Способ энергетической утилизации твердых углеродсодержащих отходов и устройство - малая мобильная твердотопливная электроводородная станция - для его осуществления
METHOD OF ENERGY UTILIZATION OF SOLID CARBON-CONTAINING WASTES AND THE SMALL MOBILE SOLID FUEL ELECTRIC HYDROGEN DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится, во-первых, к малой распределенной электроэнергетике, включая водородную энергетику, на основе местных, прежде всего возобновляемых энергоресурсов, а именно твердого низкосортного углеродсодержащего сырья - биомассы, в том числе некондиционной в виде отходов производства и потребления, торфа, бурых углей и т.п., и, во-вторых, к экологически безопасной утилизации (переработке) твердых коммунальных отходов (ТКО).
Приоритетным направлением научно-технического прогресса в энергетике является создание и развитие эффективных технологий использования местных энергоресурсов, а также создание инфраструктуры распределенного производства энергии в рамках концепции распределенной энергетики {Distributedpower generation).
Местные энергоресурсы ("местные виды топлива") - топливные ресурсы, использование которых потенциально возможно в районах (территориях) их образования, производства, добычи (торф и продукты его переработки, попутный газ, отходы деревообработки, отходы сельскохозяйственной деятельности, отходы производства и потребления, в том числе твердые коммунальные отходы, и иные виды топливных ресурсов), экономическая эффективность потребления которых ограничена районами (территориями) их происхождения.
«Энергетическая стратегия РФ на период до 2035 года» (утв. Распоряжением Правительства РФ от 09.06.2020 №1523-р) среди вызовов пространственному развитию РФ отмечает дисбаланс размещения центров производства и потребления энергетических ресурсов. Это порождает беспрецедентно большой и постоянно растущий объем наиболее дорогих сухопутных перевозок топлива на дальние расстояния. С одной стороны, происходит все большая концентрация экономического роста и энергопотребления в центральных районах европейской части страны, доля которых превысила 60% потребления энергии в стране, с другой стороны, происходит смещение добычи и производства энергетических ресурсов в северные и восточные районы с ростом их доли свыше 80%. В то же время «использование местных видов топлива (торф, отходы лесной промышленности и сельского хозяйства, ТКО) занимает в региональных топливно-энергетических балансах незначительное место. К технологиям, применение которых может повлечь за собой организационные и технологические изменения в управлении и функционировании электроэнергетических систем и способствовать переходу энергетики на новый технологический базис (так называемый "энергетический переход" - Energy transition), относятся, в-частности, возобновляемые источники энергии и накопители энергии, гибридные автомобили и электромобили, включая автомобили на водородном топливе, сетевые технологии в электроэнергетике, в том числе активно-адаптивные сети, распределенная генерация и др.
К технологиям, которым отводится особенная роль в низкоуглеродном развитии, относятся водородные энергетические технологии. Прогнозируется, что водород, используемый сегодня в основном в химической и нефтехимической промышленности, в перспективе способен стать новым энергоносителем, замещающим углеводородные энергоносители, и сформировать "водородную экономику". В комплекс ключевых мер, способствующих решению задач водородной энергетики, входит разработка отечественных низкоуглеродных технологий производства водорода методами… электролиза и других технологий, а также стимулирование спроса на внутреннем рынке на топливные элементы на основе водорода и природного газа в российском транспорте, а также на использование водорода и энергетических смесей на его основе в качестве накопителей и преобразователей энергии.
При этом в мировом сообществе все большее внимание уделяется проблемам охраны окружающей среды, охраны здоровья человека, в том числе, за счет сокращения объемов захоронения отходов производства и потребления. Согласно «Стратегии развития промышленности по обработке, утилизации и обезвреживанию отходов производства и потребления на период до 2030 г.» (утв. Распоряжением Правительства РФ от 25.01.2018 г. N 84-р) ресурсосбережение, обеспечение экологической безопасности, рационального использования природных ресурсов и охраны окружающей среды в настоящее время являются приоритетными направлениями в рамках реализации курса на устойчивое развитие российского государства.
Одной из нерешенных задач на федеральном и региональном уровнях является создание инновационной технико-экономической системы, позволяющей минимизировать количество захораниваемых отходов, максимально обеспечив при этом ресурсосбережение, повторное вовлечение в хозяйственный оборот утилизируемых компонентов отходов в качестве сырья, материалов, изделий, превращение отходов во вторичное сырье для изготовления новой продукции и получения энергии.
При этом предполагается внедрение ресурсосберегающих технологий, отечественного высокотехнологичного оборудования, техники, технологий по обработке, утилизации и обезвреживанию отходов, создание и развитие соответствующей инфраструктуры производственно-технических комплексов, многофункциональных комплексов по промышленному обезвреживанию отходов, экотехнопарков и многофункциональных сортировочных комплексов. Так, основная цель Национального проекта "Экология" (паспорт утв. президиумом Совета при Президенте РФ по стратегическому развитию и национальным проектам, протокол от 24.12.2018 г. N 16) - сокращение объемов захоронения ТКО и последующее снижение нагрузки на промышленность и население (к 2030 г. необходимо достигнуть 100% сортировки ТКО и снизить их направление на полигоны на 50%).
Постановлением Правительства РФ от 06.12.2021 N 2209 нормативные правовые акты «Основы ценообразования в области обращения с ТКО» и «Правила регулирования тарифов на ТКО» дополнены понятием "энергетическая утилизация", которая становится альтернативным источником получения энергии. При этом предполагается, что финальным звеном системы обращения с отходами, которые допустимо и целесообразно направлять на "энергетическую утилизацию" (это до 75% от общего объема ТКО), станут мусоросжигающие заводы - крупные предприятия, требующие значительных капиталовложений и размещаемые на значительном расстоянии от мест образования отходов, что практически исключает использование данного подхода в интересах малой энергетики в зонах децентрализованного энергоснабжения.
Несмотря на доминирование традиционной энергетики, в России имеются обширные районы, где развитие энергоснабжения по экономическим, экологическим и социальным условиям, а также условиям ресурсообеспечения целесообразно рассматривать с учетом масштабного использования малых автономных электростанций на возобновляемых источниках энергии (ВИЗ).
