Спосіб генерування енергії та пристрій для його здійснення

1. Спосіб генерування енергії, згідно якого в атмосфері, збагаченій киснем, спалюють паливо в перетопку, отримують пару в котлі, розширюють її в паровій турбіні, нагрівають робоче тіло газотурбінної установки в повітряній сорочці передтопку, який відрізняється тим, що димові гази охолоджують, очищають в золоуловлювачі, стискують в компресорі, під тиском виконденсовують з них водяні пари в контактному теплообміннику, абсорбують з осушених газів вуглекислий газ і шкідливі речовини, розширюють залишки димових газів в турбодетандері, вилучають кислі гази, отриману в контактному теплообміннику гарячу воду подають в десорбер вуглекислого газу і далі - в розширювач, отримані в останньому пару і гарячу воду подають в парову турбіну, причому гарячу воду подають через теплообмінник, осушують і перегрівають основну пару в паровій турбіні теплотою гарячої води після розширювача, охолодженою водою після парової турбіни нагрівають залишкові гази за турбодетандером перед димовою трубою. 2. Спосіб за п.1., який відрізняється тим, що додатково генерують водень та кисень в електролізерній установці для отримання додаткової теплоти в топці котла під час проходження пікових навантажень. 3. Спосіб за п.1., який відрізняється тим, що стиснений вуглекислий газ після десорбера розширюють у турбодетандері. 4. Пристрій для генерування енергії, який складається з паротурбінного блоку, що містить котел з основною топкою та передтопком з охолоджуючою сорочкою, парову турбіну з генератором та систе A (54) СПОСІБ ГЕНЕРУВАННЯ ЕНЕРГІЇ ТА ПРИСТРІЙ ДЛЯ ЙОГО ЗДІЙСНЕННЯ 37376 вин в 1 м 3 димових газів, що не дозволяє економічно та ефективно те хнічно очистити згадані димові гази від забруднень (В.Я.Рыжкин. Тепловые электрические станции. - М.: Энергоатомиздат, 1987). Відомі також способи прямого перетворення тепла в електроенергію (термоемісійний МГД-генератор), які також вимагають для своєї реалізації спалення палива в атмосфері повітря з утворенням великої кількості димових газів на одиницю спаленого палива з низькою концентрацією шкідливих речовин в 1 м 3 димових газів, що не дозволяє ефективно їх видалити і знешкодити і що викликає значне забруднення довкілля (В.Я.Рыжкин. Тепловые электрические станции - М.: Энергоатомиздат, 1987. - 309-311 с.). Обидва вищезгадані способи генерування енергії не дозволяють отримати електроенергію без значного забруднення довкілля. Особливо це ускладнюється при використанні низькоякісних палив, в яких кількість димових газів на одиницю спаленного палива значно більша, ніж для високоякісних. Відомий також спосіб генерування енергії (прототип), згідно з яким в атмосфері, збагаченій киснем, спалюють паливо в передтопку котла, отримують пару в котлі, розширюють її в паровій турбіні, нагрівають робоче тіло газотурбінної установки в повітряній сорочці передтопку (а. с. СРСР № 1813884. F01K 13/00,1993). Відомий пристрій для генерування енергії, який складається з паротурбінного блоку, що містить котел з основною топкою та передтопком з охолоджуючою сорочкою, парову турбіну з генератором та системою регенерації, газотурбінної установки, що містить газову турбіну з генератором та двоступеневий компресор, між ступенями якого встановлені послідовно по ходу повітря перший теплообмінник та мембранний розділювач повітря (а. с. СРСР № 1813884, F01K, 13/00, 1983). Проте у відомому способі та пристрої, що реалізує даний спосіб, не вирішується проблема генерування енергії екологічно чистим способом, особливо при використанні низькоякісних твердих палив із-за великих об'ємів димових газів на одиницю спаленого палива, оскільки при цьому дуже низька концентрація шкідливих речовин в одиниці об'єму газів і техніко-економічно робиться недоцільним їхнє вилучення з газів. Крім того, вилучені компоненти, за причини їхньої низької первинної концентрації, після вилучення з газів не є придатними для ефективного використання в народному господарстві. В основу винаходу поставлено задачу створення такого способу генерування енергії та пристрою для його здійснення, в яких за рахунок збільшення концентрації шкідливих речовин в димових