Системы подготовки топлива и воздуха для парогазовых установок с внутрицикловой газификацией

Министерство науки и высшего образования 
Российской Федерации
Уральский федеральный университет
имени первого Президента России Б. Н. Ельцина

В. А. Микула, А. Ф. Рыжков, В. Г. Тупоногов

СИСТЕМЫ ПОДГОТОВКИ ТОПЛИВА И ВОЗДУХА 
ДЛя ПАРОГАЗОВЫХ УСТАНОВОК 
С ВНУТРИЦИКЛОВОЙ ГАЗИФИКАЦИЕЙ

Учебное пособие

Рекомендовано методическим советом
Уральского федерального университета
для студентов вуза, обучающихся
по направлениям подготовки
13.04.01, 13.03.01 — Теплоэнергетика и теплотехника

Екатеринбург
Издательство Уральского университета
2019

УДК 621.181.23(075.8)
ББК 31.374я73
          М59

Рецензенты:
директор Свердловского филиала «Т плюс» В. А. Бусоргин;
гендиректор ЗАО «Инженерный центр “Уралтехэнерго”» В. А. Зайцев

Научный редактор — проф., д‑р техн. наук Б. В. Берг

 
Микула, В. А.
М59    Системы подготовки топлива и воздуха для парогазовых установок с внутрицикловой газификацией : учебное пособие / В. А. Микула, А. Ф. Рыжков, В. Г. Тупоногов. — Екатеринбург : Изд‑во Урал. ун‑та, 
2019. — 164 с.

ISBN 978‑5‑7996‑2605‑1

В учебном пособии рассматриваются технологии высокотемпературного нагрева воздуха, охлаждения и очистки синтез‑газа для парогазовых установок с внутрицикловой газификацией. Выполнен анализ конструктивных и технологических 
решений, а также оптимизация режимных параметров. Рассмотрены вопросы повышения технико‑экономических и экологических показателей систем подготовки топлива и воздуха.
Может быть использовано для подготовки студентов вуза, обучающихся по программам бакалавриата и магистратуры по направлению «Теплоэнергетика и теплотехника», а также будет интересна для аспирантов и научных работников.

УДК 621.181.23(075.8)
ББК 31.374я73

ISBN 978‑5‑7996‑2605‑1 
©Уральский федеральный 
 
     университет, 2019

Оглавление

Введение ................................................................................................ 5

Глава 1.  
ВОЗДУШНЫЙ КОТЕЛ ....................................................................... 7
1.1. Обзор способов высокотемпературного нагрева сжатого 
        воздуха ............................................................................................ 7
1.2. Экспериментальные исследования повышения ресурса 
        поверхностей нагрева .................................................................. 20
1.3. Компоновочные решения и их численные исследования ......... 25

1.3.1. Сжатый воздух как теплоноситель .................................... 25
1.3.2. Оптимизация конструкции теплообменного 
           элемента для конвективной секции воздушного котла .... 27
1.3.3. Воздушный котел для ПГУ‑ВЦГ 500 МВт ........................ 32

Выводы к главе 1 ................................................................................. 36
Вопросы для самоконтроля ............................................................... 37
Список библиографических ссылок к главе 1 ................................... 37

Глава 2.  
СиСТЕМА ОхЛАжДЕНия СиНТЕЗ-ГАЗА ................................... 40
2.1. Обзор наиболее распространенных способов охлаждения 
        синтез‑газа ................................................................................... 40
2.2. Особенности теплообмена в газоохладителе 
        с мембранными трубными спиралями ....................................... 52

2.2.1. Экспериментальные исследования ................................... 52
2.2.2. Численное моделирование теплообменного элемента 
            газоохладителя ................................................................... 58
2.3. Тепловой расчет системы охлаждения синтез‑газа 
        для ПГУ‑ВЦГ 500 МВт ................................................................ 60
Выводы к главе 2 ................................................................................. 64
Вопросы для самоконтроля ............................................................... 65
Список библиографических ссылок к главе 2 ................................... 66

Оглавление

Глава 3.  
СиСТЕМА ОЧиСТКи СиНТЕЗ-ГАЗА  
ДЛя УГОЛЬНЫх ПГУ ...................................................................... 68
3.1. Обзор систем очистки синтез‑газа .............................................. 68

3.1.1. Очистка от твердых частиц ................................................ 70
3.1.2. Очистка от соединений азота ............................................. 75
3.1.3. Удаление хлоридов ............................................................. 77
3.1.4. Очистка от щелочных металлов ......................................... 78
3.1.5. Удаление тяжелых металлов............................................... 80
3.1.6. Сероочистка синтез‑газа .................................................... 81

