, при этом отбортовка содержит цилиндрическую часть, размещаемую внутри открытой рубашки 24, заполненной сыпучим материалом, что позволяет изолировать верхнюю часть бункера от окружающей среды. В свою очередь крышка под своим весом опускается вниз, создавая эффект подпрессовки, которое обеспечивает предварительный отжим излишней не связанной влаги из отходов и удаление в резервуар 25. Для предотвращения попадания воды в прямоугольный бункер 1, шнековый питатель 26 установлен под углом 3 градуса относительно горизонтальной плоскости в сторону узла загрузки 5, чтобы образующаяся вода стекала в резервуар 25.
Отходы с помощью шнекового питателя 26 поступают в верхнюю часть бункера 2 для подсушки, в которой установлены дополнительные нагревательные элементы в виде воздушной рубашки 27, осуществляющей прогревание сырья по периферии, и цилиндрических элементов 28, осуществляющих прогревание отходов изнутри бункера. Полости цилиндрических элементов сообщены с воздушной рубашкой. При этом в зоне расположения воздушной рубашки 27 стенки прямоугольного бункера 1 имеют дополнительную внутреннюю теплоизоляцию 29.
Верхняя часть бункера для подсушки топлива 2 изолирована от нижней части бункера для пиролиза 3 секторным питателем 30, который не позволяет проходить образовавшимся пиролизным газам, из нижней части бункера в верхнюю часть бункера.
Воздух, подаваемый с помощью дутьевого вентилятора 19, проходит через концентратор кислорода 8, обогащается кислородом, затем поступает в конденсатор-осушитель 6, где нагревается за счет конденсации влажного горячего воздуха, отводимого из верхней части бункера 1, и выводится через патрубок 31.
Влажный горячий воздух из сушильной части бункера 2 попадает в конденсатор-осушитель 6 через патрубок ввода 32, где охлаждается и осушается, и транспортируется за счет эжектора 33, расположенный соосно патрубку вывода воздуха 31. Образовавшийся конденсат попадает в конденсатосборник 34.
Смесь осушенного и обогащенного воздуха через патрубок 35 поступает в воздушную рубашку 14 в нижней части газификатора, а затем попадает в воздушный пояс 12 с фурмами 13 и смешивается с горючими пиролизными газами. В результате окисления пиролизных газов в среде кислорода образуется двуокись углерода и пары воды, которые далее в камере газификации контактируют с раскаленным углеродным остатком с образованием горючего газа.
В зависимости от размера и вида отходов требуется регулирование начальной зоны окисления, что достигается подачей обогащенного кислородом воздуха на разные уровни путем перекрывания фурм за счет перемещения кольцевых затворов 36 в вертикальной плоскости.
Из нижней части газификатора образовавшиеся горючие газы поступают в нагревательные элементы 27 и 28 и выводится через патрубок 10.
о
Далее, для очистки от мелкодисперсных частиц горючие газы поступают в фильтр тонкой механической очистки газов 20 и после направляются в испаритель 7 который преобразует жидкость в пар за счет тепловой энергии газов, имеющих температуру на входном патрубке 43 более 700 С. Пары жидкости через патрубок 37 за счет регулировочного сбросного клапана 38 подаются в паровую рубашку 15 в нижней части газификатора.
На выходном патрубке 44 испарителя 7, газы имеют температуру около 450°С и далее поступают в рекуперативный теплообменник 39, где газы остывают до 100°С, за счет предварительного нагрева жидкости для испарителя 7.
Жидкость для испарителя 7 собирается из емкостей 25 и 34 в центральный резервуар 40 который снабжен системой водозабора воды из внешних резервных систем в случае нехватки внутреннего объема жидкости. Далее посредством насоса высокого давления 41 жидкость нагнетается в рекуперативный теплообменник 39, где под давлением нагревается до температуры 115°С за счет высокой температуры горючих газов, поступающих из испарителя 7. После, нагретая жидкость поступает в испаритель 7 через патрубок 42 для превращения в пар.
Остывшие газы после рекуперативного теплообменника 39 поступают на итоговую очистку в фильтр тонкой механической очистки газов 45 от мелкодисперсных частиц и далее подаются на стандартное энергогенерирующее устройство 46 на базе газопоршневой системы с возможностью выработки как тепловой, так и электрической энергии. После, отработанные газы сбрасываются в атмосферу.
Для повышения температуры в зоне газификации путем уменьшения тепловых потерь устанавливается съемная керамическая горловина 16, которая свободно лежат на упорах.
Зола из камеры газификации попадает в зольник 17 через колосниковую решетку 47 снабженную механизированным шуровщиком 48.
Удаление золы осуществляют с помощью шнекового питателя 18 в нижней части зольника 17.
Совокупность технических решений заявляемой установки обеспечивает более широкий спектр ее применения в независимости от влажности, морфологии и фракции отходов, а стадийная переработка посредством пиролиза-окисления-газификации способствует существенному сокращению вредных выбросов в атмосферу. По расчетным и экспериментальным данным когенерационная установка позволяет получить горючий газ с высокой теплотворной способностью, содержащий значительное количество горючих компонентов.
В процессе возможно образование смеси горючих газов следующего состава:
Компоненты
Содержание, % об.
С<sub>n</sub>Н<sub>m</sub>
10...19%
СH<sub>4</sub>
33...45%
Н<sub>2</sub>
24...38%
СО
11...18%
СО<sub>2</sub>
1,5...3,5%
Полученный состав смеси горючих газов пригоден для использования как в теплоэнергетике, так и для генерации электрической энергии, что подтверждают экспериментальные данные и инженерные оценки производителей энергогенерирующих устройств на базе газопоршневых систем.