РосТепло.ru - Информационная система по теплоснабжению
РосТепло.ру - всё о теплоснабжении в России

Радикальное улучшение эффективности угольных котельных за счет технологии частичной газификации угля

Д.т.н. С.Р. Исламов, ООО «СибНИИуглеобогащение», г. Красноярск

Проблемы традиционной технологии сжигания угля

Классическая технология сжигания угля в процессе непрерывного совершенствования со времен промышленной революции в Европе, по сути, исчерпала свой термодинамический и, соответственно, экономический потенциал. Прямая себестоимость тепловой энергии зависит главным образом от трех параметров: удельные капитальные затраты, термический КПД и стоимость натурального топлива. Первые два показателя практически невозможно улучшить значительным образом, а необратимое повышение цен на уголь обрекает потребителей энергетической продукции на постоянное повышение тарифов. Что касается возрастающих требований к экологическим показателям угольных котельных, то эта задача решается только за счет увеличения затрат на очистные сооружения, что также приводит к росту тарифов.

Во многих городах значительную долю в энергетической инфраструктуре занимают устаревшие угольные котельные с удельными выбросами вредных веществ около 10 кг/Гкал и более. Однако даже у наиболее продвинутых в экологическом плане крупных ТЭЦ этот показатель находится на уровне 4-5 кг/Гкал и, по сути, является предельным, поскольку для дальнейшего его снижения требуется радикальное увеличение инвестиций в очистные сооружения. Не менее затратной задачей является и захоронение золошлаковых отходов, т.к. их утилизация в нашей стране практически отсутствует.

Разрешение проблем, сопутствующих использованию угля в коммунальной энергетике, возможно только по двум направлениям:

1. Увеличение капитальных затрат в традиционные технологии сжигания угля с целью повышения их экологической безопасности с соответствующим увеличением энерготарифа. Для повышения экономической эффективности это направление не имеет ресурсов.

2. Переход к технологиям нового поколения, которые способны резко развернуть повышательный тренд энерготарифов, а также обеспечить высокий уровень экологической безопасности без увеличения инвестиций в дорогостоящие очистные сооружения.

Технология частичной газификации угля

Очень часто для снижения экологических последствий использования угля предлагается схема его предварительной полной газификации с последующим сжиганием газового топлива. Согласно термодинамике, суммарный энергетический КПД двухступенчатого сжигания топлива равен произведению КПД отдельных стадий, т.е. в итоге он будет всегда ниже КПД прямого сжигания угля. Кроме того, предварительная газификация угля неизбежно влечет за собой увеличение капитальных затрат. В совокупности два этих фактора увеличивают себестоимость тепловой энергии. При этом достигается единственный положительный эффект - снижение вредных выбросов в атмосферу за счет более полного сжигания газового топлива. Однако производство золошлаковых отходов остается в неизменном объеме, как и при обычном сжигании угля.

Наиболее прогрессивным решением рассматриваемых проблем является частичная газификация угля. Она обеспечивает, по сути, предельно достижимую на практике экологическую и экономическую эффективность использования угля. При этом наилучшие результаты достигаются при использовании молодых углей, имеющих высокое содержание летучих веществ (угли марок Б, Д, ДГ).

Условно можно считать, что частичная газификация разделяет уголь на два продукта - газовое топливо и среднетемпературный кокс (термококс). Газ сжигается для производства тепловой энергии, а коксовый остаток поставляется на рынок специализированных видов топлива и углеродных материалов, обеспечивая тем самым значительную добавленную стоимость продукции. Эта технология запатентована под торговой маркой ТЕРМОКОКС (подробнее о технологии см. НТ № 1, 2007 г. и № 2, 2009 г. - Прим. ред.). Разные способы ее осуществления и соответствующее оборудование защищены более чем тремя десятками патентов в России и за рубежом.

Частичная газификация угля может осуществляться в типовых энергетических котлах, подвергнутых специальной модернизации путем встраивания в существующие габариты котла подтопка-реактора с кипящим слоем. При этом модернизированный котел сохраняет паспортную тепловую мощность.

Дробленый уголь, поступающий в ожижаемый воздухом кипящий слой с температурой 750-800 ОС, проходит стадии сушки, пиролиза, частичной газификации и далее охлаждается в кожухотрубчатом коксоохладителе. В надслоевом пространстве горячие газовые продукты дожигаются вторичным воздухом, при этом обеспечивается высокая теплонапряженность топочного объема. Таким образом, в котле сжигается преимущественно газовая компонента угля, а вместо золошлаковых отходов производится второй ценный продукт - буроугольный кокс.

Поскольку в котле сжигается газовое топливо, его выбросы практически идентичны выбросам котла, который работает на газовом топливе. При этом, как и у газовой котельной, отсутствуют золошлаковые отходы, т.к. зола остается в термококсе. Единственный выброс в окружающую среду - продукты сгорания газового топлива. Так, например, при использовании слоевых газификаторов с обращенным дутьем суммарный выброс вредных веществ (включая пыль) без использования очистных устройств составляет около 0,5 кг/Гкал. Поскольку эти выбросы относятся на единицу тепловой энергии, можно считать, что коксовая продукция производится с нулевыми выбросами. Такой уровень экологической чистоты в принципе недостижим для классического производства кокса.

