БЛОЧНАЯ ТЕПЛОВАЯ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ НА ДРЕВЕСНЫХ ТОПЛИВНЫХ ГРАНУЛАХ
MODULAR THERMAL POWER STATION ON WOOD FUEL GRANULES

Изобретение касается блочной тепловой электростанции на древесных топливных гранулах (блочной ТЭС на древесных топливных гранулах), содержащей механизм подачи древесных топливных гранул, камеру горения, устройство золоудаления и двигатель Стерлинга.
Такие блочные ТЭС на древесных топливных гранулах в последнее время находят усиленный спрос для децентрализованной электрификации с использованием биомассы в малых блоках энергопитания в домах на одну семью или в многоквартирных домах в качестве комбинированного модуля по выработке электрической и тепловой энергии (энергомодулей). Там они должны заменять обычное отопление дома и водонагревание и дополнительно производить как можно больше электротока, который подается в коммунальную электросеть и возмещается по закону ФРГ об энергопитании (Energie-Einspeise-Gesetz - EEG).
Такие блочные ТЭС на древесных топливных гранулах и с двигателем Стирлинга как серийные агрегаты еще не имеются в продаже на мировом рынке. Некоторые изготовители котлов, работающих на древесных топливных гранулах, предпринимают попытки оснастить свои котлы, работающие на древесных топливных гранулах, двигателями Стирлинга, так, например, фирма Hoval в Лихтенштейне или фирма Energiebig в Австрии. В таких котлах, работающих на древесных топливных гранулах, шнековым дозатором древесные топливные гранулы подаются на колосниковую решетку, там они воспламеняются и сжигаются. Зола частично падает через колосниковую решетку, а частично уносится пламенем и осаждается в зольном бункере, на днище котла, в газоходах, в дымовой трубе и оттуда должна удаляться через равномерные интервалы времени. Двигатель Стирлинга выступает своей головкой нагревателя в горячую зону сгорания, там забирает часть высокотемпературного тепла и вырабатывает из этой части тепла, в соответствии со своим коэффициентом полезного действия, например, 20% электротока и 80% горячей воды. Остаток высокотемпературного тепла в горячем отходящем газе, после того как он миновал головную часть нагревателя, преобразовывается на стенках котла и газоходах в тепло воды. Поэтому такие блочные ТЭС на древесных топливных гранулах с двигателем Стирлинга вырабатывают из топлива очень мало электротока (5-10%), имеют большие и тяжелые котлы и требуют из-за золоудаления частого технического обслуживания. Техника максимального использования теплоты сгорания топлива еще не применяется в котлах с древесными топливными гранулами из-за проблем с золой.
Для рентабельного применения такой блочной ТЭС в домах на одну семью или в многоквартирных домах настоятельно необходимо, чтобы достигалась как можно более высокая доля электротока.
Желательной была бы установка, являющаяся как можно малой, компактной, не требующая трудоемкого техобслуживания и для повышения общего коэффициента полезного действия дополнительно использующая технику максимального использования теплоты сгорания топлива. Поэтому в основе изобретения лежит задача создания имеющей двигатель Стерлинга блочной ТЭС на древесных топливных гранулах с вышеназванными свойствами.
Эта задача, согласно изобретению, решается благодаря тому, что:
- рекуператор отходящего газа предварительно нагревает воздух для горения, и древесные топливные гранулы газифицируются частью этого горячего воздуха (первичного воздуха),
- вышеназванная часть горячего воздуха для горения направляется в газификационную камеру горения сверху колосниковой решетки и возникающий таким образом горючий газ вместе с золой засасывается нагнетателем бокового канала (мощным вытяжным вентилятором) через колосниковую решетку вниз,
- горючий газ под колосниковой решеткой смешивается с импульсом потока оставшейся части горячего воздуха для горения (вторичным воздухом) таким образом, что низкий показатель лямбда (коэффициент избытка воздуха) удерживается около ограничения по СО, а горение в центральном сопле стабилизируется в зависимости от температуры в камере горения или с повышающейся температурой в камере горения больше и больше устанавливается состояние беспламенного горения, причем в камере горения возникает потенциальный вихрь, интенсивно смешивающий отходящий газ, горючий газ и горячий воздух для горения, так что полностью сжигаются горючий газ и частицы золы.
