БИОТЕРМОФОТОЭЛЕКТРОКАТАЛИТИЧЕСКАЯ КОГЕНЕРАЦИОННАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ЭКОЛОГИЧЕСКИ БЕЗОПАСНОЙ УТИЛИЗАЦИИ СВАЛОЧНОГО БИОГАЗА
BIOTHERMOPHOTOELECTROCATALYTIC COGENERATION PLANT FOR ECOLOGICALLY SAFE UTILISATION OF DUMPSITE BIOGAS

Изобретение относится к теплоэнергетике, в частности к комбинированной выработке тепла и электроэнергии в установках для экологически безопасной 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 СH (50÷60%), диоксида углерода СO (35÷45%) с микропримесями сульфида водорода HS, азота N и водорода H. Количественный состав примесей существенно зависит от органической структуры ТБО.
4
2
В настоящее время глобальные выбросы метана СH, относящегося к одному из самых опасных с точки зрения влияния на возникновение парникового эффекта газов, интегральная поглощательная способность которого по отношению к тепловому излучению земной поверхности в инфракрасной области спектра приблизительно в 20 раз превышает аналогичный показатель для основного парникового газа диоксида углерода СO, составляют 16% от общего уровня глобальных выбросов парниковых газов (глобальные антропогенные выбросы углекислого газа составляют 55%).
Доли метана и углекислого газа, содержащихся в свалочном СБ, в суммарном потоке антропогенных и эндогенных эмиссий последних в природную среду составляют около 4%, что соотносит данный факт к одной из действенных причин формирования негативных климатических эффектов локального и глобального масштабов.
Кроме того, повышенная концентрация СБ способствует формированию взрывопожароопасных условий как на самих объектах захоронения ТБО, так и на близлежащих территориях. Принимая во внимание увеличение в структуре ТБО удельного веса искусственных полимерных материалов, солей тяжелых металлов и химикатов, стихийное возникновение возгораний СБ на объектах захоронения несет в себе немалую экологическую опасность, обусловленную образованием и выбросом в атмосферу летучих высокотоксичных химических соединений, способных при определенных погодных условиях распространяться на значительные расстояния.
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.
Известна биоэнергетическая установка [1] для фотосинтеза технической биомассы зеленой микроводоросли - биологически активной добавки (БАД) в кормовой рацион сельскохозяйственных животных и выработки электроэнергии при каскадном преобразовании тепловой энергии и электромагнитной энергии светового излучения, выделяемых при сгорании обогащенного биогазового топлива, содержащая газовый, фотосинтезирующий и жидкостной теплообменный контуры.
2
Недостатком известной установки является отсутствие ключевых составляющих, обеспечивающих возможность организации комбинированной генерации тепла и электрической энергии для экологически безопасной утилизации СБ, в частности, элементов для активной экстракции СБ из тела мусорных свалок и полигонов для захоронения ТБО и элементов для дополнительной очистки СБ от характерных для данного типа биогаза повышенных концентраций токсичных микропримесей, таких, например, как сульфид водорода HS.
2
Дополнительную очистку от содержащегося в СБ сульфида водорода HS целесообразно проводить с применением адсорбции на неподвижном слое синтетического цеолита типа NaX [2].
Технический результат изобретения заключается в улучшении технико-эксплуатационных параметров биоэнергетической установки при использовании для утилизации СБ экологически безопасной биотермофотоэлектрокаталитической комбинированной генерации тепла и электрической энергии.
