ИЗОБРЕТЕНИЕ
Патент Российской Федерации RU2105040
КОМБИНИРОВАННАЯ ПАРОГАЗОВАЯ УСТАНОВКА С ПЛАЗМОТЕРМИЧЕСКОЙ ГАЗИФИКАЦИЕЙ УГЛЯ
Имя изобретателя: Кореньков В.И.; Кустов Б.А.; Попов Ю.С.
Имя патентообладателя: Акционерное общество открытого типа "НовосибирскНИИхиммаш"; Акционерное общество открытого типа "Западно-Сибирский металлургический комбинат"
Адрес для переписки:
Дата начала действия патента: 1995.03.29
Использование: для выработки электрической и тепловой энергии, производства
сжиженных и газообразных углеводородсодержащих продуктов из угля в любой отрасли
промышленности. Сущность изобретения: парогенератор 4 установлен внутри
плазмотермического газификатора 3 и гидравлически связан с паровой турбиной первой
паротурбинной установки 6, с узлом 1 подачи угля и с первым плазмотроном 5. Парогенератор
18 установлен внутри котла-утилизатора 17 под газовой горелкой 19 для сжигания синтез-газа
и гидравлически связан с паровой турбиной второй паротурбинной установки 20, узлом 1
подачи угля и вторым плазмотроном 5. Оба парогенератора гидравлически связаны с
контуром 30 утилизации тепла. Выхлоп 25 газовой турбины газотурбинной установки 23
расположен внутри котла-утилизатора 17 в зоне действия пламени его газовой горелки 19 и
гидравлически связан через теплообменник парогенератора 18 и дымосос 27 с дымовой
трубой 28. Система очистки синтез-газа имеет первую ступень 10 - мокрую и вторую ступень 14
- сухую. Ступени связаны с плазмотермическим газификатором 3 при помощи пароэжектора 8,
а между собой - с помощью газодувки 13. Установка может работать в трех режимах.
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Изобретение относится к энергетике, в частности, к комбинированной парогазовой
установке с плазмотермической газификацией угля, предназначенной для выработки
электрической и тепловой энергии, производства сжиженных и газообразных
углеводородсодержащих продуктов из угля.
Изобретение может быть использовано в любой отрасли, включая химическую и
металлургическую промышленность, т.е. любую отрасль, в которой есть потребность в
электроэнергии, тепле или синтез-газе.
При решении региональных задач вопрос о выборе технологии по переработке местного
сырья часто решался в пользу той технологии, в которой при малых капитальных и
эксплуатационных затратах обеспечивалась максимальная прибыль от перерабатываемого
сырья. Однако ухудшение экологической ситуации в мире диктует новые требования, по
этой причине ни одна из существующих технологий не может экономически выгодной, если
она не обеспечивает требования экологии. По этой причине прямое сжигание угля на ТЭЦ в
других аналогичных установках стало экономически невыгодным и нецелесообразным из-за
большого количества выбрасываемых в атмосферу вредных веществ.
Парогазовые установки с внутрицикловой газификацией угля частично решают эту
проблему и поэтому рассматриваются сегодня как одно из перспективных направлений по
снижению удельного расхода тепла на выработку электроэнергии в экологически чистых
системах.
Однако плата за экологически чистую технологию сжигания угля в вышеуказанных
установках пока очень велика, к тому же они имеют худшие параметры: удельный расход в
парогазовых установках с внутрицикловой газификацией угля на 15 - 20% выше, чем в обычных
установках.
Известна установка для получения электроэнергии из углеводородсодержащего топлива
способом, включающим газификацию топлива в реакторе в присутствии водяного пара путем
косвенного нагрева, очистку полученного синтез-газа от твердых частиц и серы, сжигание
первой части очищенного синтез-газа, подачу продуктов сгорания в газовую турбину для
выработки электроэнергии, в которой с целью упрощения процесса сжигают вторую часть
очищенного синтез-газа и подают полученные продукты сгорания в качестве теплообменной
среды в реактор для косвенного нагрева топлива, а после прохождения через реактор
направляют в газовую турбину [1]. Причем вторую часть очищенного синтез-газа сжигают при
избытке кислорода, температуру продуктов сгорания, подаваемых в реактор в качестве
теплообменной среды, поддерживают на входе в интервале 850-1000oC, а на выходе -750-850oC,
в то время как температуру продуктов сгорания на входе в газовую турбину обеспечивают
в интервале 900-1000oC за счет сжигания части очищенного газа. Далее продукты
сгорания от газовой турбины подают на перегрев пара или подогрев питательной воды
парогенератора. Пар, подводимый на стадии газификации, получают в результате
охлаждения синтез-газа или продуктов газовой турбины, или же продуктов сжигания части
очищенного синтез-газа, в то время как полученный дымовой газ смешивают с паром и
подают на стадию газификации.
