PL241237B1 - Sposób wytwarzania energii elektrycznej i cieplnej z paliwa stałego wykorzystujący powietrze w turbinie gazowej i kotle oraz recyrkulację spalin - Google Patents

Abstract

Przedmiotem zgłoszenia jest sposób wytwarzania energii elektrycznej i cieplnej z paliwa stałego przy zastosowaniu mieszanki powietrza (10) i wody jako czynnika roboczego w sprężarce i turbinie gazowej oraz jako utleniacza w kotle z recyrkulacją spalin.

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób wytwarzania energii elektrycznej i cieplnej z paliwa stałego przy zastosowaniu mieszanki powietrza i wody jako czynnika roboczego w sprężarce i turbinie gazowej oraz jako utleniacza w kotle z recyrkulacją spalin.

Produkcja energii elektrycznej z paliwa stałego w kotłach i turbinach parowych jest technologią stosowaną od lat w układach dużej mocy przekraczającej 1 MWe. Wytwarzanie prądu z paliwa stałego w jednostkach o mniejszej mocy jest mniej sprawne i droższe. Wśród dostępnych technologii małej mocy można wyróżnić siłownie oparte o organiczny obieg Rankina z turbinami parowymi, w których czynnikami roboczymi są różne substancje chemiczne. Ze względu na nieobojętne dla zdrowia własności czynników roboczych instalacje te muszą być szczelne, co dodatkowo podnosi ich koszty. Inną wadą tej technologii jest jej stosunkowo niska sprawność.

Alternatywą dla tego typu rozwiązań mogą być układy składające się ze sprężarki i turbiny gazowej, w których czynnikiem roboczym jest powietrze ogrzewane w kotle na paliwo stałe. W ten sposób eliminuje się kłopotliwy czynnik roboczy i stosuje dostępne wszędzie powietrze.

Z polskiego wynalazku P.425682, znany jest sposób konwersji energii paliwa stałego na energię elektryczną i cieplną w skojarzeniu, które polega na spalaniu paliwa i zamianie ciepła spalania na energię elektryczną na turbinie połączonej z generatorem.

W opisie US 5165239 A ujawniono układ z turbiną gazową, gdzie wykorzystano wspomaganie wodne w celu zwiększenia wydajności oraz mocy wyjściowej układu. Woda wtryskiwana do strumienia wylotowego sprężarki chłodzi powietrze przez odparowanie tak, aby zapewnić wyższą różnicę temperatur w wysokotemperaturowej nagrzewnicy powietrza, która jest używana do pośredniego ogrzewania powietrza zawierającego wodę, do temperatury większej niż około 1000°C na wlocie do turbiny. Niższa temperatura na wylocie gorącej strony nagrzewnicy powietrza powoduje zmniejszenie strat ciepła i zwiększenia odzysku ciepła w nagrzewnicy powietrza, a tym samym zwiększenia ogólnej wydajności cyklu.

Z opisu patentowego US 8176724 B znamy sposób przekształcenia energii cieplnej w bardziej użyteczną formę przy użyciu podgrzewanego zewnętrznie obiegu Braytona. Powietrze atmosferyczne jest stosowane z wtryskiem wody w obiegu termodynamicznym, który obejmuje sprężanie, chłodzenie wyparne, ogrzewanie rekuperacyjne, chłodzenie wyparne, ogrzewanie zewnętrzne i rozprężanie przez turbinę. Moc i sprawność ogólną maksymalizuje się poprzez obniżenie temperatury płynu roboczego wpływającego do rekuperatora i podgrzewacz przy jednoczesnym zwiększeniu przepływu masowego przez turbinę.

Z opisu EP1178195 A znamy układ turbiny gazowej bez sprężarki spalin, która pracuje w n iskiej temperaturze, dzięki czemu wydłużona jest żywotność układu. Powietrze sprężone w sprężarce o temperaturze około 200°C wpływa do wymiennika ciepła gdzie podgrzane jest przez spaliny do temperatury od około 760°C do 900°C, a następnie wpływa do turbiny i napędza generator prądu. Powietrze wylotowe z turbiny, którego temperatura spada od około 500°C do 750°C, jest dostarczane do komory spalania w celu wytworzenia gazów spalinowych o wysokiej temperaturze od około 800°C do 950°C. Te spaliny wpływają do wymiennika ciepła aby ogrzać powietrze ze sprężarki. Powietrze jest ogrzewane spalinami o wysokiej temperaturze, bez użycia sprężarki spalin, a turbina jest napędzana powietrzem o niższej temperaturze w porównaniu z typową turbiną gazową.

