Настоящее изобретение относится к способам и устройствам получения электрической энергии путем газификации конденсированных топлив, последующего сжигания получаемого горючего газа с передачей вырабатываемого тепла рабочему телу газовой турбины, приводящей в действие электрический генератор, причем часть горючего газа используется в качестве топливного газа турбины.
Под конденсированными топливами в данной заявке подразумеваются содержащие свободный или химически связанный углерод материалы любого происхождения, например, ископаемые топлива (уголь, торф, сланцы, битуминозные пески, нефть), промышленные отходы (отходы углеобогащения или углепереработки, зола уноса ТЭЦ, древесные отходы, отходы биомассы, отходы нефтепереработки, шламы, резинотехнические отходы), коммунальные отходы (илы полей фильтрации, бытовой мусор). Предлагаемые способ и устройство позволяют использовать в качестве топлив для получения электроэнергии широкий спектр материалов, существенно различающихся по составу и свойствам.
Среди известных методов получения электроэнергии из конденсированных топлив наиболее перспективным считается так называемый метод IGCC (Integrated Gasification and Combined Cicle) - газификация топлива с получением электроэнергии в комбинированном цикле (газификатор - газовая турбина - паровая турбина). Как отмечено в материалах Программы чистых угольных технологий Министерства энергетики США (Clean Coal Technology Program of U.S. Department of Energy, Topical Report 21 - September 2001. Coproduction of Power, Fuels and Chemicals), технологии на базе метода IGCC являются одними из наиболее эффективных и чистых современных технологий для получения энергии из угля с выбросами, сравнимыми с выбросами электростанций, работающих на природном газе. Кроме высокой экологической чистоты метод IGCC позволяет также поднять КПД выработки электроэнергии. Так, на электростанции в Полк Кантри, Флорида (IGCC-проект компании ТАМРА ELECTRIC) к концу 2000 года планировалось довести КПД до 38%, а в крупнейшем IGCC демонстрационном проекте в Кентукки (The Kentucky Pioneer Energy IGCC Demonstration Project, The Kentucky Pioneer Energy, LLC, a subsidiary of Global Energy Inc.) заложен проектный КПД 48% для электростанции мощностью 540 MWe, работающей на буром угле.
Высокие показатели по экологической чистоте и эффективности IGCC-проектов достигаются за счет применения сложного дорогостоящего оборудования. Так, суммарные затраты на IGCC-проект компании ТАМРА ELECTRIC в Полк Кантри составили 303 миллиона долларов США (Clean Coal Technology Program of U.S. Department of Energy, Topical Report 19 - July 2000. Integrated Gasification Combined-Cycle Project. An Update), что при мощности 250 MWe, отпускаемой внешним потребителям, означает удельную стоимость капитальных затрат примерно 1200 долларов США за один установленный киловатт электроэнергии. Для газификации топлива на электростанции в Полк Кантри используют метод ТЕХАСО (газификация под высоким давлением с использованием кислородного дутья), требующий сложной подготовки топливного газа перед его подачей в газовую турбину (охлаждение газа, очистка от летучей золы и других вредных примесей). Другим недостатком такой схемы является необходимость специальной подготовки исходного топлива (приготовление водно-угольной суспензии на основе мелкодисперсного угля определенного фракционного состава).
Известен способ получения водорода и электроэнергии из низкосортного твердого топлива в плазменной энерготехнологической установке, включающий газификацию топлива в плазмохимическом реакторе, сжатие полученного синтез-газа в компрессоре, его разделение, направление синтез-газа в парогенератор для генерации водяного пара и выработки электроэнергии в турбогенераторе и в узел разделения, состоящий из двух последовательно установленных мембранных установок с компрессором между ними, в первой из которых выделяют метан, а синтез-газ направляют на сжигание в парогенератор, а во второй - из синтез-газа получают водород, который направляют потребителю либо частично направляют в плазмохимический реактор (RU 2055091, МПК С 10 J 3/18, 27.02.1996).
Недостатком известного способа является сложность и высокие энергетические затраты на работу плазмохимического реактора.