С экономической точки зрения, эта технология является аналогом известной схемы когенерации, т.е. параллельного производства двух полезных продуктов. При этом капитальные затраты в расчете на 1 МДж суммарно производимой продукции существенно меньше, а экономическая эффективность производства в несколько раз выше, чем в проектах классической теплоэнергетики (т.е. по сравнению с проектами раздельного получения кокса и тепловой энергии). Соответственно в несколько раз сокращается срок окупаемости инвестиций. Так, например, при переработке примерно 4 т бурого угля производится 1 т кокса и около 25 ГДж (6 Гкал) полезной тепловой энергии. Продажа термококса по рыночной цене как минимум компенсирует затраты на уголь, так что тепловая энергия производится из топлива с условно нулевой ценой. Как следствие, срок окупаемости инвестиций в модернизацию действующей котельной составляет 1,5-2 года.

Перспективы использования термококса

Термококс - это новый продукт, для которого еще не сформировался емкий рынок сбыта. Однако у него большие перспективы, поскольку продукция из термококса вступает в конкурентную борьбу с традиционной коксовой и угольной продукцией, имея многократное преимущество в себестоимости и экологичности.

На данном этапе развития технологии можно выделить два главных направления использования буроугольного кокса: как заменителя кокса в металлургии и технологического специализированного топлива.

Так, например, под углом использования в металлургии главными отличительными характеристиками термококса, произведенного из канско-ачинских бурых углей, являются:

■ высокая теплота сгорания - до 7000 ккал/кг;

■ на порядок повышенная реакционная способность по сравнению с металлургическим коксом;

■ высокое электрическое сопротивление (этот фактор обеспечивает экономию электроэнергии в электрометаллургии).

При сегодняшнем соотношении цен себестоимость термококса в 4-5 раз дешевле, чем у традиционного доменного кокса. Преимущество физико-химических свойств термококса (на порядок повышенная реакционность) в полной мере проявляется в новейших технологиях недоменного производства.

На сегодняшний день на рынке технологического топлива существует значительный дефицит углей высокого качества с пониженным содержанием летучих веществ (марки углей: тощие и слабоспекающиеся). В первую очередь, это - экспортный товар. Кроме того, они используются для обжига руд и нерудных материалов, цементного клинкера, для спекания глинозема и т.п.

Буроугольный кокс является идеальным сырьем для производства экологически чистого бездымного бытового топлива - брикетов, как для отопления индивидуальных домов, так и для приготовления пищи. В России - это незначительный сегмент рынка, поэтому основное направление сбыта этой продукции - экспорт.

Кроме того, термококс является эффективным сорбентом для очистки газовых выбросов и водных стоков.

Следует признать, для предприятия, традиционно занятого эксплуатацией котельных установок и продажей тепловой энергии, большую настороженность вызывает необходимость выхода с новым товаром на совершенно незнакомый для него сегмент рынка. Однако у этой проблемы есть эффективное решение. Поставщик технологии частичной газификации угля в кооперации с углеснабжающей компанией обеспечивают углем теплогенерирующие предприятия и забирают произведенный термококс в счет оплаты поставленного угля. Эта схема подробно описана в статье [1].

Опытно-промышленная апробация технологии получения термококса

Технология получения термококса реализуется в двух вариантах:

■ на базе газификаторов слоевого типа с обращенным воздушным дутьем;

■ на базе типовых котлов для сжигания угля, модернизированных для частичной газификации угля в кипящем слое.

По первой схеме в г. Красноярске с 1996 г. успешно работает газовая котельная (2 котла по 4,5 Гкал/ч). Коксовая продукция из бурого угля поставляется в качестве углеродного сорбента для очистки сточных вод и газовых выбросов. В 2015 г. планируется завершить строительство усовершенствованной котельной такой же мощности.

По второй схеме в 2007 г. была выполнена модернизация водогрейного котла КВТС-20 мощностью 17,2 Гкал/ч в г. Шарыпово, Красноярский край (заказчик АО «СУЭК»). Успешно работающий до настоящего времени энерготехнологический котел обеспечивает паспортную производительность по горячей воде и параллельно производит термококс (проектная мощность - 20 тыс. т/год). Из мелкозернистого буроугольного кокса изготавливаются брикеты в качестве заменителя металлургического кокса.

Схема получения термококса в 2012 г. также реализована на ТЭЦ-2 г. Улан-Батора (Монголия) путем модернизации энергетических котлов БКЗ-75. Целью проекта является производство 210 тыс. т/год брикетированного бездымного бытового топлива на основе буроугольного кокса.

Литература

1. Исламов С.Р. Переработка угля по схеме энерготехнологического кластера //Уголь. 2009. № 3. С. 69-71.

С.Р. Исламов, Радикальное улучшение эффективности угольных котельных за счет технологии частичной газификации угля

Источник: Журнал «Новости теплоснабжения» №08 (180) 2015 г. , www.rosteplo.ru/nt/180

Оставить комментарий

Тематические закладки (теги)

Тематические закладки - служат для сортировки и поиска материалов сайта по темам, которые задают пользователи сайта.

Похожие статьи:

Конференция «Теплоснабжение 2017: функционирование в новых условиях»

Подробнее