КОГЕНЕРАЦИОННАЯ ЭНЕРГОУСТАНОВКА С ТОПЛИВНЫМ ЭЛЕМЕНТОМ НА ОСНОВЕ ВНУТРИЦИКЛОВОЙ КОНВЕРСИИ ОРГАНИЧЕСКОГО СЫРЬЯ
COGENERATION POWER PLANT WITH FUEL CELL BASED ON INTRACYCLIC CONVERSION OF ORGANIC RAW MATERIAL

Изобретение относится к теплоэнергетике, а именно к когенерационным энергетическим установкам термической переработки низкосортного сырья, и может быть использовано для автономного энергообеспечения малых городов, поселков городского типа и сельских поселений.
Известно изобретение «Способ управления устройством для выработки электроэнергии и устройство для использования в соответствии с данным способом» (RU 2464300, МПК C10J 3/20, F02B 43/08, опубл. 20.10.2012), в котором устройство для выработки электроэнергии включает газогенератор шахтного типа с расположенным сверху загрузочным конвейером. Агент газификации - увлажненный и предварительно нагретый воздух, подаваемый из увлажнителя и воздухоподогревателя, вводят в газогенератор снизу. Газ, образующийся в газогенераторе, поступает в газовый двигатель, приводящий в действие генератор для выработки электроэнергии. Между газогенератором и газовым двигателем предусмотрено наличие оборудования для очистки газа в виде системы охлаждения газа и электростатического осадителя. Кроме того, предусмотрены вентиляторы для увеличения давления топливного газа, подаваемого в газовый двигатель, поток топливного газа изменяют с помощью газового вентиля, установленного после вентилятора. Система охлаждения газа соединена с теплообменником для использования тепла, отводимого от газа в системе охлаждения. Теплообменник может являться частью системы охлаждения газа, а система охлаждения газа может включать дополнительный башенный охладитель газа, предназначенный для снижения температуры топливного газа и извлечения из топливного газа дополнительного количества конденсата. Дополнительное количество тепла может быть отведено от отработавшего газа в отдельном теплообменнике до того, как этот газ будет выпущен через трубу.
Недостатком изобретения является использование воздушного дутья, что снижает содержание водорода и теплоту сгорания получаемого газа. Следовательно, необходимо большее количество получаемого газа для газового двигателя, в результате чего увеличивается его металлоемкость, образуется большое количество дымовых газов, а значит, и вредных выбросов в окружающую среду, требуются мощные тягодутьевые машины.
Известна полезная модель «Алюмоводородная энергетическая установка с газификацией твердого топлива» (RU 111851, МПК C10J 3/00, опубл. 27.12.2011), содержащая высокотемпературный реактор окисления алюминия водяным паром, производимым за счет регенеративного тепла, в котором создается рабочее тело высоких параметров для тепловой машины первой ступени преобразования энергии в комбинированном цикле, которое является энергоносителем для последующих ступеней преобразования энергии при окислении кислородом воздуха. К указанному реактору окисления алюминия паром подключено устройство ввода газифицируемой углеродсодержащей среды, в частности малосернистого и малозольного угольного порошка, для его совместной газификации в среде реактора за счет выделяющегося тепла и при участии паров воды. К выходу реактора подключен сепаратор твердой фазы, за которым подключена тепловая машина первой ступени комбинированного цикла.
Недостатком полезной модели является использование в качестве катализатора алюминиевого порошка, повышающего стоимость выработки электричества. Стоит также отметить, что высокие температуры в технологическом процессе приводят к необходимости использования дорогих жаропрочных сталей, что существенно увеличивает стоимость отпускаемой тепло- и электроэнергии.
Наиболее близким, принятым за прототип, является изобретение «Система, вырабатывающая электрическую энергию с помощью газификации горючих веществ» (RU 2270849, МПК C10J 3/00, H01M 8/06, опубл. 27.02.2006), содержащее устройство для подачи исходного материала в низкотемпературную газификационную печь, в которой посредством пиролиза при температуре от 400 до 1000°C вырабатывается газ, содержащий водород и оксид углерода. После газификационной печи выполнены пылеуловитель и аппарат для удаления агрессивных газов, соединенный с устройством для риформинга топлива. Затем по ходу движения полученного газа расположен топливный элемент, предназначенный для выработки электроэнергии, и котел-утилизатор, соединеный с нагнетателем. Топливный элемент также соединен с высокотемпературным нагнетателем, используемым для повторного использования отработавшего газа, и газовой камерой сгорания, соединенной с охладителем газа.
Недостатком изобретения является использование высоких температур, что приводит к необходимости выполнения технологического оборудования из дорогих жаропрочных сталей. Высокие температуры газа, выходящего из устройства для риформинга топлива, ограничивают виды возможных для использования топливных элементов, оставляя возможными только дорогостоящие варианты. Предложенный способ газификации исходного материала позволяет получать газ с низким содержанием водорода и большим количеством балластных компонентов, в результате чего применение топливного элемента для выработки электроэнергии малоэффективно.