Сущность изобретения состоит, следовательно, в том, что в камере горения, расположенной вокруг головной части нагревателя двигателя Стирлинга, древесные топливные гранулы могут быть сначала газифицированы воздухом, предварительно нагретым посредством горячего потока отходящего газа, и непосредственно затем сожжены. Золоудаление при этом должно полностью производиться потоком отходящего газа и с конденсатом водяного пара из техники максимального использования теплоты сгорания топлива.
В предпочтительной форме исполнения, зола вместе с отходящим газом просасывается через рекуператор отходящего газа и подсоединенный за ним теплообменник с температурой уходящих газов ниже точки росы в них, причем поддерживается такая высокая скорость потока, что частицы золы не могут отлагаться на стенках теплообменника. Частицы золы в теплообменнике, с температурой уходящих газов ниже точки росы в них, смешиваются с возникающим там конденсатом водяного пара, причем растворимые элементы растворяются в конденсате водяного пара, а нерастворимые составляющие вымываются или выносятся конденсатом водяного пара и потоком отходящего газа. Посредством внутреннего перемешивания отходящего газа, частиц золы и конденсата водяного пара, из отходящего газа вымываются даже такие мелкие частички, как мелкая пыль или аэрозоли.
В предпочтительной форме исполнения предусмотрено, что смесь отходящий газ - конденсат водяного пара - зола разделяется до и после нагнетателя бокового канала в сепараторе отходящего газа и конденсата водяного пара, например, в циклоне.
В предпочтительной форме исполнения предусмотрено, что частицы золы, оседающие в потенциальном вихре в камере горения, посредством пневматических ударов или рециркуляции отходящего газа из воздушных сопел, расположенных в дне камеры горения, снова завихряются и выносятся из камеры горения.
В предпочтительной форме исполнения управление производится так, что мгновенная эффективность горелки регулируется частотой вращения нагнетателя бокового канала и определяется только температурой головной части нагревателя двигателя Стирлинга. Показатель лямбда (коэффициент избытка воздуха) и подача топлива также являются независимыми от мгновенной эффективности горелки, причем показатель лямбда (коэффициент избытка воздуха) регулируется посредством установки количественных соотношений первичного и вторичного воздуха, а подача древесных топливных гранул - посредством контроля датчиком свечения отраженного излучения яркости наружной поверхности горящего слоя.
В предпочтительной компактной форме исполнения рекуператор отходящего газа и теплообменник, с температурой уходящих газов ниже точки росы в них, своими теплообменными поверхностями уложены концентрически вокруг камеры горения и встроены в теплоизоляцию.
Далее две предпочтительные формы исполнения изобретения поясняются с помощью чертежей. При этом показывают:
Фиг.1 - схематичный общий вид, показывающий все функциональные части соответствующей изобретению блочной тепловой электростанции на древесных топливных гранулах согласно первой форме исполнения,
Фиг.2 - увеличенное местное изображение газификационной камеры горения, показанной на фиг.1, причем помимо нее показаны специализированные подводы воздуха для горения, горючего газа и отходящего газа,
Фиг.3 а-d - принципиальное построение газификационной камеры горения с колосниковой решеткой и специализированными примерами исполнения применительно к подводу первичного и вторичного воздуха,
Фиг.4 - упрощенный схематичный вид особенно компактной блочной тепловой электростанции на древесных топливных гранулах согласно предпочтительной второй форме исполнения, и
Фиг.5 - увеличенное местное изображение газификационной камеры горения, показанной на фиг.4, причем помимо нее снова показаны специализированные подводы воздуха для горения, горючего газа и отходящего газа.
Посредством электрического нагревателя 1 (фиг.1) или газовой горелки 2, еще не загруженная древесными топливными гранулами газификационная камера горения 3а, в которой размещена колосниковая решетка 4, предварительно нагревается до температуры поджига древесных топливных гранул. Шнековый дозатор 5а подает из емкости с запасом 5d по наклонной спускной шахте 5b и по вертикальной спускной шахте 5с древесные топливные гранулы на горячую колосниковую решетку 4. Находящийся в потоке отходящего газа 6 из камеры горения 3b нагнетатель 7 бокового канала всасывает через наружный кожух 8 двустенной дымовой трубы 9, с температурой уходящих газов ниже точки росы в них, из окружающей среды воздух для горения 10. Воздух для горения 10 в рекуператоре 11 нагревается от температуры окружающей среды почти до температуры камеры горения, в то время как протекающий в противотоке через рекуператор 11 поток отходящего газа 6 из камеры горения охлаждается от температуры камеры горения до температуры <200°С. Рекуператор 11 расположен между камерой горения 3b и нагнетателем 7 бокового канала и образует для воздуха для горения 10 блок предварительного нагрева воздуха.
