SU1584757A3 - Способ получени электроэнергии из углеродсодержащего топлива - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к газификации углеродсодержащего топлива и получению электроэнергии и позвол ет упростить способ. Способ включает газификацию топлива в реакторе в присутствии вод ного пара путем косвенного нагрева, очистку полученного синтез-газа от твердых частиц и серы, сжигание первой части очищенного синтез-газа (ОСГ), подачу продуктов сгорани  (ПС) в газовую турбину, привод щую в действие электрический генератор. Сжигают вторую часть ОСГ, подают полученные ПС в качестве теплообменной среды в реактор дл  косвенного нагрева топлива и после прохождени  через реактор подают их в газовую турбину. Вторую часть ОСГ сжигают при избытке кислорода. ПС, подаваемые в реактор в качестве теплообменной среды дл  косвенного нагрева, имеют на входе температуру 850 - 1000°С и на выходе из реактора 750 - 850°С. Температуру ПС перед поступлением в газовую турбину поддерживают около 900 - 1000°С. Выход щие из газовой турбины ПС подогревают путем теплообмена с пС, поступающими из реактора и/или получаемыми при сжигании первой части ОСГ, и подают на следующую стадию газовой турбины. Температуру около 900 - 1000°С ПС перед поступлением в газовую турбину поддерживают путем сжигани  части ОСГ. Продукты сгорани , выход щие из газовой турбины, подают на перегрев пара и/или подогрев питательной воды парогенератора. Подводимый на стадию газификации пар получают в результате охлаждени  синтез-газа и/или продуктов сгорани , выход щих из газовой турбины, и/или продуктов сгорани  части синтез-газа. Получаемый посредством сжигани  очищенного синтез-газа дымовой газ смешивают с паром и подают на стадию газификации. 8 з.п. ф-лы, 3 ил., 1 табл.

Description

си

Изобретение относитс  к газификации углеродсодержащего топлива и получению электроэнергии.

Цель изобретени  - упрощение способа .

На фиг. 1 представлена технологическа  схема осуществлени  способа с использованием синтез-газа дл  получени  энергии; на фиг.2 - то же, с расположением генераторов пара в

общем корпусе охладител ; на фиг.З - то же, с несколькими ступенчато включенными газогенераторами.

П р и м е р 1 (фиг.1). Измельченный в мельнице-сушилке 1 уголь попадает через соответственную шлюзовую систему (использующую рабочий газ) в реактор 2 с псевдоор иженным слоем. Газификаци  угл  происходит аллотермически при помощи смеси пара /дымового газа (с преимущественным содержанием пара), которую получают в камере 3 сгорани  и через трубопровод 4 направл ют в реактор 2. Необходимое тепло реакции подвод т посредством косвенного теплообмена с дымовым газом, прох од шим через теплообменник (змеевик) 5 реактора. Выход щий из реактора 2 через трубопровод 6 синтез-газ освобождают в циклоне 7 и фильтрующих устройствах от пыли. Газ с температурой 800 - 900°С поступает через трубопровод 8 в утилизационный котел 9 и выходит и из него через требопровод 10 дл  охлаждени  в конденсаторе 11 настолько , что можно произвести через трубопровод 12 промывку серы в устройстве 13. Обессеренный газ, выход щий из устройства 13 дл  промывки направл етс  через трубопровод 14 в камеру сгорани , в которой его сжигают при избытке кислорода так, что образующийс  дымовой газ имеет температуру около 900°С. Этот газ поступает в теплообменник 5 реактора

В реакторе 2 у дымового газа отбирают такое количество тепла, которое необходимо еще дл  реакции газификации , причем часть тепла поступает за счет парогазовой смеси из камеры 3 сгорани . Выход щий из реактора дымовой газ, имеющий температуру, например, 750 - 800°С, через трубопровод 15 направл ют в течлообменную камеру 16, в которой он служит дл  промежуточного перегрева поступающег из первой ступени 17 расширительной турбины через трубопровод 18 во вторую ступень 19 расширительной турбины дымового газа. Дымовой газ, выход щий через трубопровод 20 из теп- лообменнои камеры 16, ввод т с давлением , например 40 бар в первую ступень 17 расширительной турбины. Дымовой газ, выход щий из второй ступени 19 через трубопровод 21 с конечным давлением, например, 1,2 бар

