СПОСОБ КОМПЛЕКСНОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ТВЕРДЫХ ТОПЛИВ В ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВКАХ КОМБИНИРОВАННОГО ЦИКЛА С СОВМЕСТНЫМ ПРОИЗВОДСТВОМ ЭНЕРГИИ И ПОБОЧНОЙ ТОВАРНОЙ ПРОДУКЦИИ В ВИДЕ ЖИДКИХ И ТВЕРДЫХ ТОПЛИВ С УЛУЧШЕННЫМИ ПОТРЕБИТЕЛЬСКИМИ СВОЙСТВАМИ
METHOD OF MULTIPURPOSE SOLID FUEL USE AT COMBINED CYCLE POWER PLANTS WITH COGENERATION OF POWER AND SECONDARY END PRODUCTS IN FORM OF LIQUID AND SOLID FUELS WITH IMPROVED CONSUMER PROPERTIES

Изобретение относится к способу экологически чистого комплексного использования низкосортных высокореакционных углей (бурых и каменных с высоким выходом летучих) в экологически чистых энергетических установках комбинированного цикла с высокой тепловой экономичностью путем многостадийного процесса переработки, включающего высокоскоростной пиролиз углей с выделением смол и газификацию полукокса, и может быть использовано в энергетике для совместного производства энергии и побочных товарных продуктов в виде облагороженного твердого, жидкого котельного и высокочистых синтетических моторных топлив.
Известен способ внутрицикловой термической переработки бурых углей методом термоконтактного коксования путем пиролиза твердым теплоносителем под низким давлением с получением тепловой и электрической энергии в парогазовой установке и побочного продукта в виде активированного угля из полукокса (патент РФ № RU 2211927).
Недостатками данного способа являются:
- Проведение процесса пиролиза и газификации полукокса при давлении, близком к атмосферному, что увеличивает габариты и стоимость установки и затрудняет эффективную интеграцию с парогазовым циклом.
- Трудность достижения однородного перемешивания угля с твердым сыпучим теплоносителем для крупных промышленных установок.
- Большое количество и длина технологических связей для передачи сыпучего материала (полукокса, горячего теплоносителя) от агрегата к агрегату, что усложняет эксплуатацию и снижает надежность системы.
- Производство только одного побочного продукта - активированного угля, емкость рынка для которого может быть ограничена, что определяет единичную мощность и потребность в подобных установках.
Наиболее близким к предлагаемому в данном изобретении способу является известный способ использования высокосернистых зольных топлив в парогазовых установках (ПГУ), заключающийся в том, что все потребляемое ПГУ топливо подвергают газификации путем частичного окисления при температурах от 1000 до 1500°С под давлением сжатого горячего воздуха, часть которого отбирают за компрессором высокого давления ПГУ. Полученный низкокалорийный газ охлаждают, используя энергию для генерации водяного пара, служащего рабочим телом паровой турбины ПГУ, затем очищают от твердых частиц и соединений серы и сжигают очищенный газ в парогазовых установках (В.М.Масленников, С.А.Хримтианович и др.: авт. свид. СССР №263064, МПК C10B, Int. C1. F23C, патенты England №1104075, USA №3287902.. от 29.11.1966, FRG №1285088 от 25.01.1965, France №1427256, Japan №916736 - прототип).
Данный способ получил широкое признание в мире под названием «Технология внутрицикловой газификации» в отечественной технической литературе и integrated gasification combined cycle (IGCC) в зарубежной и вышел на стадию коммерческой реализации в ряде западных стран. Недостатком данного способа является то, что органическая масса топлива целиком конвертируется в низкокалорийный газа, без извлечения побочных продуктов, а полученный очищенный газ с достаточно высоким содержанием водорода и окиси углерода используют только для производства электроэнергии, хотя мог бы использоваться для каталитического синтеза ценных продуктов. Кроме того, несмотря на возможность достижения высокого КПД и высоких экологических стандартов, как показывает мировой опыт, сроки окупаемости инвестиций при производстве одной только электроэнергии относительно велики, что связано со сложностью и высокой капиталоемкостью оборудования для газификации и очистки газов.
Предлагаемое изобретение решает указанную техническую задачу, обеспечивая совместно с производством энергии возможность получения побочных товарных продуктов с высоким рыночным потенциалом и тем самым существенное улучшение технико-экономических показателей и гибкости к изменениям рыночной конъюнктуры.
