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 устано‑
вок с внутрицикловой газификацией : учебное пособие / В. А. Мику‑
ла, 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 на‑
грева воздуха, охлаждения и очистки синтез‑газа для парогазовых установок с вну‑
трицикловой газификацией. Выполнен анализ конструктивных и технологических 
решений, а также оптимизация режимных параметров. Рассмотрены вопросы по‑
вышения технико‑экономических и экологических показателей систем подготов‑
ки топлива и воздуха.
Может быть использовано для подготовки студентов вуза, обучающихся по про‑
граммам бакалавриата и магистратуры по направлению «Теплоэнергетика и тепло‑
техника», 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 сопровождать‑
ся ростом экологической нагрузки на окружающую среду, поскольку 
при сжигании и переработке угля образуется больше вредных побоч‑
ных продуктов по сравнению с нефтью и газом.
Снижение ущерба окружающей среде от угольной энергетики мо‑
жет быть достигнуто путем перехода к использованию экологически 
более безопасных видов топлива угольного происхождения. К ним 
относится облагороженный или «чистый уголь», синтетические га‑
зообразные и жидкие топлива, полученные путем химической пере‑
работки угля.
Перспективным направлением развития угольной генерации яв‑
ляются комбинированные парогазовые технологии, основанные 
на внутрицикловой газификации твердого топлива — ПГУ ВЦГ. По‑
сле некоторого затишья в строительстве новых парогазовых устано‑
вок с внутрицикловой газификацией твердого топлива, последовав‑
шего 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 бли‑
жайшие 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 (электроэнер‑
гию) его необходимо охладить и очистить, а в некоторых схемах при‑
меняется и подогрев циклового воздуха.

Глава 1.  
ВОЗДУШНЫЙ КОТЕЛ

1.1. Обзор способов  
высокотемпературного нагрева сжатого воздуха

С

уществует три основных способа передачи теплоты между сре‑
дами: смешение; регенерация (за счет попеременного омыва‑
ния средами теплоемкого тела); рекуперация (через герметич‑
ную поверхность, разделяющую среды).
Наибольший опыт высокотемпературного нагрева воздуха накоплен 
при невысоком давлении для регенеративных и рекуперативных те‑
плообменников в металлургической промышленности [1–5] и энер‑
гетике (воздухоподогреватели паровых котлов, ЗГТУ).
В регенеративных воздухонагревателях циклического действия, ра‑
ботающих обычно при небольших избыточных давлениях, температу‑
ра воздуха достигает 1300–1400 °C.
Имеются керамические регенеративные теплообменники цикличе‑
ского действия, рассчитанные на нагрев воздуха до 1200–1300 °C при 
давлении ~1 МПа [6]. Однако отработаны они только на опытных мо‑
делях МГД‑генераторов замкнутого цикла [7–9].
В случае нагрева воздуха за счет сжигания твердого топлива регене‑
ративная конструкция труднореализуема, поскольку поток продуктов 
сгорания будет содержать частицы шлака и золы. Другой проблемой 
регенеративных теплообменников с нагревом до 1300 °C, выполняе‑
мых 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.

Глава 1. ВОЗДУШНЫЙ КОТЕЛ 

В энергетике наиболее распространенным устройством преобразо‑
вания энергии топлива являются паровые котлы, используемые в паро‑
турбинном цикле на ТЭС. В них производится рекуперативный нагрев 
низкотемпературного дутьевого воздуха (идущего на горение) до тем‑
пературы ~450 °C. Назначение котла — нагреть пар, а в воздухоподо‑
гревателе парового котла утилизируется теплота, не использованная 
при производстве пара, и этим определяется «потолок» нагрева воздуха.
Другой менее распространенный вариант высокотемпературно‑
го 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 комприми‑
рованного воздуха началась в 30‑е годы прошлого века для газотур‑
бинных 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 про‑
тивотоком конвективную часть, а затем прямотоком радиационную. 
В радиационной секции продукты сгорания охлаждаются до темпе‑
ратуры ~1000 °C, чтобы исключить шлакование поверхностей нагре‑
ва конвективной шахты. В результате в радиационной секции воздуху 
передается около 70 % тепла, а в конвективной — 30 % [11].
Следующий период развития технологии нагрева компримиро‑
ванного воздуха связан с технологией использования угля в ком‑
бинированных парогазовых установках с ГТУ разомкнутого цикла; 
были сделаны попытки разработки гибридной угольной ПГУ с вве‑
дением технологии внешнего сжигания. Самым масштабным подоб‑
ным проектом стала разработка высокоэффективных энергоустано‑
вок в рамках одноименной программы Министерства энергетики 
США (US DOE High-performance power systems (HIPPS), реализовывав‑
шейся с 1992 по 2001 годы [12]. Основными разработчиками проек‑
та 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 воздуш‑
ном котле HITAF (High-Temperature Advanced Furnace) до 930 °C, а за‑
тем 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 га‑
зотурбостроении 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 — вы‑
ходной коллектор радиационной секции; 7 — радиационная секция; 8 — топка; 9 — запаль‑
ный муфель; 10 — горелка; 11 — входной коллектор радиационной секции; 12 — несущие тру‑
бы; 13 — выходной коллектор конвективной секции; 14 — входной коллектор конвективной 
секции; 15 — конвективная секция; 16 — воздухоподогреватель; 17 — вентилятор; 18 — сепа‑
ратор; 19 — дымосос; 20 — вагонетка для шлака; 21 — транспортер шлака