Наиболее серьезным недостатком «большой энергетики» являются огромные потери полезной энергии при доставке ее от производителей конечным потребителям. Даже при применении самых последних достижений науки и техники в развитых странах эти потери составляют 60…70%. Кроме того, создание крупных электростанций обусловлено множеством экономических, экологических, географических и геологических сдерживающих факторов, а также требованиями безопасности и охраны окружающей среды. Природоохранные ограничения, высокая стоимость земли и воды, значительные капитальные затраты, государственное регулирование и множество других препятствий создают трудности во всем мире для строительства новых мощных электростанций.
В связи с этим одним из перспективных направлений развития мировой энергетики является создание инфраструктуры распределенной энергетики. Концепция распределенных энергетических ресурсов подразумевает наличие множества потребителей, которые производят тепловую и электрическую энергию для собственных нужд, направляя излишки в общую сеть. Такая схема обеспечивает уменьшение потерь электроэнергии при транспортировке по причине максимальной приближенности электрогенераторов к потребителям электричества, а также ведет к уменьшению количества и протяженности линий электропередачи.
2
К сферам эффективного применения малых автономных электростанций как технической основы распределенной электрогенерации можно отнести также поддержание баланса спроса и предложения с учетом перспектив развития глобальной неуглеродной экономики, обеспечение устойчивого электроснабжения на территориях с долговременными чрезвычайными ситуациями, на станциях зарядки электромобилей, создание экологически чистой альтернативы мусоросжигательным технологиям, особенно в мегаполисах, при исключении или существенном снижении вредных выбросов в атмосферу (парниковых газов, прежде всего СО, оксидов азота и др. выбросов) и загрязнения (сбросов) водных ресурсов. Сырьевая база -местные низкосортные виды сырья, в том числе возобновляемое сырье - биомасса (отходы производства, ТКО и т.п.), торф и бурые угли, а также продукты их переработки.
В целом нерафинированная некондиционная биомасса (древесные отходы, отходы сельскохозяйственной деятельности, отходы производства и потребления, в том числе ТКО) относится к низкосортным видам топлива с высокой влажностью (до 85% и более), малой энергетической плотностью, низкой теплотой сгорания, неоднородностью фракционного состава, но при этом обладает весомыми преимуществами по сравнению с ископаемыми углеродсодержащими видами сырья, а именно возобновляемостью, почти полным отсутствием серы, а также других вредных для оборудования и окружающей среды химических элементов и соединений, распространенностью и доступностью.
Биомасса вместе с иными местными видами топлив, прежде всего на основе низкосортного твердого углеродсодержащего сырья (торф и продукты его переработки, бурые угли), представляют собой дешевый (с низкой, нулевой или отрицательной стоимостью) и практически не используемый в настоящее время источник местных энергоресурсов.
Получение из такого сырья электроэнергии /ГОСТ Р 54531-2011 Нетрадиционные технологии. Возобновляемые и альтернативные источники энергии. Термины и определения/, представляющей собой универсальный вид энергии высокого качества, базируется как на традиционных способах прямого сжигания, так и на современных термохимических технологиях /ИТС 9-2020 Утилизация и обезвреживание отходов термическими способами. М., Бюро НДТ, 2020/, и осуществляется посредством применения теплоэлектростанций (ТЭС), в частности, конденсационных электростанций, однако их электрический КПД, особенно в части энергоустановок малой мощности, крайне невысок и возможности его роста в рамках существующих технологий ограничены ввиду того, что большая часть энергии приходится на отводимое, так называемое «сбросное» тепло, которое часто на практике эффективно использовать затруднительно.
Наиболее существенные недостатки способов получения электроэнергии на основе технологий прямого сжигания биомассы:
- низкий общий и электрический КПД (существенные тепловые потери), что не позволяет на их основе строить устойчивую энергетическую систему;
- не решена проблема вредных выбросов в атмосферу (золы уноса, содержащей тяжелые металлы; сажи; монооксида углерода; окислов серы и азота; соединений хлора; диоксинов и полиароматических углеводородов), требуется сложная дорогостоящая очистка дымовых газов. По оценкам, стоимость современного мусоросжигающего завода более чем на 60% состоит из стоимости очистных сооружений;
- ограничены возможности использования влажного и высокозольного органического сырья; нижний предел теплоты сгорания, при котором возможно автогенное (самоподдерживающееся) его сжигание без применения дополнительного топлива, соответствует условию Таннера (т.н. треугольник Таннера): относительная влажность W<50%, зольность А<60%, содержание углерода С>25%;
- сложность автоматизации технологических процессов, т.к. ввиду низкой теплоты сгорания, высокой влажности и неоднородности биомассы требуется ее предварительная обработка (измельчение, уплотнение, сушка, гомогенизация и т.п.) или рафинирование (изготовление топливных гранул-пеллет, топливных брикетов);
- требуется отвод большого количества «сбросной» теплоты и, соответственно, большой расход охлаждающей воды;
- громоздкость оборудования.
2
2
4
Наиболее универсальным способом, позволяющим использовать такие виды сырья, является их высокотемпературная термохимическая конверсия -газификация при температурах 800-1300°С в присутствии (дутье) воздуха или кислорода и водяного пара с получением топливного (иначе: генераторного, синтез-газа, продукт-газа) газа - смеси H, СО, СО, NOx, СН, проводимая в газификаторах (иначе: реакторах-газификаторах, газогенераторах, конвертерах). При этом газ, который представляет собой дешевый, удобный и экологически чистый энергоноситель, в зависимости от его качества используется в дальнейшем в энергетической установке (сжигается в котельном агрегате или используется в качестве силового газа, т.е. для непосредственного получения энергии в двигателе - газопоршневой или газотурбинной установке). Это позволяет существенно сэкономить на дорогостоящем оборудовании газоочистки дымовых газов и оборудовании обеззараживания перерабатываемых отходов. Кроме того, при газификации недожог топлива в сравнении с прямым сжиганием существенно ниже, а в получаемом газе и зольном остатке практически отсутствует сажа.
