термофотоэлектрокаталитическая когенерационная установка для утилизации свалочного биогаза
Классы МПК: | B09B3/00 Уничтожение твердых отходов или переработка их в нечто полезное или безвредное F23D14/18 с использованием катализа для беспламенного горения |
Автор(ы): | Адамович Андрей Борисович (RU), Адамович Борис Андреевич (RU), Васильев Юрий Борисович (RU), Вестяк Анатолий Васильевич (RU), Вестяк Владимир Анатольевич (RU), Лысенко Георгий Павлович (RU) |
Патентообладатель(и): | Адамович Андрей Борисович (RU), Адамович Борис Андреевич (RU), Васильев Юрий Борисович (RU), Вестяк Анатолий Васильевич (RU), Вестяк Владимир Анатольевич (RU), Лысенко Георгий Павлович (RU) |
Приоритеты: |
подача заявки:
2007-10-12 публикация патента:
27.07.2009 |
Изобретение относится к комбинированной выработке тепла и электроэнергии. Установка включает вертикальные газодренажные скважины 8 с конденсатоотводчиками 9 и запорной арматурой для регулирования расхода 10 и контроля качественного состава 11 свалочного биогаза, соединенные газопроводом 12, оснащенным газовым компрессором 13, с газгольдером-конденсатором 14 высокого давления, имеющим запорную арматуру 15, обратный газовый клапан 16, обратный жидкостной клапан 17 и редукционный клапан 18, соединенные последовательно адсорбер 19 типа NaX, адсорбер 20 типа CaA, адсорбер 21 типа NaA с байпасными ветвями 22, 23, 24 и теплообменник 25 предварительного подогрева обогащенного биогазового топлива. Техническим результатом является утилизация свалочного биогаза при использовании безмашинной комбинированной генерации тепла и электрической энергии. 2 ил.
Формула изобретения
Когенерационная установка для утилизации свалочного биогаза, содержащая элемент для сжигания углеводородного топлива в виде инжекционной газовой горелки со светопрозрачной защитной оболочкой, каталитическую структуру на тканевой основе, пропитанную окислами редкоземельных металлов, со светоотдачей в состоянии накаливания в спектральном диапазоне, фотоэлектрическую батарею с границей основной полосы фотоактивного поглощения для данного спектрального диапазона, оптическую систему фокусировки светового потока в виде бифокального эллипсоида вращения с зеркальной внутренней поверхностью, дополнительный блок термоэлектрического преобразования тепловой энергии, отводимой от продуктов сгорания, газовый контур, в который входят газопровод, оснащенный газовым компрессором, газгольдер-конденсатор высокого давления с запорной арматурой, обратным газовым, обратным жидкостным и редукционным клапанами, адсорбер типа NaA с байпасными ветвями и теплообменник предварительного подогрева обогащенного биогазового топлива, и жидкостной теплообменный контур, содержащий рубашку охлаждения блока термоэлектрического преобразования и теплообменник патрубка отвода продуктов сгорания, отличающаяся тем, что газовый контур дополнительно включает вертикальные газодренажные скважины с конденсатоотводчиками и запорной арматурой для регулирования расхода и контроля качественного состава свалочного биогаза, соединенные газопроводом, оснащенным газовым компрессором, с газгольдером-конденсатором высокого давления, адсорбер типа NaX и адсорбер типа CaA, при этом адсорбер типа NaX, адсорбер типа CaA, адсорбер типа NaA и теплообменник предварительного подогрева обогащенного биогазового топлива соединены последовательно, а жидкостной теплообменный контур дополнительно содержит патрубок подвода охлаждающей жидкости и патрубок отвода нагретой жидкости в производственно-технические или коммунально-бытовые системы горячего водоснабжения.
Описание изобретения к патенту
Изобретение относится к теплоэнергетике, в частности к комбинированной выработке тепла и электроэнергии в установках для утилизации свалочного биогаза.
Свалочный биогаз (СБ) образуется в теле мусорных свалок и полигонов для захоронения отходов потребления или твердых бытовых отходов (ТБО) в ходе био-метаногенеза в результате сложных процессов деструкции органических субстратов, содержащихся в ТБО, при участии микробной ассоциации различных анаэробных микроорганизмов и представляет собой газовую смесь из метана CH4 (50÷60%), диоксида углерода СО2, (35÷45%) и незначительных количеств сульфида водорода H2S, азота N2 и водорода H 2.
