Комбинированная установка газификации топлив и генерации электроэнергии

Полезная модель относится к электроэнергетике, нефтепереработке и газовой промышленности.

Отличается тем, что для парокислородной конверсии различных топлив используется установка разделения воздуха путем короткоцикловой адсорбции, в которой на углеродистых сорбентах адсорбируется кислород, а неадсорбированный азот под высоким давлением направляется в камеру сгорания ГТУ для увеличения массы рабочего тела, повышения электрической мощности и КПД комбинированной установки. Десорбированный при пониженном давлении кислород, которого по объему в 4 раза меньше, чем азота, сжимается в компрессоре до давления в газификаторе. Таким образом, достигается повышение электрического КПД комбинированной установки, а также снижаются капитальные вложения в установку.

Полезная модель относится к электроэнергетике, нефтеперерабатывающей и газовой промышленности.

Необходимость газификации твердых топлив и нефтяных остатков обусловлена в основном повышением экологических требований к котельным топливам, а также возможностью использования синтез-газа в парогазовых установках (ПГУ), обладающих высоким КПД.

В настоящее время в мире эксплуатируются десятки ПГУ большой мощности на синтез-газе, получаемом из углей, нефтяных остатков, биомассы. В зависимости от характеристик установок газификации и ПГУ, КПД-нетто комбинированной установки обычно находится в пределах 38-45%, то есть на 5-8% ниже, чем для ПГУ аналогичных параметров на природном газе [1, 2].

Целью предлагаемой полезной модели является повышение электрического КПД комбинированной установки, включающей установку парокислородной газификации топлив и ПГУ на синтез-газе.

Основными факторами снижения КПД установок с парокислородной конверсией топлив являются затраты на получение кислорода криогенным разделением воздуха, неполная рекуперация физической теплоты продуктов газификации (синтез-газа), затраты на его промывку и очистку от серы. При криогенном разделении воздуха энергозатраты составляют 0,4-0,5 кВт.час на 1 м³ 95-98% кислорода при низком давлении, что приводит к существенному снижению КПД-нетто энергетической установки.

По нашим расчетам, более экономичным для процессов газификации топлив является разделение воздуха и получение кислорода способом короткоцикловой адсорбции (КЦА). Зарубежными фирмами выпускаются азотные и кислородные установки с КЦА. Разделение воздуха основано на кинетическом принципе. Но скорость сорбции N₂ и О₂ различными сорбентами различна. Углеродистыми молекулярными ситами значительно быстрее сорбируется О₂, а алюмосиликатными - N₂ [3].

Кислородные установки с КЦА значительно проще и дешевле криогенных, но вследствие адсорбции большого количества азота, которого в воздухе около 80%, энергетические затраты не ниже, чем при криогенном разделении.

Следовательно, кислородные установки с КЦА азота на цеолитах не обеспечивают повышение КПД ПГУ по сравнению с криогенными установками. Но, как показали наши исследования, повышение экономической эффективности ПГУ может быть получено с помощью установки разделения воздуха, в которой получается азот при высоком давлении, а кислород адсорбируется углеродистыми сорбентами и затем десорбируется при низком давлении. Такая технология позволяет полезно использовать энергию сжатого воздуха, а кислород, которого меньше, чем азота, сжимать в компрессоре до давления в газификаторе топлива. Азот дожимным компрессором направляется в камеру сгорания газовой турбины, что увеличивает расход

рабочего тела и мощность ПТУ. На такой установке удельный расход топлива на отпущенный кВт.час снижается на 4-6% абс.

Ближайшим аналогом полезной модели (прототипом) является комбинированная установка паровоздушной конверсии топлив с криогенным разделением воздуха и ПТУ на синтез-газе [4].

Недостатком прототипа являются невысокий энергетический КПД комбинированной установки и высокая ее стоимость. Оба эти фактора обусловлены тем, что кислород для парокислородной конверсии получают путем криогенного разделения воздуха. Установка криогенного разделения является дорогостоящей, так как она включает в себя воздушный компрессор, предварительный, основной и концевой теплообменники, турбодетандер, нижнюю и верхнюю ректификационные колонны, конденсатор и несколько единиц вспомогательного оборудования. Сжижение воздуха в зависимости от давления производится при температуре минус 180-190°С. Поэтому криогенная аппаратура изготовляется из нержавеющей стали и медных сплавов. Большая масса аппаратуры и высокая стоимость материалов обуславливают большие капитальные вложения в установку [5].