Известен способ переработки материалов, содержащих свободный или химически связанный углерод, в соответствии с которым топливо газифицируют в противотоке кислородсодержащего газифицирующего агента в реакторе типа туннельной печи (WO 2004/042278, МПК F 23 G 5/027, 21.05.2004). Перед подачей в реактор топливо формируют так, чтобы в нем, или между его частями, или между топливом и внутренней стенкой реактора при его перемещении по реактору образовать один или более сквозных каналов, ориентированных преимущественно вдоль направления этого перемещения. В эти каналы подают газифицирующий агент и из них выводят продукт газ, обеспечивая возможность контакта газифицирующего агента и/или продукт газа с топливом при нахождении их в канале. Такая организация процесса обеспечивает возможность газифицировать широкий спектр топлив, существенно различающихся по составу и свойствам (порошки, кусковые материалы, пастообразные материалы и даже жидкости) без привлечения специфических для каждого вида топлива операций его подготовки.
Преимуществом этого способа является простота и надежность используемого оборудования. Однако присутствие в составе получаемого горючего газа смол пиролиза затрудняет его использование в качестве топлива для газовой турбины.
Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату в части способа является способ получения электроэнергии путем использования конденсированных топлив, включающий подачу конденсированного топлива и газифицирующего агента в газификатор, имеющий зону восстановления, получение в газификаторе продукт-газа, содержащего водород, образующийся в зоне восстановления, сжигание продукт-газа в топке с получением горячих дымовых газов, отбор тепла от дымовых газов в теплообменнике, использование газовой турбины в качестве привода генератора для выработки электроэнергии, часть горячих выхлопных газов которой используют в качестве газифицирующего агента, а остальные выхлопные газы используют в качестве окислителя для сжигания продукт-газа (RU 2211927, МПК F 01 К 13/00, 10.09.2003).
Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату в части устройства является известное из того же источника устройство получения электроэнергии путем использования конденсированных топлив, включающее газификатор, средства подачи в него конденсированного топлива и газифицирующего агента, средства вывода из реактора продукт-газа и подачи его в топку для сжигания, снабженную теплообменником для отбора тепла дымовых газов, газовую турбину, являющуюся силовым приводом генератора для выработки электроэнергии и компрессора для сжатия воздуха и оснащенную средствами подачи части выхлопных газов в газификатор в качестве газифицирующего агента и средствами подачи остальных выхлопных газов в качестве окислителя в топку для сжигания продукт-газа.
Недостатком известных способа и устройства является узкая область применения в области переработки бурых углей.
Техническим результатом, на достижение которого направлено настоящее изобретение, является преодоление недостатков известных способа и устройства, использующих газификацию конденсированных топлив для получения электроэнергии, и обеспечение возможности, позволяющей использовать в качестве топлива для электростанций широкий спектр материалов, существенно различающихся по составу и свойствам (порошки, кусковые материалы, пастообразные материалы и жидкости).
Указанный технический результат достигается тем, что в соответствии с предлагаемым способом получения электроэнергии путем использования конденсированных топлив топливо и газифицирующий агент подают в газификатор, имеющий зону восстановления, получают в газификаторе продукт-газ, содержащий водород, образующийся в зоне восстановления, сжигают продукт-газ, получаемые горячие дымовые газы подают в теплообменник, отбирают в теплообменнике тепло от дымовых газов, используют газовую турбину в качестве привода генератора для выработки электроэнергии, часть горячих выхлопных газов которой используют в качестве газифицирующего агента, а остальные выхлопные газы используют в качестве окислителя для сжигания продукт-газа, перед подачей в газификатор конденсированное топливо формируют так, чтобы в нем, или между его частями, или между топливом и внутренней стенкой газификатора при перемещении материала по газификатору образовать один или более сквозных каналов, расположенных преимущественно вдоль направления перемещения топлива по газификатору, в которые подают газифицирующий агент и в которых образуется продукт-газ, из зоны восстановления газификатора отбирают часть образующегося водорода через проницаемые для водорода мембраны, которые размещают в упомянутых каналах, и подают его в камеру сгорания газовой турбины, отбор тепла от дымовых газов в теплообменнике осуществляют путем подачи в него сжатого воздуха, охлажденного путем впрыска воды и направления подогретого сжатого воздуха в камеру сгорания газовой турбины.
