Гибридная углеиспользующая электрохимическая энергоустановка с выводом из цикла диоксида углерода

Полезная модель относится к области электрохимии, а также теплоэнергетики и может быть использована при создании углеипользующих высокоэкономичных гибридных энергоустановок с работающими на продуктах газификации угля топливными элементами для непосредственного преобразования химической энергии в электрическую в сочетании с традиционными газотурбинными и паротурбинными установками, утилизирующими теплоту выхлопных газов электрохимической энергоустановки. Энергоустановка, содержит систему приготовления угля СПУ 1, воздухоразделительную установку ВРУ, охлаждаемый газификатор угля ОГУ 3, соединенный на входе с СПУ 1 и с кислородным выходом ВРУ 2, систему очистки СОЧ 8 продуктов газификации угля, реактор паровой конверсии РПК 10.1, батарею 12 работающих на топливном газе твердооксидных топливных элементов (ТОТЭ), компрессор 13 для подачи сжатого воздуха в батарею 12, дожигатель 15 анодных газов, первую утилизационную газотурбинную энергоустановку ГТУ 16, подключенную к выходу дожигателя 15, а также систему регенерации остаточного тепла. Отличие: линия подвода окислителя к дожигателю 15 также соединена с кислородным выходом ВРУ 2, выхлопная часть газовой турбины ГТУ 16 подключена через теплообменники системы регенерации тепла к хранилищу диоксида углерода, образующегося при кислородном дожигании анодных газов в дожигателе 15, а к воздушному выходу батареи 12 подключена вторая утилизационная ГТУ 20. Достигаемым техническим результатом полезной модели является обеспечение вывода диоксида углерода из цикла гибридной установки. 1 нез. п. ф-лы, 1 ил.

Область техники, к которой относится полезная модель

Полезная модель относится к области электрохимии, а также теплоэнергетики и может быть использована при создании углеипользующих высокоэкономичных гибридных энергоустановок с работающими на продуктах газификации угля топливными элементами для непосредственного преобразования химической энергии в электрическую в сочетании с традиционными газотурбинными и паротурбинными установками, утилизирующими теплоту выхлопных газов электрохимической энергоустановки.

Уровень техники

Известна гибридная углеиспользующая электрохимическая энергоустановка, содержащая систему приготовления угля, воздухоразделительную установку, охлаждаемый газификатор угля, соединенный на входе с указанной системой приготовления угля и с кислородным выходом указанной воздухоразделительной установки, систему очистки продуктов газификации угля, реактор паровой конверсии содержащегося в указанных продуктах газификации оксида углерода для увеличения доли водорода в топливном газе, батарею работающих на указанном топливном газе твердооксидных топливных элементов (ТОТЭ), компрессор для подачи сжатого воздуха в указанную батарею в качестве окислителя, дожигатель анодных газов указанной батареи с линией подвода к нему окислителя, утилизационную газотурбинную энергоустановку, подключенную к выходу указанного дожигателя, а также систему регенерации остаточного тепла, включая тепло охлаждения указанного газификатора (Безносова Д.С. и др. / Перспективы применения гибридных энергоустановок на основе твердооксидных топливных элементов с внутрицикловой газификацией углей // Теплоэнергетика 9, 2011, с.63-66) - ближайший аналог. Недостатком данной известной гибридной энергоустановки является выброс значительного количества обладающего парниковым эффектом диоксида углерода (CO₂), образующегося при дожигании анодного газа в воздушной среде и трудно выводимого из цикла из-за наличия в продуктах дожигания других газовых примесей.

Раскрытие полезной модели

Достигаемым техническим результатом полезной модели является обеспечение вывода диоксида углерода из цикла гибридной установки, выполненной согласно ближайшему аналогу.