Поставленная техническая задача решается тем, что: в способе экологически чистого комплексного использования твердых топлив, преимущественно низкосортных высокореакционных углей (бурых и каменных с высоким выходом летучих), интегрированном в тепловой цикл парогазовой энергетической установки с целью совместного производства низкокалорийного очищенного газа для генерации энергии и побочных товарных продуктов в виде облагороженного твердого, жидкого котельного и высокочистых синтетических моторных топлив, включающем парогазовую энергетическую установку (ПГУ), дробление и сушку угля, окислительную газификацию с получением низкокалорийного генераторного газа с утилизацией тепла экзотермических реакций в цикле энергетической установки, очистку газа от твердых частиц и соединений серы и использование очищенного газа в качестве топлива парогазовой энергетической установки, часть воздуха после компрессора высокого давления ПГУ используют для трехступенчатого противоточного процесса термохимической переработки угля, в котором в первой ступени подсушенный и измельченный исходный уголь подвергают пиролизу за счет тепла продуктов газификации, поступающих из второй ступени, с образованием продуктов пиролиза в виде паров угольных смол и пирогаза, которые выводят из первой ступени вместе с продуктами газификации с последующим выделением жидких смол для получения побочных продуктов и очищенного энергетического газа для производства энергии в ПГУ, и полукокса, который направляют на переработку во вторую ступень путем окислительной газификации смесью воздуха и продуктов сгорания, поступающей из третьей ступени, полученный генераторный газ направляют в первую ступень на пиролиз, угольную золу, содержащую сульфиды металлов с остатками углерода, подвергают дожиганию в третьей ступени с использованием в качестве окислителя части воздуха из компрессора высокого давления ПГУ, в результате чего догорает углерод, при этом сульфиды металлов окисляют до экологически безопасных сульфатов, охлаждают и выводят из цикла золу с утилизацией физического и химического тепла в процессе газификации полукокса второй ступени, для интенсификации процессов газификации и пиролиза, а также для увеличения выхода жидких фракций во всех ступенях переработки используют технологию кипящего и циркулирующего кипящего слоя, очистку парогазовой смеси, полученной после трехступенчатой переработки угля, содержащей пары угольных смол, частицы золы и полукокса, осуществляют с охлаждением газа и конденсацией паров угольных смол путем двухстадийной промывки жидкими смолами, циркулирующими после промывки через теплообменники - охладители с различными уровнями температур при промывке, при этом в первой по ходу парогазовой смеси стадии при более высокой температуре конденсируют и извлекают более тяжелые фракции смол вместе с основной частью уловленных твердых частиц, которые направляют для использования в качестве связующего при производстве угольных брикетов, а во второй стадии, при более низкой температуре, конденсируют и извлекают более легкие и чистые фракции угольных смол, которые используют в качестве основы для производства жидких котельных топлив, при этом тепло от конденсации смол и охлаждения парогазовой смеси утилизируют в паротурбинном цикле ПГУ.
На фиг.1 и 2 представлены принципиальные схемы, поясняющие сущность предложенного способа комплексного использования низкосортных углей в энергетике.
Схема на фиг.1 включает блок подготовки угля (дробление, сортировка, сушка) 1, шлюз-бункерную систему подачи дробленого угля 2 в реактор многостадийной переработки угля 3, работающий под давлением, шлюз-бункерную систему вывода золы 4 из реактора, двухкаскадную систему фракционной конденсации смол пиролиза: 5 - тяжело-средних фракций с температурой начала кипения выше 320-350 С, 6 - легко-средних фракций с температурой начала кипения ниже 320 С, систему очистки газа от соединений серы 7, газотурбинную установку с цикловым воздушным компрессором 8 и бустерным (подкачивающим) компрессором 9, камерой сгорания 10, газовой турбиной 11, электрогенератором 12, паровую турбину 13, котел-утилизатор тепла выхлопных газов ГТУ 14, блок брикетирования 15, блок стабилизации и кондиционирования жидкого котельного топлива 16, блок каталитического синтеза 17.
Работа системы осуществляется следующим образом:
Дробленый и подсушенный до гигроскопической влажности уголь из системы углеподготовки 1 через шлюз-бункерную систему подачи 2 поступает в комбинированный реактор пиролиза-газификации 3. Реактор включает в себя 3 ступени в одном агрегате: пиролиза, газификации, дожигания. Каждая может осуществляться в кипящем или в циркулирующем кипящем слое. Уголь из шлюз-бункеров поступает в ступень пиролиза, греющей и псевдоожижаюшей средой в которой, главным образом, являются продукты газификации полукокса. Пиролиз идет при температурах 570-620°С (температура зависит от свойств конкретного угля). Паро-газовая фаза продуктов пиролиза смешивается с псевдоожижающим газом и выводится из реактора 3 в систему фракционной конденсации 5-6. Твердая фаза - полукокс в плотном потоке - при указанной температуре полностью или частично поступает в ступень газификации. Предусматривается возможность дозирования в ступень газификации кальциевого сорбента для поглощения серы. Минеральная часть угля с остатками полукокса от газификации поступает в ступень дожигания, где оставшийся углерод дожигают в воздухе. В качестве окислителя и псевдоожижающей среды используют сжатый в компрессоре ГТУ 8 и в бустерном компрессоре 9 воздух, подогретый за счет сжатия до температуры 300-400°С. Продукты сгорания вместе с воздухом являются окислителем и псевдоожижающей средой ступени газификации. Зольный остаток из ступени дожигания представляет собой смесь окислов, не содержащую сульфидов и не образующую токсичных стоков при захоронении в отвалах. Вывод золы из реактора осуществляют через шлюз-бункерную систему 4.
