Газогенерация для крупных энергетических установок

Недостатки газификации топлива в движущемся слое

1. Большинство крупных газогенераторов на твердом топливе работает по прямому процессу с газификацией топлива в движущемся слое (метод Лурги), рис.1,а. Подобная организация процесса газификации, в особенности в условиях использования его на электростанциях, имеет ряд недостатков.

• Малая интенсивность процесса.
  

  Даже в крупных газогенераторах «Лурги» со слоевым процессом газификации при работе под давлением 2…3 МПа интенсивность процесса по расходу угля на единицу поверхности слоя составляет всего 1,5…2,5 т/(ч*м²). Для обеспечения топливом энергоблока, например мощностью 1000 МВт потребовалось бы 10 газогенераторов диаметром 3,9м и производительностью по вводимому углю 30 т/ч каждый. При этом металлоемкость их превысила бы металлоемкость котла энергоблока.

• Газ на выходе из генератора имеет температуру 550°С и содержит до 20г/м³ смоляных компонентов.
  

  Это затрудняет утилизацию физической теплоты газа в энергетической установке, так как требует предварительный трудоемкий цикл его очистки.

2. Газификация топлива в кипящем слое (рис.1,б, рис.2). Процесс газификации происходит при тех же химических реакциях, что и в неподвижном слое, но со значительно большей интенсивностью. Критическая скорость витания частицы в слое составляет:

где ρ_к – кажущаяся плотность частицы, кг/м³;
ρ_г – плотность газа при нормальных условиях, кг/м³;
d – средний диаметр частицы, мм;
Т – абсолютная температуры газа, К;
А – коэффициент.

Особенностями процесса газификации в кипящем слое (по сравнению с процессом газификации в слоевых газогенераторах) являются следующие:

• получаемый газ не содержит смол и непредельных углеводородов; содержание метана в нем понижено вследствие его частичного крекинга;
• водяные пары, выделяющиеся из топлива при его подсушке и термическом разложении, реагируя с углеродом топлива, понижают температуру слоя. В связи с этим влажность топлива, подаваемого в кипящий слой, не должна превышать 10…15%;
• из слоя в надслойное пространство выносится большое количество топливной пыли и для ее газификации должен подаваться вторичный воздух в это пространство газогенератора;
• основное количество золы (до 80%) уносится вместе с газом;
• теплота сгорания газа при воздушном дутье составляет ≈ 4200 кДж/м³;
• газификация топлива может производиться как на паровоздушном, так и на парокислородном дутье;
• производительность газогенератора с кипящим слоем в 10…12 раз выше производительности слоевых газогенераторов при одинаковом диаметре шахты. Так производительность газогенератора диаметром 3,0 м при работе на паровоздушном дутье составляет ≈ 45 000 м³/ч;
• интенсивность процесса при газификации в кипящем слое под давлением 2 МПа по расходу угля на единицу поверхности слоя составляет 5,8…10т/м²ч;
• недостатком газогенераторов с кипящим слоем, кроме повышенного уноса топлива, являются также пониженная скорость газификации при атмосферном давлении и ограниченные пределы регулирования производительности вследствие неустойчивости кипящего слоя.

Пример показателей газификации бурых углей на парокислородном дутье приведен в табл.1.

3. Газификация в пылевидном потоке (система Копперс-Тотцек) – рис.1,в; рис.3.

Преимущества газификации в пылевидном потоке:

• высокая интенсивность процесса (отсутствие ограничений на процесс температуры);
• возможность широкого предела регулирования производительности газогенератора;
• процесс позволяет газифицировать даже жидкое топливо (что в особенности важно для газификации композитного жидкого топлива);
• возможность обеспечения (до 50%) вывода со шлаком (в системе жидкого шлакоудаления) золы топлива.

Рис.1. Принципиальные схемы организации газификации твердого топлива:
а – в движущемся слое; б – в кипящем слое;
в – факельная газификация в пылевидном потоке

Недостатки способа включают в себя:

• необходимость тонкого размола топлива;
• высокое содержание золового уноса в генераторном газе перед системой очистки.

Рис.2. Схема газогенератора с кипящим слоем
1 – цилиндрическая шахта;
2 – плоская колосниковая решетка;
3 – парокислородное дутье;
4 – шнеки для подачи мелкодробленого (d < 8 мм) топлива;
5 – устройство для удаления шлака;
6 – шнек шлакоудаления;
7 – зольный бункер

На паровоздушном дутье при этом способе газификации производится газ с теплотой сгорания 3800…4600 кДж/м³.

Организация газификации топлива на ТЭС приобретает особое значение в связи:

• с необходимостью широкомасштабного использования низкосортных топлив;
• расширением диапазона используемых видов низкосортного топлива (включая биомассу и бытовые отходы);
• ужесточением требований по ограничению вредных выбросов ТЭС в окружающую среду.

Применительно к ТЭС представляются наиболее перспективными:

• газогенераторы с кипящим слоем;
• генераторы горнового типа на мелкокусковом топливе;
• газогенераторы с факельным процессом газификации;
• комбинированные способы энергетического использования топлива, включающие газификационные предтопки к основному парогенератору, работающему по принципу факельного пылеугольного использования топлива.

Рис.3. Схема газогенератора поточного типа:
1 – топливо; 2 – кислород; 3 – пар; 4 – охлаждающая вода;
5 – вода в систему золоудаления; 6 – генераторный газ;
7 – котел-утилизатор; 8 – шлак

Таблица 1

Показатели газификации бурых углей на парокислородном дутье под давлением

Далее следуют статьи по данной теме:

• Использование биомассы на основе термохимической газификации
• Газогенераторные установки для газификации твердых топлив
• Влияние физико-химических свойств топлива на процесс его газификации
• Использование и газификация биомассы в специальных реакторах
• Технологии промышленной энергетики России и СНГ