Установки высокотемпературной газификации и сжигания твердого топлива

Отечественные тепловые электростанции, в основном, ориентируются на использование низкосортных углей. В топливный баланс ТЭС зачастую включаются отходы углеобогатительных предприятий. К тому же качественные характеристики практически всех марок углей в последние десятилетия ухудшаются. Продолжают накапливаться экологически небезопасные твердые отходы, часто являющиеся, вместе с тем, ценным сырьем для сопутствующих производств. При существующем уровне техники из углей экономически оправдано извлекать следующие элементы: алюминий, кремний, железо, магний, ванадий, молибден, титан и др. Поэтому приоритетной задачей является комплексное использование твердого топлива, т.е. как органической, так и минеральной частей, при определяющей роли оборудования ТЭС в формировании условий для эффективной и экологичной работы всего комплекса.

К технологиям комплексного использования твердого топлива на безотходных экологически чистых ТЭС является установка газификации угля в аэрошлаковом расплаве [36, 37]. При такой технологии в нижней части топки котла устанавливается камера расплава, в которую непрерывно подается твердое топливо, минеральная часть которого в этой камере расплавляется за счет тепла, получаемого при барботаже окислителя через слой топлива-расплава. Кислорода на барботаж подается в количестве необходимом для газификации части углерода, поддержания температуры в камере и расплавления поступающего в нее топлива. Остальная часть углерода с пузырьками генераторного газа поднимается в верхний слой расплава, где газифицируется направленными струями окислителя. В результате над расплавом образуется низкокалорийный генераторный газ, который может дожигаться в топочном объеме котла при работе на номинальной нагрузке или при снижении нагрузки отделяться и направляться на установку для приготовления и транспортировки внешним потребителям. Таким образом, камера расплава работает в постоянном, оптимальном для нее режиме.

В камеру расплава можно подавать добавки, связывающие вредные оксиды в устойчивые и полезные химические соединения. Например, известняк для связывания серы и обеспечения определенных вязкостных характеристик расплава. При рациональном использовании термических процессов в камере организуется разделение расплавленного шлака по физико-химическому составу в зависимости от температуры плавления и плотности веществ, из которых можно наладить изготовление товарной продукции в виде строительных материалов или обогащенного сырья для других производств. Обязательность проведения высокотемпературной термической обработки топлива на ТЭС дает возможность полезно использовать ее в технологии изготовления товарной продукции. Например, можно производить шлакощебень, шлакоситаллы и другую более ценную продукцию.

Технологическая схема установки с высокотемпературной газификацией топлива в аэрошлаковом расплаве представлена на рис. 12.5. Эта технология включает следующие элементы: систему подачи топлива и флюса 4, 9; котел 5 с камерой-газификатором 12; кислородную станцию; систему подготовки и подачи дутья; устройства переработки шлака в товарную продукцию; устройство приема и брикетирования полиметаллических отходов; узел подачи природного газа, необходимого для пуска и резерва; систему технического водоснабжения.

Рис. 12.5.Технологическая схема котла с высокотемпературной газификацией твердого топлива: 1 – выход легкого шлака; 2 – кислородное дутье через фурмы; 3 – подвод воздуха через сопла; 4 – подвод топлива; 5 – топка с объемным сжиганием генераторного газа; 6 – барабан; 7 – пароперегреватели; 8 – уходящие газы; 9 – подвод извести; 10 – выход тяжелых шлаков; 11 – выход средних шлаков; 12 – камера с расплавом шлака

Топливо и флюс со склада по транспортному тракту топливоподачи направляются в бункер сырого угля, а затем без дополнительной подготовки (металлоулавливания, дробления, размола и др.) подаются в камеру-газификатор 12 по линиям 4, 9. Кислород к фурмам 2 подводится под давлением примерно 0,3 МПа. Уголь в камере благодаря высокой температуре подвергается термическому разрушению и за счет барботажа в ванне равномерно распределяется по сечению. В результате в камере создаются идеальные условия тепломассообмена, обеспечивающие высокую эффективность процесса газификации угля. Теплота сгорания образующегося генераторного газа составляет 6,0…12,0 МДж/кг, что позволяет дожигать его в топке котла при умеренных температурах факела. Дожигание газов производится в среде горячего воздуха, подводимого в топку котла 5 через сопла 3.

