Спосіб та пристрій перетворення теплової енергії, отримуваної з вуглецевмісної сировини, у механічну роботу

Реферат: Пристрій перетворення теплової енергії з вуглецевмісної сировини в механічну роботу містить щонайменше один перший (4) і один другий (6) пристрої для зберігання та вивільнення теплової енергії, підключених по черзі, щонайменше тимчасово, до турбінного вузла (Т) з газовою турбіною (8), яка знаходиться нижче. При цьому спосіб включає наступні стадії: а) спалювання газу в газовому пальнику (2), b) проходження димових газів (3), які утворюються в газовому пальнику (2), через пристрій для зберігання теплової енергії (4, 6), c) стискання подаваного у пристрої для зберігання теплової енергії повітря за допомогою компресора і d) UA 107196 C2 (12) UA 107196 C2 подачу стисненого гарячого повітря (7), вивільненого зі щонайменше одного пристрою (4, 6), до газової турбіни (8); де газифікацію вуглецевмісної сировини проводять у газифікаторі, для чого нагрівають водяну пару (9) за допомогою гарячого повітря, потім подають її в газифікатор (1) для газифікації. Паливний газ подають до газового пальника (2), розташованого після газифікатора (1). При цьому безпосередній обмін газовими потоками між газифікатором і газовою турбіною обмежений пристроєм для зберігання та вивільнення теплової енергії. UA 107196 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід відноситься до способу перетворення теплової енергії, отримуваної з вуглецевмісної сировини, в механічну роботу, відповідно до преамбули п. 1 формули винаходу, і пристрою для перетворення теплової енергії в механічну роботу, відповідно до преамбули п. 9 формули винаходу. Винахід буде описаний із посиланням на біомасу, але варто розуміти, що спосіб і пристрій згідно даному винаходу можуть бути також використані для інших вуглецевмісних продуктів. Патент DE 10039246 C2 відноситься до способу перетворення теплової енергії в механічну роботу, в якому перший і другий засоби для зберігання теплової енергії підключають по черзі до турбінного вузла. Недоліком даного способу є утворення пилу в димових газах, який, наприклад, необхідно видаляти за допомогою циклону. У заявці на патент DE 102 27 074 A1 описані спосіб і пристрій для газифікації біомаси. У цьому випадку речовини спалюють в камері згоряння, яка герметично відділена від реактора газифікації, і теплову енергію з камери згоряння підводять до реактора газифікації. Патент DE 19836428 C2 розкриває спосіб і пристрої для газифікації біомаси, зокрема, деревної маси. У цьому випадку на першій стадії газифікації відбувається дегазація в щільному шарі при температурі до 600 °C, а на наступній другій стадії газифікації при температурі від 800 °C до 1000 °C відбувається дегазація в псевдозрідженому шарі. Відповідно, задачею даного винаходу є забезпечення способу і пристрою для перетворення теплової енергії від спалювання та газифікації вуглецевмісної сировини в механічну роботу, які забезпечують високу ефективність і високу продуктивність із одночасним забезпеченням відсутності пилу в димових газах. Крім того, запропонований спосіб повинен забезпечувати рекуперацію виробленої енергії, зокрема повернення відхідного тепла назад у процес. Це досягається відповідно до способу за п. 1 формули винаходу і пристрою за п. 9 формули винаходу. Переважні варіанти реалізації винаходу охарактеризовані в залежних пунктах формули винаходу. Принциповим моментом винаходу є те, що спосіб перетворення теплової енергії, отримуваної з вуглецевмісної сировини, в механічну роботу з застосуванням щонайменше першого і другого пристрою для зберігання теплової енергії, які підключаються по черзі, щонайменше тимчасово, до турбінного вузла з розташованою нижче за потоком газовою турбіною, включає наступні стадії: а) спалювання газу в газовому пальнику, b) пропускання димових газів, які утворюються в газовому пальнику, через пристрій для зберігання теплової енергії, і с) подачу гарячого повітря, вивільненого з пристрою для зберігання теплової енергії, до газової турбіни або до