ПЕРЕДВИЖНОЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ УТИЛИЗАЦИИ БИОМАССЫ ГОРЕЛЬНИКОВ

Полезная модель относится к области комплексной переработки твердого топлива на основе биоресурсов и может быть использовано в энергетике и химической промышленности, конкретно, для утилизации биомассы горельников на базе газогенератора с использованием полученной тепловой и электрической энергии для выработки водорода и кислорода из воды.
Известна конструкция комплекса для переработки твердого топлива на основе биоресурсов и получения тепловой энергии служащий для получения брикетированного топлива с использованием в теплогенераторе генераторного газа получаемого газификацией твердого топлива в газогенераторе (RU патент №2241904 опубл. 2004.12.10).
Комплекс выполнен в виде энергоблока, включающего блок оборудования подготовки и подачи топлива, воздуха и воды, по крайне мере один комплект разделения топлива на газообразную и твердую фракции, содержащим по крайне мере один газогенератор. При этом блок оборудования подготовки и подачи топлива выполнен в виде линии производства брикетов твердого топлива на основе биоресурсов. Линия производства твердого топлива включает блок подготовки смеси к брикетированию, который в свою очередь связан с процессом для брикетирования, причем блок снабжен системой для подготовки сырьевой смеси. Кроме системы для подготовки сырьевой смеси, блок включает смеситель для смешивания подготовленных сырьевых компонентов, насос для подачи воды, пресс-экструдер, сушку. Линия в свою очередь технологически связана с процессом газификации. Причем комплект разделения топлива на газообразную и твердую фракции содержит газогенераторную установку для газификации топливных брикетов на основе биоресурсов. Для осуществления газификации брикетов комплекс содержит газогенераторную установку, которая состоит из газогенератора и камеры окисления. Газогенератор состоит из бункера-питателя, дутьевой коробки, жестко смонтированной на раме, укрепленной на стойках. Непосредственно к дутьевой коробке снизу установлен золосборник, состоящий из корпуса, водооросительной системы и шнека выгрузки золы. Генераторный газ из газогенератора выводится по газоходу и направляется в газовую форсунку камеры окисления. Полученный теплоноситель по газоходу направляется к водогрейным котлам или теплообменнику. Основное назначение изобретения производство теплоносителя из нетрадиционных видов топлива для обеспечения существующих и действующих водогрейных котлов и теплообменников с суммарной мощностью до 1 Гкал.
Недостатками данной конструкции комплекса являются: а) наличие в составе комплекса достаточно сложной и энергоемкой линии брикетирования биотоплива в другой вид теплоносителя - брикеты с низкой теплотворной способностью; б) необходимость подвода электроэнергии для обеспечения технологического процесса от стороннего источника, что не позволяет применять данный комплекс автономно без наличия существующих электрических сетей, в то время как сырьевая база (например, лесосеки, горельники и др.) удалены от таких коммуникаций.
Наиболее близкой к предлагаемой полезной модели и принятой за прототип является известная конструкция установки переработки биотоплива, которая предназначена для производства пеллет из органического сырья на местах его скопления. Ее описание опубликовано авторами В.Н.Диденко и Д.А.Плотниковым в статье «Методы снижения стоимости гранулированного биотоплива за счет применения энергоэффективных технологий производства» (журнал «Академия Энергетики» (Приложение к №3 [23], июнь 2008 г., стр.37-39)). Установка защищена патентом «Установка переработки биотоплива», (RU патент №55774 опубл. 27.08.206).
Данная установка монтируется на пяти шасси автомобилей марки «Урал» и включает в свой состав следующее оборудование: оборудование для подготовки и подачи перерабатываемого сырья для производства пеллет; энергетический блок для выработки тепловой и электрической энергии, расходующий часть готовой продукции (пеллет) для получения генераторного газа для используется в качестве топлива в горелке теплогенератора и газовом двигателе; электрогенератор; и пресс-гранулятор.
