Система внутрицикловой газификации для парогазовых установок на твердом топливе

Система внутрицикловой газификации для парогазовых установок на твердом топливе с повышенной теплотой сгорания генераторного газа, его высокотемпературной очисткой от механического уноса и технологическим использованием грубого уноса и система внутрицикловой газификации для парогазовых установок на твердом топливе с повышенной теплотой сгорания генераторного газа, глубокой высокотемпературной очисткой его от механического уноса и технологическим использованием грубого и тонкого уноса (реферат). Полезная модель относится к области энергетики и может быть использована для внутрицикловой газификации углей в парогазовых энергетических установках на твердом топливе с использованием вырабатываемого в процессе газификации генераторного газа для сжигания в камерах сгорания газотурбинных установок. Достигаемыми результатами полезной модели являются улучшение качества генераторного газа, обеспечение оптимальной температуры и повышение глубины его высокотемпературной механической очистки, а также обеспечение возможности технологической утилизации грубого и тонкого уноса. Согласно полезной модели указанные результаты обеспечиваются тем, что система газификации горнового типа с двумя ярусами фурм при подаче в нижний ярус воздуха, а в верхний - пара содержит линию подачи в верхний ярус фурм дополнительно сжатого воздуха. Кроме того, она содержит оборудованную паровым эжектором линию рециркуляции горячего генераторного газа через течку в верхний ярус фурм, а линия для отвода грубого уноса (кокса) из газогенератора соединена с технологической линией получения активного угля. При этом установка для тонкой очистки генераторного газа выполнена в виде по меньшей мере одного коррозионностойкого и жаропрочного металлотканого рукавного фильтра. При газификации германийсодержащих углей линия для отвода тонкого уноса может быть соединена с технологической линией получения германия, а на линии подачи генераторного газа в установку для тонкой очистки в этом случае должен быть расположен поверхностный охладитель.

Система внутрицикловой газификации для парогазовых установок на твердом топливе с повышенной теплотой сгорания генераторного газа, его высокотемпературной очисткой от механического уноса и технологическим использованием грубого уноса и система внутрицикловой газификации для парогазовых установок на твердом топливе с повышенной теплотой сгорания генераторного газа, глубокой высокотемпературной очисткой его от механического уноса и технологическим использованием грубого и тонкого уноса

Полезная модель относится к области энергетики и может быть использована для внутрицикловой газификации углей в парогазовых энергетических установках (ПТУ) на твердом топливе с использованием вырабатываемого в процессе газификации генераторного газа для сжигания в камерах сгорания (КС) газотурбинных установок (ГТУ).

Известна система внутрицикловой газификации для парогазовых установок на твердом топливе, содержащая газогенератор горнового типа с фурмами (соплами) для ввода дутья в слой топлива и установку мокрой контактной очистки генераторного газа от механического уноса и смол [1] - аналог. В данной системе используется одноярусная подача в газогенератор дутья с содержащимся в нем водяным паром, что приводит к снижению температуры ядра горения, образующегося за фурмами, и, соответственно, к снижению надежности образования и эвакуации жидкого шлака. При такой подаче дутья для обеспечения достаточно высокой температуры в ядре горения необходимо использование в составе дутья кислорода и, следовательно, включение в состав ПТУ воздухоразделительной установки, что существенно усложняет ПТУ и снижает ее КПД. Кроме того, используемая в [1] мокрая контактная очистка генераторного газа, хотя и обеспечивает требуемую для современных высокотемпературных газовых турбин глубину очистки от механических загрязнений (5-10 мг/м³ ), но сопровождается непродуктивным охлаждением генераторного газа до 160°С (с потерей для газотурбинного цикла основной части физической теплоты генераторного газа) и сложной комплексной очисткой загрязненных водных стоков (промывочной воды).