Задача изобретения - увеличение эффективности переработки исходного сырья в водородсодержащий газ, сокращение затрат на организацию технологического процесса.
Для решения поставленной технической задачи предложена когенерационная энергоустановка с топливным элементом на основе внутрицикловой конверсии органического сырья, содержащая устройство для подачи исходного материала в низкотемпературную газификационную печь, газовую камеру сгорания и топливный элемент. Корпус энергоустановки покрыт теплоизоляцией, внутри корпуса размещена газификационная печь в виде сосуда цилиндрической формы, по всему объему которой имеются каналы ввода газифицирующего агента. Нижняя часть газификационной печи соединена с конусообразной колосниковой решеткой и системой золоудаления. Газификационная печь совмещена с газовой камерой сгорания, по периметру нижней части которой выполнена металлическая сетка с нанесенным на нее катализатором. За металлической сеткой расположены кислородно-водородный топливный элемент и воздушная камера. В верхней части корпуса на выходе дымовых газов предусмотрены теплообменник и дымовая труба.
Изобретение поясняется следующим чертежом.
На фиг.1 показан продольный разрез когенерационной энергоустановки с топливным элементом на основе внутрицикловой конверсии органического сырья.
Когенерационная энергоустановка имеет корпус 1, покрытый теплоизоляцией 2. Внутри корпуса размещена газификационная печь 3 - сосуд цилиндрической формы, в верхней части которой смонтировано устройство для подачи исходного материала 4. По всему объему газификационной печи 3 выполнены каналы ввода газифицирующего агента 5. Нижняя часть газификационной печи 3 соединена с конусообразной колосниковой решеткой 6. Газификационная печь совмещена с газовой камерой сгорания 7, по периметру нижней части которой расположена металлическая сетка 8 с нанесенным на нее катализатором. За металлической сеткой 8 расположен кислородно-водородный топливный элемент 9 и воздушная камера 10. В верхней части корпуса 1 на выходе дымовых газов предусмотрены теплообменник 11 и дымовая труба 12.
Зольный остаток, образующийся при газификации сырья в газификационной печи 3, удаляется системой золоудаления 13.
Вблизи установки предусмотрен парогенератор (не показан) для генерации газифицирующего агента - перегретого пара.
Когенерационная энергоустановка с топливным элементом на основе внутрицикловой конверсии органического сырья работает следующим образом. Газификационную печь 3 через устройство для подачи исходного материала 4 заполняют сырьем, после чего по каналам ввода газифицирующего агента 5 из парогенератора (не показан) подается перегретый пар с температурой 300-500°C. В ходе процесса низкотемпературной газификации сырья выделяется газ, обогащенный водородом, сквозь колосниковую решетку 6 поступающий в газовую камеру сгорания 7. В газовой камере сгорания 7 газ, обогащенный водородом, реагирует с катализатором, нанесенным на металлическую сетку 8, и кислородно-водородным топливным элементом 9, омываемым воздухом из воздушной камеры 10. В результате чего кислородно-водородный топливный элемент 9 вырабатывает электрический ток, при этом происходит выделение тепла, передающегося дымовым газам - продукту реагирования газа, обогащенного водородом, с катализатором, нанесенным на металлическую сетку 8, и кислородно-водородным топливным элементом 9.
Часть теплоты, переданной дымовым газам посредством конвекционного теплообмена, идет на поддержание процесса газификации в газификационной печи 3, другая - теплообменнику 11. После прохождения теплообменника 11 охлажденные дымовые газы за счет естественной тяги покидают установку через дымовую трубу 12.
Зольный остаток, являющийся побочным продуктов процесса газификации, удаляется из газификационной печи 3 системой золоудаления 13.
2
2
3
2
2
2
3
2
2
3
В качестве катализатора, нанесенного на металлическую сетку 8, использованы нанопорошки (например, Ni+NiO, 75ZrO+25FeO, NiF·2HO, 10SrO+90FeO, 85ZrO+15FeO).
Верхний предел температуры газификации выбран из соображения использования в технологическом процессе дешевых углеродистых сталей, способных работать при температурах до 500°C, что позволяет существенно снизить стоимость когенерационной энергоустановки.
В качестве примера представлены результаты расчета когенерационной энергоустановки с топливным элементом на основе внутрицикловой конверсии органического сырья, использующей в качестве топлива фрезерный торф.
2
4
2
3
В процессе газификации сухого фрезерного торфа в газификациоппой печи 3 получают газ, обогащенный водородом, следующего состава: H=60,62%; CH=29,54%; CO=3,91%; CO=0,67%, неопределенные газы - остальное, при этом низшая теплота сгорания этого газа составляет 17,22 МДж/м. КПД реакционной камеры составляет 94,93%.
Кислородно-водородный топливный элемент 9 выполнен из угольных цилиндров с использованием гидроокиси калия в качестве электролита, КПД которого составляет 32%.
В результате когенерационная энергоустановка с топливным элементом на основе внутрицикловой конверсии органического сырья позволяет вырабатывать 25,6 кВт тепла и 3,33 кВт электричества при расходе сухого фрезерного торфа 85,3 кг/сутки.