газах забезпечується максимальне їх вилучення з отриманням при цьому додаткової енергії в паровій турбіні від пари, додатково генерованої при вилученні шкідливих газів, зменшується кількість викидів шкідливих речовин в атмосферу при використанні твердого палива і утворюється товарна продукція з відходів. Поставлена задача вирішується тим, що в способі генерування енергії, згідно якого в атмосфері, збагаченій киснем, спалюють паливо в передтопку, отримують пару в котлі, розширюють її в паровій турбіні, нагрівають робоче тіло газотурбінної установки в повітряній сорочці передтопку, згідно з винаходом, димові гази охолоджують, очищають в золоуловлювачі, стискують в компресорі, під тиском виконденсовують з них водяні пари в контактному теплообміннику, абсорбують з осушених газів вуглекислий газ і шкідливі речовини, розширюють залишки димових газів в турбодетандері, вилучають кислі тази, отриману в контактному теплообміннику гарячу воду подають в десорбер вуглекислого газу і далі - в розширювач, отримані в останньому пару і гарячу воду подають в парову турбіну, причому гарячу воду подають через теплообмінник, осушують і перегрівають основну пару в паровій турбіні теплотою гарячої води після розширювача, охолодженою водою після парової турбіни нагрівають залишкові гази за турбодетандером перед димовою трубою. Згідно з винаходом, екологічність генерування електроенергії досягається тим, що, стисн увши димові гази після золоуловлювача, виконденсовують з них водяні пари під тиском в контактному теплообміннику, що сприяє не лише більш глибокому їх виконденсуванню, але і нагріванню зрошувальної води в ньому до більш високої температури, що має дуже велике значення, а в наступному контактному апараті з осушених вже газів абсорбують вуглекислий газ, наприклад, моноетаноламіновим способом і тому далі концентрація шкідливих речовин (NOx,SO2,CO) стає настільки високою в 1 м 3 решток від димових газів, що їх вже достатньо просто можна вилучити добре опрацьованими хімічними методами (розчиняють, абсорбують і т.ін.) і ,отже, в димову тр убу направляють зовсім мало газоподібних і до того ж не шкідливих речовин. Економічність досягають тим, що з отриманої гарячої води в контактному теплообміннику із температурою, вище за 100°С, в розширювачі дістають пару, яку подають в парову турбіну і яка генерує певну енергію, що компенсує витрати енергії на стиснення газів після золоуловлювача, цьому ж сприяє часткове повернення енергії в турбодетандері при розширенні в ньому залишків газів. В цьому випадку вартість отриманої товарної продукції (вуглекислого газу, концентрованих кислот азотної та сірчаної, будівельних матеріалів з золи і шлаку) відомими методами, викупі із вирішеною проблемою ефективного спалення низькоякісного палива в передтопку в атмосфері кисню і при цьому без потреби в газоподібному природному газі для роботи ГТУ, призводить до повної компенсації додаткової вартості застосованого кисню для горіння низькоякісного палива. Отже, шкідливих викидів немає, а вартість кВт-години виробленої електроенергії не зростає. Коли як окислювач використовується чистий технічний кисень, розміри передтопку та котла паротурбінного блоку з основною топкою при дотриманні в цих елементах тих же оптимальних швидкостей димових газів будуть меншими (як і вартість також) у декілька разів, в порівнянні із прототипом цієї ж теплової потужності. Для ефективного, враховуючи більш високі ціни на пікову енергію, проходження вранішньовечірнього піків навантаження енергосистеми в запропонованому способі передбачено генерування водню та кисню в електролізерній установці, яка живиться електроенергією енергетичної уста 2 37376 новки вночі і використовує накопичені в газгольдерах водень та кисень вранці та ввечері для генерування пікової енергії шляхом спалення їх в топці котла чи в передтопку. І це також підвищує екологічність генерування енергії на протязі доби з низькоякісних твердих палив, оскільки підтримує необхідний температурний рівень в камері горіння передтопку (чи в топці котла) при нічних провалах навантаження. Стиснений вуглекислий газ після десорбера можна розширити у турбодетандері. Це дозволить