Известна система внутрицикловой газификации для ПТУ на твердом топливе, содержащая газогенератор горнового типа с реакционной камерой, течкой для подачи в нее кускового топлива, расположенными в два яруса фурмами воздушного дутья в нижнем ярусе и парового дутья - в верхнем ярусе, леткой для жидкого шлакоудаления, а также двухступенчатую установку для соответственно грубой и тонкой сухой очистки генераторного газа от механического уноса, линию подачи сжатого воздуха в нижний ярус фурм, линию подачи пара в верхний ярус фурм, линию подачи неочищенного генераторного газа в установку для его очистки, линию подачи очищенного генераторного газа потребителю и линии отвода отделенного от газа грубого и тонкого уноса [2] - прототип. К достоинствам прототипа по сравнению с аналогом [1] можно отнести то, что подача воздушного дутья без пара в нижний ярус фурм создает в ядре горения этого яруса температуру, при определенных условиях достаточно высокую для обеспечения надежного выхода жидкого шлака. Кроме того, при сухой газоочистке физическая теплота генераторного газа не пропадает и может быть эффективно использована в газотурбинном цикле ПТУ, а загрязненные водные стоки отсутствуют. Система [2] была создана для топлив, в процессе газификации которых не происходит смолообразование. Однако, как показали исследования, при температуре генераторного газа свыше 450°С, легко достигаемой в горновом газогенераторе сокращением подачи пара на газификацию, система [2] может быть использована и для смолообразующих при газификации топлив с сохранением смол в парообразном состоянии на тракте газоочистки и последующим их сжиганием в КС ГТУ. Недостатками [2] являются низкая степень разложения водяного пара из-за его подачи вне зоны горения, что снижает качество генераторного газа, а также использование для тонкой очистки циклонных аппаратов, не позволяющих обеспечить требуемую глубину очистки.

Одним из достигаемых результатов полезной модели является повышение в реакционной камере степени разложения подаваемого в нее водяного пара с соответствующим улучшением качества генераторного газа, обеспечение

оптимальной температуры и повышение глубины его механической очистки.

Указанный результат обеспечивается тем, что в системе внутрицикловой газификации для парогазовых установок на твердом топливе, содержащей газогенератор горнового типа с реакционной камерой, течкой для подачи в нее кускового топлива, расположенными в два яруса фурмами воздушного дутья в нижнем ярусе и парового дутья - в верхнем ярусе, леткой для жидкого шлакоудаления, а также двухступенчатую установку для соответственно грубой и тонкой очистки генераторного газа от механического уноса, линию подачи сжатого воздуха в нижний ярус фурм, линию подачи пара в верхний ярус фурм, линию подачи неочищенного генераторного газа в установку для его очистки, линию подачи очищенного генераторного газа потребителю и линии отвода отделенного от газа грубого и тонкого уноса, согласно одному из вариантов полезной модели система дополнительно содержит линию подачи сжатого воздуха в верхний ярус фурм. Это позволяет создать собственный очаг горения в слое топлива на выходе дутья из верхнего яруса фурм, что обеспечивает высокую температуру нагрева пара, подаваемого в составе дутья, его активное разложение и взаимодействие с топливным веществом. В результате появляется возможность за счет кислорода разложившегося пара сократить подачу воздуха в реакционную камеру газогенератора, что повышает качество генераторного газа из-за уменьшения содержания в нем балластного азота при увеличении содержания горючих компонентов (водорода). Теплота сгорания генераторного газа соответственно возрастает, а его удельный объем на единицу топлива снижается. Кроме того, из-за более активного протекания эндотермических реакций снижается температура газа в верхних слоях топливной засыпки и в свободном от топлива пространстве над ней. Это вызывает снижение скорости движения генераторного газа данных областях реакционной камеры и, соответственно, сокращение выноса твердой фазы из нее, что облегчает работу газоочистительных аппаратов.

Еще одним достигаемым результатом полезной модели является обеспечение при сухой высокотемпературной очистке генераторного газа от механических

загрязнений требуемой для современных высокотемпературных газовых турбин глубины очистки, не достигаемой при использовании только циклонных аппаратов.

Это обеспечивается тем, что в системе внутрицикловой газификации для парогазовых установок на твердом топливе, содержащей газогенератор горнового типа с реакционной камерой, течкой для подачи в нее кускового топлива, расположенными в два яруса фурмами воздушного дутья в нижнем ярусе и парового дутья - в верхнем ярусе, леткой для жидкого шлакоудаления, а также двухступенчатую установку для соответственно грубой и тонкой очистки генераторного газа от механического уноса, линию подачи сжатого воздуха в нижний ярус фурм, линию подачи пара в верхний ярус фурм, линию подачи неочищенного генераторного газа в установку для его очистки, линию подачи очищенного генераторного газа потребителю и линии отвода отделенного от газа грубого и тонкого уноса, согласно полезной модели установка для тонкой очистки генераторного газа выполнена в виде по меньшей мере одного коррозионностойкого и жаропрочного металлотканого рукавного фильтра. Это позволяет резко увеличить глубину высокотемпературной очистки генераторного газа до указанного выше допустимого показателя. Металлоткань из легированной аустенитной стали обеспечивает стойкость металлотканого фильтра к коррозии в газогенераторной среде при температурах до 600°С. При таком температурном уровне смолы не задерживаются на фильтрах и попадают в КС ГТУ в парообразном состоянии, где полностью сгорают, не образуя отложений на турбинных лопатках.

