1.10.2. Газификация твердых топлив

При работе энергетических котлов на твердом топливе снижение выбросов сернистого ангидрида можно осуществлять различными способами, включая добавку к топливу сухих аддитивных присадок, предварительная газификация топлив, сжигание топлива в кипящем слое, мокрый или сухой способ десульфуризации и т.п.

Одним из перспективных направлений использования твердого топлива в энергетике с минимальным загрязнением воздушного бассейна оксидами серы и другими загрязняющими веществами является газификация угля с последующим сжиганием газообразных горючих продуктов в топках котлов.

Газификацию угля осуществляют с помощью газообразных реагентов: водяного пара, кислорода и водорода. При газификации с водяным паром происходит образование Н2 и СО. Этот процесс является эндотермическим, и теплоту, необходимую для реакции, можно получить, сжигая часть угля в реакторе (автотермический процесс). Необходимую для реакции теплоту можно подводить в реактор и снаружи (аллотермический процесс).

Технологическая схема процесса газификации угля по одному из способов представлена на рис.10.1. Основными элементами установки являются блок подготовки угольной суспензии, включающий смеситель для добавок к угольному порошку с величиной фракций до 0,1 мм маслообразных присадок, подогреватель суспензии, реактор, радиационный холодильник 3, конвективный холодильник 4, промывочную колонну для очистки газа от твердых частиц и блок очистки газа от H2S, COS и СО2.

236

Водноугольная суспензия с содержанием 60-70% свежемолотого угля и оборотной золы насосом под давлением 10 МПа подается из блока 1 в форсунку, установленную в верхней части реактора 2, представляющего собой цилиндрический резервуар, футерованный огнеупорным материалом. В объеме реактора 1 при 1500°С происходит автотермический процесс газификации угля. Технологический газ, состоящий из СО, Н2, СО2 и пара и небольшой примеси СН4, N2 и H2S, поступает в холодильник 4 и колонну 5. При охлаждении газа в холодильнике 3 получают насыщенный пар, отводимый через паросборник 7; жидкие шлаки и зола застывают в потоке газа и оседают в воде на дне холодильника, откуда регулярно выгружаются в шлюзовой бункер под холодильником 3. Мелкие частички золы и охлаждающая вода перекачиваются из бункера для повторной подачи на угольную мельницу. Технологический газ из холодильников поступает в промывочную колонну 5, блок очистки 6 и далее отводится к потребителю или для дальнейшей переработки.

Принципиальная схема установки, в которой реализован способ газификации угля в расплаве железа, приведен на рис.10.2. В конвертер с расплавом железа одновременно вдуваются угольный порошок, О2 и небольшое количество известняка для связывания в шлак серы, содержащейся в угле. Продукты газификации (СО+Н2) пропускают через котел-утилизатор и два газоочистных блока: грубой очистки (циклон 3) и тонкой очистки (электрофильтр 4), после чего они поступают в газгольдер и далее подаются в котлы 6 электростанции. Шлак периодически удаляют из конвертера, рабочая температура в котором равна 1550°С, гранулируют и используют в качестве строительного материала или добавки при производстве цемента.

237

Технология сжигания твердого топлива в кипящем слое, начавшая свое развитие от слоевого сжигания, совершила качественный скачок с переходом к факельному сжиганию пылевидного топлива. Однако, в настоящее время прогресс в топливосжигании связывается со слоевыми топочными устройствами, но уже в новом решении в виде топок с кипящим слоем. Реализуются существенно различные схемы сжигания в кипящем слое.

Псевдоожиженный слой - скорость фильтрации газов через слой, находящийся непосредственно над решеткой, до 2 м/с, размер частиц до 10 мм. Достигаемая концентрация оксидов азота в дымовых газах 200-400 мг/м3, высота слоя 300-400 мм, гидравлическое сопротивление до 500 кгс/м2. Температура в слое от 800 до 1100°С.

