Глава 21. Опытно-промышленная установка для газификации угля в шлаковом расплаве мощностью 50 МВт
Первоначально, в конце 80-х годов, реализация технологии газификации угля в шлаковом расплаве с его использованием на ТЭС осуществлялась в рамках Государственной научно-технической программы «Экологически чистая энергетика» и планировалась на Харьковской ГРЭС-2.
В качестве технологов и проектировщиков со стороны металлургов в работе участвовали институты «Гинцветмет» и «Гипроцветмет». Однако с распадом Советского Союза работы были прекращены С середины 90-х годов работы были возобновлены. В 1 996-1998 годах был разработан проект опытно-промышленной установки (ОПУ) для «Экспериментальной ТЭС» (бывшая «Несветай» ГРЭС, г. Красный Сулин, Ростовская обл.) мощностью 50 МВт (170 тонн пара в час). Генпроектировщик - «Ростовтеплоэлектропроект», институт «Стальпроект» (Москва) разработал проект камеры-газификатора1, ТКЗ (Таганрог) - проект энергетического котла. В работе принимали участие НИИЭПЭ и НПО «Алгон». В проект по сравнению с проектом для Харьковской ГРЭС-2, были внесены существенные изменения, направленные на повышение эффективности процесса Эти изменения обеспечили существенное (более, чем в 5 раз) снижение тепловых по-' Ведущие конструктора к т н Чайкин Б С , Вереин В Г
терь установки. Была разработана новая конструкция котла, которая позволяет уменьшить пылевынос Предложена надежная система выпуска металла на разливочную машину, даже при незначительном количестве производимого металла. Создана система выпуска шлака, позволяющая получать из шлака гранулированный шлак и шлакоще- бень На этой установке предполагалось в качестве основного топлива использовать антрацитовый штыб (АШ) низкого качества.
Ход работы по созданию опытно-промышленной установки неоднократно обсуждался и положительно оценивался рядом ведущих научных организаций. Работа была одобрена на заседаниях НТС РАО «ЕЭС России» в сентябре 2000 и 2002 гг Положительное заключение о технологии и перспективах ее применения на действующих и вновь сооружаемых электростанциях дал о отделение ОФТТПЭ РАН.
Экспертное заключение ФГУП ВУХИН (2007 г.) подтвердило целесообразность проведения работ по созданию технологии газификации угля в шлаковом расплаве.Учитывая опытно-промышленный характер установки, были разработаны технические решения, обеспечивающие гарантированную работу котла, независимо от камеры-газификатора. Для этого были сконструированы специальные водоохлаждаемые конструкции, которые могли вводиться в котел, отделяя газификатор от него и обеспечивая і ерметичность котла В этом случае котел полностью переводился на работу на резервном топливе - газе. То есть, неизбежные в период освоения новой техники технические проблемы, не сказывались на работе энергетического оборудования.
Значительное снижение тепловых потерь через водоохлаждаемые элементы обеспечили оригинальной схемой соединения котла с газификатором Сама камера-газификатор представляла собой футерованную емкость с расположенным над ней двумя рядами водоохлаждаемых элементов и продувочными фурмами. На них жестко крепится радиационный экономайзер котла. Выше экономайзера находился песчаный затвор, обеспечивающий возможность перемещения котла при его нагреве Радиационная часть котла располагалась непосредственно над экономайзером.
Металлургическая часть ОПУ включает в себя непосредственно реактор-газификатор, установки для грануляции шлака, печь- копильник и разливочную машину для металла.
Заполненный расплавом реактор в рабочем состоянии представляет собой гидравлическую систему из трех сообщающихся через перетоки емкостей, рабочее пространство, сифон для выпуска шлака и сифон для выпуска металла.
На рис. 21 1 приведена гидравлическая схема реактора. Уровень металла и шлака в рабочем пространстве и в сифонах определяются плотностями расплавов и уровнями отверстий для выпуска металла
и гттпяь-я іл ппа^яни гпптыптттршлрл/г*
![]() |
мого шлака.
Плотность расплавленного металла составляет около 7,0 г/см3, плотность жидкого шлака - 2,65 г/см3, плотность барботируемого шлака около 1,3 г/см3.Как видно из приведенной схемы, уровень расплава в реакторе (высота слоя барботируемого шлака) определяется, в конечном счете, высотой выпускного отверстия шлака.
Выпуск жидких продуктов их реактора может осуществляться непрерывно или периодически. При газификации угля целесообразно производить выпуск шлака непрерывно, а выпуск металла, из-за его небольшого количества, периодически
Для предотвращения попадания шлакового расплава в металлический сифон нельзя снижать уровень металла в реакторе ниже высоты металлического перетока. Это обеспечивается соответствующим уровнем выпускного отверстия для металла в сифоне.
