Разработка энергетической технологии газификации твердого топлива

В России свыше 70% оборудования ТЭС выработало срок эксплуатации и устарело. Необходима массовая его замена с внедрением новых современных технологий производства электроэнергии и тепла [1]. Предпочтительно для этого использовать угольные технологии, поскольку запасы природного газа при безудержном росте его экспорта и потребления могут истощиться быстро и настоятельно нуждаются в сбережении для следующих поколений, а доступные для разработки месторождения угля в России, содержащие 36% его мировых запасов, обеспечат энергетику страны на века [2].

Традиционном и эффективным направлением совершенствования угольных технологий является создание паросилового оборудования с суперсверх-критическими параметрами пара. Еще более высоким экономическим и экологическим потенциалом обладают установки комбинированного парогазового цикла, работающие на газифицируемом в них угле. На природном газе парогазовые установки хорошо освоены. Актуально обеспечить их коммерческое применение на угле. На западе в это направление вложены большие средства. Уже создано несколько демонстрационных ПГУ мощностью 100−300 МВт с применением в основном парокислородной газификации угольной пыли и мокрой очистки генераторного газа. КПД этих ПГУ — 40−44% [3]. На природном газе подобные ПГУ имеют КПД 52−56%. Существенная разница величин характеризует потери энергии в системе внутрицикловой газификации твердого топлива (ВЦГ).

Очевидного коммерческого успеха данное направление пока не имеет из-за высоких удельных затрат (более 2000 $/кВт) и, вероятно, недостаточной надежности созданных сложных систем с газификацией угля и затратным криогенным производством кислорода. По-видимому, производство кислорода для ПГУ может безусловно оправдать себя при освоении в промышленности новых более дешевых и компактных способов, но эта задача оказалась сложнее, чем она виделась в начала освоения парогазовых установок на угле. Не случайно поэтому, после накопления большого опыта создания парогазовых установок с парокислородной газификацией угля, на Западе появилась концепция создании ПГУ с простыми системами газификации, насыпными газогенераторами и воздушным дутьем [4], а в последнее время в Японии и США осваиваются образцы технологий с паровоздушной газификацией углей [5, 6].

Настоящая разработка, начало которой восходит к 1980;м годам, изначально ориентирована на применение по возможности простых схемных и конструктивных решений паровоздушной газификации угля. Была поставлена задача разработать простую и надежную систему ВЦГ с сокращенным набором оборудования, которая при сохранении свойственных ПГУ высоких экономических и экологических показателей обеспечит умеренную, коммерчески приемлемую удельную ее стоимость, в том числе за счет отказа от применения воз-духоразделительных установок.

Внутрицикловая газификация включает в себя подготовку и шлюзование топлива, его газификацию под давлением в реальных условиях 2,0−3,0 МПа и очистку произведенного генераторного газа от механических примесей и вредных газовых составляющих. Рассматриваемая здесь разработка новой системы ВЦГ носит комплексный характер и основывается на проведении исследований и ОКР и принятии решений по всем названным частям системы, а также по сжиганию генераторного газа в газотурбинной камере и мерам предупреждения коррозии оборудования в агрессивной среде продуктов газификации углей. Базовыми решениями данной технологии являются применение горновой газификации твердого топлива и сухой горячей очистки синтез-газа при температуре выше точки росы смоляных паров. В диссертации проделаны разработки интеграции предложенной технологии ВЦГ в ПГУ различных типов и мощностей, а также проведена оценка возможности массового улавливания диоксида углерода для борьбы с парниковым эффектом при использовании этой технологии. На защиту выносится обоснованная экспериментальными и расчетно-аналитическими исследованиями и ОКР комплексная разработка технологии внутрицикловой газификации твердого топлива с горновым газогенератором и высокотемпературной газоочисткой для парогазовых установок, обеспечивающая сравнительную простоту, высокие экономические и экологические показатели и умеренную их удельную стоимость.

Разработка располагает следующими элементами новизны.