Вышеуказанный способ имеет ряд существенных недостатков.
Осуществить косвенный нагрев газифицируемого угля трудно и пока не удалось ни в одном
промышленном газификаторе. Сама схема получения электроэнергии и синтез-газа
недостаточно гибка и сложна в управлении. Обеспечить оптимальный режим сразу четырех
агрегатов, сидящих на одном валу (электрогенератор, воздушный компрессор и две ступени
газовой турбины), практически невозможно, тем более, что косвенный подогрев продуктов
сгорания перед второй ступенью газовой турбины продуктами сгорания первой ступени еще
и невыгоден энергетически.
Известна другая энерготехнологическая установка с плазменной переработкой
низкосортного твердого топлива, включающая две паровые и одну газовую турбины с
электрогенераторами, плазмотермический газификатор с узлом подачи угля,
парогенераторы, котел-утилизатор, камеру сгорания, газовый аккумулятор, систему
очистки газа, воздушный и газовый компрессоры и каталитический реактор для получения
сжиженных углеводородов [2].
Последний подключен к плазмохимическому реактору низкосортного топлива, который
последовательно соединен с закалочным аппаратом кипящего слоя со встроенными
поверхностями нагрева и турбогенератором для выработки электроэнергии.
Эффективность данной установки повышена за счет выдачи более дорогих продуктов -
ацетилена и серы. Однако издержки от плазмохимического реактора для газификации
твердого топлива при такой схеме также велики и не могут быть скомпенсированы только
за счет повышения стоимости получаемого продукта, причем сравнительно дорогим
способом. К недостаткам данной установки следует отнести также то, что для своей работы
ей необходим дополнительный источник кислорода, и, следовательно, дополнительные
затраты на его производство. При этом в плазмотермическом реакторе нет
самопроизвольного разделения образующейся смеси газов на метан и синтез-газ, а
устройство для их разделения не предусмотрено. Сжигание угля на такой установке, по
мнению заявителя, исключено ввиду отсутствия аппаратов для отделения окислов серы и
азота. К тому же реактор с кипящим слоем и трубным пучком для выработки пара за счет
использования тепла будет мало эффективен из-за плохой теплопередачи от витающих
твердых частиц к реагенту (воде), проходящему по трубному пучку.
Техническим результатом изобретения является создание комбинированной парогазовой
установки с плазмотермической газификацией угля с повышенными экологическими и
энерготехническими параметрами, с гибкой и мобильной системой управления, способной
обеспечить быстрый и простой переход с одного режима работы на другой, включая режим
запуска и останова, а также создание установки с широким ассортиментом производимого
продукта, включая выработку тепловой и электрической энергии, при одновременной
выдачи потребителю углеводородсодержащих продуктов, например, бензина, ацетилена и др.
Для достижения указанного технического результата в комбинированной парогазовой
установке с плазмотермической газификацией угля, включающей две паровые и одну
газовую турбины с электрогенераторами, плазмотермический газификатор с узлом подачи
угля, парогенераторы, котел-утилизатор, камеру сгорания, газовый аккумулятор, систему
очистки газа, воздушный и газовый компрессоры и каталитический реактор для получения
сжиженных углеводородов, согласно изобретению один из парогенераторов установлен
внутри плазмотермического газификатора, имеющего два плазмотрона на парах воды, и
гидравлически связан с паровой турбиной, с узлом подачи и с одним из плазмотронов,
второй парогенератор установлен внутри котла-утилизатора под газовой горелкой для
сжигания синтез-газа и гидравлически связан со второй паровой турбиной, узлом подачи
угля и вторым плазмотроном, при этом оба парогенератора гидравлически связаны с
контуром утилизации тепла, а выхлоп с газовой турбины расположен внутри котла-утилизатора
в зоне действия пламени его газовой горелки и гидравлически связан через
теплообменник парогенератора и дымосос с дымовой трубой.