Регулируемый лямбда-зондом 12, расположенным в потоке отходящего газа 6, горячий теперь воздух для горения 10 за рекуператором 11 далее по течению разделяется на два составляющих потока 13 и 14 (фиг.2), в то время как отверстия 15, 16 для первичного или вторичного воздуха на газификационной камере горения 3 открываются больше или меньше тем что, как здесь, например, изображено, шаговый микроэлектродвигатель (шаговый двигатель) 17 поднимает или опускает верхнюю часть газификационной камеры горения 3, благодаря чему больше или меньше открывается кольцевой канал 16 в качестве сопла для вторичного воздуха. Принципиально первичный воздух 13 поступает сверху колосниковой решетки 4, в то время как вторичный воздух 14 снизу колосниковой решетки 4, как подробнее пояснено на фиг.3а-d. В зависимости от количественного соотношения первичного и вторичного воздуха 13, 14, горячий первичный воздух 13 газифицирует или поджигает древесные топливные гранулы на колосниковой решетке 4.
Возникающий при этом горючий газ или горящий газ 18 отсасывается через колосниковую решетку 4 вниз и устремляется с высокой скоростью потока до 20 м/с через центральное сопло 19 и смешивается в зависимости от желаемого показателя лямбда (коэффициента избытка воздуха) дополнительно с импульсом потока горячего вторичного воздуха 14 из кольцевого канала или из сопел 16, расположенных кольцеобразно. Высокий импульс потока создает в камере горения 3b (фиг.1) потенциальный вихрь 20, интенсивно перемешивающий отходящий газ 6, вторичный воздух 14 и горючий газ 18, так что в зависимости от температуры камеры горения стабилизируется горение в сопле 19 или с повышающейся температурой горение распространяется по всей камере горения и из-за высокой скорости рециркуляции отходящего газа может становиться известным образом беспламенным, причем горение становится чистым и практически может быть отрегулировано на отсутствие угарного газа в отходящем газе. Горючий газ 18 и падающие иногда через колосниковую решетку 4 маленькие, еще не полностью выгоревшие частицы топлива посредством потенциального вихря 20 имеют большое среднее время пребывания в камере горения и сжигаются окончательно.
Трубочки нагревателя 21 двигателя Стирлинга 22, размещенные в камере горения, посредством конвекции потенциального вихря 20 и излучения горячих стенок 23 камеры горения равномерно нагружаются высокотемпературным теплом. Еще горячий отходящий газ 6 покидает камеру горения через рекуператор 11 и там охлаждается посредством холодного воздуха для горения 10, подающегося в противотоке, как и было уже описано выше.
После рекуператора 11 отходящий газ 6 проходит лямбда-зонд 12 и охлаждается затем ниже точки росы в теплообменнике 24, с температурой уходящих газов ниже точки росы, посредством водяного охлаждения 24b, например, из контура рециркуляции отопления дома, как обычно в технике максимального использования теплоты сгорания топлива. При этом водяной пар отходящего газа 6 конденсируется в капельки воды 25 и тепло, выделившееся при конденсации, имеется в распоряжении как полезное тепло в охлаждающей воде. λ-зонд может быть расположен и после теплообменника с температурой уходящих газов ниже точки росы, но в таком случае он должен электрически удерживаться на рабочей температуре.
Золоудаление производится окончательно потоком отходящего газа 6. Скорость потока в рекуператоре 11, теплообменнике 24 с температурой уходящих газов ниже точки росы, а также в собирающих каналах к нагнетателю 7 бокового канала выбрана такой величины, чтобы частицы золы не могли отлагаться. Частицы золы, возможно выпадающие из потенциального вихря 20 вниз, могут быть снова завихрены посредством удара сжатым воздухом или рециркуляции отходящего газа из сопел 26, таким образом, они летают вместе с остальными в потенциальном вихре 20 и имеют шансы достичь входа в рекуператор, чтобы таким образом стать вынесенными.
