ПАРОГАЗОВАЯ УСТАНОВКА С ПИРОЛИЗОМ УГЛЯ
STEAM GAS PLANT WITH COAL PYROLYSIS

Изобретение относится к области теплоэнергетики и может быть использовано при создании энергетических парогазовых установок (ПГУ), работающих на твердом топливе.
Известны парогазовые установки пылеугольных ТЭС с параллельной схемой работы, включающие газотурбинный блок с камерой сгорания газообразного топлива, компрессором и газовой турбиной, котел-утилизатор тепла отходящих газов газотурбинного блока, паротурбинный блок с работающим на твердом топливе паровым котлом, паровой турбиной, регенеративным воздухоподогревателем и конденсатным насосом, соединенные между собой по пару и воде соответствующими трубопроводами и запорными задвижками (Газотурбинные и парогазовые установки тепловых электростанций: Учебное пособие для вузов. / Под ред. С.В.Цанева - М.: Издательство МЭИ, 2002, с.488-492). Схемы указанных ПГУ на твердом топливе предполагают установку отдельно стоящего оборудования (газогенераторы, устройства подогрева пыли, высоконапорные парогенераторы), предназначенного для подготовки топлива, сжигаемого в камере сгорания газовой турбины. Все эти отдельно стоящие системы имеют следующие недостатки:
1. Значительные габариты и занимаемая установкой площадь, а также требуются отдельные источники подогрева воздуха для обеспечения работы воздушной (газовой) турбины и выработки рабочего тела для парового котла.
2. Значительная длина технологических линий.
3. Охлаждение полукокса при его транспортировке.
4. Потери топлива при транспортировке.
5. Некачественная очистка газа.
6. Сероочистка дымовых газов (десульфитация) производится за паровым котлом, что значительно ухудшает экологические показатели.
Технической задачей предлагаемого изобретения является создание парогазовой установки, позволяющей повысить экономичность, надежность ее работы, при гибкости, конструктивной простоте с улучшением экологических показателей, за счет выведения из технологического цикла энергопроизводства жидких конденсирующихся продуктов, а также исключения необходимости выделения площадей для размещения крупногабаритных аппаратов термообработки угля и охлаждения полукокса при его транспортировке.
Для решения поставленной технической задачи и достижения технического результата известная парогазовая установка, включающая паротурбинный блок с работающим на твердом топливе паровым котлом, паровой турбиной, регенеративным воздухоподогревателем и конденсатным насосом, газотурбинный блок с камерой сгорания газообразного топлива, компрессором и газовой турбиной, использующей в качестве рабочего тела нагретый сжатый воздух, котел-утилизатор тепла отходящих газов газотурбинного блока, согласно изобретению содержит группу независимо функционирующих пиролизеров с патрубками подвода угольной пыли и воздуха и установленных над горелочным поясом парового котла, охладители пиролизного газа, сепаратор, фильтр тонкой очистки, при этом каждый пиролизер связан каналом подачи полукокса, по меньшей мере, с одной горелкой котла и с охладителем пиролизного газа, один из выходов которого связан с сепаратором, при этом охладители и сепаратор через трубопровод вывода смолы и жидких углеводородов связаны с горелками котла, кроме того, сепаратор через нагнетатель пиролизного газа соединен каналом подачи этого газа с фильтром тонкой очистки, один из выходов которого через дожимной компрессор связан с камерой сгорания газообразного топлива, а второй его выход - с горелками котла через канал подвода полукокса, при этом выходы охладителей связаны с регенеративными воздухоподогревателями.
Кроме того, пиролизеры установлены вертикально.
Установка группы компактных, независимо функционирующих аппаратов для термообработки угольной пыли с получением горючего газа для газовой турбины и полукокса для парового котла (пиролизеров), установленных над горелочным поясом парового котла и связанных патрубком вывода полукокса через канал подвода полукокса с горелками котла, позволяет исключить необходимость выделения площадей для размещения крупногабаритных аппаратов термообработки угля, протяженных высокотемпературных коксопроводов к горелкам (при температуре кокса, близкой к температуре процесса в аппарате), охлаждения полукокса для надежного функционирования системы его транспортировки, что позволяет значительно сократить затраты на собственные нужды, а значит, повысить экономичность установки.
Выполнение пиролизеров вертикальными с верхним вводом топлива и греющей среды дает возможность переключения режима пиролиза в режим транзитного перемещения угольной пыли в горелку котла без ее термообработки. Технологически эта схема упрощается, становится более гибкой, конструктивно проще при повышении надежности.
Прекращение процесса пиролиза одного из пиролизеров, в случае дефекта системы подогрева, не скажется на производительности котла, т.к. соответствующая горелка или группа горелок автоматически перейдет на сжигание угольной пыли без ее предварительной термообработки. Таким образом, обеспечивается надежность работы предлагаемой ПГУ и исключаются потери топлива при транспортировке.