Система очистки синтез-газа разделена на две ступени, связанные с плазмотермическим
газификатором при помощи пароэжектора и между собой - с помощью газодувки, из которых
первая ступень-мокрая и включает центробежно-барботажный аппарат с рециркуляционным
контуром жидкого абсорбента и устройством для удаления шлама, а вторая ступень-сухая и
включает сменный блок катализаторов с электрофильтрами и устройством для удаления
серы и ее соединений.
Кроме того, газовая горелка котла-утилизатора, камера сгорания газовой турбины и
газовой аккумулятор гидравлически соединен с газовым компрессором низкого давления,
расположенным после второй ступени системы очистки синтез-газа.
Кроме того, в линии питания каталитического реактора синтез-газом установлен газовый
компрессор высокого давления и предусмотрено устройство для забора газообразного и
сжиженного продуктов газификации, например, синтез-газа и бензина.
Описываемая установка поясняется чертежом, на котором представлена технологическая
схема заявляемой комбинированной парогазовой установки с плазмотермической
газификацией угля и каталитическим реактором для производства сжиженных и
газообразных углеводородсодержащих продуктов высшего ряда.
Комбинированная парогазовая установка включает: бункер 1 для газифицируемого угля,
дозатор 2, плазмотермический газификатор 3, его парогенератор 4, плазмотроны 5,
паротурбинную установку 6 газификатора, шлак-сборник 7, пароэжектор 8, центробежно-барботажный
аппарат 9 первой ступени 10 системы очистки, контур 11 регенерации жидкого абсорбента,
шламоприемник 12, газодувку 13, вторую ступень 14 системы очистки, компрессор 15 низкого
давления, охладитель 16, котел-утилизатор 17, его парогенератор 18, газовую горелку 19,
вторую паротурбинную установку 20, воздушный компрессор 21, камеру 22 сгорания,
газотурбинную установку 23, золаприемник 24, выхлоп 25 с газовой турбины, теплообменник 26,
дымосос 27, дымовую трубу 28, главный насос 29 контура 30 утилизации тепла, газовый
аккумулятор 31, компрессор 32 высокого давления, газовый охладитель 33, распределитель
синтез-газа 34, транспортное устройство 35 для забора газообразного продукта, например,
синтез-газа, каталитический реактор 36, устройства 37 загрузки углеводородсодержащих
продуктов, транспортные устройства 38 для забора сжиженного продукта газификации,
например, бензина, и накопитель 39 сжижаемого продукта.
Паротурбинные установки 6 и 20 включают каждая паровую турбину с электрогенератором,
парогенератор для ее привода и ряд вспомогательных узлов. Газотурбинная установка 23
включает газовую турбину с электрогенератором, камеру 22 сгорания и воздушный
компрессор 21 для более эффективного сгорания топлива в камере сгорания.
Бункер 1, дозатор 2 и питатель, соединяющий бункер 1 через дозатор 2 с газификатором 3 (на
фигуре не обозначен позицией) образуют узел подачи угля в плазмотермический
газификатор 3. Последний имеет два плазмотрона 5 на парах воды. Парогенератор 4
установлен внутри плазмотермического газификатора и гидравлически связан с первой
паровой турбиной 6, узлом подачи угля и с одним из плазмотронов 5. Парогенератор 18
установлен внутри котла-утилизатора 17 под газовой горелкой 19 для сжигания синтез-газа
и гидравлически связан со второй паровой турбиной 20, узлом подачи угля и вторым
плазмотроном 5. При этом оба парогенератора гидравлически связаны с контуром 30
утилизации тепла. Выхлоп 25 с газовой турбины газотурбинной установки 23 расположен
внутри котла-утилизатора 17 в зоне действия пламени его газовой горелки 19 и
гидравлически связан через теплообменник 26 парогенератора 18 и дымосос 27 с дымовой
трубой 28.
Система очистки синтез-газа разделена на две ступени, связанные с плазмотермическим
газификатором 3 при помощи пароэжектора 8 и между собой с помощью газодувки 13. первая
ступень 10 очистки-мокрая и включает центробежно-барботажный аппарат 9 с
рециркуляционным контуром жидкого абсорбента и устройством 12 для удаления шлама.
