Анализ технологических решений для ПГУ с внутрицикловой газификацией угля

Министерство образования и науки Российской Федерации

Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б. Н. Ельцина










Анализ технологических решений для ПГУ с внутрицикловой
















газификацией угля
















Екатеринбург
Издательство Уральского университета

2016

УДК 622.7
      А 64

Авторы:
Н. А. Абаимов (гл. 5,6), И. Б. Амарская (гл. 2), В. С. Белоусов (гл. 2), Т. Ф. Богатова (гл. 1, 3), С. И. Гордеев (гл. 10), И. Г. Донской (гл. 6), А. Н. Козлов (гл. 4), В. А. Кузнецов (гл. 6),
Е. И. Левин (гл. 10), В. А. Микула (гл. 7, 8), П. В. Осипов (гл. 5), А. Ф. Рыжков (предисловие, введение, гл. 4, 5, 9,10), Д. А. Свищев (гл. 6), В. Г. Тупоногов (гл. 9), П. С. Филиппов (гл. 10), Г. И. Худякова (гл. 4), М. Ю. Чернецкий (гл. 6).

Рецензенты:
кафедра теплофизики ФГАОУ ВО «Сибирский федеральный университет» (СФУ); академик РАН С. В. Алексеенко

Под редакцией доктора технических наук, профессора А. Ф. Рыжкова


А 64 Анализ технологических решений для ПГУ с внутрицикловой газификацией угля: [монография] / под ред. А. Ф. Рыжкова. - Екатеринбург: Изд-во Урал, ун-та, 2016. - 564 с.

     ISBN 978-5-7996-1969-5

     В монографии изложены результаты проведения творческим коллективом научного поиска перспективных решений для мощных парогазовых энергетических установок с внутрицикловой газификацией угля или на промышленных газах. Работа выполнена на базе Уральского федерального университета в рамках проекта «Решение проблемы применения бедных промышленных и син-тез-газов для выработки электроэнергии в комбинированном цикле», поддержанного Российским научным фондом (Соглашение № 14-19-00524).
     Монография предназначена для специалистов в области теплоэнергетики, теплофизики, химической технологии и транспорта и может быть использована студентами бакалавриата и магистратуры, а также аспирантами энергетических направлений подготовки.

УДК 622.7



      Analysis of technological solutions for integrated gasification combined cycle (IGCC) plants: [monography] I ed. A. E Ryzhkov. - Ekaterinburg: Ural University Press, 2016. - 564 p.

      This monography gives the reader a perspective about new developments and improvements for large-scale combined cycle plants fueled with syngas from coal gasification processes or other industrial sources. This study was carried out by the research team of the Ural Federal University within the framework of the project «Solutions for utilization of low-BTU industrial and synthesis gases in integrated gasification combined cycle plants for electricity generation». This work was financially supported by the Russian Science Foundation, grant Nr 14-19-00524.
      This monography is aimed to specialists in the fields of power engineering, thermal physics, chemical engineering and transport, and can be recommended for Bachelor and Master students, as well as Ph.D. working in the field of thermal engineering.

Монография подготовлена и издана за счет гранта Российского научного фонда (проект № 14-19-00524)



ISBN 978-5-7996-1969-5

                                             © Уральский федеральный университет, 2016
                  © Ural Federal University, 2016

