Торфоперерабатывающий энергокомплекс с использованием геотермальной энергии
PEAT PROCESSING POWER COMPLEX USING GEOTHERMAL ENERGY

Область техники
Изобретение относится к системам и установкам энергообеспечения, использующим возобновляемые источники энергии, а также к установкам производства топливных гранул (пеллет) из мороженого торфа.
Уровень техники
Известна установка для производства электро- и теплоэнергии, получаемых в результате термоэнергетических процессов при переработке биоресурсов [1], работающая на низкокалорийном топливе – торфе или отходах деревообработки, имеет в своем составе камеру предварительной сушки сырья/топлива, транспортер подачи сырья/топлива; газогенератор; двигатель-генератор; насосы для перекачивания воды в гидросистеме; линию подачи газа на двигатель-генератор; модуль-вентилятор; теплообменник (в состав теплообменника входят фильтры грубой и тонкой очистки). В качестве газогенератора используются два связанных между собой модуля, обеспечивающих замкнутый энергетический цикл – пиролизная установка и котел-утилизатор, где общим оборудованием для обоих энергетических модулей является камера предварительной сушки топлива, транспортер для подачи топлива, блок очистки и охлаждения газов, модуль-вентилятор, теплообменник, линия подачи газа и двигатель-генератор. В качестве топливного элемента может использоваться СВЧ-магнетрон, а электропитание камеры подготовки топлива, вентилятора, насосов для перекачивания воды в гидросистеме может осуществляться от двигателя-генератора. В рабочем режиме пиролизная установка может автономно вырабатывать количество тепловой и электрической энергии, необходимое для собственных нужд и для подключенных потребителей, а котел-утилизатор может автономно вырабатывать количество тепловой и электрической энергии, необходимое подключенным потребителям, в том числе достаточное для запуска СВЧ-магнетрона пиролизной установки.
Недостатком установки является невозможность обеспечения тепло-, электроэнергией производственного процесса и потребителей в случае перебоев с доставкой торфа или отходов деревообработки и отсутствия их на складе сырья. К недостатку также можно отнести затраты топлива и электроэнергии при запуске установки.
Известен способ по производству продукции, тепла и электроэнергии из торфа для сельского хозяйства, коммунально-бытовых нужд и нужд промышленности [2]. Способ включает экскавацию торфа из залежи, его обезвоживание, введение композитов, связующих модификаторов и минеральных удобрений, формирование гранул, или брикетов, с досушиванием, фасовку и пакетирование всей высушенной продукции, направление части торфа для пиролиза для получения тепловой и электрической энергии. Торф из залежи экскавируют вместе с древесными включениями, которые далее отделяют от торфа, торф подвергают механическому обезвоживанию до влажности 75 – 82%, затем перемешивают с дренирующим наполнителем, повторно подвергают механическому обезвоживанию полученную смесь до влажности 45 – 60%, сепарируют дренирующий наполнитель для повторного его использования. Обезвоженный торф транспортируют на модульный участок переработки, а древесные включения на участок пиролиза для термической переработки совместно с торфом для получения газообразного и твердого топлива, при этом часть твердого топлива используют в качестве композита, а часть газового топлива, тепловой и электрической энергии используют для нужд технологического комплекса.
Недостатком способа является сложность технологического процесса производства тепловой и электрической энергии и как следствие более высокие эксплуатационные и капитальные затраты на производство. Также к недостаткам можно отнести использование части торфа для производства электроэнергии, что снижает количество выпущенной на реализацию потребителю продукции.