Оптимальной температурой генераторного газа по технологическим и экономическим соображениям является 700-900°С. Согласно полезной модели в качестве материала для изготовления металлотканого фильтра, способного работать в таких температурных условиях, служит нихром.

Каждая из систем согласно полезной модели может дополнительно содержать оборудованную паровым эжектором линию рециркуляции горячего генераторного газа через течку в верхний ярус фурм реакционной камеры. При этом линия для отвода грубого уноса (кокса) может быть соединена с

технологической линией получения активного угля. Пропускание горячего генераторного газа через течку обеспечивает подсушку и начальный пиролиз топлива перед его поступлением в реакционную зону. Это наряду с подводом воздуха в верхний ярус фурм способствует завершению пиролиза топлива, уносимого из реакционной камеры с получением коксового остатка в уносе. Получаемый кокс является сырьем для производства активного угля - товарного продукта, широко используемого в химической, фармацевтической и других отраслях промышленности.

Еще одним достигаемым результатом полезной модели является обеспечение возможности технологической утилизации не только грубого, но и тонкого уноса из газогенератора.

Это обеспечивается тем, что при использовании германийсодержащих углей в системе газификации с металлотканым фильтром согласно полезной модели линия для отвода из фильтра тонкого уноса соединена с технологической линией получения германия, а на линии подачи генераторного газа в установку для тонкой очистки расположен поверхностный охладитель. Такая возможность утилизации германия основана на том, что, как показали исследования, при горновой газификации германийсодержащего угля происходит обогащение германием летучей золы. Природа этого явления заключается в возгонке германия при высоких температурах и его последующей сублимации на охлажденных в теплообменнике до 500-600°С частицах летучей золы. Температуру генераторного газа в ступени грубой очистки посредством технологических мер целесообразно удерживать при этом выше 800°С во избежание сублимации германия на частицах улавливаемого грубого уноса.

На фиг.1 изображена принципиальная схема системы внутрицикловой газификации углей согласно полезной модели с двумя футерованными циклонами в качестве ступеней грубой и тонкой очистки; на фиг.2 - та же система с коррозионностойким жаропрочным металлотканым фильтром в качестве ступени тонкой очистки; на фиг.3 то же - с линией рециркуляции через топливную течку генераторного газа и технологической линией получения активного угля; на фиг.4 - то же с технологической линией получения германия

и поверхностным охладителем на линии подачи генераторного газа в металлотканый фильтр.

Система внутрицикловой газификации для парогазовых установок на твердом топливе согласно полезной модели содержит газогенератор 1 горнового типа с реакционной камерой 1.1, течкой 1,2 для подачи в нее кускового топлива, расположенными в два яруса фурмами 1.3, 1.4 соответственно воздушного дутья в нижнем ярусе и парового дутья - в верхнем ярусе, леткой 1.5 для жидкого шлакоудаления. Система содержит также двухступенчатую установку 2 для соответственно грубой и тонкой очистки генераторного газа от механического уноса, линию 3 подачи сжатого воздуха, в том числе 3.1 - в нижний ярус фурм, 3.2 - в верхний ярус фурм и 3.3 - рециркуляции полукокса; эжектор 3.4 на линии 3.3 сжатого воздуха, линию 4 подачи пара в верхний ярус фурм, эжектор 4.1 на линии 4 (фиг.3), линию 5.1 подачи неочищенного генераторного газа в первую ступень установки для его грубой очистки, линию 5.2 подачи газа из первой ступени установки 2 во вторую, линию 6 подачи очищенного генераторного газа потребителю и линии 7.1, 7.2 отвода отделенного от газа соответственно грубого и тонкого уноса. Система содержит также линию 3.1 для дополнительной подачи сжатого воздуха в верхний ярус фурм 1.4 парового дутья. Установка 2 для очистки генераторного газа от механических загрязнений в качестве первой (грубой) ступени очистки во всех случаях представляет собой футерованный циклон 2.1. В качестве ступени тонкой очистки в отдельных исключительных случаях может служить также футерованный циклон 2.2 (фиг.1), но для основного применения используется коррозионностойкий жаропрочный металлотканый рукавный фильтр 2.3, изготовленный из нержавеющей легированной стали или нихрома.

