ТЕРМОФОТОЭЛЕКТРОКАТАЛИТИЧЕСКАЯ КОГЕНЕРАЦИОННАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ УТИЛИЗАЦИИ СВАЛОЧНОГО БИОГАЗА
THERMOPHOTOELECTROCATALYTIC COGENERATION PLANT FOR UTILISING DUMPING SITE BIOGAS

Изобретение относится к теплоэнергетике, в частности к комбинированной выработке тепла и электроэнергии в установках для утилизации свалочного биогаза.
4
2
2
2
2
Свалочный биогаз (СБ) образуется в теле мусорных свалок и полигонов для захоронения отходов потребления или твердых бытовых отходов (ТБО) в ходе био-метаногенеза в результате сложных процессов деструкции органических субстратов, содержащихся в ТБО, при участии микробной ассоциации различных анаэробных микроорганизмов и представляет собой газовую смесь из метана CH (50÷60%), диоксида углерода СО, (35÷45%) и незначительных количеств сульфида водорода HS, азота N и водорода H.
Общее упрощенное уравнение, описывающее анаэробное газообразование, записывается следующим образом:
Применительно к природным полимерам, таким как крахмал и целлюлоза (x=6; y=10; z=5), общее уравнение химической реакции имеет вид:
Скорость биологического процесса анаэробного газообразования зависит от вида популяции бактерий-деструкторов. Психрофильные бактерии обеспечивают протекание процесса при +5÷+20°С, мезофильные - при +30÷+40°С, термофильные - при +50÷+60°С. Процесс газообразования при более высоких температурах идет быстрее, чем при низких, и характеризуется примерно удвоением выхода биогаза на каждые 5°С.
Для эффективного круглогодичного сбора СБ пригодны мусорные свалки и полигоны для захоронения ТБО, глубина свалочного тела которых составляет не менее 20 метров - отметки, с которой в свалочном теле начинается формирование нейтрального слоя или зоны постоянных годовых температур, которые в каждом климатическом регионе в среднем на 4°С выше среднегодовой температуры окружающего воздуха.
Активная экстракция СБ осуществляется на рекультивированных территориях объектов захоронения через систему вертикальных газодренажных скважин с конденсатоотводчиками и запорной арматурой для регулирования расхода и контроля качественного состава биогаза, соединенных линиями газопроводов, оснащенных компрессионным оборудованием, с системами накопления и утилизации.
К практически значимой и имеющей сегодня техническое воплощение технологии утилизации относится использование обогащенного СБ в качестве топлива в газопоршневых и газотурбинных установках для комбинированной генерации тепла и электрической энергии [1].
2
2
2
Обогащение биогаза, путем снижения содержащихся в нем примесей, целесообразно осуществлять с применением адсорбции на неподвижном слое синтетических цеолитов типа NaA - для паров воды HO, типа NaX - для сульфида водорода HS и типа СаА - для диоксида углерода СO [2].
Известным энергетическим установкам на основе машинной когенерации присущ ряд общеизвестных существенных недостатков, главными из которых являются следующие:
- сложная организация рабочих процессов, требующая согласованной работы основных и вспомогательных механизмов и агрегатов;
- наличие движущихся деталей и узлов, снижающих надежность и требующих постоянного профессионального и высококвалифицированного технического обслуживания;
- повышенное содержание токсичных веществ в продуктах сгорания, вследствие реализации высокотемпературных процессов воспламенения топлива с относительно высокими значениями рабочих давлений (исключением может стать использование при утилизации СБ газопоршневых энергетических установок с внешним подводом тепла, работающих по термодинамическому циклу Стирлинга).
Известно устройство [3] для осуществления способа термофотоэлектрокаталитического преобразования энергии, выделяемой при сгорании углеводородных топлив, содержащее элемент для сжигания углеводородного топлива в виде инжекционной газовой горелки со светопрозрачной защитной оболочкой, каталитическую структуру на тканевой основе, пропитанную окислами редкоземельных металлов, с высокой светоотдачей в состоянии накаливания в определенном спектральном диапазоне и фотоэлектрическую батарею, с оптимальной для данного спектрального диапазона границей основной полосы фотоактивного поглощения, а также оптическую систему фокусировки светового потока в виде бифокального эллипсоида вращения с зеркальной внутренней поверхностью и дополнительный блок термоэлектрического преобразования тепловой энергии, отводимой от высокотемпературных продуктов сгорания.
Недостатком известного устройства является отсутствие ключевых составляющих, обеспечивающих возможность организации комбинированной генерации тепла и электрической энергии для утилизации СБ.
Технический результат изобретения заключается в улучшении технико-эксплуатационных параметров установок для утилизации СБ при использовании безмашинной термофотоэлектрокаталитической комбинированной генерации тепла и электрической энергии.
