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.

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 

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.