Существующие технологии и конструкции газификации твердых (конденсированных) углеродсодержащих топлив весьма разнообразны /А. Самылин, М. Яшин. Современные конструкции газогенераторных установок. - ЛесПромИнформ, №1, 2009, с. 78-85; Железная Т.А., Гелетуха Г.Г. Обзор современных технологий газификации биомассы. - Пром. теплотехника, 2006, т. 28, №2, с. 61-75; Копытов В.В. Газификация конденсированных топлив: ретроспективный обзор, современное состояние дел и перспективы развития - М: Инфра-Инженерия, 2012 - 504 с, с. 263-271/. С экологической точки зрения их главным преимуществом является сравнительно низкий уровень негативного воздействия на окружающую среду. Это, в первую очередь, обусловлено достаточно продолжительным (особенно для газификации в плотном слое) нахождением газообразных продуктов газификации конденсированных топлив сначала в зоне окисления (горения) при температурах от 1000…1200°С, а затем в восстановительной (бескислородной) зоне формирования горючего топливного газа. При таких условиях происходит термическое разложение и восстановительное дехлорирование наиболее опасных веществ - диоксинов, фуранов, полихлорбифенилов, бенз(а)пиренов и других полициклических ароматических углеводородов.
2
2
2
2
Инновационное направление для развития распределенной электрогенерации - развитие малых модульных установок до 1 МВт единичной мощности с внутрицикловой газификацией для переработки некондиционного углеродсодержащего сырья (отходов) в электроэнергию (Waste-to-energy) как конкурентоспособной альтернативы дорогостоящим мусоросжигательным технологиям. Установки работают на воздушном (реже на кислородном) дутье, при атмосферном и среднем давлении, средних (до 1200°С), реже - высоких (1600-1800°С) температурах в плотном, кипящем слоях и в потоке, с использованием в основном низкосортного топлива (бурые угли, торф, биомасса). К недостаткам установок на воздушном дутье относят низкокачественный газ (значительное количество балласта - N, НО, СО, а также примесей - смол и сажи), нерегулируемое соотношение Н/СО, громоздкость, сложность и дороговизна при малой эффективности, низкий коэффициент готовности.
Однако потенциальные достоинства этих агрегатов значительны: ориентация на использование местных топлив, компактность, мобильность, малый вес, работа при атмосферном давлении на воздушном или обогащенном воздушно-кислородном дутье и с твердым золоудалением (без шлакообразования), заводская готовность.
Широкое практическое распространение получил способ электрогенерации на базе газопоршневых агрегатов /Г.Г.Токарев. Газогенераторные автомобили. Гос.науч.-тех. изд-во машиностр. лит., М., 1955/. Так, известная типовая твердотопливная газопоршневая электростанция /Справочник. «Котельные и электростанции на биотопливе. Современные технологии получения тепловой и электрической энергии с использованием различных видов биомассы». /Овсянко А.Д., Печников С.А., С.-Петербург, Биотопливный портал WOOD-PELLETS.COM. 2008 г. 360 с. с илл; с. 248-253/ состоит из участков топливоподготовки, газификации, электрогенерации и системы оборотной воды. При этом участок топливоподготовки включает в себя оборудование для предварительной подготовки топлива из исходного сырья - транспортеры, металлодетектор, дробилку для измельчения щепы, вибросито для удаления некондиционной щепы, систему управления и автоматики. На участке газификации установлен реактор-газификатор - газогенератор WBG400 с очистительными установками для охлаждения, осушки и очистки получаемого газа (циклон, скруббер Вентури, мокрая газодувка, осушитель газа, активный и пассивный фильтры тонкой очистки, контрольный фильтр и др.). Участок электрогенерации - это установка с газопоршневым двигателем и шкафами управления. Участок системы оборотной воды предназначен для организации замкнутой системы технологической воды, используемой для охлаждения получаемого газа, и представляет собой блочно-модульное очистное сооружение (трубопроводы, насосы, емкости, блоки очистки, пульт управления, градирня или теплообменник). Электростанция работает в режиме ТЭЦ, обеспечивая выходную электрическую мощность 250 кВт и тепловую мощность 469 кВт, с общим КПД около 50% в номинальном режиме с учетом полезной утилизации тепла.
Существенные признаки приведенного решения, аналогичные признакам заявляемого изобретения: наличие участков топливоподготовки, газификации и электрогенерации; газификация твердого топлива в реакторе-газификаторе по схеме паровоздушной газификации в плотном слое; использование топливного газа в газопоршневом двигателе; наличие схемы утилизации (рекуперации) тепла.
Однако этому и подобным техническим решениям с использованием реакторов обращенного процесса газификации шахтного типа присущи недостатки, существенно ограничивающие область их эффективного использования в интересах малой распределенной электроэнергетики, а именно:
- низкий электрический КПД (-18%) ввиду необходимости охлаждения топливного газа (энергетические потери до 20%), а также превалирующей доли (2/3 и более) тепловой составляющей в выходной мощности;
- низкая эффективность превращения твердого топлива в газообразное (КПД газификации до 80%) ввиду тепловых и химических потерь от недожога топлива (сажа, провал в зольник, унос углерода в виде пыли);
- высокое содержание вредных выбросов газопоршневых двигателей (СО, NOx) в атмосферу;
- ограничения по использованию некондиционного сырья (содержание влаги не выше 0,20);
низкие эксплуатационно-технические характеристики установок, значительный удельный вес на единицу мощности и габариты, наличие сложной многоступенчатой системы очистки, охлаждения и осушки газа, низкая степень автоматизации.
Существуют технические решения, позволяющие снять ряд ограничений, прежде всего по обеспечению мобильности энергоустановок.
Так, известно серийно выпускаемое изделие - экспериментальный газогенераторный набор «Gasifier Experimenters Kit (GEK)», имеющий модульную конструкцию, что позволяет из отдельных модулей собрать компактные, выполненные на единой раме полностью автоматизированные передвижные энергоагрегаты в составе газогенератора обращенного процесса и газопоршневого двигателя-генератора электрической мощностью 10 и 20 кВт, оптимально работающие на конкретных видах топлива (гранулах, торфе, древесине и т.п.).
Недостатки установки - маломощность при значительных габаритах и массе, ограничения по сырью (сухая щепа и т.п.), необходимость использования системы очистки газа - не позволяют использовать ее для поставленной задачи энергетической утилизации отходов.