Заявленный технический результат достигается следующим образом. Когенерационная установка для экологически безопасной утилизации свалочного биогаза, содержащая газовый, фотосинтезирующий и жидкостный теплообменный контуры, при этом газовый контур включает в свой состав газопровод, оснащенный газовым компрессором, газгольдер-конденсатор высокого давления с запорной арматурой, обратным газовым, обратным жидкостным и редукционным клапанами, адсорбер типа NaA с байпасной ветвью, теплообменник предварительного подогрева обогащенного биогазового топлива с ветвью подвода к фотосинтезирующему контуру и ветвь отвода продуктов сгорания с газовым нагнетателем, в фотосинтезирующий контур входят элемент для сжигания углеводородного топлива в виде инжекционной газовой горелки со светопрозрачной защитной оболочкой, каталитическая структура на тканевой основе, пропитанной оксидами редкоземельных металлов, со светоотдачей в состоянии накаливания в спектральном диапазоне, фотоэлектрическая батарея с границей основной полосы фотоактивного поглощения для данного спектрального диапазона, оптическая система фокусировки светового потока в виде бифокального эллипсоида вращения с зеркальной внутренней поверхностью, дополнительный блок термоэлектрического преобразования тепловой энергии, отводимой о продуктов сгорания, фотореактор со светопрозрачным корпусом, установленным во вторичной фокальной плоскости оптической системы фокусировки светового потока над фотоэлектрической батареей, емкость-смеситель с перистальтическим циркуляционным насосом, емкости для абсорбции углекислоты из продуктов сгорания и обогащения биогаза, а также перистальтический насос подачи водной суспензии зеленой микроводоросли в центробежный сепаратор, при этом жидкостный теплообменный контур включает рубашку охлаждения блока термоэлектрического преобразования и теплообменник патрубка отвода продуктов сгорания, отличается тем, что газовый контур также включает в свой состав вертикальные газодренажные скважины с конденсатоотводчиками и запорной арматурой для регулирования расхода и контроля качественного состава биогаза, соединенные газопроводом, оснащенным газовым компрессором, с газгольдером-конденсатором высокого давления и адсорбер типа NaX с байпасной ветвью, при этом адсорбер типа NaX с байпасной ветвью, адсорбер типа NaA с байпасной ветвью и теплообменник предварительного подогрева обогащенного биогазового топлива соединены последовательно, а жидкостный теплообменный контур дополнительно включает патрубок подвода охлаждающей жидкости и патрубок отвода нагретой жидкости в производственно-технические или коммунально-бытовые системы горячего водоснабжения.
Процесс биотермофотоэлектрокаталитической 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;
τ - интегральная пропускательная способность водной суспензии зеленой микроводоросли;
фотосинтеза
t - температура процесса фотосинтеза;
накаливания
t - температура накаливания.
На фиг.1 показана схема биотермофотоэлектрокаталитической когенерационной установки для экологически безопасной утилизации СБ, на фиг.2 представлен узел I на фиг.1.
Биотермофотокаталитическая когенерационная установка для экологически безопасной утилизации свалочного биогаза, содержащая газовый, фотосинтезирующий и жидкостный теплообменный контуры, в которой газовый контур включает в свой состав вертикальные газодренажные скважины 1 с конденсатоотводчиками 2 и запорной арматурой для регулирования расхода 3 и контроля качественного состава биогаза 4, соединенные газопроводом 5, оснащенным газовым компрессором 6, с газгольдером-конденсатором 7 высокого давления, имеющим запорную арматуру 8, обратный газовый 9, обратный жидкостный 10 и редукционный 11 клапаны, а также соединенные последовательно адсорбер 12 типа NaX
с байпасной ветвью 13, адсорбер 14 типа NaA с байпасной ветвью 15 и теплообменник 16 предварительного подогрева обогащенного биогазового топлива с ветвью подвода 17 к фотосинтезирующему контуру и ветвь 18 отвода продуктов сгорания с газовым нагнетателем 19, а в фотосинтезирующий контур входят элемент для сжигания углеводородного топлива в виде инжекционной газовой горелки 20 со светопрозрачной защитной оболочкой 21, каталитическая структура 22 на тканевой основе, пропитанной оксидами редкоземельных металлов, с высокой светоотдачей в состоянии накаливания в определенном спектральном диапазоне и фотоэлектрическая батарея 23, с оптимальной для данного спектрального диапазона границей основной полосы фотоактивного поглощения, оптическая система фокусировки светового потока в виде бифокального эллипсоида вращения 24 с зеркальной внутренней поверхностью 25 и дополнительный блок 26 термоэлектрического преобразования тепловой энергии, отводимой от высокотемпературных продуктов сгорания, а также фотореактор 27 со светопрозрачным корпусом 28, установленным во вторичной фокальной плоскости оптической системы фокусировки светового потока над фотоэлектрической батареей 23, емкость-смеситель 29 с перистальтическим циркуляционным насосом 30, емкости 31 для абсорбции углекислоты из продуктов сгорания и емкости обогащения биогаза, а также перистальтический насос 33 подачи водной суспензии зеленой микроводоросли в центробежный сепаратор 34, включает также жидкостный теплообменный контур, содержащий патрубок 35 подвода охлаждающей жидкости, рубашку 36 охлаждения блока 26 термоэлектрического преобразования, теплообменник 37 патрубка 38 отвода продуктов сгорания, а также патрубок 39 отвода нагретой жидкости в производственно-технические или коммунально-бытовые системы горячего водоснабжения (не показаны).