0

5

0

5

0

5

0

5

и температурой, например, 250°С, подвод т сначала к теплообменнику 22 дл  перегрева пара и после этого дл  охлаждени  в утилизационный котел 23 и через трубопровод 24 направл ют в подогреватель 25 питательной воды, а затем через трубопровод 26 - в дымовую трубу.

Пар, образованный в утилизационных котлах 23 и 9, поступает в паровой барабан 27, перегреваетс  в теплообменнике 22 и поступает на паровую турбину 28, котора  приводит в действие генератор 29. Конденсационное тепло пара с пониженным давлением отвод т в теплообменник 30. Конденсат направл ют посредством трубопровода 31 в теплообменник 30 (башенную градирню) и через трубопровод 32 - в устройство 33 дл  обработки конденсата , в которое ввод т также через трубопровод 34 конденсат из конденсатора 11. Обработанный конденсат вновь ввод т в процесс через трубопровод 35. Дл  образовани  пара служит питательна  вода, которую подают через трубопровод 36 из подогревател  25.

Часть пара, вышедшего из парового барабана 27, направл ют через трубопровод 37 в камеру 3 сгорани , где пар с дымовым газом, образующимс  при сгорании части синтез-газа, поступающий из трубопровода 14, направл ют через трубопровод 38 в камеру 3 сгорани  и сжигают с воздухом дл  горени , поступающим из компрессора 39, непосредственно перемешивают и тем самым перегревают.

Сжигание в камере 3 сгорани  происходит преимущественно стехиометри- чески, но его можно проводить также и надстехиометрически. В последнем случае свободный кислород служит созданию дополнительного тепла путем сжигани  С или СО в реакторе 2. Точно также кислород воздухом можно вводить в реактор 2 через трубопровод дл  подачи угл  (воздух в качестве рабочего газа).

Количество свободного кислорода, необходимого дл  подачи воздухом в реактор 2, можно в каждом случае оптимизировать (например, чем больше количество кислорода, вводимого с воздухом в процесс, тем больше количество азота в синтез-газе и тем большие размеры должны иметь агрегаты: циклон 7, котел 9, конденсатор 1 и устройство 13, теплообменник в реакторе 2 может быть меньшего размера).

В этих случа х некотора  дол  участвует в автотермическом образовании тепла в реакторе, благодар  чему можно оказывать вли ние на состав газа. Эта дол  настолько мала, что не вли ет на его в целом аллотермический характер.

Другую часть синтез-газа из трубопровода 14 можно подводить через трубопровод 40 в теплообменную камеру 16, где его сжигают, дополнительно получа  гор чий дымовой газ, который смешивают с дымовым газом, поступающим из трубопровода 15, что позвол ет подн ть температуру дымового газа, подаваемого на первую- ступень 7 газовой турбины, например, до 900-1000 С. Дальнейшее повышение температуры в общем нецелесообразно ввиду термической нагрузки на лопасти турбины.

Турбины расширени , приводимые в действие дымовым газом, вращают, генератор 41, вырабатывающий электрический ток. Кроме того, они могут приводить в действие также компрессор 39, который сжимает, например, до 40 бар воздух дл  горени , направл емый через трубопровод 42 в камеры 43 и 3 сгорани , причем воздух одновременно нагревают до температуры выше 600°С.

