Энергетический комплекс на основе газификации отходов биомассы

Изобретение относится к энергетике, а точнее - к устройству энергетического комплекса (ЭК) на основе газификации отходов биомассы (БМ) и может быть использовано для обеспечения тепловой и электрической энергией потребителей, которые не подключены к централизованным сетям электро- и теплоснабжения.

Известны технические решения по устройству ЭК на основе газификации БМ, в частности мусора и твердых бытовых отходов (ТБО) в газогенераторных установках, обеспечивающие процесс термического разложения этих отходов под действием высоких температур (до 1100°C) в процессе горения отходов при ограниченном доступе воздуха. Получаемый в таких установках газ может использоваться в качестве топливного газа для котельных и как моторный газ для двигателей внутреннего сгорания (RU 2303192 С1, МКП F22B 33/18, C10J 3/86 от 29.06.2006, публ. 20.07.2007, Бюл. №20 «Комплекс газотеплоэлектрогенераторный»). Однако из-за наличия в генераторном газе продуктов сгорания и азота воздуха полученный топливный газ обладает низкой теплотворной способностью и ограниченными возможностями применения в качестве моторного топлива. Кроме того, такого рода газогенераторные установки не подходят для газификации биомассы с высокой влажностью из-за высокого потребления энергии для предварительной сушки БМ.

Известны схемы энергетических комплексов (ЭК), обеспечивающие получение тепловой и электрической энергии за счет использования в качестве топлива горючего газа, образующегося в результате процесса сверхкритической водной газификации (SCWG) БМ, одна из которых описана в патенте (патент US №20170066982 МПК C02F 11/086, 2014). Согласно описанию, ЭК обеспечивает сжатие и нагрев потока водной суспензии газифицируемой БМ для перевода в сверхкритическое состояние и его газификации с получением топливного газа, который далее используется для обеспечения работы турбины электрогенератора. ЭК содержит противоточный теплообменник, газожидкостный сепаратор и турбину. При этом, предварительно подготовленная водная суспензия газифицируемой БМ направляется насосом через 1-й входной канал низкотемпературной стороны теплообменника, в то время как с противоположной высокотемпературной стороны теплообменника в его 2-й канал направляется поток после обработки в реакторе. Таким образом, в устройстве обеспечивается рекуперативный теплообмен между встречными потоками газифицируемой суспензии БМ и движущимся во встречном направлении высокотемпературным потоком, выходящим из реактора. Сепаратор газ/жидкость с входным патрубком, подключенным к высокотемпературному выходу 1-го канала теплообменника, обеспечивает разделение парогазовой и жидкой фаз обработанного потока, и формирует на выходе поток жидкой рабочей среды в субкритическом состоянии, который возвращается через 2-й высокотемпературный проточный канал теплообменника. Турбина работает на выделенном газожидкостным сепаратором топливном газе.

Описанное устройство имеет следующие недостатки:

- неэффективность из-за потери потенциальной энергии парогазовой смеси, образующейся при работе ЭК;

- ненадежность работы вследствие возникновения пробок, забивающих каналы противоточного теплообменника вследствие образования твердого осадка из растворенных в БМ минеральных солей, интенсивно осаждающихся при переходе нагретой суспензии БМ в сверхкритическое состояние.

Известное решение (Matsumura Y. et al., JP 2008249207, МПК A61C 13/07, публ. 16.10.2008) описывает ЭК, который обеспечивает более эффективную выработку энергии с использованием топливного газа, содержащего метан (СН₄ водород (Н₂) и углекислый газ (CO₂), полученного при SCWG БМ. Энергетический комплекс содержит: устройство предварительной подготовки суспензии БМ, SCWG-реактор, генератор энергии, работающий на вырабатываемом топливном газе, теплообменный аппарат для нагрева реактора путем сжигания части вырабатываемого топливного газа в кислородсодержащем газе, предварительного подогревателя для рекуперативного нагрева смеси топливного газа с кислородсодержащим газом теплом выхлопных газов, исходящих из генератора энергии или теплообменного аппарата для нагрева реактора, или теплообменный аппарат для нагрева находящейся при высоком давлении суспензии БМ.

