Энерготехнологическая система и котел с торрефикатором биопеллет

Предлагаемая полезная модель относится к использованию гранулированных органических веществ, в частности пеллет из торфа, древесных, сельскохозяйственных, твердых бытовых и других углеродсодержащих отходов в энергетике для получения твердого топлива с улучшенными потребительскими свойствами по сравнению со свойствами исходных пеллет: повышенной теплотворной способностью и гидрофобностью. Полезная модель решает техническую задачу осуществления процесса торрефикации и получения бескислородного теплоносителя с заданной температурой, удовлетворяющего требованиям технологии торрефикации биопеллет. Предлагаемая полезная модель отличается тем, что энерготехнологический комплекс, включающий газопоршневой энергоблок и программатор, предназначенный для управления режимом работы энергоблока с возможностью получения электроэнергии и тепла одновременно в различных пропорциях путем изменения режима работы энергоблока, содержит в качестве исполнительного механизма регулятор расхода воздуха в энергоблок для поддержания задаваемого программатором коэффициента расхода воздуха в интервале 0,95÷1,0, газоводяной теплообменник, в котором нагреваемой средой является вода, а охлаждаемой задаваемая программатором часть отработанных газов энергоблока, а также смеситель оставшейся части отработанных газов энергоблока и охлажденных в теплообменнике, причем комплекс содержит реактор торрефикации гранулированного биотоплива, в котором теплоносителем являются газы, полученные в смесителе. Ил.1.

Предлагаемая полезная модель относится к использованию гранулированных органических веществ, в частности пеллет из торфа, древесных, сельскохозяйственных, твердых бытовых и других углеродсодержащих отходов в энергетике для получения твердого топлива с улучшенными потребительскими свойствами по сравнению со свойствами исходных пеллет: повышенной теплотворной способностью и гидрофобностью. Известно, что пеллеты являются гидрофильными, интенсивно поглощают влагу, что делает невозможным их длительное хранение и транспортировку. Улучшение свойств биопеллет происходит в процессе низкотемпературного пиролиза, который принято в отечественной и зарубежной литературе называть торрефикацией (см., например, Bridgeman TG, Jones JM, Shield I, Williams PT. Torrefaction of reed canary grass, wheat straw and willow to enhance solid fuel qualities and combustion properties. // Fuel- 2008. - Vol.87, 6 - P.844-856). Процесс торрефикации (torrefaction) необходимо осуществлять в бескислородной среде в узком диапазоне температур 250300°C. Верхний температурный предел зависит от материала пеллет: для древесных он близок к 300°С, для пеллет из соломы и пометно-подстилочного материала близок к 250°С. Максимальная температура торрефикации должна быть вне диапазона экзотермических реакций термохимического превращения биоматериала, иначе наступает неконтролируемый саморазогрев пеллет. Поэтому тонкое регулирование температуры и состава газового теплоносителя является необходимым условием процесса.

Предлагаемый энерготехнологический комплекс может найти применение в распределенной малой энергетике, использующей местные энергоресурсы.

Известна когенерационная установка автономного теплоэлектроснабжения, содержащая газопоршневой двигатель, магистраль выхлопных газов, теплоутилизатор выхлопных газов и систему внешнего электро- и теплоснабжения (заявка на изобретение RU 2008104780, МПК F25B 27/02, F25B 30/06).

Недостатком этой установки является жесткая привязанность к системе внешнего электро- и теплоснабжения.

Наиболее близким к предлагаемой полезной модели является комплекс энерготехнологический, включающий газопоршневой энергоблок и программатор, предназначенный для управления режимом работы энергоблока с возможностью получения электроэнергии и тепла одновременно в различных пропорциях путем изменения режима работы энергоблока (RU патент 2421501, МПК F22B 33/18, C10B 49/00, прототип).

Недостатками этого энерготехнологического комплекса является отсутствие в его составе устройств для регулирования температурного потенциала получаемого тепла отработанных газов энергоблока, а также устройства торрефикации биогранул.

Предлагаемый энерготехнологический комплекс решает техническую задачу регулирования температурного уровня тепла отработанных газов энергоблока, а также возможности торрефикации биогранул в бескислородной среде.

Поставленная техническая задача решается тем, что энерготехнологический комплекс, включающий газопоршневой энергоблок и программатор, предназначенный для управления режимом работы энергоблока с возможностью получения электроэнергии и тепла одновременно в различных пропорциях путем изменения режима работы энергоблока, содержит в качестве исполнительного механизма регулятор расхода воздуха в энергоблок для поддержания коэффициента расхода воздуха в интервале 0,95÷1,0, газоводяной теплообменник, в котором нагреваемой средой является вода, а охлаждаемой задаваемая программатором часть отработанных газов энергоблока, а также смеситель оставшейся части отработанных газов энергоблока и охлажденных в теплообменнике, причем комплекс содержит реактор торрефикации гранулированного биотоплива, в котором теплоносителем являются газы, полученные в смесителе.