її детандера, де на першій стадії вуглецевмісну сировину газифікують у газифікаторі й газ, який утворюється, подають до газового пальника, розташованого після газифікатора. Використання газифікатора до стадії спалювання в газовому пальнику, зокрема, дозволяє значно знизити вміст пилу, зокрема, дрібного пилу, в димових газах. Крім того, зниження частки пилу дозволяє здійснювати процес спалювання газу при більш високій температурі. До того ж, у випадку виробництва електроенергії при використанні даного підходу можна досягти більш високого рівня ефективності. Зменшення вмісту дрібного пилу також чинить позитивний ефект на строк служби газової турбіни. Термін "нижче за потоком" розуміють, зокрема, як розташування нижче за потоком відносно відповідних газів, які піддають переробці. Газовий пальник переважно розташований безпосередньо після газогенератора. Пристрій для зберігання теплової енергії переважно також підходить для вивільнення теплової енергії, яка зберігається, наприклад, у виді гарячого повітря. Таким чином, відповідно до даного винаходу, на відміну від попереднього рівня техніки, запропоновано отримання газу для газового пальника в ході додаткового процесу газифікації таким чином, що виключається утворення додаткових пилових часток. Підключення до турбінного вузла означає, зокрема, що гаряче повітря, що отримане в пристроях для зберігання теплової енергії, переважно відводиться до газової турбіни. Зокрема, генератори з насипним матеріалом можуть бути використані як пристрої для зберігання теплової енергії, як це описано, наприклад, у патенті ЕР 0 620 909 B1 або DE 42 36 619 C2. Нагріту водяну пару або повітря, або суміш водяної пари й повітря, переважно вводять у газифікатор як газифікаційне середовище й використовують для газифікації. Разом із водяною парою газоподібне середовище, яке утворюється, надходить до газифікатора як горючий газ. Наприклад, гаряче повітря, кисень, повітря, збагачене киснем, тощо розглядаються як горючий газ. 1 UA 107196 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Переважно як газифікатор застосовують насадковий протипотоковий газифікатор. По суті згідно з даним винаходом можуть застосовуватися різні види газифікаторів. Проте, насадкові протипотокові газифікатори мають особливі переваги, пов'язані з тим, що всередині реактора утворюються окремі зони з різними температурами, і, відповідно, в цих зонах можуть протікати різні процеси. Різниця температур обумовлена тим, що відповідні процеси є сильно ендотермічними, і тепло надходить тільки знизу. Переважно щонайменше ще один теплообмінник розташований після компресора газової турбіни і служить для, щонайменше часткового охолодження теплого повітря, що подається, яке згодом, вже у вигляді холодного повітря, подають у перший і/або другий пристрій для зберігання теплової енергії. З одного боку, подібний підхід допомагає збільшити ефективність зберігання енергії. З іншого боку, температура димових газів також може бути знижена за рахунок охолодження повітря. Крім того, бажано забезпечити введення води після компресора газової турбіни. Переважно між компресором і редуктором тиску газової турбіни розташований щонайменше один клапанний засіб для відключення турбінного вузла. Клапанний засіб використовується як засіб для аварійного відключення і переважно встановлюється як байпас між лінією подачі до редуктора тиску і вихідною лінією компресора газової турбіни. У переважному варіанті реалізації винаходу залишкове тепло зі щонайменше одного наступного процесу після газифікації використовують для отримання вологої пари. Зокрема, це забезпечується за рахунок подачі залишкового тепла на щонайменше один теплообмінник, розташований після газової турбіни, де вода нагрівається. Також передбачений теплообмінник, призначений для нагрівання повітря. Газ, що віддає залишкове тепло, являє собою будь-який газ, який виходить з газової турбіни і все ще має дуже високу температуру. Перш ніж потрапити до газифікатора, волога пара виробляється за допомогою теплообмінника, розташованого