Фундаментальні аспекти відновлювано-водневої енергетики і паливно-комірчаних технологій

Газифікатор-трансформер для одержання газу з твердих органічних відходів та вугілля в щільному та циркулюючому киплячому шарах для когенераційних енергетичних установок на паливних елементах

Модіфікація установки зі щільним шаром

Модифікація установки з киплячим шаром

Схема установки зі щільним шаром.

Тверді органічні відходи проходять попереднє сушіння та карбонізацію завдяки використанню тепла стінок газифікатора, які підігріваються завдяки парціальному окисненню твердого палива в середній частині газифікатора та використанню плазмотронів. Газифікатор футерований і гарячий. Повітря, пароповітряна суміш (з повітряного плазмотрона) чи високотемпературна водяна пара (з парового плазмотрона) надходять в середню частину установки в зону парціального окиснення одержаних продуктів карбонізації: газів та коксу. В разі використання агропромислових відходів (деревини, пеллет, лушпиння соняшника, паперу та ін.), їх сумішей с пластиком (ПЕТ, поліетилен, поліпропілен, полістирол) плазмотрони використовуються тільки для пуску установки. Плазмотрони безперервно використовуються в разі конверсії шкідливих твердих відходів (донного мулу аераційної станції, харчових та слаборадіоактивних відходів). В нижній частині установки (зона відновлення) відбувається процес газифікації одержаного коксу та видалення золи. Тонка зола видаляється в циклоні. Гарячий очищений від пилу синтез-газ надходить в реактор каталітичного очищення від шкідливих високомолекулярних сполук. Для остаточного очищення газу від пилу використовується фільтр тонкої очистки. Одержаний високотемпературний газ за температури 650-850°С надходить в електрохімічний генератор на твердооксидних паливних елементах (ЕХГ на ТОПЕ) для вироблення електричної енергії. Продукти згоряння з ЕХГ на ТОПЕ надходять в котел утилізатор для вироблення гарячої води для опалення. Електрична потужність ЕХГ на ТОПЕ – 5 кВт. Теплова потужність котла-утилізатора для опалення - 6,4 кВт.

Схема установки з киплячим шаром.

Сухі гранульовані органічні відходи чи вугілля з додаванням доломіту та повітря надходять в нижню частину газифікатора. Циркуляція потоку твердих частинок забезпечується завдяки використанню тракту повернення з циклоном ЦКШ та J-клапаном. Донна зола видаляється з нижньої частини газифікатора, летюча зола - циклоном летючої золи. Температура в киплячому шарі – 650°С, швидкість газу в газифікаторі – 3 м/с. Очищений від пилу газ надходить в реактор каталітичного очищення від шкідливих високомолекулярних сполук. З каталітичного реактора газ надходить в ЕХГ на ТОПЕ для вироблення електричної енергії. Продукти згоряння з ЕХГ на ТОПЕ надходять в котел-утилізатор для вироблення гарячої води на опалення. Електрична потужність ЕХГ на ТОПЕ – 17 кВт. Теплова потужність котла-утилізатора для опалення - 14,4 кВт. .

Області застосування

Виробництво синтез-газу з твердих органічних відходів та вугілля для одержання: електричної енергії (в електрогенераторах з ДВЗ та високотемпературними паливними елементами), водню (з використанням процесів сорбції та десорбції водню та мембранної сепарації), деревного та активованого вугілля, рідинного моторного палива.

Короткий опис

Особливістю конструкції установки є модульність, компактність та можливість використання вузлів установки для розроблення та перевірки різних технологій газифікації для різних твердих органічних відходів у рухомому щільному та киплячому шарах для одержання збагаченого воднем газу та електричної енергії в паливних елементах. Газифікатор ІВЕТ НАНУ є новим газифікатором-трансформером (ГТР). Плазмотрони (ПЛ) для газифікації виконують допоміжну роль з метою конверсії ТОВ з підвищеним вмістом вологі, золи, хлору та інших небезпечних речовин. Відмінностями ГТР ІВЕТ НАНУ від інших газифікаторів є такі: ГТР призначено для газифікації не тільки деревини, а й ТОВ (включаючи полімерні і небезпечні) та вугілля; ГТР складається з секцій з можливістю змінення як всієї конструкції газифікатора, так і кожної секції зон сушіння, піролізу, парціального окиснення та газифікації; ГТР і циклон установки футеровані і гарячі; енергія парціального окиснення відходів використовується тільки на процеси сушіння/піролізу та газифікації без використання тепла стінок ГТР на нагрівання повітря чи газів, що рециркулюють; стінки ГТР є акумуляторами енергії відносно малого діаметра та використовуються для передачі теплової енергії з зони парціального окиснення в зони сушіння/піролізу та газифікації; в зоні піролізу над зоною парціального окиснення встановлюються за необхідністю ПЛ (паровий ПЛ Multiplaz 3500 чи повітряний ПЛ Tesla Cut 40 зі спеціально розробленим в ІВЕТ НАНУ пристроєм – охолоджуваним анодом); для пуску установки не потрібен горючий газ чи рідинне паливо, установка запускається за допомогою плазмотрона; розроблено власну конструкцію секції зони парціального окиснення з можливостями її переміщення в секції по висоті та переміщення повітряних фурм в поперечному напрямку; ГТР можна використовувати для газифікації ТОВ не тільки в різних модифікаціях щільного шару, а й для газифікації в киплячому шарі.