Известен ЭК, в котором широко используется возможность рекуперации тепловой энергии материальных потоков, является ЭК, описанный в патенте [Wada et al., US 20170073594 МПК C10J 3/76, C10J 3/86, 2014 г. (РСТ JP 2014/055692; WO 2014JP55692, публ. 05032014), публ.16.03.2016].

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является энергетический комплекс, описанный в [Kruse A., Hydrothermal biomass gasification. / J. of Supercritical Fluids, 47 (2009), 391-399], содержащий бункер биомассы, блок подготовки и хранения водной суспензии биомассы, резервуар с водным конденсатом, насосы высокого давления (НВД), экономайзер-теплообменник противоточного типа, предварительный подогреватель, вертикально расположенный реактор, корпус которого содержит два входных, газоотводящий и выходной патрубки, причем два входных и газоотводящий патрубки выполнены в верхней, а выходной патрубок - в нижней части корпуса реактора, шлюз для отвода продуктов реакции в жидкой и твердой фазе, конденсатор, газожидкостный сепаратор, нижний патрубок которого через регулируемый дроссельный клапан соединен с резервуаром для сбора водного конденсата, скруббер для очистки газовой смеси от CO₂, газовый выход которого соединен с газобаллонной рампой, газовый двигатель с электрогенератором, подключенный к газобаллонной рампе через регулирующий редуктор, при этом, первый НВД подключен к блоку подготовки водной суспензии биомассы, а его напорный патрубок соединен с 1-м контуром экономайзера и, далее, с 1-м входным патрубком реактора, второй НВД, подключен к резервуару с водным конденсатом, а его напорный патрубок соединен со 2-м контуром экономайзера и через контур предварительного подогревателя со 2-м входным патрубком реактора, а выход 3-го контура экономайзера соединен с конденсатором и, далее, с газожидкостным сепаратором.

Указанное устройство ЭК принято в качестве прототипа.

Преимуществом ЭК - прототипа является раздельный рекуперативный нагрев водной суспензии биомассы и воды в экономайзере с последующим перегревом сверхкритического потока воды в предварительном подогревателе с использованием тепла отходящих дымовых газов двигателя электростанции, и организация перемешивания перегретого сверхкритического потока воды с нагретым до субкритической температуры потоком биомассы в полости реактора.

В то же время, устройство прототипа обладает недостатками, суть которых:

- во-первых, в том, что при производстве электроэнергии, как наиболее ценного, универсального и ликвидного энергоресурса, не эффективно используется эксергия образующейся на выходе реактора высокоэнтальпийной парогазовой смеси, что приводит к снижению энергетической и экономической эффективности работы ЭК;

- во-вторых, в зависимости степени перегрева потока воды в предварительном подогревателе от температуры и объема дымовых газов, которые, в свою очередь, привязаны к режиму работы газового двигателя, обусловленному волатильностью текущей потребности в электрической мощности, что снижает управляемость ЭК, рассматриваемого в качестве технологического инструмента для газификации отходов биомассы с получением топливного газа в виде накапливаемого в газобаллонной рампе энергетического ресурса.

Технический результат изобретения заключается в повышении энергетической и экономической эффективности, управляемости энергетического комплекса, а также в повышении функциональности за счет возможности его использования в качестве накопителя энергии для режимов пикового потребления электрической мощности.