На шасси №1 расположена рубильная машина, превращающая перерабатываемое сырье в щепу, которая направляется в молотковую дробилку и затем в барабанную сушилку (шасси №2), где подсушивается до влажности 10-12%, после чего она поступает в блок прессования (шасси №5). Далее часть сырья в количестве около 30% направляется для газификации в газогенератор, а остальная масса подается на пресс-гранулятор, после чего готовые гранулы охлаждаются и направляются на отгрузку. В энергоблоке (шасси №4) с помощью газогенератора осуществляется процесс газификации отобранной ранее части сырья, охлаждение и очистка генераторного газа, а также сжигание его в дизель-генераторе, который соединен с электрическим генератора для получения электрической энергии. Часть генераторного газа, подготовленного для сжигания в дизель-генераторе, направляется на горелку теплогенератора, расположенного на шасси №3.
Однако, эта установка не обладает достаточной эффективностью, так как конечным продуктом переработки биотоплива является тоже биотопливо, но переработанное в виде гранул (пелет), с выполнением технологических операций - измельчения, сушки и прессования. Теплотворность такого топлива невысока (всего 17,5 Мдж/кг, тогда как дизельного - 42,5 Мдж/кг, водорода - 120 Мдж/кг). Кроме того, в установке отсутствует автоматизированная система управления основными параметрами технологических процессов производства конечного продукта, применяемая с целью их оптимизации. Критерием оптимизации должна является эффективность функционирования всего оборудования установки с учетом экологических показателей.
Технической задачей, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является создание передвижного комплекса для утилизации биомассы горельников с наиболее эффективным использованием полученной при этом тепловой и электрической энергии в устройстве для выработки водорода и кислорода из воды, а также получение КПД энергетического блока, входящего в состав комплекса, на величину, превышающую 90%. Это достигается за счет включения в состав комплекса автоматизированной системы управления параметрами технологического процесса и устройств утилизации тепла выбрасываемого в окружающую среду (в традиционных установках).
Технический результат достигается тем, что передвижной комплекс для утилизации биомассы горельников, на базе мобильного комплекса по производству пеллет, включающего оборудование подготовки и подачи топлива, газогенератор, теплогенератор, барабанную сушилку, батарейный циклон с вентилятором, дозатор воды, смеситель, пресс-гранулятор, охладитель, сепаратор, фильтр, охладитель газа, газовый двигатель и электрогенератор, отличающийся, тем, что он вместо линии для производства из биомассы гранул (пеллет) содержит устройство для производства водорода и кислорода из воды в виде камеры получения перегретого пара с расположенными в ней настраиваемым электронагревателем и датчиком температуры перегретого пара, соединенной с одной стороны - с регулятором подачи воды из скважины для обеспечения комплекса преобразуемой в водород и кислород водой, управляемым через микроконтроллер цифро-аналоговым преобразователем системы автоматизации, а с другой стороны соединенной с камерой диссоциации перегретого водяного пара, связанной устройством создания поля высокого напряжения, которое связано с главным распределительным электрическим щитом и устройством отбора водорода и кислорода.
Включение в состав дополнительного устройства для получения водорода и кислорода из воды и скважины для обеспечения комплекса водой непосредственно на месте утилизации биомассы горельника позволяют достичь полной энергетической и сырьевой автономии комплекса, а также более эффективного использования его оборудования.
Сущность изобретения поясняется чертежом, где на фиг.1 приведена принципиальная схема передвижного комплекса для утилизации биомассы горельников.