Вторая ступень 14 очистки-сухая и включает сменный блок катализаторов с
электрофильтрами и устройством для удаления серы и ее соединений.
Газовая горелка 19 котла-утилизатора 17, камера 22 сгорания газовой турбины и газовый
аккумулятор 31 гидравлически соединены с газовым компрессором 15 низкого давления,
расположенным после второй ступени 14 очистки синтез-газа.
Газовый компрессор 32 высокого давления установлен в линии питания каталитического
реактора 36 синтез-газом.
Работа на комбинированной парогазовой установке с плазмотермической газификацией
угля предусмотрена в нескольких режимах: в режиме выдачи тепла, в режиме выдачи
электроэнергии и в режиме выдачи сжиженных и газообразных углеводородсодержащих
продуктов высшего ряда, например, бензина, ацетилена и синтез-газа.
Работа установки по первому режиму осуществляется следующим образом. Предварительно
измельченный уголь из бункера 1 через дозатор 3 при помощи питателя подается в
газификатор 3, где, взаимодействуя с факелом плазмотрона 5, он газифицируется.
Образовавшийся в результате закалки синтез-газ, пройдя теплообменники парогенератора
4, попадает в пароэжектор 8 и далее - в центробежно-барботажный аппарат 9 первой ступени 10
системы очистки. Очистившись во вращающемся вихревом поле от пыли и балластируемого
газа, синтез-газ поступает на вход в газодувку 13, которая направляет его во вторую
ступень 14 системы очистки, в которой он осушается и очищается от серы и ее компонентов,
а затем поступает на вход компрессора 15. После охладителя 16 очищенный синтез-газ
направляется в газовую горелку 19, а при его избытке в газовый аккумулятор 31. При этом в
котле-утилизаторе синтез-газ сжигается при избытке кислорода, который поступает туда
из воздушного компрессора 21. Сгоревший синтез-газ и образовавшиеся при этом газы,
пройдя теплообменник парогенератора 18 и теплообменник 26, с помощью дымососа 27
выкидываются через дымовую трубу 28 в атмосферу. В это время шлак из газификатора 3
поступает в шлакосборник 7, в шлам из первой ступени 10 системы очистки - в шламосборник
12. Пылевидные остатки из котла-утилизатора 17 накапливаются в золасборнике 24. Все тепло,
образовавшееся в процессе газификации угля и сжигания синтез-газа, отдается через
теплообменники воде, прокачиваемой через них с помощью насоса 29, и утилизируется в
контуре 30. Это тепло идет либо на обогрев жилых помещений, либо - в технологический
процесс.
Работа установки по второму режиму осуществляется следующим образом
Измельченный уголь из бункера 1 через дозатор 2 при помощи питателя подается в
газификатор 3. С включением плазмотронов 5 в парогенераторе 4 начинает генерироваться
пар, который направляется на паротурбинную установку 6, при этом прокачка воды через
контур 30 осуществляется только в режиме запуска. С образованием в газификаторе
значительного количества синтез-газа последний после осушения и очистки направляются
в газовую горелку 19 котла-утилизатора 17 и параллельно в камеру сгорания 22
газотурбинной установки 23. Образовавшийся в парогенераторе 18 котла-утилизатора 17 пар
направляется во вторую паротурбинную установку 20. Вся вырабатываемая установкой
электрическая энергия, исключая собственную потребность, идет к потребителю.
Сгоревший в камере сгорания 22 синтез-газ через выхлоп 25 с газовой турбины вновь
впрыскивается в зону пламени горелки 19 котла-утилизатора 17. Образовавшиеся при
сгорании газы, пройдя теплообменник 26, выкидываются дымососом 27 через дымовую трубу 28 в
атмосферу. В зависимости от режима работы установки избыток или недостаток синтез-газа
соответственно потребляется или накапливается в газовом аккумуляторе 31. При
необходимости может быть включен насос 29, который будет подпитывать паротурбинные
установки и поддерживать температуру в газификаторе 3 и котле-утилизаторе 17 на
заданном уровне. Охлаждение шлакоприемника 7, шламоприемника 12 и золаприемника 24, как и
охлаждение холодильников паротурбинных установок 6, 20 и компрессоров низкого и
высокого давления, обеспечивается от дополнительного насоса (на чертеже условно не
показан), а сброс избыточного тепла осуществляется через контору 30.