Для подавления выхода смол пиролиза при газификации топлива и повышения выхода водорода за счет газификации смол конденсированное топливо и газифицирующий агент могут быть поданы в газификатор спутно, осуществляя в нем обращенный процесс газификации топлива.
Для управления температурным режимом процесса газификации в газификатор может быть подана вода в область высоких температур между зоной восстановления и концом газификатора, в который подают газифицирующий агент.
Чтобы снизить затраты энергии на подачу водорода в камеру сгорания газовой турбины, отбираемый из газификатора водород может быть охлажден воздухом, который направляют в топку для сжигания продукт-газа.
Остаточное тепло дымовых газов после теплообменника может быть утилизировано в паровом котле, а вырабатываемый пар направлен в турбоагрегат, вырабатывающий электроэнергию.
Указанный технический результат достигается тем, что в устройстве для получения электроэнергии путем использования конденсированных топлив, включающем газификатор, средства подачи в него конденсированного топлива и газифицирующего агента, средства вывода из реактора продукт-газа и подачи его в топку для сжигания, снабженную теплообменником для отбора тепла дымовых газов, газовую турбину, являющуюся силовым приводом генератора для выработки электроэнергии и компрессора для сжатия воздуха и оснащенную средствами подачи части выхлопных газов в газификатор в качестве газифицирующего агента и средствами подачи остальных выхлопных газов в качестве окислителя в топку для сжигания продукт-газа, газификатор представляет собой туннельную печь, а средства подачи в нее конденсированного топлива и газифицирующего агента выполнены таким образом, чтобы при перемещении материала по газификатору образовать один или более сквозных каналов, ориентированных преимущественно вдоль направления перемещения материала по газификатору и выполненных с возможностью обеспечения контакта находящегося в них газифицирующего агента с газифицируемым топливом, газификатор снабжен проницаемыми для водорода мембранами, расположенными в упомянутых каналах, для отбора части водорода, образующегося в зоне восстановления, и средствами подачи водорода в камеру сгорания газовой турбины, компрессор для сжатия воздуха соединен с теплообменником для подогрева сжатого воздуха, охлажденного путем впрыска воды, и имеющего средства вывода подогретого сжатого воздуха из теплообменника и подачи его в газовую турбину.
Газификатор может быть снабжен средствами для подачи в него воды между местом установки упомянутых мембран и концом газификатора, в который подают газифицирующий агент.
Устройство может быть снабжено средствами для охлаждения воздухом отбираемого из газификатора водорода и средствами подачи этого воздуха в топку для сжигания продукт-газа.
Топка для сжигания продукт-газа может быть сопряжена с паровым котлом для утилизации остаточного тепла дымовых газов после теплообменника, а паровой котел питает паром турбоагрегат, вырабатывающий электроэнергию.
На чертеже показана принципиальная схема устройства для осуществления способа получения электроэнергии путем использования конденсированных топлив.
Устройство для получения электроэнергии путем использования конденсированных топлив содержит газификатор 1, представляющий собой туннельную печь. В качестве газифицирующего агента может быть использован воздух, или воздух, обогащенный кислородом, или чистый кислород (окислитель). Использование кислорода повышает производительность процесса и калорийность продукт-газа, но усложняет оборудование и снижает безопасность производства. Газифицирующий агент подают в газификатор в количестве, не достаточном для полного окисления топлива, в результате чего в реакторе в области высоких температур ниже по потоку газифицирующего агента от места, где полностью заканчивается кислород, формируется зона восстановления 2. В этой зоне на поверхности образующегося из топлива раскаленного кокса протекают реакции восстановления углекислого газа до СО и паров воды - до водорода.
