Размещено на http://www.allbest.ru/

Безотходная ТЭС с газификацией твердого топлива в барботируемом шлаковом расплаве

А.В. Андрюшин, Б.Б. Мадоян, С.В.Мезин

Московский энергетический институт (технический университет) (1)

Южно-Российский государственный технический университет, Новочеркасск (2)

АННОТАЦИЯ

В статье дано краткое описание установки, основой которой является газификация твердого топлива в шлаковом расплаве. Установка обеспечивает многоцелевое безотходное экологически чистое использование угля.

Структура потребления энергоресурсов в течение 15-20 лет вряд ли изменится, даже несмотря на ускоренное развитие альтернативных видов и источников энергии.

Реально существующая обстановка в мировой практике с учетом роста стоимости газа до уровня европейских цен является устойчивой экономической предпосылкой увеличения использования угля для производства электроэнергии в ближайшей, средней и далекой перспективе.

Технология газификации угля имеет стратегическое значение для России, поскольку наша страна располагает более 20 % мировых запасов угля. До настоящего времени в России пока не создано ни одной промышленной энергетической установки с газификацией угля полного цикла.

Применяемые до настоящего времени в мировой практике традиционные технологии сжигания твердого топлива, включая технологии с кипящим, циркулирующим и другими способами сжигания угля приводят к накоплению миллионов тонн выбросов в виде породы, шлама, золы и шлака. После добычи угля в шахте и подачи на поверхность (гора) часть его «негорючей» (минеральной) массы складируется в терриконах (до 30 %), а остальной уголь направляется на обогатительные фабрики и только после обогащения и удаления шлама (15 %) попадает на электростанцию, что составляет около 50 % по массе добытого на шахте первичного продукта. В процессе сжигания на золошлакоотвалах электростанций захороняется еще около 20 % минеральной части твердого топлива.

Все существующие угольные технологии сжигания твердого топлива основаны на принципе одноцелевого использования угля. Их недостатками являются:

- потребность в предварительном обогащении углей;

- установка дорогостоящих и громоздких систем топливо- и пылеприготовления и пылеподачи;

- организация системы золошлакоудаления и строительства золошлакоотвалов, мест захоронения миллионов тонн твердых, илистых и жидких отходов;

- строительство дорогостоящих систем очистки уходящих газов от пыли, оксидов серы и азота.

Основной задачей вновь разрабатываемых инновационных технологий, в том числе и в энергетике, являются кардинальное изменение в подходе к использованию природных ресурсов и сведение до минимума отрицательного воздействия производства на окружающую среду.

Концепция развития угольной электроэнергетики должен заключаться в обеспечении комплексного использования твердого топлива, включая не только органическую, но и всю минеральную часть.

На наш взгляд, в настоящее время одним из наиболее перспективных вариантов технологии газификации угля является инновационная многоцелевая, безотходная, энергосберегающая и экологически чистая технология газификации твердого топлива любого качества в барботируемом парокислородным дутьем шлаковом расплаве.

Метод газификации угля в шлаковом расплаве основан на использовании элементов широко применяемого в металлургии для производства цветных металлов и чугуна процесса плавки в жидкой ванне на барботажных агрегатах. При использовании технологии газификации в шлаковом расплаве на барботажных агрегатах металлургического профиля режим газификации угля является режимом холостого хода.

На Несветай ГРЭС в Ростовской области на рубеже тысячелетий были начаты работы по созданию установки с газификацией угля в шлаковом расплаве. Проект разрабатывался совместно НИИЭПЭ, НПО «Алгон», МИСИС, Гинцветмет, Стальпроект, ОАО ТКЗ «Красный котельщик» и др. К сожалению, из-за финансовых проблем работы по созданию этой установки были прекращены.

Основной отличительной особенностью многоцелевого использования угля в установках с шлаковым расплавом является подача всего без исключения добытого на шахте рядового твердого топлива на электростанцию. При этом электростанция становится комплексным предприятием, удовлетворяющим потребности разнообразных потребителей: кроме электроэнергии, тепла и пара покрываются потребности в строительной продукции (строительные блоки, шлакоситалл, щебень и др.), полиметаллическом сырье, азоте и аргоне. Происходит одновременное совмещение таких технологических и трудоемких процессов, как обогащение и шихтование угля, его дробление, очистка газов от пыли и оксидов азота и серы технологическим путем и переработка твердых отходов в полезную товарную продукцию.

Суть технологии заключается в организации процесса газификации угля в объеме собственного жидкого шлака, который барботируется обогащенным кислородом дутьем. Процесс реализуется в специальной камере-газификаторе, являющейся составной частью энергетического котла-утилизатора. Уголь в расплав попадает без какой-либо предварительной подготовки. С помощью фурм-горелок слой шлака продувается обогащенным дутьем, благодаря чему он поддерживается в состоянии газошлаковой эмульсии. В целях связывания серы и обеспечения определенных вязкостных характеристик расплава к углю добавляется известняк. Термическое дробление топлива и окислителя, а также обогащение топлива, заключающееся в выделении чистого свободного углерода на поверхности расплава, осуществляется в процессе газификации в турбулентно перемешивающейся эмульсии топлива, «растворителя», роль которого играет известняк, дутья и шлака. При этом жидкий шлак является теплоносителем. Технологически кислородосодержащее дутье вводится под избыточным давлением в расплав шлака, энергично перемешивает его, в результате чего создается газонасыщенный слой гетерогенного расплава. Содержание нерасплавленного угля в зоне подачи максимальное. В процессе плавления его содержание уменьшается и в конечной зоне достигает нуля. Общая высокая энергоемкость процесса газификации угля в шлаковом расплаве обуславливается большими температурными градиентами в рабочем объеме камеры. Газожидкостная шлаковая эмульсия обеспечивает идеальные условия тепломассообмена и контакта всех компонентов расплава, в том числе части углерода с окислителем. Выделенный в чистой форме и неокислившийся углерод в связи с низким удельным весом всплывает и концентрируется на поверхности расплава, где и осуществляется последующая его газификация. Выходящий генераторный газ дожигается в топке расположенного над камерой-газификатором котла.