Большие энергозатраты на криогенное разделение воздуха приводят к значительным затратам энергии на собственные нужды комбинированной установки, что обуславливает снижение ее энергетического КПД-нетто.

Целью предлагаемой полезной модели является снижение капитальных вложений и повышение энергетической эффективности комбинированной установки парокислородной газификации топлив и ПТУ на синтез-газе. Эта цель достигается путем установки аппаратов (адсорберов) для разделения воздуха с адсорбцией кислорода и его десорбцией при пониженном давлении и затем его сжатием до давления в газификаторе. Причем недесорбированный азот при высоком давлении поступает в камеру сгорания газовой турбины для увеличения массы рабочего тела, что обеспечивает повышение мощности газовой турбины, а следовательно и КПД всей комбинированной установки.

На рисунке представлена принципиальная схема комбинированной установки по предлагаемой полезной модели. Установка включает секцию газификации топлива, состоящую из газификатора 1, котла-утилизатора 2, газо-газового теплообменника 3, скруббера 4, отстойника 5, абсорбера 6 и десорбера 7, из адсорберов для получения кислорода 15 установки разделения воздуха, газотурбинного двигателя (ГТД) 16, и кислородного компрессора 17. Парогазовая установка включает камеру сгорания 8, основной воздушный компрессор 9, дожимной компрессор 10, газовую турбину 11, котел-утилизатор 12, паровую турбину 13, конденсатор 14.

В качестве сырья газификации по рассматриваемой схеме могут использоваться различные виды топлив: каменные и бурые угли, торф, нефтяные остатки (гудрон, смолы крекинга, кокс, пек). Ниже рассмотрена комбинированная установка применительно к газификации тяжелого нефтяного остатка (гудрона), являющегося основным сырьем для получения синтез-газа на нефтеперерабатывающих заводах (НПЗ). Усредненный элементарный состав сырья газификации на основе гудрона следующий: С - 85,5; Н - 9,8; S - 3,4; N - 0,5; О - 0,6; зола - 0,2% масс. Низшая

теплота сгорания составляет приблизительно 39700 кДж/кг. Для парокислородной газификации необходимо примерно следующее соотношение реагентов: СН_m: Н ₂О=1:0,86:0,6. При этом получается синтез-газ с низшей теплотой сгорания 10000-12000 кДж/м³.

Установка работает следующим образом. Газификация сырья производится в газификаторе 1. В горелочное устройство специальной конструкции подается кислород и топливно-водяная эмульсия или суспензия. Давление в газификаторе обусловлено давлением в камере сгорания газовой турбины 11 и находится в пределах 1,4-2,0 МПа. Максимальная температура в реакционной зоне достигает 1500°С. Газ из газификатора выходит при температуре приблизительно 1200°С. Физическая теплота его используется в котле-утилизаторе 2 для выработки пара среднего давления, который затем используется в паровой турбине 13 ПГУ в смеси с паром из котла-утилизатора 12. После котла-утилизатора 2 синтез-газ имеет температуру около 500°С, и его тепло используется для нагрева обратного потока синтез-газа в газогазовом теплообменнике 3. Охлажденный до температуры 40-50°С синтез-газ поступает в скруббер 4 для дальнейшего охлаждения и отмывки его от твердых частиц золы и сажи. Промывочная вода с частицами золы и сажи стекает в отстойник 5, откуда она частично циркулирует в газификатор 1, а частично выводится на очистные сооружения. Отмытый от твердых частиц газ подается в абсорбер 6 для очистки его от сернистых соединений. Абсорбентами служат этаноламины, растворы карбонатов и другие поглотители. Кислые газы (H₂S, SO₂ , COS и др.) десорбируются в десорбере 7 и направляются на установку получения элементарной серы.

