УСТАНОВКА ДЛЯ СЖИГАНИЯ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА В ХИМИЧЕСКОМ ЦИКЛЕ С ГАЗИФИКАЦИЕЙ И ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ ЦИРКУЛИРУЮЩИХ ЧАСТИЦ ОКСИДОВ МЕТАЛЛА В КАЧЕСТВЕ ПЕРЕНОСЧИКОВ КИСЛОРОДА

Установка для сжигания твердого топлива в химическом цикле с газификацией и при использовании циркулирующих частиц оксидов металла в качестве переносчиков кислорода.
2
2
Полезная модель относится к теплоэнергетике и может быть использована в энергетических установках, работающих на твердом топливе с использованием новой технологии сжигания в химическом цикле с циркулирующими твердооксидными переносчиками кислорода, что дает возможность получения концентрированного потока углекислого газа (СО) для его последующего захоронения или утилизации. Суть этой технологии сводится к такой организации процесса горения, когда переносчиком кислорода к топливу является не воздух, а оксид металла (использование чистого кислорода сдерживается высокими затратами на его получение). При этом исключается необходимость сооружения дорогостоящих установок для улавливания CO из дымовых газов.
Известна установка для сжигания твердого топлива в химическом цикле с сепарацией диоксида углерода при использовании циркулирующих частиц оксидов металла в качестве переносчиков кислорода, содержащая окислительный реактор циркулирующего кипящего слоя, восстановительный реактор циркулирующего кипящего слоя, дожигатель углеродсодержащих твердых частиц с использованием в качестве окислителя части указанных оксидов металла и систему обеспечения циркуляции частиц оксидов металла между указанными реакторами, включающую сепарационное устройство для отделения полученных в окислительном реакторе частиц оксидов металла от отходящих газов [1] - прототип. Согласно [1] в восстановительном реакторе циркулирующего кипящего слоя предусмотрено непосредственное сжигание твердого топлива. При этом трудно обеспечить оптимальные условия перемешивания топливных частиц с окислителем, что приводит к необходимости существенного увеличения размеров и металлоемкости восстановительного реактора, по сравнению с его аналогичными характеристиками при сжигании газообразного топлива, а также к увеличению связанных с повышенным расходом топлива эксплуатационных затрат.
Достигаемым результатом полезной модели является уменьшение капитальных и эксплуатационных затрат.
Указанный результат обеспечивается тем, что установка для сжигания твердого топлива в химическом цикле с сепарацией диоксида углерода при использовании циркулирующих частиц оксидов металла в качестве переносчиков кислорода, содержащая окислительный реактор циркулирующего кипящего слоя, восстановительный реактор циркулирующего кипящего слоя, дожигатель углеродсодержащих твердых частиц с использованием в качестве окислителя части указанных оксидов металла, и систему обеспечения циркуляции частиц оксидов металла между указанными реакторами, включающую сепарационное устройство для отделения полученных в окислительном реакторе частиц оксидов металла от отходящих газов, согласно полезной модели дополнительно содержит газификатор твердого топлива с линиями отвода синтез-газа и твердых продуктов газификации, а сепарационное устройство выполнено двухступенчатым, включая последовательно расположенные сепаратор первой ступени с линией отвода более тяжелых частиц, представляющих собой, в основном, оксиды металла, и сепаратор второй ступени с линией отвода более легких частиц, представляющих собой смесь частиц оксидов металла с золой, причем линия отвода синтез-газа от газификатора соединена с восстановительным реактором, линия отвода твердых продуктов газификации - с дожигателем, линия отвода частиц от сепаратора первой ступени - с восстановительным реактором, а линия отвода частиц от сепаратора второй ступени - с газификатором. При этом дожигатель дополнительно может быть снабжен линией подвода кислорода.