Циркулирующий кипящий слой – частицы топлива размером до 3 мм циркулируют во всем объеме топочной камеры при большой скорости газов (7- 8 м/с), значительная часть его выносится из топки и в виде возврата вновь поступает в топку над распределительной решеткой. Плотный слой из крупных частиц в нижней части топки способствует увеличению времени пребывания частиц топлива.

Факельно-кипящий слой, факельно-слоевое сжигание – полиди-

сперсный поток топлива в виде аэросмеси поступает через горелки, мелкие фракции сгорают в факеле, крупные поступают в нижнюю часть топки на слой

– кипящий или неподвижный.

Механизм подавления оксидов азота в кипящем слое (в различных его модификациях) связан в основном со снижением температурного уровня процесса, а также с восстановительными процессами в зоне контакта окислов азота с углеродосодержащими частицами.

238

При сжигании угля в кипящем слое также можно добавлять известняк, связывающий серу топлива. Однако вследствие сравнительно низких температур кипящего слоя (800-900°С) связывание серы происходит в меньшей степени, чем при сжигании угля с добавками известняка в топочном объеме. При сжигании угля в кипящем слое одновременно снижается интенсивность процессов образования NOx. К недостатку метода сжигания угля в кипящем слое следует отнести необходимость использования большой поверхности кипящего слоя, что не позволяет применять топки с кипящим слоем в котлах традиционных конструкций мощностью свыше 150-180 МВт.

Более высокая мощность топок может быть достигнута при использовании циркулирующего кипящего слоя. Принципиальная схема установки для сжигания угля в циркулирующем кипящем слое при атмосферном давлении приведена на рис. 10.3. В нижнюю часть топки с кипящим слоем подают измельченные в мельницах 2 и 3 уголь и известняк, а из верхней части топки продукты сгорания вместе с твердыми частицами выносятся в циклон 4. Осажденные в нижней части циклона твердые частицы через теплообменник вновь подаются в нижнюю часть топки, а продукты сгорания, поступающие из циклона, проходят трубчатку 6 парогенератора и блок пылеочистки 7 и выбрасываются в дымовую трубу. Пар из парогенератора подводят к турбине. Использование установок с циркулирующим кипящим слоем возможно в энергетических блоках мощностью до 400 МВт.

Применение котлов с циркулирующим кипящим слоем (ЦКС), например, для сжигания кузнецких углей и донецкого АШ может обеспечить снижение вредных выбросов в окружающую среду до нормативных величин при существенном повышении эффективности использования топлива и расширение

239

рабочего диапазона регулирования электрической нагрузки. Низкотемпературное сжигание топлива и ввод известняка позволяют получить минимальные выбросы оксидов азота и серы на уровне не более 200 мг/нм3 по каждому ингридиенту. Низкая (около 100°С) температура уходящих газов и их скорость менее 1 м/с обеспечивает запыленность газов после электрофильтров не выше 50 мг/нм3. За счет эффективного сжигания топлива в ЦКС и утилизации теплоты дымовых газов и золы достигается экономия условного топлива по сравнению с пылеугольными котлами, оснащенными серо- и азотоочисткой. Энергоблоки с котлами ЦКС отличаются высокими маневренными характеристиками. Регулировочный диапазон нагрузок блока (без подсветки растопочным топливом) составит от 100 до 30% номинальной нагрузки.

В России (НПО "Гидротрубопровод") разработаны и реализуются технологии получения и использования водоугольного топлива ("ЭКОВУТ") нового поколения – искусственного композиционного топлива, представляющего собой дисперсную топливную систему, создаваемую на основе твердых частиц каменного или бурого угля микронных фракций и воды.

Это топливо предназначено для использования вместо традиционных топлив на тепловых электросатнциях, в паровых и водогрейных котлах, в обжиговых и плавильных печах, в топках сушильных установок, теплогенераторах систем теплоснабжения и других агрегатах. Оно может успешно сжигаться в слоевых и камерных топках уже установленных и эксплуатируемых котлов и печей любой мощности (от 0,25 до 500 МВт [тепл.] и выше), вместо твердого, жидкого и газообразного топлива.

