ПОДЗЕМНОЕ ХРАНИЛИЩЕ ВОЗДУХОАККУМУЛИРУЮЩЕЙ УСТАНОВКИ
UNDERGROUND STORAGE OF AIR ACCUMULATING UNIT

Изобретение относится к энергетике и может быть использовано для аккумулирования и производства электроэнергии, а также переработке отходов, содержащих органику. Известна воздухоаккумулирующая установка [1], содержащая воздушный компрессор и газовую турбину, подключенные магистралями к подземному хранилищу сжатого воздуха, и кинематически связанные соответственно с электродвигателем и электрогенератором. Установка дополнена аккумулятором тепла, запасающим тепло закачиваемого воздуха и отдающим его сжатому воздуху при выходе из хранилища.
При такой конструкции сжатый воздух используется в газовой турбине как сильный окислитель обеспечивающий полное сгорание топлива. При этом не используется его более ценное качество, которое он проявляет в присутствии воды: при давлении сжатого воздуха над водой свыше 220 атмосфер и температуре 374 °С вода переходит в сверхкритическое состояние [2] и в ней растворяются все органические соединения [3], а при наличии окислителя происходит их полное и быстрое окисление. То есть, если данные условия создать в подземном хранилище, то в качестве топлива могут использоваться любые твердые и жидкие органические отходы [4, 5], а не товарное топливо. Чтобы этого добиться в одном объекте необходимо совместить выполнение двух функций.
Налицо противоречие: подземное хранилище должно выполнять две несовместимые роли - аккумулятора сжатого воздуха и сверхкритического реактора. Несовместимые они потому, что проведение реакции сверхкритического окисления требует примерно постоянных условий (температура и давление выше определенного уровня), а процесс аккумулирования сжатого воздуха и его отработки (использования его энергии) протекают в переменных условиях (при аккумулировании температура и давление повышаются, при отработке - наоборот).
Преодолеть такое противоречие можно с помощью приема «разнесение во времени». То есть, сверхкритическая реакция в подземном хранилище должна начаться с того момента, когда подача сжатого воздуха в хранилище заканчивается, и должна закончиться, к тому моменту, когда вступает в действие турбодетандер, работающий на сжатом воздухе и соединенный с генератором, для выработки энергии (в час пик).
Цель изобретения: использование в качестве топлива любых отходов содержащих органику.
Поставленная цель достигается тем, что хранилище воздухоаккумулирующей установки оборудуется отдельными магистралями подачи и отвода сжатого воздуха, с возможностью прохождения, в обоих случаях, через теплоаккумулятор и минуя его, а также магистралью подачи воды, содержащей органические вещества, и магистралью удаления избыточной влаги и твердых продуктов горения.
Предлагаемое устройство позволяет:
- локализовать процесс сжигания отходов и получения дополнительного тепла во времени за счет контроля температуры, подаваемого в хранилище сжатого воздуха и накопленного давления в хранилище;
- утилизировать широкий спектр жидких и твердых органических отходов, за счет использования реакции полного окисления в среде сверхкритической воды, насыщенной кислородом воздуха.
Заявляемое устройство с присущими ему существенными признаками может быть неоднократно и в различных вариантах, с использованием различных устройств и материалов, успешно реализовано на практике с получением указанного выше результата.
Пример. Устройство подземного хранилища воздухоаккумулирующей установки поясняется чертежом на Фиг. 1. Вне часа пик, например, ночью, в подземное хранилище (1) вода, содержащая, например, нефтешламы без легких фракций углеводородов, подается по магистрали (2). При этом хранилище заполняется водой до уровня, при котором конец магистрали для подачи сжатого воздуха (3) оказывается под водой. Затем, по последней (3) от компрессора (4) подается сжатый воздух, который барботируется сквозь предварительно залитую воду (5), передавая ей свое тепло и поднимая давление в хранилище (1).
На первом этапе наполнения хранилища, когда накопленное давление в нем еще далеко от критического, подаваемый сжатый воздух предварительно не охлаждается в аккумуляторе тепла (6) и тепло сжатого воздуха идет на нагрев воды. На втором этапе заполнения хранилища, когда давление приближается к критическому, подаваемый в хранилище сжатый воздух предварительно охлаждается в аккумуляторе тепла (6) до температуры ниже критической, чтобы нагреваемая воздухом вода не достигла этой температуры преждевременно.
Перед началом часа пик, в хранилище, минуя теплоаккумулятор, поступает сжатый воздух с температурой намного выше критической. Этот воздух, барботируясь через воду, создает зону сверхкритического состояния воды, в которой растворяются углеводородная фракция нефтешламов и начинается реакция их окисления сжатым воздухом. Тепло реакции резко поднимает температуру воды (5) и реакция становиться самоподдерживающейся. Она, используя растворенный в сверхкритической воде кислород, распространяется на всю воду, закаченную в хранилище. Подача сжатого воздуха прекращается, но давление и температура в хранилище продолжают расти, вплоть до полного окисления углеводородов, содержащихся в нефтешламах.
После окончания реакции полного окисления, когда давление и температура стабилизируются, сжатый воздух (7), содержащий углекислоту и водяные пары, подается (8) на турбодетандер (9), который вращает генератор, вырабатывающий электроэнергию в час пик. По мере выработки запасов сжатого воздуха, давление и температура в хранилище начинают падать и как только последняя упадет ниже температуры в теплоаккумуляторе (6), сжатый воздух перенаправляется в теплоаккумулятор, где температура воздуха повышается перед подачей на турбодетандер (9).
После окончания часа пик давление в хранилище оставляют необходимым и достаточным для того, чтобы выгрузить из хранилища оставшуюся чистую (без органики воду) и не сгоревшие фрагменты нефтешламов (окислы железа и кремния) через магистраль выгрузки осадков (10). В случае необходимости, выгрузка осадков и воды может быть осуществлена принудительно (насосом).
Источники информации:
[1] Патент РФ N 2053398 МПК F02C 6/14. Воздухоаккумулирующая установка. Жарков С.В. Опубл. 27.01.1996. Бюл. N 7.
[2] Электронный ресурс: https://cosmos.mirtesen.ru/blog/43880660667/ Sverhkriticheskaya-voda?utm_referrer=mirtesen.ru.
[3] Патент РФ N 2526254 МПК C10G 1/00, В09В 3/00, C10L 1/320. Способ растворения угля, биомассы и других твердых органических материалов в воде. Андерсон Кеннет Б., Креллинг Джон С., Хадджет Уилльям В. Опубл. 20.08.2014. Бюл. N 23.
[4] Патент РФ N 2655838 МПК В09В 3/00. Модуль реализации сверхкритической технологии проточной переработки углеводородосодержащих отходов и стоков. Нестеров В.А., Иванова М. А, Опубл. 29.05.2018. Бюл. N 16.
[5] Патент РФ N 2658404 МПК C02F 1/28, C02F 1/72, C02F 11/08, C02F 11/18, C02F 101/30. Способ очистки сточных вод от растворенных органических загрязнений. Федотов А.В., Григорьев В.С., Свитцов А.А., Ванчурин В.И., Романов И.В. Опубл. 21.06.2018. Бюл. N 18.