Передвижной комплекс для утилизации биомассы горельников содержит лесосечный модуль сбора биомассы 1, модуль подготовки биомассы для газификации 2, газогенератор обращенного типа 3, охладитель генераторного газа 4, фильтр генераторного газа 5, устройство адаптации газодизеля для работы на генераторном газе 6, газодизель 7, электрический генератор 8, главный распределительный электрический щит 9, скважина для обеспечения комплекса водой 10, насос подачи воды в систему комплекса 11, фильтр очистки воды 12, утилизатор тепла охлаждающей жидкости газодизеля 13, утилизатор тепла отработавших газов газодизеля 14. Для получения водорода и кислорода из воды в составе комплекса применено устройство, включающее в себя камеру получения перегретого пара 15, соединенную с камерой диссоциации 16, к которой подсоединяется устройство создания электрического поля высокого напряжения 17, для контроля температуры перегретого пара в камере его получения 15 установлен датчик температуры 18, а на выходе из камеры диссоциации 16, закреплено устройство отбора водорода и кислорода 19. Для поддержания постоянной температуры перегретого пара к камере 15 закреплен регулятор 20 подводимой для нагрева пара электрической энергии. Расход преобразуемой в водород и кислород воды определяется регулятором ее подачи 21, а нагрузка газодизеля 7 контролируется измерительным преобразователем активной мощности трехфазного тока 22 (например, типа Е829), аналоговый электрический сигнал с которого направляется на аналогово-цифровой преобразователь 23 и после преобразования далее в микроконтроллер 24, где с помощью специализированного программного обеспечения вырабатывается управляющий код сигнала, для передачи его через цифро-аналоговый преобразователь 25 на исполнительные механизмы: устройство адаптации газодизеля 6, регулятор подачи биомассы 26 в газогенератор 3, уровень которой контролируется датчиком 27 и регулятор подачи воздуха в газогенератор 28. Для запуска и вывода газодизеля под нагрузку в составе комплекса предусматривается штатная для него комплектация системы питания дизельным топливом, в которую входят: емкость запального (дизельного) топлива 29, топливный насос высокого давления 30 с установленным на нем регулятором частоты вращения коленчатого вала газодизеля 31. При переводе режима работы газодизеля на генераторный газ транспортировка газа от газогенератора 3 к газодизелю 7 осуществляется по первой 32, второй 33, третьей 34 и четвертой 35 магистралям. Отработавшие газы по магистрали 36 после охлаждения в утилизаторе тепла 14 выбрасываются в атмосферу. Транспортировка воды расходуемой на производство водорода и кислорода от скважины для обеспечения комплекса водой 10 до регулятора подачи воды 21 осуществляется по шестой 37, седьмой 38, восьмой 39 и девятой 40 магистралям. Транспортировка охлаждающей жидкости внутреннего контура через утилизатор тепла 13 осуществляется насосом штатной системы газодизеля 7 по десятой 41 и одиннадцатой 42 магистралям. Поток информации от датчиков (измерительных преобразователей), предусмотренных в системе автоматизации комплекса, передается на вход аналого-цифрового преобразователя 23 по следующим измерительным каналам: по первому измерительному каналу 43 от датчика электрической нагрузки 22 газодизеля 7; по второму измерительному каналу 44 от датчика встроенного в регулятор частоты вращения коленчатого вала газодизеля 31; по третьему измерительному каналу 45 от датчика температуры перегретого пара 18 и по четвертому измерительному каналу 46 от датчика уровня биомассы 27 в газогенераторе 3. Сигналы управления регуляторами поддержания уровней технологических процессов комплекса передаются от цифро-аналогового преобразователя: по первому управляющему каналу 47 на регулятор подачи воды 21 в камеру получения перегретого пара 15; по второму управляющему каналу 48 на регулятор подачи воздуха 28 в газогенератор 3; по третьему управляющему каналу 49 на регулятор 26 подачи биомассы в газогенератор 3; по четвертому каналу 50 на устройство адаптации 6 газодизеля 7 на генераторном газе. Для отвода продуктов сгорания биомассы в газогенераторе во время процесса «розжига» и визуального контроля качества генераторного газа в комплексе на третьей магистрали 34 предусмотрен дымосос 51 с закрепленной на нем газовой свечей 52.
