На рисунке ниже приведена блок-схема двухстадийного технологического процесса КСД-технологии второго поколения компании Foster Wheeler. Исходный уголь с добавкой сорбента подают в ПКСД-карбонизатор, где происходит частичная воздушная газификация и пиролиз частиц угля, сопровождающиеся разработкой их внутренней поверхности, в топливный газ переходят практически все летучие и часть фиксированного углерода. Одновременно с этим в карбонизаторе идет связывание серы.
Полученный низкокалорийный высокотемпературный топливный газ, очищенный от твердых частиц в горячем фильтре, с вы хода карбонизатора поступает в камеру сгорания газовой турбины, а коксозольные частицы и частицы сорбента — в нижнюю часть ЦКСД-реактора, где происходит их горение в кипящем слое и надслоевом пространстве.
С выхода циклона ЦКСД-реактора высокотемпературные дымовые газы, отделенные от летучей золы, а затем очищенные в горячем фильтре, поступают в камеру сгорания газовой турбины, где повышают температуру низкокалорийной газовой смеси, сжигаемой в воздушной среде. В газовой турбине большая часть тепловой энергии газов превращается в электрическую энергию генератора, а также потребляется напорным компрессором газовой турбины для поддержания необходимого рабочего давления в системе. Остаток тепловой энергии газы отдают на подогрев пара и питательной воде, после чего, пройдя санитарную очистку, удаляются через дымовую трубу.
Перегрев насыщенного пара и пара происходят в теплообменнике кипящего слоя, размещенном в тракте возврата твердых частиц из циклона в топку. Изменение нагрузки установки регулируют расходом топлива и воздуха.
Для отработки предложенной технологической схемы в США под техническим руководством компании Foster Wheeler создается серия разномасштабных пилотных и демонстрационных установок: пилотные установки мощностью до J МВт в научном центре Foster Wheeler в г. Ливингстон (шт. Нью-Джерси); пилотная установка электрической мощностью 7 МВт в Wilsonwille (шт. Алабама); демонстрационная установка (электрическая мощность 240 МВт) в Lakeland (шт. Флорида) (проект “McIntosh Unit 4В PCFB”).
На установках в г. Ливингстон отрабатывались конструктивные элементы и технологические процессы в карбонизаторе, ЦКСД-реакторе, камере сжигания газовой турбины.
Карбонизатор представляет собой газификатор ПКСД внутренним диаметром 254 мм в нижней части и высотой 9144 мм, в котором происходит частичная воздушная газификация и пиролиз топлива, а также связывание серы топлива до CaS. Уголь и сорбент (доломит или известняк), раздробленные до 3,2 мм и высушенные, пневматически подавались в карбонизатор через центральное сопло, иногда добавлялся водяной пар. Рабочее давление в карбонизаторе — от 1,013 до 1,418 МПа, диапазон рабочих температур слоя — от 816 до 922 °С, скорости га-
за — 0,91 и 1,1 м/с, относительный расход пара — от 0 до 0,4 кг/кг угля. Относительная геплота сгорания получаемого топливного газа (по высшей теплоте сгорания угля) зависела от температуры и изменялась от 0,23 (при температуре слоя 822 °С и степени конверсии углерода 0,30) до 0,32 (при температуре слоя 978 °С и степени конверсии углерода 0,50).
Пилотная установка проработала около 533 ч. Результаты экспериментов показали, что для частиц нефтяного кокса, каменного и суббитуминозного углей (зольностью до 15%) не обнаружено паров смол в коксозольных частицах и топливном газе для температур 816—982 °С, при 871—982 °С не наблюдалась агломерация частиц даже для битуминозного угля; в карбонизаторе до 96 % серы связывается сорбентом.
Реактор ЦКСД, включающий топку с внутренним диаметром 203 мм и высотой 8687 мм, циклон и теплообменник кипящего слоя, построен компанией Foster Wheeler для опытного сжигания углей и коксов в диапазоне давлений 0,7—1,4 МПа и температур 843—954 °С. Уголь, сорбент и первичный воздух вводились через центральное сопло в топку кипящего слоя. В кипящем слое и надслоевом пространстве протекало горение угольных частиц и связывание серы. На высоте 3810 мм в надслоевое пространство подавался вторичный воздух. После циклона дымовые газы направлялись на очистку в керамический фильтр, а твердые частицы через J-клапан — в теплообменник кипящего слоя. В теплообменнике горячие твердые частицы отдавали тепло водоохлаждающему пучку труб, и большая их часть через L-клапан попадала обратно в кипящий слой. Всего на установке было проведено 23 пуска и отработано более 300 ч. Размер твердых частиц составлял, как и для карбонизатора, от 0 до 3.2 мм. Скорость ожижаюшего газа в кипящем слое — от 1,22 до 1,83 м/с, после ввода вторичного воздуха она увеличивалась до 3,05—3,66 м/с. Коэффициент избытка воздуха изменялся от 1,30 до 1,90, степень стехиометрии по первичному воздуху — от 60 до 100 %. Расход циркуляционного материала изменялся в 10 раз — от 0,252 до 2,520 кг/с. Исследования сжигания в ЦКСД каменных, суббитуминозных углей и кокса после карбонизатора показали следующее:
- степень конверсии углерода была более 99,5 %;
- выбросы СО для всех исследуемых видов топлива не превышали 8,6 мг/ГДж;
- степень связывания серы превышала 96 % при значениях отношения Ca/S от 1:1 до 2:1;
- для Rcex рабочих параметров степень стехиометрии по первичному воздуху оказывает наибольшее влияние на образование NOx;
- для коксов степень превращения CaS в CaS04 составляла от 68 до 82 %.