На чертеже приведена принципиальная схема установки согласно полезной модели. Установка содержит окислительный (воздушный) реактор 1 циркулирующего кипящего слоя, восстановительный реактор 2 циркулирующего кипящего слоя, дожигатель 3 углеродсодержащих твердых частиц, газификатор 4 твердого топлива с топливным бункером 5, линией 6 отвода синтез-газа и линией 7 отвода твердых продуктов газификации. Установка содержит также сепарационное устройство, которое выполнено двухступенчатым, включая последовательно расположенные сепаратор 8 первой ступени с линией 9 отвода
более тяжелых частиц, представляющих собой, в основном, оксиды металла (железа), и соединенный линией 10 с сепаратор 11 второй ступени с линией 12 отвода более легких частиц, представляющих собой смесь частиц оксидов железа с золой. При этом линия 6 отвода синтез-газа от газификатора 4 соединена с восстановительным реактором 2, линия 7 отвода твердых продуктов газификации - с дожигателем 3, линия 9 отвода частиц от сепаратора 8 первой ступени - с восстановительным реактором 2, а линия 12 отвода частиц от сепаратора 11 второй ступени - с газификатором 4. Дожигатель 3 снабжен линией 13 подвода кислорода. Система обеспечения циркуляции частиц оксидов железа между реакторами 1 и 2 включает линию 14 отвода от окислительного реактора 1 продуктов реакции окисления к сепаратору 8, линию 9 отвода от него твердых частиц к восстановительному реактору 2, линию 15 отвода от последнего восстановленных частиц оксидов железа к газификатору 4, линию 7 отвода из последнего твердых продуктов газификации, включая частицы частично восстановленных частиц оксидов железа, к дожигателю 3 и линию 16 отвода восстановленных частиц оксидов железа к окислительному реактору 1.
2
Установка согласно полезной модели работает следующим образом. Перед пуском установки в реакторы 1, 2 и в газификатор 4, а также в линии 9 и 12 отвода твердых частиц из сепараторов 8 и 11 загружается определенное количество оксидов железа - переносчиков кислорода. В окислительный реактор 1 подается предварительно подогретый, например, от электронагревателя (на чертеже не показан) воздух. В газификатор 4 подается пар от постороннего источника, а в дожигатель 3 - пар или СО. Производится разогрев реакторов 1 и 2 и системы циркуляции горячим воздухом. Устанавливается режим циркуляции оксидов железа. При достижении заданной температуры (не менее 700°С) в газификатор 4 из бункера 5 подают твердое топливо. При этом в газификаторе 4 и реакторах 1, 2 происходят следующие основные реакции:
Газификатор:
2
3
4
2
3Fe+4НO=FeO+4Н;
2
2
С+НO=СО+Н;
2
2
2
СО+НO=Н+СO;
3
4
3
3
FeO+С=CO+FеО+Fe;
2
3
FеО+С=2FeO+СО;
FeO+С=СО+Fe.
Восстановительный реактор:
2
3
2
FеO+СО=2Fe+2СO;
2
3
2
2
FеO+Н=2Fе+2НO;
Окислительный реактор:
3
4
2
2
3
4FеO+O=6FеO
Дожигатель:
2
2
С+O=СO
2
3
2
2
3
4
2
4
2
3
2
2
2
При относительно небольшом времени пребывания переносчиков кислорода в реакторах 1,2 и газификаторе 4 указанные реакции происходят не полностью. Поэтому из окислительного реактора 1 в сепаратор 8 первой ступени поступает смесь различных оксидов, преимущественно в виде FеO, азот воздуха, водяные пары и небольшое количество кислорода (избыток воздуха в окислительном реакторе α=1,2); из восстановительного реактора 2 по газовой фазе выходит СO с парами воды, а по твердой фазе - преимущественно Fe и оксиды в виде FeO; из газификатора 4 в восстановительный реактор 2 поступают продукты газификации в виде СО и Н, а также пары воды и унос мелких частиц непрореагировавшего углерода и оксидов железа, а в дожигатель 3 отводится в основном FеO в смеси с другими оксидами, недогоревший углерод топлива и зола; из дожигателя в окислительный реактор 1 поступает смесь FеO и FеO, отводится - зола и СO. В газификаторе 4 реакции происходят с отводом тепла (эндотермические), и температура в нем поддерживается на уровне 500-700°С, в основном, за счет циркуляции по линии 12 твердых частиц с высокой температурой. Частицы по этой линии поступают из сепаратора 11 второй ступени. Они представляют собой наиболее мелкие частицы оксидов железа (как правило, с большей реакционной способностью) и мелкую золу топлива. В восстановительном реакторе 2 происходит восстановление оксидов железа продуктами газификации (в основном СO и Н); эти реакции слабо эндотермические или экзотермические, то есть выделения или поглощения тепла
