На правах рукописи

Сучков

сергей иванович

РАЗРАБОТКА

энергетической ТЕХНОЛОГИИ

ГАЗИФИКАЦИИ ТВЕРДОГО Горючего

Специальность: 05.14.14 – «Тепловые электронные станции,

их энерго системы и агрегаты»

Автореферат диссертации

на соискание ученой степени

доктора технических наук

Москва 20111

Работа выполнена в ОАО «Всероссийский два раза ордена Трудового Красноватого

Знамени теплотехнический научно-исследовательский институт»

(ОАО «ВТИ»)

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, доктор Рыжков Александр Филиппович;

доктор технических наук, доктор Сергеев Станислав Петрович.

доктор технических наук Степанов Сергей Григорьевич;

Ведущая организация – Энергомашиностроительный союз

ОАО «ЭМАльянс».

Защита состоится « 15 » декабря 2011 года в « 14.00 » часов на

заседании диссертационного совета Д 222.001.01 при ОАО «Всероссийский

теплотехнический научно-исследовательский институт» по адресу: 115280,

Москва, ул. Автозаводская, 14/23.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке

Всероссийского теплотехнического научно-исследовательского института.

Автореферат диссертации разослан « » 2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета,

кандидат технических наук / П. А. Березинец/

ОБЩАЯ Черта РАБОТЫ

В Рф ~ 70% оборудования ТЭС выработало срок эксплуатации и устарело. Нужна массовая его подмена с внедрением новых современных технологий производства электроэнергии и тепла. Перспективно для этого использовать угольные технологии, так как доступные для разработки месторождения угля, содержащие 36% его глобальных припасов, обеспечат энергетику страны на века.

Посреди новых угольных технологий, коммерческое распространение которых реально в наиблежайшей перспективе, высочайшим экономическим и экологическим потенциалом владеют установки комбинированного парогазового цикла с газификацией угля. В текущее время парогазовые установки (ПГУ) освоены и интенсивно распространяются, в том числе в Рф, при использовании природного газа, но для использования их на угле нужно создание систем внутрицикловой газификации твердого горючего и чистки генераторного газа от механических примесей и вредных газовых компонент (ВЦГ). За рубежом уже сотворено несколько демо ПГУ с ВЦГ мощностью 100-300 МВт с применением в главном парокислородной газификации угольной пыли и влажной чистки генераторного газа. КПД этих ПГУ – 40-44 % (на природном газе подобные ПГУ имеют КПД 52-56 %). Тривиального коммерческого фуррора данное направление пока не имеет из-за больших удельных серьезных издержек (~2000 $/кВт) и пониженной готовности сложных систем с криогенным созданием кислорода. По-видимому, создание кислорода для ПГУ может непременно оправдать себя только при освоении в индустрии новых более дешевеньких и малогабаритных методов. Не случаем потому в ближайшее время в США и Стране восходящего солнца осуществляются разработки условно «упрощенных» технологий с паровоздушным дутьем в газогенераторы. Реальная разработка вначале нацелена на применение по способности обычных схемных и конструктивных решений при использовании паровоздушной газификации угля.

Цель работы

Поставлена задачка создать ординарную и надежную систему ВЦГ с сокращенным набором оборудования, которая при сохранении характерных ПГУ больших экономических и экологических характеристик обеспечит умеренную, коммерчески приемлемую удельную ее цена, а именно за счет отказа от внедрения воздухоразделительных установок.

Актуальность работы и ее практическая значимость

Рассмотренные ниже исследовательские и опытно-конструкторские работы представляют завершенную поисково — экспериментальную стадию разработки «упрощенной» энергетической парогазовой технологии на жестком горючем, которая характеризуется довольно высочайшими экономическими и экологическими показателями и значительно наименьшей в сопоставлении с освоенными западными технологиями удельной ценой. Освоение таковой технологии, применимой, как демонстрируют результаты исследовательских работ, для широкого диапазона углей и горючих отходов, животрепещуще для теплоэнергетики РФ, так как она может быть обширно и отлично применена при подмене устаревшего оборудования и модернизации
действующих ТЭС.