Для сжигания низкокалорийного топливного газа была разработана камера сгорания, позволяющая сжигать газ с низшей теплотой сгорания порядка 4,74 МДж/кг с низким выходом оксидов азота. Она была испытана при сжигании газовой смеси (метан — 11,60, водород — 8,95 и азот — 79,35 %), подобной топливному газу из карбонизатора и ЦКСД-реактора. Результаты испытаний показали, что устойчивое горение наблюдалось при температуре 1288 °С, степень конверсии углерода превышала 99 %, так же, как и в металле, который установлен в новый трактор ЧТЗ.
В конце 1994 г. компания Foster Wheeler собиралась осуществить испытания полной схемы ЦКСД в г. Ливингстон тепловой мощностью 2,5 МВт с использованием топлива в виде водоугольной пасты и испытанием системы транспортировки частиц из карбонизатора в ЦКСД-реактор.
Компанией Southern Company Services в Wilsoville по данной технологии сооружалась пилотная установка электрической мощностью 7 МВт, рассчитанная на длительную эксплуатацию и оснащенная фильтром горячей очистки газов. Внутренние диаметры карбонизатора и реактора ЦКСД увеличены до 914 и 838 мм соответственно. При полной нагрузке установка должна потреблять 2,48 т/ч каменного угля Illinois № 6. Полная стоимость проекта — 145 млн дол. США. Пуск был назначен на 1995 г.
Двухстадийная технологическая схема сжигания угля/кокса в ЦКСД и его пиролиз/газификация, объединившая указанные элементы, представлена на рис. 5.4 и изначально разработана компанией Ahlstrom. Отличие схем Foster Wheeler от Ahlstrom состояло лишь в использовании различных типов ЦКСД-реакторов.
В настоящее время реализация указанной двухстадийной технологической схемы с КСД второго поколения планируется в рамках двух объединенных проектов “McIntosh Unit4A PCFB” и “McIntosh Unit4B PCFB”. Первый предполагает строительство ЦКСД-блока электрической мощностью 137 МВт и испытание керамических фильтров, второй — использование карбонизатора для производства топливного газа и его последующего сжигания в камере сгорания (при 1290 °С) на входе в газовую турбину. Общая электрическая мощность ТЭС должна составить 240 МВт (нетто) при КПД 40,6 % по высшей теплоте сгорания, в том числе ГТУ — 58 МВт (брутто), ПТУ — 207 МВт (брутто) за исключением собственных нужд — 25 МВт [102]. Как отмечалось, проект образован в результате объединения ранее планировавшихся: DMEC-1 и Four Rivers Energy Modernization Project. Реализацию планировали осуществить в течение 10 лет начиная с 1999 г. На данный момент статус проекта не определен из-за экономических и технических сложностей.
В настоящее время указанные технологические схемы находятся лишь на стадии опытной проверки и отработки элементов на экспериментальных стендах.
К преимуществам данных схем следует отнести более эффективное использование широкого спектра углей и высокий КПД процесса. Недостатки связаны с усложнением технологической схемы за счет дополнительных узлов: карбонизатор, камера сгорания газовой турбины, система подачи под давлением частиц кокса из карбонизатора в реактор.
Использование в технологических схемах “Pyroflow” и “Foster Wheeler” ПКСД карбонизатора позволит сжигать ВЗУ, однако открытым (для “Pyroflow’’) останется вопрос о типе подачи топлива — пневматически или в виде пасты: для низкореакционных ВЗУ (типа антрацитов) более приемлема пневматическая подача. Размещение по технологии “Foster Wheeler” пароперегревающих поверхностей в тракте возврата может приводить к захолаживанию рециркулирующего КЗО, что нежелательно для сжигания высокозольных антрацитов. Более предпочтительной была бы схема “Pyroflow”. Адаптация технологии второго поколения ЦКСД к украинским низкосортным углям требует дополнительных исследований.