СПОСОБ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ УГЛЯ В ПАРОГАЗОВОЙ УСТАНОВКЕ НА ОСНОВЕ ПРОЦЕССА ПИРОЛИЗА
METHOD TO USE COAL IN COMBINED CYCLE PLANT BASED ON PYROLYSIS PROCESS

Изобретение относится к теплоэнергетике, а именно к способу получения высокотемпературного воздуха для использования его в качестве рабочего тела в газовой турбине.
Развитие парогазовой технологии в энергетике в настоящее время ограничивается в основном использованием природного газа в качестве топлива для камер сгорания газовых газотурбинных установок (ГТУ) в составе ПГУ. Создание угольных парогазовых установок (ПГУ) связано с двумя основными направлениями: газификация угля (преобразование углеродной массы в газообразное топливо) и технология с «внешним» сжиганием. Сущность технологии заключается в получении высокотемпературного воздуха для использовании в качестве рабочего тела в газовой турбине путем нагрева циклового воздуха за компрессором с использованием в качестве нагревающей среды продуктов сжигания топлива. Для повышения экономичности современных ПГУ температура на входе в проточную часть ГТУ должна составлять порядка 1500°C. Создание столь термонапряженных конструкций требует применения таких материалов, которые в настоящее время отсутствуют. При таких условиях возможно использование гибридной технологии, предусматривающей ступенчатый подогрев рабочего тела.
Известен способ комплексной термической переработки твердого топлива (патент RU 2340651 C1, C10B 49/22, C10J 3/58, F02C 3/28, опубл. 10.12.2008), выбранный за прототип. Способ включает дробление и сушку твердого топлива, его пиролиз в реакторе в псевдоожиженном слое твердым теплоносителем с получением парогазовой смеси и полукокса, вывод их из реактора и разделение. В качестве твердого топлива используют торф. Полученный полукокс выводят со стадии пиролиза вместе с парогазовой смесью. Очищают парогазовую смесь, часть которой сжигают в камере сгорания газовой турбины с выработкой электроэнергии и последующей утилизацией сбросных газов. Полукокс разделяют в сепараторе полукокса на два потока по фракциям. Крупную фракцию направляют в активатор для получения активного угля, а мелкую - в газогенератор для получения генераторного газа, который затем очищают и в смеси с оставшейся частью парогазовой смеси кондиционируют с получением синтез-газа, который подают в реактор на синтез жидких углеводородов с получением жидких топлив. Активный уголь направляют в качестве сорбционного материала для очистки парогазовой смеси и генераторного газа, а отработанный активный уголь возвращают на стадию газификации. Твердый теплоноситель нагревают в технологической топке за счет его частичного сжигания с образованием дымовых газов и возвращают на стадию пиролиза.
Однако указанный способ ограничен только подготовкой топлива и не связан с парогазовой технологией производства электроэнергии.
Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является способ организации парогазового процесса, основанного на сжигании угля, который включает двухступенчатый подогрев циклового воздуха, выходящего после компрессора путем подачи его в высокотемпературный воздухоподогреватель высокого давления с последующим догревом его в камере сгорания газовой турбины за счет сжигания стороннего топлива, например, природного газа. (Липец А.У., Кузнецова С.М., Дирина Л.В. и др. «Газоугольные парогазовые установки», ж-л «Энергетик», №5, 2004).
Недостатком данной технологии является необходимость привлечения стороннего источника вспомогательного топлива, например, природный газ, для догрева циклового воздуха после высокотемпературного воздухоподогревателя до расчетной температуры рабочего тела на входе в газовую турбину, что ограничивает применение данной технологии при отсутствии природного газа.
Использование в паровоздушном котле рядовых углей предполагает необходимость организации очистки дымовых газов от соединений серы, оксидов азота, образующихся в значительной мере из азотных соединений топлива.
Технической задачей изобретения является разработка монотопливной технологии для обеспечения парогазового процесса энергопроизводства.
Технический результат предлагаемой технологии заключается в расширении сферы применения парогазовых установок, повышении их экономичности и экологичности.
Для решения поставленной технической задачи и достижения технического результата в парогазовой технологии, включающей двухступенчатый нагрев циклового воздуха: после выхода из компрессора цикловой воздух подают на подогрев в высокотемпературный подогреватель высокого давления с последующим догревом воздуха до расчетной температуры и подачей нагретого воздуха в газовую турбину, согласно изобретению, используют монотопливную технологию на основе, где в качестве топлива для паровоздушного котла с высокотемпературным воздухоподогревателем используют твердый продукт пиролиза - полукокс, а для догрева воздуха непосредственно перед газовой турбиной - пиролизный газ.
При этом:
- продукты пиролиза подвергают очистке от соединений серы и азота непосредственно в пиролизере;
- жидкую фракцию продуктов пиролиза используют для нагрева исходного угля до расчетной температуры процесса пиролиза в пиролизере.