Образовавшийс  в камере сгорани  дымовой газ поступает в теплообменник 5 дл  косвенного теплообмена с углем в реакторе 2. Сжигание в камере 43 сгорани  выгодно проводить в значительной степени сверхстехиометричес- ки, в результате чего повышают объемное количество газа и вследствие этого увеличивают энергоотдачу ступен м 17 и 19 турбины расширени . Кроме того, газ после выхода из теплообменника 5 через трубопровод 15 еще несет с собой избыток воздуха дл  сжигани  другой части синтез-газа, подаваемого посредством трубопровода 40 в теплообменную камеру 16.

С помощью описанной установки дл  получени  энергии можно достигнут коэффициент полезного действи  (мощность на зажимах) в расчете на произведенную работу около 42-45%.

Преимущества комбинированной электростанции по сравнению с традиционны

ми, работающими на угле установками с обессерийанием дымового газа, заключаютс  в следующем: повышенный коэффициент полезного действи ; более низка  стоимость производства электри- ческого тока; существенное снижение потребности в воде; более низкие потери тепла; возможность расположени  установки вблизи районов с защищаемой окружающей средой.

Если газификацию в реакторе 2 ведут при температуре 700 - 800°С и давлении около 40 бар, можно получать

r на тонну угл  около 3200 ма газа следующего состава, об.%: Н i 58, СО 2, СО 2 30, СН. 10. Путем промывки С0г можно удалить долю СО г и повысить долю Н2и СН4 до 83 или 14 об.%,

0 благодар  чему можно отк азатьс  от конверсии, котора  необходима в случае газа, получаемого автотермической газификацией. Тот факт, что дл  проведени  газификации не требуетс 

5 кислород,  вл етс  еще одним существенным преимуществом перед автотермическим способом. Дл  сжигани  в камерах горени  требуетс  около 1/3 количества газа, в результате чего дл 

0 сжигани  в теплообменной камере 16 или дл  других целей остаетс  в распор жении приблизительно 2000 м газа на 1 т угл .

Пример 2 (фиг.2). Уголь

подают в сушилку-мельницу 1, затем вдувают его в реактор-газогенератор 2, в котором его газифицируют с помощью вод ного пара в псевдоожиженном слое до 97%. Вод ной пар подают в

газогенератор с температурой 850 С, после того как он прошел через теплообменник 44 в камере 3 сгорани . Необходимое дл  проведени  газификации тепло подвод т в реакционную

камеру через теплообменник 5. Золу, а также остаточный углерод (не сгоревший уголь) через барабанный затвор 45.

Неочищенный газ, выход щий нз газогенератора через дв  циклона 46 и 47, охлаждают на участке охлаждени  неочищенного газа, в теплообменниках . 48-54, а также в охлаждающем устройстве 55, при этом содержащийс  в неочищенном газе вод ной пар конденсируют , а тепло испарени  используют. Конденсат направл ют в устройство дл  водоподготовки и через устройство подготовки питательной воды он посту

пает вновь в процесс, в результате чего до минимума сокращаетс  расход технологической воды. Теплообменники 48 - 53 используют дл  получени  пара 25 бар или пара 3,6 бар. Неочищенный охлажденный газ направл ют в устройство 13 дл  промывки, которое работает по окислительному способу. Содержащийс  в неочищенном газе H2S превращают с помощью воздуха непосредственно в серу. Серу можно удал ть в твердом виде.

Через теплообменники 54 и 56 часть очищенного газа (синтез-газ) попадает в горелку камеры 3 горени . В этой камере горени  синтез-газ сжигают с поступающем из ступеней 57 и 58 компрессора воздухом, чтобы после того как рециркулирующий неочищенный газ или пар, нагретый в теплообменниках 59 или 56 до 850 С, направить с температурой 950 С в теплообменник 5 реактора 2.

Смесь воздуха с дымовым газом выходит из теплообменника 5 с температурой 800°С. После прохождени  через теплообменник 56 эта смесь при 760°С попадает на первую ступень 17 турбины расширени , где происходит снижение давлени  с 20 до 7,5 бар.