Научная новизна

В первый раз осуществлены экспериментальные исследования газификации раз-ных видов твердого горючего в плотном слое с водянистым шлакоудалением на воздушном дутье с вероятной подачей с ним угольной пыли (горновой способ) и подтверждена эффективность внедрения этого способа для широкого диапазона энергетических углей и горючих отходов. Определены главные технологические характеристики и границы применимости этого способа. В первый раз разработана всеохватывающая методика расчета горнового газогенератора.

Осуществлены исследования образования и вторичной деструкции угольных смол в критериях горнового процесса, явившиеся основой экспериментальной проработки и выбора для горнового газогенератора относительно обычный и экономически прибыльной сухой чистки генераторного газа при температуре газа выше температуры конденсации смоляных паров без выделения последних. Решение о выборе таковой газоочистки без подготовительного устранения паров смол из синтез-газа проработано в первый раз.

В первый раз в российскей практике использован в качестве узкой ступени чистки генераторного газа и испытан металлотканевый фильтр с пневмоимпульсной регенерацией очистных частей.

При участии создателя осуществлены поиск и исследования активных и дешевеньких сорбентов для аппаратной ступени сухой сероочистки генераторного газа. В первый раз экспериментально показана высочайшая эффективность внедрения доступных и дешевеньких железомарганцевых руд.

В первый раз в российских исследовательских работах дана количественная оценка выбросам оксидов азота при сжигании генераторного газа после сухой его чистки и проработано неоднократное сокращение этих выбросов.

проработаны и апробированы для слоевых газогенераторов две технологии производства гранул и брикетов из тонкодисперсного горючего, в том числе при использовании в качестве связывающего газогенераторной смолы.

В первый раз в российских исследовательских работах осуществлено исследование коррозионной стойкости широкого набора российских сталей и сплавов в среде генераторного газа и разработана методика расчета скорости коррозии низколегированных сталей в газогенераторных установках.

Предложенная разработка газификации, газоочистки и сжигания синтез-газа снутри цикла ПГУ апробирована на всеохватывающей опытнейшей установке при использовании углей с широким спектром конфигурации степени метаморфизма, также горючих отходов. С применением данной технологии создано несколько проектов ПГУ и ГТУ-ТЭЦ мощностью 6 ? 250 МВт, при всем этом расчетные характеристики больших ПГУ не уступают действующим западным аналогам при тривиальном существенном понижении удельной цены.

Достоверность

Диссертация обобщает комплекс работ, выполненных во Всероссийском теплотехническом научно-исследовательском институте, который обладает системой контроля, приборным и методическим обеспечением и опытом исследовательских работ по всем нюансам рассматриваемой диссертационной работы. Достоверность обеспечивается также экспериментальным нравом рассматриваемой работы, в какой подавляющая часть результатов получена либо обусловлена опытным методом. Не считая того значимая часть этой работы выполнена в рамках муниципальных договоров с Роснаукой при жестком контроле свойства НИОКР муниципальным заказчиком.

На защиту выносится:

Всеохватывающая экспериментальная разработка технологии внутрицикловой газификации твердого горючего с горновым газогенератором и высокотемпературной газоочисткой для ПГУ, характеризующейся сравнительной простотой, высочайшими экономическими и экологическими показателями и умеренной ценой оборудования.

Реализация результатов работы

Результаты работы применены:

— в первом российском рабочем проекте опытно-промышленной ПГУ мощностью 250 МВт с внутрицикловой газификацией угля для Кировской ТЭЦ-5 (головные разработчики НПО ЦКТИ и ВНИПИЭнергопром);

— в разработке технических предложений по созданию теплофикационной ПГУ мощностью 200 МВт на агломерируемом антрацитовом штыбе (ВТИ и СКБ ВТИ);

— в предпроектной разработке опытно-промышленной ПГУ мощностью 250 МВт на канско-ачинском (березовском) угле (ВТИ);

— в проектной и конструкторской разработке ГТУ — ТЭЦ мощностью 6 МВт с газификацией угля для обеспечения электроэнергией и теплом отдаленных и изолир
ованных районов страны, а так же для подмены городских котельных;

— в проектной и конструкторской разработке опытно-промышленной ПГУ с газификацией угля, газотурбинной установкой 16 МВт и котлом — утилизатором в качестве надстройки к оборудованию действующей ТЭЦ (ВТИ, РЭК, ТГК-5, «Авиадвигатель»);

— при разработке и испытаниях экспериментальной всеохватывающей газификационной установки с системами подготовки горючего, пыле- и сероочистки генераторного газа и его сжигания с применением разных мер угнетения NOx.