Установка работает следующим образом. Обогащенное биогазовое топливо подается под давлением в инжекционную газовую горелку 20, в которой создается газовоздушная смесь, необходимая для процесса горения.
В пламени газовой горелки 20 каталитическая структура 22, находящаяся в первичной фокальной области бифокального эллипсоида вращения 24 в состоянии накаливания, излучает в биофотоактивном спектральном диапазоне световой поток, который после переотражения от зеркальной внутренней поверхности 25 эллипсоида 24, фокусируется во вторичной фокальной области, где располагается фотореактор 27 со светопрозрачным корпусом 28, в котором осуществляется «световая» стадия фотосинтеза в прокачиваемой через него перистальтическим циркуляционным насосом 30 водной суспензии зеленой микроводоросли, сопровождающаяся выделением молекулярного кислорода. Непоглощенная часть светового потока падает на фотоэлектрическую батарею 23 с оптимальной для данного спектрального диапазона границей основной полосы фотоактивного поглощения. Фотоэлектрическая батарея 23 эффективно генерирует фото-ЭДС, преобразуя энергию светового потока в электрическую энергию.
При снижении до определенного уровня электрической мощности фотоэлектрической батареи 23, обуславливаемого снижением интегральной пропускательной способности водной суспензии зеленой микроводоросли вследствие увеличения со временем биомассы последней, происходит ее отбор и перекачивание перистальтическим насосом 33 в центробежный сепаратор 34.
После фотореактора 27 водная суспензия зеленой микроводоросли поступает в емкость-смеситель 29, в которой происходит ее смешивание с фракцией водной суспензии с пониженной концентрацией зеленой биомассы после сепаратора 34 и неорганическими питательными добавками.
В емкостях 31 происходит растворение углекислоты и конденсация влаги, содержащихся в продуктах сгорания, а в емкостях 32 растворение углекислоты, содержащейся в биогазе.
Таким образом, водная суспензия зеленой микроводоросли получает требуемое сырье для осуществления «темновой» стадии фотосинтеза по генерации органических соединений и своего размножения.
Воздух, поступающий во внутренний объем эллипсоида вращения 24, отбирая на входе тепло от нагретой фотоэлектрической батареи 23 и термостатируя светопрозрачный корпус 28 фотореактора 27, предварительно подогревается, перемешивается с выделяющимся из фотореактора 27 кислородом, частично инжектируется газовой горелкой 20 и, продолжая движение внутри эллипсоида 24, отбирает тепло от его внутренней зеркальной поверхности 25 и от нагретой продуктами сгорания светопрозрачной защитной оболочки 21. В кольцевом зазоре между оболочкой 21 и блоком 26 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 36 жидкостного охлаждения холодными спаями, термоэлектрический блок 26 генерирует термо-ЭДС, преобразуя тепловую энергию, выделяемую при сгорании обогащенного биогазового топлива, в электрическую энергию.
Далее, смесь воздуха с продуктами сгорания, через патрубок 38 поступает в ветвь отвода 18 и нагнетателем 19 прокачивается через емкости 31 в атмосферу.
Остаточное тепло используется для нагрева жидкости, поступающей из патрубка 35, прошедшей через рубашку охлаждения 36 и теплообменник 16 газового контура, в теплообменнике 37 патрубка 38 отвода продуктов сгорания.
Нагретая жидкость через патрубок 39 подается в производственно-технические или коммунально-бытовые системы горячего водоснабжения.
После центробежного сепаратора 34 концентрированная фракция водной суспензии зеленой микроводоросли используется в качестве биологически активной добавки в кормовой рацион сельскохозяйственных животных.