Отработанный газ из первой ступени 17 попадает в камеру 60 сгорани  перед второй ступенью. Камеру горени  нагревают другой частью синтез- газа и в ней происходит промежуточный нагрев. Во второй ступени 19 турбины давление пара снижаетс  до 3 бар. В камере 61 сгорани  остаток синтез- газа сжигают с остатком кислорода дымового газа из второй ступени 19 турбины. В третьей ступени 62 турбины давление газа снижают до 1,05 бар.

Дымовой газ, выход щий из ступени. 62 расширени  с температурой около 600°С, поступает в охладитель 63 дымвого газа с теплообменниками 64 - 68 В теплообменнике 65 получают пар высокого давлени  (45 бар), который перегревают в теплообменнике 64 до 480°С. В теплообменнике 67 получают пар низкого давлени  (3,6 бар). Дымовой газ выходит из охладител  63 за теплообменником 68 (экономайзером). Пар высокого и низкого давлени  и теплообменников 64 и 65 направл ют в турбину 69. Эта парова  турбина, а также ступень 17 привод т в действ ступени 57 и 58 компрессора. Обе

а

15847578

ступени газовых турбин 19 и 62 соеди0

5

0

5

30

35

40

45

50

нены с генератором 70. Конденсат из газовой турбины 69 охлаждают на градирне 71 и насосом возвращают в циркул ционную систему.

Из соображений строительства и эксплуатации величину и мощность газогенератора , описанных в примерах согласно фиг.1 и 2, можно ограничить, вследствие чего будет ограничено производимое количество энергии или

мощность электростанции. Способ можно без труда распространить применением нескольких газогенераторов на большую производственную мощность.

Пример 3. Установка содержит несколько газогенераторов 72 - 75, снабженных камерами 76 - 79 горени  и теплообменниками 80 - 83.

Смесь воздуха с дымовым газом, выход ща  из первого газогенератора 72, поступает в камеру 77 горени  второго газогенератора 73 с температурой 800 С. В этой камере горени  смесь воздуха с дымовым газом вновь нагревают путем сжигани  части синтез-газа , дымовой газ и пар нагревают до 880°С и дымовой газ с еще большим содержанием кислорода подают в теплообменник 81 второго газогенератора с температурой 950°С. Этот процесс можно повтор ть при использовании расчетных данных дл  других газогенераторов 74 и 75. т.е. в совокупности примен ть, например, четыре раза. Четыре газогенератора включены тем самым в отношении подачи топлива и отвода синтез-газа параллельно, а в отношении подвода дымового газа к теплообменникам - последовательно

Дымовой газ, выход щий из последнего теплообменника 83 с содержанием 0 6%, направл ют в турбину 84 расширени . Эта турбина приводит в , действие компрессор 85 дл  воздуха. Избыточную энергию можно отводить наружу (в сеть). Дымовой газ, сохран ющий еще высокую температуру (около 350°С), служит дл  образовани  пара.

Образовавшийс  синтез-газ ввод т в камеру сгорани  газотурбинной установки (после проведени  обессерива- ни ), Производство электрического тока при помощи этой комбинированной установки аналогично изображенной на фиг.2.

В таблице представлен состав полученного синтез-газа.

Если установку эксплуатируют с

с меньшей мощностью, можно производить избыточный синтез-газ, который при помощи другого компрессора напрал ют в ресивер (не изображен) при давлении, например, 200 бар. В случа необходимости резкого повышени  производства электрического тока синтез газ подают из ресивера в камеру сгорани  газовой турбины, котора  начне тогда работать в повышенном режиме. Емкость ресивера должна быть такой, чтобы газификаторы можно было бы также вновь перевести на работу на полной мощности.

