Патент на изобретение №2270849

(54) СИСТЕМА, ВЫРАБАТЫВАЮЩАЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКУЮ ЭНЕРГИЮ С ПОМОЩЬЮ ГАЗИФИКАЦИИ ГОРЮЧИХ ВЕЩЕСТВ

(57) Реферат:

Изобретение относится к области электротехники, в частности к технологии преобразования химической энергии горючих веществ в электрическую энергию с высокой эффективностью, где горючие вещества газифицируются для получения газа и полученный газ используется в топливном элементе для выработки электрической энергии. Техническим результатом изобретения является повышение эффективности преобразования химической энергии горючих веществ в электрическую. Предложенная низкотемпературная газификационная печь для газификации горючих веществ, таких как горючие отходы или уголь, работает при температуре, например, 400-1000°С, а полученный газ затем подается в топливный элемент для выработки электрической энергии. Низкотемпературная газификационная печь предпочтительно представляет собой газификационную печь с псевдоожиженным слоем. 3 н. и 8 з.п. ф-лы, 25 ил.

Область техники

Настоящее изобретение относится к технологии преобразования химической энергии горючих веществ в электрическую энергию с высокой эффективностью, а более конкретно касается системы, вырабатывающей электрическую энергию, в которой горючие вещества, такие как, например, горючие отходы или уголь, газифицируются для получения газа и полученный газ используется в качестве топливного газа в топливном элементе для выработки электрической энергии. Здесь горючие отходы включают городские отходы, топливо, извлеченное из отходов, смесь твердое тело-вода, пластиковые отходы, отходы из волокнита (FRP), отходы в виде биомассы, автомобильные отходы, промышленные отходы, такие как древесные отходы, низкокачественный уголь и нефтесодержащие отходы.

Предшествующий уровень техники

В последние годы предпринимались различные попытки для преобразования химической энергии горючих веществ, таких как уголь, в электрическую энергию. Одна из таких попыток заключается в применении системы, вырабатывающей электрическую энергию, с комбинированным циклом, в которой горючие вещества газифицируются под давлением для получения газа, полученный газ используется для приведения в движение газовой турбины, а тепло отработавшего газа, выходящего из газовой турбины, утилизируется с помощью котла-утилизатора для приведения в движение паровой турбины и, таким образом, газовая турбина и паровая турбина используются в комбинации для осуществления выработки энергии в комбинированном цикле, для генерации электрической энергии с высокой эффективностью.

Однако в вышеприведенной системе, вырабатывающей электрическую энергию, с комбинированным циклом для привода существующей газовой турбины должен быть получен газ с высокой теплотворной способностью, на уровне природного газа. То есть существующая газовая турбина не может приводиться в движение с помощью газа, имеющего низкую теплотворную способность, полученного путем газификации горючих веществ, имеющих низкие значения теплотворной способности, например горючих отходов, таких как городские отходы. Таким образом, для получения газа с высокой теплотворной способностью необходимо предпринимать некоторые меры, такие как, например, предотвращение разжижения полученного газа азотом, содержащимся в воздухе, путем использования чистого кислорода вместо воздуха в качестве газифицирующего агента. Что касается горючих веществ, имеющих высокое содержание связанного углерода, таких как уголь, то для того чтобы полностью перевести в газообразное состояние связанный углерод, необходимо повышение температуры газификации, как это осуществляется в ОКЦГ (объединенном комбинированном цикле газификации).

В последнее время была разработана газовая турбина для газа с низкой теплотворной способностью. Однако попытка поднять температуру газа, вводимого на вход газовой турбины, для получения высокого кпд требует наличия охлаждающего воздуха для охлаждающих элементов, таких как турбинные лопатки, которые находятся при высокой температуре. В случае газа с низкой теплотворной способностью, если относительное содержание избыточного воздуха большое, тогда температура горения газа понижается. Таким образом, относительное содержание избыточного воздуха должно быть ограничено, и, следовательно, разработка газовой турбины для газа с низкой теплотворной способностью не обеспечивает прогресса из-за недостатка количества охлаждающего воздуха в данных условиях.

Если для получения газа с высокой теплотворной способностью используется кислород, то требуется энергия для получения кислорода. Если температура реакции газификации повышается с целью достижения полной газификации, тогда дополнительное тепло, соответствующее его теплосодержанию, необходимо, чтобы таким образом увеличить относительное содержание кислорода, тем самым приводя к проблеме пониженной эффективности холодного газа. Кроме того, из-за ограничения температуры газа при подаче газа в установку, генерирующую электрическую энергию, газ, температура которого один раз была поднята до высокой температуры, должен быть охлажден, таким образом, невыгодно увеличиваются потери теплосодержания. По вышеуказанной причине эффективность в смысле полного кпд не может быть увеличена в необходимой степени. Под используемым здесь выражением “эффективность холодного газа” понимается величина, полученная путем деления полной теплотворной способности полученного горючего газа на полную теплотворную способность подаваемого исходного материала.

Раскрытие изобретения

При этих обстоятельствах изобретатели сделали данное изобретение, согласно которому можно вырабатывать электрическую энергию с высокой эффективностью путем использования горючих веществ, имеющих низкую теплотворную способность, в качестве исходного материала и можно обогащать и отделять образованный диоксид углерода для подавления глобального потепления путем оптимального комбинирования технологии преобразования газа даже с низкой теплотворной способностью в электрическую энергию с высокой эффективностью, технологии устойчивого получения газа из различных горючих веществ и технологии удаления компонентов, отравляющих топливный элемент, из полученного газа.

Таким образом, задача настоящего изобретения заключается в создании системы, вырабатывающей электрическую энергию с помощью газификации горючих веществ, в которой горючие вещества, такие как горючие отходы или уголь, газифицируются для получения газа и полученный газ используется в химической реакции для выработки электрической энергии с высокой эффективностью.

Другая задача настоящего изобретения заключается в создании системы, вырабатывающей электрическую энергию с помощью газификации горючих веществ, в которой горючие вещества, такие как отходы или уголь, стабильно газифицируются в низкотемпературной газификационной печи для получения газа, компоненты, отравляющие топливный элемент, удаляются из полученного газа, а очищенный газ вводится в топливный элемент для выработки электрической энергии с высокой эффективностью.

Для решения вышеуказанных задач согласно одному аспекту настоящего изобретения предлагается система, вырабатывающая электрическую энергию с помощью газификации горючих веществ, отличающаяся тем, что горючие вещества газифицируются для получения газа и полученный газ затем используется в химической реакции для выработки электрической энергии.

Согласно другому аспекту настоящего изобретения предлагается система, вырабатывающая электрическую энергию с помощью газификации горючих веществ, отличающаяся тем, что горючие вещества газифицируются для получения газа и полученный газ используется затем в топливном элементе для выработки электрической энергии.

Согласно еще одному аспекту настоящего изобретения предлагается система, вырабатывающая электрическую энергию с помощью газификации горючих веществ, отличающаяся тем, что горючие вещества газифицируются в печи с псевдоожиженным слоем для получения газа и полученный газ используется затем в топливном элементе для выработки электрической энергии.

Согласно другому аспекту настоящего изобретения предлагается система, вырабатывающая электрическую энергию с помощью газификации горючих веществ, отличающаяся тем, что горючие вещества газифицируются для получения газа и полученный газ риформируется, а риформированный газ затем используется в топливном элементе для выработки электрической энергии.

Согласно другому аспекту настоящего изобретения предлагается система, вырабатывающая электрическую энергию с помощью газификации горючих веществ, отличающаяся тем, что горючие вещества газифицируются для получения газа, а полученный газ затем используется в топливном элементе для выработки электрической энергии, при этом отходящее тепло, полученное в топливном элементе, используется в качестве источника тепла для газификации.

Согласно другому аспекту настоящего изобретения предлагается система, вырабатывающая электрическую энергию с помощью газификации горючих веществ, отличающаяся тем, что горючие вещества газифицируются для получения газа, а полученный газ используется в топливном элементе для выработки электрической энергии, при этом отработавший газ, выведенный из топливного элемента, вводится в процесс газификации для использования отработавшего газа для газификации.

Согласно другому аспекту настоящего изобретения предлагается система, вырабатывающая электрическую энергию с помощью газификации горючих веществ, отличающаяся тем, что горючие вещества газифицируются в газификационной печи комбинированного типа с псевдоожиженным слоем, содержащей камеру газификации, камеру сжигания обуглившихся веществ и камеру рекуперации тепла в одной печи для получения газа, а полученный газ затем используется в топливном элементе для выработки электрической энергии.

Согласно другому аспекту настоящего изобретения предлагается система, вырабатывающая электрическую энергию с помощью газификации горючих веществ, отличающаяся тем, что устанавливается низкотемпературная газификационная печь для газификации горючих веществ при температуре 400-1000°С, а полученный в низкотемпературной газификационной печи газ подается в установку, вырабатывающую электрическую энергию, для выработки электрической энергии, причем отработавший газ, содержащий большое количество водяного пара, после выработки энергии используется в качестве газифицирующего агента в низкотемпературной газификационной печи. Согласно предпочтительному аспекту настоящего изобретения установка, вырабатывающая электрическую энергию, представляет собой топливный элемент.

В последние годы происходит интенсивная разработка топливных элементов в качестве средства для преобразования химической энергии непосредственно в электрическую энергию без осуществления процесса преобразования в тепловую энергию. Топливные элементы по грубой классификации делятся на четыре типа, от наиболее высокой рабочей температуры до наиболее низкой рабочей температуры: топливный элемент с твердым электролитом (ТЭТЭ), топливный элемент с расплавленным карбонатом (ТЭРК), топливный элемент с фосфорной кислотой (ТЭФК) и топливный элемент с полимерным электролитом (ТЭПЭ). Для топливного элемента с фосфорной кислотой и топливного элемента с полимерным электролитом в качестве топливного газа требуется чистый водород. С другой стороны, топливный элемент с твердым электролитом и топливный элемент с расплавленным карбонатом имеют высокую температуру реакции и для них требуется недорогой металлический катализатор и, таким образом, они имеют существенную особенность, состоящую в том, что в качестве топлива может использоваться не только водород, но также и оксид углерода, который является отравляющим веществом для катализатора.

Более того, топливные элементы имеют такую существенную особенность, что только топливный компонент газа в газовой смеси может селективно вступать в реакцию. Например, даже если топливный газ, такой как водород или оксид углерода, смешан с газом, который не является топливным газом, таким как азот, диоксид углерода или водяной пар, то только газовые компоненты, используемые в качестве топлива в смешанном газе, взаимодействуют с кислородом для выработки электрической энергии. Таким образом, электрическая энергия может вырабатываться из смешанного газа с высокой эффективностью без использования какой-либо специальной технологии разделения газов.

Например, когда уголь или органические отходы газифицируются с помощью воздуха для получения газа и полученный газ используется для приведения в движение газовой турбины для выработки электричества, то поскольку азот, выделенный из воздуха, содержится в полученном газе, попытка получить газ с высокой температурой сгорания требует дополнительной теплоты, соответствующей теплосодержанию, необходимому для повышения температуры азота. Теоретически, когда теплотворная способность полученного газа равна 3,35 МДж/м³ (нормальные условия (нормальные температура и давление – NTP)) (800 ккал/Nм³), то температура горения газа примерно 1500°С, в то время как при теплотворной способности полученного газа 2,51 МДж/м³ (нормальные условия) (600 ккал/Nм³) температура горения газа примерно 1200°С. Однако в действительности трудно реализовать стабильное горение, если только теплотворная способность полученного газа не превышает 4,19 МДж/м³ (нормальные условия) (1000 ккал/Nм³), а высокая температура горения создает проблему генерации теплового NOx. Таким образом, очень трудно вырабатывать электрическую энергию с высокой эффективностью с помощью сжигания газа, содержащего большое количество азота.

С другой стороны, когда газ такого же типа используется для выработки электрической энергии в топливном элементе, то включение азота в полученный газ, т.е. топливный газ, имеет некоторый отрицательный эффект, такой как уменьшение частоты взаимодействия топливной газовой компоненты с электродом, но этот отрицательный эффект значительно слабее, чем отрицательный эффект в случае выработки энергии с помощью газовой турбины.

Когда горючие вещества с низкой теплотворной способностью, такие как городские отходы, имеющие теплотворную способность примерно от 8,37 до 12,56 МДж/кг (2000-3000 ккал/кг), газифицируются для выработки электрической энергии, то важно как можно больше повысить эффективность холодного газа. В разрабатываемой технологии газификации и сжигания со шлакованием для обработки отходов в некоторых случаях применяется метод непрямого нагрева, такой как, например, внешний нагрев в печи для пиролиза. Это делается именно “с целью исключения частичного сжигания и повышения эффективности холодного газа при ограниченном относительном содержании кислорода”. Наиболее эффективный способ для повышения эффективности холодного газа заключается в препятствовании выработки бесполезного тепла. А конкретно, эффективным является как можно более высокое понижение температуры газификации. Когда температура газификации может быть понижена, то могут быть уменьшены и количество потребляемого горючего материала для выработки тепла с целью повышения температуры, и потребление кислорода. Это может повысить эффективность холодного газа, и даже когда в качестве окисляющего агента используется чистый кислород, то энергия, включенная в производство кислорода, может быть уменьшена и, следовательно, повышается эффективность “конечной передачи”.

Применение низкой температуры газификации также благоприятно для материала печи. В технологическом процессе с полной газификацией для угля (ОКЦГ), который в настоящее время разрабатывается, максимальная температура газификационной печи порядка 1500°С или выше. Поэтому очень трудно выбрать огнеупорный материал, который может выдержать такую высокую температуру. В настоящее время не существует огнеупорного материала, который может выдержать такую температуру и условия эксплуатации и, следовательно, для продления срока эксплуатации огнеупорного материала его охлаждают снаружи. По этой причине, даже когда размер печи уменьшен благодаря применению системы высокого давления, то радиационные потери от поверхности стенки печи достигают несколько % от всего вводимого тепла, тем самым вызывая увеличение “накладных расходов” в общем кпд.

Когда температура газификации понижается, то не происходит полного разложения горючей компоненты, это приводит к тому, что углеводороды, молекулярная масса которых относительно большая, и высокомолекулярные углеводороды, такие как смола, выходят вместо водорода и оксида углерода в качестве компоненты топливного газа для топливного элемента. Когда эти высокомолекулярные углеводороды подаются в топливный элемент, причем без из выведения, то они используются в качестве топлива, что приводит в результате не только к понижению эффективности, но также вызывает реакцию конденсационной полимеризации с осаждением углерода внутри элемента. Таким образом, высокомолекулярные углеводороды являются источником различных проблем.

