В научно-исследовательском центре фирмы Hans Ahlstrom Research в г. Karhula (Финляндия) с 1968 г. началась разработка технологии сжигания углей в кипящем слое. В 1976 г. возникла идея использования для сжигания углей в ЦКС (технология “Pyroflow”). Следующим этапом развития стал ЦКСД. С этой целью в г. Karhula в 1989 г. была создана пилотная ЦКСД установка тепловой мощностью 10 МВт.
Технология ЦКСД “Pyroflow”. В ЦКСД-цикле воздух, сжатый компрессором газовой турбины, подается в корпус высокого давления и ЦКСД-топку. Предварительно смешанный с водой уголь и известняк в виде пасты поступают в топку, где происходит сжигание смеси при температуре Т= 860…880 °С и рабочем давлении Р= 1,2…1,6 МПа. В этих условиях достигается почти стопроцентная конверсия углерода топлива при низком коэффициенте избытка воздуха. Ширмовые экраны, расположенные в верхней части топки, используются для перегрева пара (возможен и пром перегрев). Перегретый пар поступает в паровую турбину, где вы рабатывается около 80 % общей производимой электроэнергии.
КЗО вместе с продуктами сгорания из верхней части ЦКСД-топки поступает в горячий циклон, где происходит сепарация газовой и твердой фаз. Уловленный в циклоне КЗО по тракту рециркуляции возвращается в нижнюю часть гоп км, а дымовые газы с выхода циклона идут в керамический фильтр, где очищаются от твердых частиц до уровня 5 мг/нм3. Затем они направляются на вход одновальной газовой турбины, где отдают большую часть своей тепловой энергии на выработку электроэнергии и сжатие воздуха напорным компрессором. Остаточное тепло дымовых газов утилизируется при нагреве пара и питательной воды.
Мощность блока регулируется изменением расхода угля и воздуха в ЦКСД-топке, а не изменением высоты слоя, как в ПКСД, а также соотношением первичного и вторичного воздуха. Диоксид серы связывается при реагировании с известняком или доломитом, подаваемым в топку вместе с углем. Выбросы оксидов азота уменьшаются за счет ступенчатого ввода воздуха и могут быть еще более снижены путем инжекции аммиака в топку.
Преимуществами технологии ЦКСД “Pyroflow” служат лростота технологической схемы, низкие значения коэффициентов избытка воздуха и расхода сорбента для связывания серы, отсутствие теплообменных поверхностей в горячем циклоне, т. е. отсутствие захолаживания коксозольных частиц в тракте возврата, что делает возможным сжигание низкореакционных углей типа антрацитов и тощих Недостатки: захолаживание продуктов сгорания в верхней части ЦКСД-топки из-за размещения ширмовых пароперегреваюших поверхностей, что снижает температуру дымовых газов на входе газовой турбины, абразивный износ ширмовых поверхностей в топке. Для низкореакционных углей зольностью выше 30—35 % подача топлива в виде водоугольной пасты проблематична, а поэтому целесообразен пневматический ввод.
На пилотной установке, работающей по рассмотренной схеме, в г. Karhula (начиная с 1989 г.) были проведены тестовые испытания различных углей и сорбентов применительно к технологии ЦКСД “Pyroflow” обшей продолжительностью более 6000 ч. Позднее были проведены успешные испытания горячего фильтра для очистки дымовых газов от твердых частиц фирмы Westinghouse.
При тестовых испытаниях степень конверсии углерода каменных и суббитуминозных углей зольностью 9—15 % была выше 0,998 при низком коэффициенте избытка воздуха (1,10). Содержание серы в исследуемых углях изменялось от 0,43 до 3,5 % (на сухую массу). Для высокосернистых углей связывание 90 % серы достигалось при мольном отношении Ca/S = 1,15. Для связывания 95 % серы отношение Ca/S увеличивалось до 1,4—1,5. Для большинства проведенных опытов был достигнут уровень связывания серы 98—99 %.