Известна также «Мобильная автономная установка на базе ДВС для выработки электрической и тепловой энергии из местных видов топлива и возобновляемых отходов» /Журнал «Новости теплоснабжения» №8, 2009 г., авторы Ю.Л. Маслов и др., МГТУ им. Н.Э. Баумана/, на базе газогенератора транспортного типа (габариты 1,2×1,2×1,6 м, масса 1,1 т) на растительных и древесных отходах (практическая влажность до 20%, зольность до 8%) обращенного процесса газификации с предварительным подогревом топлива в бункере для энергетических установок с газовым ДВС мощностью до 30 кВт.
Однако недостатки, ограничивающие возможности использования такой установки - малой твердотопливной электростанции, а также существующих аналогичных установок (например, отечественных электростанций на древесных отходах KIBOR BioPoower, «Дизель-Систем» и др.) - ограниченная мощность, значительный удельный вес на единицу мощности, значительные габариты, необходимость использования многоступенчатой системы очистки, охлаждения и осушки получаемого газа, существенные ограничения по характеристикам сырья (влажности и зольности).
В то же время известен ряд технических решений, направленных на повышение эффективности газификации углеродсодержащего, и в частности, низкосортного сырья, а также на обеспечение требуемого уровня технико-экономических и эксплуатационно-технических характеристик энергетических установок в целом за счет инновационных технологий газификации, а также интеграции технологических процессов топливоподготовки, газификации и электрогенерации.
Известны способы и установки для производства электроэнергии на основе двухстадийной технологической схемы, предусматривающей на первой стадии газификацию топливной биомассы, а на второй стадии - сжигание полученного топливного газа и преобразование тепловой энергии в механическую энергию в тепловой машине - двигателе внешнего сгорания с замкнутым циклом, где рабочее тело циркулирует по замкнутому контуру без связи с атмосферой. В результате снижения либо снятия требований по очистке топливного газа не только упрощается и удешевляется оборудование газоочистки, но и повышается теплотворная способность газа за счет содержащихся в нем горючих низко- и высокомолекулярных органических соединений (например, спиртов и, особенно, смол). Кроме того, при исключении операции по охлаждению получаемого газа одновременно с экономией на соответствующем оборудовании свой вклад в нагрев рабочего тела энергоустановок вносит физическое тепло горячего газа, а также снимается вопрос утилизации жидких вторичных отходов (газового конденсата). При этом в энергоустановках малой мощности могут быть использованы отработанные технологии на базе таких известных двигателей замкнутого цикла, как микротурбинная (паровая, органического цикла - ORC) установка, паровой поршневой двигатель (ППД), паровая винтовая машина (ПВМ), двигатель Стирлинга. Такие решения предлагаются в известном «Способе получения электроэнергии из некондиционной (влажной) топливной биомассы и устройстве для его осуществления» (патент RU 2631455, Варочко А.Г., Забегаев А.И., Тихомиров И.В., дата публ. 22.09.2017).
Способ предполагает паровоздушную газификацию сырья в плотном слое в реакторе-газификаторе прямого процесса, в частности, в цилиндрическом наклонном вращающемся реакторе-газификаторе в режиме фильтрационного горения со сверхадиабатическим разогревом, что позволяет эффективно газифицировать сырье, в том числе высокозольное /Кислов В.М. Газификация древесины и ее компонентов в фильтрационном режиме. Автореферат дисс.на соискание ученой степени к.ф.м.н. ИПХФ РАН, Черноголовка, 2008; Зайченко А.Ю. Влияние движения твердой фазы на характер фильтрационного горения. Автореферат дисс.на соискание ученой степени к.ф.м.н. Черноголовка - 2008. ИПХФ РАН/, и последующее непосредственное сжигание получаемого горячего топливного газа и преобразование тепловой энергии в электроэнергию посредством тепловой машины и электрогенератора.
Изобретение предусматривает рекуперацию «сбросной» теплоты отработавшего в тепловой машине пара посредством его конденсации в замкнутом контуре циркуляции рабочего тела (воды/органического теплоносителя) тепловой (паровой) машины по схеме воздушного охлаждения, включающей комбинированную конвективную воздушно-калориферную и кондуктивную (контактную) сушку исходного сырья, использованный при этом воздух в необходимом объеме подают в реактор-газификатор в качестве газифицирующего агента.
Существенные признаки приведенного решения, аналогичные признакам заявляемого изобретения:
- паровоздушная газификация твердого углеродсодержащего топлива в плотном слое в компактном цилиндрическом наклонном вращающемся реакторе прямого процесса с водяной рубашкой охлаждения, предпочтительно в режиме фильтрационного горения со сверхадиабатическим разогревом;
- воздушно-конвекционная сушка исходного некондиционного (влажного) сырья - твердого топлива за счет рекуперации потерь тепла.
Известен также «Способ получения электроэнергии из некондиционной (влажной) топливной биомассы и устройстве для его осуществления» (патент RU 2631456, Варочко А.Г., Забегаев А.И., Тихомиров И.В., дата публ. 22.09.2017), отличающийся от вышеприведенного тем, что сырье для производства электроэнергии перед подачей на газификацию дополнительно подвергают сушке и нагреву отходящими дымовыми газами, которые перед выбросом в атмосферу проходят очистку органическим адсорбером со сменными фильтрующими элементами. Соответственно дополнительно к существенным признаки приведенного решения, аналогичным признакам заявляемого изобретения, относятся:
- кондуктивный нагрев твердого топлива после сушки перед загрузкой в реакторы за счет тепла отходящих (дымовых/выхлопных) газов;
- очистка дымовых/выхлопных газов посредством их фильтрации через сменные фильтрующие элементы из органического адсорбента -активированного угля.
Приведенные выше изобретения позволяют повысить электрический КПД, использовать дешевое низкосортное (некондиционное) сырье - в том числе влажное (до 0,7…0,8), высокозольное, битуминозное при минимизации вредного влияния на окружающую среду и обеспечении автономности процесса производства электроэнергии.