Парогазовую смесь из реактора выводят через систему циклонных сепараторов для отделения основной массы твердых частиц. Отсепарированные частицы возвращают в ступень газификации. Парогазовую смесь промывают жидкой смолой пиролиза в контактных конденсаторах 5 и 6. Каждый из них представляет собой скруббер с циркуляционным контуром, включающим насосы для прокачки смолы в контуре, теплообменники для охлаждения смолы и орошающие устройства для организации эффективного прямого контакта капель с парогазовой смесью. Парогазовая смесь движется снизу вверх, контактируя с каплями охлажденной смолы, движущимися под действием силы тяжести противотоком. При этом на поверхности капель происходит конденсация паров смолы. Параллельно осуществляется очистка газа от твердых частиц. В теплообменнике конденсатора 5 тепло передают на генерацию насыщенного пара с давлением около 1,2 МПа и температурой 320°С для паровой турбины ПГУ. При этом конденсируются тяжелые фракции смол с ТНК выше 320°С. Эти фракции, загрязненные золой и частицами кокса, выводят из контура в блок производства угольных брикетов 15, где их используют в качестве связующего.
В теплообменнике конденсатора 6 охлаждающей средой служит питательная вода паротурбинного цикла с температурой 120-150°С. В нем конденсируются легкие и средние фракции смол пиролиза, которые выводят из контура в блок производства жидкого котельного топлива 16, где производят дегазацию смол и их стабилизацию.
После конденсаторов, если это необходимо, газ подвергают очистке от сероводорода и других соединений серы в системе сероочистки 7. Наиболее целесообразно для этого использовать хемосрбционный процесс типа процесса Стретфорда, где сорбентом служит раствор поташа в воде. Очистку производят при температуре в абсорбере около 120°С, при которой не происходит конденсации водяных паров, и в результате не образуются жидкие стоки, очистка которых требует дополнительных затрат.
Очищенный газ поступает либо непосредственно на сжигание в камеру сгорания 10 газотурбинной установки ПТУ, либо сперва в блок однопроходного каталитического синтеза метанола (диметилового эфира, бензина) 17, отработанный синтез-газ после которого поступает на сжигание в камеру сгорания ГТУ 10.
Предлагаемый способ обеспечивает эффективное использование физического и химического тепла топлива и энергии избыточного давления газовых потоков в цикле парогазовой установки.
На фиг.2 представлен пример реализации предлагаемого способа организации процессов пиролиза-газификации в кипящем слое, в котором 3 стадии процесса: пиролиз угля, газификация полукокса и дожигание коксового остатка с окислением сульфидов, скомпонованы в общем силовом корпусе и осуществляют в трех кипящих слоях, расположенных последовательно по ходу газа с общим противотоком по отношению к потоку угля.
Режимы псевдоожижения выбирают оптимальными для каждой ступени. Преимущества использования технологии кипящего слоя:
- Высокая интенсивность тепло-массообмена частиц с газом обеспечивает условия для организации высокоскоростного пиролиза угля, приближающиеся к условиям термоконтактного коксования, а следовательно, хороший выход смол легких фраций.
- Высокая скорость перемешивания частиц по высоте слоя обеспечивает минимальную неоднородность по составу, что благоприятствует эффективной работе сорбентов сероочистки.
- Возможность регулирования в широких пределах времени пребывания твердой и газовой фазы в каждой ступени.
Способ реализуют следующим образом (фиг.2):
Уголь, подсушенный до гигроскопической влажности, молотый до размера частиц минус 2 мм, через шлюз-бункер 1 поступает в кипящий слой ступени пиролиза 2. Псевдожижающей средой являются продукты газификации полукокса, поступающие снизу через газораспределительную решетку с температурой от 1000 до 1200°С, содержащие водород, окись углерода, азот, водяной пар и двуокись углерода и, практически не содержащие кислорода. Частицы угля попадают в кипящий слой, быстро перемешиваются с разогретым полукоксом и разогреваются со скоростью несколько тысяч град./с, в основном за счет столкновений с горячими частицами. Выбор объема данной секции, высоты кипящего слоя скорости и температуры газа на входе производят таким образом, чтобы средняя температура в слое составляла 570-620°С (зависит от типа угля), время пребывания парогазовой смеси в секции составляла около 0,8-1 с, время пребывания твердой фазы в слое, необходимое для требуемой степени выгазовывания - несколько минут.