Средства подачи в газификатор 1 конденсированного топлива могут быть выполнены в виде платформ, на которые установлены поддоны с размещенным на них топливом. Средства подачи газифицирующего агента выполнены в виде трубопроводов с установленными на них регулирующими устройствами. На выходе газификатора 1 установлены средства вывода из него продукт-газа и подачи его в топку 3 для сжигания, снабженную теплообменником 4 для отбора тепла дымовых газов. Устройство снабжено газовой турбиной 5, являющейся силовым приводом генератора для выработки электроэнергии и компрессора 6 для сжатия воздуха и оснащенную средствами подачи части выхлопных газов в газификатор 1 в качестве газифицирующего агента и средствами подачи остальных выхлопных газов в качестве окислителя в топку для сжигания продукт-газа и камерой сгорания 7.
Газификатор 1 снабжен проницаемыми для водорода мембранами 8, расположенными в одном или более сквозных каналах 9, и средствами подачи водорода в камеру сгорания 7 газовой турбины 5. В качестве средств для отбора водорода можно использовать вакуумные насосы (не показаны), а в качестве средства подачи водорода в камеру сгорания 7 газовой турбины 5 - компрессоры. Сквозные каналы 9 ориентированы преимущественно вдоль направления перемещения материала по газификатору 1 и выполнены с возможностью обеспечения контакта находящегося в них газифицирующего агента с газифицируемым топливом.
Компрессор 6 для сжатия воздуха соединен с теплообменником 4 для подогрева сжатого воздуха, охлажденного путем впрыска воды. Средства вывода подогретого сжатого воздуха из теплообменника 4 и подачи его в газовую турбину 5 представляют собой трубопровод с установленным на нем регулирующим органом (не показаны).
Газификатор 1 снабжен средствами для подачи в него воды между местом установки упомянутых мембран 8 и концом газификатора 1 со стороны средств подачи газифицирующего агента. Средства для подачи воды могут быть выполнены в виде форсунок (не показаны).
Устройство может быть снабжено средствами для охлаждения воздухом отбираемого из газификатора 1 водорода и средствами подачи этого воздуха в топку 3 для сжигания продукт-газа.
Топка 3 для сжигания продукт-газа может быть сопряжена с паровым котлом 10 для утилизации остаточного тепла дымовых газов после теплообменника 4, который может питать паром турбоагрегат 11, вырабатывающий электроэнергию.
Предпочтительный вариант способа осуществляется следующим образом.
Процесс осуществляют, подавая топливо и кислородсодержащий газифицирующий агент (окислитель) в газификатор 1 типа туннельной печи. Зону восстановления 2 формируют после инициирования процесса, например, поместив топливо на платформы и подав их до середины реактора, где материал зажигают со стороны подачи газифицирующего агента. Можно разместить на первой платформе легко воспламеняющийся материал (дрова, торф, ветошь, смоченную керосином и т.п.), который поджигают любым источником открытого огня, в результате чего происходит и зажигание рабочего топлива.
После воспламенения, постепенно продвигая платформы с топливом в газификатор 1, формируют в нем высокотемпературную область, в которой начинается газификация образующегося из топлива кокса. Как было упомянуто выше, со стороны подачи газифицирующего агента в этой области происходит полное расходование содержащегося в нем кислорода, в результате чего ниже по потоку газа формируется зона восстановления 2. Форма температурного профиля, особенно в зоне восстановления, зависит от вида топлива, направления его подачи (с правой стороны или с левой стороны) и технологического режима проведения процесса, однако сохраняет главные черты, а именно, наличие зоны высокой температуры в средней части газификатора и ее существенное снижение к концам газификатора. Когда платформа, на которой осуществляли зажигание, пройдет от середины газификатора до его конца, одновременно с подачей топлива в газификатор начинают и вывод из него твердых продуктов переработки (золы) с правой стороны или с левой стороны соответственно. В случае подачи топлива навстречу газифицирующему агенту (так называемый прямой процесс газификации) твердые продукты переработки (далее зола) будут выводиться из газификатора при относительно низкой температуре за счет их охлаждения встречным потоком относительно холодного газифицирующего агента. Выводимый из газификатора с его противоположного конца продукт-газ также будет иметь сравнительно невысокую температуру за счет охлаждения подаваемым навстречу топливом. В случае, когда топливо подают в газификатор в том же направлении, что и газифицирующий агент (так называемый обращенный процесс газификации), как продукт-газ, так и зола будут выводиться из газификатора с противоположного конца газификатора при одинаковой, сравнительно высокой по сравнению с прямым процессом температурой.