Celami wynalazku są sposób wytwarzania energii elektrycznej i cieplnej z paliwa stałego w turbinie gazowej napędzanej gorącym powietrzem pochodzącym z kotła powietrznego oraz zmiana warunków cieplnych w komorze spalania i wymienniku ciepła spaliny-powietrze robocze. Cele te zostały osiągnięte poprzez zastosowanie wody zdemineralizowanej jako dodatku do powietrza roboczego, podawanie mieszanki powietrza i wody zdemineralizowanej do turbiny oraz wykorzystanie tej mieszanki jako utleniacza w kotle powietrznym. W korzystnym wariancie sposobu cel może być realizowany przez recyrkulację spalin do komory spalania, po to by zminimalizować możliwość uszkodzenia rur wymiennika ciepła spaliny-powietrze na skutek wysokiej temperatury. Moc elektryczna takiego układu z turbiną gazową, sprężarką, generatorem i kotłem powietrznym mieści się w zakresie od ok. 30 kWe do ok. 1 MWe.

Przedmiotem wynalazku jest sposób wytwarzania energii elektrycznej i cieplnej z paliwa stałego spalanego w kotle powietrznym, w układzie ze sprężarką, turbiną i generatorem, gdzie:

- powietrze pobiera się z otoczenia i spręża do około 3 barów za pomocą sprężarki, następnie miesza się z ogrzaną wodą zdemineralizowaną, dalej mieszanina płynie do wymiennika ciepła spaliny-powietrze i rozgrzewa się do temperatury około 800°C;

PL 241 237 B1

- rozprężenie mieszanki powietrza i pary wodnej następuje w turbinie do ciśnienia około 1 bar i temperatury około 600°C;

- mieszanka rozprężając się obraca turbinę, która napędza generator prądu i sprężarkę;

- rozprężona mieszanka podawana jest do komory spalania i płynie do wymiennika ciepła spaliny-

-powietrze;

- po oddaniu części energii w wymienniku ciepła spaliny-powietrze spaliny powstałe w komorze spalania podgrzewają w podgrzewaczu wody zdemineralizowanej dostarczoną z zewnątrz wodę zdemineralizowaną, a następnie płyną i podgrzewają wodę grzewczą w podgrzewaczu;

- następnie spaliny oczyszcza się z cząstek stałych w elektrofiltrze i część z nich wypływa do otoczenia a część tłoczona jest do komory spalania za pomocą wentylatora.

Korzystnie wymiennik ciepła spaliny-powietrze składa się ze średniotemperaturowego wymiennika spaliny-powietrze i wysokotemperaturowego wymiennika spaliny-powietrze, przy czym powietrze miesza się z ogrzaną wodą zdemineralizowaną w średniotemperaturowym wymienniku ciepła.

Korzystnie rozprężona mieszanka podawana jest do komory spalania i płynie do wysokotemperaturowego wymiennika spaliny-powietrze, a następnie do średniotemperaturowego wymiennika spaliny-powietrze.

Opis figur:

Fig. 1 - przedstawia układ wytwarzania energii elektrycznej i cieplnej z paliwa stałego przy zastosowaniu powietrza roboczego jako utleniacza z recyrkulacją spalin.

Fig. 2 - przedstawia układ wytwarzania energii elektrycznej i cieplnej z paliwa stałego przy zastosowaniu powietrza roboczego jako utleniacza z recyrkulacją spalin oraz rozbudowanym wymiennikiem ciepła spaliny-powietrze.

Wynalazek ilustrują następujące przykłady wykonania i figury, na których przedstawiono schematy układów, nie stanowiące jego ograniczenia.

P r z y k ł a d 1

Opis przykładu wg. Figury 1

Sposób wytwarzania energii elektrycznej i cieplnej z paliwa (11) stałego opiera się na podwójnym zastosowaniu powietrza: raz - jako czynnika roboczego w sprężarce (1) i turbinie gazowej (3), dwa - jako utleniacza w kotle powietrznym, który składa się z komory spalania (5) i wymiennika ciepła spaliny-powietrze (2) oraz na zawróceniu części spalin i dodaniu ich do komory spalania. Powietrze pobrane z otoczenia i sprężone do około 3 barów za pomocą sprężarki (1) miesza się z ogrzaną wodą zdemineralizowaną (13), której wydatek stanowi około 10% wydatku powietrza, w wymienniku ciepła spaliny-powietrze (2) i rozgrzewa się do temperatury około 800°C. Po tym następuje rozprężenie mieszanki powietrza i pary wodnej w turbinie (3) do ciśnienia około 1 bar i temperatury około 600°C. Mieszanka rozprężając się obraca turbinę (3), która napędza generator prądu (4) i sprężarkę (1). Rozprężona mieszanka podawana jest do komory spalania (5) i wymiennika ciepła spaliny-powietrze (2). Do komory spalania dopływa też część spalin tłoczona za pomocą wentylatora (9). Po oddaniu części energii w wymienniku ciepła (2) spaliny (12) podgrzewają wodę zdemineralizowaną (13) w podgrzewaczu wody zdemineralizowanej (6) a następnie wodę grzewczą (14) w podgrzewaczu (7). Następnie spaliny (12) są oczyszczane z cząstek stałych w elektrofiltrze (8) i część z nich wypływa do otoczenia a część tłoczona jest do komory spalania za pomocą wentylatora (9).