Общее упрощенное уравнение, описывающее анаэробное газообразование, записывается следующим образом:
Применительно к природным полимерам, таким как крахмал и целлюлоза (x=6; y=10; z=5), общее уравнение химической реакции имеет вид:
Скорость биологического процесса анаэробного газообразования зависит от вида популяции бактерий-деструкторов. Психрофильные бактерии обеспечивают протекание процесса при +5÷+20°С, мезофильные - при +30÷+40°С, термофильные - при +50÷+60°С. Процесс газообразования при более высоких температурах идет быстрее, чем при низких, и характеризуется примерно удвоением выхода биогаза на каждые 5°С.
Для эффективного круглогодичного сбора СБ пригодны мусорные свалки и полигоны для захоронения ТБО, глубина свалочного тела которых составляет не менее 20 метров - отметки, с которой в свалочном теле начинается формирование нейтрального слоя или зоны постоянных годовых температур, которые в каждом климатическом регионе в среднем на 4°С выше среднегодовой температуры окружающего воздуха.
Активная экстракция СБ осуществляется на рекультивированных территориях объектов захоронения через систему вертикальных газодренажных скважин с конденсатоотводчиками и запорной арматурой для регулирования расхода и контроля качественного состава биогаза, соединенных линиями газопроводов, оснащенных компрессионным оборудованием, с системами накопления и утилизации.
К практически значимой и имеющей сегодня техническое воплощение технологии утилизации относится использование обогащенного СБ в качестве топлива в газопоршневых и газотурбинных установках для комбинированной генерации тепла и электрической энергии [1].
Обогащение биогаза, путем снижения содержащихся в нем примесей, целесообразно осуществлять с применением адсорбции на неподвижном слое синтетических цеолитов типа NaA - для паров воды H2O, типа NaX - для сульфида водорода H2S и типа СаА - для диоксида углерода СO2 [2].
Известным энергетическим установкам на основе машинной когенерации присущ ряд общеизвестных существенных недостатков, главными из которых являются следующие:
- сложная организация рабочих процессов, требующая согласованной работы основных и вспомогательных механизмов и агрегатов;
- наличие движущихся деталей и узлов, снижающих надежность и требующих постоянного профессионального и высококвалифицированного технического обслуживания;
- повышенное содержание токсичных веществ в продуктах сгорания, вследствие реализации высокотемпературных процессов воспламенения топлива с относительно высокими значениями рабочих давлений (исключением может стать использование при утилизации СБ газопоршневых энергетических установок с внешним подводом тепла, работающих по термодинамическому циклу Стирлинга).
Известно устройство [3] для осуществления способа термофотоэлектрокаталитического преобразования энергии, выделяемой при сгорании углеводородных топлив, содержащее элемент для сжигания углеводородного топлива в виде инжекционной газовой горелки со светопрозрачной защитной оболочкой, каталитическую структуру на тканевой основе, пропитанную окислами редкоземельных металлов, с высокой светоотдачей в состоянии накаливания в определенном спектральном диапазоне и фотоэлектрическую батарею, с оптимальной для данного спектрального диапазона границей основной полосы фотоактивного поглощения, а также оптическую систему фокусировки светового потока в виде бифокального эллипсоида вращения с зеркальной внутренней поверхностью и дополнительный блок термоэлектрического преобразования тепловой энергии, отводимой от высокотемпературных продуктов сгорания.
Недостатком известного устройства является отсутствие ключевых составляющих, обеспечивающих возможность организации комбинированной генерации тепла и электрической энергии для утилизации СБ.
Технический результат изобретения заключается в улучшении технико-эксплуатационных параметров установок для утилизации СБ при использовании безмашинной термофотоэлектрокаталитической комбинированной генерации тепла и электрической энергии.
