PL217746B1 - Urządzenie do wytwarzania energii elektrycznej i cieplnej opalane odnawialnymi źródłami energii lub formowanymi alternatywnie paliwami energetycznymi - Google Patents

Description

Przedmiotem wynalazku jest urządzenie do wytwarzania energii elektrycznej i cieplnej opalane odnawialnymi źródłami energii lub formowanymi alternatywnie paliwami energetycznymi.

Znane są ze stosowania układy do wytwarzania energii elektrycznej lub cieplnej zbudowane z instalacji kotłowej połączonej z turbiną kondensacyjną. Przemiana energii chemicznej paliwa spalanego w kotle energetycznym w użytkową energię elektryczną lub cieplną w takim układzie wynosi w zależności od wytworzonej próżni w kondensatorze od 27 do 33%.

Znane są ze stosowania układy do wytwarzania energii elektrycznej lub cieplnej zbudowane z instalacji kotłowej zawierającej turbozespół z turbiną kondensacyjno-upustową z regulowanym upustem lub z turbiną przeciwprężną. W takich układach istnieje możliwość uzyskania sprawności przemiany energii w granicach 48-58%.

Znane są ze stosowania układy kogeneracyjne produkcji energii elektrycznej i cieplnej z regeneracją ciepła które pozwalają uzyskać maksymalną sprawność przemiany do 66%. Uzyskanie sprawności 66% jest praktycznie możliwe tylko dla bloków energetycznych wielkich mocy, powyżej 100 MW, pracujących w zakresie obciążeń znamionowych. Uzyskanie sprawności przemiany energii chemicznej w energię użytkową elektryczną i cieplną w przypadku elektrociepłowni małych mocy, to jest do 60 MW, opalanych biomasą pochodzącą z odnawialnych źródeł energii lub formowanych alternatywnie paliw energetycznych na poziomie 66% według obecnego stanu techniki jest praktycznie niemożliwe. Niemożliwe jest również uzyskanie zadowalających sprawności na poziomie 50-60% w całym zakresie obciążeń cieplnych instalacji, szczególnie w zakresie małych obciążeń kotła w przedziale od minimum technicznego 20-30% do obciążeń 60-70%. W tym zakresie obciążeń elektrociepłowni opalanej biomasą, możliwe do osiągnięcia sprawności przemiany paliwa w energię użytkową są na poziomie 40-50%. Układy kogeneracji z wykorzystaniem czynnika grzewczego jakim jest woda, nie pozwalają uzyskać większych sprawności układu. Wynika to przede wszystkim z dużego ciepła parowania wody i odwrotnej przemiany skraplania, które wynosić może 60% entalpii pary roboczej.

Znane są ze stosowania także układy do wytwarzania energii elektrycznej i cieplnej zbudowane z instalacji kotłowej połączonej z układem do wytwarzania energii elektrycznej i cieplnej stosujące czynnik grzewczy napędzający turbozespół o znacznie mniejszym cieple parowania i skraplania niż woda przy ciśnieniach zbliżonych do ciśnienia atmosferycznego. Czynnikiem w tych układach są oleje lub innego rodzaju ciecze o niskim cieple parowania napędzające turbozespół ORC.

Urządzenie do wytwarzania energii elektrycznej i cieplnej opalane odnawialnymi źródłami energii lub formowanymi alternatywnie paliwami energetycznymi zbudowane z instalacji kotłowej zawierającej kocioł zbudowany z komory fluidyzacyjnej zakończonej od spodu dnem dyszowym, zamkniętym skrzyniami gazu fluidyzacyjnego, przy którym zamocowany jest kanał spustowy popiołu i żużlu pod którym usytuowany jest układ odprowadzania popiołu i żużlu, wyposażonej w zamocowane w jej pobocznicy palniki i dysze powietrza i połączonej z komorą obrotową wyposażoną w napęd, zainstalowany w jej płycie czołowej palnik oraz przyłączony do jej płyty czołowej układ doprowadzania wsadu oraz poprzez komorę separacji z komorą dopalania w której spodzie zamocowany jest kanał spustowy popiołu i żużlu, w pobocznicy palnik i dysza powietrza a w części górnej powierzchnia ogrzewalna w postaci przegrzewacza grodziowego, która następnie połączona jest ze złączonym z układem odprowadzania spalin do komina kanałem konwekcyjnym wyposażonym w powierzchnię ogrzewalną w postaci przegrzewacza pary pod którą kolejno w kierunku do dołu zainstalowana jest powierzchnia ogrzewalna w postaci podgrzewacza wody oraz powierzchnia ogrzewalna w postaci podgrzewacza parowo-wodnego, które to powierzchnie ogrzewalne połączone są ze stanowiącym instalację do wytwarzania użytkowej energii elektrycznej i cieplnej układem turbozespołu parowego według wynalazku charakteryzuje się tym, iż wyposażone jest w drugą równoległą do układu turbozespołu parowego instalację do wytwarzania energii elektrycznej i cieplnej w postaci układu turbozespołu ORC, którego parownik cieczy o niskim cieple parowania połączony jest z umiejscowionym w kanale konwekcyjnym, podgrzewaczem oleju termalnego usytuowanym pomiędzy umieszczoną nad nim powierzchnią ogrzewalną w postaci podgrzewacza wody a umieszczoną pod nim powierzchnią ogrzewalną w postaci podgrzewacza parowo-wodnego.