Частицы золы состоят из растворимых в воде и не растворимых в воде составляющих. Продукты сгорания биомассы имеют очень высокое содержание водяного пара, например один литр древесных горючих гранул производит около 0,25 л конденсата водяного пара. Доля золы, напротив, является исчезающе малой, а именно - 0,001 литра. Растворимые в воде составляющие золы растворяются в воде, нерастворимые вымываются конденсатом водяного пара и летят вместе с капельками конденсата водяного пара через нагнетатель 7 бокового канала в сепаратор отходящего газа и конденсата водяного пара, например, в циклон, 27. Сепаратор подает осушенный отходящий газ 28 в дымовую трубу (как правило, пластмассовая труба, как обычно в технике максимального использования теплоты сгорания топлива), а конденсат 25 вместе с ничтожным количеством частиц золы - в канализацию. Смесь конденсат-зола - светлая, прозрачная, благовонная жидкость, является нейтральной по показателю рН и также может быть собрана, чтобы найти применение как минеральное удобрение. Отходящий газ, вымытый таким образом конденсатом водяного пара в теплообменнике 24 с температурой уходящих газов ниже точки росы, нагнетателе 7 бокового канала и циклоне 27, не содержит больше мелкой пыли. Отсутствует пугающий вынос в атмосферу аэрозоля (смога) из продуктов сгорания твердых топлив.
Фиг.3а и 3b показывают у принципиального построения газификационной камеры горения 3а с колосниковой решеткой 4, подачей 29 топлива и центральным соплом 19 два вида подвода вторичного воздуха, а именно - фиг.3а - подача вторичного воздух перед соплом 19 и фиг.3b - подвод вторичного воздуха за соплом 19. Регулировка соотношения первичного воздуха 13 и вторичного воздуха 14 производится посредством приподнимания или поворачивания газификационной камеры горения 3а, вследствие чего больше или меньше открываются отверстия для вторичного воздуха, как подробнее поясняется на фигурах 3с и 3d.
На фигуре 3с отверстия 16 для вторичного воздуха образуются кольцевой щелью, которая увеличивается посредством приподнимания газификационной камеры горения.
На фиг.3d отверстия 16 для вторичного воздуха являются отверстиями, расположенными в форме кольца, которые больше или меньше раскрываются посредством приподнимания или поворачивания газификационной камеры горения 3.
Для построения газификационной камеры горения 3а необходима простая, надежная конструкция, потому что все находится в области высоких температур (700-1400°С). Эта конструкция должна давать возможность точной дозировки вторичного воздуха 14, чтобы устанавливать показатель лямбда (коэффициент избытка воздуха) около ограничения по СО (показатель лямбда - около 1,5), потому что слишком большим избытком воздуха соответственно уменьшалась бы электрическая составляющая коэффициента полезного действия: например, показатель лямбда 2,5 вместо показателя лямбда 1,5 дает электрическую составляющую коэффициента полезного действия лишь 25% вместо 30%. Стенки газификационной камеры горения 3 и воздушные сопла также охлаждаются воздухом для горения 10, нагретым примерно «лишь» на 700°С. Колосниковая решетка 4 должна быть из керамических материалов.
Фиг.4 показывает особо компактную форму исполнения блочной ТЭС на древесных топливных элементах с двигателем Стирлинга 22, от которого здесь изображена только головная часть нагревателя. Рекуператор 11 отходящего газа своими теплообменными поверхностями уложен концентрически вокруг стенок 23 камеры горения и встроен в теплоизоляцию. Дополнительно предусмотрен теплообменник 24 с температурой уходящих газов ниже точки росы, также концентрически расположенный на нижнем окончании рекуператора 11. Теплообменник образуется внутренней поверхностью 24с, охлаждаемой водой, через которую направляется поток отходящего газа 6. Концентрические каналы теплообменника для отходящего газа и воздуха для горения подсоединены через собирающие каналы 31, 32 к дымовой трубе 9 с температурой уходящих газов ниже точки росы или к нагнетателю 7 бокового канала. Фиг.5 показывает прохождение воздуха для горения и отходящего газа.