Заявленный технический результат достигается следующим образом. Известное устройство, содержащее элемент для сжигания углеводородного топлива в виде инжекционной газовой горелки со светопрозрачной защитной оболочкой, каталитическую структуру на тканевой основе, пропитанную окислами редкоземельных металлов, с высокой светоотдачей в состоянии накаливания в определенном спектральном диапазоне и фотоэлектрическую батарею, с оптимальной для данного спектрального диапазона границей основной полосы фотоактивного поглощения, а также оптическую систему фокусировки светового потока в виде бифокального эллипсоида вращения с зеркальной внутренней поверхностью и дополнительный блок термоэлектрического преобразования тепловой энергии, отводимой от высокотемпературных продуктов сгорания, включает в свой состав газовый контур, в который входят вертикальные газодренажные скважины с конденсатоотводчиками и запорной арматурой для регулирования расхода и контроля качественного состава свалочного биогаза, соединенные газопроводом, оснащенным газовым компрессором, с газгольдером-конденсатором высокого давления, имеющим запорную арматуру, обратный газовый, обратный жидкостной и редукционный клапаны, соединенные последовательно адсорбер типа NaX, адсорбер типа СаА, адсорбер типа NaA с байпасными ветвями и теплообменник предварительного подогрева обогащенного биогазового топлива, а также жидкостной теплообменный контур, содержащий патрубок подвода охлаждающей жидкости, рубашку охлаждения блока термоэлектрического преобразования, теплообменник патрубка отвода продуктов сгорания, а также патрубок отвода нагретой жидкости в производственно-технические или коммунально-бытовые системы горячего водоснабжения.
Процесс термофотоэлектрокаталитической когенерации в предлагаемом устройстве можно представить в виде:
Здесь
O2 - кислород (окислитель);
- длина волны излучаемой световой энергии;
a= 0 - нижняя граница излучаемого светового диапазона;
b= пор - верхняя граница излучаемого светового диапазона;
E - энергия монохроматического излучения;
E - интегральная энергия светового излучения;
tнакаливания - температура накаливания.
На фиг.1 показана схема термофотоэлектрокаталитической когенерационной установки для утилизации СБ, на фиг.2 представлен узел I на фиг.1.
Термофотокаталитическая когенерационная установка для утилизации свалочного биогаза, содержащая элемент для сжигания углеводородного топлива в виде инжекционной газовой горелки 1 со светопрозрачной защитной оболочкой 2, каталитическую структуру 3 на тканевой основе, пропитанную окислами редкоземельных металлов, с высокой светоотдачей в состоянии накаливания в определенном спектральном диапазоне и фотоэлектрическую батарею 4, с оптимальной для данного спектрального диапазона границей основной полосы фотоактивного поглощения, а также оптическую систему фокусировки светового потока в виде бифокального эллипсоида вращения 5 с зеркальной внутренней поверхностью 6 и дополнительный блок 7 термоэлектрического преобразования тепловой энергии, отводимой от высокотемпературных продуктов сгорания, включает в свой состав газовый контур, в который входят вертикальные газодренажные скважины 8 с конденсатоотводчиками 9 и запорной арматурой для регулирования расхода 10 и контроля качественного состава 11 свалочного биогаза, соединенные газопроводом 12, оснащенным газовым компрессором 13, с газгольдером-конденсатором высокого давления 14, имеющим запорную арматуру 15, обратный газовый 16, обратный жидкостной 17 и редукционный 18 клапаны, соединенные последовательно адсорбер 19 типа NaX, адсорбер 20 типа СаА, адсорбер 21 типа NaA с байпасными ветвями 22, 23, 24 и теплообменник 25 предварительного подогрева обогащенного биогазового топлива, а также жидкостной теплообменный контур, содержащий патрубок 26 подвода охлаждающей жидкости, рубашку 27 охлаждения блока 7 термоэлектрического преобразования, теплообменник 28 патрубка 29 отвода продуктов сгорания, а также патрубок 30 отвода нагретой жидкости в производственно-технические или коммунально-бытовые системы горячего водоснабжения (не показаны).
Установка работает следующим образом. Синтезированный в свалочном теле рекультивированного объекта захоронения биогаз отбирается из скважин 8 с конденсатоотводчиками 9 и подается газовым компрессором 13 через газовый обратный клапан 16 в газгольдер-конденсатор 14 высокого давления, в котором происходит конденсация остаточной влаги, содержащейся в биогазе, и усредняется его химический состав. Избыток конденсата удаляется через жидкостной обратный клапан 17 в атмосферу.
Из газгольдера-конденсатора 14 биогаз через запорную арматуру 15 и редукционный клапан 18 поступает в адсорбер 19 с байпасной ветвью 22, где происходит поглощение примесей сульфида водорода H2S. Далее биогаз поступает в адсорбер 20 с байпасной ветвью 23, поглощающий примеси диоксида углерода СO2, а затем в адсорбер 21 с байпасной ветвью 24, в котором происходит глубокая осушка газа, завершающая процесс его обогащения.