3.2. Узел горячей очистки синтез‑газа из кузнецкого угля ............... 99
3.3. Моделирование горячей сероочистки синтез‑газа ....................100

3.3.1. Определение кинетических и динамических 
            характеристик сорбентов ..................................................101
3.3.2. Моделирование гидродинамики двухфазного потока 
           в реакторе с циркуляционным кипящим слоем ...............108

Выводы к главе 3 ................................................................................117
Вопросы для самоконтроля ..............................................................119
Список библиографических ссылок к главе 3 ..................................120

Приложение 1.  
Пример расчета воздушного котла для ПГУ‑ВЦГ 500 МВт ............127
Приложение 2.  
Модель гидродинамики и теплообмена в многофазных 
потоках и трения между частицами и газом [72] ..............................154

Введение

Д

ефицит первичных энергоресурсов и постоянно растущий 
спрос на энергию будут требовать замены природного газа 
и нефти другими энергоносителями во все возрастающем 
объеме. В условиях непрерывной борьбы за повышение надежности 
энергосбережения переработка угля в газообразный энергоноситель 
и сырье приобретает решающее значение, что ведет к возрождению 
интереса к газификации угля.
Увеличение потребления ископаемых углей будет сопровождаться ростом экологической нагрузки на окружающую среду, поскольку 
при сжигании и переработке угля образуется больше вредных побочных продуктов по сравнению с нефтью и газом.
Снижение ущерба окружающей среде от угольной энергетики может быть достигнуто путем перехода к использованию экологически 
более безопасных видов топлива угольного происхождения. К ним 
относится облагороженный или «чистый уголь», синтетические газообразные и жидкие топлива, полученные путем химической переработки угля.
Перспективным направлением развития угольной генерации являются комбинированные парогазовые технологии, основанные 
на внутрицикловой газификации твердого топлива — ПГУ ВЦГ. После некоторого затишья в строительстве новых парогазовых установок с внутрицикловой газификацией твердого топлива, последовавшего в начале ХХІ века, в последние годы наблюдается как увеличение 
количества объектов, введенных в эксплуатацию по этой технологии, 
так и количество проектов, которые планируется реализовать в ближайшие годы.
Существующие коммерческие проекты, связанные с введением 
в эксплуатацию новых ПГУ с внутрицикловой газификацией твердо

Введение

го топлива, реализовались в США, Нидерландах, Италии, Испании, 
Японии и Китае.
Для преобразования синтез‑газа в конечный продукт (электроэнергию) его необходимо охладить и очистить, а в некоторых схемах применяется и подогрев циклового воздуха.

Глава 1.  
ВОЗДУШНЫЙ КОТЕЛ

1.1. Обзор способов  
высокотемпературного нагрева сжатого воздуха

С

уществует три основных способа передачи теплоты между средами: смешение; регенерация (за счет попеременного омывания средами теплоемкого тела); рекуперация (через герметичную поверхность, разделяющую среды).
Наибольший опыт высокотемпературного нагрева воздуха накоплен 
при невысоком давлении для регенеративных и рекуперативных теплообменников в металлургической промышленности [1–5] и энергетике (воздухоподогреватели паровых котлов, ЗГТУ).
В регенеративных воздухонагревателях циклического действия, работающих обычно при небольших избыточных давлениях, температура воздуха достигает 1300–1400 °C.
Имеются керамические регенеративные теплообменники циклического действия, рассчитанные на нагрев воздуха до 1200–1300 °C при 
давлении ~1 МПа [6]. Однако отработаны они только на опытных моделях МГД‑генераторов замкнутого цикла [7–9].
В случае нагрева воздуха за счет сжигания твердого топлива регенеративная конструкция труднореализуема, поскольку поток продуктов 
сгорания будет содержать частицы шлака и золы. Другой проблемой 
регенеративных теплообменников с нагревом до 1300 °C, выполняемых обычно из керамических элементов, является их неустойчивость 
к термоудару и динамическим нагрузкам [10].
Более реальным на данном этапе представляется металлический 
рекуперативный воздухонагреватель (ВН), работающий на угольной 
пыли.