Известен энергонезависимый технологический комплекс по производству продукции из торфа [3], включающий функционально взаимосвязанные между собой модуль подготовки, модуль сушки, модуль формования торфяного сырья и модуль переработки отходов основного производства, причем модуль подготовки выполнен из последовательно установленных и связанных между собой посредством ленточных транспортеров приемного бункера, валкового сепаратора, поточного магнитного сепаратора, фрезерной дробилки и прессошнекового сепаратора и связан с модулем сушки ленточным транспортером, с модулем формования ленточным конвейером, с модулем переработки отходов ленточным транспортером, ленточным конвейером и трубопроводом. Модуль сушки включает склад биотоплива, связанный посредством шнекового питателя с теплогенератором, соединенным воздухопроводом с тоннельной многоярусной сушилкой и взаимосвязан при помощи ленточных конвейеров и транспортеров с модулем формования, модуль формования оснащен бункерами-дозаторами дополнительного сырья, связанными ленточным транспортером с двухшнековым истирателем, соединенным через бункер-питатель со шнековым экструдером, оснащенным сменными фильерами и соединенным ленточным конвейером с заполнителем биг-бегов, связанным со складом готовой продукции посредством вилочного погрузчика и взаимосвязан при помощи ленточных конвейеров и транспортеров с модулем сушки, модуль переработки отходов основного производства снабжен приемным бункером для металлических включений, отстойником для воды, связанным трубопроводом через фильтры с торфяной загрузкой с резервуаром для технической воды, оснащенным насосной станцией и складом отходов, связанным ленточным транспортером с молотковой дробилкой, соединенной ленточным конвейером со складом биотоплива, входящим в состав модуля сушки. Модуль подготовки оснащен поточным магнитным сепаратором, позволяющим улавливать металлические включения и прессошнековым сепаратором, позволяющим удалять влагу из торфяного сырья механическим способом. Теплогенератор работает на биотопливе, полученном из сырья, используемого для основного производства, и его отходов, а подача биотоплива для теплогенератора, осуществляется шнековым питателем. Модуль формования оснащен двухшнековым истирателем, позволяющим одновременно диспергировать сырье и перемешивать его с различными добавками, сушка готовой продукции в зависимости от ее назначения и влажности исходного сырья может происходить до или после формования.
Недостатком энергонезависимого технологического  комплекса является работа на биотопливе, полученном из сырья, используемого для основного производства и его отходов, что снижает количество выпущенной на реализацию потребителю продукции. Кроме этого к недостаткам можно отнести невозможность обеспечения внешнего потребителя электро- и теплоснабжением.
Наиболее близким к заявляемому изобретению является способ производства топливных гранул из мороженого торфа [4] (прототип), включающий транспортировку мороженого торфа влажностью 50% и менее по зимнему снеговому проезду к месту его переработки, где он измельчается в замороженном состоянии и подвергается конвекционной сушке горячим воздухом до влажности 20%, а также подвергается дополнительному измельчению (диаметр частиц 3 – 5 мм) в сушильном барабане. Температура входящего сухого воздуха в барабан 200 – 250°С, а выходящего 120 – 130°С. Продолжительность процесса сушки составляет  9 – 23 мин. Из сушильного барабана частицы торфа с температурой 110°С поступают в камеру, где продувкой воздухом из производственного цеха с температурой 23°С,  охлаждаются до температуры 30 – 32°С. Далее охлажденные частицы торфа перемещаются в гранулятор (пеллетайзер), где в процессе прессования и продавливания через перфорированную кольцевую матрицу получаются торфяные топливные гранулы (пеллеты) диаметром 8 мм. В процессе прессования и получения гранул температура торфа возрастает и достигает 38 – 43°С, после чего гранулы укладывают  в открытые сетчатые поддоны и ставятся на хранение при нормированных параметрах внутреннего воздуха производственного цеха 23°С и относительной влажности 50%. В процессе хранения влажность торфяных топливных гранул падает до 10 – 12%. После этого пеллеты упаковываются. Воздух, выходящий из сушильного барабана с температурой 120 – 130°С и воздух из зоны охлаждения гранул с температурой 72 – 75°С вместе поступают в теплообменник, используемый для обогрева производственного цеха, и затем сбрасываются в атмосферу.
К недостаткам прототипа можно отнести капитальные и эксплуатационные затраты для обеспечения электро- и тепловой энергией процессов – «измельчение торфа в замороженном состоянии», «конвекционная сушка и измельчение», «получение гранул (пеллет)», электродвигателей вентиляторов для обеспечения подачи воздуха с температурой 220 – 250°С, подачи воздуха из производственного цеха для охлаждения торфа. Также недостатком является отсутствие возможности обеспечения электро- и тепловой энергией потребителя.