Для того, чтобы шлак мог поступать из рабочего пространства в шлаковый сифон, слой металла на подине не должен перекрывать шлаковый переток.
Исходя из этого и выбирается периодичность выпуска металла.
Для полного выпуска расплава в сифонах предусмотрены летки, расположенные на различном уровне от подины.
На опытно-промышленной установке в качестве топлива для разогрева футеровки реактора перед пуском, а также для обогрева сифонов и желобов во время работы используется природный газ.
Для барботажа шлакового расплава и газификации угля используется кислород с содержанием 02 95 %.
Сжигание произведенного газа в котле осуществляется вентиляторным воздухом.
![]() |
Основными конструктивными элементами камеры-газификатора являются.
- каркас;
- рабочее пространство;
- сифон шлака;
- сифон металла;
- желоба для выпуска шлака и металла;
- фурмы;
- горелки;
- охлаждаемые элементы
Рабочее пространство включает в себя футерованную ванну для размещения продуктов газификации и активную зону с фурмами, в которой происходит барботаж шлакового расплава и газификация угля.
На рис. 21.2 показана футеровка реактора.
Конструкция фурмы показана на рис. 21.3. Фурма состоит из медной водоохлаждаемой головки, устанавливаемой в отверстие в кессоне, и стального корпуса. Фурма снабжена шаровым и летниковыми клапанами для предотвращения выбивания кислорода при обслуживании фурмы, а также набором съемных дополнительных приборов: для визуального контроля («гляделки»), закрытия сопла при прекращении подачи дутья (стопор) и подачи природного газа (газовая трубка).
Внешний вид фурмы с установленной газовой трубкой показан на
рис. 21.4.
Основные параметры рабочего пространства:
- площадь горизонтального сечения на уровне фурм, м2 21
- ширина, мм 2400
- длина, мм 8800
- расстояние от подины до фурм, мм 1100
- расстояние от подины до низа охлаждаемого пояса, мм 700
- уровень спокойного шлака над фурмами
(без продувки), мм... 700
Рабочее пространство имеет прямоугольную форму.
Сифоны металла и шлака располагаются с противоположных торцов рабочего пространства и соединены с ним переточными каналами. Сифоны имеют полукруглую форму.
В шлаковом сифоне на высоте 1800 мм от подины предусмотрены две летки для рабочего выпуска шлака. Одна - для желобов на установку грануляции, другая - для желоба, передающего шлак на установку для производства шлакощебня. Кроме того, в сифоне имеются летки для частичного (до уровня фурм) и полного выпуска расплава из реактора.
![]() |
Рис. 21.3. Фурма с установкой дополнительных приборов: а - трубка визуального контроля (гляделка); б-стопор (притычка); в-газовая трубка 1 - медный стеновой кессон, 2 - водоохлаждаемая медная головка фурмы,
3 - стальной корпус, 4 - шаровой клапан, 5 - сото фурмы
В шлаковом сифоне на уровне леток для рабочего выпуска в кладке стен с целью предотвращения износа футеровки на границе шлак- газ установлены охлаждаемые элементы.
На камере-газификаторе устанавливаются следующие желоба:
- для рабочего (частичного) выпуска металла;
- для периодического (полного) выпуска металла;
- для рабочего выпуска шлака на установку грануляции;
- для рабочего выпуска шлака на установку производства шлако- щебня;
- для периодического (полного и частичного) выпуска шлака.
![]() |
Рисунок 21.5. Торцевой кессон
На камере-газификаторе устанавливаются два ряда стеновых кессонов, выполненных из бескислородной катаной меди толщиной 100 мм и шириной 800 мм со сверлеными каналами диаметром 20 мм. Каналы закрываются пробками. Для обеспечения расчетного движения воды в каналах сечения перекрываются заглушками. Подвод и отвод воды к кессону осуществляется через штуцера. Пробки, заглушки и штуцера ввинчиваются в корпус кессона и обвариваются аргонодуговой сваркой неплавящимся электродом. Кессоны крепятся к кожуху стальными шпильками.
Конструкция стенового кессона с отверстием для установки фурмы приведена на рис. 21.6.
На огневой поверхности кессона выполнены проточки в виде «ласточкина хвоста» для удержания гарнисажа на его поверхности.
Рис. 21.6. Стеновой кессон
Достаточная толщина стенок и высокая теплопроводность меди предотвращают возможные негативные последствия кратковременных отклонений от стационарных тепловых условий - локальных тепловых ударов.
Внешний вид кессона показан на рис. 21.7. |
Рисунок 21.7. Стеновой кессон, а - внешняя поверхность, б - огневая поверхность
Прикладные кессоны свариваются из медных глиссажных труб размером 65 х 65 мм и устанавливаются горизонтально с боковых сторон камеры-газификатора под стеновыми кессонами.