Однако в последние годы исследуются различные катализаторы для ускорения полной газификации при относительно низкой температуре от 700 до 800°С. В результате обнаружено, что эффективными являются не только никель, но также натрий, калий, кальций, FeO и другие катализаторы. Кроме того, топливные элементы, имеющие высокую рабочую температуру, такие как топливный элемент с твердым электролитом (ТЭТЭ) и топливный элемент с расплавленным карбонатом (ТЭРК), характеризуются тем, что в них происходит “самотепловой” риформинг топливного газа, т.е. внутренний риформинг топливного газа может быть осуществлен путем использования их высокой рабочей температуры и тепла от сгорания остаточного топливного газа, который уходит без использования внутри топливного элемента. Когда функция внутреннего риформинга может быть эффективно использована, тогда газ, полученный путем газификации при относительно низкой температуре, может быть использован в качестве топливного газа в топливном элементе.

Катализаторы, описанные выше, предназначены для разложения смолы и углеводородов, содержащихся в газе, полученном в процессе газификации, на водород и оксид углерода, то есть они выполняют так называемую “риформирующую функцию”. В этом случае риформинг может быть осуществлен путем поддержания слоя из катализатора при заданной температуре и путем введения полученного газа, содержащего смолу и углеводороды, вместе с риформирующим газом, таким как диоксид углерода или водяной пар, в этот слой. Температура слоя, содержащего катализатор, обычно в диапазоне от 700 до 800°С. Несмотря на то, что катализаторы, описанные выше, имеют каталитическую активность, такую же, как простой металл, многие из них, даже когда они переходят в оксиды (например, СаО в случае кальция), имеют такую же функцию. Эти катализаторы могут использоваться как псевдоожиженная среда газификационной печи с псевдоожиженным слоем.

В связи с этим следует заметить, что если газ, полученный из различных горючих веществ, используется в качестве топливного газа в топливном элементе, достаточное внимание должно быть уделено агрессивным газам, содержащимся в полученном газе, таким как хлорид водорода или сульфид водорода. А конкретно, топливный элемент с твердым электролитом (ТЭТЭ) и топливный элемент с расплавленным карбонатом (ТЭРК), имеющие высокие рабочие температуры, подвержены воздействию некоторых агрессивных условий, и, следовательно, перед тем как полученный газ подается в топливный элемент, вышеуказанные агрессивные газы должны быть удалены.

Когда получен газ, содержащий хлорид водорода или сульфид водорода, то в технологическом процессе для удаления этих агрессивных газов эффективно может быть использован “набитый” слой из “быстрой” извести (СаО). Хлорид водорода взаимодействует с “быстрой” известью с получением хлорида кальция (CaCl₂), а сульфид водорода взаимодействует с “быстрой” известью с получением сульфида кальция (CaS). Таким образом, если имеется “набитый” слой из “быстрой” извести ниже по потоку от процесса газификации, в котором получается хлорид водорода или сульфид водорода, тогда агрессивные компоненты могут быть выведены без значительного снижения температуры газа.

Далее следует обратить внимание на соли щелочных металлов, такие как хлорид натрия (NaCl) и хлорид калия (KCl), как агрессивные компоненты, которые создают проблему коррозии при газификации городских отходов или других подобных материалов. Эти соли щелочных металлов существуют в виде тумана в расплавленном состоянии в температурной области 650°С или выше, и они имеют склонность прилипать к частям, имеющим температуру ниже, чем их температура плавления, следовательно, приводя к сильной коррозии. Таким образом, важно защитить металлические конструктивные элементы топливного элемента от разъедания этими расплавленными солями. Расплавленные соли щелочных металлов могут быть эффективно выведены из полученного газа путем однократного охлаждения полученного газа до температуры ниже температуры расплавления солей, чтобы соли затвердели, и выводятся они с помощью фильтра или других подобных средств.

Поскольку температура плавления солей щелочных металлов 650°С или выше, то охлаждение полученного газа до температуры ниже 650°С с последующим тонким пылеулавливанием, таким как пылеулавливание через керамический фильтр, может значительно уменьшить опасность коррозии, вызванной расплавленными солями. Температура 650°С очень выгодна также при обработке полученного газа, содержащего смолу или другие подобные вещества. Это потому что смола находится в газообразном состоянии при температуре 400°С или выше, и такая проблема как закупорка фильтра смолой не возникает.

Согласно предпочтительному аспекту настоящего изобретения горючие вещества газифицируются в низкотемпературной газификационной печи при температуре от 400 до 1000°С для получения газа и полученный газ охлаждается до 650°С или ниже, а затем пропускается через аппарат очистки газа для удаления отравляющих компонентов и далее очищенный полученный газ подается в топливный элемент для выработки электрической энергии. В этом случае твердые компоненты, такие как зола, обуглившиеся вещества и соли, содержащиеся в газе, который выводится из низкотемпературной газификационной печи и охлаждается до 650°С или ниже, улавливаются с помощью пылеуловителя, находящегося при средней температуре, для предотвращения попадания таких твердых компонентов в аппарат очистки газа, установленный на последующей стадии процесса. До очистки полученного газа с помощью аппарата очистки газа полученный газ может быть нагрет до высокой температуры 1000-1500°С для разложения смолы и углеводородов, содержащихся в полученном газе, до низкомолекулярных материалов, а затем полученный газ может подаваться в топливный элемент.

Аппараты очистки газа могут быть классифицированы по двум типам: сухого типа и мокрого типа. В случае, когда топливный элемент представляет собой топливный элемент с твердым электролитом или топливный элемент с расплавленным карбонатом, использование аппаратов очистки газа сухого типа после охлаждения полученного газа до 650°С или ниже является эффективным для предотвращения потери теплосодержания, поскольку рабочая температура топливного элемента с твердым электролитом находится в диапазоне от 900 до 1000°С, а рабочая температура топливного элемента с расплавленным карбонатом около 700°С. С другой стороны, в случае, если топливный элемент представляет собой топливный элемент с фосфорной кислотой или топливный элемент с полимерным электролитом, температура топливного газа, подаваемого в топливный элемент, должна быть понижена до 200°С или ниже, поскольку рабочая температура топливного элемента с фосфорной кислотой около 200°С, а рабочая температура топливного элемента с полимерным электролитом около 80°С. По этой причине газовая очистка при высокой температуре не требуется и могут быть применены аппараты очистки газа мокрого типа. Поэтому в качестве средства для удаления щелочных металлов или смоляной компоненты для того, чтобы выполнить промывку газа водой, может применяться скруббер.

Основная структура системы, вырабатывающей электрическую энергию с помощью газификации горючих веществ, согласно настоящему изобретению, будет описана со ссылкой на фиг.23-25. На фиг.23-25 подобные или соответствующие элементы обозначены одними и теми же цифровыми позициями, чтобы избежать повторения пояснений.

Фиг.23 представляет собой схему, показывающую основную структуру настоящего изобретения. Горючие вещества подаются для выполнения технологического процесса А газификации и газифицируются в технологическом процессе А газификации. Газ, полученный в технологическом процессе А газификации, охлаждается до 650°С или ниже при выполнении технологического процесса В рекуперации теплоты. Если необходимо, то может быть предусмотрен технологический процесс 3 пылеулавливания выше и/или ниже по потоку от процесса рекуперации теплоты. Газ, охлажденный в процессе В рекуперации теплоты, подается на технологический процесс С очистки газа, где газ очищается, превращаясь в топливный газ для топливного элемента. Затем топливный газ подается на выполнение технологического процесса 6 выработки энергии с помощью топливного элемента.

Фиг.24 представляет собой схему, иллюстрирующую первую структуру технологического процесса С очистки газа. При введении полученного газа для выполнения процесса С очистки газа агрессивные газы, такие как хлорид водорода и сульфид водорода, удаляются из него при выполнении процесса 4 удаления агрессивных газов. Обработанный газ затем вводится для выполнения процесса 5 риформинга топлива, чтобы осуществить разложение углеводородов на водород и оксид углерода, и подается на выполнение процесса 6 выработки энергии с помощью топливного элемента. Следует заметить, что в процессе газификации, когда высокотемпературная газификационная печь, работающая при температуре 1000-1500°С, устанавливается помимо низкотемпературной газификационной печи и в ней может происходить полное разложение углеводородов, тогда процесс 5 риформинга топлива может быть опущен. В технологическом процессе риформинга топлива могут использоваться описанные выше реактор с неподвижным слоем, “набитый” риформирующим катализатором, или с подвижным слоем, или риформинг-установка с низкотемпературной плазмой, которая может селективно разлагать углеводороды без существенного повышения температуры газа. Риформинг-установка, в которой используется низкотемпературная плазма, имеет преимущество, состоящее в том, что нет существенных ограничений по рабочей температуре и рабочему давлению. Эта первая структура для процесса очистки газа является подходящей в случае, когда используется топливный элемент, имеющий относительно высокую рабочую температуру, т.е. топливный элемент с твердым электролитом или топливный элемент с расплавленным карбонатом. Выбор технологического процесса сухого типа, использующего оксид железа или оксид цинка в качестве абсорбента в процессе удаления агрессивных газов, обеспечивает получение очищенного газа для подачи его для осуществления процесса 6 выработки энергии с помощью топливного элемента без потери теплосодержания полученного газа.

Фиг.25 представляет схему, иллюстрирующую вторую структуру технологического процесса С очистки газа. Эта вторая структура технологического процесса С очистки газа является подходящей в случае, когда топливный элемент представляет собой топливный элемент с полимерным электролитом или топливный элемент с фосфорной кислотой. С помощью структуры, показанной на фиг.25, путем введения газа, полученного в процессе С очистки газа, агрессивные газы, такие как хлорид водорода и сульфид водорода, удаляются при осуществлении технологического процесса 4 удаления агрессивных газов, а полученный газ затем вводится для осуществления технологического процесса 5 риформинга топлива, где углеводороды разлагаются на водород и оксид углерода. Затем обработанный газ вводится для осуществления процесса 17 конверсии, где оксид углерода конвертируется в водород с помощью реакции конверсии СО. Затем газ вводится для осуществления процесса 18 удаления СО, чтобы удалить остаточный оксид углерода, а затем газ проходит через технологический процесс 19 очистки водорода, использующий сплав, сорбирующий водород, для получения чистого водорода или газа, высокообогащенного водородом, который затем подается для осуществления процесса 6 выработки энергии с помощью топливного элемента. Если топливный элемент может покрываться газом, обедненным по водороду, тогда процесс очистки водорода может быть опущен. Конкретная структура процесса 4 удаления агрессивных газов такова, что хлорид водорода удаляется в технологическом процессе очистки газа мокрого типа, использующем скруббер или другое подобное средство, а технологический процесс десульфуризации, использующий десульфуризацию с гидрогенерацией, выполняется ниже по потоку после процесса очистки газа мокрого типа. Для выполнения процесса удаления агрессивных газов также может быть использована комбинация других методов. В некоторых случаях эффективным является обеспечение процесса предварительной обработки выше по потоку от процесса 17 конверсии и процесса 18 удаления СО. Технологический процесс для уменьшения парциального давления диоксида углерода в газе или увеличения парциального давления водяного пара в газе для ускорения реакции конверсии является эффективным в качестве предварительной обработки для осуществления процесса конверсии. Конкретные примеры используемых здесь методов предварительной обработки включают метод поглощения аминами, в котором поглощается диоксид углерода для уменьшения парциального давления диоксида углерода, и метод, в котором водяной пар вдувается в полученный газ для увеличения парциального давления водяного пара. Методы, которые применяются в качестве процесса предварительной обработки для процесса 18 удаления СО, являются различными в зависимости от способа удаления СО. А конкретно, когда в качестве способа удаления СО используется процесс образования метана, использующий реакцию образования метана, тогда при минимизации содержания диоксида углерода эффективным для диоксида углерода является метод поглощения аминами. С другой стороны, когда в качестве способа для удаления СО используется технологический процесс селективного окисления, использующий селективное окисление, тогда в качестве окисляющего агента должен вдуваться кислородсодержащий газ. Несмотря на то что СО также может быть удален с помощью низкотемпературной плазмы, в этом случае необходимо вдувать водяной пар.