після газової турбіни. Охолодження переважно проводять за допомогою щонайменше одного теплообмінника, і теплова енергія, отримана в процесі охолодження, відділяється як корисне тепло, що підвищує ефективність процесу і робить його більш екологічним. Відпрацьоване гаряче повітря з турбіни переважно знову подають на газовий пальник, що робить даний спосіб ще більш ефективним. Так, наприклад, відпрацьоване повітря з турбіни можна подавати через відповідну лінію на газовий пальник. У іншому переважному способі відпрацьоване гаряче повітря з газової турбіни використовують для виробництва енергії за допомогою парової турбіни. Ця додаткова парова турбіна може бути виділена в окремий водяний контур, у якому вода може нагріватися й випаровуватися за допомогою теплообмінника. Після виходу з парової турбіни пар конденсують і стискають до рідкого стану за допомогою насоса перед тим, як він знову подається до теплообмінника. Відповідно до даного винаходу газовий пальник для спалювання палива, щонайменше перший і другий пристрій для зберігання теплової енергії, які підключають по черзі, щонайменше тимчасово, до турбінного вузла з розташованою нижче за потоком газовою турбіною або її детандером, і щонайменше одна сполучна лінія, якою відбувається відведення димових газів, що утворюються в газовому пальнику, до пристроїв для зберігання теплової енергії, утворюють пристрій для перетворення теплової енергії в механічну роботу, в якому газифікатор для виробництва палива розташований перед газовим пальником. Зазначений пристрій переважно містить компресор для стискання повітря, яке подається до пристроїв для зберігання теплової енергії, причому компресор переважно є компонентом газової турбіни. Передбачено також, що в зазначеному пристрої димові гази утворюються в результаті згоряння паливного газу, який, у свою чергу, виробляється в газифікаторі. Тимчасове почергове підключення пристроїв для зберігання теплової енергії означає, що до одного з двох пристроїв відводяться димові гази, щонайменше тимчасово, протягом обраного періоду часу, у той час як з іншого пристрою відбувається випускання гарячого повітря до газової турбіни. Крім того, також можливе підключення більшої кількості пристроїв для зберігання теплової енергії, які працюють у різні проміжки часу, щонайменше, частина з них. Наприклад, до одного з цих пристроїв для зберігання теплової енергії відводиться димовий газ, у той час як з іншого або інших з цих пристроїв відбувається випускання гарячого повітря. Випускання гарячого повітря з пристроїв для зберігання теплової енергії також відбувається в різні проміжки часу, щонайменше, з частини з них. Засоби для охолодження газу переважно розташовані після турбінного вузла. 2 UA 107196 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Ці засоби для охолодження газу переважно являють собою теплообмінники, які також, як зазначено вище, можуть одночасно нагрівати повітря, яке можна подавати до газифікатора. Крім того, ці засоби можуть застосовуватися для отримання вологої пари, яка може подаватися до газифікатора. Крім того, переважно встановлюють засіб для почергового підключення щонайменше першого пристрою і щонайменше другого пристрою до турбінного вузла. Наприклад, у ролі засобів для почергового підключення може виступати безліч регульованих клапанів, де кожний по черзі впускає димові гази до засобів для зберігання теплової енергії і по черзі випускає нагріте повітря до газової турбіни. Крім того, для оптимальної подачі в будь-який момент часу гарячого повітря до газової турбіни можуть бути передбачені датчики температури, які вимірюють температуру в підходящих місцях пристроїв для зберігання теплової енергії та перемикають відповідні клапани у відповідь на результати зазначених вимірювань, що також дозволяє покращити ефективність перезарядження засобів для зберігання теплової енергії. Крім того, переважно, щоб газова турбіна або її частина також виступала як компресор, що стискає повітря, яке подається, і подаючи, в свою чергу, холодне