В обоих случаях основным препятствием для использования получаемого продукт-газа в качестве топлива для газовой турбины является присутствие в газе пыли и смол пиролиза. В настоящем изобретении техническим решением этой проблемы является отказ от очистки продукт-газа от пыли и смол. Вместо этого выводимый из газификатора 1 продукт-газ направляют для его сжигания в топку 3, снабженную теплообменником 4 для отбора тепла получаемых дымовых газов и нагрева сжатого воздуха, который используют в качестве рабочего тела газовой турбины 5. Для того, чтобы увеличить эффективность отбора тепла дымовых газов подаваемым в теплообменник сжатым воздухом, его температуру после сжатия компрессором 6 снижают путем впрыска необходимого количества воды.
Чтобы уменьшить долю тепла исходного топлива, передаваемого рабочему телу газовой турбины через теплообменник 4, и тем самым снизить его максимальную рабочую температуру, не потеряв при этом тепла для использования в рабочем цикле турбины, в настоящем изобретении предлагается отбирать из зоны восстановления 2 часть образующегося в ней водорода и подавать в камеру сгорания 7 газовой турбины 5. Такой отбор приведет к снижению теплотворной способности продукт-газа и уменьшению температуры его горения в топке 3, что позволит снизить требования к жаропрочности конструкции высокотемпературного теплообменника. Использование для этой цели проницаемых для водорода мембран 8 гарантирует полное отсутствие пыли и смол пиролиза в отбираемом газе и позволяет без какой-либо очистки направлять его в камеру сгорания 7 турбины 5. Это техническое решение обеспечивает передачу теплосодержания от исходного конденсированного топлива к рабочему телу газовой турбины 5 параллельно по двум каналам: а) через сжигание получаемого из топлива "грязного" продукт-газа, содержащего смолы пиролиза, для нагрева сжатого воздуха, подаваемого в турбину, и b) через отбор из зоны восстановления 2 газификатора 1 экологически чистого топлива для турбины 5 - водорода. Отбор водорода из восстановительной зоны 2 смещает равновесие в сторону его большего образования, что позволяет в большей мере перенести тепловую нагрузку с теплообменника 4 на камеру сгорания 7 газовой турбины 5. В связи с тем, что температура в зоне восстановления газификатора 1 близка к оптимальным рабочим температурам металлических мембран 8, используемых для выделения водорода (500-700°С), их использование в предлагаемой схеме упрощается (не требуется специального нагрева мембран).
Один или несколько каналов 9 необходимой формы и размеров могут быть сформированы или между топливом и внутренней стенкой газификатора 1 путем размещения топлива на поддонах, или между его частями путем размещения этих частей на поддонах, расположенных друг над другом с образованием между каждым поддоном и топливом, размещенным на соседнем нижележащем поддоне, промежутка, образующего один из указанных каналов.
Газовый поток на входе в канал представляет собой газифицирующий агент, далее по длине газификатора 1 в результате обмена потоками тепла и массы с поверхностью топлива внутри канала 9 он обогащается газообразными продуктами переработки, превращаясь в продукт-газ на другом конце газификатора.
В средней части газификатора 1 независимо от направления подачи топлива образуется область, в которой внутри канала отсутствуют как кислород, так и смолы пиролиза и в которой протекают реакции образования СО и водорода за счет взаимодействия кокса с углекислым газом и парами воды (зона восстановления 2). В случае прямого процесса (подача топлива навстречу газифицирующему агенту) образование смол пиролиза происходит ниже зоны 2 по потоку газа, где они выделяются из топлива за счет его нагрева горячим газовым потоком, не содержащим кислорода, поступают в продукт-газ и выводятся вместе с ним из газификатора 1 в виде тумана навстречу подаваемому топливу. В случае обращенного процесса пиролиз топлива происходит между концом газификатора 1, в который подают топливо и газифицирующий агент, и зоной максимальных температур. Выделяющиеся здесь летучие продукты пиролиза переносятся в канале потоком газифицирующего агента, содержащего кислород, в высокотемпературную зону горения, в которой кислород расходуется в реакциях окисления и где они сгорают практически полностью, образуя углекислый газ и пары воды.