В настоящее время высокотемпературный нагрев воздуха также ин‑
тенсивно рассматривается применительно к установкам малой «зеле‑
ной» энергетики (микро‑ГТУ на биомассе [14–16], солнечных ГТУ 
и ПГУ [17–18] и т. п.) с нагревом воздуха до 1000–1200 °C в металли‑
ческих и керамических теплообменниках соответственно [19].
Принципиальная схема воздушного котла HITAF, разработан‑
ного в рамках проекта HIPPS, представлена на рис. 1.2. Котел име‑
ет 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 преды‑
дущих схемах ВК, и продукты сгорания на выходе из топки имеют 
температуру выше температуры плавления шлака. В поворотном га‑
зоходе ВК устанавливается шлакоуловитель с пучком вертикальных 

Глава 1. ВОЗДУШНЫЙ КОТЕЛ 

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 тем‑
пературы плавления золы и предотвратить чрезмерное спекание золь‑
ных отложений на поверхностях конвективной секции воздухонагре‑
вателя, кроме того, обеспечивается снижение выбросов оксидов азота. 
Данное решение отличает рассматриваемую топку ВК от классической 
конструкции двухкамерной топки с жидким шлакоудалением паро‑
вых котлов. Второй камерой топки в ВК можно считать пространство 
от шлакоуловителя до конвективного пучка, в этой камере охлажде‑
ние продуктов сгорания осуществляется за счет рециркуляции уходя‑
щих газов, а не поверхностями нагрева. Недостатком использования 
рециркуляции для охлаждения продуктов сгорания является увели‑
чение расходов на тягодутьевое оборудование — по нашим оценкам 
от 1,5 до 2 раз по сравнению с котлом без использования рециркуляции.

1.1. Обзор способов высокотемпературного нагрева сжатого воздуха 

В конвективной секции продукты сгорания отдают теплоту на на‑
грев компримированного воздуха, затем используются для нагрева 
пара (вторая ступень пароперегревателя) и дутьевого воздуха для го‑
релок ВК [20].
Принципиальная конструкция радиационной секции воздушного кот‑
ла HITAF (см. рис. 1.2) представлена на рис. 1.3. Хотя радиационный воз‑
духонагреватель может быть исполнен по схеме противо‑ и прямотока 
продуктов сгорания и воздуха, но в рассматриваемой конструкции ВК вы‑
брана последняя схема, поскольку она будет способствовать сливу жид‑
кого шлака из радиационной поверхности нагревателя, создавая макси‑
мальную температуру поверхности в самой нижней точке нагревателя.

Вход воздуха

Коллектор
Коллектор

Полые панели

Выход воздуха

Факел

Рис. 1.3. Радиационная секция воздушного котла (HITAF)

Проектная концепция [20] предполагает, что радиационный возду‑
хонагреватель будет состоять из многочисленных длинных полых па‑
нелей («трубных коробок»), покрывающих внутренние стенки первой 
камеры топки. Воздух, нагреваемый для последующей подачи в газо‑
вую турбину, будет распределяться по небольшим трубным каналам 
внутри этих панелей через коллекторы, которые организуются во из‑
бежание чрезмерных термических напряжений. При используемом 

Глава 1. ВОЗДУШНЫЙ КОТЕЛ 

в котле факельном сжигании топлива (температура факела поддержи‑
вается выше 1500 °C) необходимо организовать защиту экранных труб 
с компримированным воздухом от перегрева. В предложенной в [20] 
конструкции керамические огнеупорные плитки формируют поверх‑
ность, которая непосредственно контактирует с факелом и защища‑
ет трубки от перегрева и индуцированной шлаком коррозии. Более 
распространенным решением для защиты труб от воздействия факе‑
ла и шлака является футеровка экранов — покрытие их огнеупорной 
массой с закреплением ее на приваренных к трубам шипах [21], одна‑
ко в результате взаимодействия с огнеупорной массой в металле труб 
возникают дополнительные напряжения; рассмотренная выше кон‑
струкция практически снимает эту проблему.
В разработанной конструкции радиационной панели «трубы в ко‑
робке» (см. рис. 1.4) трубы (диаметром d = 57 мм) экранируются от непо‑
средственного излучения факела огнеупорными панелями А с зазором 
Y1, с противоположной стороны труб расположена огнеупорная изо‑
ляция с зазором Y2, с боков «коробка» ограничена огнеупорными про‑
слойками. Трубы в «коробке» расположены с зазорами X1. Для опреде‑
ления оптимальных величин параметров Y1, Y2 и X1 авторами [20] было 
проведено моделирование процесса излучения в указанной конструк‑
ции. Моделирование позволило сделать следующие выводы:
· увеличение расстояния между трубками (X1) приводит к возрас‑
танию температуры переизлучающей поверхности огнеупорной 
изоляции, что повышает тепловой поток излучением на «холод‑
ной» стороне трубок; температурный профиль трубки (по пери‑
метру) становится более равномерным;
· увеличение расстояния от трубы к стене (Y1, Y2) повышает равно‑
мерность температурного профиля футеровки; установлено, что 
расстояния (Y1, Y2) около одного диаметра трубы обеспечивают 
достаточную равномерность.
В результате для испытаний была создана опытная радиацион‑
ная воздухонагревательная установка (панель) из 3 труб с шагом 1,9∙d  
и Y1 = Y2 =d, размером 0,46х0,96 м (см. рис. 1.5). Параметры воздуха 
при испытаниях составляли:
· давление, МПа 
 
1,9
· расход, м 3/мин 
 
14,4
· температура на входе, °C 
705
· температура на выходе, °C 927