при використанні лише технічного кисню для спалювання палива зменшити витрати" енергії на привід мотора компресора, що стискує гази перед контактними теплообмінниками і здешевіти вироблену кВт-годину енергії. Поставлена задача вирішується також тим, що в пристрої для генерування енергії, який складається з паротурбінного блоку, що містить котел з основною топкою та передтопком з охолоджуючою сорочкою, парову турбіну з генератором та системою регенерації, газотурбіної установки, що містить газову турбіну з генератором та двоступеневий компресор, між ступенями якого встановлені послідовно за ходом повітря перший теплообмінник та мембранний розподілювач повітря, згідно з винаходом, додатково встановлені послідовно за ходом димових газів водяний економайзер, другий теплообмінник, золоуловлювач, компресор, контактний теплообмінник, адсорбер вуглекислого газу, адсорбер залишкових газів, турбодетандер та третій теплообмінник, встановлені послідовно на вихлопі газової турбіни четвертий та п'ятий теплообмінники, розміщений в паровій турбіні шостий теплообмінник, розширювач, десорбер вуглекислого газу, форсунки впорскування води в ступені компресора, лінію впорскування вологи від парової турбіни в охолоджуючу сорочку передтопка, форсунку впорскування вологи в камеру згоряння палива передтопку, причому ви хід по кисню мембранного розподілювача повітря приєднаний до пальника передтопка, а вихід по азоту - до входу другого ступеню компресора, вихід з якого, приєднаний через охолоджуючу сорочку до входу газової турбіни, вхід по гарячій воді десорбера приєднаний до контактного теплообмінника, другий вхід - до абсорбера вуглекислого газу, а вихід - через п'ятий та другий теплообмінники - до входу розширювача, виходи по парі та по воді якого приєднані, відповідно, до парової турбіни та до входу шостого теплообмінника, а вихід останнього приєднаний через третій теплообмінник до контактного теплообмінника, вхід по живильній воді четвертого теплообмінника приєднаний до виходу системи регенерації паротурбінного блоку, а вихід - до входу водяного економайзера, вихід якого приєднаний до циркуляційного контуру основної топки котла. Це дозволяє здійснити генерування енергії з низькоякісних палив практично безвідходним способом, тобто, екологічно чистим, оскільки застосування мембранного розподілювача повітря, додаткового компресора для стиснення газів після золоуловлювача та турбодетандера для розширення осушених і, після вилучення вуглекислого газу димових газів, створює економічно ефективну можливість отримати, крім майже повного вилучення всіх компонент димового газу, ще й високоліквідну товарну продукцію - вуглекислий газ, концентровані кислоти та будівельні матеріали. В пристрої для генерування енергії можна додатково встановити електролізерну установку, яка необхідна для отримання теплоти екологічно чистим способом для покриття піків навантаження та для ефективного проходження нічного мінімуму навантаження. Викладена сутність винаходу пояснюється кресленням, на якому зображено пристрій для генерування енергії, де: 1 - топка котла, 2 - передтопок, 3 - компресор ГТУ, 4 - газова турбіна, 5 - мембранний розподілювач повітря (МРП), 6 - парова турбіна, 7 - розширювач, 8 - золоуловлювач, 9 - компресор, 10 турбодетандер, 11 - контактний теплообмінник, 12 - абсорбер вуглекислого газу, 13 - десорбер вуглекислого газу, 14 - третій теплообмінник, 15 шостий теплообмінник, 16 - димова труба, 17 конденсатор, 18 - лінія подачі доломіту, 19 - електролізерна установка, 20 - газгольдер для водню, 21 - газгольдер для кисню, 22 - електромотор, 23 абсорбер залишкових газів (NOx, SO2 та CO), 24 п'ятий теплообмінник, 25 - другий теплообмінник, 26 - підігрівач низького тиску (ПНТ), 27 - деаератор, 28 - підігрівач високого тиску (ПВТ), 29 - водяний економайзер, 30 - четвертий теплообмінник, 31 - перший теплообмінник, 32 - лінія подачі палива, 33 - лінія впорскування вологи від парової турбіни в охолоджуючу сорочку передтопку, 34, 35 форсунки впорскування води, 36 - лінія пари з розширювача, 37 - охолоджуюча сорочка передтопку, 38 - форсунка впорскування вологи в камеру горіння передтопка, 39, 40 - електрогенератори, 41 - барабан котла, 42 - перший ступінь компресора, 43 - другий ступінь компресора. Передтопок 2 демонтований до основної топки 1 котла, який, в свою чергу, з'єднаний газоходом, в якому розташовані послідовно по ходу димових газів водяний економайзер 29 і другий теплообмінник 25, з золоуловлювачем 8, до якого через газохід приєднаний вхід компресора 9, на виході якого встановлено послідовно контактний теплообмінник 11, абсорбер вуглекислого газу 12, абсорбери залишкових газів 23 та турбодетандер 10, після якого встановлений третій теплообмінник 14, який далі вже газоходом приєднаний до димової труби 16. Розширювач 7 приєднаний по гарячій воді до десорбера вуглекислого газу 13 послідовно через перший теплообмінник 24 перед золоуловлювачем 8, отриману в розширювачі 7 пару подають лінією пари розширювача 36 до парової турбіни 6, причому, залишок води від розширювача 7 через шостий теплообмінник 15 подають теж в парову турбіну 6, з якої її далі подають в третій теплообмінник 14, відпрацьовану основну пару конденсують в конденсаторі 17 і утворений конденсат подають в регенеративну систему парової турбіни 6 - в ПНТ 26, деаератор 27, ПВТ 28 і послідовно через четвертий теплообмінник 30, водяний економайзер 29 - в барабан котла 41. На вході повітря в першу ступінь 42 компресора 3 встановлюють форсунку впорскування води 35, а на виході з неї - послідовно по ходу стисненого повітря теплообмінник 31, мембранний розподілювач повітря (МРП) 5, вихід якого з'єднують з 3 37376 входом повітря в другу ступінь 43 компресора 3, вихід з якого з'єднують з входом в повітряну сорочку 37 передтопку 2, куди приєднують також лінію 33 впорскування вологи від парової турбіни в охолоджуючу сорочку 37 передтопку 2, а ви хід з неї з'єднують з входом в газову турбіну 4, ви хід з якої з'єднують послідовно через четвертий теплообмінник 30, п'ятий теплообмінник 24 з довкіллям. До входу повітря в другий ступінь 43 компресора 3 приєднують форсунку впорскування води 34, до камери горіння палива передтопка 2 приєднують форсунку впорскування вологи 38. До лінії подачі палива 32 приєднують лінію подачі доломіту 18, вихід киснем збагаченої суміші з МРП 5, а продукти горіння палива передтопку 2 скидають в основну топку 1. Електролізерна установка 19 по електричній потужності приєднана до електричного генератора 40, а по водню та по кисню - через газгольдери 20 і 21 приєднана до лінії подачі палива 32. Працює пристрій за даним способом наступним чином. При спалюванні твердого палива в передтопку 2 в атмосфері повітря, збагаченого киснем в мембранному розподілювачі повітря 5, утворюються гази, які скидаються в топку котла 1 і після водяного економайзера 29 вони поступають у золоуловлювач 8 1 далі поступають на вхід компресора 9, де стискуються, і вже стисненими поступають в перший по ходу газів контактний теплообмінник 11, де виконденсовуються водяні пари, які свою теплоту конденсації передають зрошувальній воді. Зневоджені гази далі поступають в абсорбер вуглекислого газу 12, де, після зрошування їх діетаноламіном, з них абсорбується вуглекислий газ і залишки газів (вже без водяних парів та діоксиду вуглецю) поступають в абсорбери шкідливих газів 23, де відпрацьованими хімічними технологіями вилучають концентровані компоненти суміші (NOx, SO 2, CO), і далі на вхід турбодетандера 10, після якого вони ще підігріваються водою в теплообміннику 14 перед димовою трубою 16 і далі скидаються вже в неї. В паливо (лінія подачі палива 32), яке спалюється в передтопку 2 додається домішка доломіту 18 для подавляння утворення SO2. Оскільки димові гази при конденсації були під тиском, то вони мають підвищену температуру "мокрого термометра", що дозволяє отримати гарячу воду з температурою, значно вищою за 100°С, і цією водою зробити десорбцію вуглекислого газу в десорбері вуглекислого газу 13, після якого, дещо охолоджену воду в цьому елементі, подають спочатку в п'ятий теплообмінник 24, де газами газової турбіни 4 після четвертого теплообмінника 30 її підігрівають і далі вже підігрівають до ще більш високої температури в другому теплообміннику 25 газами котла, який встановлюють перед золоуловлювачем 