Указанный технический результат достигается тем, что энергетический комплекс на основе газификации отходов биомассы, содержащий бункер биомассы, блок подготовки и хранения водной суспензии биомассы, резервуар с водным конденсатом, насосы высокого давления (НВД), экономайзер-теплообменник противоточного типа, предварительный подогреватель, вертикально расположенный реактор, корпус которого содержит два входных, газоотводящий и выходной патрубки, причем два входных и газоотводящий патрубки выполнены в верхней, а выходной патрубок - в нижней части корпуса реактора, шлюз для отвода продуктов реакции в жидкой и твердой фазе, конденсатор, газожидкостный сепаратор, нижний патрубок которого через регулируемый дроссельный клапан соединен с резервуаром для сбора водного конденсата, скруббер для очистки газовой смеси от СО₂, газовый выход которого соединен с газобаллонной рампой, газовый двигатель с электрогенератором, подключенный к газобаллонной рампе через регулирующий редуктор, при этом, первый НВД подключен к блоку подготовки водной суспензии биомассы, а его напорный патрубок соединен с 1-м контуром экономайзера и, далее, с 1-м входным патрубком реактора, второй НВД, подключен к резервуару с водным конденсатом, а его напорный патрубок соединен со 2-м контуром экономайзера и через контур предварительного подогревателя со 2-м входным патрубком реактора, а выход 3-го контура экономайзера соединен с конденсатором и, далее, с газожидкостным сепаратором, отличающийся тем, что энергетический комплекс снабжен парогазовой турбиной с электрогенератором, установленной между газоотводящим патрубком реактора и входным патрубком 3-го контура экономайзера, при этом напорный патрубок второго НВД соединен со 2-м контуром экономайзера через систему охлаждающих каналов конденсатора, теплоэнергетическим блоком, содержащим рекуперативный контур с циркуляционным насосом, двумя теплообменниками газ/жидкость с патрубками для жидкого теплоносителя, каждый из которых выполнен, по крайней мере, из двух секций, бойлером и блоком дымососа с третьим теплообменником газ/жидкость, газовый канал которого включен в канал отвода выхлопных газов перед выхлопной трубой ЭК, газовый канал первого теплообменника, содержащего не менее двух секций, включен в канал отвода выхлопных газов между блоком дымососа и газовым двигателем, а второго - в канал подачи кислородсодержащего газа (воздуха), контур жидкого теплоносителя, охватывающий циркуляционный насос, охлаждающий контур теплообменника дымососа, охлаждающий контур первого теплообменника, нагревающий контур второго теплообменника и греющий контур бойлера, охлаждающий канал которого включен в контур горячего водоснабжения, газовой горелкой интегрированной в конструкцию предварительного подогревателя и подключенной через регулирующий редуктор к газобаллонной рампе.

Кроме того, у рекуперативного контура теплоэнергетического блока газовый канал третьего теплообменника сопряжен с каналом отвода выхлопных газов перед выхлопной трубой ЭК, газовый канал второго теплообменника сопряжен с каналом подачи кислородсодержащего газа (воздуха).

Кроме того, дымосос и третий теплообменник газ/жидкость интегрированы в единый блок, установленный перед выхлопной трубой ЭК, входной патрубок охлаждаемого жидким теплоносителем канала теплообменника, соединен трубопроводом с циркуляционным насосом, а выходной - с входным патрубком нижней по потоку выхлопных газов секции первого теплообменника газ/жидкость, входящего в состав теплового блока, выходной патрубок первого теплообменника соединен с входным патрубком нижней по потоку воздуха секции второго теплообменника. Второй НВД, подключенный к резервуару с водным конденсатом, выполнен, по крайней мере, из 2-х последовательно включенных секций, причем участок трубопровода между 1-й и 2-й секцией НВД снабжен мембранным фильтром. Входящие трубопроводы 1-го и 2-го НВД выполнены с ответвлениями, соединенными между собой перемычкой с управляемым запорным клапаном, при этом, управляемыми запорными клапанами оснащены, также, и участок трубопровода между резервуаром с суспензией биомассы и перемычкой, и участок трубопровода между резервуаром водного конденсата и перемычкой, участок трубопровода на входе в блок подготовки и хранения водной суспензии биомассы, и участок трубопровода подачи водного конденсата на входе в резервуар с водным конденсатом. Конструкция конденсатора и газожидкостного сепаратора выполнена в едином конструктивном блоке.

Изобретение поясняется чертежом, на котором изображена схема ЭК с основными элементами и блоками технологического оборудования.

