Разработка, технико-экономическое обоснование и экспериментальное подтверждение возможностей реализации комплексной технологии использования угля с получением энергии, синтетического жидкого и облагороженного твердого топлива для дальнейшей транспортировки

В работе проведен анализ научно-технической литературы по перспективным направлениям экологически чистого использования угля в энергетике. За рубежом такие разработки представлены на уровне работающих демонстрационных установок, а в России на уровне научных и опытных разработок.
В работе предложена принципиальная технологическая схема комплексного энерготехнологического использования Канско-Ачинского угля для получения энергии, синтетического жидкого и облагороженного твердого топлив.

В отчете приведена детальная технологическая схема комплексной переработки угля (предложенной на I этапе работы) на базе парогазовой установки с использованием газовой турбины отечественного производства ГТЭ-110. Для предлагаемой технологии делается выбор основного и нестандартного оборудования для модуля промышленного комплекса, а также приводятся их основные характеристики. Определены материальные и тепловые потоки в основном и нестандартном оборудовании ЭТК.
В работе выполнены предварительные проработки возможных конструктивных схем комбинированных аппаратов для пиролиза и газификации бурых канско-ачинских углей энергетических установок с выпуском побочной товарной продукции.
После модернизации существующей лабораторно-стендовой установки в ОИВТ РАН проведены экспериментальные исследований по высокоскоростному пиролизу КАУ. В результате экспериментальных исследований установлено влияние на выход жидких фракций таких технологических параметров, как температура процесса, время пребывания угольных частиц в реакционной зоне, скорость нагрева угольных частиц.

В работе представлены данные по геологическим ресурсам угля в мире, структуре производства первичных топливно-энергетических ресурсов и структуре потребления угля в России. На основании этих данных делается вывод о необходимости развития угольной энергетики и обеспечения страны высококачественными моторными топливами на основе глубокой переработки углей. Эти технологии основаны на газификации углей по месту их залегания и добычи с получением энерготехнологических газов, которые могут быть использованы, как эффективное топливо для газотурбинных электростанций, работающих по экологически чистым комбинированным циклам с интегрированной газификацией углей, а, с другой стороны, как сырьё для синтеза новых видов энергоносителей и моторных топлив.
В работе проведен анализ научно-технической литературы по перспективным направлениям экологически чистого использования угля в энергетике. За рубежом такие разработки представлены на уровне работающих демонстрационных установок, а в России на уровне научных и опытных разработок.
Выполнен анализ литературных отечественных и зарубежных источников по пиролизу угля с твердым теплоносителем с целью получения товарных жидких и твердых продуктов. Дано объяснение отличиям по выходу жидких продуктов в различных вариантах.
В работе выполнены предварительные проработки возможных конструктивных схем комбинированных аппаратов для пиролиза и газификации бурых Канско-Ачинских углей для энергетических установок с выпуском побочной товарной продукции. Выполнен расчет тепловых и термохимических параметров 3-х слойного реактора пиролиза и газификации для включения его в состав ПГУ.
Проведена модернизация лабораторно-стендовой установки для исследования процесса высокоскоростного пиролиза с комбинированным твердым и газовым теплоносителями. Экспериментальные исследования, выполненные на этой установке, по высокоскоростному пиролизу КАУ показали, что на выход жидких фракций основное влияние оказывают следующие определяющие параметры:
температура процесса
скорость нагрева угольных частиц
скорость эвакуации и «замораживания» выделяющихся жидких фракций из зоны реакции
время пребывания (выгазовывания) частиц угля в зоне реакции.
Причем по ряду параметров, в первую очередь температуре процесса, существует ярко выраженный экстремум в интервале температур 550-620 оС.
Определена номенклатура оборудования для создания промышленной установки электрической мощностью 320 МВт на базе отечественных производителей энергетического и химического машиностроения. В качестве основного элемента энергохимической переработки углей выбрана газотурбинная установка мощностью 110 МВт - ГТЭ-110.
Разработана детальная технологическая схема энергохимического комплекса электрической мощностью 320 МВт, с получением электроэнергии, синтетического жидкого и облагороженного твердого топлив, ориентированное на переработку, прежде всего, углей Канско-Ачинского бассейна. Для данной схемы определены материальные и тепловые потоки.
Разработана унифицированная методика сравнительного технико-экономического анализа альтернативных технологий. По данной методике выполнен сравнительный технико-экономический анализ предлагаемой технологии с альтернативными существующими (паротурбинная ГРЭС большой мощности на угле с очисткой дымовых газов от SO2 и без очистки) и перспективными технологиями (парогазовые установки с внутрицикловой газификацией угля), реализуемыми в настоящее время во многих промышленно развитых странах.
По результатам технико-экономического анализа продемонстрировано, что стоимость электроэнергии на ЭХК на 20-25 % ниже, чем на ГРЭС с перспективными парогазовыми установками и внутрицикловой газификацией угля. Снижение стоимости генерируемой энергии получено как за счет производства ценных побочных продуктов (СЖТ, угольные брикеты), так и упрощения технологической схемы переработки угля и повышение ее эффективности.
Обоснование возможностей реализации предлагаемой технологии выполнено путем использования отработанных в отечественной практике технологических узлов или на основании специально проведенных экспериментальных работ:
Основой выбора реактора трехслойного циркулирующего кипящего слоя для газификации и пиролиза угля служит опытная установка ОИВТ РАН по газификации угля в циркулирующем кипящем слое ТФР-300 производительностью до 500 кг угля в час.
При разработке принципа организации процесса в трехслойном реакторе кипящего слоя использован опыт работ в цементной промышленности, а также модельные холодные испытания двухслойного реактора в ОИВТ РАН.
При выборе параметров высокоскоростного пиролиза использовался опыт ЭНИНа им. Г.М. Кржижановского, полученный на крупномасштабной опытной установке, а также проектные показатели ЭТХ-175, сооруженной на ТЭЦ г. Красноярска.
Для обоснования возможностей замены твердого теплоносителя при пиролизе угля газовым (продукты газификации угля) в ОИВТ РАН была создана лабораторно-стендовая установка и проведены экспериментальные исследования, в которых были получены практически те же выходы легкой и тяжелой смолы, что и на опытной установке ЭНИНа.
В отличие от существующих и разрабатываемых в мировой практике, монотехнологий по газификации и пиролизу угля, в предлагаемой технологии с трехслойным реактором органично совмещены три технологии:
• Высокотемпературная газификация полукокса (средний слой) с получением энергетического газа для ПГУ и одновременно газового теплоносителя.
• Пиролиз исходного угля (верхний слой) за счет утилизации теплоты продуктов газификации с получением ценных жидких продуктов.
• Утилизация тепла угольной золы и ее кондиционирование для удовлетворения экологических требований (окисление сульфидов до сульфатов, выжигания остаточного углерода) за счет ее продувки воздухом.
Такая организация процесса повышает его эффективность (коэффициент использования тепла) и существенно снижает капитальные затраты.
Изложенное выше не снимает необходимости отработки комплексной технологии на крупномасштабной опытной установке производительностью по углю порядка 1 т в час.
По международной практике сооружение такой установки финансируется на долевых условиях Государством и коммерческим предприятием.
Реализация технологий по комплексной переработке и использованию углей Канско-Ачинского бассейна является одной из важнейших Государственных проблем, так как в долгосрочной программе развития энергетики России альтернативных решений практически не существует.