В процессе быстрого разогрева и выделения пирогаза частицы подвергаются дальнейшему измельчению за счет повышения давления во внутренних порах. Продукты пиролиза выводят из реактора через сепаратор частиц 9 в систему конденсации смол.
Высоту слоя поддерживют постоянной за счет выгрузки избыточного полукокса в ступень газификации через канал 3. Уловленную мелкую фракцию частиц направляют в ступень газификации полукокса через специальный канал ПК.
3
В ступени газификации полукокса 4 происходит окислительная газификация полукокса в кипящем слое. Окислителем и псевдоожижающей средой служит горячий воздух с добавкой водяного пара и продуктов сгорания кокса из нижней ступени реактора. Процесс газификации путем частичного окисления полукокса происходит при средней температуре кипящего слоя 800-850°С. Количество окислителя при этом должно составлять около 33-36% от стехиометрического расхода. В результате производится генераторный газ с теплотой сгорания около 1300 ккал/нм. Высоту слоя и время пребывания частиц в кипящем слое выбирают таким образом, чтобы степень конверсии органической массы частиц в газ составляла не менее 95%, что зависит от реакционной способности угля. Выше уровня кипящего слоя организуют дополнительный ярус подвода воздуха. При сгорании в нем части генераторного газа температура перед газораспределительной тарелкой ступени пиролиза 2 повышается до 1000-1200°С. При этом выгорает значительная часть мелкодисперсных частиц кокса, уносимых потоком газа из кипящего слоя. В установившемся процессе в составе материала кипящего слоя ступени газификации 4 преобладает минеральная часть угля, в то время как концентрация кокса не превышает 5-6% от общей массы частиц в слое.
Содержащаяся в угле сера превращается в процессе газификации, главным образом, в сероводород, а металлы минеральной части угля - в сульфиды, которые при захоронении золы в золоотвалах могут загрязнять подпочвенные воды токсичными соединениями. Поэтому перед выводом золы из установки, она должна быть подвергнута окислительной переработке с целью превращения сульфидов в безвредные сульфаты.
Для этого, а также для более полного использования углерода топлива сыпучую массу из ступени газификации 4 по каналу перегрузки 5 пересыпают в нижнюю часть кипящего слоя дожигания 6. Окислителем и псевдоожижающей средой служит горячий (порядка 400°С) воздух, поступающий через газораспределительную тарелку. Окисленную золу выводят через канал выгрузки золы 7, в который противотоком подают воздух и пар. Количество воздуха и пара подбирают таким, чтобы окончательное выгорание кокса и охлаждение золы происходило в плотном потоке. Продукты сгорания кокса, смешиваясь с воздухом, движутся вверх и через газораспределительную тарелку кипящего слоя 4 поступают в кипящий слой газификации полукокса.
Все каналы перегрузки сыпучих материалов: ПК, 3, 5, 7, должны иметь уровень плотной фазы, который служит в качестве гидрозатвора, препятствующего прорыву газа через канал. Высоту указанного уровня регулируют так, чтобы вес столба твердой фазы был достаточен для преодоления перепада давлений газа между соответствующими тарелками или иными газораспределительными устройствами, обеспечивая непрерывное перетекание сыпучей массы. Расстояние между слоями по высоте должно выбираться с учетом данного требования.
Каналы перегрузки в высокотемпературной зоне должны быть теплоизолированы, при необходимости снабжены устройствами для охлаждения.
Преимущества данного предложения состоят в том, что:
- Добавление блоков брикетирования угля и каталитического синтеза жидких углеводородов обеспечивает возможность производства широкой гаммы товарных продуктов совместно с энергией: жидких котельных топлив на базе легких фракций угольных смол, бытовых и промышленных угольных брикетов, пригодных для дальней транспортировки, и синтетических моторных топлив, в результате чего существенно повышаются технико-экономические показатели и гибкость к колебаниям рыночной конъюнктуры.
- Объединение ряда стадий (пиролиза, газификации, дожигания остатков) в одном агрегате с общим силовым корпусом исключает длинные технологические коммуникации для передачи сыпучей фазы между агрегатами и сокращает потери тепла в окружающую среду. При этом твердая фаза перемещается от ступени пиролиза к последующим ступеням газификации полукокса и дожигания остаточного углерода сверху вниз, а парогазовая фаза противотоком снизу вверх, обеспечивая требуемые режимы псевдоожижения, частичного окисления и быстрого подогрева частиц угля для пиролиза. В результате может быть достигнута максимальная эффективность использования топлива.