ЭК содержит размещенные в общем контейнере бункер биомассы 1, блок подготовки и хранения водной суспензии биомассы 2, резервуар с водным конденсатом 3, насосы высокого давления (НВД) 4_/1÷4_/4, экономайзер-теплообменник противоточного типа 5, предварительный подогреватель 6, вертикально расположенный реактор 7, корпус которого содержит два входных, газоотводящий и выходной патрубки, причем два входных и газоотводящий патрубки выполнены в верхней, а выходной патрубок - в нижней части корпуса реактора, шлюз для отвода продуктов реакции в жидкой и твердой фазе 8, конденсатор 9, газожидкостный сепаратор 10, нижний патрубок которого через регулируемый дроссельный клапан 11_/1 соединен с резервуаром для сбора водного конденсата 12, скруббер для очистки газовой смеси от CO₂ 14, газовый выход которого соединен с газобаллонной рампой 15, газовый двигатель с электрогенератором 16, подключенный к газобаллонной рампе 15 через первый регулирующий редуктор 17_/1.

Напорный патрубок 1-го НВД 4_/1 подключенного к блоку подготовки водной суспензии биомассы 2 через запорный клапан 18_/1, соединен с 1-м контуром экономайзера 5 и, далее, с 1-м входным патрубком реактора 7. Первая секция 2-го НВД 4_/2 подключена через запорный клапан 18_/2 к резервуару с водным конденсатом 3, напорный патрубок этой секции НВД присоединен к входному патрубку мембранного фильтра 19, напорный патрубок которого подключен к входу второй секции НВД 4_/3, при этом, напорный патрубок второй секции НВД 4_/3 подключен к 2-му контуру экономайзера через систему охлаждающих каналов конденсатора 9, и через канал предварительного подогревателя 6 к 2-му входному патрубку реактора 7. Выход 3-го контура экономайзера 5 соединен с конденсатором 9 и, далее, с газожидкостным сепаратором 10.

Парогазовая турбина 20 с электрогенератором, установлена между газоотводящим патрубком реактора 7 и входным патрубком 3-го контура экономайзера 5.

Теплоэнергетический блок 21, содержит рекуперативный контур с двумя теплообменниками газ/жидкость 22,23, бойлер 24 и блок дымососа с теплообменником газ/жидкость 25, газовый канал которого включен в канал отвода выхлопных газов 26 перед выхлопной трубой ЭК 27. Газовый канал первого теплообменника 22 включен в канал отвода выхлопных газов 26 между блоком дымососа и газовым двигателем, а второго 23 - в канал подачи воздуха 28. Контур жидкого теплоносителя теплоэнергетического блока включает циркуляционный насос 29, охлаждающий контур теплообменника дымососа 25, охлаждающий контур первого теплообменника 22, нагревающий контур второго теплообменника 23 и греющий контур бойлера 24, охлаждающий канал которого включен в контур горячего водоснабжения (Контур ГВС). Блок дымососа 25 интегрирован в единый корпус с теплообменником газ/жидкость, газовый канал которого включен в трубопровод выхлопных газов 26.

Газовая горелка (не показана) интегрирована в конструкцию предварительного подогревателя 6 и подключена через второй регулирующий редуктор 17_/2 к газобаллонной рампе 15. Предварительный подогреватель содержит теплоизолированный канал для вывода выхлопных газов от газовой горелки, который, посредством теплоизолированного газохода, соединен с начальным участком теплоизолированного выхлопного трубопровода 26.

Входящие трубопроводы 1-го и 2-го НВД выполнены с ответвлениями, которые соединены между собой перемычкой с управляемым запорным клапаном 18_/3, при этом участок трубопровода между резервуаром с суспензией биомассы 2 и перемычкой также снабжен управляемым запорным клапаном 18_/1.

Контур подачи водного конденсата содержит резервуар для конденсата 12, фильтр 30 и насос 31. При этом, на линии подачи конденсата в резервуар с водой установлен управляемый запорный клапан 18_/4, предназначенный для управления подачей конденсата в резервуар 3.

На линии подачи конденсата в блок подготовки водной суспензии биомассы 2 также установлен управляемый запорный клапан 18_/5, предназначенный для управления подачей конденсата в блок 2.

Также в ЭК может использоваться отдельный резервуар для абсорбента 32, который трубопроводом через дросселирующий клапан 11_/2 соединен с нижней частью скруббера CO₂, выполняющего функцию очистки реакционной смеси газов от углекислого газа, являющегося негорючей компонентой газовой смеси.