повітря, яке необхідно нагріти, до пристроїв для зберігання теплової енергії. Щонайменше один теплообмінник переважно розташований після газової турбіни. Щонайменше один і переважно декілька теплообмінників для зняття теплової енергії переважно приєднують між газовою турбіною та газифікатором. Переважною є відсутність безпосереднього зв'язку газових потоків між газовою турбіною та газифікатором. Проте, теплова енергія газів, які виходять з газової турбіни, передається за допомогою теплообмінників до інших середовищ, таких як волога пара і гаряче повітря, які, в свою чергу, подають до газифікатора, як зазначено вище. Крім того, сполучна лінія переважно розташована між газовою турбіною та газовим пальником, і нею здійснюється подача до газового пальника повітря для горіння, яке виходить із газової турбіни, що робить процес горіння в газовому пальнику ще більш ефективним. В іншому переважному варіанті реалізації додаткова парова турбіна розташована після газової турбіни. За рахунок цієї парової турбіни гаряче повітря з першої газової турбіни можна знову використовувати для виробництва електроенергії. При цьому поточна ефективність може бути додатково збільшена. Переваги та зручності можна буде побачити з наступного опису й доданих креслень, на яких: Фіг. 1 являє собою першу технологічну схему, Фіг. 2 являє собою другу технологічну схему, Фіг. 3 являє собою третю технологічну схему. На Фіг. 1 показана технологічна схема застосування пристрою згідно з даним винаходом для перетворення теплової енергії, отримуваної з вуглецевмісної сировини, в механічну роботу, де під цифрою 1 позначений насадковий протипотоковий реактор. Сировину 14 вводять до реактора 1 зверху, і газифікаційне середовище (наприклад, повітря) подають знизу лінією 16. Таким чином, газифікаційне середовище і паливний газ рухаються в реакційній камері в протилежному напрямку відносно палива, яке завантажується. Зола, яка утворюється в газифікаторі 1, видаляється вниз, тобто в напрямку, вказаному стрілкою P1. Паливний газ надходить до газового пальника 2 і спалюється. Димові гази, які утворюються в газовому пальнику 2, надходять через сполучну лінію 3 до першого 4 або другого 6 регенератора з насипним матеріалом, і гаряче повітря 7 із регенератора з насипним матеріалом 4, 6 надходить лінією 21 до газової турбіни 8. Генератор G приєднаний до газової турбіни 8 у турбінному вузлі Т. Цифрою 23 позначена лінія для виведення димових газів із засобів для зберігання теплової енергії 4, 6. Лінія 22 сполучає перший регенератор 4 з газовою турбіною 8. Відпрацьоване повітря з газової турбіни 8 надходить через лінію 26 до газового пальника 2, як попередньо нагріте повітря для горіння. Перший 4 і другий 6 регенератори можуть підключатися по черзі до турбінного вузла Т або до "вузла попереднього нагрівання" за допомогою пристрою (не показаний). Цифрою 60 позначений генератор, з'єднаний із турбіною 8. Цифрами 32, 34, 36, 38, 40, 42, 44 і 46 позначені керовані клапани, які регулюють надходження димових газів до регенераторів із насипним матеріалом 4, 6 (клапани 44 і 46) і випускання гарячого повітря з регенераторів з насипним матеріалом 4, 6 до газової турбіни 8 (клапани 35 і 42), випускання димових газів (клапани 32 і 38), а також подачу холодного повітря (клапани 34 і 40) до регенераторів із насипним матеріалом 4, 6. Клапани, зображені чорним кольором, знаходяться у відкритому положенні, а клапани, зображені незафарбованими, 3 UA 107196 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 знаходяться у закритому положенні. Під цифрами 52, 54 і 56 позначені компресори і пристрій подачі повітря для відповідно стискання або подачі повітря (цифра 56), димових газів (цифра 52) і відпрацьованого повітря (цифра 54). Крім того, повітря надходить через лінію 25 до газової турбіни 8 і далі через теплообмінник 15 до регенераторів із насипним матеріалом 4 і 6 як холодне повітря. Застосування газифікатора 1 дозволяє уникнути дорогого знепилювання димових газів 3. Під цифрою 61 позначений клапанний засіб для відключення