Впервые осуществлены экспериментальные исследования газификации разнообразных видов твердого топлива в плотном слое с жидким шлакоудале-нием на воздушном дутье (горновой метод) и доказана возможность эффективного применения этого метода для широкого спектра энергетических углей (бурых, каменных, агломерированного антрацитового штыба), а также горючих отходов с низкой реакционной способностью (нефтяного кокса, коксо-графитных отходов электродного производства). Определены основные технологические параметры и границы применимости этого метода. Впервые разработана комплексная методика расчета горнового газогенератора.

Осуществлены исследования состава, свойств и процесса выделения смол при пиролизе перспективных энергетических углей и вторичной деструкции выделившихся смол в условиях, соответствующих условиям в горновом газогенераторе. Эти исследования явились экспериментальной основой решения о выборе и экспериментальной проработке для горнового газогенератора относительно простой и экономически выгодной сухой очистки генераторного газа при температуре газа выше температуры конденсации смоляных паров без выделения последних. Решение о выборе такой газоочистки без предварительного устранения паров смол в синтез-газе проработано впервые.

Впервые в отечественной практике применен в качестве тонкой ступени очистки генераторного газа и испытан металлотканевый фильтр с пневмоим-пульсной регенерацией очистных элементов.

Экспериментально доказана возможность связывания в горновом реакторе существенной доли серы газифицируемого топлива путем подмешивания к нему сорбентных присадок. Показано, что связывание серы при этом происходит в уносе, в шлаке же связывается лишь незначительная ее часть. При участии автора осуществлены исследования активных и дешевых сорбентов для аппаратной ступени сухой сероочистки генераторного газа. Впервые была экспериментально показана высокая эффективность применения доступных и дешевых железомарганцевых руд.

Впервые в отечественных исследованиях дана количественная оценка выбросам оксидов азота при сжигании генераторного газа после сухой его очистки и доказана осуществимость 2−3 кратного сокращения этих выбросов посредством ступенчатого (богато-бедного) сжигания генераторного газа в газотурбинной камере сгорания.

Проработаны и апробированы для слоевых газогенераторов две технологии производства гранул и брикетов из мелкозернистого топлива. Впервые в отечественных исследованиях экспериментально обоснована возможность применения газогенераторной смолы в качестве связующего вещества при производстве брикетов.

Впервые в отечественных исследованиях осуществлено изучение коррозионной стойкости широкого набора отечественных сталей и сплавов в среде генераторного газа и разработана методика расчета скорости коррозии низколегированных сталей в газогенераторных установках.

Предложенная технология газификации, газоочистки и сжигания синтез-газа внутри цикла ПГУ впервые апробирована на комплексной опытной установке при использовании углей с широким диапазоном изменения степени метаморфизма, а также горючих отходов. С применением данной технологии впервые разработано несколько проектов ПГУ и ГТУ-ТЭЦ мощностью 6−250 МВт, при этом расчетные показатели крупных ПГУ не уступают действующим западным аналогам при очевидном существенном снижении удельной стоимости.

Впервые экспериментально показана возможность получения редких элементов и полезных продуктов при использовании предложенной технологии.

Диссертационная работа выполнена во Всероссийском теплотехническом научно-исследовательском институте, который в течение многих лет является ведущей исследовательской организацией страны в теплоэнергетической отрасли и обладает лицензионными правами, системой контроля, приборным и методическим обеспечением и опытом исследований по всем аспектам представленной работы [7]. Достоверность ее результатов определяется наработанной Институтом методологией проведения научно-исследовательских работ и существующей системой обсуждения и контроля выпускаемой научно-технической продукции, применением проверенных методик проведения и обработки экспериментов, аттестованных приборов и средств измерений, повторением опытов для обеспечения надежного результата, опорой на фундаментальные законы и общепринятые теоретические положения при обработке и отбраковке результатов исследований, высокой квалификацией персонала, участвовавшего в проведении исследований. Достоверность обеспечивается также в основном экспериментальным характером рассматриваемой работы, в которой превалирующая часть результатов получена или обоснована опытным путем. Кроме того значительная часть этой работы выполнена в рамках государственных контрактов с Минпромнаукой (Роснаукой) при жестких условиях контроля качества НИОКР, заданных Государственным заказчиком.