2
Для обеспечения глубокой очистки пиролизного газа парогазовая установка содержит блок очистки. Для транспортировки охлажденного пиролизного газа от пиролизеров к блоку очистки горючего газа парогазовая установка содержит охладитель газа, установленный на выходе каждого из пиролизеров. Блок очистки пиролизного газа включает сепаратор для отделения жидких конденсирующихся продуктов и фильтр тонкой очистки пиролизного газа. Перед подачей в камеру сгорания ГТУ давление охлажденного газа повышают в дожимном компрессоре до давления на 1-1,5 кгс/см выше давления камеры сгорания.
Включение в состав ПГУ группы пиролизеров позволяет значительно улучшить экологические показатели, поскольку в процессе пиролиза в бескислородной среде азотосодержащие соединения угля в результате распада переходят в молекулярный окисел азота. Выброс «топливных» оксидов при сжигании полукокса в топке парового котла практически исключается. Десульфитация пиролизного газа осуществляется вдувом серосвязывающих реагентов непосредственно в рабочую зону пиролизера, где при малых объемах газовой среды более эффективно организуется связывание серы по сравнению с процессом десульфитации всего объема дымовых газов за паровым котлом (как в прототипе). Температура пиролиза (800-900°С) является оптимальной для процесса десульфитации, поэтому такой способ очистки газа от серы выглядит наиболее приемлемым.
Сущность изобретения поясняется схемами.
На фиг.1 представлена технологическая схема заявляемой парогазовой установки с пиролизом угля; на фиг.2 - схема проведения пиролиза угля в составе парогазовой установки.
Парогазовая установка с пиролизом угля (фиг.1) содержит паротурбинный блок с работающим на твердом топливе паровым котлом 1, паровой турбиной 2, группой регенеративных воздухоподогревателей 24 и конденсатным насосом 22 и газотурбинный блок с камерой 4 сгорания газообразного топлива, компрессором 12 и газовой турбиной 3, использующей в качестве рабочего тела нагретый сжатый воздух. Исходным узлом ПГУ является группа независимо функционирующих пиролизеров 5 для термообработки угольной пыли с получением горючего газа для газовой турбины и полукокса для парового котла. Количество пиролизеров определяется количеством горелок парового котла. Пиролизеры 5 выполнены в виде вертикальных аппаратов с верхним подводом воздуха и угольной пыли через патрубки 25 и 26 для обеспечения возможности переключения режима пиролиза в режим транзитного перемещения угольной пыли в горелку парового котла без ее термообработки. Для перехода в такой режим достаточно отключить узел подогрева пиролизера (перекрыть подачу вспомогательного топлива для получения греющей среды).
Пиролизеры 5 установлены над горелочным поясом парового котла 1 и связаны по выдаваемому полукоксу с горелками 9 парового котла через патрубки 27 вывода полукокса с каналом 8 подвода полукокса к горелкам 9 котла. Число таких аппаратов пиролиза может составить от 4-х до 8-ми при диаметре корпуса каждого пиролизера 500-900 мм, высотой 6-8 метров. Прекращение процесса пиролиза одного из пиролизеров 5, в случае дефекта системы подогрева пиролизера, не скажется на производительности котла, т.к. соответствующая горелка или группа горелок автоматически перейдет на сжигание угольной пыли без ее предварительной термообработки.
2
На выходе каждого из пиролизеров установлен охладитель 28 газа для того, чтобы обеспечить транспортировку охлажденного газа к блоку очистки горючего газа. Охладитель газа 28 предназначен для охлаждения газа химически очищенной водой с целью конденсации из него маслянистых примесей, фенолов, аммиака, пирогенетической влаги. Пиролизеры 5 соединены с охладителями 28 каналом 6 подвода пиролизного газа. Каждый из охладителей 28 связан с блоком очистки горючего газа, включающим сепаратор 29 и фильтр 7 для тонкой очистки пиролизного газа. Сепаратор 29 предназначен для отделения газа от жидких сконденсировавшихся продуктов (маслянистые примеси, фенолы, аммиак, пирогенетическая влага). На канале 6 подвода пиролизного газа между сепаратором 29 и фильтром 7 может быть установлен нагнетатель 36 пиролизного газа. Фильтр 7 соединен каналом с дожимным компрессором 30, соединенным газопроводом 11 с камерой сгорания 4 газотурбинного блока. Дожимной компрессор 30 предназначен для повышения давления газа на 1-1,5 кгс/см выше давления камеры сгорания 4. Кроме того, охладители 28 пиролизного газа, конденсатный насос 22 паровой турбины и котел-утилизатор 31 соединены трубопроводами вывода подогретого конденсата 32, 33, 34 через паропровод 20 с группой регенеративных воздухоподогревателей 24 паровой турбины 2. Сепаратор 29 соединен трубопроводом 10 вывода смолы и жидких углеводородов с горелками 9 парового котла 1. Фильтр 7 соединен трубопроводом вывода уловленных частиц через канал 8 подвода полукокса с горелками 9 парового котла 1. Включенные в парогазовую установку трубопроводы снабжены запорными задвижками 37.
