16+
Регистрация
РУС ENG
http://www.eprussia.ru/epr/253/16332.htm
Газета "Энергетика и промышленность России" | № 17 (253) сентябрь 2014 года

Горновая газификация твердого топлива с высокотемпературной очисткой синтез-газа

Наука и новые технологии Сергей СУЧКОВ, ОАО «ВТИ» 5272

Во Всероссийском теплотехническом институте (ОАО «ВТИ») разработана технология газификации угля, позволяющая существенно повысить эффективность его сжигания.

Среди новых угольных технологий производства электроэнергии и тепла, доступных для коммерческого применения в ближайшей перспективе, парогазовые установки с внутрицикловой газификацией угля обладают наиболее высоким экологическим и экономическим потенциалом (КПД в перспективе до 56 процентов). На Западе в данное направление вкладывались огромные средства, созданы крупные демонстрационные блоки. Однако их коммерческое распространение сдерживается из‑за высокой удельной стоимости оборудования – вследствие применения затратного криогенного производства кислорода на газификацию.

В рассматриваемой отечественной разработке этот недостаток преодолен за счет освоения эффективной газификации угля на воздушом дутье и высокотемпературной очистки синтез-газа. Удельная стоимость оценивается на уровне 1700 долларов США за кВт.



Внутрицикловая газификация

В России свыше 70 процентов оборудования ТЭС выработало срок эксплуатации и устарело. Необходима массовая его замена с внедрением новых современных технологий. Перспективно для этого использовать угольные технологии, поскольку запасы природного газа в РФ при безудержном росте его экспорта и потребления могут быстро истощиться и нуждаются в сбережении, а доступные для разработки месторождения угля в России, содержащие 36 процентов его мировых запасов, обеспечат энергетику страны надолго.

Среди технологий, коммерческое распространение которых реально в ближайшей перспективе, наиболее высоким экономическим и экологическим потенциалом обладают установки комбинированного парогазового цикла, работающие на газифицируемом в них угле. В настоящее время парогазовые установки освоены и активно распространяются, в том числе и в России, при использовании природного газа.

Для эффективного использования их на угле требуется создание систем внутрицикловой газификации твердого топлива и очистки генераторного газа от механических примесей и вредных газовых компонентов, а также реконструкция разной степени сложности газовых турбин – в первую очередь их камер горения. За рубежом в создание угольных ПГУ вкладывались огромные средства и уже создан ряд демонстрационных блоков мощностью 100‑300 МВт с применением в основном парокислородной газификации угольной пыли и мокрой очистки генераторного газа.

КПД этих установок с внутрицикловой газификацией – до 44 процентов, но при использовании перспективных высокотемпературных газовых турбин поднимется выше 50 процентов; экологические показатели недостижимы для паросиловых установок. Однако очевидного успеха данное направление пока не имеет из‑за высоких удельных капитальных затрат (около 2500 долларов за кВт) и пониженной готовности созданных сложных систем с затратным криогенным производством кислорода.



Без криогенного производства

По-видимому, производство кислорода для ПГУ может оправдать себя лишь при освоении в промышленности новых, более дешевых и компактных способов. Не случайно поэтому в последнее время, после накопления на Западе большого опыта создания парогазовых установок с парокислородной газификацией угля, в Японии и США осуществляются разработка и освоение условно «упрощенных» технологий с применением паровоздушного дутья в газогенераторы.

Рассматриваемая разработка ВТИ, начало которой восходит к 1980‑м годам, изначально ориентирована на применение по возможности простых схемных и конструктивных решений при использовании паровоздушной газификации угля.

Проработка технологии и оборудования осуществлялась главным образом на комплексной опытной установке, имевшей в своем составе все элементы реальной системы газификации и газоочистки, а также газотурбинную камеру сгорания синтез-газа. Испытания были проведены на бурых и каменном углях, антраците, нефтяном коксе и коксо-графитных отходах. Осуществленная разработка освещена в ряде литературных источников и защищена комплектом патентов на изобретения и полезные модели.



Принцип действия

Решения по отдельным элементам системы следующие.

По принципу действия примененный горновой газогенератор с жидким шлакоудалением сходен с доменной печью. Осуществляется противоточная газификация кускового топлива в слое, а также угольной пыли, которая может подаваться в реактор через фурмы в составе дутья. В ядре горения температуры развиваются до 1750‑1900 °С, что обеспечивает форсированную кинетику восстановительных реакций выше зоны горения. Температура синтез-газа на выходе из реактора – 780‑880 °С. Термическое разложение топлива в противоточном процессе происходит без доступа кислорода, поэтому теплоценные летучие компоненты разложения сохраняются и обогащают генераторный газ. Благодаря этим особенностям качество генераторного газа на необогащенном дутье достаточно, как показывают исследования, для его устойчивого сжигания в широком диапазоне изменения режимных условий, при этом обеспечиваются необходимые температуры продуктов сжигания перед лопатками высокотемпературных газовых турбин. Газогенератор пригоден для газификации низкореакционных топлив на воздушном дутье, изначально он разрабатывался для газификации антрацита. Удельная нагрузка горна по потенциальному теплу поданного топлива, приходящегося на 1 кв. м сечения, составляет 34‑40 МВт / м2 при давлении 2‑3 МПа.