Однако данные решения имеют ряд недостатков, ограничивающих возможности их эффективного применения для малых мобильных электростанций, а именно громоздкость оборудования - тепловых машин-двигателей внешнего сгорания, теплообменников, паровых котлов, трудоемкость его обслуживания, а также сложность и высокую стоимость ввиду необходимости установки дополнительно специальных газовых горелок и камер дожигания для низкокалорийного топливного газа. Кроме того, предлагаемое использование в энергоустановках малой мощности в диапазоне до 1000 кВт (и особенно до 500 кВт) двигателей внешнего сгорания с замкнутым циклом значительно уступает по эффективности (электрическому КПД) отработанным технологиям на базе двигателей внутреннего сгорания -газопоршневых двигателей /см. А. Самылин, М. Яшин. Современные конструкции…»/.
Известно также изобретение - «Автоматизированный мобильный комплекс для термической утилизации отходов» (патент RU 2456506, Высоцкий А.В. и др., дата публ. 20.07.2012), осуществляющий переработку твердых промышленных и бытовых отходов в топливный газ, электрическую и тепловую энергию непосредственно в районах мусорных свалок посредством самостоятельного передвижения. Существенными признаками технического решения, аналогичными признакам заявляемого изобретения, являются мобильные модули на транспортных платформах по каждой технологической операции полного цикла технологического процесса энергетической переработки сырья, включая модуль измельчения сырья, газодизель-генераторную установку для электропитания модулей комплекса, кислородную станцию для проведения парокислородной газификации, парогенераторный модуль, цистерну с водой, модуль очистки и охлаждения топливного газа, газохранилище (газгольдер) для потребителей.
Однако существенными недостатками комплекса являются:
- низкая готовность к работе (большое время развертывания и приведения в рабочее состояние), отсутствие возможности непрерывной работы при передислокации;
низкая мобильность ввиду значительных габаритов используемых агрегатов (шахтная печь с футерованным корпусом, газгольдер);
- ограничения по использованию некондиционного, в частности, влажного и высокозольного сырья;
отсутствие технических средств для осуществления полного технологического цикла энергетической утилизации отходов (в частности, многокомпонентных ТКО) в автономном режиме;
- значительный удельный вес на единицу мощности, необходимость использования многоступенчатой системы очистки, охлаждения и осушки получаемого газа;
- сложность и низкая энергетическая эффективность (электрический КПД) ввиду необходимости операций (агрегатов) очистки, осушки и охлаждения топливного газа, производства кислорода, потерь тепла на охлаждение и с выхлопными газами двигателя.
На устранение указанных недостатков направлено известное техническое решение - «Способ автономной электрогенерации и устройство - малая твердотопливная электростанция для его осуществления» (патент RU 2737833, Тихомиров И.В., Тихомирова Т.С., дата публ. 03.12.2020), являющееся наиболее близким к заявляемому изобретению по совокупности следующих существенных признаков.
Способ предусматривает автономную энергетическую утилизацию -переработку в электроэнергию посредством газификации твердого низкосортного (некондиционного - влажного, высокозольного, высокобитуминозного) углеродсодержащего сырья, в качестве которого используют биомассу в виде отходов производства и потребления, а также торф, бурые угли, по многостадийной технологической схеме, включающей стадию топливоподготовки (предварительной первичной и механической подготовки/обработки, а также кондиционирования, включая воздушно-конвекционную сушку с кондуктивным нагревом исходного сырья за счет рекуперации сбросного тепла топливного газа, газопоршневых двигателей и их выхлопных газов), стадию газификации в плотном слое подготовленного твердого топлива в компактных цилиндрических наклонных вращающихся реакторах-газификаторах с пароводяной рубашкой охлаждения в реверсивном режиме (со сменой режимов обращенного процесса и прямого процесса фильтрационного горения со сверхадиабатическим разогревом), с подачей газифицирующих агентов -кислорода (с воздухом) и воды (в виде водяного пара из пароводяной рубашки) в реакционную зону реакторов-газификаторов в стехиометрическом соотношении к газифицируемому топливу, с получением и охлаждением (воздушным и испарительным) горючего топливного газа, содержащего оксид углерода и водород, стадию электрогенерации - использования полученного горючего топливного газа непосредственно в газопоршневых двигателях энергоагрегатов для выработки электроэнергии. Малая твердотопливная электростанция для осуществления способа состоит из участков топливоподготовки, газификации и электрогенерации.
Приведенные существенные признаки в совокупности образуют технологическую схему получения чистого охлажденного газа из низкосортного (некондиционного, в том числе высокозольного, битуминозного, с повышенным до 0,7…0,8 содержанием влаги) сырья с непосредственным использованием его в газопоршневых двигателях для автономной электрогенерации, что с учетом исключения оборудования очистки и осушки топливного газа позволяет значительно повысить компактность и снизить стоимость оборудования и эксплуатационные расходы, обеспечить мобильность (транспортабельность) и автономность электростанции, а также повысить эффективность электрогенерации -электрический КПД, достичь минимизация вредного влияния на окружающую среду, обеспечить адаптацию к переменной нагрузке (потреблению электроэнергии) при поддержании неизменного (оптимального) режима работы реакторов, повысив таким образом его готовность, надежность, долговечность и ремонтопригодность, что обеспечивает непрерывность процесса автономной электрогенерации.
Однако к недостаткам, ограничивающим возможности эффективного использования данного технического решения в малой распределенной энергетике, следует отнести,
во-первых, отсутствие технических средств (в частности, предварительной подготовки/обработки и механической подготовки исходного сырья, прежде всего, ТКО) для осуществления полного технологического цикла энергетической утилизации отходов в автономном режиме, а также возможности адаптации их состава применительно к различным видам отходов - многокомпонентных/разделенных/однородных, крупногабаритных, мелкодисперсных, нефтешламов и т.д.;
во-вторых, существенные ограничения по номинальной мощности/производительности установки ввиду низкой теплотворности получаемого топливного газа в режиме воздушного дутья и, как следствие, содержания в его составе значительной доли (более 50%) балласта - азота, что существенно снижает мощность газопоршневых двигателей-генераторов и, соответственно, их эффективность (коэффициент использования), а также требует их технической доработки/адаптации;
в-третьих, ограничения по мобильности электростанции вследствие необходимости использования газгольдера/хранилища топливного газа, и большого объема аккумуляторных батарей для поддержания оптимального режима работы установки в условиях колебаний (снижения) потребления вырабатываемой электроэнергии, а также при передислокации установки.