Технология ЦКСД “Circofluid”, созданная консорциумом немецких фирм во главе с Deutsche Babcock Energie und Umwelt-technnik AG (теперь часть LLB) для сжигания каменных и бурых углей, была модернизирована для сжигания углей под давлением.
в рамках работ по созданию ПГУ на твердом топливе. С этой целью, начиная с 1985 г., фирмой Deutsche Babcock проводился цикл расчетных и экспериментальных исследований по разработке технологии ЦКСД “Circofluid”. В отличие от ЦКСД “Руroflow” в технологической схеме ЦКСД “Circofluid» пароперегревающие поверхности располагаются в тракте рециркуляции, тем самым захолаживая возвращаемый КЗО до температур 450—600 °С, что крайне нежелательно при сжигании низкореакционных ВЗУ типа антрацитов.
В технологии ЦКСД “Circofluid” потребовалось иначе, чем при атмосферном давлении организовать процесс сжигания, циркуляции и теплообмена в ЦКСД-котле. Следовало обеспечить подачу топлива и сорбента в топку под давлением; добиться постоянства температуры дымовых газов (выше 850 °С) при изменяющейся нагрузке энергоблока для эффективной работы ; обеспечить качественную очистку дымовых газов от летучей золы (уноса) в горячем фильтре для длительной работы лопаток газовой турбины.
Поэтому в ЦКСД топке “Circofluid” зона горения и зона теплопередачи для пароводяного цикла разделены. Уголь с частицами размером 0—10 мм в виде пасты с содержанием воды около 20—25 % и известняк подаются в топку с рабочим давлением 1,2—1,4 МПа. В нижней части топки формируется кипящий слой высотой 1,5—2,0 м. Горение угольных частиц и связывание серы протекает как в кипящем слое, так и в надслоевом пространстве. Дымовые газы с летучей золой попадают в несколько трактов рециркуляции, где в высокотемнера турных фильтрах (ВТФ) происходит разделение коксозольных частиц и дымовых газов с очисткой последних от твердых частиц до уровня менее 5 мг/м3 и диаметром менее 5 мкм. Очищенные дымовые газы поступают на вход газовой турбины, где при расширении отдают свое тепло на выработку электроэнергии и поддержание компрессором рабочего давления. Остаток тепловой энергии дымовых газов утилизируется в . Твердые частицы в тракте рециркуляции охлаждаются, отдавая свое тепло на нагрев пара, после этого большая часть их возвращается в топку. В отличие от схемы ЦКС “Circofluid” при атмосферном давлении, где основные пароперегревающие поверхности расположены в верхней части топки, в ЦКСД-технологии “Circofluid” для стабильной работы газовой турбины отбор тепла на перегрев пара происходит уже в тракте рециркуляции коксозольных частиц. Нагрузка котла регулируется расходом топлива и воздуха.
Для оптимального связывания серы топлива известняком в топке устанавливается температура 850 °С. Рециркулирующий КЗО имеет температуру около 450 °С. Относительно низкая температура рециркулирующего КЗО по сравнению с другими технологиями сжигания в ЦКСД позволяет установить кратность рециркуляции не выше 25. Таким образом, в топке поддерживается относительно низкий уровень потери давления воздуха.
Многоступенчатый ввод воздуха в топку и сравнительно низкая рабочая температура процесса (850 °С) снижают выбросы оксидов азота до европейских экологических норм (менее 300 мг/нм3) без использования ввода аммиака. Расход первичного воздуха на ожижение слоя составляет около 60 % общего расхода. Вторичный воздух вводится в двух точках (по 20 % общего расхода) Общий коэффициент избытка воздуха по технологии «Circofluid” не превышает 1,20—1,30.
При строительстве любых энергоблоков, в том числе и работающих на сжигании угля в ЦКС, требуется выбрать трансформатор масляный (ТМ). Компания Элком имеет большой опыт по разработке трансформаторов.