Посредством замены газификационной камеры горения 3 могут быть использованы различные твердые, жидкие и газообразные виды топлива, как древесные топливные гранулы, древесная щепа, растительное масло, биогаз и т.д. Твердые и жидкие виды топлива газифицируются принципиально посредством предварительно нагретого воздуха для горения (первичного воздуха) и непосредственно вслед за этим поджигаются при подаче предварительно нагретого вторичного воздуха. Предварительное нагревание воздуха для горения на начальной фазе, а также поджигание газифицированного топлива производится электрически или посредством малой (пропановой) газовой горелки для розжига.
Управление блочной ТЭС на древесных топливных элементах и с двигателем Стерлинга (без фиг.) производится по требованиям двигателя Стирлинга. Чтобы добиться высокой электрической составляющей коэффициента полезного действия, температура трубочек нагревателя даже в области частичных нагрузок должна быть удержана на верхней допустимой границе (около 850°С). Мгновенная эффективность горелки регулируется частотой вращения нагнетателя бокового канала таким образом, что заданная температура трубочек нагревателя удерживается независимо от частоты вращения и, таким образом, от отдаваемой мощности двигателя Стирлинга. Подача древесных горючих гранул, в свою очередь, независима от мгновенной эффективности горелки. Датчик свечения 30 (фиг.1 и 4) распознает, достаточно ли древесных топливных гранул лежит на калении, измеряя сверху поверхности горящего слоя, например инфракрасную яркость. Если свечение жара яркое, то добавляются свежие древесные топливные гранулы до тех пор, пока соответственно не закрыто яркое свечение жара, и подача останавливается. Заданный показатель лямбда (коэффициент избытка воздуха), в свою очередь, независимо от мгновенной эффективности горелки и мгновенной мощности двигателя Стерлинга регулируется лямбда-зондом посредством установки количественных соотношений первичного и вторичного воздуха.
Такая горелка на древесных топливных гранулах блочной ТЭС на древесных топливных гранулах исключительно подходит для вырабатывания высоких рабочих температур (больше 700°С) и пригодна наряду с нагревом двигателя Стерлинга также для нагрева парогазопреобразователей, чтобы производить из метана и водорода, или для нагрева высокотемпературных топливных элементов. Особенно следует отметить, так как особенно практичным является соответствующее изобретению исполнение, что зола с отходящим газом просасывается через теплообменник для отходящего газа и теплообменник с температурой уходящих газов ниже точки росы и возникающим конденсатом водяного пара вымывается из отходящего газа и после сепарирования от отходящего газа и конденсата водяного пара может быть направлена с конденсатом водяного пара в канализацию. Так как от отходящего газа энергия отбирается при нагревании воздуха для горения, которая, таким образом, остается в зоне горения, то блочная ТЭС потребляет меньше топлива и электрическая составляющая коэффициента полезного действия соответственно выше (25-30%). Выработанный электроток, согласно закону ФРГ о возобновляемых видах энергии (Erneuerbare-Energien-Gesetz - EEG), может продаваться за хорошую цену поставщику электроэнергии. Соответственно этому рентабельность является высокой.
Перечень позиций
1 Электрический нагреватель
2 Газовая горелка
3а Газификационная камера горения
3b Камера горения
4 Колосниковая решетка
5а Шнековый дозатор
5b Наклонная спускная шахта
5с Вертикальная спускная шахта
5d Емкость с запасом
6 Поток отходящего газа
7 Нагнетатель бокового канала
8 Наружный кожух
9 Двустенная дымовая труба с температурой уходящих газов ниже точки росы в них
10 Воздух для горения
11 Рекуператор, предварительный нагреватель воздуха
12 Лямбда-зонд
13 Первичный воздух
14 Вторичный воздух
15 Отверстия для первичного воздуха
16 Отверстия для вторичного воздуха, кольцевой канал
17 Шаговый микроэлектродвигатель (шаговый двигатель)
18 Горючий газ, горящий газ
19 Центральное сопло
20 Потенциальный вихрь
21 Трубочки нагревателя
22 Двигатель Стирлинга
23 Стенка камеры горения
24 Теплообменник с температурой уходящих газов ниже точки росы
24b Водяное охлаждение
25 Капельки воды, конденсат
26 Сопла
27 Сепаратор отходящего газа и конденсата водяного пара (циклон)
28 Осушенный отходящий газ
29 Подача топлива
30 Датчик свечения
31 Собирающий канал воздуха для горения
32 Собирающий канал для отходящего газа