Настоящее изобретение направлено на решение технической проблемы экологически безопасной энергетической утилизации местного низкосортного/некондиционного сырья - твердых углеродсодержащих отходов производства и потребления (в том числе ТКО) в местах их техногенных образований и эффективного использования получаемой электроэнергии в малой распределенной электроэнергетике, включая развитие инфраструктуры водородной энергетики.
Предлагаемое изобретение обеспечивает получение следующих технических результатов.
Во-первых, существенно снижаются габариты и соответственно повышается мобильность установки, а также ее выходная/номинальная электрическая мощность за счет введения дополнительно стадии/блока (функциональной подсистемы) водородной генерации - водородной заправочной станции для осуществления электролиза воды с получением водорода и кислорода. При этом накопление водорода как аккумулятора химической энергии для заправки топливных элементов позволяет исключить необходимость использования газгольдера (хранилища) топливного газа и аккумуляторных батарей для непрерывного поддержания оптимального режима работы установки в условиях колебаний потребления вырабатываемой электроэнергии, а также при передислокации установки. Использование получаемого кислорода для обогащения/замены воздушного дутья позволяет существенно (до 80%) повысить производительность газификации и теплотворную способность получаемого топливного газа и, соответственно, активную мощность газопоршневых двигателей - генераторов и выходную электрическую мощность.
Во-вторых, обеспечивается развитие инфраструктуры водородной энергетики за счет введения дополнительно стадии/ блока (функциональной подсистемы) водородной генерации - водородной заправочной станции для водородного транспорта (на топливных элементах) с низкой себестоимостью водорода ввиду использования низкосортного сырья - отходов с нулевой и отрицательной стоимостью.
В-третьих, дополнительно могут быть снижены габариты и, соответственно, повышена мобильность установки за счет того, что основные агрегаты ее блоков (функциональных подсистем) - топливно-сырьевого (топливоподготовки), реакторного (газификации), знергосилового (электрогенерации) и водородной заправочной станции (водородной генерации) конструктивно могут быть интегрированы (объединены) в единый мобильный модуль, размещаемый на транспортной платформе автомобильного базирования, а в качестве энергоагрегата может использоваться силовой автомобильный газопоршневой двигатель/тяговый агрегат транспортной платформы, при этом водородная заправочная станция в составе электролизера, резервуаров для водорода и кислорода и емкости для воды может быть смонтирована на автоприцепе.
Сущность изобретения поясняется на фиг. 1-3.
На фиг 1 представлена общая схема технологического процесса энергетической утилизации твердых углеродсодержащих отходов, иллюстрирующая сущность предлагаемого способа на ресурсно-энергетическом уровне описания, в виде последовательности стадий преобразования исходного сырья в электроэнергию/водород.
На фиг.2 представлена структурно-функциональная схема малой мобильной твердотопливной электроводородной станции для осуществления предлагаемого способа энергетической утилизации.
На фиг. 3 представлена агрегатная компоновочная схема варианта технического осуществления предлагаемого способа - интегрированной конструкции единого модуля сверхмалой самоходной электроводородной станции на автомобильной транспортной платформе.
Технологический процесс (фиг. 1) осуществляется в непрерывном режиме и включает в себя последовательные стадии топливоподготовки 1, газификации 2, электрогенерации 3 и водородной генерации 4. При этом исходным энергоресурсом для производства электроэнергии является твердое низкосортное (некондиционное, в том числе по содержанию влаги, золы, смол) углеродсодержащее сырье - отходы производства и потребления, в том числе биомасса, а также торф, бурые угли и продукты их переработки биомасса, торф, бурые угли и т.п., концентрированные в составе техногенных образований 5 и могут быть как многокомпонентными/неоднородными (например, смешанные ТКО), так и разделенными/однородными (например, ТКО селективного сбора, отходы специализированного производства). Многокомпонентные отходы должны подвергнуться предварительной (первичной) подготовке/обработке 6, включая операции сбора, сортировки, сепарации, разборки с разделением на энергетическое (углеродсодержащее) и материальное (металл, стекло, керамика и т.п.) сырье /ГОСТ Р 56828.30-2017 Наилучшие доступные технологии. Ресурсосбережение. Методология обработки отходов в целях получения вторичных топливно-энергетических ресурсов/.
Для использования энергетического сырья в качестве твердого топлива в предлагаемом способе требуется однородность его гранулометрического (фракционного) состава, достигаемая посредством операции его механической подготовки (гомогенизации) 7 - дробления/измельчения (для кускового сырья) и/или уплотнения (для сырья с низкой насыпной плотностью или мелкодисперсных материалов) для обеспечения газопроницаемости и сыпучести (перемешиваемости) получаемой фракции в последующих технологических операциях.
Разделенное материальное сырье может подвергаться операциям складирования (накопления) 8 по группам однородных отходов - металлов, стекла, керамики и т.п.для последующей транспортировки на утилизацию - рециклинг, регенерацию, рекуперацию, захоронение вторичных материальных ресурсов.
Заключительная операция стадии топливоподготовки -кондиционирование 9, включающее смешивание разнородных по содержанию углерода, зольности и другим характеристикам видов энергетического сырья, а также его накопление, сушку и нагрев, предпочтительно за счет рекуперации потерь тепла/отходящего тепла на последующих стадиях технологического процесса (на схеме не показаны возможные решения, включая воздушно-конвекционную сушку с кондуктивным нагревом исходного сырья за счет рекуперации сбросного тепла топливного газа, газопоршневых двигателей и их выхлопных газов, см. аналоги - патент RU 2631455, патент RU 2631456, патент RU 2737833).
Кондиционированное (гомогенизированное - измельченное/уплотненное), высушенное и подогретое твердое топливо непрерывно подается на стадию газификации 2, где осуществляют операцию паровоздушной (парокислородной) газификации 10 (высокотемпературную термохимическую конверсию) в плотном слое подготовленного (кондиционированного) твердого топлива в реакторах-газификаторах, предпочтительно в компактных цилиндрических наклонных вращающихся реакторах-газификаторах с пароводяной рубашкой охлаждения, с подачей газифицирующих агентов -кислорода (с воздухом) и воды (в виде водяного пара) в реакционную зону реакторов-газификаторов в стехиометрическом соотношении к газифицируемому топливу, с получением горючего топливного газа, содержащего оксид углерода и водород. Отходы процесса газификации в виде золы по мере накопления могут отправляться на утилизацию аналогично разделенному материальному сырью (см. стадию 1).