Синтез-газ, полученный газификацией угл , можно также (поскольку его не сжигают дл  нагрева реактора) примен ть в качестве технологическог газа дл  проведени  последующих процессов . В случае такого изменени  способа отпапо бы сжигание остаточного синтез-газа в теплообменной 16 камере, подводимого через трубопровод 40, и вместо этого нужно было бы присоединить к трубопроводу 40 трубопровод дл  подвода технологической воды последовательно включеной ступени процесса. Дымовые газы, выход щие из змеевика-теплообменника реактора 2 через трубопровод 15, примен ли бы дл  совершени  работы в турбинах, которые и далее могут служить дл  производства электрического тока или дл  приведени  в действие компрессора.

Не сгоревший избыток синтез-газа можно примен ть в качестве газа в городских сет х газоснабжени . Полученный в реакторе 2 газ соответствуе по своей теплотворной способности после промывки С0й требовани м,

0

5

0

5

0

5

0

5

0

5

которые предъ вл ютс  к городскому газу, причем этот газ не нуждаетс  в дополнительной обработке и метани- зации.

Производство губчатого железа.

Образующийс  газ после промывки СО ввод т в циркул цию восстановительного газа восстановительного реактора дл  губчатого железа.

Циркул ци  восстановительного газа проводитс  через расположенный в теплообменной камере 16 змеевик теплообменника н благодар  этому производитс  нагрев дымовыми газами, выход щими из реактора 2, в результате косвенного теплообмена.

При производстве стали образующийс  газ направл ют через трубопровод 40 в восстановительный реактор, через который его пропускают один раз. Образующийс  в восстановительном реакторе колошниковый газ можно направл ть в теплообменную камеру 16 и там сжигать, что позвол ет получать дополнительный гор чий дымовой газ дл  его использовани  в ступен х 17 и 19 турбины расширени . Выработанным в генераторах 29 и 41 электрическим током можно плавить в электро- дуговс;й печи губчатое железо вместе со скрапом. Таким образом, можно создать министалелитейный завод, который можно использовать в регионах с качественно плохим скрапом и электроснабжением , причем такой минизавод особенно выгоден с точки зрени  защиты окружающей среды.

Кроме того, получаемый в реакторе 2 газ особенно пригоден дл  метаниза- ции или дл  непосредственного превращени  в метанол.

Синтез-газ может быть использован дл  получени  аммиака, дл  чего предусматривают два газификатора. Отводимый из каждого газификатора синтез-газ частично направл ют в рециркул цию дл  использовани  содержащегос  в нем вод ного пара в качестве технологического пара. Остальную часть синтез-газа примен ют дл  промывки серы, после чего подают на молекул рные сита, чтобы отделить от синтез-газа водород. Остающийс  синтез-газ, состо щий преимущественно из СО, ввод т в камеру горени , чтобы использовать дымовой газ дл  косвенного нагревани  газификаторов.

От отводимого из второго газификатора дымового газа отбирают часть газа и направл ют в камеру горени 5 где его стехиометрически сжигают с частью синтез-газа, поступающего с молекул рного сита, в результате чего образующийс  дымовой газ в основном содержит только N-г. и СО . После проведени  охлаждени  углекислый газ удал ют промывкой окиси углерода. Остающийс  азот смешивают с водородом с молекул рного сита и сжимают компрессором до 200 бар, нагревают и направл ют в контактную печь, где в результате реакции водорода с азото образуетс  аммиак, который затем вымывают промывкой Ш Полученный аммиак привод т во взаимодействие с серой5 имеющейс  после проведенного обессеривани  синтез-газа, дл  образовани  сульфата аммони .

Таким образом, можно создать завод искусственных удобрений, безопасный дл  окружающей среды, который, кроме того, может производить пар или энергию.

Преимущество предлагаемого способа в том, что полученный газификацией синтез-газ уже очищен и из него удалена сера, дымовой газ, образующийс  при последующем сжигании газа, больше не требует очистки. Принима  во внимание тот факт, что объемное количество синтез-газа существенно меньше объемного количества дымового газа, то соответственно меньше издержек, св занных с обеспыливанием и обессе- риванием газа, В то врем  как при не

посредственном сжигании угл  образует. 40 лива и после прохождени  через реактор подают их в газовую турбину.