Указанный технический результат обеспечивается тем, что в гибридной углеиспользующей электрохимической энергоустановке, содержащей систему приготовления угля, воздухоразделительную установку, охлаждаемый газификатор угля, соединенный на входе с указанной системой приготовления угля и с кислородным выходом указанной воздухоразделительной установки, систему очистки продуктов газификации угля, реактор паровой конверсии содержащегося в указанных продуктах газификации оксида углерода для увеличения доли водорода в топливном газе, батарею работающих на указанном топливном газе ТОТЭ, компрессор для подачи сжатого воздуха в указанную батарею в качестве окислителя, дожигатель анодных газов указанной батареи с линией подвода к нему окислителя, утилизационную газотурбинную энергоустановку, подключенную к выходу указанного дожигателя, а также систему регенерации остаточного тепла, включая тепло охлаждения указанного газификатора, согласно полезной модели линия подвода окислителя к указанному дожигателю также соединена с кислородным выходом указанной воздухоразделительной установки, выхлопная часть газовой турбины указанной газотурбинной энергоустановки подключена через теплообменники указанной системы регенерации тепла к хранилищу диоксида углерода, образующегося при кислородном дожигании анодных газов в указанном дожигателе, а к воздушному выходу указанной батареи подключена вторая утилизационная газотурбинная энергоустановка.

Причинно-следственная связь между отличительными признаками полезной модели и достигаемым техническим результатом связана с тем, что соединение линии подвода окислителя к дожигателю с кислородным выходом воздухоразделительной установки исключает необходимость очистки выводимого из цикла диоксида углерода от других воздушных примесей, что делает такую схему вывода CO₂ из цикла экономически привлекательной, подключение выхлопная часть газовой турбины указанной газотурбинной энергоустановки через теплообменники системы регенерации тепла к хранилищу диоксида углерода непосредственно реализует вывод CO₂ из цикла, а подключение второй утилизационной энергоустановки к воздушному выходу батареи топливных элементов компенсирует энергетические потери, связанные с исключением при отводе CO₂ из цикла подачи отработавшего в указанной батарее нагретого сжатого воздуха в первую утилизационную газотурбинную установку.

Краткое описание чертежа

На чертеже представлена принципиальная схема гибридной электрохимической установки согласно полезной модели.

Подробное описание полезной модели

Гибридная углеиспользующая электрохимическая энергоустановка, содержит: систему приготовления угля СПУ 1; воздухоразделительную установку ВРУ 2 с кислородным и азотным выходами соответственно 2.1 и 2.2; охлаждаемый газификатор угля ОГУ 3, соединенный на входе линией 4 с СПУ 1 и линиями 5, 6 с кислородным выходом 2.1 указанной ВРУ 2, причем на линии 5 установлен первый компрессор 7; систему очистки СОЧ 8 продуктов газификации угля, в частности, от пыли и сернистых соединений, соединенную на входе линией 9 с выходом ОГУ 3; систему 10 конверсии, включающая реактор паровой конверсии РПК 10.1 содержащегося в указанных продуктах газификации оксида углерода для увеличения доли водорода в топливном газе и байпасную линию 10.2; подключенную к выходу системы 10 конверсии линию 11 топливного газа; батарею 12 работающих на указанном топливном газе ТОТЭ; второй компрессор 13 для подачи сжатого воздуха в качестве окислителя по линии 14 в указанную батарею 12; дожигатель 15 анодных газов батареи 12, соединенный линией 5 подвода к нему окислителя с кислородным выходом 2.1 ВРУ 2; первую утилизационную газотурбинную энергоустановку ГТУ 16, подключенную к выходу указанного дожигателя 15 и систему регенерации остаточного тепла, которая будет подробнее описана ниже. Выхлопная часть газовой турбины ГТУ 16 подключена через группу 17 теплообменников указанной системы регенерации тепла и влагоотделитель 18 к хранилищу диоксида углерода (на чертеже не показано), образующегося при кислородном дожигании анодных газов в дожигателе 15, при этом для ограничения температуры в дожигателе 15 предусмотрена линия 19 рециркуляции CO₂ . К воздушному выходу указанной батареи 12 ТОТЭ подключена вторая утилизационная ГТУ 20. Система регенерации остаточного тепла включает в себя ряд взаимосвязанных теплообменников, обеспечивающих охлаждение газификатора ОГУ 3 и потока увлажненного диоксида углерода на выхлопе ГТУ 16, а также выработку водяного пара, подаваемого на конверсию газообразных продуктов переработки угля. В частности, в состав теплообменного оборудования системы регенерации остаточного тепла входят расположенный в нижней части ОГУ 3 парогенератор 21, соединенный по холодной воде с подающей линией 22, на которой установлен насос 23 и экономайзер 17.1 указанной группы 17 теплообменников, по горячей воде - параллельно с теплообменниками 24 и 25 с образованием замкнутых контуров циркуляции теплоносителя системы охлаждения ОГУ-3 и по пару - последовательно с пароперегревателем 26 системы охлаждения ОГУ 3 и пароперегревателем 17.3 указанной группы 17, соединенный на выходе линиями 27-29 соответственно с реакторной частью газификатора ОГУ 3, реактором паровой конверсии РПК 10.1 и отводом пара на собственные нужды. Теплообменник 17.2 этой группы служит воздухоподогревателем, установленным на линии 14 подачи сжатого воздуха в качестве окислителя в батарею 12 ТОТЭ.