P r z y k ł a d 2

Opis przykładu wg. Figury 2

Sposób wytwarzania energii elektrycznej i cieplnej z paliwa (11) stałego opiera się na podwójnym zastosowaniu powietrza: raz - jako czynnika roboczego w sprężarce (1) i turbinie gazowej (3), dwa - jako utleniacza w kotle powietrznym, który składa się z komory spalania (5), średniotemperaturowego wymiennika ciepła spaliny-powietrze (2a) i wysokotemperaturowego wymiennika ciepła spaliny-powietrze (2b). Powietrze pobrane z otoczenia i sprężone do około 3 barów za pomocą sprężarki (1) miesza się z ogrzaną wodą zdemineralizowaną (13), której wydatek stanowi około 10% wydatku powietrza, i ogrzewa się najpierw w średniotemperaturowym wymienniku ciepła (2a) a następnie w wysokotemperaturowym wymienniku ciepła (2b) do temperatury około 800°C. Po tym następuje rozprężenie mieszanki powietrza i pary wodnej w turbinie (3) do ciśnienia około 1 bar i temperatury około 600°C. Mieszanka rozprężając się obraca turbinę (3), która napędza generator prądu (4) i sprężarkę (1). Rozprężona mieszanka podawana jest do komory spalania (5) i wymiennika ciepła spaliny4

PL 241 237 B1

- powietrze (2a) i (2b). Do komory spalania dopływa też część spalin tłoczonych za pomocą wentylatora (9). Po oddaniu części energii w wymienniku ciepła (2b) i (2a) spaliny (12) podgrzewają wodę zdemineralizowaną (13) w podgrzewaczu wody zdemineralizowanej (6) a następnie wodę grzewczą (14) w podgrzewaczu (7). Następnie spaliny (12) są oczyszczane z cząstek stałych w elektrofiltrze (8) i część z nich wypływa do otoczenia a część tłoczona jest do komory spalania za pomocą wentylatora (9).

Oznaczenia:

- Sprężarka

- Wymiennik ciepła spaliny-powietrze

2a - Średniotemperaturowy wymiennik ciepła spaliny-powietrze

2b - Wysokotemperaturowy wymiennik ciepła spaliny-powietrze

- Turbina

- Generator prądu

- Komora spalania

- Podgrzewacz wody zdemineralizowanej

- Podgrzewacz wody centralnego ogrzewania/podgrzewacz wody

- Elektrofiltr

- Wentylator spalin

- Powietrze

- Paliwo

- Spaliny

- Woda zdemineralizowana

- Woda grzewcza

Claims (3)

1. Sposób wytwarzania energii elektrycznej i cieplnej z paliwa stałego spalanego w kotle powietrznym, w układzie ze sprężarką, turbiną i generatorem, znamienny tym, że:

- powietrze (10) pobiera się z otoczenia i spręża do około 3 barów za pomocą sprężarki (1), następnie miesza się z ogrzaną wodą zdemineralizowaną (13), dalej mieszanina płynie do wymiennika ciepła spaliny-powietrze (2) i rozgrzewa się do temperatury około 800°C;

- rozprężenie mieszanki powietrza i pary wodnej następuje w turbinie (3) do ciśnienia około 1 bar i temperatury około 600°C;

- mieszanka rozprężając się obraca turbinę (3), która napędza generator prądu (4) i sprężarkę (1);

- rozprężona mieszanka podawana jest do komory spalania (5) i płynie do wymiennika ciepła spaliny-powietrze (2);

- po oddaniu części energii w wymienniku ciepła spaliny-powietrze (2) spaliny (12) powstałe w komorze spalania (5) podgrzewają w podgrzewaczu wody zdemineralizowanej (6) dostarczoną z zewnątrz wodę zdemineralizowaną (13), a następnie płyną i podgrzewają wodę grzewczą (14) w podgrzewaczu (7);

- następnie spaliny oczyszcza się z cząstek stałych w elektrofiltrze (8) i część z nich wypływa do otoczenia a część tłoczona jest do komory spalania (5) za pomocą wentylatora (9).

2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że wymiennik ciepła spaliny-powietrze (2) składa się ze średniotemperaturowego wymiennika spaliny-powietrze (2a) i wysokotemperaturowego wymiennika spaliny-powietrze (2b), przy czym powietrze (10) miesza się z ogrzaną wodą zdemineralizowaną (13) w średniotemperaturowym wymienniku ciepła (2a).

3. Sposób według zastrz. 2, znamienny tym, że rozprężona mieszanka podawana jest do komory spalania (5) i płynie do wysokotemperaturowego wymiennika spaliny-powietrze (2b), a następnie do średniotemperaturowego wymiennika spaliny-powietrze (2a).