турбінного вузла, розташованого між компресором і редуктором тиску газової турбіни. Введення води можна здійснювати між турбіною та теплообмінником 15. У цьому вузлі передбачений додатковий клапан 63. Теплообмінники 11, 12 і 13 з'єднані лінією 26, яка йде від газової турбіни 8. Теплообмінники 11 і 12 служать для нагрівання повітря і води, які надходять як газифікаційне середовище до насадкового протипотокового газифікатора 1. Крім того, охолодження здійснюється щонайменше одним теплообмінником 13, і теплова енергія, отримувана в процесі охолодження, відділяється як корисне тепло. У варіанті втілення реалізації, показаному на Фіг. 2, теплообмінник 13 розташований безпосередньо на виході з турбінного вузла T. За допомогою цього пристрою можливо використовувати відділене тепло (для виробництва гарячої води) відносно високої температури. Теплообмінники 11, 12 служать для нагрівання повітря і води, які виступають у ролі газифікаційного середовища, і розташовані після теплообмінника 13. Таким чином, у наведених двох варіантах реалізації винаходу змінена послідовність розташування теплообмінників. Тоді як у варіанті реалізації винаходу, показаному на Фіг. 1, до першого теплообмінника 12 надходить повітря для горіння з найвищою температурою, і теплообмінник застосовується для виробництва гарячого повітря, наступний теплообмінник 11 використовується для виробництва вологої пари, а останній теплообмінник 13 використовується для виробництва тепла, у варіанті реалізації винаходу, показаному на Фіг. 2, найбільш гаряче повітря спочатку надходить на виробництво тепла, а потім гарячого повітря та вологої пари. Крім того, це також дає можливість змінювати послідовність розташування двох теплообмінників 11 і 12. Цифрою 58 на обох фігурах позначений насос для подачі води. Цифрами 10 і 9 на фігурах позначені відповідно горючий газ і волога пара. На Фіг. 3 показаний інший варіант реалізації даного винаходу. У цьому варіанті реалізації передбачений додатковий контур 70, розташований після газової турбіни 8. Точніше, гаряче повітря з газової турбіни 8 надходить до теплообмінника 71, який входить до контура 70. Вода в контурі 70 нагрівається в теплообміннику й надходить до парової турбіни 72, яка, в свою чергу, приводить до руху генератор 74. Цифрами 78 і 76 позначені відповідно насос і конденсатор. Завдяки такому підходу поточна ефективність системи може бути додатково збільшена. Усі ознаки, розкриті в матеріалах заявки, є істотними та новими відносно рівня техніки, як індивідуально, так і в комбінації. Список позначень: 1 газифікатор 2 газовий пальник 3 димові гази, сполучна лінія 4 перший пристрій для зберігання та вивільнення теплової енергії 6 другий пристрій для зберігання та вивільнення теплової енергії 7 гаряче повітря, сполучна лінія 8 газова турбіна 9 волога пара 10 гаряче повітря 11, 12, 13, 15 теплообмінник 14 вуглецевмісна сировина 16 лінія подачі газифікаційного середовища 21, 22 лінії подачі до газової турбіни 25 лінія подачі повітря 26 лінія подачі до теплообмінників 32, 34, 36, 38, 40, 42, 44, 46 регульовані клапани 52, 54, 56 повітродувка 58, 78 насоси 4 UA 107196 C2 5 10 60 генератор 61 клапан 63 клапан 70 контур 71 теплообмінник 72 парова турбіна 74 генератор 76 конденсатор P1 стрілка, яка вказує напрям T турбінний вузол ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 15 20 25 30 35 40 45 50 55 1. Спосіб перетворення теплової енергії, отримуваної з вуглецевмісної сировини, у механічну роботу із застосуванням щонайменше першого і другого пристроїв (4, 6) для зберігання та вивільнення теплової енергії, які підключаються по черзі, принаймні тимчасово, до турбінного вузла (Т) з розташованою нижче за потоком газовою турбіною (8), причому спосіб включає наступні стадії: a) спалювання газу в газовому пальнику (2), b) пропускання димових газів (3), які утворюються в газовому пальнику (2), через пристрій (4, 6) для зберігання теплової енергії, c) стискання подаваного у пристрої для зберігання теплової енергії повітря за допомогою компресора, і d) подачу стисненого гарячого повітря (7), вивільненого зі щонайменше одного пристрою (4, 6), у газову турбіну (8); який відрізняється тим, що: на першій стадії вуглецевмісну сировину піддають газифікації в газифікаторі (1), нагрівають водяну пару (9) за допомогою гарячого повітря, потім подають її в газифікатор (1) і використовують для газифікації, паливний газ подають у газовий пальник (2), розташований після газифікатора (1), і безпосередній обмін газовими потоками між газифікатором і газовою турбіною обмежений пристроєм для зберігання та вивільнення теплової енергії. 2. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що повітря подають у газифікатор (1) і застосовують для газифікації. 3. Спосіб за п. 2, який відрізняється тим, що у газифікатор (1) разом із водяною парою (9) подають додаткове газоподібне середовище як горючий газ (10). 4. Спосіб за будь-яким із пп. 1-3, який відрізняється тим, що газифікатор (1) являє собою насадковий протипотоковий газифікатор. 5. Спосіб за будь-яким із пп. 1-4, який відрізняється тим, що залишкове тепло зі щонайменше одного з процесів після газифікації застосовують для отримання вологої пари. 6. Спосіб за будь-яким із пп. 1-5, який відрізняється тим, що перед подачею у газифікатор (1) насичену пару (9) отримують за допомогою теплообмінника (11), розташованого після газової турбіни (8). 7. Спосіб за будь-яким із пп. 1-6, який відрізняється тим, що охолодження здійснюють за допомогою щонайменше одного теплообмінника (13) і теплову енергію, отриману в процесі охолодження, відділяють як корисне тепло. 8. Спосіб за будь-яким із пп. 1-7, який відрізняється тим, що відпрацьоване гаряче повітря з газової турбіни (8) знову подають у газовий пальник (2). 9. Спосіб за будь-яким із пп. 1-8, який відрізняється тим, що відпрацьоване гаряче повітря з газової турбіни (8) застосовують для отримання енергії за допомогою парової турбіни (72). 10. Пристрій для перетворення теплової енергії, отримуваної з вуглецевмісної сировини, в механічну роботу, що містить газовий пальник (2) для спалювання палива; щонайменше перший і другий пристрої (4, 6) для зберігання теплової енергії, які виконані з можливістю підключатися по черзі, принаймні тимчасово, до турбінного вузла (Т) з розташованою нижче за потоком газовою турбіною (8), компресор для стискання повітря, яке подається у пристрої для зберігання теплової енергії, і щонайменше одна сполучна лінія (3), за якою димові гази, що 5 UA 107196 C2 5 10 15 20 утворюються в газовому пальнику (2), подають до пристроїв (4, 6) для зберігання теплової енергії, який відрізняється тим, що газифікатор (1) для перетворення горючого газу розташований перед газовим пальником (2) і безпосередній обмін газовими потоками між газифікатором і газовою турбіною обмежений пристроєм для зберігання та вивільнення теплової енергії, причому пристрій для перетворення теплової енергії містить засоби, розташовані нижче за потоком щодо газової турбіни (8) для нагрівання водяної пари (9) гарячим повітрям, а газифікатор (1) містить засоби для подачі нагрітої водяної пари (9) у газифікатор (1). 11. Пристрій за п. 10, який відрізняється тим, що після турбінного вузла (Т) розташовані засоби (11, 12, 13) для охолодження газу. 12. Пристрій за будь-яким із пп. 10 або 11, який відрізняється тим, що турбінний вузол (Т) оснащений засобами для почергового підключення щонайменше першого пристрою (4) для зберігання теплової енергії та щонайменше другого пристрою (6) для зберігання теплової енергії. 13. Пристрій за п. 10, який відрізняється тим, що після газової турбіни (8) розташований щонайменше один теплообмінник (11, 12, 13). 14. Пристрій за п. 10, який відрізняється тим, що між газовою турбіною (8) та газифікатором (1) приєднаний щонайменше один теплообмінник (13) для відділення теплової енергії. 15. Пристрій за будь-яким із пп. 10-14, який відрізняється тим, що після газової турбіни (8) розташована парова турбіна. 6 UA 107196 C2 Комп’ютерна верстка Л. Бурлак Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 7