Секции компрессора 13_/1,2 включены в поток газовой смеси до 13_/1 и после 13_/2 скруббера 14. Они позволяют обеспечить надлежащие условия для газоочистки смеси в скруббере и компремирование очищенного от CO₂ топливного газа до установленного значения давления топливного газа в накопительной ГБР 15.

Газоотводящие трубопроводы 33, выполненные на каждом из резервуаров 12, 32, и предназначены для безопасного отвода «на свечу» горючих или дурно пахнущих газовых примесей, выделяющихся после сброса давления из конденсата и адсорбента в процессе их дегазации при атмосферном давлении.

ЭК работает следующим образом.

Поставляемые на переработку в форме древесных опилок, опавшей листвы, соломы, торфа, жидких навозных стоков, птичьего помета, спиртовой барды и т.п. отходы БМ поступают в приемный бункер 1. Здесь происходит измельчение органических отходов, которые подаются, далее, в блок подготовки и хранения водной суспензии биомассы 2. В блоке 2 биомасса перерабатываются в пригодную для нормальной работы НВД однородную мелкодисперсную суспензию, которая, после открытия запорного клапана 18_/1, начинает поступать на вход НВД и, далее, во второй нагнетательный канал экономайзера 5, представляющего собой противоточный теплообменник с двумя нагревающими и одним охлаждающим каналами.

До начала работы ЭК с подачей БМ, согласно предпусковому регламенту парогазового контура ЭК, выполняется пусковой режим на водном конденсате (без подачи биомассы), в ходе которого осуществляется предварительный прогрев технологического оборудования и арматуры. Пусковой режим заканчивается после достижения установленного значения температуры и давления материальных потоков на выходе из канала экономайзера, и выхода парогазовой турбины в рабочий режим.

После окончания пускового режима, клапан 18_/3 закрывается с одновременным открытием клапана 18_/1. В результате суспензия БМ под сверхкритическим давлением начинает поступать на вход НВД 4_/1 и, далее, через первый нагнетательный канал экономайзера 5 и соответствующий выходной патрубок нагретый поток БМ подается через первый входной патрубок реактора в полость реактора, где в результате смешения с перегретым сверхкритическим водным потоком газифицируется. В процессе газификации при сверхкритических условиях растворенные в потоке биомассы неорганические примеси (соли калия, кальция, фосфора, серы и аммиак) вступают в химические связи и осаждаются в нижней части SCWG-реактора в форме нерастворимого в сверхкритической воде минерального осадка. Одновременно, парогазовая смесь, содержащая пары воды и образовавшиеся в процессе газификации газы (главным образом, СН₄, Н₂ и CO₂), через газоотводящий патрубок, выходящий из верхней части корпуса реактора, поступают на вход парогазовой турбины, где обеспечивают вращение ротора турбины с передачей соответствующего вращающего момента на ротор электрогенератора турбины, осуществляющего генерацию электрической мощности.

Парогазовая смесь с выхода из турбины поступает во входной патрубок 3-го контура экономайзера 5, в котором передает тепловую энергию проходящим по 1-му и 2-му контуру во встречном направлении потокам водной суспензии биомассы и водного конденсата и, далее, в конденсатор, охлаждаемый нагнетаемым (посредством НВД 4_/3) потоком водного конденсата. После конденсатора парогазовая смесь разделяется в газожидкостном сепараторе 10, откуда поток газовой смеси компримируется посредством входной секции компрессора 13_/1 и направляется в скруббер для очистки от СО₂, а поток водного конденсата через регулируемый дроссельный клапан 11_/1 поступает в резервуар сбора конденсата 12.

После выхода и скруббера 14, очищенный от СО₂ газ, содержащий преимущественно горючие компоненты (Н₂ и СН₄), компримируется в секциях компрессора 13_/2 До заданного давления и направляется для накопления и энергетического использования в ГБР 15, откуда через регулирующие редукторы 17_/1,2 обеспечивается работа газовой горелки предварительного подогревателя 6 и электростанции 16, осуществляющей регулирование потребляемой электрической мощности, вырабатываемой с использованием одного из возможных видов электрогенерирующих источников: например, газового двигателя, газовой турбины, двигателя Стерлинга, термоакустического двигателя или батареи топливных элементов.