Глава 1. ВОЗДУШНЫЙ КОТЕЛ 

В энергетике наиболее распространенным устройством преобразования энергии топлива являются паровые котлы, используемые в паротурбинном цикле на ТЭС. В них производится рекуперативный нагрев 
низкотемпературного дутьевого воздуха (идущего на горение) до температуры ~450 °C. Назначение котла — нагреть пар, а в воздухоподогревателе парового котла утилизируется теплота, не использованная 
при производстве пара, и этим определяется «потолок» нагрева воздуха.
Другой менее распространенный вариант высокотемпературного нагрева до 600–700 °C компримированного (до 1–5 МПа) воздуха 
в угольных котлах небольшой мощности используется в циклах ЗГТУ 
и до 900–1000 °C — для ГТУ разомкнутого цикла.
Разработка технологий высокотемпературного нагрева компримированного воздуха началась в 30‑е годы прошлого века для газотурбинных установок замкнутого цикла [11].
В данных установках воздух нагревается за счет сжигания угольной 
пыли в особом агрегате — «огневом нагревателе» (см. рис. 1.1). Котел 
имеет U‑образную компоновку и состоит из топки (радиационной 
части) и конвективной части, горелки расположены в верхней части 
топки. Цикловой воздух с температурой около 400 °C проходит противотоком конвективную часть, а затем прямотоком радиационную. 
В радиационной секции продукты сгорания охлаждаются до температуры ~1000 °C, чтобы исключить шлакование поверхностей нагрева конвективной шахты. В результате в радиационной секции воздуху 
передается около 70 % тепла, а в конвективной — 30 % [11].
Следующий период развития технологии нагрева компримированного воздуха связан с технологией использования угля в комбинированных парогазовых установках с ГТУ разомкнутого цикла; 
были сделаны попытки разработки гибридной угольной ПГУ с введением технологии внешнего сжигания. Самым масштабным подобным проектом стала разработка высокоэффективных энергоустановок в рамках одноименной программы Министерства энергетики 
США (US DOE High-performance power systems (HIPPS), реализовывавшейся с 1992 по 2001 годы [12]. Основными разработчиками проекта стали компании Foster Wheeler Development Corporation (FW) и United 
Technologies Research Center (UTRC) [13]. В предложенных схемах ПГУ 
300 МВт цикловый воздух нагревался в высокотемпературном воздушном котле HITAF (High-Temperature Advanced Furnace) до 930 °C, а затем догревался в камере сгорания газовой турбины за счет сжигания 

1.1. Обзор способов высокотемпературного нагрева сжатого воздуха 

присадки природного или синтез‑газа до освоенной в то время в газотурбостроении температуры ~1290 °C.

Рис. 1.1. Схема воздушного котла ГТУ мощностью 2 МВт: 

1 — угольный бункер; 2 — транспортер; 3 — питатель; 4 — мельница; 5 — смеситель; 6 — выходной коллектор радиационной секции; 7 — радиационная секция; 8 — топка; 9 — запальный муфель; 10 — горелка; 11 — входной коллектор радиационной секции; 12 — несущие трубы; 13 — выходной коллектор конвективной секции; 14 — входной коллектор конвективной 
секции; 15 — конвективная секция; 16 — воздухоподогреватель; 17 — вентилятор; 18 — сепаратор; 19 — дымосос; 20 — вагонетка для шлака; 21 — транспортер шлака

В настоящее время высокотемпературный нагрев воздуха также интенсивно рассматривается применительно к установкам малой «зеленой» энергетики (микро‑ГТУ на биомассе [14–16], солнечных ГТУ 
и ПГУ [17–18] и т. п.) с нагревом воздуха до 1000–1200 °C в металлических и керамических теплообменниках соответственно [19].
Принципиальная схема воздушного котла HITAF, разработанного в рамках проекта HIPPS, представлена на рис. 1.2. Котел имеет открытую двухкамерную топку с жидким шлакоудалением. Доля 
теплоты, снимаемая в радиационной части воздушного котла (ВК) 
рассматриваемой конструкции, становится меньше (~40 % от всей 
теплоты, передаваемой компримированному воздуху), чем в предыдущих схемах ВК, и продукты сгорания на выходе из топки имеют 
температуру выше температуры плавления шлака. В поворотном газоходе ВК устанавливается шлакоуловитель с пучком вертикальных 

Глава 1. ВОЗДУШНЫЙ КОТЕЛ 

труб, шлак оседает и стекает по поверхности труб и далее в воронку 
шлакоудаления.