Сущность предлагаемой полезной модели иллюстрируется схемой, показанной на фиг.1.

Комплекс содержит газопоршневой блок 1, программатор 2, регулятор расхода воздуха 3, тройник 4 с дроссельными заслонками 5, газоводяной теплообменник 6, смеситель 7, реактор-торрефикатор 8, систему эвакуации и обезвреживания газов, выходящих из торрефикатора газов (на фиг.1 не показана). Комплекс содержит также запорно-регулирующую арматуру.

Комплекс работает следующим образом.

В газопоршневом блоке 1 образуются продукты сгорания, имеющие на выходе температуру 600650°C. Для минимизации содержания кислорода при постоянном расходе топлива программатор 2 задает регулятору 3 расход воздуха, обеспечивающий коэффициент расхода воздуха в пределах 0,951,0. При коэффициенте менее 0,95 отработанные газы энергоблока не содержат кислород, но происходит существенный недожог топлива, поэтому для поддержания постоянной мощности на клеммах электрогенератора необходимо увеличивать расход топливно-воздушной смеси, чем снижается эффективный КПД энергоблока. При коэффициенте расхода воздуха более 1,0 в продуктах сгорания содержится кислород в количестве, пропорциональном коэффициенту расхода воздуха, что недопустимо по технологии торрефикации, т.к. может наступить возгорание в реакторе-торрефикаторе. Бескислородные газы при прохождении через тройник 4 разделяются на две части. Соотношение между частями задается дроссельными заслонками 5, управление которыми также осуществляется программатором. Одна часть направляется в газоводяной теплообменник 6, где охлаждается технической водой до температуры заведомо ниже температуры торрефикации, которая задается программатором в зависимости от материала исходных биопеллет (древесина, торф, солома и др.). Другая часть направляется в смеситель 7, куда поступают и охлажденные в теплообменнике газы. Из смесителя газы выходят с температурой и расходом, задаваемыми программатором 2. Часть охлажденных газов направляется на охлаждение торрефицированных пеллет, что требуется по технологии торрефикации. Излишек продуктов сгорания выводится из комплекса по байпасному каналу.

Пример использования полезной модели.

В ОИВТ РАН был создан экспериментальный комплекс в соответствии с предлагаемым техническим решением.

В состав комплекса входит следующее основное оборудование.

- газопоршневая мини-ТЭЦ с двигателем ЯМЗ-Г 8401

- газоводяной теплообменник с поверхностью теплообмена 3,3 м²

- реактор-торрефикатор оригинальной конструкции

Расчетные параметры экспериментального комплекса:

В экспериментах использовались древесные пеллеты.

После выполнения пуско-наладочных работ были выполнены исследовательские испытания комплекса с поддержанием параметров газо-материальных потоков в области значений, близких к расчетным. Периодически отбирались пробы на анализ состава отходящих газов двигателя, в котором осуществлялось внешнее смесеобразование. Коэффициент расхода воздуха поддерживался на уровне =1-0. В отходящих газах обнаруживался незначительный недожог (CO, H₂, CH₄), который составлял 25% теплоты сгорания газовоздушной смеси. Процесс торрефикации происходил в заданном режиме. Теплотворная способность пеллет увеличилась на 2025%, выдержка в эксикаторе с относительной влажностью, близкой к 100% показала их устойчивую гидрофобность. Напротив, исходные неторрефицированные пеллеты быстро теряли форму, интенсивно впитывая влагу, что создает дополнительные трудности при их хранении и перевозке.

Эксперименты на пилотной модели показали эффективность заявляемого технического решения.

Энерготехнологический комплекс, содержащий газопоршневой энергоблок и программатор, предназначенный для управления режимом работы энергоблока с возможностью получения электроэнергии и тепла одновременно в различных пропорциях путем изменения режима работы энергоблока, отличающийся тем, что содержит в качестве исполнительного механизма регулятор расхода воздуха в энергоблок для поддержания задаваемого программатором коэффициента расхода воздуха в интервале 0,95-1,0, газоводяной теплообменник, в котором нагреваемой средой является вода, а охлаждаемой - задаваемая программатором часть отработанных газов энергоблока, а также смеситель оставшейся части отработанных газов энергоблока и охлажденных в теплообменнике, причем комплекс содержит реактор торрефикации гранулированного биотоплива, в котором теплоносителем являются газы, полученные в смесителе.