Раскрытие изобретения.
Задача изобретения – повышение эффективности процесса получения топливных гранул (пеллет) из мороженого торфа и комплексного освоения геотермальных ресурсов.
Техническим результатом заявляемого изобретения является снижение себестоимости выпускаемых торфяных топливных гранул, обеспечение электро- и тепловой энергией производственного процесса, потребителя, отсутствие эксплуатационных затрат.
Это достигается тем, что торф влажностью 50 % и менее измельчают в замороженном состоянии, подвергают конвекционной сушке воздухом до влажности 20% в течение 8 – 12 мин и дополнительному измельчению до диаметра частиц 3 – 5 мм в сушильном барабане. Для сушки используется горячий сухой воздух с температурой 220 – 230°С, нагреваемый в теплообменнике-охладителе №1 геотермальным газом, например углекислым газом, при давлении 30 МПа, температуре 250°С из добычной геотермальной скважины. После сушки, продолжительностью 8 – 15 мин частицы торфа с температурой 110°С поступают на воздушное охлаждение до температуры 30 – 32°С, а далее перемещаются в гранулятор (пеллетайзер), где в процессе прессования и продавливания через перфорированную кольцевую матрицу получаются торфяные топливные гранулы (пеллеты), диаметром 8 мм. Гранулы (пеллеты) укладывают в открытые сетчатые поддоны и хранятся при нормированных параметрах внутреннего воздуха производственного цеха. В процессе хранения влажность торфяных топливных гранул снижается до 10 – 12%. После пеллеты упаковываются, а затем доставляются потребителю и в пеллетную котельную, которая с помощью теплообменника №2 обеспечивает теплоснабжение потребителя, как и теплообменник-охладитель №2, нагревающий воду нагретым в геотермальной скважине газом, при давлении 2 МПа, температуре 40°С от турбины расширения с электрогенератором (ГеоЭС). ГеоЭС обеспечивает электроэнергией производственный процесс и потребителя. Воздух выходящий из сушильного барабана с температурой 140 – 150°С, а также воздух из зоны охлаждения гранул, проходя вместе через теплообменник №1, используемый для обогрева производственного цеха, сбрасываются в атмосферу.
В сравнении с прототипом изобретения, где для измельчения торфа в замороженном состоянии, конвекционной сушки и измельчения торфа, охлаждения частиц торфа воздухом, получения гранул (пеллет) затрачивается электро- и теплоэнергия, в заявляемом изобретении за счет использования одноконтурной технологической схемы использования геотермальных ресурсов энергозатрат на обеспечения технологического процесса нет. Кроме этого заявляемое изобретение может обеспечивать элетро- и теплоэнергией внешнего потребителя.
Описание чертежей
На фиг. 1 представлена схема торфоперерабатывающего энергокомплекса с использованием геотермальной энергии.
Осуществление изобретения.
Изобретение содержит перечень технологических операций: измельчение торфа в замороженном состоянии (влажность гранул 50% и менее), конвекционная сушка и измельчение (влажность частиц 20%, продолжительность сушки 8 – 12 мин), охлаждение частиц торфа воздухом (температура частиц 30 – 32°С), получение гранул (пеллет), хранение гранул в производственном цехе (влажность гранул 10 – 12%), упаковка, доставка упакованных пеллет потребителю и в пеллетную котельную, которая с помощью теплообменника №2 обеспечивает теплоснабжение потребителя. Также изобретение содержит одноконтурную технологическую схему использования геотермальных ресурсов – ГеоЭС, теплообменники-охладители №1 и №2, нагнетательная, добычная геотермальные скважины.
Изобретение работает следующим образом.
Пример 1.