Обогащенное биогазовое топливо после предварительного подогрева в теплообменнике 25 поступает в инжекционную газовую горелку 1, в пламени которой каталитическая структура 3, находящаяся в первичной фокальной области бифокального эллипсоида вращения 5 в состоянии накаливания, излучает в определенном спектральном диапазоне световой поток, который после переотражения от зеркальной внутренней поверхности 6 эллипсоида 5, фокусируется во вторичной фокальной области, где располагается фотоэлектрическая батарея 4, с оптимальной для данного спектрального диапазона границей основной полосы фотоактивного поглощения. Фотоэлектрическая батарея 4 эффективно генерирует фото-ЭДС, преобразуя энергию сфокусированного светового потока в электрическую энергию.
Воздух, поступающий во внутренний объем эллипсоида вращения 5, отбирая на входе тепло от нагретой фотоэлектрической батареи 4 (вследствие внутренних потерь, определяемых физическими свойствами полупроводников и конструктивными параметрами батареи в целом), предварительно подогревается, частично инжектируется газовой горелкой 1 и, продолжая движение внутри эллипсоида 5, отбирает тепло (вследствие неполного отражения) от внутренней зеркальной поверхности 6 и от нагретой продуктами сгорания светопрозрачной защитной оболочки 2.
В кольцевом зазоре между оболочкой 2 и блоком 7 термоэлектрического преобразования происходит интенсивная передача тепла от нагретого воздуха к горячим спаям полупроводниковых термоэлементов последнего. При установившейся разности температур между нагреваемыми горячими и охлаждаемыми через рубашку 27 жидкостного охлаждения холодными спаями, термоэлектрический блок 7 генерирует термо-ЭДС, преобразуя тепловую энергию, выделяемую при сгорании обогащенного биогазового топлива, в электрическую энергию.
Остаточное тепло используется для нагрева жидкости, поступающей из патрубка 26, прошедшей через рубашку охлаждения 27 и теплообменник 25 газового контура, в теплообменнике 28 патрубка 29 отвода продуктов сгорания.
Нагретая жидкость через патрубок 30 подается в производственно-технические или коммунально-бытовые системы горячего водоснабжения.
Формулу для определения коэффициента полезного действия (КПД) термофотоэлектрокаталитической когенерационной установки в процессе выработки электроэнергии можно представить в виде:
ТКУ = свет фэ + тэ (1- свет),
где
свет - КПД преобразования энергии, выделяемой при сгорании обогащенного биогазового топлива, в энергию светового излучения;
фэ - КПД фотоэлектрического преобразования;
тэ - КПД термоэлектрического преобразования.
Анализ технических характеристик имеющихся в свободной продаже газовых, бензиновых и керосиновых ламп калийного освещения позволяет принять в расчетах свет. 0,3.
КПД фотоэлектрического преобразования узкоспектрального светового излучения можно оценить по формуле, аналогичной выражению для определения КПД солнечного фотоэлемента [4]:
где
- коэффициент потерь, обусловленный наличием контактной сетки на лицевой поверхности фотоэлемента;
- коэффициент потерь по напряжению;
- коэффициент заполнения вольт-амперной характеристики фотоэлемента;
As 0,95 - интегральная поглощательная способность фотоэлемента;
Q 0,95 - интегральное значение коэффициента собирания.
Для рассматриваемого процесса значение КПД фотоэлектрического преобразования составит фэ 0,47.
При температуре отвода тепла от продуктов сгорания на уровне 400÷450°С реальное значение КПД термоэлектрического преобразования составит тэ 0,08.
Используя промежуточные выкладки, получим значение КПД установки при генерации электрической энергии ТКУ 0,20.
Источники информации
1. Козлов В., Кривоклякин В., Шучев В. Большое будущее когенерации. - Коммунальный комплекс России, 2006, № 4 (22).
2. Колобродов В.Г., Хажмурадов М.А., Карнацевич Л.В., Санковский А. Способы повышения качества биогаза. - Твердые бытовые отходы, 2006, № 8, с.11.
3. Адамович А.Б., Вестяк В.А. Прикладное 3-D моделирование в среде AutoCAD. - GGD (прикладная Gеометрия, инженерная Gрафика, компьютерный Dизайн), 2007, № 1 (7), с.38-42.
4. Грилихес В.А., Орлов П.П., Попов Л.Б. Солнечная энергия и космические полеты. - М.: «Наука», 1984, с.99.
Класс B09B3/00 Уничтожение твердых отходов или переработка их в нечто полезное или безвредное
Класс F23D14/18 с использованием катализа для беспламенного горения