ХИМИЯ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА, 2008, № 6, с. 14-21
УДК 662.74
ГАЗИФИКАЦИЯ НИЗКОСОРТНЫХ ТОПЛИВ В ФОНТАНИРУЮЩЕМ СЛОЕ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ
© 2008 г. А. А. Беляев
ФГУП "Институт горючих ископаемых - научно-технический центр по комплексной переработке твердых
горючих ископаемых", Москва
E-mail: fRrind-jb@mail.ru Поступила в редакцию 28.03.2008 г.
Представлены результаты экспериментов по автотермической газификации флотоотходов угля марки Ж Кузбасса и малозольного угля Канско-Ачинского бассейна в фонтанирующем слое инертного материала при атмосферном давлении с анализом возможностей для развития и применения разработанной технологии для производства электроэнергии на основе газотурбинных установок замкнутого цикла.
В последние годы в мире увеличилось число разработок по газификации углей - превращении их в горючий (генераторный) газ путем неполного окисления воздухом (кислородом, водяным паром), что вызвано преимуществами этого процесса по сравнению с вариантом их прямого сжигания: удаление сероводорода из газа осуществляется проще, чем очистка продуктов сгорания от оксидов серы (масса генераторного газа в несколько раз меньше, чем масса продуктов сгорания); балластные компоненты в газе (С02 и при воздушном дутье N2) уменьшают его взрывоопас-ность; при сжигании газа можно увеличить в 2 раза тепловое напряжение топки котла, т.е. уменьшить ее размеры; сера и зола могут служить товарной продукцией.
При этом ряд зарубежных фирм, стремясь интегрировать газогенератор в цикл производства электроэнергии (такие технологии называют парогазовыми установками - ПГУ с внутрицикло-вой газификацией), выбирают малозатратные методы газификации. Например, фирма "Mitsubishi", предпочла газификацию с воздушным дутьем и отказалась от использования водоугольно-го топлива, что сократило затраты на создание пилотной установки, исследования и обеспечило минимальную себестоимость газа. Низкая теплота сгорания получаемого при этом газа (недостаток метода с воздушным дутьем) не исключает его использования на электростанциях, поскольку максимальная температура горения генераторного газа всего на несколько сот градусов ниже максимальной температуры горения, напри-
мер, природного газа, что облегчает условия работы камеры сгорания.
Из освоенных процессов газификации для угольной продукции РФ наиболее целесообразно (из-за повышенной зольности углей, наличия больших масс отсевов и т.п.) применение технологии с кипящим слоем (КС), поэтому обнадеживающим для энергетики РФ может стать пуск в промышленную эксплуатацию одного из крупных проектов - парогазовой установки (ПГУ-250) с внутрицикловой газификацией малозольного кузнецкого или ирша-бородинского угля в КС и др. [1].
Цель статьи - суммирование результатов исследований и разработки процесса газификации высокозольных топлив (с эквивалентным диаметром до 3; 13 или 25 мм) в фонтанирующем (взвешенном) слое инертного материала применительно к газотурбинным установкам.
Ограничения эффективности газотурбинных установок
Трудно получить высокие энергетические показатели при длительной эксплуатации ПГУ с внутрицикловой газификацией, работающей по открытому циклу (при котором отработавшие в турбине продукты сгорания генераторного газа выбрасываются в атмосферу), по крайней мере из-за трех препятствий.
Во-первых, из-за потери горючей массы при газификации малозольных углей, вызванной уносом мелких коксовых остатков газовым пото-
ком, поскольку механизм конверсии частиц связан с уменьшением их размеров [2] (рис. 1).
Во-вторых, из-за трудностей обеспечения необходимой степени очистки газа и продуктов его сгорания от твердых частиц.
В-третьих, из-за коррозии стальных деталей турбины (например, при повреждении термобарьерных покрытий) и их обезуглероживания газами Н20, С02, 02 и др., содержащимися в продуктах сгорания (конечная реакция обезуглероживания стали, например, парами воды: Бе3С + + Н20 = 3Бе + СО + Н2), что связано со снижением термической прочности стали и ограничением срока службы турбины. Подчеркнем, что существуют способы уменьшения влияния указанных процессов на срок службы турбины, например применение ГТУ закрытого цикла (рис. 2), в которых заранее подготовленное рабочее вещество (азот, аргон, воздух и т.п.), циркулирует через турбину и компрессор в замкнутом пространстве. Более того, для нашей страны фирмой - разработчиком "Эшер Висс" ("Е8Нвт Wyss") была изготовлена подобная ГТУ мощностью 10 МВт для эксплуатации на пыли подмосковных углей [3]. Однако трудности нагрева рабочего газа до необходимых температур в пылегольной топке (воздушном котле) ограничили область применения турбины. Альтернатива воздушному котлу - нагрев рабочего газа во взвешенном слое газогенератора (рис. 2, поз. 6). Повышение температуры нагрева может быть достигнуто за счет газификации топлив с тугоплавкой золой.