"ЭКОВУТ" является перспективной основой создания территориальных экологически чистых энергетических комплексов, включающих один завод по производству этого топлива и все топливопотребляющие объекты (тепловые электростанции, отопительные котельные, технологические печи и др.), расположенные в районе размещения комплекса. По физико-механическим характеристикам это топливо аналогично жидкому топливу, поэтому процессы его транспортировки, хранения, ввода в топку котла или печи и сжигания также аналогичны. Важной особенностью топлива является строгое постоянство его состава и свойств (независимо от изменения качества исходных компонентов, в том числе угля), что позволяет эксплуатировать топливопотребляющие агрегаты в оптимальных режимах и производить конечный продукт с высокими технико-экономическими показателями.

Процесс горения "ЭКОВУТ" во всех случаях характерен высокой полнотой выгорания топлива (98-99,7%), резким снижением механической неполноты сгорания и полным отсутствием химической неполноты сгорания топлива, что позволяет существенно повысить эффективность его использования, особенно в котлах со слоевым сжиганием угля. Сжигание этого топлива проводится при малых избытках воздуха (3-7%), что также способствует повышению к.п.д. котла.

240

В зависимости от требований потребителя водоугольное топливо может иметь теплоту сгорания до 21 МДж/кг (из каменных углей) и до 16 (из бурых углей). В процессе производства при необходимости "ЭКОВУТ" может быть деминерализовано (со снижением зольности до 1-5%); в него могут быть введены химические присадки, существенно улучшающие свойства этого топлива.

Водоугольное топливо – это экологически чистое топливо. Оно сгорает без образования монооксида углерода, вторичных углеводородов, сажи и канцерогенных веществ; резко сокращается образование оксидов серы (до 7085%) и оксидов азота (до 80-90%). При сжигании водоугольного топлива летучая зола агломерируется, вследствие чего выбросы твердых частиц так же сокращаются на 80-90%.

При сжигании этого топлива обеспечиваются допустимые уровни выбросов загрязняющих веществ с продуктами его сгорания без сооружения капитальных специальных установок по очистке продуктов сгорания от оксидов серы и азота, монооксида углерода, сажи и канцерогенных веществ.

Использование углей в виде водоугольных суспензий объективно переводит этот вид топлива в разряд экологически чистых видов топлива и открывает путь расширения сферы их использования.

Это топливо производится из антрацитов, каменных и бурых углей любых марок и любой зольности (до Ad = 50%) и из воды любого качества, включая шахтные и промсточные воды. При этом можно таким образом одновременно решить и проблему утилизации сточных вод.

Технология приготовления водоугольного топлива "ЭКОВУТ" включает стандартные процессы мокрого дробления и измельчения его твердой фазы, смешения и сгущения готового продукта, а также процессы деминерализации (если это требует потребитель). Технология не требует применения термических и химических процессов и поэтому она не капиталоемка и не энергоемка.

Технология приготовления водоугольного топлива является полностью безотходной и экологически чистой; она реализуется путем компоновки отдельных блоков с использованием серийного оборудования по заданию потребителя.

Реализация технологий производства, хранения, транспорта и энергетического использования угля в виде водоугольного топлива "ЭКОВУТ", разработанных в НПО "Гидротрубопровод" (РФ), позволяет резко сократить потери угля при его транспорте и хранении, чем резко улучшить экологическую обстановку в районах его использования.

По выполненным оценкам стоимость 1 т у.т. "ЭКОВУТ" на 10-30% выше стоимости 1 т у.т. угля, на 30-50% ниже стоимости 1 т у.т. мазута и на 20-40% ниже стоимости 1 т у.т. природного газа.

Технология приготовления и использования "ЭКОВУТ" отработана в опытно-промышленных условиях на установках мощностью от 1 до 560 МВт. При этом только в России приготовлено и сожжено в котлах тепловых

241