Технология кипящего слоя для сжигания твердого топлива.

Введение

Технология, используемая для сжигания твердых видов топлива

Сжигание в псевдоожиженном слое (FBC) – это технология сжигания, применяемая для сжигания твердых видов топлива. В своей простейшей форме частицы топлива находятся во взвешенном, кипящем состоянии в горячем слое из золы и других твердых частиц (песка, известняка и т.д.), через который продуваются струи воздуха, обеспечивающие кислород, необходимый для сжигания или газификации. В результате быстрого и интенсивного перемешивания газа и твердых частиц обеспечивается быстрый теплообмен и химические реакции внутри слоя. Установки FBC способны сжигать широкий спектр твердого топлива низкого качества, включая большинство видов угля, угольные отходы и древесную биомассу, с высокой эффективностью и без необходимости дорогостоящей подготовки топлива (например, измельчения). Кроме того, при одинаковой тепловой нагрузке установки FBC занимают меньший объем, чем традиционные печи, что может дать значительные преимущества в плане стоимости и гибкости. Технология FBC снижает количество серы, выбрасываемой в виде оксидов серы (SOx). Известняк используется для осаждения сульфатов в процессе сжигания, что также повышает эффективность теплопередачи от котла к аппаратуре, используемой для улавливания тепловой энергии (обычно водотрубным котлам). Нагретый осадок, контактируя непосредственно с трубами (нагрев за счет теплопроводности), увеличивает эффективность. Поскольку это позволяет угольным электростанциям работать при более низких температурах, снижаются выбросы оксидов азота (NOx). Однако сжигание при низких температурах также приводит к увеличению выбросов полициклических ароматических углеводородов. Котлы FBC могут сжигать не только уголь, а более низкие температуры сгорания (800 °C / 1500 °F) имеют и другие дополнительные преимущества.

Преимущества

Существуют две причины быстрого распространения FBC в камерах сгорания. Во-первых, свобода выбора топлива в целом, а не только возможность использования топлива, которое трудно сжигать с использованием других технологий, является важным преимуществом кипящего слоя. Вторая причина, приобретающая все большее значение, – это возможность достижения низкого уровня выбросов оксидов азота в процессе сгорания и простота удаления серы с использованием известняка в качестве материала слоя. Технология кипящего слоя развивалась в результате попыток найти процесс сгорания, способный контролировать выбросы загрязняющих веществ без внешних систем очистки (таких как скрубберы для десульфурации дымовых газов). Технология сжигает топливо при температуре от 750 до 900 °C, что значительно ниже порога образования оксидов азота (приблизительно 1400 °C / 2500 °F атомы азота и кислорода в воздухе сгорания объединяются с образованием оксидов азота – загрязнителей); она также позволяет избежать проблем, связанных с плавлением золы при высоких температурах сгорания. Перемешивание в кипящем слое обеспечивает контакт дымовых газов с химическим веществом, поглощающим серу, таким как известняк или доломит. Более 95% сернистых загрязнителей в угле могут быть уловлены внутри котла сорбентом. Однако снижение выбросов может оказаться не таким значительным, как кажется, поскольку оно сопровождается резким увеличением выбросов полициклических ароматических углеводородов и, возможно, других углеродных соединений. Коммерческие установки FBC работают с конкурентоспособной эффективностью, стоят дешевле современных традиционных котлов и имеют выбросы SO2 и NO2 ниже установленных федеральными стандартами. Однако у них есть и недостатки, такие как эрозия труб внутри котла, неравномерное распределение температуры, вызванное засорением воздуховодов слоя, и длительное время запуска, которое в некоторых случаях может достигать 48 часов. Температура сгорания в FBC ниже – 750 °C, в то время как обычный котел работает при 850 °C. FBC характеризуется низким уровнем спекания (плавления золы). Снижение образования NOx благодаря более низкой температуре. Снижение образования SOx благодаря улавливанию известняком. Более высокая эффективность сгорания за счет 10-кратного увеличения теплопередачи по сравнению с другими процессами сгорания из-за сжигания частиц. Для FBC требуется меньшая площадь из-за высокого коэффициента конвективного теплообмена. Изотермическое сгорание в слое, поскольку температура в активной и неактивной зонах остается постоянной.

