ГАЗОГЕНЕРАТОРНАЯ УСТАНОВКА
GAS POWER PLANT

Изобретение относится к автономным источникам энергии, работающим на возобновляемых видах топлива.
Более конкретно, изобретение относится к установкам газификации биомассы, в основном древесных и других растительных отходов, твердых фракций осадков и илов процессов очистки сточных вод, не подлежащего агротехнической утилизации навоза (при отсутствии доступных сельхозугодий, инвазиях) и других органосодержащих субстратов, образующихся в процессе хозяйственной деятельности человека.
Предлагаемое изобретение может быть использовано, в первую очередь, для выработки электрической и тепловой энергии в отсутствие или в целях резервирования централизованного энергоснабжения на сельхозпредприятиях, лесозаготовках, коммунальных объектах.
Известно устройство такого назначения. Газогенераторная установка состоит из газогенератора - источника генераторного газа, аппарата мокрой очистки и охлаждения генераторного газа (скруббера), аппаратов тонкой очитки генераторного газа перед его подачей в двигатели внутреннего сгорания (Теплоэнергетические установки малой и средней мощности. Справочное руководство. Киев-Москва, Машгиз, 1952, стр.453).
Недостатками данного устройства являются: значительные тепловые потери в скруббере с промывными водами и двигателе внутреннего сгорания с продуктами сгорания генераторного газа и охлаждающей водой, что приводит к значительному снижению энергетической эффективности всей установки в целом.
Другими недостатками являются использование разомкнутой схемы водоснабжения, что приводит к дополнительным материальным затратам и загрязнению гидросферы; неполное использование биоэнергетического потенциала биомассы, связанное с потерями летучих веществ при обработке генераторного газа в скруббере.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является мини-ТЭЦ на основе газогенератора, работающего на биомассе. Отводимая в процессе промывки и сжигания генераторного газа тепловая энергия утилизируется в специальном теплообменнике, установленном между аппаратом механической очистки (циклоном) и скруббером, и котле-утилизаторе физического тепла продуктов сгорания генераторного газа, соответственно (кн. авт. Сергеева В.В., Калютика А.А., Моршина В.Н., Стешенкова Л.П. «Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии. Проектирование и расчет газогенераторных установок при использовании биомассы». СПб.: Издательство Политехнического университета, 2004 г., стр.37-39).
Промывные воды из скруббера подвергаются локальной очистке в отстойнике и повторно используются для промывки генераторного газа. Тепловая энергия промывных вод используется для нагревания воздуха перед его подачей в газогенератор. Таким образом, потери охлаждающей воды сведены к минимуму, а явное тепло генераторного газа используется достаточно полно.
Основным недостатком устройства-прототипа является потеря части биоэнергетического потенциала биомассы с промывными водами, образующимися в скруббере. Данные потери происходят в основном с летучими веществами, которые выделяются из биомассы в процессе прохождение образовавшегося в реакционной зоне генераторного газа через зону подсушивания биомассы (швельшахту), в результате чего их концентрация в промывных водах достигает 20-30 г/л. Другим недостатком является неполная промывка (очистка) генераторного газа в скруббере из-за сравнительно низкой степени очистки рециркуляционных вод при использовании только одной (механической) ступени очистки, а также значительный расход воды из-за недостаточной степени ее охлаждения в оборотном цикле.
Задачей настоящего изобретения является увеличение энергетического к.п.д. газогенераторной установки в целом, улучшение качества генераторного газа и, как следствие, эксплуатационных характеристик газового двигателя.
В результате использования предлагаемого изобретения более полно используется биоэнергетический потенциал промывных вод, достигаются более глубокая очистка, а также увеличение степени охлаждения и тем самым снижение расхода рециркуляционных промывных вод.
Применение предлагаемого устройства способствует снижению уровня техногенного загрязнения окружающей среды.
Технический результат достигается тем, что газогенераторная установка состоит из последовательно расположенных газогенератора, циклона, газоводяного теплообменника, скруббера и электрогенератора с газовым двигателем и котлом-утилизатором. Котел-утилизатор и газоводяной теплообменник связаны последовательно контуром циркуляции теплоносителя, а выход воды из скруббера связан с входом посредством последовательно расположенных отстойника и водоподогревателя. Между воздухоподогревателем и входом воды в скруббер предусмотрен по крайней мере один анаэробный биофильтр, а также охладитель воды - испаритель теплового насоса, состоящего из компрессора с газовым двигателем, конденсатора-водонагревателя и терморегулирующего вентиля. Анаэробный биофильтр посредством газопровода связан с газовым двигателем компрессора теплового насоса. Конденсатор-водонагреватель гидравлически связан с последовательно расположенными котлом-утилизатором газоводяным теплообменником, узлом теплофикации, газовыми двигателями электрогенератора и компрессора теплового насоса с образованием замкнутого контура циркуляции теплоносителя.
На чертеже показана газогенераторная установка.