Передвижной комплекс для утилизации биомассы горельников работает следующим образом:
Весь состав оборудования передвижного комплекса доставляют и разворачивают для осуществления технологического процесса непосредственно на площади горельника, биомасса которого подлежит утилизации. С помощью лесосечного модуля 1 производят сбор биомассы для ее подачи в модуль подготовки биомассы 2 и передачи ее в газогенератор 3 для газификации, при этом в газогенераторе 3 размещают необходимое количество запальной массы твердого топлива (бумаги, стружки, измельченных сухих дров, древесного угля), затем запускают в работу газодизель 7 на дизельном топливе для обеспечения комплекса электроэнергией от электрического генератора 8, в том числе электроприводов механизмов модуля подготовки биомассы 2 и автоматизированной системы управления работой комплекса организованной на базе микропроцессора 24 (электроэнергия, затрачиваемая на собственные нужды комплекса). С помощью устройств модуля подготовки биомассы для газификации 2 заполняют газогенератор 3 до верхнего уровня подготовленной для этого биомассой, а управление переводят с ручного на автоматическое от микроконтроллера 24. Затем подачу генераторного газа по первой магистрали 32 перекрывают устройством адаптации 6, которым также управляют по первому управляющему каналу 47 с помощью системы автоматизированного управления работой комплекса 24. Магистрали шестую 37, седьмую 38, восьмую 39 и девятую 40 через фильтр 12 очистки воды с помощью насоса 11 заполняют водой из скважины 10 и направляют на получение из нее водорода и кислорода. После чего в газогенераторе 3 поджигают подготовленную (запальную) часть биомассы и дверку топочного устройства герметично закрывают. В топочном устройстве газогенератора 3 часть биотоплива сжигают, за счет чего создают зону его пиролиза, где происходит образование генераторного газа. Продукты сгорания этой части топлива в период процесса «розжига» газогенератора 3 выбрасывают в атмосферу с помощью дымососа 51. Готовность генераторного газа к использованию через некоторое время от начала горения при «розжиге», в зависимости от конструкци газогенератора, определяют визуально, для чего продукты сгорания (ожидаемый генераторный газ) поджигают в газовой свече 52. При достижении устойчивого горения генераторного газа в газовой свече (дымовой трубе) 52, работу газодизеля 7 переводят на газодизельный процесс, который на режиме запуска установки в действие осуществляют с помощью органов ручного управления адаптера 6. При работе комплекса в автоматическом режиме полученный генераторный газ требуемого качества из газогенератора 3 по первой магистрали 32 подают через охладитель генераторного газа 4 и далее транспортируют по второй магистрали 33 через фильтр генераторного газа 5 и далее по третьей магистрали 34, к входу устройства адаптации газодизеля 6, которое четвертой магистралью 35 соединено с газодизелем 7, где организуют процесс сгорания газовоздушной смеси, которую воспламеняют с помощью подачи топливным насосом высокого давления 30 запальной дозы дизельного топлива, поступающего из емкости запального топлива 29, а отработавшие газы (продукты сгорания) от газодизеля 7 отводят по четвертой магистрали 36 и через утилизатор тепла отработавших газов 14 в атмосферу. Утилизатор тепла охлаждающей жидкости 13 подключают к газодизелю 7 с помощью подводящей десятой магистрали 41 и отводящей одиннадцатой магистрали 42. Полученную механическую энергию от газодизеля 7 преобразуют в электрическую с помощью электрического генератора 8, который через главный распределительный электрощит соединяют с электрической сетью комплекса напряжением 380 В переменного тока и частотой 50 Гц, параметры которой поддерживают с помощью датчика электрической нагрузки 22, соединенного первым измерительным каналом 43 и регулятора частоты вращения 31, связанного вторым измерительным каналом 44 через аналогово-цифровой преобразователь 23 с микроконтроллером 24, где полученный поток информации подвергают обработке и управляющий сигнал через цифро-аналоговый преобразователь 25 по четвертому управляющему каналу 50 направляют на устройство адаптации 6 газодизеля 7 для регулирования количества подаваемого генераторного газа в газодизель 7, а по по первому управляющему каналу 47 на регулятор подачи воды 21 в камеру получения перегретого пара 15 с поддержанием постоянной температурой (500-550°C), на котором с одной стороны устанавливают регулятор температуры перегретого пара 20 и датчик температуры перегретого пара 18, соединенный третьим измерительным каналом 45 с аналогово-цифровым преобразователем 23, а с другой стороны с камерой диссоциации 16 с установленными на ней устройствами создания электрического поля высокого (6000 В) напряжения 17 и устройством отбора готового продукта (водорода и кислорода) 19. При получении из воды водорода и кислорода ее забирают из скважины обеспечения комплекса водой 10 и насосом подачи воды 11 через фильтр 12 по шестой магистрали 37 предварительно подогрев в охладителе генераторного газа 4 направляют по седьмой магистрали 38 через утилизатор тепла охлаждающей жидкости газодизеля 13 и, далее, по восьмой магистрали 39 через утилизатор тепла отработавших газов 14, в которых воду нагревают до еще большей температуры, ее по девятой магистрали направляют на регулятор подачи воды 21 в камеру получения перегретого пара 15, соединенную с камерой диссоциации 16 для выработки водорода и кислорода.