Краткое описание чертежей

Фиг.1 – схема, иллюстрирующая основную структуру системы, вырабатывающей электрическую энергию, с топливным элементом и с комбинированным циклом согласно первому варианту осуществления настоящего изобретения;

фиг.2 – схема, иллюстрирующая структуру системы, вырабатывающей электрическую энергию, с топливным элементом и с комбинированным циклом согласно второму варианту осуществления настоящего изобретения;

фиг.3 – схема, иллюстрирующая структуру системы, вырабатывающей электрическую энергию, с топливным элементом и с комбинированным циклом согласно третьему варианту осуществления настоящего изобретения;

фиг.4 – схема, иллюстрирующая структуру системы, вырабатывающей электрическую энергию, с топливным элементом и с комбинированным циклом согласно четвертому варианту осуществления настоящего изобретения;

фиг.5 – схема, иллюстрирующая типичную конфигурацию основного конструктивного оборудования в четвертом варианте осуществления настоящего изобретения;

фиг.6 – схема, иллюстрирующая структуру системы, вырабатывающей электрическую энергию, с топливным элементом и с комбинированным циклом согласно пятому варианту осуществления настоящего изобретения;

фиг.7 – схема, иллюстрирующая структуру системы, вырабатывающей электрическую энергию, с топливным элементом и с комбинированным циклом согласно шестому варианту осуществления настоящего изобретения;

фиг.8 – схема, иллюстрирующая структуру системы, вырабатывающей электрическую энергию, с топливным элементом и с комбинированным циклом согласно седьмому варианту осуществления настоящего изобретения;

фиг.9 – схема, иллюстрирующая структуру системы, вырабатывающей электрическую энергию, с топливным элементом и с комбинированным циклом согласно восьмому варианту осуществления настоящего изобретения;

фиг.10 – схема, иллюстрирующая структуру системы, вырабатывающей электрическую энергию, с топливным элементом и с комбинированным циклом согласно девятому варианту осуществления настоящего изобретения;

фиг.11 – изображение для пояснения пылеуловителя с подвижным слоем;

фиг.12 – упрощенный поперечный разрез, иллюстрирующий подробную структуру установки для риформинга топлива;

фиг.13 – схема, иллюстрирующая структуру системы, вырабатывающей электрическую энергию, с топливным элементом и с комбинированным циклом согласно десятому варианту осуществления настоящего изобретения;

фиг.14 – схема, иллюстрирующая структуру системы, вырабатывающей электрическую энергию, с топливным элементом и с комбинированным циклом согласно одиннадцатому варианту осуществления настоящего изобретения;

фиг.15 – схема, иллюстрирующая структуру системы, вырабатывающей электрическую энергию, с топливным элементом и с комбинированным циклом согласно двенадцатому варианту осуществления настоящего изобретения;

фиг.16 – детализированное изображение для пояснения устройства подачи исходного материала;

фиг.17 – схема, иллюстрирующая структуру системы, вырабатывающей электрическую энергию, с топливным элементом и с комбинированным циклом согласно тринадцатому варианту осуществления настоящего изобретения;

фиг.18 – схема, иллюстрирующая структуру системы, вырабатывающей электрическую энергию, с топливным элементом и с комбинированным циклом согласно четырнадцатому варианту осуществления настоящего изобретения;

фиг.19 – схема, иллюстрирующая структуру системы, вырабатывающей электрическую энергию, с топливным элементом и с комбинированным циклом согласно пятнадцатому варианту осуществления настоящего изобретения;

фиг.20 – схема, иллюстрирующая структуру системы, вырабатывающей электрическую энергию, с топливным элементом и с комбинированным циклом согласно шестнадцатому варианту осуществления настоящего изобретения;

фиг.21 – схема, иллюстрирующая структуру системы, вырабатывающей электрическую энергию, с топливным элементом и с комбинированным циклом согласно семнадцатому варианту осуществления настоящего изобретения;

фиг.22 – схема, иллюстрирующая структуру системы, вырабатывающей электрическую энергию, с топливным элементом и с комбинированным циклом согласно восемнадцатому варианту осуществления настоящего изобретения;

фиг.23 – схема, иллюстрирующая основную структуру системы, вырабатывающей электрическую энергию, с топливным элементом и с комбинированным циклом согласно настоящему изобретению;

фиг.24 – схема, иллюстрирующая первый вариант структуры технологического процесса очистки газа, входящего в систему, вырабатывающую электрическую энергию, с топливным элементом и с комбинированным циклом согласно настоящему изобретению; и

фиг.25 – схема, иллюстрирующая второй вариант структуры технологического процесса очистки газа, входящего в систему, вырабатывающую электрическую энергию, с топливным элементом и с комбинированным циклом согласно настоящему изобретению.

Наилучший способ осуществления изобретения

Варианты системы, вырабатывающей электрическую энергию с помощью газификации горючих веществ, согласно настоящему изобретению будут описаны со ссылкой на фиг.1-22. На фиг.1-22 подобные или соответствующие элементы обозначены одними и теми же цифровыми позициями, чтобы избежать повторения пояснений.

Фиг.1 – схема, иллюстрирующая основную структуру системы, вырабатывающей электрическую энергию, с топливным элементом и с комбинированным циклом, в соответствии с первым вариантом осуществления настоящего изобретения. Исходный материал 21 подается через устройство 1 для подачи исходного материала в низкотемпературную газификационную печь 2, которая является газификационной печью с псевдоожиженным слоем. В печи происходит пиролиз исходного материала 21 при температуре в диапазоне от 400 до 1000°С с получением газа, содержащего водород и оксид углерода в качестве газовой компоненты, которая является полезной для выработки энергии с помощью топливного элемента, и газ содержит “следовое” количество углеводородов. В этом случае повышение температуры от температуры, которая была во время ввода исходного материала, до температуры в диапазоне 400-1000°С осуществляется путем частичного сжигания исходного материала 21. Негорючие вещества 22, содержащиеся в исходном материале 21, выгружаются из газификационной печи 2. Низкотемпературная газификационная печь может быть печью с псевдоожиженным слоем или в альтернативном варианте может быть вращающейся печью, печью-накопителем или другой подобной печью. Когда в качестве исходного материала используются горючие вещества, такие как городские отходы, которые имеют неправильные формы и содержат негорючие вещества, тогда желательно использовать печь с псевдоожиженным слоем. Это потому что в печи с псевдоожиженным слоем не сгоревший материал не прилипает к негорючим веществам, которые выгружаются из печи, следовательно, при этом менее вероятно возникновение проблемы, связанной с обработкой и удалением негорючих веществ. Более того, когда применяется печь с псевдоожиженным слоем, то температура слоя предпочтительно низкая в такой степени, чтобы это не препятствовало пиролизу. А конкретно, предпочтительно печь работает при температуре от 400 до 600°С, поскольку негорючие вещества при этом не окисляются и, следовательно, они могут быть легко повторно использованы.

Когда в качестве исходного материала используются горючие вещества, такие как городские отходы, имеющие неправильные формы, то устройство для подачи исходного сырья, как показано на фиг.16, предпочтительно выполнено так, чтобы препятствовать просачиванию воздуха через устройство для подачи исходного материала. Устройство для подачи исходного материала, показанное на фиг.16, будет описано более подробно. Наружный кожух устройства 1 для подачи исходного материала содержит бункерную секцию 401 для исходного материала, кожух 402, который имеет конусообразную форму, так что его диаметр постепенно уменьшается в направлении переднего конца, конусообразный перфорированный кожух 403, имеющий множество отверстий 430 и расположенный ниже по потоку от конусообразного кожуха 402, и передний кожух 404, включающий выпуск 450. Кожух снабжен шнеком 410, диаметр которого постепенно уменьшается в направлении к переднему концу так, чтобы он соответствовал конусообразному кожуху. Горючие вещества 21 в качестве исходного материала подаются в бункерную секцию 401 для исходного материала и переносятся к переднему концу шнека при вращении шнека 410. В это же время горючие вещества сжимаются из-за конусной конфигурации шнека 410 и кожуха 402. Содержащаяся вода выжимается из сжатых горючих веществ и выводится наружу из устройства для подачи исходного материала через многочисленные отверстия 430, выполненные в кожухе 403. Размер отверстий достаточно мал, чтобы исключить вывод горючих веществ через эти отверстия, и максимальный диаметр отверстий примерно 10 мм. Горючие вещества, имеющие пониженное содержание воды в результате сжатия, подаются через выпуск 450 в низкотемпературную газификационную печь 2.

В устройстве 1 для подачи исходного материала горючие вещества находятся в сжатом состоянии внутри кожухов 401, 402 и 403, чтобы таким образом увеличивать внутреннее давление в устройстве 1 для подачи исходного материала, и, следовательно, воздух или другие подобные компоненты не поступают снаружи в устройство 1. Более того, обжим уменьшает содержание воды в горючих веществах и, следовательно, уменьшаются тепловые потери внутри низкотемпературной газификационной печи, обусловленные “скрытой” теплотой испарения. Относительное содержание кислорода понижается из-за уменьшения тепловых потерь, что приводит к увеличению эффективности холодного газа. Сжатые горючие вещества имеют относительно однородную плотность, которая может снижать небольшие колебания в количестве подаваемого материала. Таким образом, устройство 1 для подачи исходного материала, показанное на фиг.16, очень хорошо подходит для использования в настоящем изобретении в качестве устройства для подачи исходного материала.

Наиболее простой метод обработки выжимки исходных материалов, полученных при сжатии материала с помощью устройства для подачи исходного материала, состоит в том, что выжимка исходных материалов подается в процесс В рекуперации тепла (см. фиг.23), где выжимка исходного материала смешивается с полученным высокотемпературным газом, чтобы происходило ее испарение и разложение. Однако если выжимка исходного материала не может быть подана в процесс В рекуперации тепла из-за теплового баланса или по другим причинам, тогда выжимка исходного материала может быть подана в технологический процесс сушки для выполнения обработки путем сушки. В предпочтительном способе обработки путем сушки используется сушилка с косвенным нагревом. Тепло, выработанное в топливном элементе 6, является наиболее подходящим источником тепла для сушки с точки зрения эффективного использования тепла. В случае, когда поверхность теплопереноса должна быть большой из-за низкого уровня температуры (100°С или ниже) отработавшего газа, как в топливном элементе с полимерным электролитом, тогда может быть использовано тепло, отведенное из полученного газа в технологическом процессе В рекуперации тепла. Когда количество тепла недостаточное, то добавляется вспомогательное топливо. Оставшаяся твердая компонента после сушки может быть смешена с исходным материалом для обработки. Пар, образованный в период сушки из выжимки исходных материалов, имеет неприятный запах и поэтому предпочтительно подается в технологический процесс В рекуперации тепла, где пар смешивается с высокотемпературным полученным газом, для того чтобы произошло его разложение. Таким образом, если после испарения и сушки полученной выжимки исходных материалов вне системы с полученным газом в технологический процесс рекуперации тепла подается только образованный пар, тогда предполагается, что выгодно осуществлять вдув выжимки исходных материалов непосредственно в процесс рекуперации тепла, потому что величина снижения температуры газа настолько мала, что в технологическом процессе рекуперации тепла может быть увеличено количество образовавшегося пара. А конкретно, в случае, когда в технологическом процессе газификации используется высокотемпературная газификационная печь, работающая при температуре 1000-1500°С, а технологический процесс рекуперации тепла осуществляется ниже по потоку от высокотемпературной газификационной печи, то такая система является выгодной. Это потому что температура полученного газа, введенного в технологический процесс рекуперации тепла, высокая, примерно 1300°С, теплоперенос в технологическом процессе рекуперации тепла осуществляется путем радиационного переноса тепла и поэтому при сохранении высокой температуры газа получается большая степень прироста в количестве рекуперированного тепла.

Полученный газ и твердая компонента, такая как зола, выведенные из низкотемпературной газификационной печи 2, подаются в пылеуловитель 3. В это время температура на входе пылеуловителя поддерживается при 400-650°С. В части, расположенной ниже по потоку в низкотемпературной газификационной печи 2, т.е. в “надводной” части, температура газа ниже, чем температура в области псевдоожиженного слоя из-за того, что происходит эндотермическая реакция пиролиза. Поэтому даже если температура псевдоожиженного слоя 950°С, то существует вероятность того, что в “надводной” части температура газа становится ниже чем 650°С. Когда температура газа высокая, то может быть предусмотрен радиационный котел. С другой стороны, когда температура газа 400°С или ниже, то для поднятия температуры газа в “надводную” часть может подаваться воздух или кислород, благодаря чему исключаются проблемы со смолой. В качестве пылеуловителя может использоваться циклонный уловитель. Однако желательно, чтобы была выполнена фильтрующая система, имеющая высокую эффективность пылеулавливания. В температурном диапазоне от 400 до 650°С в качестве пылеуловителя может использоваться высокотемпературный рукавный фильтр. В альтернативном варианте может использоваться керамический фильтр или ему подобный, которые в настоящее время интенсивно разрабатываются.

Полученный газ, из которого твердые компоненты, такие как зола и соли 23 щелочных металлов, удалены в пылеуловителе 3, подается в аппарат 4 удаления агрессивных газов, где агрессивные газы, такие как хлорид водорода и сульфид водорода, удаляются из полученного газа. В качестве аппарата для удаления агрессивных газов эффективным является вышеописанный слой, содержащий “быструю” известь. Например, может быть использован пылеуловитель с подвижным слоем, использующий “быструю” известь или подобное вещество, как показано на фиг.11. Эта система имеет и функцию пылеуловителя, и функцию удаления агрессивных газов, и, следовательно, она может упростить оборудование в целом. Среда для формирования подвижного слоя в пылеуловителе с подвижным слоем содержит доломит, помимо “быстрой” извести. Для удаления серной компоненты осуществляется процесс, в котором вся серная компонента конвертируется в присутствии катализатора на основе Ni-Mo в сульфид водорода, а полученный сульфат водорода взаимодействует с оксидом цинка (ZnO) с получением сульфида цинка (ZnS), который затем выводится.

Далее будет описан пылеуловитель с подвижным слоем, показанный на фиг.11. Пылеуловитель 150 с подвижным слоем содержит кожух 151, внутри которого содержится фильтр 152. Фильтр 152 имеет слой 153, набитый частицами СаО, и частицы СаО циркулируют между фильтром 152 и внешним регенератором 154 по пути 155 циркуляции. Полученный газ, выведенный из пылеуловителя 3 (см. фиг.1), поступает в пылеуловитель 150 через впуск 151а в кожухе 151 и протекает в фильтр 152. В фильтре 152 сульфид водорода (H₂S) и хлорид водорода (HCl), содержащиеся в полученном газе, удаляются за счет их взаимодействия с СаО, а очищенный полученный газ выводится через выпуск 151b кожуха 151. Формула химической реакции в этом случае следующая:

H₂S+СаОCaS+H₂O

2HCl+СаОCaCl₂+H₂O

СаО, оставшийся не прореагировавшим, и продукты химической реакции (CaS и CaCl₂) подаются в регенератор 154, где CaS и CaCl₂ удаляются и только СаО возвращается в фильтр 152 по пути 155 циркуляции. Через путь 155 циркуляции СаО пополняется в том количестве, которое было израсходовано в реакции с сульфидом водорода и хлоридом водорода.

В аппарате 4 для удаления агрессивных газов, содержащем пылеуловитель 150 с подвижным слоем, или в другом подобном средстве полученный газ, из которого удалены агрессивные газы, подается в установку 5 для риформинга топлива, в которой углеводороды, содержащиеся в полученном газе, разлагаются на водород и оксид углерода. Для ускорения разложения необходима высокая температура, и водород и оксид углерода, содержащиеся в газе, выведенном со стороны анода (отрицательный электрод) в топливном элементе, эффективно используются в качестве источника тепла для обеспечения высокой температуры. Поэтому, если необходимо, кислород (О₂) 31 подается в устройство 5 для риформинга топлива, чтобы сжигать остаточный газ.