Zaletą rozwiązania według wynalazku jest zastosowanie turbozespołu ORC jako równoległego układu dla obiegu parowego z turbozespołem parowym. Takie rozwiązanie pozwala wykorzystać niskotemperaturowe ciepło spalin do napędzania układu turbozespołu ORC co jest szczególnie korzystne przy niskich obciążeniach cieplnych elektrociepłowni. Umieszczenie powierzchni ogrzewalnych

PL 217 746 B1 parowo-wodnych w temperaturach 700-1400°C, a powierzchni ogrzewalnych oleju termalnego w temperaturach 500-1000°C w kotle podnosi sprawność termicznej przemiany energii chemicznej zawartej w biomasie spalanej w kotle w użytkową energię elektryczną lub cieplną o 10% przy niskich obciążeniach cieplnych elektrociepłowni i 5% przy optymalnych obciążeniach cieplnych elektrociepłowni.

Przedmiot wynalazku został uwidoczniony na rysunku przedstawiającym urządzenie w postaci schematu.

Urządzenie do wytwarzania energii elektrycznej i cieplnej opalane odnawialnymi źródłami energii lub formowanymi alternatywnie paliwami energetycznymi w przykładzie wykonania według wynalazku zbudowane jest z instalacji kotłowej utworzonej z kotła 1, układu doprowadzania wsadu 2, układu odprowadzania popiołu i żużlu 3 i układu odprowadzania spalin 4 do komina 5, układu turbozespołu parowego 6 i układu turbozespołu ORC 7. Tworzący instalację kotłową kocioł 1 zbudowany jest z komory fluidyzacyjnej 1.1 połączonej z komorą obrotową 1.2 oraz poprzez komorę separacji 1.3 i komorę dopalania 1.4 z kanałem konwekcyjnym 1.5. Komora fluidyzacyjna 1.1 z komorą separacji 1.3 połączona jest poprzez feston 1.6, komora separacji 1.3 z komorą dopalania 1.4 połączona jest poprzez feston 1.7 a komora dopalania 1.4 z kanałem konwekcyjnym 1.5 poprzez feston 1.8. Komora fluidyzacyjna 1.1 od spodu zakończona jest dnem dyszowym 1.9 zamkniętym skrzyniami gazu fluidyzacyjnego 1.10. W pobocznicy komory fluidyzacyjnej 1.1 zainstalowane są palniki 1.11 i dysze powietrza 1.12 a w jej spodzie przy dnie dyszowym 1.9 zainstalowany jest kanał spustowy popiołu i żużlu 1.13. W górnej części komory dopalania 1.4 umiejscowiona jest powierzchnia ogrzewalna 1.14 w postaci przegrzewacza grodziowego, w środkowej palnik 1.15 oraz dysza powietrza 1.16 a w jej spodzie kanał spustowy popiołu i żużlu 1.17. W kanale konwekcyjnym 1.5 w jego górnej części umiejscowiona jest powierzchnia ogrzewalna 1.18 w postaci przegrzewacza pary pod którą kolejno w kierunku do dołu zamocowana jest powierzchnia ogrzewalna 1.19 w postaci podgrzewacza wody oraz powierzchnia ogrzewalna 1.20 w postaci podgrzewacza parowo-wodnego. Powierzchnia ogrzewalna 1.19 w postaci podgrzewacza wody utworzona jest z dwóch usytuowanych jeden pod drugim elementów. Pomiędzy elementami stanowiącymi powierzchnię ogrzewalną 1.19 w postaci podgrzewacza wody umiejscowiony jest stanowiący powierzchnię ogrzewalną układu turbozespołu ORC podgrzewacz oleju termalnego 1.21. Komora obrotowa 1.2 wyposażona jest w