В аппаратах с кипящим слоем газификация угля происходит при значениях температуры, меньших значений температуры плавления золы, а также при благоприятных условиях для тепло- и массообмена (при практически постоянной температуре по высоте слоя). Сравнительно низкие значения температуры процесса позволяют уменьшить выбросы оксидов азота, а также способствуют оптимальному связыванию серы за счет добавления известняка (или доломита). Установки с кипящим слоем работают с сухим золоудалением. Различают следующие виды газификаторов с кипящим слоем: с пузырьковым, расширяющимся и циркулирующим кипящим слоем.
Газификаторы с кипящим слоем могут работать как на воздушном, так и на кислородном дутье. Выбор дутья зависит в основном от подготовки и способа подачи топлива в реактор. При использовании в качестве топлива водоугольной суспензии (ВУС), газификацию проводят на кислородном дутье. Если топливо вводится в реактор сухим способом, то в качестве газифицирующих агентов используют воздух или парокислородную смесь.
В настоящее время в мире созданы следующие технологии газификации углей в КСД и ЦКСД по методу: высокотемпературного процесса Винклера (проект ПГУ КоВга); U-Gas (проект ПГУ Toms Creek); KRW (проект ПГУ Pinon Pine).
Газификация в КСД по методу высокотемпературного процесса Винклера (ВПВ) представляет собой дальнейшую разработку процесса газификации угля в кипящем слое при атмосферном давлении по методу Винклера.
Топливо газифицируется на воздушном или кислородном дутье с добавлением водяного пара при температурах ниже точки размягчения золы. Уголь вводится в газификатор с помощью шлюзовой системы. Газифицирующий агент поступает в реактор на различных уровнях по высоте кипящего слоя и в зону пневмотранспорта.
В кипящем слое частично окисляется взвешенный углерод, летучие после выхода разлагаются на СО, Н2 и СН4. Газификация КЗО происходит как в верхней части кипящего слоя, так и в надслоевом пространстве. Основная часть уноса улавливается из необработанного газа в горячем циклоне и возвращается в кипящий слой через тракт возврата. Собирающийся на дне реактора КЗО и зола удаляются через шлюзовую систему, расположенную под газификатором.
Разработкой процесса ВПВ занимались фирмы Reinbrown и Ugde. В 1989 г. фирма Reinbrown запустила установку для газификации угля в ЦКСД (Р= 2,5 МПа) производительностью до 8 т/ч бурого угля. Ее испытания показали, что при использовании кислородного дутья можно достичь удельной производительности 2200 кг/(м2-ч) при давлении 2,5 МПа.
На основании проведенных работ около г.Кельн на новой ТЭС строится ПГУ электрической мощностью 394 МВт с внутрицикловой газификацией угля в ПКСД по методу ВПВ (проект “КоВга”):
В предлагаемой установке будет проводиться размол бурою угля до d — 0..-6 мм. Паровая сушка осуществляется в двух аппаратах кипяшего слоя до влажности 12 %. Подача угля в реактор планируется через три шлюзовые системы. КЗО из реактора выводится через шлюз, охлаждается и подается в ЦКС-котлоагрегат, работающий при атмосферном давлении. Необработанный газ последовательно охлаждается в двух теплообменниках (в пер вом — с 920 до 440 °С, во втором — с 440 до 270 °С), где производится пар высокого и среднего давлений. Очистка газообразных продуктов газификации от пыли и серы будет осуществляться за счет скрубберной отмывки с содержанием твердых частиц после нее не более 5 мг/нм3. Ожидаемые выбросы S02 и NOx — по 80 мг/нм3 (при 15 % 02). Проектная электрическая мощность (в МВт) блока — 394, в том числе ГТУ — 212, ПТУ — 182 (27 МВт будет вырабатываться за счет дожигания КЗО и пыли в ИКС-котле), КПД ПГУ — около 45 %.
Пуск установки был намечен на 1997 г., однако из-за необходимости отработки элементов схемы и финансовых трудностей был перенесен на 2001 г.
Газификация в кипящем слое по метолу «U-Gas».
Разработчик технологии «U-Gas» — Институт газовых технологий в г. Чикаго (США). При отработке технологии «U-gas» использовались каменный и бурый уголь, а также металлургический кокс. Основные исследования были осуществлены на пилотной установке тепловой мощностью 10 МВт с расходом угля до 2 т/ч. Процесс газификации угля под давлением 3,0 МПа и горячая система сероочистки также проверялись на аналогичной пилотной установке тепловой мощностью 15 МВт, построенной фирмой Tampella в Финляндии.