Система по фиг.3 согласно полезной модели дополнительно содержит оборудованную паровым эжектором 8 линию 9 рециркуляции горячего генераторного газа через течку 1.2 в верхний ярус фурм 1.4 реакционной камеры 1.1, а линия 7.1 для отвода грубого уноса (кокса) соединена с технологической линией 10 получения активного угля.

В системе по фиг.4 полезной модели линия 7.2 для отвода тонкого уноса соединена с технологической линией 11 получения германия, а на линии 5.2 подачи генераторного газа в рукавный фильтр 2.3 расположен поверхностный охладитель 12.

Под леткой 1.5 в газогенераторе 1 установлена заполненная водой ванна 13 для грануляции жидкого шлака, соединенная с линией 14 отвода шлака в систему гидрозолоудаления (ГЗУ). Патрубок 15 в верхней части реакционной камеры 1.1 служит для отсоса с генераторным газом водяных паров из ванны 13. На всех линиях установлена запорная арматура 16. На линиях 13, 7.1 и 7.2 соответственно удаления шлака в ГЗУ и отвода твердых продуктов уноса из ступеней очистки генераторного газа установлены шлюзовые камеры 17.

Система внутрицикловой газификации согласно полезной модели работает следующим образом. Дробленный уголь загружается в работающий под давлением газификатор 1, где под действием высокотемпературных продуктов сгорания нижних слоев топлива, воздуха и парового дутья образуется сырой (неочищенный) генераторный газ, выходящий из газогенератора 1 при температуре 700-900°С. В фурмы 1.3, 1.4 можно дополнительно подавать угольную пыль, которая сгорает в ядре горения. Подаваемый в реакционную зону через верхние фурмы 1.4 пар, разлагаясь при высоких температурах, «экономит» расход воздуха за счет кислорода разложившегося пара. При этом в генераторном газе сокращается содержание азота и увеличивается содержание водорода. Для активизации разложения пара и перемешивания его с потоком генерируемого газа к пару во втором ярусе фурм 1.4 примешивается воздух, подаваемый по линии 3.2.

Полученный генераторный газ подается по линии 5.1 в футерованный циклон 2.1 грубой ступени очистки. Далее предварительно очищенный генераторный газ поступает в установку второй (тонкой) ступени очистки. В качестве такой ступени в отдельных случаях может служить футерованный циклон 2.2 (фиг.1). Однако степень очистки газа в такой ступени не превышает 50%. Поэтому в подавляющем большинстве предпочтительны системы по

фиг.2-4, где в качестве ступени тонкой очистки установлен коррозионно-стойкий жаропрочный металлотканый рукавный фильтр 2.3 с пневмоимпульсной регенерацией. Степень очистки запыленного газа в таком фильтре достигает 99%. При изготовлении тканого рукава из нержавеющей легированной стали Х18Н9Т допустимая температура очищаемого газа составляет 600°С. Оптимальная температура генераторного газа за реакционной камерой составляет 700-900°С, то есть эксплуатация металлотканого фильтра из подобной стали требует установки перед фильтром поверхностного охладителя 12 (фиг.4). При изготовления фильтра из нихрома установка охладителя не требуется (фиг.2, 3).

Очищенный высокотемпературный генераторный газ подается под давлением в КС ГТУ (не показано). При этом к теплоте продуктов сгорания генераторного газа, образующих рабочее тело газотурбинного цикла, добавляется физическая теплота высокотемпературного генераторного газа, что повышает удельную выработку электроэнергии ПТУ. Смолы при применяемом в заявленных системах диапазоне температур 500-900°С (с охладителем и без охладителя) находятся в генераторном газе в парообразном состоянии и, попадая вместе с ним в КС ГТУ, сгорают без остатка, не требуя дополнительной очистки.

Отделенные от генераторного газа в циклоне 2.1 крупные частицы механического уноса в зависимости от степени выхода летучих из обрабатываемого топлива могут представлять собой полукокс, кокс или их смесь.