Оптимальная зольность топлива для процесса газификации
Для оценки оптимальной зольности топлива для процесса автотермической газификации в ИГИ были проведены исследования по переработке топлив различной зольности: бурых углей Канско-Ачинского, Подмосковного и Угловско-го (Артемовское месторождение) бассейнов; промпродуктов углей марок К, Ж и др. Кузнецкого бассейна и углей Казахстана [4]. Минеральные вещества в этих топливах распределены среди органической массы в виде прослоек, прожилок и сростков, которые не могут быть выделены без специальных методов обогащения.
Принципиальная схема установки, используемой для исследований и промышленного опробования процесса газификации крупнодисперсных топлив различной зольности с автотермическим процессом, представлена на рис. 3. Особенность
©
I II 1 III
Рис. 1. Превращение частицы малозольного угля при газификации во взвешенном слое (внешний вид частицы): I - исходная частица; II - промежуточная стадия реагирования; 1 - фрагменты золы частицы; III -частица в момент выноса ее из слоя.
установки заключается в применении взвешенного слоя (ВС) с центральным высокоскоростным потоком дутья (узлом фонтанирования). Температуру ВС (рис. 3, поз. 8) установок поддерживали в пределах 850-950°С, чтобы исключить шлакование материала слоя и организовать связывание соединений серы при вводе в слой, например, известняка. Охлаждение ВС до указанных выше температур при переработке топлив производили струйной подачей водосодержащих смесей (например, воды, жидких отходов, водоугольного топлива) в область верхней границы слоя (рис. 3, поз. 9,10, 11). Этот технический прием позволил не только стабилизировать температуру слоя и генерировать водяной пар для процесса непосредственно в зоне реакций газификации, но и позволил снизить унос наиболее мелких частиц за счет поглощения их каплями (образующимися из струи), которые на конечной стадии гранулируются и выгружаются через переливы. В установке ИГИ (на Жилевской опытно-промышленной фабрике) мощностью 1.5 МВт дутьем служил атмосферный воздух, а горячий генераторный газа сжигался в надслоевом пространстве (рис. 3, поз. 2). Для выгрузки избытков золы (с уменьшенной по сравнению с первоначальной кажущейся плотностью топлива) из ВС использовали переливы (рис. 3, поз. 4), а для удаления, например, конкреций серного колчедана (пирита), кажущаяся плотность которых превышает плотность частиц топлива ~ в 3 раза, - разгрузочная труба (рис. 3, поз. 6, 7). В нее подавали высокоскоростной поток (со скоростью 10 м/с и выше) воздуха, который интенсифицировал также перемешивание материала слоя.
Исследования показали, что оптимальной зольностью топлива для газификации в ВС является топливо с зольностью 30% и выше [5, 6]. Форма и размеры частиц топлива с такой зольностью в процессе термической (850-950°С) перера-
Рис. 2. Схема газовой турбины закрытого (замкнутого) цикла: 1 - пусковой мотор; 2 - электрогенератор; 3 - компрессор; 4 - холодильник; 5 - турбина; 6 - газонагреватель (взвешенный слой газогенератора); 7 - дутье.
Рис. 3. Принципиальная схема установки для автотермической газификации твердых топлив: 1 - подача топлива и известняка; 2 - надслоевое пространство; 3 - полотно решетки; 4 - выгрузка золы - перелив; 5 - подача дутья под решетку; 6 - центральный поток дутья (выгрузка серного колчедана); 7 - подача дутья в узел разгрузки колчедана; 8 -взвешенно фонтанирующий слой; 9 - подача водосодержащей смеси в слой; 10 - дозатор; 11 - емкость для подготовки водо-топливно-известняковой смеси; 12 - насос.
ботки в КС практически не изменяются (рис. 4). При обеспечении достаточного времени пребывания частиц топлива в ВС от угольной частицы остается только зольный каркас [4, 5], что свидетельствует о возможности 100%-ного превращения органической части топлива в химическую энергию горючего газа при близких к нулю потерях углерода с уносом.
Устойчивость процесса при малых концентрациях (~10%) горючих веществ в слое позволяет газифицировать дешевые высокозольные угли и углеотходы с теплотой сгорания не ниже
6 МДж/кг [7]. Для снижения уноса пыли отвеиванием использовали предварительное изъятие из топлива и известняка мелочи, которую подавали в емкость с водой для подготовки и подачи в реактор водотопливноизвестняковой смеси (рис. 3, поз. 11,12).
Одновременно по подобной схеме был создан опытный стенд с кварцевым реактором фонтанирующего слоя (рис. 5), на котором отрабатывались режимы, включая предельные, процесса газификации различных топлив с максимальным размером частиц до 3 мм.
Рис. 4. Фотография поперечного среза частиц газифицируемого топлива (Ал - 56.3%) при разном времени их пребывания в слое: 1 - промежуточные стадии озоления; 2 - окончание озоления.
Исследования газификации топлив в фонтанирующем слое
Интенсификация производства генераторного газа при атмосферном давлении в установке (рис. 5) достигалась использованием обогащенного кислородом воздуха (со степенями обогащения от 22 до 38% методом мембранного газоразделения [8]), и струйной подачей сверху на слой технической воды. Нижней подачей топлива и интенсивным перемешиванием материала слоя обеспечивались условия для предотвращения выхода с газом смол.
В качестве исследуе
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.