Заявленный технический результат достигается следующим образом. Известное устройство, содержащее элемент для сжигания углеводородного топлива в виде инжекционной газовой горелки со светопрозрачной защитной оболочкой, каталитическую структуру на тканевой основе, пропитанную окислами редкоземельных металлов, с высокой светоотдачей в состоянии накаливания в определенном спектральном диапазоне и фотоэлектрическую батарею, с оптимальной для данного спектрального диапазона границей основной полосы фотоактивного поглощения, а также оптическую систему фокусировки светового потока в виде бифокального эллипсоида вращения с зеркальной внутренней поверхностью и дополнительный блок термоэлектрического преобразования тепловой энергии, отводимой от высокотемпературных продуктов сгорания, включает в свой состав газовый контур, в который входят вертикальные газодренажные скважины с конденсатоотводчиками и запорной арматурой для регулирования расхода и контроля качественного состава свалочного биогаза, соединенные газопроводом, оснащенным газовым компрессором, с газгольдером-конденсатором высокого давления, имеющим запорную арматуру, обратный газовый, обратный жидкостной и редукционный клапаны, соединенные последовательно адсорбер типа NaX, адсорбер типа СаА, адсорбер типа NaA с байпасными ветвями и теплообменник предварительного подогрева обогащенного биогазового топлива, а также жидкостной теплообменный контур, содержащий патрубок подвода охлаждающей жидкости, рубашку охлаждения блока термоэлектрического преобразования, теплообменник патрубка отвода продуктов сгорания, а также патрубок отвода нагретой жидкости в производственно-технические или коммунально-бытовые системы горячего водоснабжения.
Процесс термофотоэлектрокаталитической когенерации в предлагаемом устройстве можно представить в виде:
Здесь
2
O - кислород (окислитель);
λ - длина волны излучаемой световой энергии;
0
a=λ - нижняя граница излучаемого светового диапазона;
пор
b=λ - верхняя граница излучаемого светового диапазона;
λ
E - энергия монохроматического излучения;
E - интегральная энергия светового излучения;
накаливания
t - температура накаливания.
На фиг.1 показана схема термофотоэлектрокаталитической когенерационной установки для утилизации СБ, на фиг.2 представлен узел I на фиг.1.
Термофотокаталитическая когенерационная установка для утилизации свалочного биогаза, содержащая элемент для сжигания углеводородного топлива в виде инжекционной газовой горелки 1 со светопрозрачной защитной оболочкой 2, каталитическую структуру 3 на тканевой основе, пропитанную окислами редкоземельных металлов, с высокой светоотдачей в состоянии накаливания в определенном спектральном диапазоне и фотоэлектрическую батарею 4, с оптимальной для данного спектрального диапазона границей основной полосы фотоактивного поглощения, а также оптическую систему фокусировки светового потока в виде бифокального эллипсоида вращения 5 с зеркальной внутренней поверхностью 6 и дополнительный блок 7 термоэлектрического преобразования тепловой энергии, отводимой от высокотемпературных продуктов сгорания, включает в свой состав газовый контур, в который входят вертикальные газодренажные скважины 8 с конденсатоотводчиками 9 и запорной арматурой для регулирования расхода 10 и контроля качественного состава 11 свалочного биогаза, соединенные газопроводом 12, оснащенным газовым компрессором 13, с газгольдером-конденсатором высокого давления 14, имеющим запорную арматуру 15, обратный газовый 16, обратный жидкостной 17 и редукционный 18 клапаны, соединенные последовательно адсорбер 19 типа NaX, адсорбер 20 типа СаА, адсорбер 21 типа NaA с байпасными ветвями 22, 23, 24 и теплообменник 25 предварительного подогрева обогащенного биогазового топлива, а также жидкостной теплообменный контур, содержащий патрубок 26 подвода охлаждающей жидкости, рубашку 27 охлаждения блока 7 термоэлектрического преобразования, теплообменник 28 патрубка 29 отвода продуктов сгорания, а также патрубок 30 отвода нагретой жидкости в производственно-технические или коммунально-бытовые системы горячего водоснабжения (не показаны).
Установка работает следующим образом. Синтезированный в свалочном теле рекультивированного объекта захоронения биогаз отбирается из скважин 8 с конденсатоотводчиками 9 и подается газовым компрессором 13 через газовый обратный клапан 16 в газгольдер-конденсатор 14 высокого давления, в котором происходит конденсация остаточной влаги, содержащейся в биогазе, и усредняется его химический состав. Избыток конденсата удаляется через жидкостной обратный клапан 17 в атмосферу.