Очищенный от сернистых соединений газ подогревается в теплообменнике 3 потоком прямого газа до температуры 300-400°С. Состав его зависит от многих факторов, но, содержание компонентов приблизительно следующее, % об.: Н ₂ - 50, СО - 44, СO₂ - 3,3, СН ₄ - 1,3, N₂ - 1,3, H ₂S - 0,03.

Основное количество синтез-газа направляется на ПГУ для генерации электроэнергии. Представленная ПГУ несколько отличается от таковой на природном газе. Воздух сжимается в основном компрессоре 9 до давления 1,3-1,7 МПа в зависимости от типа газотурбинной установки. Часть воздуха подается в камеру сгорания 8, а часть - в дожимной компрессор 10. Продукты сгорания поступают в газовую турбину 11, являющуюся приводом электрогенератора. Продукты сгорания из турбины 11 подаются в котел-утилизатор 12, в него также подается пар из котла-утилизатора 2. Суммарный поток пара с давлением 7-10 МПа перегревается до рабочей температуры паровой турбины 13, являющейся приводом электрогенератора. После конденсации пара в конденсаторе 14 конденсат подается в котлы - утилизаторы 2 и 12.

Воздух после дожимного компрессора 10 подается в адсорберы для разделения воздуха 15. На углеродистых сорбентах сорбируется кислород, а азот под высоким давлением смешивается с синтез-газом и подается в камеру сгорания 8 ГТУ. Таким образом, используется энергия сжатого азота, которого в воздухе около 80%. Кислород десорбируется при сбросе давления до 0,2-0,3 МПа и подается в кислородный

компрессор 17, приводом которого является газотурбинный двигатель 16, работающий на синтез-газе.

В качестве примера представляем результаты расчета комбинированной установки мощностью по тяжелым нефтяным остаткам (гудрон, смолы каталитического крекинга, смолы термических процессов) 1 млн. т/год. Такая мощность установки газификации характерна для НПЗ средней мощности - 6-10 млн. /год по сырой нефти.

В результате расчетов были получены следующие характеристики комбинированной установки:

При использовании комбинированной установки аналогичной мощности по традиционной технологии и на аналогичном оборудовании КПД-нетто ее составит 43%, т.е. на 4% меньше, чем на предлагаемой установке (47%); относительная экономия топлива составляет 9%. Причем капитальные вложения снижаются ориентировочно на 20%.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. Саламов А.А. Тепловые электростанции с газификацией топлива // Теплоэнергетика. - 2004. - №5. - С.75-77.

2. Ольховский Г.Г., Тумановский А.Г. Применение новых технологий при техническом перевооружении угольных ТЭС // Теплоэнергетика. - 2003. - №9. - С.7-18.

3. Кепсель К Промышленные области применения короткоцикловой адсорбции при переменном давлении // Технические газы. - 2005. - №2. - С.36-32.

4. Парогазовые установки с внутрицикловой газификацией и экологические проблемы энергетики. В.М.Масленников, Ю.А.Выскубенко и др. - М.: Наука, 1983. - 260 с.

5. Беляков В.П. Криогенная технология. - М.: Наука, 1982. - 230 с.

1. Комбинированная установка газификации топлив и генерации электроэнергии, которая состоит из установки (секции) парокислородной газификации топлив и очистки синтез-газа, энергетической парогазовой установки (ПТУ) на синтез-газе и установки разделения воздуха, отличающаяся тем, что установка разделения воздуха содержит аппараты короткоцикловой адсорбции (адсорберы), а энергетическая парогазовая установка имеет дополнительно дожимной компрессор для воздуха.

2. Комбинированная установка газификации топлив и генерации электроэнергии по п.1, отличающаяся тем, что дожимной компрессор энергетической ПТУ соединен технологической линией с адсорберами установки разделения воздуха, по которой сжатый воздух поступает в адсорберы, а камера сгорания ГТУ энергетической парогазовой установки соединена линией с установкой разделения воздуха, по которой из установки разделения воздуха азот под высоким давлением смешиваясь с синтез-газом поступает в камеру сгорания ГТУ ПТУ.