В камере-газификаторе шлак претерпевает сложные физико-химические превращения с восстановлением металлов и накоплением их в донной части камеры. Этот, так называемый тяжелый шлак 10, представляет собой чугун, или ферросилиций, в котором достигаются относительно высокие концентрации цветных и редкоземельных металлов (полиметаллоконцентрат), что делает эффективной дальнейшую переработку данного ценного сырья на предприятиях черной и цветной металлургии.

Тяжелый шлак из камеры периодически сливается в изложницы разливочной машины, где охлаждается и затем направляется в виде отдельных заготовок на склад готовой продукции. Легкий 1 и средний 11 шлак, состоящий из оксидов кремния, кальция, алюминия, магния, натрия, калия, сливается из верхней части камеры и направляется на дальнейшую переработку в товарную продукцию.

В котле применяется трехступенчатая подача окислителя, которая позволяет на уровне второго и третьего ярусов создавать вихревое движение взаимопересекающихся потоков смеси генераторного газа и воздуха. При этом создается любая аэродинамика в плоскости подачи струй окислителя. В нижней зоне топки котла (на расстоянии примерно 0,01 общей высоты) осуществляется окисление основной массы топлива (70…90%) при избытке воздуха, близком к 1,0. На выходе из зоны активного горения организуется вторая зона, в которую подается вторичное топливо (30…10%) в виде генераторного газа от камеры-газификатора с таким расчетом, чтобы суммарный избыток воздуха в ней составлял = 0.9…0.95. В результате на выходе из второй зоны образуется восстановительная газовая среда, содержащая продукты химического недожога топлива, где происходит разложение оксидов азота, выходящих с дымовыми газами, и образуется молекулярный азот. В третью зону (вторичную зону дожигания, граничащую с зоной охлаждения) подается третичный воздух для дожигания продуктов химического и механического недожога топлива. Таким образом, обеспечивается обезвреживание уходящих газов котла от оксидов азота.

Основные преимущества технологии газификации угля в барботируемом кислородным дутьем аэрошлаковом расплаве:

- возможность использования любых низкосортных и непроектных углей независимо от их марки и качества;

- реализация максимальной концентрации технологического процесса в условиях идеального смешивания жидких, твердых и газообразных компонентов;

- безотходность по золошлакам, которая обеспечивается переводом практически всей минеральной части топлива в расплав и возможностью корректировки его состава с целью вторичной переработки;

- восстановление и вывод из расплава черных и цветных металлов;

- высокая экологическая чистота производства электроэнергии (по твердым отходам – 50 мкг/м³, по выбросам оксидов азота – 100 мкг/м³, что обеспечивает снижение относительно традиционных котельных установок выбросов оксидов серы на 30 % и оксидов углерода на 10 %);

- возможность регулирования перехода сернистых соединений в газообразную (уходящие газы) или жидкую (шлаки) фазы изменением количества подаваемого в расплав известняка и таким образом, связывания шлаком до 90 % серы топлива;

- отсутствие громоздких систем топливоприготовления, пылеподачи, золоочистки и золоотвала;

- производство товарной продукции из дефицитных попутных газов от кислородной станции (азот, аргон и др.);

- высокая экономическая эффективность основного производства за счет расширения ассортимента реализуемой продукции из минеральной части топлива;

- возможность осуществления более эффективного объемного сжигания генераторного газа в топке котла.

В настоящее время такая технология использования твердого топлива разработана в НИИ «Экологические проблемы энергетики» (г. Ростов-на-Дону) для опытно-промышленной установки электрической мощностью 100 МВт для Несветай ГРЭС [42]. Котел изготовлен на ТКЗ «Красный котельщик», камера-газификатор – в НПО «АЛГОН». Котел опытно-промышленной установки имеет следующие характеристики: давление пара – 10 МПа, температура – 510 ⁰С, паропроизводительность – 220 т/ч, удельный расход топлива марки АШ – 0,482 кг.у.т./кВт.

Тепловая эффективность использования низкосортных углей при такой технологии газификации возрастает в случае применения более экономичных тепловых схем и термодинамических циклов. Например, при сверхкритических параметрах пара, при внутрицикловой газификации твердого топлива под давлением и использовании генераторного газа в газотурбинных установках, при термоэмиссионной надстройке над ПГУ экономичность цикла возрастает до 70…80%.