2
2
Из газгольдера-конденсатора 14 биогаз через запорную арматуру 15 и редукционный клапан 18 поступает в адсорбер 19 с байпасной ветвью 22, где происходит поглощение примесей сульфида водорода HS. Далее биогаз поступает в адсорбер 20 с байпасной ветвью 23, поглощающий примеси диоксида углерода СO, а затем в адсорбер 21 с байпасной ветвью 24, в котором происходит глубокая осушка газа, завершающая процесс его обогащения.
Обогащенное биогазовое топливо после предварительного подогрева в теплообменнике 25 поступает в инжекционную газовую горелку 1, в пламени которой каталитическая структура 3, находящаяся в первичной фокальной области бифокального эллипсоида вращения 5 в состоянии накаливания, излучает в определенном спектральном диапазоне световой поток, который после переотражения от зеркальной внутренней поверхности 6 эллипсоида 5, фокусируется во вторичной фокальной области, где располагается фотоэлектрическая батарея 4, с оптимальной для данного спектрального диапазона границей основной полосы фотоактивного поглощения. Фотоэлектрическая батарея 4 эффективно генерирует фото-ЭДС, преобразуя энергию сфокусированного светового потока в электрическую энергию.
Воздух, поступающий во внутренний объем эллипсоида вращения 5, отбирая на входе тепло от нагретой фотоэлектрической батареи 4 (вследствие внутренних потерь, определяемых физическими свойствами полупроводников и конструктивными параметрами батареи в целом), предварительно подогревается, частично инжектируется газовой горелкой 1 и, продолжая движение внутри эллипсоида 5, отбирает тепло (вследствие неполного отражения) от внутренней зеркальной поверхности 6 и от нагретой продуктами сгорания светопрозрачной защитной оболочки 2.
В кольцевом зазоре между оболочкой 2 и блоком 7 термоэлектрического преобразования происходит интенсивная передача тепла от нагретого воздуха к горячим спаям полупроводниковых термоэлементов последнего. При установившейся разности температур между нагреваемыми горячими и охлаждаемыми через рубашку 27 жидкостного охлаждения холодными спаями, термоэлектрический блок 7 генерирует термо-ЭДС, преобразуя тепловую энергию, выделяемую при сгорании обогащенного биогазового топлива, в электрическую энергию.
Остаточное тепло используется для нагрева жидкости, поступающей из патрубка 26, прошедшей через рубашку охлаждения 27 и теплообменник 25 газового контура, в теплообменнике 28 патрубка 29 отвода продуктов сгорания.
Нагретая жидкость через патрубок 30 подается в производственно-технические или коммунально-бытовые системы горячего водоснабжения.
Формулу для определения коэффициента полезного действия (КПД) термофотоэлектрокаталитической когенерационной установки в процессе выработки электроэнергии можно представить в виде:
ТКУ
свет
фэ
тэ
свет
η= ηη+ η (1-η),
где
свет
η - КПД преобразования энергии, выделяемой при сгорании обогащенного биогазового топлива, в энергию светового излучения;
фэ
η - КПД фотоэлектрического преобразования;
тэ
η - КПД термоэлектрического преобразования.
свет.
Анализ технических характеристик имеющихся в свободной продаже газовых, бензиновых и керосиновых ламп калийного освещения позволяет принять в расчетах η≈0,3.
КПД фотоэлектрического преобразования узкоспектрального светового излучения можно оценить по формуле, аналогичной выражению для определения КПД солнечного фотоэлемента [4]:
где
- коэффициент потерь, обусловленный наличием контактной сетки на лицевой поверхности фотоэлемента;
- коэффициент потерь по напряжению;
- коэффициент заполнения вольт-амперной характеристики фотоэлемента;
s
A≈0,95 - интегральная поглощательная способность фотоэлемента;
Q≈0,95 - интегральное значение коэффициента собирания.
фэ
Для рассматриваемого процесса значение КПД фотоэлектрического преобразования составит η≈0,47.
тэ
При температуре отвода тепла от продуктов сгорания на уровне 400÷450°С реальное значение КПД термоэлектрического преобразования составит η≈0,08.
ТКУ
Используя промежуточные выкладки, получим значение КПД установки при генерации электрической энергии η≈0,20.
Источники информации
1. Козлов В., Кривоклякин В., Шучев В. Большое будущее когенерации. - Коммунальный комплекс России, 2006, №4 (22).
2. Колобродов В.Г., Хажмурадов М.А., Карнацевич Л.В., Санковский А. Способы повышения качества биогаза. - Твердые бытовые отходы, 2006, №8, с.11.
3. Адамович А.Б., Вестяк В.А. Прикладное 3-D моделирование в среде AutoCAD. - GGD (прикладная Gеометрия, инженерная Gрафика, компьютерный Dизайн), 2007, №1 (7), с.38-42.
4. Грилихес В.А., Орлов П.П., Попов Л.Б. Солнечная энергия и космические полеты. - М.: «Наука», 1984, с.99.