8, і де згадані димові гази охолоджують при цьому до стану насичення, і вже більш нагріту воду далі подають в розширювач 7, де утворюється пара, яку подають в парову турбіну 6, виробляючи в ній деяку кількість енергії, а решту води з розширювача 7 подають в шостий теплообмінник 15, який, наприклад, змонтований з теплових тр уб і за допомогою якого основна пара в турбіні 6 підсушується і навіть дещо перегрівається, підвищуючи тим самим ККД пристрою. Охолодження димових газів в п'ятому теплообміннику 24 до стану насичення перед золоуловлювачем 8 зменшує необхідну роботу для стиснення цих газів в компресорі 9. Конденсат після конденсатора 17 послідовно подають в ПНТ 26, в деаератор 27, ПВТ 28 та четвертий теплообмінник 30 і далі її подають для подальшого підігріву вже у водяному економайзері 29, і далі її подають в барабан 41 котла. В цьому випадку по парі ПНТ 26 та ПВТ 28 від парової турбіни 6 відключають і отримують додаткову кількість електроенергії від парової турбіни 6. Пару, яка була отримана в розширювачі 7, після виконання нею роботи в паровій турбіні 6, конденсують в конденсаторі 17 і використовують для покриття втрат конденсату в тепловій схемі пристрою та для впорскування через форсунки впорскування води 35 і 36 в ступені компресор 3 ГТУ з метою зменшення роботи стиснення повітря останнім. При роботі вночі, коли навантаження на пристрій недостатнє і її ККД тому робиться низьким, включається потужна електролізерна установка 19, яка споживає енергію для розкладу води на кисень і водень, що, відповідно, накопичуються в газгольдерах 20 і 21, чим підвищується ККД пристрою вночі. Вдень накопичені кисень і водень споживаються як паливо і окислювач, створюючи екологічно чистий продукт реакції горіння - воду. Можливий варіант, коли накопиченим киснем в газгольдері 20 окислюють низькоякісне паливо в передтопку 2, а водень з газгольдера 21 окислюють атмосферним повітрям в топці 1 котла, що дозволить збільшити пікову потужність пристрою, дещо погіршивши екологічні показники, але підвищивши при цьому тоді економічні. При використанні лише технічно чистого кисню для спалювання палива отриманий вуглекислий газ направляється в турбодетандер 10, зменшуючи затрати енергії на привід мотора 22 турбодетандера. Економічна вигода від впровадження цього винаходу в тому, що, застосовуючи його, можна спалити ефективно дешеві низькоякісні палива, яких тепер вже є найбільше, в атмосфері повітря, збагаченій киснем, і, в ідеальному випадку, без жодних шкідливих викидів в довкілля та з отриманням при цьому товарних продуктів CO2, концентрованих кислот НNО3 та H2SО 4, CO та золи і шлаку, оскільки при вилученні водяних парів та вуглекислого газу в контактному теплообміннику 11 та абсорбері вуглекислого газу 12 в рештках газу при спалюванні палива в технічно чистому кисні залишаються лише гази NOx, SO2 та, можливо, невелика кількість CO і у високій концентрації при цьому. При підмішуванні до палива домішки доломіту 18 можна подавити утворення окислів сірки в передтопку 2 і в цьому випадку у відхідних газах залишаться лише концентровані окисли азоту, придатні до ефективного виробництва азотної кислоти як товарного продукту. В ідеальному випадку, коли як окислювач палива використовується лише чистий технічний кисень, розміри передтопку 2, котельного агрегату та всього тепломеханічного обладнання зменшуються, що викличе, в свою чергу, зменшення розмірів головного будинку ТЕС і, в сумі зменшення капітальних затрат, таке значне, що про підвищення вартості кВт-години енергії із-за застосування кисню можна навіть не турбуватися. 4 37376 Фіг. 5 37376 __________________________________________________________ ДП "Український інститут промислової власності" (Укрпатент) Україна, 01133, Київ-133, бульв. Лесі Українки, 26 (044) 295-81-42, 295-61-97 __________________________________________________________ Підписано до друку ________ 2001 р. Формат 60х84 1/8. Обсяг ______ обл.-вид. арк. Тираж 50 прим. Зам._______ ____________________________________________________________ УкрІНТЕІ, 03680, Київ-39 МСП, вул. Горького, 180. (044) 268-25-22 ___________________________________________________________ 6