На фиг.12 схематично показано поперечное сечение, иллюстрирующее подробную структуру устройства 5 для риформинга топлива. Устройство 5 для риформинга топлива содержит корпус 190 и реакционную трубку 191, установленную внутри корпуса 190 и набитую катализатором на основе Ni-Mo или на основе Со-Мо для ускорения уменьшения молекулярной массы углеводородов. Полученный газ и, если необходимо, водород для риформинга и водяной пар в качестве источника кислорода подаются в реакционную трубку 191. Топливный газ, содержащийся в отработавшем газе, выведенном из анода, и вновь подаваемый кислород подаются в камеру сгорания 192 для сжигания топливного газа. Реакционная трубка 191 нагревается примерно до 800°С за счет теплоты, получаемой в результате реакции горения, благодаря чему полностью осуществляется разложение углеводородов, содержащихся в полученном газе, на водород и оксид углерода.

Полученный газ, который в основном состоит из водорода и оксида углерода, полученных при газификации в газификационной печи 2, топливный газ, состоящий из водорода и оксида углерода, полученных при разложении высокомолекулярных углеводородов в устройстве 5 для риформинга топлива, пар и диоксид углерода подаются со стороны отрицательного электрода в топливный элемент 6 с расплавленным карбонатом (ТЭРК) для выработки электрической энергии. В это время воздух 32 или кислород подаются в качестве источника кислорода со стороны положительного электрода в топливный элемент 6. Нормально, поскольку коэффициент преобразования топливного газа в топливном элементе не равен 100%, если отработавший газ, выведенный со стороны отрицательного электрода топливного элемента 6, содержит небольшое количество не прореагировавшего топливного газа (состоящего из водорода и оксида углерода) в дополнение к пару и диоксиду углерода как основным компонентам, и этот отработавший газ используется в качестве источника тепла для риформинга топливного газа.

Температура отработавшего газа, выведенного со стороны отрицательного электрода топливного элемента, по существу равна рабочей температуре топливного элемента. Поэтому это теплосодержание может быть повторно использовано в качестве источника тепла для газификации, чтобы таким образом уменьшить количество, потребляемое при частичном сгорании горючих веществ. Благоприятно то, что в результате эффективность газификации может быть увеличена и, кроме того, за счет высокого содержания пара в отработавшем газе скорость реакции газификации может быть увеличена за счет эффекта конверсии с водяным паром. Отработавший газ, выведенный со стороны отрицательного электрода топливного элемента 6, содержит небольшое количество не прореагировавшего топливного газа (состоящий из водорода и оксида углерода) помимо водяного пара и диоксида углерода в качестве основного компонента. Согласно настоящему варианту высокотемпературный нагнетатель 9 используется для повторного использования отработавшего газа, имеющего температуру от 600 до 700°С, выведенного со стороны отрицательного электрода топливного элемента. Этот газ используется в качестве газифицирующего агента и сжижающего газа для низкотемпературной газификационной печи 2. Когда теплосодержание само по себе циркулирующего газа недостаточно для поддержания температуры слоя низкотемпературной газификационной печи 2, то, если необходимо, в низкотемпературную гаэификационную печь 2 может подаваться кислород (O₂) 31. В этом случае, учитывая подачу кислорода, подмешивание кислорода в циркулирующий газ будет способствовать сгоранию оставшегося горючего газа, следовательно, будет повышаться температура. Поэтому кислород и циркулирующий газ предпочтительно подаются независимо друг от друга в низкотемпературную газификационную печь 2. Более того, подача кислорода, имеющего чистоту 100%, опасна из-за его чрезмерно высокой активности, и, следовательно, желательно, чтобы подавался кислород, который разжижен водяным паром, диоксидом углерода или чем-нибудь подобным.

В топливном элементе с расплавленным карбонатом (ТЭРК), поскольку необходимо подавать диоксид углерода в сторону положительного электрода, часть отработавшего газа, выведенного со стороны отрицательного электрода, подается в газовую камеру 7 сгорания газа для полного сжигания горючих веществ, а часть газа, полученного в результате сжигания, охлаждается в газовом охладителе 8 для удаления из него воды (Н₂О) 36, таким образом, получая диоксид углерода (СО₂) 35, имеющий высокую степень чистоты. Необходимое количество диоксида углерода 35 подается через нагнетатель 12 в положительный электрод топливного элемента 6, а оставшаяся часть диоксида углерода 35 выводится наружу из системы. Выведенный диоксид углерода, имеющий высокую степень чистоты, может быть использован в качестве химических реагентов для других применений. В альтернативном варианте диоксид углерода может быть “связан”, чтобы воспрепятствовать выбросу диоксида углерода, таким образом, принимая меры для предотвращения глобального потепления. Оставшийся газ после полного сжигания, выведенный из газовой камеры 7 сгорания, вместе с отработавшим газом, выведенным со стороны положительного электрода топливного элемента, подается в котел-утилизатор 10, где тепло рекуперируется и используется в качестве теплового источника для парового цикла. Отработавший газ из котла-утилизатора 10 выводится наружу из системы через нагнетатель 11. Тепло, полученное в газовой камере 7 сгорания, также может быть эффективно использовано в качестве теплового источника для риформинга топлива.

Фиг.2 представляет схему, иллюстрирующую структуру системы, вырабатывающей электрическую энергию, с топливным элементом и с комбинированным циклом, соответствующую второму варианту осуществления настоящего изобретения. В системе выработки электрической энергии с топливным элементом и с комбинированным циклом, соответствующей этому варианту осуществления изобретения, показанной на фиг.2, устройство 5 для риформинга топлива, топливный элемент 6 и газовая камера 7 сгорания объединены для упрощения установки и для увеличения эффективности. Такое объединение позволяет эффективно использовать для риформинга топлива тепло, полученное в топливном элементе 6 и газовой камере 7 сгорания и, таким образом, это является эффективным средством для увеличения полного кпд. Остальная часть структуры варианта осуществления изобретения, показанного на фиг.2, такая же, как в варианте, показанном на фиг.1.

Когда горючие вещества, имеющие низкую теплотворную способность, такие как городские отходы, газифицируются с помощью технологического процесса, показанного на фиг.2, теплотворная способность полученного газа низкая, 1,88-2,10 МДж/м³ (нормальные условия) (450-500 ккал/Nм³) на основе влажного газа и примерно 2,72 МДж/м³ (нормальные условия) (650 ккал/Nм³) на основе сухого газа. Полученный газ содержит примерно 13% водорода по объему и примерно 3% оксида углерода по объему в качестве эффективной газовой компоненты, а оставшаяся компонента состоит из водяного пара и диоксида углерода. Использование газа, имеющего вышеуказанный химический состав, при выработке энергии в топливном элементе создает проблему, состоящую в том, что из-за низкого содержания эффективного газа эффективность взаимодействия эффективного газа с электродом настолько низкая, что эффективное использование топливного газа внутри топливного элемента понижается и рабочие характеристики элемента не могут быть в достаточной степени использованы, что приводит к пониженным выходным параметрам. В таком случае увеличение давления в системе является эффективным для разрешения этой проблемы. А конкретно, увеличение давления может повысить парциальное давление эффективного газа, увеличить эффективность взаимодействия электрода с молекулами эффективного газа и, таким образом, повысить коэффициент полезного действия топливного газа.

Более того, увеличение парциального давления топливной газовой компоненты может привести не только к повышенному коэффициенту полезного действия топливного газа, но также к повышению эффективности выработки энергии непосредственно топливным элементом. Кроме того, увеличение давления может уменьшить объем топливного газа, таким образом, внося вклад в осуществление “компактного” технологического процесса по очистке газа.

В качестве способа увеличения давления топливного газа, подаваемого в топливный элемент, рассматриваются следующие способы: способ, в котором газификационная печь сама по себе работает под давлением, и способ, в котором газификация осуществляется при атмосферном давлении, а затем полученный газ сжимают. В первом способе имеется сложность, связанная с подачей исходного материала в систему, находящуюся под повышенным давлением, и особенно сложно загружать в секцию с повышенным давлением горючие вещества, имеющие неправильные формы, такие как бытовые отходы. С другой стороны, в последнем способе для снижения энергии сжатия газ должен перед сжатием охлаждаться и, следовательно, происходит неблагоприятное увеличение потери теплосодержания на величину, соответствующую степени понижения температуры. В случае, когда в качестве топливного элемента применяется топливный элемент с полимерным электролитом (ТЭПЭ) или топливный элемент с фосфорной кислотой (ТЭФК), в любом случае температура подаваемого газа должна быть понижена. В случае, когда применяется топливный элемент с расплавленным карбонатом (ТЭРК) или топливный элемент с твердым электролитом (ТЭТЭ), несмотря на то, что может подаваться высокотемпературный газ, этот газ один раз должен быть охлажден для сжатия, таким образом, приводя к энергетическим потерям.

Поэтому, когда в качестве топливного элемента используется ТЭРК или ТЭТЭ, предпочтительно, чтобы газификационная печь сама по себе работала при повышенном давлении. С другой стороны, когда используется ТЭПЭ или ТЭФК, с учетом вышеуказанного недостатка наиболее подходящий способ сжатия газа может выбираться и приспосабливаться для каждой конкретной системы. Несмотря на то, что теоретически желательно, чтобы давление топливного газа, подаваемого в топливный элемент, было более высокое, с точки зрения практического использования и конструкции топливного элемента, стойкого к повышенному давлению, давление топливного газа, подаваемого в топливный элемент, находится в диапазоне от 0,2 до 1,0 МПа, предпочтительно от 0,4 до 0,8 МПа, а более предпочтительно от 0,5 до 0,6 МПа. В этом случае рабочее давление в технологическом процессе газификации должно быть на 5-50 кПа выше, чем нормальное давление, применяемое для топливного элемента. Когда давление топливного газа увеличивается с помощью компрессора до подачи топливного газа в топливный элемент, то процесс газификации может выполняться при любом давлении. Однако с учетом подачи исходного материала в газификационную печь желательно, чтобы газификционная печь работала при давлении, более низком, чем атмосферное давление на 0,2-1,0 кПа.

На фиг.3 представлена схема, иллюстрирующая структуру системы, вырабатывающей электрическую энергию, с топливным элементом и с комбинированным циклом, соответствующей третьему варианту осуществления настоящего изобретения. Третий вариант осуществления изобретения, показанный на фиг.3, – это один из вариантов, в котором топливный газ находится под повышенным давлением. В настоящем варианте топливный элемент 6, устройство 5 для риформинга топлива, газовая камера 7 сгорания, охладитель 8 газа, аппарат 4 для удаления агрессивных газов, пылеуловитель 3 и низкотемпературная газификационная печь 2 находятся в условиях повышенного давления в резервуаре 13 повышенного давления. В этом случае исходный материал должен подаваться из системы, находящейся под атмосферным давлением, в систему, находящуюся под повышенным давлением, и, следовательно, предпочтительна подача исходного материала в низкотемпературную газификационную печь 2 через загрузочное устройство с воронкой-затвором или другое подобное устройство. Горючие вещества, имеющие неправильные формы, такие как городские отходы, вероятно будут создавать проблемы при загрузке через воронкообразную часть загрузочного устройства. По этой причине для такой системы подходит использование горючих веществ, имеющих такую природу, что они легко обрабатываются. Например, RDF, полученные путем удаления негорючих веществ из городских отходов, и также сушкой и формованием оставшихся горючих веществ в твердое топливо, и крошки из шин являются подходящим топливом для этой системы.

Когда выработка энергии в топливном элементе осуществляется при повышенном давлении, как в настоящем варианте осуществления изобретения, тогда из топливного элемента с расплавленным карбонатом (ТЭРК) выводится газ высокого давления, имеющий температуру примерно 700°С. Поэтому отработавший газ, выведенный из топливного элемента 6, может быть введен в газовую турбину (газовый расширитель) 14, чтобы получить энергию с помощью газовой турбины 14. Отработавший газ, выведенный из газовой турбины 14, подается в котел-утилизатор 10, где осуществляется рекуперация тепла, и полученный водяной пар поступает на паровую турбину для выработки энергии. Таким образом, может быть реализован трехстадийный комбинированный цикл выработки энергии с помощью топливного элемента 6, газовой турбины 14 и паровой турбины (не показана). На фиг.3 во всей системе предусмотрен только один резервуар 13 высокого давления. В альтернативном варианте может быть предусмотрено несколько резервуаров высокого давления, а аппараты размещаются внутри резервуаров высокого давления соответственно. Остальная часть структуры варианта, показанного на фиг.3, такая же, как в варианте осуществления изобретения, показанном на фиг.2.

Другая система может применяться для горючих веществ, имеющих высокую теплотворную способность, таких как пластиковые отходы. В последние годы из-за ограничения мест сброса отходов и других подобных мест возрастает требование к тому, чтобы повторно использовать шлак, полученный в результате ошлакования печи при сжигании мусора. Горючие вещества с высокой теплотворной способностью, такие как пластиковые отходы, имеют достаточно высокую теплотворную способность, чтобы осуществлять шлакование содержащейся золы или увеличивать температуру полученного газа, чтобы уменьшить молекулярную массу полученного газа, и, таким образом, его можно было бы использовать в различных технологических процессах.

Фиг.4 представляет схему, иллюстрирующую структуру системы, вырабатывающей электрическую энергию, с топливным элементом и с комбинированным циклом, соответствующую четвертому варианту осуществления настоящего изобретения. Четвертый вариант, показанный на фиг.4, – это вариант, в котором выработка энергии с топливным элементом в комбинированном цикле осуществляется с использованием в качестве исходного материала горючих веществ, имеющих высокую теплотворную способность, таких как пластиковые отходы. Исходный материал 21 подвергается пиролизу и газифицируется при температуре 400-1000°С в низкотемпературной газификационной печи 2 для получения газа, а полученный газ подается в высокотемпературную газификационную печь 15. В высокотемпературной газификационной печи 15 полученный газ далее газифицируется при температуре 1000-1500°С для понижения молекулярной массы полученного газа. Высокотемпературная газификационная печь 15 поддерживается при температуре плавления золы, содержащейся в полученном газе, или при более высокой температуре. Таким образом, 80-90% золы, содержащейся в полученном газе, превращается в шлак, а шлак выгружается в виде расплавленного шлака 26 наружу из системы. Органические вещества и углеводроды, содержащиеся в полученном газе, полностью разлагаются в высокотемпературной газификационной печи на водород, оксид углерода, водяной пар и диоксид углерода. Газ, полученный в высокотемпературной газификационной печи 15, затем охлаждается до 650°С или ниже в котле-утилизаторе, представляющем собой радиационный котел 16, для отвердевания расплавленных солей щелочных металлов. Соли 24 щелочных металлов после отвердевания собираются с помощью пылеуловителя 3. С другой стороны, водяной пар 36, полученный в котле-утилизаторе, подается на паровую турбину для выработки энергии.