napęd 1.22 oraz zamocowany do jej płyty czołowej palnik 1.23. Ponadto, instalacja kotłowa jest wyposażona w kolektory wody kotłowej 1.24 i 1.25, które są połączone z rurami opadowymi 1.26 połączonymi z kolektorem 1.27 złączonym z walczakiem 1.28. Kolektor wody kotłowej 1.24 jest połączony z rurami opadowymi 1.26 poprzez pompę cyrkulacyjną 1.29. Układ doprowadzania wsadu 2 do kotła 1 stanowi zamocowany do płyty czołowej komory obrotowej 1.2 podajnik wsadu. Układ odprowadzania popiołu i żużlu 3 z kotła 1 ma postać wanny żużlowej umiejscowionej pod kanałem spustowym popiołu i żużlu 1.13 i pod kanałem spustowym popiołu i żużlu 1.17. Układ odprowadzania spalin 4 do komina 5 złączony jest z wylotem spalin kanału konwekcyjnego 1.5 i utworzony jest z multicyklonu 4.1 i połączonego z nim filtra workowego 4.2, które to elementy tworzą układ oczyszczający oraz połączonego z nimi wentylatora wyciągowego 4.3. Układ turbozespołu parowego 6 stanowiący instalację do wytwarzania energii elektrycznej i cieplnej zbudowany jest z zespolonej z generatorem prądu 6.1 turbiny parowej 6.2 kondensacyjno-upustowej albo przeciwprężnej połączonej ze stacją redukcyjno-schładzającą pary wodnej 6.3, z układem grzewczym 6.4 który następnie połączony jest z odgazowywaczem 6.5 oraz z kondensatorem pary wodnej 6.6, który połączony jest poprzez podgrzewacz regeneracyjny pary wodnej 6.7 z odgazowywaczem 6.5. Kondensator pary wodnej 6.6 połączony jest z chłodnią wody 6.8. Układ turbozespołu parowego 6 wyposażony jest w stację przygotowania surowej wody 6.9, która połączona jest z odgazowywaczem 6.5 oraz ze stacją redukcyjno-schładzającą pary wodnej 6.3. Układ turbozespołu parowego 6 złączony jest z kotłem 1 poprzez połączenie stacji redukcyjno-schładzającej pary wodnej 6.3 z powierzchnią ogrzewalną 1.18 w postaci przegrzewacza pary oraz odgazowywacza 6.5 z walczakiem 1.28 i poprzez pompę wody 6.10 z powierzchnią ogrzewalną 1.19 w postaci podgrzewacza wody. Układ turbozespołu ORC 7 stanowiący drugą, równoległą do układu turbozespołu parowego 6, instalację do wytwarzania energii cieplnej i elektrycznej zbudowany jest z zespolonej z generatorem prądu 7.1 turbiny ORC 7.2 połączonej z parownikiem cieczy o niskim cieple parowania 7.3 w postaci parownika oleju silikonowego oraz z regeneracyjnym podgrzewaczem oleju silikonowego 7.4 połączonym z wymiennikiem ciepła oleju silikonowego 7.5. Wymiennik ciepła oleju silikonowego 7.5 poprzez pompę oleju silikonowego 7.6 połączony jest z regeneracyjnym podgrzewaczem oleju silikonowego 7.4 połączonym następnie z parownikiem cieczy o niskim cieple parowania 7.3. Wymiennik ciepła oleju silikonowego 7.5 połą4

PL 217 746 B1 czony jest z odbiornikiem ciepła 7.7. Układ turbozespołu ORC 7 połączony jest z kotłem 1 poprzez złączenie parownika cieczy o niskim cieple parowania 7.3 z podgrzewaczem oleju termalnego 1.21 przy czym w połączenie to włączony jest zbiornik wyrównawczy 7.8.