ОГЛАВЛЕНИЕ


ПРЕДИСЛОВИЕ..............................................................9

ВВЕДЕНИЕ................................................................11

ГЛАВА 1. ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ РАЗВИТИЯ УГОЛЬНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ
И КОНКУРЕНЦИЯ ТЕХНОЛОГИЙ................................................14
1.1. Энергетические установки со сжиганием угля в котельной установке...15
   1.1.1 Традиционные паротурбинные технологии..........................15
   1.1.2 . Перспективные технологии на суперсверхкритических параметрах.17
1.2. Энергетические установки со сжиганием угля и продуктов его конверсии на базе газовых турбин..........................................................21
   1.2.1. Газотурбинные установки замкнутого типа.......................22
   1.2.2. ПГУ со сжиганием угля в выносной топке .......................29
   1.2.3. ПГУ с внутрицикловой газификацией.............................36
   1.2.4. ПГУ на промышленных газах.....................................53
1.3. Гибридные циклы ................................................63
   1.3.1. ПГУ с камерой сгорания и воздушным котлом.....................63
   1.3.2. ПГУ-ВЦГ с топливными элементами ...........................74
1.4. Перспективы внедрения технологии CCS...............................77
   1.4.1. Система улавливания и хранения углекислого газа...............79
   1.4.2. Энергоустановки с CCS после сжигания твердого топлива ........81
   1.4.3. Энергоустановки с CCS до сжигания топлива в кислороде ........86
   1.4.4. Способы хранения уловленного углекислого газа.................89
1.5. Сравнение угольных технологий......................................90
1.6. Заключение.........................................................95
Библиографические ссылки................................................97

ГЛАВА 2. ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ РАБОТЫ ПГУ-ВЦГ НА НЕСТАНДАРТНЫХ ГАЗАХ.................................................108
2.1. Приближенный анализ цикла ПГУ.....................................109
2.2. Учет неидельности газов и зависимости теплоемкостей от параметров состояния..............................................111
2.3. Влияние свойств рабочего тела ГТУ на термодинамическую эффективность комбинированного цикла.................................118
   2.3.1. Цикл ГТУ в составе ПГУ на разных топливных газах ............121
   2.3.2. Влияние соотношения компонентов топлива на эффективность цикла ГТУ.. 124
2.4. Термодинамическая эффективность ГТУ с воздушным охлаждением турбинных лопаток ...................................................127

3

       Анализ технологических решений для ПГУ с внутрицикловой газификацией угля

2.5. Влияние нагрева циклового воздуха на эффективность комбинированного цикла.................................................130
2.6. Заключение........................................................133
Библиографические ссылки...............................................134

ГЛАВА 3. АНАЛИЗ ГАЗИФИКАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ И ВЫБОР РЕШЕНИЙ
ДЛЯ ПЕРСПЕКТИВНОГО ГАЗОГЕНЕРАТОРА В СОСТАВЕ ГИБРИДНОЙ ПГУ-ВЦГ.... 136
3.1. Технологии газификации твердых топлив ............................136
   3.1.1. Газификация в плотном слое...................................138
   3.1.2. Газификация в кипящем слое....................................138
   3.1.3. Газификация в потоке..........................................143
3.2. Перспективные разработки поточных технологий газификации..........147
   3.2.1. Одностадийные газогенераторы с мокрой топливоподачей.........147
   3.2.2. Одностадийные газогенераторы с сухой подачей топлива.........151
   3.2.3. Двухстадийные газогенераторы.................................154
   3.2.4. Основные направления модернизации газогенераторов энергетического назначения..........................................158
3.3. Модификации основных узлов технологической схемы газогенератора...160
   3.3.1. Блок топливоподготовки ......................................161
   3.3.2. Блок подготовки окислителя...................................162
   3.3.3. Блок охлаждения топливного газа..............................164
3.4. Заключение........................................................167
Библиографические ссылки...............................................169

ГЛАВА 4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ КИНЕТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ПРОЕКТНЫХ ТОПЛИВ.......................................................174
4.1. Использование комплексного термического анализа для исследования свойств твердых топлив.........................................................174
   4.1.1. Методы исследования конверсии твердых топлив.................174
   4.1.2. Метод комплексного термического анализа......................180
4.2. Кинетический анализ термохимической конверсии твердых топлив......183
   4.2.1. Общая характеристика кинетического анализа конверсии.........183
   4.2.2. Методы кинетического анализа.................................186
4.3. Комплекс ТГА и методика проведения исследования...................190
   4.3.1. Описание установки термогравиметрического анализа............190
   4.3.2. Ход проведения экспериментов.................................195
   4.3.3. Специфика экспериментов .....................................196
   4.3.4. Методика обработки экспериментальных данных..................203
4.4. Анализ влияния режимных параметров на результаты экспериментов ...........................................210