Апробация работы

Главные результаты работы доложены на конференциях, семинарах и заседаниях советов знатных научных организаций, в том числе:

— на пятой научно- практической конференции с интернациональным ролью «Минеральная часть горючего, шлакование, чистка котлов, улавливание и внедрение золы (Челябинск, 2011г.)

— на III каждогодней конференции с интернациональным ролью «Топливо и экология – 2010» (Москва, 2010 г.)

— на интернациональной научно-технической конференции «Технологии действенного и экологически незапятнанного использования угля». (Москва, 2009 г.)

— на VII Всероссийской конференции с интернациональным ролью «Горение твердого топлива». (Новосибирск, 2009 г.)

— на конференции ОИВТ РАН с интернациональным ролью «результаты базовых исследовательских работ в области энергетики и их практическое значение». (Москва, 2008 г.)

— на интернациональной конференции «экологически незапятнанные угольные технологии для технического перевооружения русских термических электростанций» (Москва, 2006 г.);

— на интернациональной конференции: «Эффективное оборудование и новые технологии – в российскую энергетику» (Москва, 2001 г.);

— на научном совете РАН по всеохватывающей дилемме «Теплофизика и теплоэнергетика» (Москва, 2001 и 2004 гг.);

— на всероссийском научно-техническом семинаре «Новые технологии сжигания твердого горючего: их текущее состояние и внедрение в будущем» (Москва, 2001 г.);

— на 2-ой всероссийской школе-семинаре юных ученых и профессионалов «Энергосбережение – теория и практика» (Москва, 2004 г.);

— на VII конференции по химии и технологии твердого горючего Рф и государств СНГ (Звенигород, 1996 г.)

Публикации

По материалам диссертации выпущено 37 печатных работ, в том числе: 11? в повторяющихся журнальчиках, рекомендованных ВАК, 7?в сборниках докладов интернациональных и всероссийских конференций, 19 ? в других рецензируемых научно-технических изданиях; не считая того получено 9 патентов на изобретения и полезные модели и РФ и 1 авторское свидетельство СССР.

Личный вклад создателя

Создатель выполнил выбор направления и постановку задач исследовательских работ, управлял большинством рассмотренных в диссертации научно-исследовательских и расчетно-аналитических работ, конкретно участвовал в их проведении, также делал научное сопровождение представленных конструкторских и проектных разработок.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, одиннадцати глав, заключения, перечня литературы и приложения; изложена на 177 страничках машинописного текста, содержит 65 рисунков, 12 таблиц, 114 наименований библиографических ссылок.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во внедрении дается общая черта созданию парогазовых установок с внутрицикловой газификацией угля в мировой энергетике и обосновывается необходимость разработки новых более обычных и надежных технологий внутрицикловой газификации угля для обеспечения бесспорной коммерческой выгоды от распространения данного нового метода энергетического производства. Приводятся общие сведения по диссертационной работе.

В 1-ой главе диссертации обосновывается выбор способа газификации и направлений исследований.

В литературе описано более шестидесяти способов газификации твердого горючего. Внедрено и отыскало развитие ограниченное их количество. По сей день обширно используются благодаря отлаженной и надежной конструкции газогенераторы с плотным слоем горючего и жестким шлакоудалением компании Лурги либо их аналоги, работающие, обычно, на парокислородном дутье под давлением 2 ? 3 МПа (модификация «Рур100» ? до 10 МПа). В их реализуется рациональная противоточная организация газообразования за счет выгорания коксового остатка в голове процесса, следующих восстановительных реакций и теплового, облагораживающего формирующийся газ разложения горючего без израсходованного ранее кисло
рода. Имеются, но, суровые недочеты: низкая удельная нагрузка реактора (до ~10МВт/м2 по возможной энергии газифицируемого горючего) из-за низких температур реагирования, наличие смол в генераторном газе, необходимость расходования огромного количества пара на газификацию (содержание Н2О в парокислородном дутье ~80% об.) при низкой степени его разложения (около 30%), завышенная балластировка генераторного газа не только лишь водяным паром, да и диоксидом углерода (СО2 = 27-35% на сухой газ).