2
2
2
почти не происходит с учетом сравнительно небольшого времени пребывания частиц в реакторах. В реактор 2 поступают уловленные в сепараторе 8 первой ступени оксиды железа практически без золы топлива, так как размеры частиц золы и их плотность существенно меньше, чем оксидов железа. Циркуляция частиц оксидов железа по всему контуру обеспечивается подачей смеси частиц оксидов, непрореагировавшего углерода и золы топлива по линии 7 в дожигатель 3 и затем по линии 16 в окислительный реактор 1. В дожигателе 3 путем подачи кислорода 13 углерод превращается в СO с выделением тепла. Этот поток газа невелик, так как доля непрореагировавшего углерода мала. Из дожигателя 3 отводится зола с частицами оксидов железа, причем после охлаждения частицы оксидов отделяются от золы и возвращаются в цикл. В окислительный реактор 1 поступают частицы оксидов по линии 16 и воздух, в результате чего происходит экзотермическая реакция с большим выделением тепла, которое необходимо отвести, например, к кипящей воде ограждения окислительного реактора 1. Последний работает в режиме циркулирующего кипящего слоя с большой скоростью газов. Поток газов, выходящий из окислительного реактора, содержит преимущественно азот с парами воды и кислород при небольшом избытке воздуха, по сравнению со стехиометрическим соотношениям по реакциям окисления оксидов, а также частицы мелкой золы топлива и оксидов железа. Этот поток газов поступает в сепаратор 8 первой ступени, где отделяются в основном более крупные частицы оксидов, и далее в сепаратор 11 второй ступени для отделения мелких частиц оксидов и золы. После этого сепаратора очищенный газ может быть использован в цикле парогазовой установки или поступать в котел-утилизатор. Таким образом, происходит замкнутый цикл движения оксидов железа и разделение потоков газов на азот и СО с парами воды, которые легко отделяются при конденсации. В энергетических установках оба потока газов могут быть использованы в отдельных газовых турбинах, после которых устанавливаются котлы-утилизаторы парогазовых установок со своими паровыми турбинами. Тепло, отведенное в окислительном реакторе 1, используется для производства пара, направляемого в паровые турбины. Отработанный в газовой турбине поток СО после охлаждения в котле-утилизаторе
и конденсации паров воды поступает на сжатие (возможен привод от газовой турбины) с последующим захоронением. Установка работает под избыточным давлением и содержит соответствующие затворы для предотвращения перемешивания сжижающих агентов (воздух в окислительном реакторе 1, синтез-газ - в восстановительном реакторе 2, водяной пар - в газификаторе 4 и дожигателе 3) и получения чистых поток углекислого газа. Наиболее эффективно применение данной установки при температурах в ее элементах 500-900°С и давлении 0,6-3 МПа.
Применение газификатора 4 позволяет обеспечить частичную газификацию и паровую конверсию твердого топлива с одновременным обогащением потока газов водородом в результате реакций с оксидами железа. В результате восстановительный реактор 2 работает как реактор на газообразном топливе, что, по сравнению с [1], создает наилучшие условия перемешивания и реагирования топлива с кислородом, обеспечивающие соответствующее снижение размеров реактора и его металлоемкости, а также сокращает расход топлива за счет уменьшения его недожога. Поступление в восстановительный реактор 2 только оксидов железа без частиц золы топлива за счет двухступенчатой схемы сепарации частиц также способствует эффективности процесса реагирования (уменьшение потока инертного материала через реактор), что снижает эксплуатационные затраты. Дополнительный поток частиц оксидов железа из сепаратора 11 второй ступени способствует повышению температурного уровня в газификаторе 4 с учетом протекающих в нем эндотермических реакций и выравниванию температур во всем контуре циркуляции. При этом мелкие частицы золы не проходят через восстановительный реактор 2, а поступают в газификатор 4, в который также подводится весь поступающий с топливом поток золы. В результате, по сравнению с [1], существенно уменьшаются как капитальные, так и эксплуатационные затраты.
Источники информации:
1. Е. Lebas, Chemical Looping Combustion, ENCAP - CASTOR Workshop, Billund, 15 March, 2006.