4

Содержание

   4.4.1. Влияние расхода окислителя.......................................210
   4.4.2. Влияние концентрации окислителя .................................213
   4.4.3. Влияние высоты навески...........................................215
   4.4.4. Влияние диаметра частиц топлива в навеске........................217
4.5. Обработка результатов экспериментов. Расчет динамических и кинетических характеристик .............................................................219
   4.5.1. Конверсия кокса антрацита в воздухе .............................219
   4.5.2. Кусочно-дискретное моделирование конверсии.......................222
   4.5.3. Выделение диффузионной и кинетической составляющих скорости конверсии......................................................225
   4.5.4. Кинетические характеристики конверсии антрацита в воздухе........230
4.6. Определение теплотехнических характеристик топлив методом ТГА ........234
   4.6.1. Определение технических характеристик и элементного состава твердых топлив и пиролизных смол........................................234
   4.6.2. Определение кинетических коэффициентов на стадии выхода летучих .244
   4.6.3. Определение кинетических коэффициентов конверсии кокса в среде кислорода, водяного пара и углекислого газа.....................251
Библиографические ссылки................................................261

ГЛАВА 5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ И ЧИСЛЕННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПОТОЧНОЙ ГАЗИФИКАЦИИ ПРОЕКТНОГО ТОПЛИВА ...................................268
5.1. Одноступенчатый газогенератор ЦКТИ....................................269
   5.1.1. Конструкция и работа установки...................................269
   5.1.2. Методика эксперимента............................................271
   5.1.3. Результаты исследований..........................................274
   5.1.4. Численное исследование работы газогенератора ....................279
5.2. Двухступенчатый газогенератор ИТ СО РАН...............................282
   5.2.1. Технологические элементы и работа установки......................283
   5.2.2. Методика эксперимента............................................284
   5.2.3. Результаты экспериментов.........................................286
   5.2.4. Численное исследование работы газогенератора.....................288
5.3. Заключение............................................................293
Библиографические ссылки................................................294

ГЛАВА 6. Численные исследования работы перспективного поточного газогенератора...................................................295
6.1. Обзор существующих моделей............................................295
   6.1.1. Эмпирико-балансные модели........................................295
   6.1.2. Термодинамические модели ........................................296
   6.1.3. Пространственно одномерные модели................................297

5

       Анализ технологических решений для ПГУ с внутрицикловой газификацией угля

   6.1.4. Многомерные модели ............................................298
6.2. Термодинамическое моделирование процесса газификации................298
   6.2.1. Анализ работы газогенератора MHI...............................298
   6.2.2. Анализ паровоздушных режимов газификации кузнецкого угля.......303
6.3. Моделирование реактора в одномерном приближении ....................308
   6.3.1. Математическая модель процесса ступенчатой газификации пылеугольного топлива.................................................308
   6.3.2. Верификация математической модели..............................312
   6.3.3. Исследование эффективности газификации кузнецкого угля.........313
6.4. CFD-моделирование перспективного поточного газогенератора на проектном топливе.....................................................325
   6.4.1. Математическая модель и методика расчета.......................328
   6.4.2. Верификация математической модели..............................333
   6.4.3. Исследование работы реактора прямоточного типа на основе газогенератора МШ.....................................................344
   6.4.4. Исследование работы реактора реверсивного типа на основе газогенератора EAGLE..................................................350
6.5. Заключение..........................................................357
Библиографические ссылки.................................................360

ГЛАВА 7. РАЗРАБОТКА ВОЗДУШНОГО КОТЛА.....................................366
7.1. Обзор способов высокотемпературного нагрева сжатого воздуха.........366
7.2. Экспериментальные исследования повышения ресурса поверхностей нагрева.... 377
7.3. Компоновочные решения и их численные исследования...................381
   7.3.1. Сжатый воздух как теплоноситель ...............................381
   7.3.2. Оптимизация конструкции теплообменного элемента для конвективной секции воздушного котла...............................................383
   7.3.3. Воздушный котел для ПГУ-ВЦГ 500 МВт............................387
7.4. Заключение..........................................................390
Библиографические ссылки.................................................391