Данные исследования предшествовали разработке проекта ПГУ “Toms Creek*. Цель проекта — отработка технологии газификации угля в КСД на воздушном дутье для ПГУ с горячей очисткой газа от пыли и серы, а также испытание горячей сероочистки газов в кипящем слое титаната цинка.
Угольные частицы, максимальный размер которых 6 мм (средний — от 1 до 1,5 мм), сушатся до содержания влаги менее 5 %, после чего подаются в газификатор КСД вместе с сорбентом (доломитом). Газификация топлива происходит в реакторе при температуре 900—1040 °С и давлении 2,2 МПа.
До 85 % соединений серы планируется связывать в КСД за счет ввода сорбента, а около 10 % — в системе горячей сероочистки. Выносимые с газом твердые частицы собираются в двух ступенях циклонов. С выхода вторичного циклона низкокалорийный газ с температурой 980—1000 °С охлаждается в теплообменнике до 540 °С и поступает на вход системы сероочистки.
Система сероочистки состоит из двух реакторов кипящего слоя: в первом из них происходит поглощение серы в кипящем слое титаната цинка (ZnTi), во втором — его частичная регенерация. С выхода системы сероочистки газы идут на очистку от пыли в керамических фильтрах, откуда очищенный газ поступает в камеру сгорания газовой турбины. Продукты сгорания с выхода направляются в котел-утилизатор, где вырабатывается пар для ПТУ и для газификатора в виде газифицирующего агента.
Проектная электрическая мощность ПГУ — 55 МВт (на ГТУ) расход угля — 19 т/ч. Пуск установки — 1998 г. Экономические и экологические показатели процесса газификации в КСД планируется определить в процессе демонстрационной эксплуатации.
Газификация в КСД по методу KRYV.
Разработчик газификации угля по методу KRW — компании M.W. Kellogg-Rost-Wes-tinghouse. Создание технологии осуществляется в сотрудничестве с компанией Foster Wheeler.
Подсушенный и измельченный уголь вместе с известняком подается пневматически в центральную нижнюю часть КСД-газификатора. Реактор постоянно расширяется по направлению к выходу синтез-газа. Температура слоя регулируется изменением подаваемого в газификатор воздуха и пара. Температура слоя должна измеряться диагностическим оборудованием. Часть КЗО возвращается в газификатор посредством циклона. С выхода циклона низкокалорийный газ охлаждается в теплообменнике с 930 до 590 °С. Высокотемпературная очистка газа от пыли происходит в керамических фильтрах, а остатки серы удаляются в ходе реагирования с сорбентом на основе оксида цинка (типа Z-Sorb).
Эта технология положена в основу проекта ПГУ “Pinon Pine”, сооружаемой в г. Рено (Невада, США). Цель проекта состоит в демонстрации технологии внутрицикловой газификации угля в КСД на воздушном дутье, а также в отработке системы горячей серо- и пылеочистки газов. Электрическая мощность ПГУ — 107 (брутто) или 99 МВт (нетто), в том числе ГТУ — 61, ПТУ — 46 МВт, производительность газогенератора по углю — 44 т/ч при давлении 2,0 МПа. Исходным сырьем для газификации служит каменный уголь штата Юта (США) с содержанием серы от 0,5 до 0,9 %. Пуск установки произошел в январе 1998 г. с запланированным окончанием демонстрационной эксплуатации в январе 2001 г. Пуски газификатора в 1998—99 гг. были сопряжены со значительными трудностями. Его устойчивая непрерывная работа была достигнута в течение всего лишь 7 ч. На настоящий момент проект завершен, полной информации о его результатах не имеется.
Следует отметить, что, несмотря на несомненные преимущества технологий внутрицикловой газификации углей в КСД и ЦКСД для ПГУ на твердом топливе, они достаточно сложны, и отдельные элементы схем требуют отработки. Это также касается необходимости учета качества топлива (зольность, выход летучих, содержание серы) при создании той или иной технологии. Resursgrup.ru
Тем не менее возникшие проблемы не помешали Министерству энергетики США запланировать реализацию девяти проектов ПГУ с внутрицикловой газификацией углей в КСД и ЦКСД электрической мощностью от 40 до 550 МВт в период до 2010 г.