Далее на стадии электрогенерации 3 осуществляют преобразование химической энергии полученного горючего топливного газа в энергетических установках - двигателях внутреннего сгорания 11 (базовая технологическая схема) либо в двигателях внешнего сгорания 12 (тепловых машинах конденсационного типа с замкнутым термодинамическим циклом) в тепловую и механическую энергию и далее в электроэнергию посредством электрогенератора.
На стадии 4 водородной генерации электроэнергия после необходимого преобразования (выпрямления) 13 используется для электролиза воды 14 с выходом водорода и кислорода, а также на собственное потребление агрегатами станции. При этом водород аккумулируется и поступает как внешним потребителям, так и на собственное потребление, предпочтительно посредством заправки топливных элементов. Получаемый кислород поступает в качестве газифицирующего агента (посредством обогащения/замены воздуха) для процесса непрерывной паровоздушной/парокислородной газификации 10.
Способ энергетической утилизации твердых углеродсодержащих отходов осуществляется посредством устройства - малой мобильной твердотопливной электроводородной станции, которая построена по модульному принципу (самоходные модули могут размещаться на различной, предпочтительно автомобильной транспортной базе) в составе четырех участков (фиг. 2) -топливоподготовки 15, газификации 16, электрогенерации 17 и водородной генерации 18 и работает следующим образом.
При необходимости переработки многокомпонентных (смешанных) отходов в месте их техногенного образования модуль предварительной подготовки (обработки) 19 участка топливоподготовки 1 может использоваться в автономном режиме - для их сбора, сортировки, сепарации, разделения/просеивания посредством входящих в его состав специализированных агрегатов - магнитных и других сепараторов, вибрационных/статических/барабанных сит, грохотов и т.п. Разделенное в результате работы модуля 19 материальное сырье при необходимости подается в модуль накопления и транспортировки однородных отходов 20 для доставки транспортными агрегатами к местам утилизации (рециклинга, регенерации, рекуперации, захоронения). Энергетическое сырье (исходное при наличии разделенных отходов и/или выделенное в результате работы модуля 19) подается в модуль 21 механической подготовки, оснащенный агрегатами для дробления, измельчения, уплотнения сырья - дробилками, измельчителями-мельницами/шредерами, прессами, грануляторами и т.п., - и далее в модуль 22 кондиционирования, где осуществляются операции смешивания разнородных видов сырья для оптимизации состава топлива, накопления (аккумулирования/буферизации), а также кондуктивно-конвекционной сушки и нагрева, посредством агрегатов - транспортеров-погрузчиков, бункеров-накопителей, барабанных сушилок, бункеров-нагревателей и т.п.При этом предпочтительно использовать сбросное тепло (потери) участков 16 (контур охлаждения топливного газа) и 17 (контур охлаждения двигателей-генераторов, выхлопные/дымовые газы), например, с использование технических решений аналогов /см. патент RU 2631455, патент RU 2631456, патент RU 2737833/.
Кондиционированное - гомогенизированное, высушенное, нагретое твердое топливо подается на участок газификации 16 - в модуль газификации 23, конструктивно представляющий собой реакторный кластер из нескольких совместно работающих компактных, предпочтительно цилиндрических наклонных вращающихся реакторов-газификаторов плотного слоя, комбинированного (реверсивного) типа, с подачей газифицирующих агентов -кислорода воздуха (посредством вентиляторов воздушного дутья) и водяного пара из водяной рубашки охлаждения (в стехиометрическом соотношении кислорода воздуха и водяного пара к газифицируемому топливу) в реакционную зону реакторов-газификаторов, с получением топливного газа, содержащего оксид углерода и водород, и подачей его на участок электрогенерации 17.
Возможный вариант (относительно базовой технологической схемы) -оснащение участка газификации 16 модулем газификации 24 с реакторным кластером компактных наклонных цилиндрических вращающихся реакторов-газификаторов прямого процесса /технические решения см. «Способ газификации топливной биомассы и устройство для его осуществления. Патенты RU №2631808, №2631811, №2631812. Забегаев А.И., Тихомиров И.В. и др., опубл. 26.09.2017/.
Получаемый на участке газификации 16 топливный газ поступает на участок электрогенерации 17 по двум вариантам:
- из модуля газификации 23 (охлажденный очищенный от примесей топливный газ) - в модуль 25 - силовую энергоустановку (электрогенерирующий кластер двигателей внутреннего сгорания): газопоршневые агрегаты;
- из модуля газификации 24 (горячий неочищенный, с балластом - азотом, водяным паром, смолами и др. примесями топливный газ) - в модуль 26 -силовую энергоустановку (электрогенерирующий кластер двигателей внешнего сгорания): агрегаты - горелка, паровой котел, микротурбина (пар, ORC), паровая винтовая машина, паропоршневой двигатель, двигатель Стерлинга (варианты двигателей).
На участке электрогенерации 17 реализуется технологический этап получения электроэнергии для потребления на участке водородной генерации 18 - модулем 27 - водородной заправочной станцией в составе агрегатов -преобразователя энергии (выпрямителя тока) и электролизера, емкости для воды, резервуара (газгольдера) водорода с топливораздаточной колонкой, резервуара (газгольдера) кислорода, а также аккумуляторной батареи (АкБ). При этом резервуар кислорода подключен к вентиляторам воздушного дутья реакторов-газификаторов, с возможностью работы всех агрегатов модулей на электроэнергии и/или водороде (в топливных элементах) собственного производства, при этом все участки станции образованы мобильными (самоходными) функциональными модулями с размещением агрегатов на транспортных платформах различного базирования (автомобильного, железнодорожного, водного).