ГЛАВА 8. Система охлаждения синтез-газа..................................393
8.1. Обзор наиболее распространенных способов охлаждения синтез-газа.....393
8.2. Особенности теплообмена в газоохладителе с мембранными трубными спиралями................................................................403
   8.2.1. Экспериментальные исследования ................................403
   8.2.2. Численное моделирование теплообменного элемента газоохладителя.408
8.3. Тепловой расчет системы охлаждения синтез-газа для ПГУ-ВЦГ 500 МВт..410
8.4. Заключение..........................................................414
Библиографические ссылки.................................................414

6

Содержание

ГЛАВА 9. СИСТЕМА ОЧИСТКИ СИНТЕЗ-ГАЗА.....................................416
9.1. Обзор систем очистки синтез-газа....................................416
   9.1.1. Очистка от твердых частиц......................................417
   9.1.2. Очистка от соединений азота....................................421
   9.1.3. Удаление хлоридов..............................................423
   9.1.4. Очистка от щелочных металлов...................................424
   9.1.5. Удаление тяжелых металлов .....................................425
   9.1.6. Сероочистка синтез-газа .......................................426
9.2. Узел горячей очистки синтез-газа из кузнецкого угля.................439
9.3. Моделирование горячей сероочистки синтез газа.......................441
   9.3.1. Определение кинетических и динамических характеристик сорбентов.441
   9.3.2. Моделирование гидродинамики двухфазного потока в реакторе с циркуляционным кипящим слоем .......................................448
9.4. Заключение..........................................................456
Библиографические ссылки.................................................457

ГЛАВА 10. ИССЛЕДОВАНИЕ ПГУ-ВЦГ МОЩНОСТЬЮ 500 МВТ
НА ВОЗДУШНОМ ДУТЬЕ.......................................................462
10.1. Работа газовой турбины на искусственных газах......................462
   10.1.1. Теплотехнические характеристики искусственных топливных газов.463
   10.1.2. Модернизация стандартной газовой турбины при переводе с природного газа на искусственный....................................470
   10.1.3. Схемы подготовки искусственных газов к сжиганию в газовой турбине .... 474
   10.1.4. Схемы сжигания искусственных газов в ГТУ......................487
   10.1.5. Выбросы газовой турбины при работе на искусственных газах.....491
10.2. Моделирование сжигания газа в камере сгорания газовой турбины......496
   10.2.1. Сравнение конструкций горелочных устройств КС промышленных и синтез-газов .......................................................497
   10.2.2. Выбор модели горения газового топлива ........................498
   10.2.3. Результаты сравнительного моделирования КС ...................500
   10.2.4. Моделирование работы КС ГТУ мощностью 300 МВт на синтез-газе из кузнецкого угля....................................................503
10.3. Исследование работы технологической схемы
ПГУ-ВЦГ мощностью 500 МВт на кузнецком угле..............................510
   10.3.1. Технологическая схема ПГУ ....................................510
   10.3.2. Методика расчета..............................................514
   10.3.3. Результаты исследования ПГУ-ВЦГ со среднетемпературной газоочисткой .........................................................519
10.4. Заключение.........................................................535
Библиографические ссылки.................................................538

7

     Анализ технологических решений для ПГУ с внутрицикловой газификацией угля

СПИСОК ОСНОВНЫХ СОКРАЩЕНИЙ И ОБОЗНАЧЕНИЙ..................543

ПРИЛОЖЕНИЕ 1. ЗАВИСИМОСТЬ МОЛЬНОЙ ИЗОБАРНОЙ ТЕПЛОЕМКОСТИ ГАЗОВ ОТ ТЕМПЕРАТУРЫ ПРИ ДАВЛЕНИИ 0,1 МПА...550

ПРИЛОЖЕНИЕ 2. ЗНАЧЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТОВ
В УРАВНЕНИЯХ (2.12)-(2.14) ...............................553

