№ 4
ИЗВЕСТИЯ АКАДЕМИИ НАУК ЭНЕРГЕТИКА
2015
УДК 620.9:662.6
РАЗРАБОТКА МЕР ПОДАВЛЕНИЯ ОБРАЗОВАНИЯ ОКСИДОВ АЗОТА В ПГУ С ВНУТРИЦИКЛОВОЙ ГАЗИФИКАЦИЕЙ УГЛЕЙ
© 2015 г. С.И. СУЧКОВ, А.А. СОМОВ
ОАО "Всероссийский теплотехнический научно-исследовательский институт " (ОАО "ВТИ"),
Москва
E-mail: vti@vti.ru; S.Sutschkofr@yandex.ru
Представлены результаты исследований образования и подавления оксидов азота при сжигании в газотурбинной камере сгорания продуктов горновой паровоздушной газификации в плотном слое углей. Генераторный газ горновой газификации углей обладает достаточно высокой реакционной способностью и может быть использован в широком диапазоне режимных условий сжигания. При примененной сухой горячей очистке этот газ отвечает условиям высокотемпературных газовых турбин.
Дана количественная оценка выбросам оксидов азота при его сжигании. По данным опытов до 50% материнского азота топлива при горновой газификации переходит в NH3 синтез-газа и, окисляясь при сжигании последнего, является источником повышенных выбросов NO^. Сжигание генераторного газа в режиме бедно-богато-той смеси снижает выбросы NOx до 0,065—0,12 г/МДж, что меньше строгого норматива для твердого топлива. Экспериментально доказана возможность дальнейшего снижения выбросов NOx примерно в два раза посредством селективного разложения NH3 в генераторном газе.
Ключевые слова: газификация угля, генераторный газ, очистка синтез-газа, оксиды азота, ступенчатое сжигание газа, селективно-каталитический метод, подавления, селективно некаталитический метод, избыток воздуха.
DEVELOPMENT OF MEASURES SUPPRESSING THE FORMATION OF NITROGEN OXIDES IN THE GASIFICATION-COMBINED CYCLE PLANT
S.I. SUTSCHKOV, A.A. SOMOV
All-Russian Research Thermal Engineering Institute (VTI), Moscow
E-mail: vti@vti.ru, S.Sutschkoff@yandex.ru
The results of investigations of formation and suppression of nitrogen oxides at combustion of products of gasification in fixed bed in gasification-combined cycle plant are presented. Synthesis gas has a high reactivity and can be used in the wide range of regime conditions of combustion. With the applied technology in development of dry hot cleaning, this gas meets the requirements of high-temperature gas turbines.
Are represented for the first time in domestic researches quantified emissions of nitrogen oxides at the synthesis gas combustion. According to the experiments till 50% nitrogen in fuel at process of gasification are transformed in NH3 into synthesis gas. Combustion of
producer gas in the mode of poor-rich mixture reduces emissions of nitrogen oxide till 0.065—0.12 g/MJ, which is less than the most stringent standards for solid fuel. Experimentally proved the possibility of further reducing emissions of nitrogen oxides approximately in 2 times by selective decomposition NH3 in syngas.
Key words: coal gasification, gasification, syngas, cleaning syngas, nitrogen oxide, combined cycle plant, catalytic method, gasifiction-combined cycle plant.
Среди новых угольных технологий производства электроэнергии и тепла, коммерческое применение которых реально в ближайшей перспективе, парогазовые установки (ПГУ) с внутрицикловой газификацией угля (ВЦГ) обладают наиболее высоким экологическим и экономическим потенциалом (КПД в перспективе до 56%). На Западе в данное направление вкладывались огромные средства, созданы крупные демонстрационные блоки с парокислородной газификацией угля, однако его коммерческое распространение сдерживается пока высокой удельной стоимостью установок (около 2500 $/кВт), вызванной их сложностью, в частности из-за применения затратного криогенного производства кислорода на газификацию [1].
В проведенной ВТИ разработке отечественной системы ВЦГ этот недостаток преодолен за счет освоения эффективной воздушной газификации угля и сухой горячей очистки синтез-газа, повышающих КПД, упрощающих и удешевляющих систему за счет отказа от воздухоразделительных установок, упразднения загрязненных водных стоков, упрощения схемных решений, применения найденных в ходе исследовательского поиска эффективных и весьма дешевых сероочистных сорбентов из железомар-ганцевой руды и других решений. Технология апробирована на комплексной опытной установке, имеющей в своем составе все элементы реальной системы газификации и газоочистки, газотурбинную камеру сгорания синтез-газа (рис. 1), при использовании бурых и каменных углей, антрацита, агломерированного АШ, нефтяного кокса и кок-со-графитных отходов [2—5]. В данной статье рассмотрено решение одной из проблем создания новой технологии, связанной с изучением сжигания низкокалорийного синтез-газа и необходимостью подавления выбросов оксидов азота (NOJ с отходящими газами ПГУ.