При барботировании расплава кислородосодер-жащим дутьем в камере-газификаторе шлак претерпевает сложные физико-химические превращения с восстановлением металлов и накоплением их в донной части камеры. Этот так называемый тяжелый шлак представляет собой чугун или полиметалло-концентрат, что делает эффективной дальнейшую переработку данного ценного сырья на предприятиях черной и цветной металлургии. Тяжелый шлак сливается из камеры-газификатора периодически в изложницы разливочной машины, где охлаждается, затем направляется в виде отдельных чушек на склад готовой продукции. Легкий шлак, состоящий из оксидов кремния, кальция, алюминия, магния, натрия и калия, сливается из верхней части ванны камеры-газификатора и поступает на установки переработки его в товарную продукцию.

Технологическая схема газификации угля в шлаковом расплаве состоит из следующих структурных элементов: топливоподачи; котла-утилизатора с камерой-газификатором; воздухоразделительной (кислородной) станции; системы подготовки и подачи дутья; системы подготовки воды и переработки жидких стоков; системы охлаждения газификатора и подачи газа на его пуск; устройств подготовки и переработки «легкого» шлака в промышленную продукцию (шлакоситалл, шлакощебень, строительные блоки и др.); устройство приема и брикетирования полиметаллических отходов с содержанием 90-95 % железа. Благодаря наличию кислородного дутья и поддержанию восстановительной среды в зоне газификации угля при умеренном уровне температур в зоне дожигания генераторного газа выход оксидов азота не превышает 50-150 мг/нм . Технология газификации твердого топлива позволяет за счет изменения количества подаваемого известняка регулировать переход сернистых соединений в жидкую фазу (шлаки). При этом концентрация оксидов серы в уходящих газах не превышает 300-400 мг/нм3. Основной ступенью очистки дымовых газов от золы является шлаковый расплав, в котором улавливается около 98-99,5 % минеральной части топлива. Концентрация летучей золы в уходящих газах не превышает 30 мг/нм3.

Таким образом, технология газификации угля в барботируемом парокислородным дутьем шлаковом расплаве имеет ряд важных преимуществ:

* возможность использования любых низкосортных и непроектных углей независимо от их марки и качества;

* реализация максимальной концентрации технологического процесса в условиях идеального смешивания жидких, твердых и газообразных компонентов;

* безотходность по золошлакам, которая обеспечивается переводом практически всей минеральной части топлива в расплав и возможностью корректировки его состава в целях вторичной переработки;

* восстановление и вывод из расплава черных и цветных металлов;

* высокая экологическая чистота, особенно по твердым выбросам и оксидам азота;

* возможность регулирования за счет изменения количества подаваемого в расплав известняка перехода сернистых соединений в газообразную (дымовые газы) или жидкую (шлаки) фазу и связывания шлаком до 90 % серы топлива;

* отсутствие громоздких систем топливоприготовления, пылеподачи и золоочистки; отсутствие золоотвала;

* широкая реализация дефицитных попутных газов кислородной станции (азота, аргона) для нужд предприятий региона;

* высокая экономическая эффективность, в том числе за счет дальнейшего расширения ассортимента реализуемой продукции из минеральной части топлива.

Эффективность инвестиционных проектов энергоустановок с газификацией угля в шлаковом расплаве может быть резко повышена при использовании получаемого генераторного газа в циклах парогазовых установок (ПГУ).

Наибольшая эффективность энергоустановок с этой технологией достигается при организации интегрированных комбинированных производств многоцелевого использования твердого топлива и переработке шлака в такие виды продукции, в которых его высокие потребительские качества используются с максимальной эффективностью.

Освоение и применение данной технологии в электроэнергетике позволяет осуществить комплексное безотходное использование всей органической и минеральной массы угля как ценного природного сырья для производства не только энергетической, но и других, пользующихся широким спросом, видов товарной продукции и тем самым значительно повысить эффективность использования угля в целом.

уголь газификация электроэнергетика расплав

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Андрюшин А.В., Мадоян А.А. Перевод угольной энергетики на новую модель технологической инновации с обеспечением полной безотходности и ресурсосбережения. Теория и практика построения и функционирования АСУ ТП // Труды Международ, научн. конф. «CONTROL 2008». 2008. С. 132-134.

2. Мадоян А.А., Балтян В.Н. Энергетическая опытно-промышленная установка (ОПУ) с безотходной экологически чистой технологией сжигания угля в шлаковом расплаве как новое направление эффективного многоцелевого использования низкосортных твердых топлив // ТЭК. 2002. № 4. С. 52-54.

3. Труды конференции «Повышение надежности и эффективности эксплуатации электрических станций и энергетических систем», 2010 г., МЭИ, http://www.energy2010.mpei.ru

Размещено на Allbest.ru