Свойства

Ряд свойств горнового газогенератора благоприятен для энергетического применения:

• повышенное качество генераторного газа вследствие обогащения синтез-газа летучими компонентами топлива и высокой степени разложения водяного пара (80‑90 процентов);

• простота и мобильность растопки газогенератора (посредством вдувания горячего дутья);

• слабая зависимость состава синтез-газа от нагрузки газогенератора и простота регулирования последней изменением расхода воздуха на дутье; легко регулируется также температура за реактором путем небольшого изменения расхода пара на газификацию.

Разработана и запатентована конструкция газогенератора производительностью 50 т / ч по кузнецкому углю.



Другие особенности

Впервые предложена и экспериментально проработана сухая горячая очистка синтез-газа, содержащего пары смол в своем составе, при температуре выше температуры их конденсации. Такая очистка ведется как от механических примесей, так и (при необходимости) от вредных газовых включений. Смоляные пары при этом сохраняются в составе синтез-газа и сжигаются вместе с ним. В общем случае температура синтез-газа на тракте генераторного газа должна быть при р = 2‑2,5 МПа не менее 400 °С для предупреждения конденсации смол, но не выше 600 °С из‑за опасности сохранения выделяющихся из топлива щелочных компонентов, неблагоприятных для работы газовых турбин. Такая очистка увеличивает экономичность системы из‑за термодинамически выгодного использования значительной части физически теплоты синтез-газа в верхнем газотурбинном цикле ПГУ.

Впервые проработана и исследована металлотканевая тонкая очистка генераторного газа с пневмоимпульсной регенерацией фильтровальной ткани и испытан единичный полномасштабный очистной элемент многорукавного промышленного фильтра. Основное преимущество металлотканевых фильтров заключается в их надежной регенерации.

Для кардинального снижения выбросов SО2 в ПГУ с предложенной системой газификации углей был организован широкий экспериментальный поиск дешевых поглотителей H2S для аппаратной ступени сухой сероочистки генераторного газа. Впервые показана высокая эффективность применения железомарганцевой руды Аскизского месторождения. Стоимость сорбентов Н2S из нее около 5 рублей за килограмм против 20 долларов США за килограмм синтетических зарубежных поглотителей. Обеспеченная в них концентрация сероводорода на порядок ниже наиболее жесткого норматива для твердого топлива.

По данным опытов, до 50 процентов материнского азота топлива при горновой газификации переходит в NH3 синтез-газа и, окисляясь при сжигании последнего, является источником повышенных выбросов NOx. Сжигание генераторного газа в режиме богато-бедной смеси снижает выбросы NOx до 0,065‑0,12 г / МДж, что меньше наиболее строгого норматива для твердого топлива.



Подготовка топлива

Разработана рациональная и экономичная система подготовки топлива для горнового газогенератора с избирательным дроблением крупных кусков угля и минимальным образованием мелочи.

Для обеспечения работы горнового газогенератора на мелкозернистых углях разработана технология его грануляции с применением дешевой комбинированной связки из извести и отхода, а также технология брикетирования на выделенной газогенераторной смоле. Обе технологии могут быть надежно применены и на других углях.

Разработана и испытана конструкция шлюзового затвора для газифицируемого под давлением топлива и шлака на базе существующей задвижки с электроприводом. Разработка защищена патентом.



Возможности использования

С применением данной технологии разработано несколько разного уровня проектов ПГУ и ГТУ-ТЭЦ с газификацией угля в широком диапазоне мощности 6‑250 МВт. Расчетные экономические и экологические показатели крупных установок не уступают западным аналогам при очевидном существенном снижении удельной стоимости – на КПД таких установок при достигнутом отечественном уровне газотурбостроения составляет 42‑44 процента, а при использовании перспективных ГТУ возрастет до 52 процентов.

Весьма удачно технология может использоваться также в виде надстройки к устаревшим ТЭС с поперечными связями, когда в качестве паротурбинной части ПГУ используются действующие паровые турбины ТЭС. В этом случае легко реализуется интеграция ПГУ с действующим оборудованием ТЭС с полезным обменом рабочими средами и выгодной утилизацией низкопотенциального тепла. При таком применении предложенная технология может быть весьма эффективным средством модернизации ТЭС с устаревшим оборудованием.

В настоящее время технология полностью подготовлена к промышленному внедрению.

Автоматизация в энергетике

Отправить на Email

Похожие Свежие Популярные

Войти или Зарегистрироваться, чтобы оставить комментарий.