Использование в качестве топлива продуктов пиролиза угля исключает необходимость для работы парогазовой установки использования отдельного, стороннего источника топлива, например, природного газа, что значительно расширяет возможности предложенной технологии.
Проведение процесса пиролиза при среднетемпературной обработке угля 800-850°C позволяет получить три продукта: пиролизный газ, полукокс, жидкие фракции.
Все полученные виды топлив в процессе пиролиза (полукокс, пиролизный газ, жидкие продукты пиролиза) являются экологически чистыми, освобожденными в процессе пиролиза от соединений серы и окислов азота, что обеспечивает экологичность предложенной технологии.
Использование жидкой фракции продуктов пиролиза для нагрева исходного угля до расчетной температуры процесса пиролиза в пиролизере позволяет значительно сэкономить тепловую энергию и, следовательно, повысить экономичность предложенной технологии.
Предлагаемая парогазовая технология на основе пиролиза угля реализуется с помощью схемы, изображенной на рисунке.
Схема включает три блока:
А - блок пиролиза угля; Б - газотурбинный блок с высокотемпературным воздухоподогревателем; В - паротурбинный блок с парогенерирующим трактом воздушо-парового котла.
2
Технологическая схема блока А содержит пиролизер 1 с камерой генерации 2 газового теплоносителя, куда поступает угольная пыль 3, воздух 4 и вспомогательное топливо 5. В камере 2 происходит сжигание вспомогательного топлива 5, выделющиеся при этом продукты сгорания служат теплоносителем для нагрева угольной пыли 3 до температуры процесса пиролиза, который развивается в полости пиролизера 1. Продукты пиролиза на выходе из пиролизера 1 распределяются следующим образом: полукокс 6 поступает в блок Б, парогазовая смесь 7 направляется на очистку и сепарацию газа в фильтр-сепаратор 8, в котором происходит разделение смолы, бензиновых фракций и пиролизного газа. Парообразные жидкие продукты по каналу 9 подаются в камеру генерации газового теплоносителя 2, где используются в качестве вспомогательного топлива. Выделенный из парогазовой смеси и очищенный в фильтре-сепараторе 8 пиролизный газ поступает в дожимной компрессор 10, в котором давление пиролизного газа повышается на 1-1,5 кгс/см выше давления циклового воздуха. Под этим давлением пиролизный газ подается в блок Б.
В технологическом блоке Б воздух после компрессора 15 по каналу 16 подается в высокотемпературный воздухоподогреватель 22 паровоздушного котла 17. Подогретый воздух затем по тракту 20 высокотемпературного воздуха поступает в узел догрева 12, в который по газопроводу 11 высокого давления поступает пиролизный газ. За счет сгорания пиролизного газа в потоке раскаленного воздуха происходит подогрев циклового воздуха до необходимой температуры на входе в проточную часть газовой турбины 14 (например, 1400-1500°C). Часть пиролизного газа по каналу 13 может поступать непосредственно в проточную часть газовой турбины 13 для промежуточного подогрева воздуха. Выхлопные газы по каналу 21 подаются в горелки 18 воздушно-парового котла, выполняя функцию окислителя для сжигания полукокса.
В паротурбинном блоке В продукты сгорания полукокса из топки котла 17 поступают к парогенерирующим поверхностям нагрева 19, связанным с паровой турбиной 23. Паротурбинный блок содержит также конденсатор 24 пара, конденсатный питательный насос 25.
Таким образом, предлагаемая технология позволяет получить три продукта (три вида топлива) - пиролизный газ, жидкие фракции, полукокс. Все продукты процесса пиролиза угля - газовые, парообразные и твердые - используют для производства рабочего тела для газовой турбины.
Использование предложенной парогазовой технологии на основе пиролиза угля позволяет применять ее в условиях, когда отсутствуют дополнительные источники топлива, например, природного газа и др.
Предложенная технология экономически эффективна, т.к. позволяет повысить КПД угольных ТЭС на 30-40% и значительно сократить расходы на собственные нужды.
Продукты пиролиза являются экологически чистыми, т.к. полукокс не содержит связанного азота, а пиролизный газ - соединений серы.
Кроме того, предложенная технология исключает применение жаростойких материалов, что очень важно для современного состояния техники.
Габариты аппаратов термообработки угля в режиме пиролиза значительно меньше, чем в газогенераторном процессе, что позволяет размещать их непосредственно вблизи горелок котла, прямо транспортировать раскаленный полукокс к горелкам и далее в топку без предварительного охлаждения.
Предлагаемое техническое решение соответствует критерию «новизна», т.к. из уровня техники не известны технические решения с предложенной совокупностью существенных признаков.