Революционная технология WTA повышает эффективность сушки бурого угля

Технология WTA для сушки бурого угля

Технология WTA (Wirbelschicht Trocknung Anlage) для сушки бурого угля была разработана немецкой компанией RWE Power AG. Аббревиатура WTA расшифровывается как «сушка в кипящем слое с внутренним использованием теплоты отходов». Компания RWE Power AG обладает значительным портфелем патентов на эту технологию.

История развития: от демонстрационных установок к промышленному прототипу

Первая промышленная установка сушки в паровом кипящем слое (WTA-1) была построена компанией RWE во Фрехене (под Кёльном, Германия) в 1993 году. Производительность составляла 53 т/ч сырого бурого угля фракции 0–6 мм с испарительной способностью 25 т/ч воды. В ходе 20 000 часов испытаний (1993–1999) установка WTA-1 с системой компрессии паров (первое в мире применение для бурого угля) доказала свою высокую надежность и эффективность.

Анализ результатов эксплуатации WTA-1 выявил потенциал для дальнейшей оптимизации. Ключевым фактором улучшения стало уменьшение зернистого состава сырья. В 1999 году рядом с WTA-1 была построена испытательная установка WTA-2 для тонкодисперсного процесса. Её проектная мощность в ходе оптимизации выросла с 16,4 до 28,7 т/ч сырого угля, а испарительная способность — с 8 до 13,1 т/ч воды за 8200 часов работы к 2011 году.

Промышленный прототип в Нидерауссеме

На основе опыта работы WTA-2 с углями Рейнского бассейна в 2005 году RWE приняла решение о строительстве коммерческого прототипа в Центре инноваций по углям в Нидерауссеме. Проектная мощность: 210 т/ч сырого угля, 110 т/ч сухого угля, испарение 100 т/ч воды — масштабирование в 8 раз по сравнению с WTA-2. Установка оснащена промышленной системой управления и безопасности. Строительство завершено в 2008 году, первая сушка — декабрь 2008 года. Компоненты основного потока угля могут размещаться в стальной конструкции вертикально.

В настоящее время технология работает на ТЭЦ Нидерауссем мощностью 1000 МВт. Установка, перерабатывающая 210 т/ч сырого угля с испарительной способностью 100 т/ч воды, является крупнейшей в мире сушильной установкой для бурого угля, производящей 110 т/ч сухого продукта.

Принципы и преимущества паровой сушки

Бурый уголь обычно перерабатывают в качественное твердое топливо для производства газифицированных и жидких продуктов, требуя снижения влажности до 10–20%. Сушка — базовая технологическая операция, повышающая качество угля. Энергоэффективный метод улучшает общий энергобаланс. WTA применяется и адаптируется ко всем таким процессам, внося жизненно важный вклад в оптимизацию энергетического использования бурого угля и снижение выбросов. Эффективность WTA растет с увеличением удаляемой влаги: чем выше исходная влажность, тем больше потенциал повышения КПД.

Выбросы продуктов сгорания прямо пропорциональны расходу топлива и КПД электростанции. Повышение эффективности за счет WTA напрямую снижает выбросы.

Недостатки традиционной сушки

При конвенциональной сушке уголь сушат горячими дымовыми газами (900–1000 °C) из топки котельного агрегата, направляя их в мельницы для одновременного помола и сушки. Разделение этих процессов позволяет сушить уголь при низкой температуре с большей энергоэффективностью. Предварительная сушка повышает калоризационную способность (КС) до уровня, позволяющего сжигать уголь в обычных паровых котлах без вспомогательного топлива.

Метод паровой сушки

Паровая сушка угля долгое время оставалась нишевой. В 1979 году Поттер и соавт. показали в лабораторных условиях, что бурый уголь можно сушить в стационарном кипящем слое слегка перегретым паром.

Два аспекта делают паровую сушку привлекательной: необходимость удалить большое количество воды (~0,5 т воды на 1 т сырого угля) и гигроскопичность бурого угля — его влажность уравновешивается с окружающей средой, завися только от парциального давления водяного пара и температуры.

При сушке в чистом паре при постоянном давлении равновесная влажность зависит только от температуры. Кривая зависимости называется десорбционной изобарой. Это важно для управления процессом: влажность сушеного угля не зависит от времени сушки (при достаточном времени для равновесия), и уголь нельзя «пересушить» — влажность стабилизируется при достижении равновесия. Десорбционная изобара зависит от качества угля. На рис. 1 показана зависимость для двух типов угля при давлении ~1,1 атм: равновесная влажность ~12% достигается при 110 °C для угля типа 1 и при 107 °C — для типа 2.

Рис. 1 Типичные изобары бурых углей

Преимущества паровой сушки

• Сушка в инертной атмосфере — высокая прирожденная безопасность для взрывоопасного сухого бурого угля.
• Влажность сухого угля — простая функция температуры при постоянном давлении.
• Низкая температура сушки.
• Почти 100% сушащего пара — водяной пар, который конденсируется изотермически, являясь ценным источником отходного тепла.
• Конденсация пара исключает большие объемы паровых и пылевых выбросов.
• Конденсат — источник технической воды для нужд завода.

Процесс WTA и кипящий слой

Сырой бурый уголь помалывается до <2 мм в двух молотковых дробилках, соединенных последовательно. После помола уголь поступает в сушильный аппарат с кипящим слоем, где флюидизирующей средой служит пар, образующийся при сушке. Испарение воды происходит при 110 °C под небольшим избыточным давлением за счет теплообменников, интегрированных в сушильный аппарат и нагреваемых паром. Время пребывания угля в камере сушки — 60–90 минут.