There are two reasons for the rapid increase of FBC in combustors. First, the liberty of choice in respect of fuels in general, not only the possibility of using fuels which are difficult to burn using other technologies, is an important advantage of fluidized bed combustion. The second reason, which has become increasingly important, is the possibility of achieving, during combustion, a low emission of nitric oxides and the possibility of removing sulfur in a simple manner by using limestone as bed material. Fluidized bed combustion evolved from efforts to find a combustion process able to control pollutant emissions without external emission controls (such as scrubbers flue gas desulfurization). The technology burns fuel at temperatures of 1,400 to 1,700 °F (750 900 °C), well below the threshold where nitrogen oxides form (at approximately 2,500 °F / 1400 °C, the nitrogen and oxygen atoms in the combustion air combine to form nitrogen oxide pollutants); it also avoids the ash melting problems related to high combustion temperature. The mixing action of the fluidized bed brings the flue gases into contact with a sulfur absorbing chemical, such as limestone or dolomite. More than 95% of the sulfur pollutants in coal can be captured inside the boiler by the sorbent. The reductions may be less substantial than they seem, however, as they coincide with dramatic increases in polycyclic aromatic hydrocarbons, and possibly other carbon compound emissions. Commercial FBC units operate at competitive efficiencies, cost less than today's conventional boiler units, and have SO2 and NO2 emissions below levels mandated by Federal standards. However, they have some disadvantages such as erosion on the tubes inside the boiler, uneven temperature distribution caused by clogs on the air inlet of the bed, long starting times reaching up to 48 hours in some cases. FBC has a lower combustion temperature of 750 °C whereas an ordinary boiler operates at 850 °C. FBC has low sintering process (melting of Ash). Lower production of NOx due to lower temperature. Lower production of SOx due to capture by limestone. Higher combustion efficiency due to 10 times more heat transfer than other combustion processes because of burning particle. Less area is required for FBC due to high coefficient of convective heat transfer. Iso thermal bed combustion as temperature in free belt and active belt remain constant.

Типы

Системы FBC по существу делятся на две основные группы – атмосферные (FBC) и системы с давлением (PFBC) – и две менее значительные подгруппы: кипящий слой (BFB) и циркулирующий кипящий слой (CFB).

Сжигание в атмосферном флюидизированном слое

В атмосферных кипящих слоях используется известняк или доломит для улавливания серы, выделяющейся при сжигании угля. Струи воздуха поддерживают взвешенное состояние смеси сорбента и горящего угля в процессе сгорания, превращая её в суспензию раскалённых частиц, которые ведут себя как жидкость. Эти котлы работают при атмосферном давлении.

Сжигание в поддавленном жидкостном слое

Система PFBC первого поколения также использует сорбент и струи воздуха для поддержания взвешенного состояния смеси сорбента и сгорающего угля в процессе сжигания. Однако эти системы работают при повышенном давлении и производят высоконапорный газовый поток при температурах, достаточных для привода газовой турбины. Пар, образующийся от тепла в псевдоожиженном слое, направляется в паровую турбину, создавая высокоэффективную систему комбинированного цикла.

Усовершенствованная PFBC

Система PFBC 1½ поколения повышает температуру горения газовой турбины за счет использования природного газа в дополнение к очищенному воздуху из камеры сжигания PFB. Эта смесь сжигается в дополнительной камере сгорания для обеспечения более высокой температуры на входе и, как следствие, большей эффективности комбинированного цикла. Однако это требует использования природного газа, который обычно дороже угля. АПФБК. В более продвинутых системах PFBC второго поколения используется карбонизатор под давлением для переработки исходного угля в топливный газ и кокс. PFBC сжигает кокс для производства пара и нагрева воздуха для газовой турбины. Топливный газ из карбонизатора сжигается в дополнительной камере сгорания, связанной с газовой турбиной, нагревая газы до номинальной температуры горения газовой турбины. Тепло от выхлопных газов газовой турбины используется для производства пара, который приводит в действие обычную паровую турбину, что обеспечивает более высокую общую эффективность выработки электроэнергии в комбинированном цикле. Эти системы также называются АПФБК, или передовыми циркулирующими системами сжигания в псевдоожиженном слое под давлением. Система АПФБК полностью работает на угле. GFBCC. Системы комбинированного цикла на основе газификации и сжигания в псевдоожиженном слое, GFBCC, имеют частичный газификатор с циркулирующим псевдоожиженным слоем (PCFB), подающий топливный синтез-газ в дополнительную камеру сгорания газовой турбины. Выхлопные газы газовой турбины обеспечивают воздух для сгорания в атмосферной камере сжигания в псевдоожиженном слое, которая сжигает кокс из частичного газификатора PCFB. CHIPPS. Система CHIPPS аналогична, но использует печь вместо атмосферной камеры сжигания в псевдоожиженном слое. Она также оснащена трубками для предварительного нагрева воздуха газовой турбины для повышения эффективности цикла газовой турбины. CHIPPS расшифровывается как Combustion-based High-Performance Power System (высокопроизводительная энергетическая система на основе сгорания).