Торф в месте его переработки при влажности 50% и менее измельчается в замороженном состоянии в роторно-дисковом измельчителе до размеров (длина, ширина, высота) –  10×10×10 мм. Далее измельченный торф подвергают конвекционной сушке горячим воздухом, нагреваемым в теплообменнике-охладителе №1 геотермальным газом, например углекислым газом, при давлении 30 МПа, температуре 250°С из добычной геотермальной скважины, до влажности 20% и дополнительному измельчению (диаметр частиц 3-5 мм) в сушильном барабане. Температура входящего сухого воздуха в барабан 230°С, а выходящего 150°С. Продолжительность процесса сушки составляет  8 – 12 мин. Из сушильного барабана частицы торфа с температурой 110°С поступают в камеру, где продувкой воздухом из производственного цеха с температурой 23°С, охлаждаются до температуры 30 – 32°С. Температура воздуха на выходе из камеры охлаждения торфяных гранул 72 – 75°С. Далее охлажденные частицы торфа перемещаются в гранулятор (пеллетайзер), где в процессе прессования и продавливания через перфорированную кольцевую матрицу получаются торфяные топливные гранулы (пеллеты) диаметром 8 мм. В процессе прессования и получения гранул температура торфа возрастает и достигает 38 – 43 °С. Затем пеллеты укладывают в открытые сетчатые поддоны и ставятся на хранение при нормированных параметрах внутреннего воздуха производственного цеха 23°С и относительной влажности 50% (температура окружающей среды). В процессе хранения влажность торфяных топливных гранул снижается до 10 – 12%. После пеллеты упаковываются, а затем доставляются потребителю и в пеллетную котельную, которая с помощью теплообменника №2 обеспечивает теплоснабжение потребителя, как и теплообменник-охладитель №2, нагревающий воду нагретым в геотермальной скважине газом, при давлении 2 МПа, температуре 40°С от ГеоЭС, обеспечивающей электроэнергией производственный процесс и потребителя. Воздух выходящий из сушильного барабана с температурой 150°С, а также воздух из зоны охлаждения гранул с температурой 72 – 75°С вместе поступают в теплообменник №1, используемый для обогрева производственного цеха, и затем сбрасываются в атмосферу.
Пример 2.
Мороженый торф влажностью 50% и менее измельчается, подвергается конвекционной сушке, дополнительному измельчению, охлаждается, прессуется, упаковывается и направляется потребителю, пеллетную котельную по примеру 1, однако температура входящего сухого воздуха в сушильный барабан равна 220°С, а выходящего 140°С, продолжительность процесса сушки возрастает и составляет  11 – 15 мин.
Пример 3.
Мороженый торф влажностью 50% и менее измельчается, подвергается конвекционной сушке, дополнительному измельчению, охлаждается, прессуется, упаковывается и направляется потребителю, пеллетную котельную по примеру 1 и 2, однако температура входящего сухого воздуха в сушильный барабан равна 200°С, а выходящего 120°С, продолжительность процесса сушки возрастает и составляет  19 – 23 мин. При такой высокой продолжительности сушки нарушается непрерывность технологических операций, возрастает влажность частиц торфа на выходе из сушильного барабана.
Пример 4.
Мороженый торф влажностью 50% и менее измельчается, подвергается конвекционной сушке, дополнительному измельчению, охлаждается, прессуется, упаковывается и направляется потребителю, пеллетную котельную по примеру 1 – 3, однако температура входящего сухого воздуха в сушильный барабан равна 180°С, а выходящего 110°С, продолжительность процесса сушки возрастает и составляет  28 – 30 мин. При такой высокой продолжительности сушки нарушается непрерывность технологических операций, возрастает влажность частиц торфа на выходе из сушильного барабана
Изобретение простое при осуществлении и может быть применено на стандартном оборудовании.
Источники информации
1. RU 115047, U1, опубл. 20.04.2012 г., Бюл. №11. (Дата прекращения действия патента: 11.01.2014).
2. RU 2512210, С2, опубл. 10.04.2014 г., Бюл. №10. (Дата прекращения действия патента: 08.06.2015).
3. RU 2529059, С1, опубл. 27.09.2014 г., Бюл. №27 (Дата прекращения действия патента: 06.07.2018).
4. RU 2721560, С1, опубл. 20.05.2020.