с  дымовой газ с высокой долей N0, при газификации угл  происходит за счет существенно низких температур в газогенераторе значительное подавление окиси азота, при этом последующе сжигание синтез-газа можно вести таким образом, что образование окиси азота будет существенно меньшим, чем при сжигании угл . Поэтому спосо согласно изобретению очень выгоден с точки зрени  охраны окружающей среды. Электростанци , работающа  по предлагаемому способу, может использовать полностью или частично также в значительной степени вредные топлива. В реактор можно вводить, в частности, твердые бытовые или промышленные отходы, отработанное масло или т.п., причем при соответ

0

ствующем . примешивании угл . Содержащиес  там вредные вещества остаютс  большей частью в удал емом из реактора твердом шлаке. Поскольку они, переход т в получаемый газ, то их отдел ют при очистке газа еще перед сжиганием, так что отпадает необходимость в проведении очистки дымового газа. Работающа  по предлагаемому способу электростанци  может функционировать непосредственно в жилом районе или вблизи последнего, что  вл етс  выгодным с точки зрени  объединени  энергии с теплом.

В качестве топлива примен ют твердый и/или жидкий горючий отход щий продукт, как мусор, старое масло

и т.п. углем.

в данном случае- в смеси с

Claims (9)

1. Способ получени  электроэнергии из углеродсодержащего топлива, включающий газификацию топлива в реакторе в присутствии вод ного пара путем косвенного нагрева, очистку полученного синтез-газа от твердых частиц и серы, сжигание первой части очищенного синтез-газа, подачу продуктов сгорани  в газовую турбину, привод щую в действие электрический генератор, отличающийс  тем, что, с целью упрощени  способа,

сжигают вторую часть очищенного газа, подают полученные продукты сгорани  в качестве теплообменной среды в реактор дл  косвенного нагрева топлива и после прохождени  через реак

тор подают их в газовую турбину.

2.Способ поп.1, о тлич а ю - щ и и с   тем, что вторую часть очищенного синтез-газа сжигают при избытке кислорода.

3.Способ поп.1, отличающийс  тем, что продукты сгорани  подаваемые в реактор в качестве теплообменной среды дл  косвенного нагрева , имеют на входе температуру 850-1000°С и на выходе из реактора 750-850°С.

4.Способ поп.1, о г л и ч а ю - щ и и с   тем, что температуру продуктов сгорани  перед поступлением

в газовую турбину поддерживают около 900-1000СС.

5.Способ по п.2, отличающийс  тем, что выход пие из газовой турбины продукты сгорани  подогревают путем теплообмена с продуктам сгорани , поступающими из реактора и/или получаемыми при сжигании первой части очищенного синтез-газа, и подают на следующую стадию газовой турбины.

6.Способ по п.2, отличающийс  тем, что температуру около 900-1000°С продуктов сгорани  перед поступлением в газовую турбину поддер живают путем сжигани  части очищенного синтез-газа.

7.Способ по п.2 или 5, отличающийс  тем, что продукты

10

сгорани , выход щие ич газовой турбины , подают на перегрев пара и/или подогрев питательной воды парогенератора .

8.Способ поп.1, отличающийс  тем, что подводимый на стадию газификации пар получают в результате охлаждени  синтез-газа . и/или продуктов сгорани , выход щих из газовой турбины,и/или продуктов сжигани  части синтез-газа.

9.Способ по п.1, о т л и ч а ю - щ и и с   тем, что получаемый посредством сгорани  очищенного синтез- газа дымовой газ смешивают с паром

и подают на стадию газификации.

Фиг.1

Редактор А.Шандор

Составитель Р„Гор кнова

Техред М.Дидык Корректор Н,Ревска 

Заказ 2267

Тираж 443

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретени м и открыти м при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж-35, Раушска  на0., д, 4/5

lib 45

Подписное