Низкотемпературная газификационная печь работает в температурном диапазоне от 400 до 1000°С, предпочтительно 450-800°С, а более предпочтительно от 500 до 600°С. Высокотемпературная газификационная печь работает в температурном диапазоне от 1000 до 1500°С, предпочтительно от 1000 до 1400°С, а более предпочтительно от 1100 до 1350°С.

Полученный газ после полного разложения органического материала и удаления твердого материала подается в аппарат 4 удаления агрессивных газов, в котором удаляется агрессивный газ. Полученный газ после удаления агрессивного газа используется в топливном элементе 6 для выработки электрической энергии. В этом технологическом процессе высокотемпературная газификационная печь 15 имеет две функции: для риформинга топлива и шлакования золы. Такой технологический процесс имеет большое преимущество, поскольку зола может быть преобразована в шлак, а затем выведена отдельно от солей щелочных металлов и металлов, имеющих низкую точку плавления, тем самым внося вклад в уменьшение проблемы, связанной с удалением золы. Более того, может быть исключен риформинг топлива непосредственно перед топливным элементом. Однако такой технологический процесс имеет недостатки, заключающиеся в том, что полученный газ, который один раз был нагрет до 1000°С или выше, должен быть охлажден до температуры 650°С, которая ниже, чем точка отвердевания расплавленных солей щелочных металлов. Поскольку этот высокотемпературный полученный газ все еще содержит большое количество агрессивных компонентов, то несмотря на высокотемпературное теплосодержание, теплота должна быть рекуперирована с образованием низкотемпературного водяного пара. Это неблагоприятно снижает эффективность, пропорционально степени понижения температуры.

Однако в последние годы разработана технология восстановления высокотемпературного теплосодержания в 700°С или выше из высокотемпературного газа, используя газ, такой как воздух, в качестве среды для рекуперации тепла. Кислород, водяной пар или подобное вещество, использованные в качестве газифицирующего агента для низкотемпературной газификационной печи, используются в качестве нагревающей среды, а после нагрева до 700°С или выше нагревающая среда подается в газификационную печь для эффективного использования высокотемпературного теплосодержания.

Часть отработавшего газа, выведенного со стороны отрицательного электрода топливного элемента 6, подается в низкотемпературную газификационную печь 2 через высокотемпературный нагнетатель 9 для повторного использования отработавшего газа в качестве газифицирующего агента и сжижающего газа. Отработавший газ, выведенный со стороны отрицательного электрода топливного элемента 6, также подается в газовую камеру 7 сгорания и в высокотемпературную газификационную печь 15.

В это время целесообразно, чтобы вместо радиационного котла 16 ниже по потоку от высокотемпературной газификационной печи 15 был установлен аппарат для восстановления высокотемпературного теплосодержания, и косвенный теплообмен осуществлялся между высокотемпературным газом и частью отработавшего газа, выведенного со стороны отрицательного электрода топливного элемента 6, для того чтобы восстановить высокотемпературное теплосодержание высокотемпературного газа, который затем возвращается в низкотемпературную газификационную печь 2. При подаче части отработавшего газа, выведенного со стороны отрицательного электрода, в высокотемпературную газификационную печь важно, чтобы отработавший газ не смешивался с кислородсодержащим газом, пока отработавший газ протекает в высокотемпературную газификационную печь. Насадка для подачи отработавшего газа, выведенного со стороны отрицательного электрода, и насадка для подачи окисляющего агента, установленные в высокотемпературной газицикационной печи, должны быть установлены раздельно. Когда отработавший газ и окисляющий агент должны неизбежно подаваться через одну насадку, тогда используется насадка для двух текучих сред, имеющая конструкцию с двумя трубками, так что отработавший газ, выведенный со стороны отрицательного электрода, и окисляющий агент смешиваются друг с другом только внутри печи.

С другой стороны, отработавший газ, выведенный со стороны положительного электрода топливного элемента 6, подается в газовую камеру 7 сгорания и котел-утилизатор 10. После того как горючие вещества, содержащиеся в отработавшем газе, сгорают в газовой камере 7 сгорания, часть отработавшего газа, выведенного из газовой камеры 7 сгорания, соединяется с отработавшим газом из котла-утилизатора 10 и объединенный отработавший газ выводится наружу из системы через нагнетатель 11. Другая часть отработавшего газа, выведенного из газовой камеры 7 сгорания, охлаждается в охладителе 8 газа для удаления водной составляющей (Н₂О) 36, таким образом формируя диоксид углерода (СО₂) 35 высокой чистоты. Этот диоксид углерода затем подается в необходимом количестве в положительный электрод топливного элемента 6 через нагнетатель 12.

В этой связи следует заметить, что циркуляция диоксида углерода требуется только в случае, когда в качестве топливного элемента используется топливный элемент с расплавленным карбонатом (ТЭРК), и не требуется, если применяются другие топливные элементы.

На фиг.5 показана типичная конфигурация основных аппаратов, входящих в состав четвертого варианта осуществления изобретения. Низкотемпературная газификационная печь 2 представляет собой цилиндрическую печь с псевдоожиженным слоем, имеющую внутри циркулирующий поток псевдоожиженной среды, и в этой печи материалы имеют повышенную возможность диффундировать внутри печи для осуществления тем самым стабильной газификации. Газ, не содержащий кислород, подается в центральную часть внутрь печи, где псевдоожиженная среда движется вниз, а газ, содержащий кислород, подается в периферийную часть печи. Это позволяет осуществлять селективное сжигание обуглившегося вещества, образовавшегося внутри низкотемпературной газификационной печи, внося вклад в увеличение коэффициента конверсии углерода и в увеличение эффективности холодного газа. Высокотемпературная газификационная печь 15 представляет собой печь вихревого типа для сжигания со шлакованием.

Цилиндрическая печь с псевдоожиженным слоем, показанная на фиг.5, будет описана более подробно. Коническая распределительная тарелка 106 расположена в донной части цилиндрической печи с псевдоожиженным слоем. Ожижающий газ, подаваемый через распределительную тарелку 106, включает центральный ожижающий газ 207, который подается внутрь печи в виде потока, направленного вверх, из центральной части 204 дна, и периферийный сжижающий газ 208, который подается внутрь печи в виде потока, направленного вверх, из периферийной части 203 дна.

Центральный ожижающий газ 207 представляет собой газ, не содержащий кислород, а периферийный ожижающий газ 208 представляет собой кислородсодержащий газ. Полное количество кислорода во всем ожижающем газе устанавливается равным 10% или более или 30% или менее от теоретического значения количества кислорода, требующегося для сжигания горючих веществ. Таким образом, внутри печи 1 поддерживается восстановительная атмосфера.

Относительное содержание кислорода от 10 до 30% – эта величина в том случае, когда в качестве исходного материала используются горючие вещества, имеющие низкую теплотворную способность, такие как городские отходы, а когда в качестве исходного материала используются горючие вещества, имеющие высокую теплотворную способность, такие как пластиковые отходы, то относительное содержание кислорода от 5 до 10%.

Массовый расход центрального ожижающего газа 207 должен устанавливаться на более низкую величину, чем массовый расход периферийного ожижающего газа 208. Восходящий поток ожижающего газа в верхней периферийной области печи отклоняется к центральной области печи с помощью дефлектора 206. Таким образом, в центральной области печи образуется подвижный слой 209, в котором псевдоожиженная среда (обычно кварцевый песок) движется вниз и рассеивается на распределительной тарелке. В периферийной области печи образуется псевдоожиженный слой 210, в котором псевдоожиженная среда является активно ожиженной. Как указано стрелками 118, псевдоожиженная среда, которая поднимается в псевдоожиженный слой 210 в периферийной области печи, отклоняется дефлектором 206 в верхнюю часть подвижного слоя 209 и опускается в подвижном слое 209. Затем, как указано стрелками 112, псевдоожиженная среда движется вдоль распределительной тарелки 106 сжижающего газа и движется в нижнюю часть псевдоожиженного слоя 210. Таким образом, псевдоожиженная среда циркулирует в псевдоожиженном слое 210 и подвижном слое 209, как показано стрелками 118, 112.

Когда исходные материалы 21, поданные в верхнюю часть подвижного слоя 209 с помощью дозатора 1, опускаются вместе с псевдоожижающей средой в подвижный слой 209, исходные материалы переходят в летучее состояние за счет нагрева псевдоожижающей средой. Поскольку в подвижном слое 209 кислород отсутствует или его мало, то пиролизный газ (полученный газ), полученный путем газификации, который содержит летучие материалы, не сгорает и проходит через подвижный слой 209, как показано стрелками 116. Следовательно, подвижный слой 209 образует зону G газификации. Полученный газ движется в “надводную” часть 102, как показано стрелкой 120, и выводится из газового выпуска 108 в виде газа g.

Обуглившийся материал (связанный углерод) и смола, полученные в подвижном слое 209, которые не газифицированы, движутся вместе с псевдоожиженной средой из нижней части подвижного слоя 209 в нижнюю часть псевдоожиженного слоя 210 в периферийной области печи, как показано стрелками 112, и частично окисляются за счет периферийного ожижающего газа 208, имеющего относительно большую концентрацию кислорода. Следовательно, псевдоожиженный слой 210 образует зону S окисления. В псевдоожиженном слое 210 псевдоожиженная среда нагревается за счет тепла сгорания в псевдоожиженном слое. Псевдоожиженная среда, нагретая до высокой температуры, отклоняется дефлектором 206, как показано стрелками 118, и переносится в подвижный слой 209, где она служит источником тепла для осуществления газификации. Таким образом, псевдоожиженный слой поддерживается при температуре в диапазоне от 400 до 1000°С, предпочтительно от 400 до 600°С, тем самым непрерывно обеспечивая протекание управляемой реакции горения. Кольцеобразный выход 205 для негорючих веществ образован в периферийной части дна газификационной печи с псевдоожиженным слоем для вывода негорючих веществ 22.

В соответствии с показанной на фиг.5 газификационной печью с псевдоожиженным слоем зона G газификации и зона S окисления образованы в псевдоожиженном слое и в обеих зонах циркулирует псевдоожиженная среда. Поскольку псевдоожиженная среда служит в качестве среды, переносящей тепло, то в зоне G газификации образуется горючий газ хорошего качества, имеющий высокую теплотворную способность, а обуглившиеся вещества и смола, которые являются трудно газифицируемыми, эффективно сжигаются в зоне S окисления. Следовательно, эффективность газификации горючих веществ, таких как отходы, может быть повышена и может быть выработан полученный газ, имеющий хорошее качество. Такая газификационная печь с псевдоожиженным слоем является наиболее подходящей низкотемпературной газификационной печью в вариантах осуществления изобретения с первого по третий. Низкотемпературная газификационная печь не ограничивается цилиндрической печью с псевдоожиженным слоем, и, как и в вышеупомянутых вариантах, может применяться печь типа обжиговой или типа механической топки.

Печь с псевдоожиженным слоем и с циркулирующим потоком, показанная на фиг.5, более эффективна, когда в качестве псевдоожиженной среды псевдоожиженного слоя используются частицы, обеспечивающие ускорение снижения молекулярной массы углеводородов, такие как катализаторы на основе никель-молибден или катализаторы на основе кобальт-молибден, или щелочные металлы, такие как натрий или калий, или либо простое вещество, либо в форме оксида металла щелочноземельный металл, такой как кальций. Причина этого следующая: когда молекулярная масса углеводородов уменьшается в присутствии частиц катализатора в восстановительной атмосфере, то неизбежно осаждение углерода на поверхности катализатора и, следовательно, уменьшается функциональная способность катализатора. Однако в случае печи с псевдоожиженным слоем, относящейся к типу с внутренней циркуляцией потока, в которой имеется внутри самой печи зона окисления, имеющая относительно высокое парциальное давление кислорода, углерод на поверхности катализатора может быть сожжен и удален в зоне окисления. Поскольку частицы катализатора снова восстанавливают каталитическую активность вследствие удаления углерода, осажденного на поверхности частиц, то может быть реализовано эффективное использование катализатора.

Далее более подробно будет описана печь для сжигания со шлакованием вихревого типа. Высокотемпературная газификационная печь 15 включает цилиндрическую первичную газификационную камеру 15а, имеющую, по существу, вертикальную ось, вторичную газификационную камеру 15b, которая слегка наклонена в горизонтальном направлении, и третью газификационную камеру 15с, расположенную ниже по потоку от вторичной газификационной камеры 15b и имеющую, по существу, вертикальную ось. Отверстие 142 для выгрузки шлака расположено между вторичной газификационной камерой 15b и третьей газификационной камерой 15с. Вплоть до отверстия 142 для выгрузки шлака большая часть содержащейся золы переходит в шлак и выгружается через отверстие 142 для выгрузки шлака. Полученный газ подается в печь для сжигания со шлакованием вихревого типа в тангенциальном направлении так, что завихряющийся поток газа создается внутри первичной газификационной камеры 15а. Полученный газ, поданный в печь для сжигания со шлакованием вихревого типа, образует завихренный поток, а твердый материал, содержащийся в газе, улавливается на кольцевой внутренней поверхности стенки вследствие действия центробежной силы. Поэтому процентное содержание образования шлака и процентное содержание улавливания шлака высокие, и маловероятно рассеяние шлакового тумана.

Кислород подается в печь для сжигания со шлакованием вихревого типа через множество патрубков 134 так, чтобы надлежащим образом поддерживать распределение температуры в печи. Распределение температуры регулируется так, чтобы разложение углеводородов и образование шлака из золы завершалось в первичной газификационной камере 15а и вторичной газификационной камере 15b. Когда подается, например, только один кислород, то существует опасность прогорания патрубка. Поэтому кислород разжижается водяным паром или чем-нибудь подобным до его подачи в той степени, как это необходимо. Более того, водяной пар дает вклад в осуществление конверсии с водяным паром для уменьшения молекулярной массы углеводородов и, таким образом, должен подаваться в необходимом количестве. Это потому что внутренность печи имеет высокую температуру и, когда количество пара недостаточное, то происходит полимеризация с конденсацией, с образованием графита, имеющего очень низкую реактивность, что является причиной потерь из-за не сгоревшего топлива.