Устройство содержит газогенератор 1 для переработки биомассы в генераторный газ, последовательно расположенные аппараты очистки и охлаждения генераторного газа - циклон 2, газоводяной теплообменник 3, скруббер 4. Очистка промывных вод из скруббера 4 осуществляется в отстойнике 5 и анаэробных биофильтрах 6 и 7. Охлаждение промывных вод перед их подачей на биофильтры 6 и 7 производится в воздухоподогревателе 8, перед подачей в скруббер 4 - в охладителе воды - испарителе 9 теплового насоса. Контур циркуляции теплоносителя состоит из гидравлически связанных друг с другом газовых двигателей теплового насоса и электрогенератора 10 и 11, соответственно, конденсатора-водонагревателя 13 теплового насоса, котла-утилизатора 12, газоводяного теплообменника 3. Контур циркуляции теплоносителя служит для охлаждения газовых двигателей 10 и 11, а также утилизации явной тепловой энергии генераторного газа, промывных вод и продуктов сгорания газов. Тепловой насос состоит из охладителя воды - испарителя воды 9, конденсатора-водонагревателя 13, компрессора 14 и терморегулирующего вентиля 15 и используется как двухцелевой термодинамический контур, обеспечивающий окончательное охлаждение очищенных промывных вод и нагрев теплоносителя до относительно высоких температур. Потребителям теплоноситель подается посредством распределительной сети 16. Накопление и распределение теплоносителя осуществляется посредством узла теплофикации 17. Электроэнергия вырабатывается в электрогенераторе 18. Биогаз из анаэробных биофильтров 6 и 7 накапливается в хранилище биогаза 19; генераторный газ накапливается в хранилище генераторного газа 20 с возможностью подачи в газовые двигатели 10 и 11 и в газовые сети 21 и 22 потребителя.
Устройство работает следующим образом. Исходная биомасса, содержащая определенное количество летучих составляющих, поступает в газогенератор 1 и подвергается газификации при подаче некоторого количества нагретого воздуха из воздухоподогревателя 8. Образовавшийся генераторный газ подвергается грубой механической очистке в циклоне 2 и далее охлаждается в газоводяном теплообменнике 3 до температур, обеспечивающих приемлемый уровень испарения воды при последующей промывке в скруббере 4. Очищенный и охлажденный до рабочей температуры генераторный газ направляется для последующей утилизации сначала в хранилище генераторного газа 20, затем - в газовый двигатель 11 привода электрогенератора 18, а также, по мере необходимости, в газовые сети 21. При охлаждении генераторного газа путем промывки летучие вещества из генераторного газа переносятся в промывные воды. Горячие и загрязненные промывные воды из скруббера 4 подвергаются сначала механической очистке в отстойнике 5, затем предварительному охлаждению в воздухонагревателе 8, биохимической очистке в анаэробных биофильрах 6, 7 и окончательному охлаждению в охладителе воды - испарителе 9 теплового насоса.
Предварительное охлаждение промывных вод в воздухонагревателе 8 позволяет обеспечить необходимый температурный уровень анаэробного процесса в биофильтрах 6,7 (33°С для мезофильного и 57°С для термофильного процессов). Летучие биоразлагаемые фракции загрязнений, содержащиеся в промывных водах, в процессе анаэробной обработки распадаются с образованием биогаза. Реализация анаэробной конверсии с использованием прикрепленной биомассы обеспечивает, в сравнении с использованием процесса со взвешенной микрофлорой, более глубокую, устойчивую к колебаниям расхода и состава сточных вод очистку. Биогаз отводится в газохранилище и далее - в газовый двигатель 10 теплового насоса. Часть биогаза из хранилища 19 поступает в газовые сети потребителя 22. Так как температура очищенных промывных вод на выходе из биофильтров 6, 7 существенно выше расчетного температурного уровня охлаждения в скруббере 4, окончательное охлаждение производится в охладителе воды - испарителе 9, предпочтительно с возможностью регулирования степени охлаждения. Тепловая энергия промывных вод передается легкокипящему агенту, циркулирующему в контуре теплового насоса. Пары агента отсасываются компрессором 14, сжимаются и подаются в конденсатор-водонагреватель 13, в котором происходит охлаждение и конденсация паров агента одновременно с нагревом теплоносителя. Таким образом, реализуется последовательное использование (утилизация) скрытой (биохимической) энергии и избыточной тепловой энергии промывных вод, а также их подготовка к повторному использованию. Предварительный нагрев теплоносителя, поступающего из узла теплофикации 18, осуществляется в рубашках газовых двигателей 10 и 11. Окончательный нагрев теплоносителя производится в котле-утилизаторе 12 за счет охлаждения продуктов сгорания газа и далее в газоводяном теплообменнике 3 за счет охлаждения генераторного газа. Из узла теплофикации 17 теплоноситель направляется через распределительную сеть 16 потребителям товарной тепловой энергии.