В системах фиг.1, 2, 4 механический унос в виде полукокса или смеси полукокса с коксом возвращаются по линии 3.3 с помощью эжектора 3.4 через фурмы 1.3 в реакционную зону газогенератора 1 для последующего дожигания с удалением золы в виде шлака в систему ГЗУ. Туда же в соответствии с системами фиг.1-3 удаляется по линии 7.2 золовая пыль. В системе фиг.3 предусмотрена технологическая утилизация отходов производства генераторного газа для получения товарного активного угля из отделяемых в циклоне 2.1 крупных коксовых частиц. Для получения кокса в реакционную камеру 1.1 газогенератора 1 через эжектор 4.1, установленный на линии 4 подачи

пара, производится рециркуляция части высокотемпературного неочищенного генераторного газа через топливную течку 1.2, что благодаря прогреву обеспечивает газификацию твердого топлива до стадии кокса, по существу уже представляющего собой активный уголь, в виде отделяющихся от генераторного газа в циклоне 2.1 твердых частиц. Для получения товарного активного угля выходной патрубок циклона 2.1 (фиг.3) соединен с соответствующей технологической линией 10.

В системе фиг.4 предусмотрена технологическая утилизация товарного германия из золовой пыли германийсодержащих топлив. Для получения товарного германия линия 7.2 отвода обогащенной германием золовой пыли из металлотканого фильтра 2.3 тонкой очистки соединена с технологической линией 11 получения германия. При этом для повышения эффективности улавливания германия тонкой золой температуру очищаемого газа необходимо снизить с помощью охладителя 12 до температурного диапазона 500-600°С, при котором находящиеся в газе частицы германия наиболее активно сорбируются мелкими частицами золы.

Представленные выше технические решения основаны на результатах многолетних исследований во Всероссийском теплотехническом научно-исследовательском институте горнового метода газификации углей.

Источники информации:

1. SWZ Schwarze Pumpe gasifies coal and wastes.- Modem Power Systems Supplement, Wilmington Publishing, 1996, p.41-44, fig.2.

2. Газогенератор ВТИ для газотурбинных установок. - Х.И.Колодцев, В.И.Бабий, С.П.Кустовский. - Теплоэнергетика, 1961, №4, с.44-48, рис.1,2.

1. Система внутрицикловой газификации для парогазовых установок на твердом топливе, содержащая газогенератор горнового типа с реакционной камерой, течкой для подачи в нее кускового топлива, расположенными в два яруса фурмами воздушного дутья в нижнем ярусе и парового дутья - в верхнем ярусе, леткой для жидкого шлакоудаления, а также двухступенчатую установку для соответственно грубой и тонкой сухой очистки генераторного газа от механического уноса, линию подачи сжатого воздуха в нижний ярус фурм, линию подачи пара в верхний ярус фурм, линию подачи неочищенного генераторного газа в установку для его очистки, линию подачи очищенного генераторного газа потребителю и линии отвода отделенного от газа грубого и тонкого уноса, отличающаяся тем, что система дополнительно содержит линию подачи сжатого воздуха в верхний ярус фурм.

2. Система внутрицикловой газификации по п.1, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит оборудованную паровым эжектором линию рециркуляции горячего генераторного газа через течку в верхний ярус фурм реакционной камеры, а линия для отвода грубого уноса (кокса) соединена с технологической линией получения активного угля.

3. Система внутрицикловой газификации для парогазовых установок на твердом топливе, содержащая газогенератор горнового типа с реакционной камерой, течкой для подачи в нее кускового топлива, расположенными в два яруса фурмами воздушного дутья в нижнем ярусе и парового дутья - в верхнем ярусе, леткой для жидкого шлакоудаления, а также двухступенчатую установку для соответственно грубой и тонкой очистки генераторного газа от механического уноса, линию подачи сжатого воздуха в нижний ярус фурм, линию подачи пара в верхний ярус фурм, линию подачи неочищенного генераторного газа в установку для его очистки, линию подачи очищенного генераторного газа потребителю и линии отвода отделенного от газа грубого и тонкого уноса, отличающаяся тем, что установка для тонкой очистки генераторного газа выполнена в виде по меньшей мере одного коррозионностойкого и жаропрочного металлотканого рукавного фильтра.

4. Система внутрицикловой газификации по п.3, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит оборудованную паровым эжектором линию рециркуляции горячего генераторного газа через течку в верхний ярус фурм реакционной камеры, а линия для отвода грубого уноса (кокса) соединена с технологической линией получения активного угля.

5. Система внутрицикловой газификации по п.3, отличающаяся тем, что в качестве материала для изготовления металлотканого фильтра служит нихром.

6. Система внутрицикловой газификации по п.3, отличающаяся тем, что линия для отвода тонкого уноса соединена с технологической линией получения германия, а на линии подачи генераторного газа в установку для тонкой очистки расположен поверхностный охладитель.