Шлак стекает на нижнюю поверхность вторичной газификационной камеры 15b и выгружается в виде расплавленного шлака 26 через отверстие 142 для выгрузки шлака. Третья газификационная камера 15с служит в качестве буферной зоны, которая препятствует охлаждению отверстия 142 для выгрузки шлака за счет радиационного охлаждения из котла-утилизатора, расположенного ниже по потоку от третьей газификационной камеры 15с, и служит также для уменьшения молекулярной массы не разложившегося газа. Выходное отверстие 144 для выводимого полученного газа выполнено в верхнем торце третьей газификационной камеры 15с, а радиационная пластина 148 расположена в нижней части третьей газификационной камеры 15с. Радиационная пластина 148 предназначена для уменьшения количества тепла, излучаемого через выходное отверстие 144 путем излучения. Цифровая позиция 132 обозначает “стартовую” форсунку, а цифровая позиция 136 обозначает стабилизирующую форсунку. Органический материал и углеводороды, содержащиеся в полученном газе, полностью разлагаются в высокотемпературной газификационной печи на водород, оксид углерода, водяной пар и диоксид углерода. Газ, полученный в высокотемпературной газификационной печи 15, выводится через отверстие 144 для выходного газа, а затем охлаждается до 650°С или ниже в котле-утилизаторе 16, представляющем собой радиационный котел для отвердевания расплавленных солей щелочных металлов. Соли 24 щелочных металлов после отвердевания затем улавливаются с помощью пылеуловителя 3. Высокотемпературная газификационная печь не ограничивается таким типом печи, как печь для сжигания со шлакованием вихревого типа, а может быть газификационной печью другого типа.

На фиг.6 показана структура системы, вырабатывающей электрическую энергию, с топливным элементом и с комбинированным циклом, соответствующая пятому варианту осуществления настоящего изобретения. Пятый вариант, показанный на фиг.6, представляет собой вариант, в котором конфигурация высокотемпературной газификационной печи видоизменена в конфигурацию, которая предпочтительна для выгрузки шлака. А конкретно, высокотемпературная газификационная печь 15 имеет двухступенчатую структуру печи верхней ступени и нижней ступени. Полученный газ подается в печь верхней ступени высокотемпературной газификационной печи 15 и протекает в направлении печи нижней ступени. В этом случае газ течет также в направлении, в котором шлак опускается под действием силы тяжести. Таким образом, поток является ровным и маловероятно возникновение проблем, связанных с закупориванием отверстия для вывода шлака. Котел-утилизатор, представляющий собой радиационный котел 16, установлен на стороне нижней ступени высокотемпературной газификационной печи 15. Остальная часть структуры такая же, как в четвертом варианте осуществления изобретения, показанном на фиг.4.

На фиг.7 показана структура системы, вырабатывающей электрическую энергию, с топливным элементом и с комбинированным циклом, соответствующая шестому варианту настоящего изобретения. Шестой вариант, показанный на фиг.7, такой же, как четвертый вариант, показанный на фиг.4, за исключением того, что шестой вариант относится к системе с повышенным давлением. А более конкретно, низкотемпературная газификационная печь 2, высокотемпературная газификационная печь 15, пылеуловитель 3, аппарат 4 для улавливания агрессивных газов, топливный элемент 6, газовая камера 7 сгорания и охладитель 8 газа размещены в резервуаре 13 высокого давления. Внутри всех аппаратов в резервуаре 13, находящемся под повышенным давлением, давление повышенное до заданной величины. Как и в третьем варианте осуществления изобретения, показанном на фиг.3, этот вариант представляет собой систему, которая может осуществлять выработку энергии в трехстадийном комбинированном цикле: выработка энергии топливным элементом, выработка энергии газовой турбиной и выработка энергии паровой турбиной.

Когда в качестве исходного материала среди пластиковых отходов используются горючие пластиковые материалы, имеющие высокое содержание хлора, такие как поливинилхлорид, то особое внимание следует уделить удалению хлора. На фиг.8 показана структура системы, вырабатывающей электрическую энергию, с топливным элементом и с комбинированным циклом, соответствующая седьмому варианту настоящего изобретения. В этом варианте полученный газ, содержащий твердые вещества, такие как обуглившиеся вещества, выведенные сверху из низкотемпературной газификационной печи 2, подается в высокотемпературную газификационную печь 15 и, вступая во взаимодействие с кислородом и водяным паром, содержащимися в газифицирующем агенте, полученный газ полностью газифицируется при высокой температуре 1300°С или выше. Содержащаяся в газе зола превращается в шлаковый туман благодаря высокой температуре, и шлаковый туман вместе с полученным газом поступают в охладительную камеру 15А. В охладительной камере 15А шлак 26 гидропульпируется в воде и выводится наружу из системы. С другой стороны, полученный газ, который поступил в охладительную камеру 15А, охлаждается водой в охладительной камере 15А, а хлор, содержащийся в полученном газе, выводится при промывании газа водой. Очищенный полученный газ, из которого удален хлор, подается в топливный элемент 6 и используется для выработки электрической энергии. Отработавший газ, выведенный со стороны отрицательного электрода топливного элемента 6, подается с помощью высокотемпературного нагнетателя 9 в низкотемпературную газификационную печь 2 через газовую камеру 7 сгорания и повторно используется в качестве газифицирующего агента и сжижающего газа в низкотемпературной газификационной печи 2.

С другой стороны, отработавший газ, выведенный со стороны положительного электрода топливного элемента 6, вместе с отработавшим газом, выведенным из газовой камеры 7 сгорания, подается на газовую турбину 14, где вырабатывается энергия. Отработавший газ, выведенный из газовой турбины 14, выводится через котел-утилизатор 10 наружу из системы.

На фиг.9 показана структура системы, вырабатывающей электрическую энергию, с топливным элементом и с комбинированным циклом, соответствующая восьмому варианту осуществления настоящего изобретения. Восьмой вариант, показанный на фиг.9, представляет собой вариант, в котором авторами настоящего изобретения предложена комбинированная газификационная печь, которая применяется в качестве низкотемпературной газификационной печи. Такая печь содержит камеру газификации, камеру сжигания обуглившихся веществ и камеру рекуперации тепла, объединенные в одной печи. Как показано на фиг.9, внутри низкотемпературная газификационная печь 2 разделена с помощью первой разделительной стенки 302 на секцию 303 газификации и секцию 304 сжигания. Первая разделительная стенка 302 снабжена соединительным отверстием 337 для соединения секции 303 газификации и секции 304 сжигания друг с другом. В секции 303 газификации расположена камера 305 газификации. Отверстие 349 для вывода газа находится в секции 303 газификации, и полученный газ выводится через отверстие 349 для вывода газа наружу из печи.

С другой стороны, секция 304 сжигания дополнительно поделена с помощью второй разделительной стенки 350 на камеру 306 сжигания обуглившихся веществ и камеру 307 рекуперации тепла. Однако верхняя часть секции 304 сжигания не разделена, и камера сжигания обуглившихся веществ и камера рекуперации тепла объединены в “надводной” части. Соответствующие отходящие газы смешиваются вместе в “надводной” части и затем выводятся через отверстие 351 для вывода газа наружу из печи. В камере 307 рекуперации тепла вмонтирована теплообменная поверхность 346, и тепло может отбираться от псевдоожиженной среды. Нижнее соединительное отверстие 340 выполнено во второй разделительной стенке 350, и нижнее соединительное отверстие 340 обеспечивает перемещение псевдоожиженной среды между камерой 306 сжигания обуглившихся веществ и камерой 307 рекуперации тепла с учетом верхней открытой области. Сжижающий газ подается так, чтобы в газификационной камере 305 внутри псевдоожиженного слоя образовывались две различные области псевдоожиженного слоя. В результате создается такой циркулирующий поток, что псевдоожиженная среда движется вниз в слабо ожиженную область слоя и движется вверх в сильно ожиженную область слоя.

С другой стороны, в секции 304 сжигания также сжижающий газ подается так, чтобы в камере 306 сжигания обуглившихся веществ внутри псевдоожиженного слоя образовались две различные области псевдоожиженного слоя. В результате создается такой циркулирующий поток, что псевдоожиженная среда движется вниз в слабо ожиженную область слоя и движется вверх в сильно ожиженную область слоя. Далее в камере 307 рекуперации тепла, кроме того, сжижающий газ впрыскивается так, чтобы обеспечить по существу небольшую поверхностную скорость газа, и, следовательно, слабо ожиженная область, как нисходящий поток псевдоожиженной среды, образуется над дном печи.

Исходный материал 21 вводится в камеру 305 газификации внутри низкотемпературной газификационной печи 2, работающей под давлением, где происходит пиролиз исходного материала 21. Газ, полученный в камере 305 газификации, вводится в высокотемпературную газификационную печь 15. Среди обуглившихся веществ, полученных в камере 305 газификации, обуглившиеся частицы, имеющие такой размер, что эти обуглившиеся частицы будут оставаться внутри псевдоожиженного слоя, они переносятся потоком псевдоожиженной среды в камеру 306 сжигания обуглившихся веществ, где эти обуглившиеся частицы полностью сжигаются. Воздух для сжигания подается в камеру 306 для сжигания обуглившихся веществ, а газ, полученный в результате сжигания, вместе с отработавшим газом, выведенным со стороны положительного электрода топливного элемента 6, подается на газовую турбину 14 для выработки энергии. Среди обуглившихся веществ, полученных в камере 305 газификации, обуглившиеся частицы, имеющие такой размер, что такие частицы будут уноситься с потоком полученного газа в высокотемпературную газификационную печь 15, они будут взаимодействовать с кислородом и водяным паром при высокой температуре 1300°С или выше для осуществления полной газификации. Отработавший газ, выведенный со стороны отрицательного электрода топливного элемента 6, сжимается с помощью высокотемпературного нагнетателя 9, а остаточное топливо полностью сжигается в газовой камере 7 сгорания. Газ, полученный в результате сжигания, который затем повторно используется в качестве газифицирующего агента и сжижающего газа в камере 305 газификации низкотемпературной газификационной печи 2, и, кроме того, он используется в качестве разжижающего газа для разжижения кислорода, чтобы его подавать в высокотемпературную газификационную печь 15. Поскольку отработавший газ, выведенный со стороны отрицательного электрода, имеет температуру примерно 700°С, то подача кислорода с целью обеспечения тепла для газификации в камере 305 газификации низкотемпературной газификационной печи 2 может быть значительно уменьшена для достижения высокой эффективности холодного газа.

Комбинированная газификационная печь, показанная на фиг.9, более эффективна, когда в качестве псевдоожиженной среды псевдоожиженного слоя используются частицы, обеспечивающие функцию ускорения снижения молекулярной массы углеводородов, такие как катализаторы на основе никель-молибден или на основе кобальт-молибден, или щелочные металлы, такие как натрий или калий, или в виде простого вещества или в форме оксида металла щелочноземельные металлы, такие как кальций. Причина этого следующая. Когда молекулярная масса углеводородов уменьшается в присутствии частиц катализатора в восстановительной атмосфере, то происходит осаждение угля на поверхность катализатора и неизбежно понижение функциональной способности катализатора. Однако в случае комбинированной газификационной печи, в которой секция газификации и секция сжигания явно разделены друг от друга и находятся в одной и той же печи, а псевдоожиженная среда циркулирует через секцию газификации и секцию сжигания, по сравнению с печью с псевдоожиженным слоем и с циркулирующим внутри потоком, показанной на фиг.5, углерод, осажденный на поверхности катализатора, может более надежно сжигаться и удаляться в секции сжигания. Поэтому частицы катализатора восстанавливают свою каталитическую активность опять до высокого уровня вследствие удаления углерода, осажденного на поверхности частиц, в более высокой степени. Таким образом, может быть реализовано значительно более эффективное использование катализатора.

Отработавший газ, выведенный со стороны положительного электрода топливного элемента 6, также имеет высокую температуру и содержит кислород и, таким образом, может быть эффективно использован в качестве сжижающего газа, выполняющего такую же функцию, как и газ сжигания в камере 306 сжигания обуглившихся веществ в низкотемпературной газификационной камере 2. Когда рабочее давление низкотемпературной газификационной печи выше, чем рабочее давление топливного элемента, тогда давление отработавшего газа должно быть повышено с помощью высокотемпературного нагнетателя до подачи отработавшего газа в низкотемпературную газификационную печь. С другой стороны, когда рабочее давление топливного элемента достаточно высокое по сравнению с давлением в низкотемпературной газификационной печи, тогда давление отработавшего газа из топливного элемента может с выгодой использоваться само по себе. Если необходимо, то при вводе отработавшего газа, выведенного из секции 304 сжигания в комбинированной газификационной печи, в газовую турбину 14 пыль, содержащаяся в газе, может быть удалена с помощью пылеуловителя, такого как циклонный пылеуловитель, или с помощью керамического фильтра.

Более того, нет необходимости, чтобы температура камеры 305 газификации поддерживалась за счет использования теплосодержания путем циркуляции псевдоожиженной среды между камерой 306 сжигания обуглившихся веществ и камерой 305 газификации. Поэтому “время жизни” обуглившихся веществ, циркулирующих вместе с псевдоожиженной средой внутри камеры газификации, может по желанию регулироваться, и, следовательно, различные горючие вещества, имеющие различное содержание связанного углерода, которые трудно газифицировать, могут быть использованы в качестве топлива. Остальная часть структуры настоящего варианта такая же, как в седьмом варианте, показанном на фиг.8.