Трубка для воздуха

Шлак/футеровка топки

Топка
Воздух и уголь

Воздух
Радиационный
ВН (вид сверху)

Воздух для 
канальной горелки
и газовой турбины
 927 °C

1538 °C
927 °C

928 °C

427 °C

Конвективный ВН
(вид сбоку)

Воздух из
компрессора

Удаление золы
Рециркуляция
дымовых газов

Слив шлака

Фестон
(вертикально
ориентированный)

Рис. 1.2. Высокотемпературный воздушный котел (HITAF) [20]

После шлакоуловителя к продуктам сгорания подмешиваются газы 
рециркуляции (с выхода ВК), чтобы снизить температуру ниже температуры плавления золы и предотвратить чрезмерное спекание зольных отложений на поверхностях конвективной секции воздухонагревателя, кроме того, обеспечивается снижение выбросов оксидов азота. 
Данное решение отличает рассматриваемую топку ВК от классической 
конструкции двухкамерной топки с жидким шлакоудалением паровых котлов. Второй камерой топки в ВК можно считать пространство 
от шлакоуловителя до конвективного пучка, в этой камере охлаждение продуктов сгорания осуществляется за счет рециркуляции уходящих газов, а не поверхностями нагрева. Недостатком использования 
рециркуляции для охлаждения продуктов сгорания является увеличение расходов на тягодутьевое оборудование — по нашим оценкам 
от 1,5 до 2 раз по сравнению с котлом без использования рециркуляции.

1.1. Обзор способов высокотемпературного нагрева сжатого воздуха 

В конвективной секции продукты сгорания отдают теплоту на нагрев компримированного воздуха, затем используются для нагрева 
пара (вторая ступень пароперегревателя) и дутьевого воздуха для горелок ВК [20].
Принципиальная конструкция радиационной секции воздушного котла HITAF (см. рис. 1.2) представлена на рис. 1.3. Хотя радиационный воздухонагреватель может быть исполнен по схеме противои прямотока 
продуктов сгорания и воздуха, но в рассматриваемой конструкции ВК выбрана последняя схема, поскольку она будет способствовать сливу жидкого шлака из радиационной поверхности нагревателя, создавая максимальную температуру поверхности в самой нижней точке нагревателя.

Вход воздуха

Коллектор
Коллектор

Полые панели

Выход воздуха

Факел

Рис. 1.3. Радиационная секция воздушного котла (HITAF)

Проектная концепция [20] предполагает, что радиационный воздухонагреватель будет состоять из многочисленных длинных полых панелей («трубных коробок»), покрывающих внутренние стенки первой 
камеры топки. Воздух, нагреваемый для последующей подачи в газовую турбину, будет распределяться по небольшим трубным каналам 
внутри этих панелей через коллекторы, которые организуются во избежание чрезмерных термических напряжений. При используемом 

Глава 1. ВОЗДУШНЫЙ КОТЕЛ 

в котле факельном сжигании топлива (температура факела поддерживается выше 1500 °C) необходимо организовать защиту экранных труб 
с компримированным воздухом от перегрева. В предложенной в [20] 
конструкции керамические огнеупорные плитки формируют поверхность, которая непосредственно контактирует с факелом и защищает трубки от перегрева и индуцированной шлаком коррозии. Более 
распространенным решением для защиты труб от воздействия факела и шлака является футеровка экранов — покрытие их огнеупорной 
массой с закреплением ее на приваренных к трубам шипах [21], однако в результате взаимодействия с огнеупорной массой в металле труб 
возникают дополнительные напряжения; рассмотренная выше конструкция практически снимает эту проблему.
В разработанной конструкции радиационной панели «трубы в коробке» (см. рис. 1.4) трубы (диаметром d = 57 мм) экранируются от непосредственного излучения факела огнеупорными панелями А с зазором 
Y1, с противоположной стороны труб расположена огнеупорная изоляция с зазором Y2, с боков «коробка» ограничена огнеупорными прослойками. Трубы в «коробке» расположены с зазорами X1. Для определения оптимальных величин параметров Y1, Y2 и X1 авторами [20] было 
проведено моделирование процесса излучения в указанной конструкции. Моделирование позволило сделать следующие выводы:
· увеличение расстояния между трубками (X1) приводит к возрастанию температуры переизлучающей поверхности огнеупорной 
изоляции, что повышает тепловой поток излучением на «холодной» стороне трубок; температурный профиль трубки (по периметру) становится более равномерным;
· увеличение расстояния от трубы к стене (Y1, Y2) повышает равномерность температурного профиля футеровки; установлено, что 
расстояния (Y1, Y2) около одного диаметра трубы обеспечивают 
достаточную равномерность.
В результате для испытаний была создана опытная радиационная воздухонагревательная установка (панель) из 3 труб с шагом 1,9∙d  
и Y1 = Y2 =d, размером 0,46х0,96 м (см. рис. 1.5). Параметры воздуха 
при испытаниях составляли:
· давление, МПа 
 
1,9
· расход, м 3/мин 
 
14,4
· температура на входе, °C 
705
· температура на выходе, °C 927