Работа установки в третьем режиме предусматривает дополнительное включение
плазмотронов 5 в газификаторе 3 и включение компрессора 15, направляющего весь синтез-газ
в газовый аккумулятор 31 или в компрессор 32. Последний выдает синтез-газ через
распределитель 34 и транспортное устройство 35 потребителю или обеспечивает работу
каталитического реактора 36, получаемые продукты которого выдаются через устройство 37
и транспортное устройство 38 потребителю либо накапливаются в сжиженном виде в
накопителе 39. При этом паротурбинная установка 20 котла-утилизатора 17 находится в
выключенном состоянии, а газотурбинная установка 23 - в дежурном режиме, кратковременно
включаясь в работу по мере недостатка электрической энергии или накопления
избыточного количества синтез-газа. Вырабатываемая паротурбинной установкой 6 и
газотурбинной установкой 23 электрическая энергия идет в это время только на
собственные нужды (плазмотроны, насосы, компрессоры).
Приведенные примеры режимов работы установки не ограничивают ее использование. Она
может эксплуатироваться и в других режимах - при выдаче потребителю тепла,
электроэнергии, синтез-газа, ацетилена и бензина одновременно. Соотношение выдаваемых
продуктов зависит от нужд потребителя. Так, зимой потребитель тепла стоит на первом
месте, а потребитель бензина - на втором, в теплое время года - наоборот. Суточная
загрузка установки также диктуется запросами потребителя, например, ночью
электрическая энергия может использоваться на производство синтез-газа, ацетилена или
бензина, а утром и вечером выдаваться потребителю. Такой подход обеспечивает
максимально полное использование установленной мощности оборудования и экономически
выгодный режим работы его во времени. При этом установка не требует ни сложного
оборудования, ни больших затрат при ее переключении с одного режима работы на другой. В
аварийной ситуации установка выключается почти мгновенно.
ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
1. Комбинированная парогазовая установка с плазмотермической газификацией угля,
включая две паровые и одну газовую турбины с электрогенераторами, плазмотермический
газификатор с узлом подачи угля, парогенераторы, котел-утилизатор, камеру сгорания,
газовый аккумулятор, систему очистки газа, воздушный и газовый компрессоры и
каталитический реактор для получения сжиженных углеводородов, отличающаяся тем, что
один из парогенераторов установлен внутри плазмотермического газификатора, имеющего
по меньшей мере два плазмотрона на парах воды, и гидравлически связан с паровой
турбиной, узлом подачи угля и одним из плазмотронов, второй парогенератор установлен
внутри котла-утилизатора под газовой горелкой для сжигания синтез-газа и
гидравлически связан с второй паровой турбиной, узлом подачи угля и другим
плазмотроном, при этом оба парогенератора гидравлически связаны с контуром утилизации
тепла, а выхлоп с газовой турбины расположен внутри котла-утилизатора в зоне действия
пламени его газовой горелки и гидравлически связан через теплообменник
парогенератора и дымосос с дымовой трубой.
2. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что система очистки синтез-газа разделена на две
ступени, связанные с плазмотермическим газификатором при помощи пароэжектора и между
собой с помощью газодувки, из которых первая ступень мокрая и включает центробежно-барботажный
аппарат с рециркуляционным контуром жидкого абсорбента и устройством для удаления
шлама, а вторая ступень сухая и включает сменный блок катализаторов с электрофильтрами
и устройством для удаления серы и ее соединений.
3. Установка по п. 2, отличающаяся тем, что газовая горелка котла-утилизатора, камера
сгорания газовой турбины и газовый аккумулятор гидравлически соединены с газовым
компрессором низкого давления, расположенным после второй ступени системы очистки
синтез-газа.
4. Установка по п. 3, отличающаяся тем, что в линии питания каталитического реактора
синтез-газом установлен газовый компрессор высокого давления и предусмотрено
устройство для забора газообразного и сжиженного продуктов газификации, например
синтез-газа и бензина.
Версия для печати
Дата публикации 07.01.2007гг
вверх
|