На фиг.10 показана структура системы, вырабатывающей электрическую энергию, с топливным элементом и с комбинированным циклом, соответствующая девятому варианту осуществления настоящего изобретения. Как и в варианте, показанном на фиг.9, девятый вариант осуществления настоящего изобретения, показанный на фиг.10, представляет собой вариант, в котором комбинированная газификационная печь, содержащая камеру газификации, камеру сжигания обуглившихся веществ и камеру рекуперации тепла, объединенные в одной печи, применяется в качестве низкотемпературной газификационной печи, соответствующей настоящему изобретению. В настоящем варианте, как и в варианте, показанном на фиг.9, камера 305 газификации, камера 306 сжигания обуглившихся веществ и камера 307 рекуперации тепла размещены в низкотемпературной газификационной печи 2. В настоящем варианте исходный материал 21 подается в камеру 305 газификации в низкотемпературной газификационной печи 2, работающей при атмосферном давлении, и все обуглившиеся вещества, полученные в камере 305 газификации, подаются в камеру 306 сжигания обуглившихся веществ, где происходит сжигание обуглившихся веществ. Отходящий газ, выведенный из камеры 306 сжигания обуглившихся веществ, вместе с отработавшим газом, выведенным со стороны положительного электрода топливного элемента 6, подается в котел-утилизатор 10 для рекуперации тепла. Газ, полученный в камере 305 газификации, пропускается через пылеуловитель 3 и аппарат 4 для удаления агрессивных газов и затем вводится в устройство 5 для риформинга топлива, топливный элемент 6 и газовую камеру 7 сгорания, в этом порядке; аппараты и устройства выполнены в объединенном виде. При рассмотрении отработавшего газа, выведенного со стороны отрицательного электрода топливного элемента 6, остаточное топливо полностью сжигается в газовой камере 7 сгорания. Газ, полученный в результате сжигания, затем повторно используется в качестве газифицирующего агента и сжижающего газа для камеры 305 газификации в низкотемпературной газификационной печи 2. Отходящий газ, выведенный из котла-утилизатора 10, с помощью нагнетателя 11 подается в пылеуловитель 18, где содержащаяся зола удаляется из отходящего газа и затем выводится. Остальная структура такая же, как в варианте, показанном на фиг.2.

На фиг.13 показана структура системы, вырабатывающей электрическую энергию, с топливным элементом и с комбинированным циклом, соответствующая десятому варианту осуществления настоящего изобретения. Десятый вариант, показанный на фиг.13, представляет собой вариант, в котором отработавший газ, выведенный со стороны отрицательного электрода топливного элемента, не циркулирует. То есть настоящий вариант представляет собой такой же вариант, как система, соответствующая первому варианту, показанному на фиг.1, за исключением того, что устранен канал, через который отработавший газ, выведенный со стороны отрицательного электрода топливного элемента 6, возвращается в низкотемпературную газификационную печь 2. Поэтому отработавший газ, выведенный со стороны отрицательного электрода топливного элемента 6, подается только в газовую камеру 7 сгорания и в устройство 5 для риформинга топлива. В качестве газифицирующего агента, подаваемого в псевдоожиженный слой, может использоваться воздух, кислород, водяной пар и их комбинация. Остальная часть структуры такая же, как в варианте, показанном на фиг.1.

В вариантах осуществления изобретения, показанных на фиг.1-13, в качестве примеров топливного элемента описан топливный элемент с расплавленным карбонатом (ТЭРК). Настоящее изобретение применимо, конечно, также и для топливного элемента с твердым электролитом (ТЭТЭ). Более того, при добавлении процесса конверсии СО для преобразования СО и Н₂O, содержащихся в полученном газе, в Н₂ и CO₂, чтобы тем самым удалить СО, возможно применять настоящее изобретение для топливного элемента с фосфорной кислотой и топливного элемента с полимерным электролитом. Далее, также положительно влияет на работу системы, если только водород, содержащийся в полученном газе, селективно отделяется с помощью мембраны, для которой проницаемым является только водород, или с помощью сплава, сорбирующего водород, для выработки электрической энергии в топливном элементе с фосфорной кислотой (ТЭФК) или топливном элементе с полимерным электролитом (ТЭПЭ).

На фиг.14 показана структура системы, вырабатывающей электрическую энергию, с топливным элементом и с комбинированным циклом, соответствующей одиннадцатому варианту осуществления настоящего изобретения. Одиннадцатый вариант, показанный на фиг.14, представляет собой типичный вариант осуществления настоящего изобретения, в котором добавлен процесс конверсии СО. А более конкретно, конвертер 17 для конверсии СО размещен ниже по потоку от устройства 5 для риформинга топлива, так что может осуществляться конверсия СО. Следовательно, в качестве топливного газа в топливный элемент 6 может подаваться только водород. В случае, когда имеется проблема, связанная с утечкой СО в технологическом процессе конверсии СО, после процесса конверсии СО может быть предусмотрен процесс удаления СО. СО может удаляться с помощью водородпроницаемой мембраны, для которой только водород является селективно проницаемым, или в альтернативном варианте с помощью сплава, сорбирующего водород, который может селективно сорбировать только водород. Остальная часть структуры системы такая же, как в системе, показанной на фиг.1.

На фиг.15 показана структура системы, вырабатывающей электрическую энергию, с топливным элементом и с комбинированным циклом, соответствующей двенадцатому варианту осуществления настоящего изобретения. Двенадцатый вариант, показанный на фиг.15, представляет собой типичный вариант осуществления настоящего изобретения, в котором предусмотрен после технологического процесса конверсии СО технологический процесс выделения водорода с использованием сплава, сорбирующего водород. Согласно этому варианту конвертер 17 для конверсии СО размещен ниже по потоку от устройства 5 для риформинга топлива, так чтобы можно было осуществлять конверсию СО. Кроме того, сплав 19, сорбирующий водород, размещен ниже по потоку от конвертера 17 для конверсии СО. Сплав 19, сорбирующий водород, может сорбировать и накапливать водород в количестве, равном 1000 кратному объему самого сплава, сорбирующего водород. Таким образом, обеспечивается буфер из сплава, сорбирующего водород, имеющий надлежащую способность по накоплению водорода, и это может способствовать реализации работы газификационной печи независимо от нагрузки выработки энергии со стороны топливного элемента. Это может значительно увеличить степень свободы по использованию системы в целом. Рабочая температура сплава, сорбирующего водород, на основе лантана или других редкоземельных металлов, которые в настоящее время разрабатываются, примерно 100°С. Следовательно, если необходимо, выше по потоку от сплава, сорбирующего водород, может быть установлен охладитель. Водород, полученный с помощью сплава 19, сорбирующего водород, подается в топливный элемент 6, а остаточный газ соединяется с отработавшим газом, выводимым со стороны отрицательного электрода топливного элемента 6. Вместо сплава, сорбирующего водород, может быть размещен резервуар с газом. А конкретно, сплав, сорбирующий водород, или резервуар с газом могут быть предусмотрены как средство для регулирования уровня нагрузки газификационной печи, чтобы подавать водород в топливный элемент 6 в соответствии с нагрузкой выработки энергии, тем самым производя выработку энергии в количестве, которое может покрывать потребность в электрической энергии. Поскольку сплав, сорбирующий водород, имеет функцию селективного поглощения водорода, то, если количество СО, содержащегося в полученном газе, мало, конвертер 17 для конверсии СО может не устанавливаться.

Фиг.17 представляет собой схему, иллюстрирующую тринадцатый вариант осуществления настоящего изобретения. В этом варианте в качестве низкотемпературной газификационной печи в технологическом процессе газификации используется вышеописанная комбинированная газификационная печь с псевдоожиженным слоем. Исходный материал уплотняется и подается через устройство 1 загрузки исходного материала в низкотемпературную газификационную печь 2. Низкотемпературная газификационная печь представляет собой комбинированную газификационную печь, работающую при атмосферном давлении или более высоком давлении. Газ, полученный в низкотемпературной газификационной печи, вводится в котел 16, где полученный газ охлаждается до заданной температуры. Охлажденный газ затем вводится в процесс С очистки газа. Полученный газ, очищенный в процессе очистки газа, вводится в качестве топливного газа в отрицательный электрод топливного элемента 6 для выработки электрической энергии. Несмотря на то, что давление полученного газа, который подается в топливный элемент, может изменяться в зависимости от типа топливного элемента, это давление находится в диапазоне от 0,2 до 1,0 МПа. В качестве окисляющего агента в положительный электрод топливного элемента подается сжатый воздух. Отходящий газ, т.е. отработавший газ, выведенный соответственно из положительного электрода и отрицательного электрода топливного элемента, повторно используется соответственно в качестве ожижающего газа в секции 304 сжигания и секции 303 газификации в комбинированной газификационной печи. В это время отработавший газ, выведенный из топливного элемента, имеет более низкое давление, чем рабочее давление комбинированной газификационной печи и, следовательно, давление отработавшего газа повышается с помощью повышающих давление нагнетателей 9′, 9 до необходимого давления, и отработавший газ повышенного давления затем подается в комбинированную газификационную печь. Отработавший газ, который выведен из положительного электрода в топливном элементе и подан в секцию 304 сжигания в комбинированной газификационой печи для сжигания обуглившихся веществ, вводится в качестве газа, полученного в результате сжигания, в котел-утилизатор 10 для рекуперации тепла. Выжимка исходных материалов, полученная в устройстве 1 для загрузки исходного материала, вводится в наиболее высокую по потоку часть котла 10, где выжимка исходных материалов смешивается с газом, полученным в результате сжигания, и превращается в пар. Водяной пар, полученный в котлах 10, 16, может использоваться для привода паровой турбины или использоваться в процессе очистки газа. В альтернативном варианте водяной пар может использоваться в качестве теплового источника для осушки выжимки исходных материалов. Когда в качестве топливного элемента применяется топливный элемент с расплавленным карбонатом, как и в варианте, показанном на фиг.1, часть отработавшего газа, выведенного со стороны отрицательного электрода топливного элемента, вводится в газовую камеру 7 сгорания для получения диоксида углерода, который подается вместе со сжатым воздухом в сторону положительного электрода.

На фиг.18 показан четырнадцатый вариант осуществления настоящего изобретения. В этом варианте в качестве низкотемпературной газификационной печи в технологическом процессе газификации используется комбинированная газификационная печь с псевдоожиженным слоем, описанная выше, и далее установлена высокотемпературная газификационная печь. Исходный материал прессуется и подается через устройство 1 для загрузки исходного материала в низкотемпературную газификационную печь 2. Низкотемпературная газификационная печь представляет собой комбинированную газификационную печь, работающую при атмосферном давлении или более высоком давлении, а рабочая температура в диапазоне от 400 до 900°С для камеры 305 газификации и в диапазоне от 800 до 1000°С для камеры 306 сжигания обуглившихся веществ. Газ, полученный в комбинированной газификационной печи, вводится в высокотемпературную газификационную печь 15, работающую при температуре от 1000 до 1500°С, где обуглившиеся вещества и углеводороды разлагаются на водород и оксид углерода, а содержащаяся зола шлакуется. После охлаждения газа до заданной температуры в охлаждающей камере 15А, размещенной в нижней части высокотемпературной газификационной печи, газ вводится в процесс С очистки газа. Согласно настоящему варианту осуществления изобретения, в котором высокотемпературный полученный газ находится под давлением и охлаждается с помощью охлаждающей камеры, полученный газ имеет температуру примерно 200°С и содержит водяной пар в насыщенном состоянии. Такие параметры газа близки к оптимальным параметрам для конверсии СО, осуществляемой ниже по потоку в технологическом процессе очистки газа, и, следовательно, они очень благоприятны. Это также выгодно в случае топливного элемента с фосфорной кислотой и топливного элемента с полимерным электролитом, в которых топливный газ, насыщенный водяным паром, необходим для подачи в топливный элемент, потому что достаточное количество водяного пара уже содержится в полученном газе. Полученный газ, очищенный в технологическом процессе очистки газа, вводится в качестве топливного газа в отрицательный электрод топливного элемента 6 для выработки электрической энергии. Несмотря на то, что полученный газ, который подается в топливный элемент, может изменяться в зависимости от типа топливного элемента, это давление находится в диапазоне от 0,2 до 1,0 МПа. Сжатый воздух подается в качестве окисляющего агента к положительному электроду топливного элемента. Отходящий газ, т.е. отработавший газ, выведенный соответственно из положительного электрода и отрицательного электрода в топливном элементе, повторно используется в качестве сжижающего газа в секции 304 сжигания и секции 303 газификации в комбинированной газификационной печи. В это время отработавший газ, выведенный из топливного элемента, имеет более низкое давление, чем рабочее давление комбинированной газификационной печи, и, следовательно, давление отработавшего газа повышается с помощью повышающих давление нагнетателей 9′, 9 до необходимого давления, и отработавший газ с повышенным давлением затем подается в комбинированную газификационную печь. Отработавший газ, который выведен из положительного электрода в топливном элементе и подавался в секции сжигания в комбинированной газификационной печи для сжигания обуглившихся веществ, вводится в качестве газа, полученного в результате сжигания, в котел-утилизатор 10 для рекуперации тепла. В это время часть газа, полученного в результате сжигания, подается в высокотемпературную газификационную печь. Это потому что газ, полученный в результате сжигания, имеет высокую температуру примерно 900°С и содержит кислород, и, следовательно, он может быть использован как окисляющий агент в высокотемпературной газификационной печи, а диоксид углерода, содержащийся в газе, полученном в результате сжигания, может эффективно функционировать в качестве газифицирующего агента в высокотемпературной газификационной печи. Остальная часть структуры такая же, как в варианте, показанном на фиг.17.

На фиг.19 показан пятнадцатый вариант осуществления настоящего изобретения. Этот вариант представляет собой другой вариант, в котором комбинированная газификационная печь с псевдоожиженным слоем, описанная выше, используется в качестве низкотемпературной газификационной печи в технологическом процессе газификации и дополнительно установлена высокотемпературная газификационная печь. Газ, полученный в комбинированной газификационной печи, вводится в высокотемпературную газификационную печь 15, работающую при температуре 1000-1500°С, где обуглившиеся вещества и углеводороды разлагаются на водород и оксид углерода, а содержащаяся зола шлакуется. Полученный газ, выведенный из высокотемпературной газификационной печи 15, затем вводится в котел 16, где газ охлаждается до заданной температуры и охлажденный газ затем вводится в технологический процесс С очистки газа. Остальная структура такая же, как в варианте, показанном на фиг.18.