ПРИЛОЖЕНИЕ 3. МОДЕЛЬ ГИДРОДИНАМИКИ И ТЕПЛООБМЕНА В МНОГОФАЗНЫХ ПОТОКАХ ...................................555

ПРИЛОЖЕНИЕ 4. МОДЕЛИ ТРЕНИЯ МЕЖДУ ЧАСТИЦАМИ И ГАЗОМ ......561

ПРИЛОЖЕНИЕ 5. РАСЧЕТНАЯ СХЕМА ПГУ С ВНУТРИЦИКЛОВОЙ ГАЗИФИКАЦИЕЙ.............................................563

  ПРЕДИСЛОВИЕ

  В мировой энергетике парогазовые установки (ПГУ) с внутрицикловой газификацией твердого топлива интенсивно развиваются как направление, альтернативное прямому сжиганию, и достигли в настоящее время коммерческого уровня. Однако по техническим показателям они еще далеки от совершенства, что, в частности, сдерживает их появление на российском рынке.
  В последнее время за рубежом выпущен ряд книг, посвященных получению синтез-газа из угля на базе газогенераторных технологий или использованию искусственных газов в газотурбинных установках ПГУ Однако комплексные исследования совместной работы технологической (газогенераторной) и энергетической (ПГУ) частей общей энергоустановки находятся в стадии разработки, о чем свидетельствует появление ряда публикаций в международных (Fuel, Applied Energy, Fuel Processing Technology и др.) и отечественных («Теплоэнергетика», «Электрические станции», «Промышленная энергетика» и др.) журналах. Это и побудило авторов обратиться к сформулированной выше проблеме. Целью являлся поиск методов повышения эффективности получения и использования в комбинированном цикле ПГУ газов промышленного производства и внутрицикловой газификации. В процессе работы решались следующие основные задачи:
  -    поиск метода воздушной внутрицикловой газификации (ВЦГ), обеспечивающего работу газовой турбины с температурой до 1400-1700 °C;
  -    поиск метода сжигания полученного синтез-газа, обеспечивающего энергетическую и экологическую эффективность комбинированного цикла.
  Достижение целевых показателей ПГУ на искусственных газах - продуктах конверсии твердых топлив на примере энергетического оборудования номинальной мощностью 500 МВт (г|н > 50) - оказалось возможным благодаря обоснованному подбору параметров газификации твердого топлива и рабочего тела газовой турбины и оригинальным схемным решениям с использованием гибкого сочетания принципов внутреннего и внешнего сжигания.
  Рассматривается конкуренция парогазовых технологий, основанных на внутреннем и внешнем сжигании, оценивается эффект от их совместного использования, определяются основные пути повышения эффективности, анализируется международный и российский опыт.
  Приведены результаты термодинамического анализа комбинированного цикла с учетом теплофизических особенностей работы на газах паровоздушно-кис-лородной конверсии твердых топлив. Рассмотрено влияние нагрева циклового воздуха перед камерой сгорания газотурбинной установки на показатели эффективности ПГУ.

9

       Анализ технологических решений для ПГУ с внутрицикловой газификацией угля

   Выделены основные направления развития газогенераторостроения и приведены результаты исследования основных элементов технологической части структурной схемы комбинированного цикла на продуктах конверсии твердых топлив, рассмотрены варианты схемных и технических решений, проведено теоретическое исследование совместной работы газогенератора и газовой турбины.
   Значительное внимание уделено уточнению методов термогравиметрического определения кинетических характеристик топлив, экспериментальным и численным исследованиям поточной газификации проектных топлив, разработке воздушного котла, систем охлаждения и очистки синтез-газа, а также анализу тепловой схемы ПГУ мощностью 500 МВт с паровоздушной газификацией кузнецкого каменного угля.
   Монография написана на базе глубокого анализа литературных данных (более 500 библиографических источников) и результатов оригинальных исследований, проведенных в основном за последние три года. В процессе работы над рукописью авторы активно помогали друг другу в написании отдельных разделов, с тем чтобы изложенные вопросы отражали точку зрения всего авторского коллектива. Авторы выражают глубокую признательность студентам и научно-техническим работникам УрФУ и других организаций, участвовавших в получении положенных в основу рукописи материалов.
   Авторы стремились, по возможности не повторяя общеизвестных положений, сохранить целостность и последовательность изложения, чтобы предлагаемый материал был понятен читателю, не имеющему специальной подготовки в области газификационных технологий. Они с благодарностью примут критику и замечания, которые просят направлять по адресу: 620002, Екатеринбург, ул. Мира, 19, УрФУ, Уральский энергетический институт, кафедра «Тепловые электрические станции» или на электронную почту: af.ryzhkov@mail.ru


А. Ф. Рыжков