Частный случай технического осуществления предлагаемого способа -сверхмалая (суперкомпактная) самоходная электроводородная станция, в которой агрегаты всех участков (топливоподготовки, газификации, электрогенерации и водородной генерации) конструктивно интегрированы (объединены) в единый мобильный модуль, размещаемый на транспортной платформе, предпочтительно автомобильного базирования. Станция (фиг.3) оснащается транспортером-погрузчиком 28 исходного, в частности, энергетического сырья - разделенных (в результате селективного сбора либо предварительной сортировки) отходов и включает в себя размещаемый на крыше приемный бункер-накопитель сырья 29, агрегаты 30 механической подготовки (дробление, измельчение, уплотнение), агрегаты 31 кондиционирования (смешивание, сушка/нагрев).
Реакторный блок/кластер 32 (отдельный либо частично объединенный с агрегатами смешивания и сушки/нагрева - см., например, технические решения по указанному выше патенту RU №2737833) включает в себя реакторы-газификаторы комбинированного (реверсивного) типа 33, а в качестве энергоагрегата используется силовой автомобильный газопоршневой двигатель/тяговый агрегат - электрогенератор 34 транспортной платформы, под кабиной водителя установлен преобразователь электроэнергии (выпрямитель тока) с аккумуляторной батареей 35, при этом водородная заправочная станция 36 в составе емкости для воды 37, электролизера 38, резервуаров (газгольдеров) водорода 39 и кислорода 40 размещается на прицепе. Работа агрегатов мобильной станции-модуля аналогична работе агрегатов функциональных модулей станции в базовом варианте.
Технический эффект от предлагаемых решений можно оценить следующим образом.
Во-первых, существенно снижаются габариты, а также удельный вес на единицу мощности (повышается выходная мощность и/или вес используемых агрегатов модулей станции), что позволяет повысить мобильность станции, осуществляющей предлагаемый способ энергетической утилизации отходов, а также ее выходную/номинальную электрическую мощность за счет введения в технологическую схему процесса дополнительно стадии водородной генерации (водородной заправочной станции) для осуществления электролиза воды с получением водорода и кислорода. При этом накопление водорода как аккумулятора химической энергии для заправки топливных элементов позволяет исключить необходимость использования газгольдера (хранилища) топливного газа, и аккумуляторных батарей для непрерывного поддержания оптимального режима работы установки в условиях колебаний потребления вырабатываемой электроэнергии, а также при передислокации установки.
При этом использование получаемого посредством электролиза кислорода для обогащения/замены воздушного дутья позволяет существенно (~ на 80%) повысить производительность газификации и теплотворную способность получаемого топливного газа.
3
3
3
2
При паровоздушной газификации твердого топлива получается топливный (смешанный генераторный) газ с низкой теплотворностью ввиду значительного (~ 55%) содержания балласта - азота воздуха. При газификации твердого топлива воздухом, обогащенным кислородом, содержание азота может быть существенно снижено /Коллеров Л.К. Газомоторные установки. - М., Л., Машгиз, 1951, с. 18), при этом его низшая теплотворность повышается с 1160 ккал/нм до 2080 ккал/нм (при 70% концентрации кислорода в сухом дутье), а скорость протекания реакций в активной зоне реактора увеличивается и, соответственно, повышается его производительность. При чисто кислородном дутье достигается теплотворность 2370 ккал/нм (состав газа - 66% СО и 34% Н) /см. также Справочник. «Котельные и электростанции на биотопливе.…», с. 141/.
Кроме того, согласно исследованиям /Мезин И.С., Седов СЛ., Черномордик Б.М. Легкие газогенераторы автотракторного типа. ОНТИ НКТП, 1934, Госмашметиздат/, при использовании генераторного газа падение мощности газопоршневых двигателей может достигать 60% от номинальной. Путем повышения степени сжатия можно снизить падение мощности до 35%, однако для современных двигателей со степенью сжатия 7…15 это трудно достижимо. Таким образом, эффект повышения активной мощности газопоршневых двигателей-генераторов и, соответственно, выходной электрической мощности практически достигается повышением теплотворности газового топлива за счет перехода на кислородное дутье.
3
При газификации твердого топлива с содержанием влаги 5,6% при высшей теплотворной способности 5080 ккал/кг удельный расход воздуха составляет 2,18 нм/кг / см. Справочник. «Котельные и электростанции на биотопливе.…», с. 132/. При пересчете на влажное топливо с 70% содержанием влаги низшая теплотворная способность составит ~ 4800 ккал/кг (5,57 кВтч/кг), энергосодержание 30 кг сухого вещества составит 167 кВтч. При энергетической утилизации по предлагаемому способу 100 кг таких твердых отходов будет выработано (на выходе энергосилового блока по базовой схеме с газопоршневыми агрегатами, при КПД преобразования энергии топливного газа в электроэнергию 80% с учетом расхода 44 кВт на сушку топлива за счет рекуперации потерь тепла) -100 кВтч электроэнергии.
3
3
3
3
Существующие установки электролиза воды расходуют 4,1…4,5 кВтч/нм водорода. Таким образом, 100 кВтч электроэнергии позволят получить 22,2…23,4 нм водорода и, соответственно, 11,2…11,7 нм кислорода, что составляет для выбранных исходных данных 85…89% расхода кислорода на газификацию топлива (13,1 нм). С учетом значительного разброса параметров составляющих исходного сырья (отходов), а также эффективности электролизеров возможна практически полная замена воздушного дутья кислородным.
Во-вторых, обеспечивается развитие инфраструктуры водородной энергетики за счет введения дополнительно стадии водородной генерации и, соответственно, водородной заправочной станции для водородного транспорта (на топливных элементах) с низкой себестоимостью водорода ввиду использования низкосортного сырья - отходов с нулевой и отрицательной стоимостью.
В-третьих, дополнительно могут быть снижены габариты и, соответственно, повышена мобильность установки за счет того, что агрегаты станции конструктивно могут быть интегрированы (объединены) в единый мобильный модуль, размещаемый на транспортной платформе автомобильного базирования, причем в качестве энергоагрегата может использоваться силовой автомобильный газопоршневой двигатель/тяговый агрегат транспортной платформы, при этом водородная заправочная станция в составе электролизера, резервуаров для водорода и кислорода и емкости для воды может быть смонтирована на прицепе.