Камера-газификатор оборудуется необходимыми для обслуживания площадками, на которых располагается арматура разводок трубопроводов природного газа, кислорода и системы охлаждения камеры- газификатора.
Химочищенная вода для охлаждения циркулирует по замкнутому контуру. Общий расход воды составляет 300 м3/ч.
Вся регулирующая и отсечная арматура энергоносителей (природный газ и кислород) собрана компактно на стендах, расположенных на площадках обслуживания около точек подвода энергоносителей.
От стендов на каждую группу элементов разводятся распределительные коллекторы, от которых в непосредственной близости от потребителей осуществляется подвод на каждую горелку Около каждого потребителя также устанавливается запорная арматура
При газификации угля металл выдается из реактора периодически 1 раз в 8 часов Выход металла 0,9-1,5 т/ч. Металл выпускают из сифона по желобу в печь-копильник, которая представляет собой футерованную ванну в собственном металлическом каркасе, установленную на фундаменте около камеры- газификатора на полу цеха Промежуточная емкость имеет футерованный съемный свод и отапливается горелками, работающими на природном газе
Шлак выпускается из реактора непрерывно Выход шлака 9-15 т/ч Шлак выпускают из сифона на установку грануляции шлака В качестве резервной линии предусмотрена установка желоба-гранулятора шлака Основные проектные показатели работы установки приведены в таблице 21 1
Талица 21 1 Основные проектные показатели работы установки
На рис. 21.8, 21 9 показаны план и разрез газификатора с экономайзером котла
Рисунок 218 План камеры-газификатора 1 - камера-газификатор, 2 - шлаковый сифон 3 - установка грануляции шлака 4 - желоб-гранучятор 5 - сифон для металла, 6 - печъ-коптьник дчя четалча
Рисунок 21 9 Поперечный разрез камеры-газификатора с экономайзером котла 1 - нижние фурмы, 2 - верхние фурмы 3 - водоохчаждаемые эчементы газификатора 4 - футеровка 5 - экономайзер
Общий вид установки с котлом приведен на рис. 21.10 и 21 11.
Котел обеспечивает сжигание образующегося при газификации угля в шлаковом расплаве газа с получением пара давлением 10 МПа и температурой 510 °С. Номинальный расход пара составляет 170, минимальный 110, максимальный 220 тонн пара в час. Котел имеет следующие габаритные размеры: ширина -19 м, глубина - 15,5 м, высота - 31 м. Котел имеет П-образную компоновку и включает топку с входной горловиной, камерой сжигания газа и верхней частью, горизонтальный газоход и опускную конвективную шахту, разделенную на две симметричные колонки, расположенные по боковым сторонам шахты.
Рисунок 21 10 Общий вид установки (продольный разрез)
1 - камера-газификатор 2 - фурмы для продувки расплава, 3 - фурмы дія дожигания, 4- радиационная часть котла, 5 - конвективная часть котча 6 - пычесборник , 7 - экономайзер
Уголь и флюс загружаются самотеком через отверстие, расположенное в торце камеры-газификатора над шлаковым сифоном. Материалы подаются в реактор под угом 45°.
Сжигание газа в котле осуществляется ступенчато. Первая ступень -частичное сжигание газа воздухом, подаваемым на 8 фурм, расположенный непосредственно над шлаковой ванной выше продувочных фурм на 2,5 м Частичное сжигание газа на этом уровне производится при необходимости регулирования температуры шлаковой ванны. Выше расположены 11 сопел (6 на фронтовой и 5 на задней поверхно-
Рис 2111 Общий вид установки (поперечный разрез)
сти) для подачи «первичного» воздуха в количестве около 20 % от необходимого для полного сжигания. Сопла наклонены вниз на 15° для обеспечения лучшего использования нижней части топки. Оставшаяся часть воздуха подается на сопла 6 плоскофакельных горелок, имеющих два индивидуальных подвода горячего воздуха каждая. Выше плоскофакельных горелок на уровне 16,4 м расположены 16 сопел (по 8 с каждой стороны) системы аддитивной очистки газов от серы, через которые осуществляется подача измельченного известняка.
В опускном газоходе установлены конвективный экономайзер высокого давления, двухсекционный трубчатый воздухоподогреватель и экономайзер низкого давления.
После экономайзера низкого давления дымовые газы очищаются от пыли в электрофильтре и дымососами и выбрасываются в дымовую трубу
Несмотря на то, что установка для газификации угля в шлаковом расплаве является принципиально новым для энергетики агрегатом, все ее элементы хорошо отработаны в металлургии Длительность непрерывной работы аналогичных установок в металлургии составляет несколько лет. Опыт, полученный в металлургии, позволяет рассчитывать, что камера-газификатор может работать в одном режиме с энергетическим котлом.
Разработанный проект опытно-промышленной установки газификации угля в шлаковом расплаве может быть реализован как на действующих, так и на вновь строящихся ТЭС.