Газотурбинная камера сгорания, созданная в составе опытной установки, показана на рис. 2. Воздух для сжигания подается в полость между корпусом и перфорированной пламенной трубой через регистр на переднем ее торце, четыре ряда отверстий диаметром 20 мм и мелкие отверстия на самой трубе, служащие для ее охлаждения. Внутри регистра расположен завихритель для подачи генераторного газа. Это устройство использовалось для изучения сжигания продуктов газификации названных выше топлив. Теплота их сгорания составляла 4,3—5,4 МДж/м3, состав сухого газа колебался в пределах: СО2 = 1,8-4,3; СО = 20,9-31; СН4 = 0,2-3,4; Н2 = 2,9-11,2; N2 = 58,8-64,6% об. Опыты проводились в диапазоне изменения избытка воздуха а = 1,1-9,0 и его температуры 340-550 K и показали, что генераторный газ горновой газификации углей на воздушном дутье может успешно использоваться в газотурбинных установках при широком варьировании режимных параметров его сжигания. По оценке авторов реакционная
способность генераторного газа с низшей теплотой сгорания (Q[) более 4,4 МДж/м3 (1050 ккал/м3) близка к реакционной способности природного газа, что можно объяснить наличием в нем водорода и СО при достаточном для энергичного выгорания этого компонента количестве водяных паров в синтез-газе. Эти два основных горючих компонента в продуктах горновой газификации углей, отличающиеся высокой жаро-производительностью (по этой характеристике они уступают только ацетилену [6]) и сохранением физического тепла синтез-газа при его высокотемпературной очистке, обеспечивают при реальных избытках воздуха температуру горения этого газа примерно такую же, как и природного газа [5].
оо о\
Рис. 1. Схема комплексной опытной установки: 1 — топлпвоподготовка; 2 — бункер пыли; 3 — бункер порционирования кускового топлива; 4 — шлюзовая система; 5 — расходный бункер; 6 — газогенератор; 7— электрический воздухоподогреватель; 8 — циклоны; 9 — металлотканевый фильтр; 10 — импульсный клапан; 11 — ресивер ре-генерационного газа, 12 — электрический подогреватель воздуха для регенерации сорбента; 13 — реактор сероочистки; 14 — ввод пара; 15 — растопочный эжектор; 16 — свеча с запальным оголовком; 17— камера сжигания; 18— подогреватель воздуха на камеру сжигания; 19 — воздуходувка; 20 — газовые баллоны
Рис. 2. Камера горения синтез-газа на опытной установке
Определение концентраций NOx и газовый анализ за камерой горения производился приборами Qwintox, Testo 350XL, ДАГ-16. Методика обработки опытов строилась на положении: воздушная газификация угля и сжигание генераторного газа в совокупности сводятся к процессу горения исходного угля. Суммарный коэффициент избытка воздуха в этом двухступенчатом процессе составляет:
а кс а газ + кс, (1)
где агаз — коэффициент подачи воздуха при газификации угля; Лакс — относительное количество воздуха, подаваемого в камеру сгорания генераторного газа в долях от теоретически необходимого для сжигания угля; акс — коэффициент избытка воздуха в отходящих газах за камерой сгорания, относящийся к исходному углю. Величина акс определялась в опытах по данным газового анализа за камерой сгорания с применением формул, общепринятых для продуктов сжигания углей1. С использованием этой величины по замеренным концентрациям NOx была рассчитана объективная количественная характеристика образования NOx — выбросы оксидов азота, приведенные к суммарной теплоте, выделенной при сгорании топлива в ступенчатом процессе (qNO , мг/кДж):
qnox = 2,05[NO х ]сг + V 0( а кс -1), (2)
х Qi
где [NOJ — измеренная объемная концентрация NOx в продуктах сжигания, млн-1; Усг — объем сухих газов в продуктах стехиометрического сжигания 1 кг угля, м3/кг; Vo — теоретический объем воздуха для стехиометрического сжигания 1 кг угля, м3/кг; Qr — теплота сгорания угля, кДж/кг.
Зависимости измеренных концентраций CNOx = 2,05[NOx], мг/м3, от акс при использовании различных углей приведены на рис. 3, здесь же приведена зависимость CNO x = f(а кс), полученная при сжигании природного газа в той же камере сгорания. Эти данные показывают, что при газификации угля и сжигании генераторного газа выбросы Qr в 2—4 раза больше, чем при сжигании природного газа. Кривые сдвинуты относительно друг друга в соответствии с содержанием азота в газифицируемом угле и степени метаморфизма топлива: при сопоставимых концентрациях материнского азота в углях NOx больше при сжигании продуктов газификации более молодого угля. В составе самого генераторного газа NOx не обнаружено.
коэффициент избытка воздуха за камерой сгорания, относящийся к сжигаемому генераторному газу, связан с акс выражением: аКс = (акс — агаз )/(1 — агаз).
600
500
400
300
200
100
1 — Природный газ
2 — Агломерированный АШ N = 0, < . 3 — Антрацит Ndaí= 0,8%, КИ3 = 0,88
х 4 — Кузнецкий тощий N^ = 1,9%, КИ3 = 2,28 - 2,46 г/м3
_ 5 — Торбагатайский бурый N = 1,5 6 — Березовский бурый N ^ = 0,7%
0,99 г/м3_
1
8 ак
Рис. 3. Зависимость замеренных концентраций N0^ от коэффициента избытка воздуха при сжигании генераторного газа из различных углей
0
На рис. 4 исходные графические зависимости представлены в виде = /(а кс). Для большинства исследованных углей значения превышают наиболее жесткий норматив для твердого топлива (0,13 г/МДж) и требуют применения специальных мер подавления выбросов N0^. Причиной повышенной генерации N0^ при сжигани
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.