Очікувані властивості

В 2019-2024 роках заплановано створення когенераційних енергетичних установок електричною потужністю від 5 до 30 кВт з використанням ГТР для одержання газу з твердих органічних відходів та вугілля в щільному та киплячому шарах.

Переваги

Модульність, компактність та можливість використання вузлів установки для розроблення та перевірки різних технологій газифікації. Установку можна використати в малому комерційному масштабі. У разі вироблення електричної і теплової енергії (когенерації) та деревного вугілля (полігенерації) за вартості відходів деревини 667 грн/т, коефіцієнту використання електричної потужності 80 %, коефіцієнту використання теплової енергії 50 %, вартості виробленої електричної енергії 2 грн/кВт•год, вартості тепла на опалення 1354,78 грн/Гкал, вартості деревного вугілля 10 тис. грн/т строк окупності когенераційної енергоустановки на ТОПЕ з газифікатором ІВЕТ НАН України становитиме 5 років.

Конкуренти

TDA Research Inc.,
Off Grid Pro Inc.,
Viessmann Holzfeuerungsanlagen GmbH,
AVL List GmbH,
Karlsruhe Institute of Technology,
Fraunhofer Institut fur Keramische Technologien und Systeme,
Utrecht University.

Стан розробки

В 2016 р. на установці одержано збагачений воднем синтез-газ з деревного вугілля, відходів деревини та донного мулу аераційної станції м. Києва з використанням пароповітряного дуття. На установці зі щільним шаром з донного мулу станції аерації м. Києва одержано збагачений воднем газ, який можна використати після очищення для одержання моторного палива та електричної енергії у високотемпературних паливних елементах без використання реактора водяного зсуву. В 2017 р. експериментально визначено фундаментальні характеристики процесів газифікації в щільному шарі: відходів паперу, лушпиння соняшнику, пеллет з відходів деревини, суміші відходів синтезованого (ПЕТ) і природного (деревина) полімерів, а також суміші кам’яного вугілля з деревним вугіллям. В зоні парціального окиснення газифікатора використано нову камеру конверсії для збільшення хімічного ККД газифікації в 1,5 рази та зменшення вмісту високомолекулярних сполук в одержаному газі менше 3 г/нм3. Зменшення вмісту високомолекулярних сполук в одержаному газі також досягалось в шарі каталізатора гарячого коксу. Для конверсії залишків високомолекулярних сполук, на виході газифікатора використано реактор ІВЕТ НАНУ з Ni-каталізатором Інституту фізичної хімії ім. Л. В. Писаржевського НАНУ. Розроблено новий процес повітряної та пароповітряної газифікації з використанням плазмотрона Tesla Cut 40. В 2018 р. розроблено принципові схеми нових когенераційних установок з газифікацією ТОВ в оберненому щільному шарі, бульбашковому киплячому шарі та ЦКШ: з електрогенератором з приводом від двигуна внутрішнього згоряння та з ЕХГ на ТОПЕ. Використання технології плазмової повітряної газифікації в оберненому щільному шарі та технології ЦКШ замість технології повітряної газифікації в щільному шарі дозволить збільшити електричну потужність ЕХГ на ТОПЕ з 5 кВт до 30 кВт та до 17 кВт відповідно.

Інтелектуальна власність

Cпосіб одержання водню. Патент на корисну модель № 60806 від 25.06.2011, Україна / Є.Ю. Калішин, А.І. Трипольський, Л. Ю. Долгіх, І.В. Дейнега, П.Є. Стрижак, О.М. Дудник, І.С. Соколовська. – 2011. – 10 с.

Каталізатор конверсії монооксиду вуглецю. Патент на корисну модель № 60805 від 25.06.2011, Україна / І.Б. Бичко, Є.Ю. Калішин, А.І. Трипольський, Л. Ю. Долгіх, І.В. Дейнега, П.Є. Стрижак, О.М. Дудник, І.С. Соколовська. – 2011. – 10 с.

Паливний брикет для отримання водню. Патент на корисну модель №106501 від 25.04.2016, Україна / Є.Ю. Калішин, A.І. Трипольський, О.М. Дудник, І.Б. Бичко, І.С. Соколовська, П.Є. Стрижак. – 2016. – 7 c.

Контактна інформація

Виконавець: Інститут вугільних енерготехнологій НАН України

Проект №5 «Розроблення процесів конверсії твердих органічних відходів в збагачений воднем синтез-газ для відновлювано-водневої енергетики та паливно-комірчаних енергетичних установок»

Контактна особа:

Teл. +38 044 425 04 19

Е-mail: aldudnyk2018@gmail.com