Результаты работы использованы:

— в первом отечественном 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 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 изолированных районов страны, а так же для замены городских коте-лен (ВТИ, «Авиадвигатель», ПКБ ВТИ, СКБ ВТИ);

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

— при создании и испытаниях экспериментальной комплексной газифика-ционной установки с системами подготовки топлива, пылеи сероочистки генераторного газа и его сжигания с применением различных мер подавления >Юх.

Первую в России опытно-промышленную ПГУ с предложенной системой ВЦГ планируется создать в 2016 г. на Закамской ТЭЦ-5.

Результаты рассмотренных ниже исследовательских и проектно-конструкторских работ свидетельствуют о достаточно высоких экономических и экологических показателях парогазовых установок, использующих предложенную технологию, и существенное снижение их удельной стоимости в сравнении с освоенными западными аналогами, что может устранить основное препятствие для широкого коммерческого распространения ПГУ на твердом топливе. Поэтому разработанная технология претендует на широкое применение при замене устаревшего теплоэнергетического оборудования РФ, степень износа которого, как упоминалось, достигла критического уровня, а также модернизации действующих ТЭС. Имеется объективная возможность скорейшего коммерческого применения предложенной технологии за рубежом. Это касается энергетической газификации образовавшихся в Венесуэлле больших запасов нефтяного кокса, который является идеальным топливом для горнового газогенератора. В связи с указанным актуальность рассматриваемой разработки оценивается достаточно высоко.

Результаты работы доложены на десяти международных или общероссийских конференциях и семинарах, а также на научном совете РАН по комплексной проблеме «Теплофизика и теплоэнергетика».

По материалам диссертации выпущено 40 печатных работ, опубликованных в ведущих и рецензируемых научно-технических журналах и сборниках, а также депонированных в ВНТИЦкроме того получено 9 патентов на полезные модели и изобретения РФ и 1 авторское св-во СССРряд заявок находится на рассмотрении.

Автор осуществил выбор направления и постановку задач исследований, руководил большинством рассмотренных в диссертации научно-исследовательских и расчетно-аналитических работ, непосредственно участвовал в их проведении, а также выполнил научное сопровождение представленных конструкторских и проектных разработок.

В диссертации отражен личный научный вклад автора в проведенные исследовательские и проектно-конструкторских работы. В выполнении этих и сопутствующих работ принял участие ряд высококвалифицированных сотрудников и представителей руководства ВТИ и других институтов. Автор с признательностью отмечает тесную связь на ранней стадии разработки с яркими представителями научно-исследовательской школы ВТИ незабвенными д-ром техн. наук Бабием В. И., кандидатами техн. наук Ивановой И. П и Куваевым Ю. Ф., талантливым конструктором СКВ ВТИ Щукиным Е. В. Тесные деловые и дружеские отношения поддерживались с главным конструктором проекта СКБ ВТИ Нечаевым В. А. Благотворной и далеко не исчерпанной явилась связь с зав. лабораторией ВТИ канд. техн. наук Березинцом П. А., научн. рук. Теплотехнической лабораторией СибВТИ д-ром техн. наук Алехновичем А. Н., зам. гл. инженера Всероссийского научно-исследовательскго института минерального сырья канд.техн.наук Крыловым И. О. Особую благодарность автор испытывает к своим постоянным помощникам, настоящим мастерам разноплановой исследовательской работы, сотрудникам бывшего цеха стендов Зуевской экспериментальной ТЭЦ Абросимову A.A. и Шахову М. И., без активного многолетнего участия которых в создании, модернизациях и исследованиях комплексной опытной газификационной установки, выдумке и находчивости в критических ситуациях не состоялась бы представленная работа. Автор отмечает плодотворное сотрудничество с вед. научным сотр. ОЗА канд.техн.наук Епихиным А. Н и выражает теплые чувства заведующему лабораторией ВТИ Сомову A.A. и научному сотруднику Заикину A.A. за активное участие и большую помощь в работе.

Автор благодарен судьбе за выпавшую возможность проведения ряда работ по рассматриваемой тематике под руководством бывшего Генерального директора, ныне Президента ВТИ, член-кор. АН РФ Г. Г. Ольховского, благодаря подвижничеству и таланту которого был сохранен потенциал Института в «перестроечные» годы и, вместе с тем, обеспечена возможность осуществления представленной разработки.