Таким образом, в обоих рассмотренных случаях имеется возможность разместить в каналах 9 мембраны 8 для отбора водорода в средней части газификатора 1 в зоне восстановления. При правильном размещении мембран условия для их работы внутри газификатора практически идеальные - оптимальная температура и почти полное отсутствие конденсированных примесей в потоке газа.
Следует отметить, что при использовании обращенного процесса газификации превращение исходного топлива в неконденсирующиеся газы происходит с большей полнотой, так как, по существу, газификации подвергаются также и смолы пиролиза, которые в прямом процессе выносятся из газификатора в виде тумана относительно холодным продукт-газом. Для топлив типа биомассы, торфа или бурого угля содержание смол в продукт-газе может достигать 5-10% по массе. Их газификация в обращенном процессе увеличивает концентрацию водорода в зоне восстановления по сравнению с прямым процессом и, тем самым, позволяет в этом случае или увеличить количество отбираемого водорода, или уменьшить затраты энергии на его отбор.
При газификации высококалорийных топлив с малой влажностью максимальная температура в газификаторе может стать чрезмерно высокой. Чтобы управлять температурным режимом процесса в газификатор подают воду в область высоких температур между восстановительной областью 2 и тем концом газификатора, в который подается газифицирующий агент (окислитель). Такой способ регулирования максимальной температуры в газификаторе имеет преимущество, например, по сравнению с подачей водяного пара в газифицирующий агент, поскольку исключает затраты тепла на производство пара.
Чтобы снизить энергетические затраты на сжатие отбираемого из газификатора водорода для его подачи в камеру сгорания газовой турбины, можно охлаждать водород воздухом, который затем используется в качестве окислителя для сжигания продукт-газа в топке 3.
Для повышения КПД выработки электроэнергии часть горячих выхлопных газов после газовой турбины 5 можно подавать в газификатор 1 в качестве части газифицирующего агента.
Остальные выхлопные газы турбины 5 можно использовать в качестве окислителя для сжигания продукт-газа в топке 3.
Чтобы снизить потери тепла в окружающую среду с дымовыми газами, выходящими из теплообменника 4, остаточное тепло дымовых газов можно утилизировать в паровом котле 10, а вырабатываемый пар направлять в турбоагрегат 11, вырабатывающий электроэнергию.
Таким образом, способ получения электроэнергии путем использования конденсированных топлив и устройство для его осуществления позволяют использовать в качестве топлива для электростанций широкий спектр материалов, существенно различающихся по составу и свойствам (порошки, кусковые материалы, пастообразные материалы и жидкости).
Изобретение относится к способу и устройству для получения электрической энергии путем использования конденсированных топлив, в котором топливо газифицируют в газификаторе типа туннельной печи, получаемый газ сжигают в топке, снабженной высокотемпературным теплообменником, а тепло дымовых газов используют для нагрева сжатого воздуха, подаваемого в камеру сгорания газовой турбины, приводящей в действие электрический генератор. В соответствии с изобретением топливо перемещают по газификатору, формируя в нем один или более сквозных каналов, ориентированных преимущественно вдоль направления этого перемещения, в эти каналы подают газифицирующий агент и выводят из них продукт газ. Из зоны восстановления газификатора отбирают часть образующегося водорода через проницаемые для водорода мембраны, которые размещают в упомянутых каналах, и подают его в камеру сгорания газовой турбины. Изобретение позволяет использовать в качестве топлива для электростанций широкий спектр материалов, существенно различающихся по составу и свойствам (порошки, кусковые материалы, пастообразные материалы и жидкости). 2 н. и 7 з.п. ф-лы, 1 ил.
| СПОСОБ ТЕРМИЧЕСКОЙ ПЕРЕРАБОТКИ БУРЫХ УГЛЕЙ С ВЫРАБОТКОЙ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ И УСТАНОВКА ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ | 2001 |
|
RU2211927C1 |