Сушеный уголь, покидающий стационарный слой, отделяется от сопровождающего пара сначала в циклоне, затем в электрофильтре. Пар на выходе из циклона используется для флюидинации слоя, пар на выходе из электрофильтра — выбрасывается в атмосферу. Также предусмотрена грубая выборка угля у дна слоя, которая после промежуточного охлаждения смешивается с углем из циклона и электрофильтра.

Тепло для сушки поставляется внешним паром (обычно отборным от турбины) через пучки труб внутри слоя. Сушка в кипящем слое дополнительно уменьшает зернистость: сухой уголь на выходе имеет размер <1 мм (около 9% >1 мм) и влажность ~12%. Управляя температурой слоя, можно точно поддерживать заданную влажность. WTA — ключевая технология для снижения выбросов CO₂ при генерации электроэнергии на буром угле.

Устройство сушильного аппарата

Уголь подается через шнековый дозатор в аппарат под небольшим избыточным давлением. В верхней части установлена специальная система распределения помолотого угля по поверхности кипящего слоя. Нагрев осуществляется низкодавлением паром или рекомпрессированным паром (давление ~3–4 атм). Для завихрения (флюидинации) используется система, адаптированная под специфику сушки бурого угля. Под флюидинирующим дном сухой уголь удаляется шнековыми дозаторами. Аппарат обладает высокой удельной производительностью и компактным дизайном. Схема сушильного аппарата показана на рис. 2.

Рис. 2 Схема сушильного аппарата с кипящим слоем

Принцип процесса WTA

Технология WTA основана на стационарном кипящем слое с малой экспансией при небольшом избыточном давлении. Энергия для сушки подается через теплообменники, нагреваемые паром. Только малая часть энергии вносится флюидинирующей средой, поэтому гидравлика слоя и тепловые потребности можно регулировать независимо.

Теплопередача между теплообменниками и слоем высокая, обеспечивая большой тепловой поток при малых температурных напорностях. Компактный аппарат имеет высокую испарительную способность. Поскольку помолотый сырой уголь из-за когезии трудно флюидинировать в объеме, слой проектируют как смешанный: сухой уголь-носитель + свежепомолотый сырой уголь.

Сушка происходит в почти чистом слегка перегретом водяном паре. Устанавливается равновесие при постоянном давлении между температурой пара и остаточной влажностью угля.

Главное преимущество сушки в паровой атмосфере: испаряющаяся вода конденсируется изотермически (при постоянной температуре), позволяя эффективно использовать теплоту конденсации. Разработаны две промышленные концепции использования пара: (i) механическая рекомпрессия пара как открытый тепловой насос для нагрева теплообменников сушильника с/без предварительного нагрева угля (рис. 3b), (ii) конденсация пара для предварительного нагрева кормовой воды котельного агрегата, как реализовано в Нидерауссеме (рис. 3a).

Рис. 3а Технология WTA с конденсацией пара

Обе концепции могут интегрироваться в процесс WTA, повышая энергоэффективность и снижая выбросы. Конденсат пара используется как техническая вода. Выбор системы зависит от требований к сушке и интеграции в общий процесс.

Зернистый состав сырого угля

Процесс WTA разработан для двух входных фракций: (i) крупнозернистый (0–6 мм), (ii) мелкозернистый (0–2 мм). Крупнозернистый вариант нужен, если последующий процесс требует минимальный размер сухого угля (газификация по Винклеру, коксование). Для всех остальных процессов мелкозернистый вариант технически и экономически выгоднее. Особенно как предсушка на ТЭС: сушеный уголь макс. 1 мм можно сжигать в котле напрямую.

Для тонкого помола рудного угля (<80 мм → <2 мм) RWE разработала двухстадийную схему с двумя мельниками последовательно. На рис. 3b показана общая схема мелкозернистого варианта WTA с предварительным помолом и интегрированной механической компрессией пара для использования энергии пара в сушке.

Испаренная вода (пар) очищается в электрофильтре и компрессируется до ~4 атм для нагрева теплообменников в сушильнике (рис. 3b). Чувствительное тепло конденсата используется для предварительного нагрева сырого угля до 65–70 °C. Таким образом, энергия пара полностью покрывает тепловые потребности сушильника.

Рис. 3b Технология WTA с предварительным нагревателем и компрессией пара

Часть очищенного пара рециркулируется для флюидинации. Сухой уголь при необходимости охлаждается и повторно помалывается в интегрированном мельнике до <1 мм для прямого сжигания в котле.

Пар также можно использовать для предварительного нагрева кормовой воды парово-водяного цикла ТЭС. Возможен низкобюджетный вариант (рис. 3c) без использования энергии пара для улучшения КС высоковлажного и высокозольного угля.

Рис. 3c Низкобюджетный вариант технологии WTA

Процесс WTA отличается высокой удельной производительностью и низким давлением нагревательного пара, что обеспечивает высокую сушильную мощность на блок. Компактная конструкция и интегрированная система тонкого помола делают всю установку компактной.

Преимущества сушки бурого угля технологией WTA

• Высокая энергоэффективность за счет сушки при низкой температуре и энергетического использования испаренной воды (конденсация пара или механическая компрессия).
• Высокая эксплуатационная безопасность — сушка в инертной атмосфере исключает взрывоопасные смеси угольной пыли и воздуха.
• Высокая сушильная мощность блока.
• Компактная конструкция благодаря интегрированной системе тонкого помола сырого и (при необходимости) сухого угля.
• Использование энергии пара избегает значительных паровых и пылевых выбросов; конденсат — источник воды.
• Гибкая инженерия установки под требования сушки.
• Повышение КПД ТЭС на 4–6% в зависимости от варианта сушки и исходной влажности угля.