Работа энергоустановки

Гибридная углеиспользующая электрохимическая энергетическая установка согласно полезной модели работает следующим образом. Поступающий с топливного склада уголь подается в СПУ, где очищается от мусора, измельчается и сушится, после чего по линии 4 подается в газификатор ОГУ 3. в который одновременно по линии 5, 6 с помощью компрессора 7 в качестве окислителя подается кислород от ВРУ 2. Газообразные продукты газификации из ОГУ 3 поступают в систему очистки СОЧ 8, где, в основном, осуществляется их обеспыливание и химическая очистка от сернистых соединений. Из ВРУ 2 очищенные газообразные продукты газификации направляются в реактор паровой конверсии РПК 10.1 для получения в окончательном виде обогащенного водородом топливного газа, который по линии 11 подается в батарею 12 ТОТЭ. Одновременно в ту же батарею 12 подается в качестве окислителя от компрессора 13 через воздухоподогреватель 17.2 сжатый воздух. В результате электрохимического взаимодействия топливного газа и воздуха на ТОТЭ осуществляется непосредственное преобразование химической энергии топлива в электрическую энергию, которая подается потребителю. Отработавшие в ТОТЭ высокотемпературные потоки анодных газов для дополнительной выработки электроэнергии направляются через дожигатель 15 в первую утилизационную ГТУ 16, а отработавший в качестве окислителя нагретый сжатый воздух - во вторую утилизационную ГТУ 20. Благодаря тому, что в дожигатель 15 в качестве окислителя по линии 5 подается не воздух, а кислород, отработавшие в ГТУ 16 выхлопные газы представляют собой увлажненный диоксид углерода, который после осушки во влагоотделителе 18 направляется в специальное хранилище, в качестве которого обычно используются заброшенные подземные шахтные выработки.

Гибридное сочетание электрохимической и теплоиспользующих энергетических установок при работе на дешевом топливе позволит обеспечить высокую степень экономичности такой электростанции.

Гибридная углеиспользующая электрохимическая энергоустановка, содержащая систему приготовления угля, воздухоразделительную установку, охлаждаемый газификатор угля, соединенный на входе с указанной системой приготовления угля и с кислородным выходом указанной воздухоразделительной установки, систему очистки продуктов газификации угля, реактор паровой конверсии содержащегося в указанных продуктах газификации оксида углерода для увеличения доли водорода в топливном газе, батарею работающих на указанном топливном газе твердооксидных топливных элементов, компрессор для подачи сжатого воздуха в указанную батарею в качестве окислителя, дожигатель анодных газов указанной батареи с линией подвода к нему окислителя, утилизационную газотурбинную энергоустановку, подключенную к выходу указанного дожигателя, а также систему регенерации остаточного тепла, включая тепло охлаждения указанного газификатора, отличающаяся тем, что линия подвода окислителя к указанному дожигателю также соединена с кислородным выходом указанной воздухоразделительной установки, выхлопная часть газовой турбины указанной газотурбинной энергоустановки подключена через теплообменники указанной системы регенерации тепла к хранилищу диоксида углерода, образующегося при кислородном дожигании анодных газов в указанном дожигателе, а к воздушному выходу указанной батареи подключена вторая утилизационная газотурбинная энергоустановка.