Spaliny ze wsadu poddanego procesowi pirolizy i suszenia w komorze obrotowej 1.2 a następnie procesowi spalenia po zmieszaniu z powietrzem w komorze fluidyzacyjnej 1.1 i komorze dopalania 1.4 oddają ciepło umiejscowionym w kotle 1 powierzchniom ogrzewalnym 1.14, 1.18, 1,19, 1.20 i podgrzewaczowi oleju termalnego 1.21. Wytwarzana w powierzchniach ogrzewalnych 1.14, 1.18, 1,19 i 1.20 para wodna napędza turbinę parową 6.2 przeciwprężną albo kondensacyjno-upustową, która następnie napędza generator prądu 6.1 wytwarzający energię elektryczną oraz oddaje część ciepła poprzez upust do układu technologicznego do podgrzewacza regeneracyjnego pary wodnej 6.7, do układu grzewczego 6.4 do celów grzewczych lub do kondensatora pary wodnej 6.6 w którym schładzana jest chłodną wodą pobieraną z chłodni wody 6.8. Kondensat z technologii odgazowywany jest łącznie z wodą surową pobieraną ze stacji przygotowania wody surowej 6.9 w odgazowywaczu 6.5 skąd przy pomocy pompy wody 6.10 podawany jest do powierzchni ogrzewalnej 1.19 w postaci podgrzewacza wody. W układzie turbozespołu ORC 7 podgrzany w podgrzewaczu oleju termalnego 1.21 olej termalny oddaje swoje ciepło w parowniku cieczy o niskim cieple parowania 7.3, w którym ciecz stanowi na przykład olej silikonowy, który odparowywuje i napędza turbinę ORC 7.2 i zespolony z nią generator prądu 7.1. Pary oleju silikonowego po wyjściu z turbiny ORC 7.2 schładzane są wstępnie w regeneracyjnym podgrzewaczu oleju silikonowego 7.4 oraz w wymienniku ciepła oleju silikonowego 7.5. Schłodzony olej silikonowy podawany jest przy pomocy obiegowej pompy oleju silikonowego 7.6 do parownika cieczy o niskim cieple parowania 7.3, gdzie odparowywany jest przy pomocy ciepła pobieranego od oleju termalnego. Oddane przez olej silikonowy ciepło parowania w wymienniku ciepła oleju silikonowego 7.5 przekazywane jest czynnikowi grzewczemu wykorzystanemu w odbiorniku ciepła 7.7.

Claims (1)

1. Urządzenie do wytwarzania energii elektrycznej i cieplnej opalane odnawialnymi źródłami energii lub formowanymi alternatywnie paliwami energetycznymi zbudowane z instalacji kotłowej zawierającej kocioł utworzony z komory fluidyzacyjnej zakończonej od spodu dnem dyszowym zamkniętym skrzyniami gazu fluidyzacyjnego, przy którym zamocowany jest kanał spustowy popiołu i żużlu pod którym usytuowany jest układ odprowadzania popiołu i żużlu, wyposażonej w zamocowane w jej pobocznicy palniki i dysze powietrza i połączonej z komorą obrotową wyposażoną w napęd, zainstalowany w jej płycie czołowej palnik oraz przyłączony do jej płyty czołowej układ doprowadzania wsadu oraz poprzez komorę separacji z komorą dopalania w której spodzie zamocowany jest kanał spustowy popiołu i żużlu, w pobocznicy palnik i dysza powietrza a w górnej części powierzchnia ogrzewalna w postaci przegrzewacza grodziowego, która następnie połączona jest ze złączonym z układem odprowadzania spalin do komina kanałem konwekcyjnym wyposażonym w powierzchnię ogrzewalną w postaci przegrzewacza pary pod którą kolejno w kierunku do dołu zainstalowana jest powierzchnia ogrzewalna w postaci podgrzewacza wody oraz powierzchnia ogrzewalna w postaci podgrzewacza parowo-wodnego, które to powierzchnie ogrzewalne połączone są ze stanowiącym instalację do wytwarzania użytkowej energii elektrycznej i cieplnej układem turbozespołu parowego, znamienne tym, że wyposażone jest w drugą, równoległą do układu turbozespołu parowego (6), instalację do wytwarzania energii elektrycznej i cieplnej w postaci układu turbozespołu ORC (7), którego parownik cieczy o niskim cieple parowania (7.3) połączony jest z, umiejscowionym w kanale konwekcyjnym (1.5), podgrzewaczem oleju termalnego (1.21) usytuowanym pomiędzy umieszczoną nad nim powierzchnią ogrzewalną (1.19) w postaci podgrzewacza wody a umieszczoną pod nim powierzchnią ogrzewalną (1.20) w postaci podgrzewacza parowo-wodnego.