На фиг.20 показан шестнадцатый вариант осуществления настоящего изобретения. В этом варианте в качестве низкотемпературной газификационной печи в технологическом процессе газификации используется комбинированная газификационная печь с псевдоожиженным слоем, относящаяся к типу печей, работающих при атмосферном давлении. Исходный материал прессуется и подается через устройство 1 для загрузки исходного материала в низкотемпературную газификационную печь 2. Низкотемпературная газификационная печь представляет собой комбинированную газификационную печь, работающую при атмосферном давлении или пониженном давлении, а рабочая температура и другие условия такие же, как были описаны выше. Газ, полученный в комбинированной газификационной печи, пропускается через пылеуловитель 3 и вводится в котел 16, где полученный газ охлаждается до заданной температуры, а охлажденный газ затем вводится в технологический процесс С очистки газа. Полученный газ, очищенный в технологическом процессе очистки газа, сжимается с помощью газового компрессора 20 до необходимого давления и полученный газ под повышенным давлением вводится в качестве топливного газа в отрицательный электрод топливного элемента 6 для выработки электрической энергии. Несмотря на то, что давление полученного газа, подаваемого в топливный элемент, может изменяться в зависимости от типа топливного элемента, это давление находится в диапазоне от 0,2 до 1,0 МПа. Газовый компрессор, установленный ниже по потоку от технологического процесса очистки газа, не является обязательным. Если необходимо, то газовый компрессор может быть установлен выше по потоку от технологического процесса С очистки газа или между этапами, составляющими технологический процесс очистки газа. Когда процесс очистки водорода с использованием сплава, сорбирующего водород, включен в технологический процесс С очистки газа, то водород, имеющий высокое давление, не менее 0,5 МПа, может отбираться из сплава, сорбирующего водород, и, следовательно, нет необходимости в компрессоре. Сжатый воздух подается в качестве окисляющего агента в положительный электрод топливного элемента. Отходящий газ, т.е. отработавший газ, выведенный соответственно из положительного электрода и отрицательного электрода топливного элемента, повторно используется соответственно в качестве ожижающего газа в секции 304 сжигания и секции 303 газификации в комбинированной газификационной печи. В это время отработавший газ, выведенный из топливного элемента, имеет в достаточной степени более высокое давление, чем рабочее давление комбинированной газификационной печи, и поэтому, если необходимо, энергия давления отработавшего газа может быть отобрана как энергия с помощью газовых расширителей 28′, 28, и затем отработавший газ может быть введен в комбинированную газификационную печь. Отработавший газ, который был выведен со стороны положительного электрода в топливном элементе и подан в секцию 304 сжигания в комбинированной газификационной печи для сжигания обуглившихся веществ, вводится в качестве газа, полученного в результате сжигания, в котел-утилизатор 10 для рекуперации тепла. Остальная часть структуры такая же, как в варианте, показанном на фиг.17.

На фиг.21 показан семнадцатый вариант осуществления настоящего изобретения. В этом варианте в качестве низкотемпературной газификационной печи используется комбинированная газификационная печь с псевдоожиженным слоем и дополнительно установлена высокотемпературная газификационная печь. Газ, полученный в комбинированной газификационой печи, работающей при атмосферном давлении или пониженном давлении, проходит через пылеуловитель 3 и вводится в высокотемпературную газификационную печь 15, работающую при температуре 1000-1500°С, где обуглившиеся вещества и углеводороды разлагаются на водород и оксид углерода, а содержащаяся зола шлакуется. Полученный газ, выведенный из высокотемпературной газификационной печи 15, затем вводится в котел 16, где газ охлаждается до заданной температуры, и охлажденный газ затем вводится в технологический процесс С очистки газа. Полученный газ, очищенный в технологическом процессе очистки газа, вводится в качестве топливного газа в отрицательный электрод топливного элемента 6 для выработки электрической энергии. Несмотря на то, что давление полученного газа, подаваемого в топливный элемент, может изменяться в зависимости от типа топливного элемента, это давление находится в диапазоне от 0,2 до 1,0 МПа. Не требуется обязательной установки газового компрессора ниже по потоку от технологического процесса очистки газа. Если необходимо, газовый компрессор может быть установлен выше по потоку от технологического процесса С очистки газа или между этапами, составляющими технологический процесс очистки газа. Как и в варианте, показанном на фиг.21, когда в технологический процесс С очистки газа включен процесс очистки водорода с использованием сорбирующего сплава, то компрессор может не устанавливаться. Сжатый газ подается в качестве окисляющего агента в положительный электрод топливного элемента. Отходящий газ, т.е. отработавший газ, выведенный соответственно из положительного электрода и отрицательного электрода в топливном элементе, повторно используется соответственно в качестве ожижающего газа в секции 304 сжигания и секции 303 газификации в комбинированной газификационной печи. В это время отработавший газ, выведенный из топливного элемента, имеет в достаточной степени более высокое давление, чем рабочее давление комбинированной газификационной печи, и поэтому, если необходимо, энергия давления отработавшего газа может быть отобрана в виде энергии с помощью газовых расширителей 28′, 28, и затем отработавший газ может быть введен в комбинированную газификационную печь. Отработавший газ, который был выведен со стороны положительного электрода и подан в секцию сжигания в комбинированной газификационной печи для сжигания обуглившихся веществ, вводится в виде газа, полученного в результате сжигания, в котел-утилизатор 10 для рекуперации тепла. В это время часть газа, полученного в результате сжигания, подается в высокотемпературную газификационную печь 15. Это потому что этот газ, полученный в результате сжигания, имеет высокую температуру, около 900°С, и содержит кислород и, следовательно, может быть использован в качестве окисляющего агента в высокотемпературной газификационной печи, а диоксид углерода, содержащийся в газе, полученном в результате сжигания, может эффективно выполнять функцию газифицирующего агента в высокотемпературной газификационной печи. Более того, если необходимо, пылеуловитель 3′ может быть установлен перед котлом-утилизатором 10 для улавливания содержащейся золы, а собранная содержащаяся зола затем вводится в высокотемпературную газификационную печь 15 и в ней преобразуется в шлак. Остальная часть структуры такая же, как в варианте, показанной на фиг.17.

На фиг.22 показан восемнадцатый вариант осуществления настоящего изобретения. В этом варианте газификационная печь с псевдоожиженным слоем и с циркулирующим потоком используется в качестве низкотемпературной газификационной печи в технологическом процессе газификации и дополнительно установлена высокотемпературная газификационная печь. Газ, полученный в низкотемпературной газификационной печи 2, работающей при атмосферном давлении или пониженном давлении, вводится в высокотемпературную газификационную печь 15, работающую при температуре 1000-1500°С, где обуглившиеся вещества и углеводороды разлагаются на водород и оксид углерода, а содержащаяся зола превращается в шлак. Полученный газ, выведенный из высокотемпературной газификационной печи 15, затем вводится в котел 16, где газ охлаждается до заданной температуры, и охлажденный газ затем вводится в технологический процесс С очистки газа. Полученный газ, очищенный в технологическом процессе С очистки газа, вводится в качестве топливного газа в отрицательный электрод топливного элемента 6 для выработки электрической энергии. В соответствии с настоящим вариантом осуществления изобретения процесс 4 удаления агрессивных газов в технологическом процессе С очистки газа состоит из процесса мокрого дехлорирования и процесса десульфуризации. Полученный газ, выведенный из процесса мокрого дехлорирования, сжимается с помощью газового компрессора 20 до заданного давления и затем вводится в процесс десульфуризации. Несмотря на то, что давление полученного газа, поданного в топливный элемент, может изменяться в зависимости от типа топливного элемента, это давление находится в диапазоне от 0,2 до 1,0 МПа. Согласно настоящему варианту осуществления изобретения отработавший газ, выведенный из топливного элемента, находится под повышенным давлением, и поэтому отработавший газ, выведенный со стороны положительного электрода и со стороны отрицательного электрода, вводится в печь для сжигания отходящих газов, чтобы отобрать энергию горючего газа, содержащегося в отработавшем газе, выведенном со стороны отрицательного электрода, и энергию давления в виде энергии и чтобы с помощью турбозагрузочного устройства сжать воздух, подаваемый в положительный электрод топливного элемента. Отработавший газ топливного элемента, давление которого понижено в турбозагрузочном устройстве, затем вводится в котел-утилизатор 10 для рекуперации тепла.

Выжимка исходных материалов, образованная в устройстве 1 для загрузки исходного материала, вводится в сушку 30, где выжимка исходных материалов нагревается, испаряется и сушится с помощью водяного пара, полученного в котле 10 и/или котле 16. Отходящий пар, выделяющийся из выжимки исходных материалов, имеет неприятный запах, и поэтому он смешивается с высокотемпературным газом в котле 10 и/или котле 16 для удаления запаха. Хотя выжимка исходных материалов может быть смешена и непосредственно с высокотемпературным газом в котле 10 и/или котле 16 без осушивания с помощью сушки, однако предполагается, что по сравнению с непосредственным вдувом выжимки исходных материалов в процесс рекуперации тепла более выгодным является осуществление испарения и сушки выжимки исходных материалов вне системы, после чего в технологический процесс рекуперации тепла подается только полученный отходящий пар, потому что величина снижения температуры газа настолько мала, что может быть увеличено количество образовавшегося пара в технологическом процессе рекуперации тепла. А конкретно, как и в этом варианте, в случае, когда высокотемпературная газификационная печь, работающая при температуре 1000-1500°С, используется в технологическом процессе газификации и технологический процесс рекуперации тепла осуществляется ниже по потоку от высокотемпературной газификационной печи, такая структура очень выгодна. Из-за того что температура полученного газа, введенного в процесс рекуперации тепла, высокая, около 1300°С, теплоперенос в процессе рекуперации тепла осуществляется путем переноса тепла излучением и, следовательно, достигается большая степень увеличения количества рекуперированного тепла при сохранении газа при высокой температуре.

В вариантах осуществления изобретения, показанных на фиг.1-22, даны примерные комбинации различных аппаратов, использованных в технологических процессах от газификации до выработки энергии в топливном элементе. Также возможны и другие комбинации аппаратов, отличные от примерных, в которых использованы аппараты, показанные на фиг.1-22.

Как понятно из вышеприведенного описания, согласно настоящему изобретению горючие вещества могут быть газифицированы для получения газа и полученный газ затем используется в химической реакции для выработки электрической энергии с высокой эффективностью.

Кроме того, согласно настоящему изобретению газ, полученный в газификационной печи, подается в установку для выработки энергии, чтобы вырабатывать электрическую энергию, а отработавший газ, содержащий большое количество водяного пара, после выработки энергии повторно используется в качестве газифицирующего агента в низкотемпературной газификационной печи. Таким образом, повторное использование теплосодержания отработавшего газа в качестве теплового источника для газификации может уменьшить необходимое количество частично сгораемых горючих веществ и увеличить эффективность газификации. Более того, отработавший газ, содержащий большое количество водяного пара, может давать вклад в ускорение реакции газификации за счет эффекта конверсии с водяным паром, который также может увеличить эффект газификации.

Кроме того, согласно настоящему изобретению горючие вещества, такие как горючие отходы или уголь, стабильно газифицируются в низкотемпературной газификационной печи с получением газа, отравляющие компоненты для топливного элемента удаляются из полученного газа и затем очищенный газ вводится в топливный элемент для выработки электрической энергии с высокой эффективностью.

Промышленная применимость

Настоящее изобретение относится к технологии преобразования энергии для преобразования химической энергии горючих веществ в электрическую энергии с высокой эффективностью. Настоящее изобретение может быть использовано в системе, вырабатывающей электрическую энергию, в которой горючие вещества, такие как горючие отходы или уголь, газифицируются для получения газа, а полученный газ затем используется в качестве топливного газа в топливном элементе для выработки электрической энергии.

Формула изобретения

1. Установка для риформинга газа, содержащая печь для газификации с псевдоожиженным слоем, имеющую камеру для газификации и камеру сжигания обуглившихся веществ, устройство для подачи горючих веществ в печь для газификации и устройство подачи ожижающего газа для подачи ожижающего газа в печь для газификации, при этом горючие вещества газифицируются в печи для газификации для получения газа и обуглившегося вещества, причем полученный газ подвергается риформингу с использованием катализатора для получения риформированного газа в камере для газификации, при этом упомянутый катализатор восстанавливается при помощи сжигания указанного обуглившегося вещества в камере сжигания обуглившихся веществ, а восстановленный катализатор повторно используется в камере для газификации.

2. Система, вырабатывающая электрическую энергию с помощью газификации горючих веществ, содержащая печь для газификации горючих веществ для получения газа, топливный элемент для выработки электрической энергии, использующий полученный газ, подаваемый из печи для газификации, при этом отработавший газ, выведенный из топливного элемента, подается в печь для газификации для использования отработавшего газа в качестве газифицирующего агента печи для газификации.

3. Система по п.2, в которой печь для газификации представляет собой печь для газификации с псевдоожиженным слоем, а газифицирующий агент используется в качестве ожижающего газа.

4. Система по п.2 или 3, в которой отработавший газ, который выведен из отрицательного электрода топливного элемента, вводится печь для газификации в качестве газифицирующего агента.

5. Система по п.4, в которой печь для газификации имеет камеру для газификации и камеру сжигания обуглившихся веществ, при этом отработавший газ, который выведен из отрицательного электрода топливного элемента, вводится в камеру газификации в качестве газифицирующего агента.

6. Система по п.5, в которой отработавший газ, который выведен из положительного электрода топливного элемента, вводится в камеру сжигания обуглившихся веществ.

7. Система, вырабатывающая электрическую энергию с помощью газификации горючих веществ, содержащая печь для газификации горючих веществ для получения газа, печь для высокотемпературной газификации для риформинга полученного газа для получения риформированного газа, топливный элемент для выработки электрической энергии, использующий полученный газ, подаваемый из печи для газификации, при этом отработавший газ, выведенный из топливного элемента, подается в, по меньшей мере, одну печь: или печь для газификации, или печь для высокотемпературной газификации для использования отработавшего газа в качестве газифицирующего агента, по меньшей мере, в одной печи: или печи для газификации, или печи для высокотемпературной газификации.

8. Система по п.7, в которой печь для газификации представляет собой печь для газификации с псевдоожиженным слоем, а газифицирующий агент используется в качестве ожижающего газа.

9. Система по п.7 или 8, в которой отработавший газ, который выведен из отрицательного электрода топливного элемента, вводится по меньшей мере в одну печь: или печь для газификации, или печь для высокотемпературной газификации в качестве газифицирующего агента.

10. Система по п.9, в которой печь для газификации имеет камеру для газификации и камеру сжигания обуглившихся веществ, при этом отработавший газ, который выведен из отрицательного электрода топливного элемента, вводится в камеру газификации в качестве газифицирующего агента.

11. Система по п.10, в которой отработавший газ, который выведен из положительного электрода топливного элемента, вводится в камеру сжигания обуглившихся веществ.

РИСУНКИ

MM4A – Досрочное прекращение действия патента СССР или патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе

Дата прекращения действия патента: 06.11.2008

Извещение опубликовано: 27.07.2010 БИ: 21/2010