Во время выгорания биомассы, первоначально размещенной в газогенераторе 3, уровень ее постоянно изменяется в эксплуатационных пределах и варьируются от максимального (полученного при первой загрузке газогенератора) - до установленного нижнего. Контроль уровня, который устанавливают опытным путем для каждого конкретного типоразмера газогенераторов, осуществляют с помощью датчика уровня биомассы 27, который по четвертому измерительному каналу 46 направляет поток информации на аналогово-цифровой преобразователь 23, где эту информацию преобразуют и в цифровой форме передают микроконтроллеру 24, где она анализируется и формируется соответствующий управляющий код, который через цифро-аналоговый преобразователь по третьему управляющему каналу 49 включает или выключает подачу новой порции утилизируемой биомассы.
Генераторный газ, вырабатываемый газогенератором 3, предназначен для замещения им дизельного топлива при работе газодизеля 7 под нагрузкой, поэтому газодизель 7 при выводе установки на эксплуатационный режим в начальный момент расходует только дизельное топливо. При достижении эксплуатационного уровня электрической нагрузки включают систему автоматического управления, которая, используя базу данных по наиболее значимым регулируемым параметрам основных агрегатов комплекса, внесенных в программу управления в микроконтроллере 24, через устройство адаптации 6 газодизеля 7, обеспечивает необходимую подачу генераторного газа во впускной коллектор газодизеля 7. За счет этого управления обеспечивают оптимальную пропорцию газа с воздухом во впускном тракте газодизеля 7. При увеличении подачи генераторного газа цикловая подача дизельного топлива соответственно уменьшается до уровня минимальной (запальной), необходимой для устойчивой работы газодизеля 7. Необходимый расход генераторного газа обеспечивают с одной стороны количеством подаваемого воздуха путем непрерывной настройки регулятора подачи воздуха 28 в газогенератор, которым управляют с помощью программы от микроконтроллера 24 по второму управляющему каналу 48 через цифро-аналоговый преобразователь 25. С помощью программы микроконтроллера 24 учитывают влияние качества получаемого генераторного газа и осуществляют коррекцию управляющего сигнала регулятора подачи воздуха 28 по поступающему потоку информации от датчика 31 частоты вращения коленчатого вал газодизеля 7, соединенного вторым измерительным каналом 44 с микроконтроллером через аналого-цифровой преобразователь 23.
Кроме того, с помощью системы автоматизации комплекса управляют оптимальным протеканием технологических процессов получения из воды водорода и кислорода, с использованием потока информации, поступающей от датчика 22 электрической нагрузки газодизеля 7, путем изменения расхода воды с помощью регулятора 21, так, чтобы расчетная нагрузка (по электрогенератору) оставалась постоянной и близкой к номинальной (или назначенной - эксплуатационной).
Предлагаемая конструкция передвижного комплекса для утилизации биомассы горельников с получением водорода и кислорода из воды позволяет существенно повысить эффективность его применения за счет получения и аккумулирования энергии самого высококалорийного из топлив - водорода. Известно, что биомасса горельников имеет низкую теплотворную способность (≈17 Мдж/кг) по сравнению с водородом (120 Мдж/кг), при этом в технологическом процессе предусматривается наиболее полное использование тепловой энергии от теплообменников утилизации тепла от газодизеля и электрической энергией от электрогенератора, снижение численности обслуживающего персонала комплекса, улучшить экологических показатели при его использовании.