2
Работает парогазовая установка с пиролизом угля следующим образом. Проведение процесса пиролиза угля в составе предлагаемой парогазовой установки поясняется схемой, представленной на фиг.2. Угольная пыль из системы пылеприготовления котла через бункер пыли и пылепитатели (на фиг.1 не показаны) направляется в патрубки 26 пиролизеров 5 (фиг.1). Одновременно с подачей угольной пыли через патрубки 25 подвода воздуха в пиролизеры 5 подается воздух. В пиролизерах 5 происходят прогрев угля, выделение летучих веществ, разделение парогазовой и твердой фракций, улавливание серы путем ввода в аппарат серосвязывающего реагента, очистка газа от пыли. Пиролизный газ из группы пиролизеров 5 по каналу подвода пиролизного газа 6 направляется в группу охладителей газа 28, где при охлаждении химически очищенной водой из него конденсируются маслянистые примеси, фенолы, аммиак, пирогенетическая влага. Из охладителей 28 пиролизный газ поступает в сепаратор 29, где происходит отделение сконденсировавшихся продуктов от газа. По трубопроводу 10 вывода смолы и жидких углеводородов сконденсировавшиеся продукты выводятся в горелки 9 парового котла 1 для огневой утилизации, а пиролизный газ по каналу подвода 6 направляется в фильтр 7, в котором производится его тонкая очистка. Уловленные в фильтре 7 частицы по трубопроводу 35 через канал 8 подвода полукокса выводятся в горелки 9 парового котла, а получивший тонкую очистку пиролизный газ подается на дожимной компрессор 30. После повышения давления в дожимном компрессоре 30 на 1-1,5 кгс/см выше давления камеры сгорания 4 газ по газопроводу 11 подается в камеру сгорания 4 ГТУ газотурбинного блока.
Полукокс, полученный в процессе термического разделения угольной пыли в пиролизере 5, через патрубок 27, подается по каналу 8 к горелке 9, где потоком транспортирующего пара вводится в паровой котел 1 и сжигается в атмосфере воздуха, подаваемого на горение дутьевыми вентиляторами (на фиг.1 не показаны). Зола и продукты реакции связывания серы улавливаются в золоуловителях, расположенных за котлом (на фиг.1 не показаны).
Острый пар, полученный в паровом котле 1, подается в паровую турбину 2 ПГУ для выработки электроэнергии. Отходящие газы ГТУ поступают в котел-утилизатор 31, либо сбрасываются в качестве окислителя в горелки 9 парового котла 1.
Предлагаемое расположение пиролизеров делает данную схему ПГУ очень компактной, позволяет обеспечить автономную работу паротурбинного блока. В случае отключения газовой турбины имеется возможность транзитной подачи угольной пыли к горелкам котла, в этом случае необходимо лишь отключить подачу воздуха и топлива к узлу подогрева пиролизера.
Таким образом, в предлагаемой парогазовой установке с пиролизом угля интеграция паротурбинного и газотурбинного блоков осуществляется по четырем различным связям:
- общая система топливоснабжения и топливоподготовки;
- совместное производство рабочего тела для ГТУ;
- утилизация тепла отходящих газов в поверхностях нагрева парового котла;
- использование избыточного кислорода отходящих газов ГТУ в топке парового котла в качестве окислителя для сжигания полукокса.
По сравнению с прототипами предлагаемая парогазовая установка с пиролизом угля имеет существенно лучшие экологические показатели. В процессе пиролиза в бескислородной среде азотсодержащие соединения угля в результате распада переходят в молекулярный окисел азота. Выброс «топливных» оксидов при сжигании полукокса в топке парового котла практически исключается. Десульфитация пиролизного газа осуществляется вдувом серосвязывающих реагентов непосредственно в рабочую зону пиролизера, где при малых объемах газовой среды более эффективно организуется связывание серы по сравнению с процессом десульфитации всего объема дымовых газов за паровым котлом. Температура пиролиза (800-900°С) является оптимальной для процесса десульфитации, поэтому такой способ очистки газа от серы выглядит наиболее приемлемым. Предлагаемая парогазовая установка позволяет при необходимости выводить из технологического цикла энергопроизводства жидкие конденсирующиеся продукты, которые могут быть использованы для получения ценных химических продуктов, моторного топлива, масел.
Кроме того, предлагаемая парогазовая установка позволяет осуществлять охлаждение газа, конденсацию из него маслянистых примесей и проводить тонкую и качественную очистку газа.
Экономичность и надежность работы ПГУ с пиролизом угля достигается за счет упрощения схемы, выведения из технологического цикла энергопроизводства жидких конденсирующихся продуктов, а также исключения необходимости выделения площадей для размещения крупногабаритных аппаратов термообработки угля и охлаждения полукокса при его транспортировке.
Предлагаемое изобретение соответствует критерию «новизна», т.к. из «уровня техники» не выявлены технические решения с предложенной совокупностью признаков.