В газогенераторах плотного слоя BGL, сделанных Английской газовой компанией вместе с компанией Лурги, большая часть обозначенных недочетов удалось преодолеть за счет увеличения температуры в ядре горения до ~ 2270 К и организации вывода шлака из реактора в водянистом виде с применением, как в доменных печах фурменного дутья. Шлак вытекает из узенькой круглой и защищенной водяным остыванием летки, через которую организован проток в реактор высокотемпературных товаров сжигания газа в особых кислородных горелках, размещенных под подом обскурантистской камеры. Газификация осуществляется на парокислородном дутье, содержание пара в каком сокращено до ~ 40% об. Форсировка реактора при всем этом поднялась выше 30 МВт/м2, степень разложения водяного пара возросла до 90%, концентрации СО2 в генераторном газе снизилась до ~3%., а теплота его сгорания является более высочайшей посреди узнаваемых автотермических газификаторов. Огромным преимуществом является низкая температура за реактором (725 – 825 К), обеспечиваемая за счет активного поглощения теплоты сгорания кокса в эндотермических восстановительных реакциях. Но, для обеспечения надежного истечения шлака и предотвращения минерального спекания шихты зольность горючего ограничена 25%. Отлично освоена работа этого газогенератора в блоке с газовой турбиной.

В освоенных больших (до 300 МВт) демо ПГУ с газификацией угля использованы поточные газификаторы с водянистым шлакоудалением на парокислородном дутье («Тексако», «Пренфло», «Шелл») и влажная чистка генераторного газа. 1-ый из нареченных газогенераторов реализует нисходящую газификацию пылеводяной суспензии с организованной сепарацией шлака. Два других базируются на обширно известном способе «Копперс-Тоцек» (горизонтальная встречная газификация потоков пылеугольной аэросмеси в реакторе с факельными оголовками, верхним центральным выводом из него газа и нижним – водянистого шлака). Неоспоримым преимуществами поточных газогенераторов является отсутствие смол в производимом газе и доказанная на практике возможность сотворения большого газификатора угольной пыли, способного обеспечить мощность энергоустановки ~300 МВт. Но другие характеристики пылевого процесса не настолько презентабельны, как при сжигании угля. При поточном методе исключается возможность облагораживания генераторного газа высококалорийными летучими компонентами горючего, так как они выгорают на головной стадии процесса, горючие же составляющие генераторного газа формируются в главном за счет затяжной газификации кокса. Температура газов на выходе из реактора, где заканчивается выгазовка пыли, должна быть выше температуры обычного шлакоудаления (1770 — 1870 К), по другому в переходной зоне температур произойдет зашлаковка по верхностей реактора липкими и размягченными частичками золы. Это сопровождается увеличенным расходованием кислорода и пониженным хим КПД процесса (~72% против ~80% в слоевых газогенераторах с парокислородным дутьем). Обозначенное свойство, в особенности применительно к ПГУ, является принципным недочетом, потому что значимая часть физической теплоты при превалирующей в текущее время «мокрой» чистке генераторного газа пропадает, а другая часть, передающаяся рабочему агенту через стену, может употребляться только в нижнем паротурбинном цикле ПГУ с пониженным термодинамическим эффектом. При вынужденно высочайшей температуре газов за реактором требуется использовать так же массивные радиационные охладители генераторного газа, эффективность теплопередачи в каких в наименьшей степени находится в зависимости от давления процесса, чем в конвективных теплообменниках. Из-за низкой скорости восстановительного реагирования и малого времени пребывания угольной пыли в реакторе поточная газификация осуществляется на облагороженном дутье.

В ВТИ еще в 1950-е годы были разработаны и испытаны главные принципы противоточной газификации угля в плотном слое с водянистым шлакоудалением на воздушном дутье (горновой сп