Синтезированный биогаз отбирается из скважин 1 с конденсатоотводчиками 2 и подается газовым компрессором 6 через газовый обратный клапан 9 в газгольдер-конденсатор 7 высокого давления, в котором происходит конденсация остаточной влаги, содержащейся в биогазе, и усредняется его химический состав. Избыток конденсата удаляется через жидкостный обратный клапан 10 в емкость 31.
2
Из газгольдера-конденсатора 7 биогаз через запорную арматуру 8 и редукционный клапан 11 поступает в адсорбер 12 с байпасной ветвью 13, где происходит поглощение примесей сульфида водорода HS и далее в емкости 32, где, как уже указывалось, происходит растворение содержащегося в нем диоксида углерода.
В адсорбере 14 с байпасной ветвью 15 на синтетических цеолитах типа NaA происходит глубокая осушка газа, завершающая процесс его обогащения. Обогащенное биогазовое топливо после предварительного подогрева в теплообменнике 16 поступает в инжекционную газовую горелку 20.
Формула для определения КПД биотермофотоэлектрокаталитической когенерационной установки в процессе выработки электроэнергии имеет вид:
БКУ
свет.
фэ
тэ
свет.
η=τηη+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.
Анализ технических характеристик имеющихся в свободной продаже газовых, бензиновых и керосиновых ламп калийного освещения позволяет принять в расчетах
свет.
η≈0,3.
КПД фотоэлектрического преобразования узкоспектрального светового излучения можно оценить по формуле, аналогичной выражению для определения КПД солнечного фотоэлемента [3]:
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.
БКУ
Ограничив снижение пропускания водной суспензии зеленой микроводоросли значением τ≈0,9, получим значение КПД биоэнергетической установки при генерации электроэнергии η≈0,18. При этом часть энергии узкоспектрального светового излучения  будет израсходована на фотосинтез технической биомассы.
Проведем комплексную оценку эффективности биотермофотоэлектрокаталитической технологии утилизации СБ при электрогенерации и использовании водной суспензии зеленой микроводоросли в качестве биологически активной добавки в кормовой рацион сельскохозяйственных животных.
свет
3
3
Опытные данные по культивированию хлореллы в установке КХ-60 показывают [4], что для производства в сутки 120 литров суспензии зеленой микроводоросли, пригодной для выпаивания сельскохозяйственных животных, требуется источник светового излучения мощностью 1 кВт. Для нашего случая (τ≈0,9) потребуется полный биофотоактивный световой поток мощностью 10 кВт. При η≈0,3 подводимая к источнику светового излучения тепловая мощность должна составить ≈33 кВт, а суточный расход обогащенного (низшая теплотворная способность ≈30 МДж/м) биогазового топлива составит 95 м.
Для получения дополнительных привесов, например, в свиноводстве, 120 литров суспензии хлореллы используются для выпаивания в сутки в среднем 500 единиц свинопоголовья, при этом дополнительный суточный привес единичной особи составляет в среднем 100 г. Таким образом, суточный привес свинопоголовья из 500 особей составит 50 кг.
БКУ
Электрическая мощность биоэнергетической установки при η≈ 0,18 составит приблизительно 6 кВт.
За месяц будет выработано около 4 МВт·ч электрической энергии, а привес свинопоголовья из 500 особей составит 1500 кг, при этом падеж животных снижается с 10 до 1%, а расходы на ветеринарные средства сводятся только к плановым вакцинациям, так как при использовании в кормовом рационе животных водной суспензии хлореллы антибиотики не применяются.
Источники информации
1. Адамович А.Б., Адамович Б.А., Васильевич Ю.Б., Вестяк А.В., Вестяк В.А., Лысенко Г.П. Экологически безопасная промышленная биоэнергетика. - Экология и промышленность России, 2007, №7, с.11-17.
2. Колобродов В.Г., Хаджмуратов М.А., Карнацевич Л.В., Санковский А. Способы повышения качества биогаза. - Твердые бытовые отходы, 2006, №8, с.11
3. Грилихес В.А., Орлов П.П., Попов Л.Б., Солнечная энергия и космические полеты. - М.: «Наука», 1984, с.99
4. Богданов Н.И. Суспензия хлореллы в рационе сельскохозяйственных животных. - Пенза: РИО ПГСХА, 2007.