Установка парогазовой турбины (ПТТ) с электрогенератором в промежутке между газоотводящим патрубком реактора и входным патрубком 3-го контура экономайзера обеспечивает эффективное использование потенциальной энергии парогазовой смеси с высоким эксергетическим потенциалом для получения электрической мощности и, как следствие, повышения энергетической и экономической эффективности, и электрической мощности энергетического комплекса.

Исполнение теплоэнергетического блока в форме рекуперативного контура с циркуляционным насосом, двумя теплообменниками газ/жидкость с патрубками для жидкого теплоносителя, каждый из которых выполнен, по крайней мере, из двух секций, бойлером и блоком дымососа с третьим теплообменником газ/жидкость, газовый канал которого включен в канал отвода выхлопных газов перед выхлопной трубой ЭК, причем газовый канал первого теплообменника, содержащего не менее двух секций, включен в канал отвода выхлопных газов между блоком дымососа и газовым двигателем, а второго - в канал подачи воздуха, контур жидкого теплоносителя, охватывающий циркуляционный насос, охлаждающий контур теплообменника дымососа, охлаждающий контур первого теплообменника, нагревающий контур второго теплообменника и греющий контур бойлера, охлаждающий канал которого включен в контур горячего водоснабжения - обеспечивает эффективную утилизацию тепловой энергии, выбрасываемой в процессе работы ЭК с выхлопными газами электростанции и блока предварительного подогревателя, имеющими температуру 400-450°C. Таким образом, обеспечивается повышение степени рекуперации вторичных тепловых потоков и эффективность использования газового топлива. В сумме это способствует улучшению энергетической и экономической эффективности работы ЭК в режиме когенерации, и дополнительному производству тепловой энергии, что также способствует достижению заявленного технического результата: повышения энергетической и экономической эффективности и тепловой мощности энергетического комплекса.

Исполнение предварительного подогревателя с встроенной газовой горелкой повышает стабильность работы ЭК в режиме накопления топливного газа, поскольку исключает присущую прототипу зависимость степени перегрева потока сверхкритической воды от объемного расхода и температуры выхлопных газов ЭК. Такой результат способствует повышению управляемости и функциональности работы ЭК, и важен, например, в случае работы ЭК в качестве накопителя энергии, обеспечивающего режимы пиковой генерации электрической мощности.

Исполнение второго НВД, подключенного к резервуару с водным конденсатом, в виде насосного агрегата, составленного не менее чем из 2-х последовательно включенных секций, с установкой между секциями мембранного фильтра для обессоливания водного конденсата, подаваемого в теплообменные каналы ЭК, предотвращает отложение солей на горячих стенках теплообменных каналов. Функционально это способствует повышению надежности работы ЭК. Данное исполнение подразумевает, также, реализацию вариантов с технологическим резервированием НВД, что важно для обеспечения технических требований по обеспечению надежности непрерывного процесса работы ЭК.

Исполнение входящих трубопроводов 1-го и 2-го НВД с ответвлениями, соединенными между собой перемычкой с управляемым запорным клапаном и оснащение управляемыми запорными клапанами, также, и участка трубопровода между резервуаром с суспензией биомассы и перемычкой, и участка трубопровода между резервуаром водного конденсата и перемычкой, участка трубопровода на входе в блок подготовки и хранения водной суспензии биомассы, и участка трубопровода подачи водного конденсата на входе в резервуар с водным конденсатом обеспечивает выполнение регламентов запуска и останова, повышает управляемость и надежность работы ЭК, как единого организма.

Выполнение конструкции конденсатора и газожидкостного сепаратора, а также дымососа с теплообменником газ/жидкость, в форме интегрированных в единый блок агрегатов, обеспечивает снижение весогабаритных параметров, стоимости блоков и затрат, связанных с монтажными и пусконаладочными работами, что снижает общую стоимость сооружения ЭК и способствует росту показателей эффективности проектов с использованием ЭК.