OCENA ENERGETYCZNA WYKORZYSTANIA ENERGII GAZU KOKSOWNICZEGO W UKŁADACH Z SILNIKIEM TŁOKOWYM ORAZ KOTŁEM I TURBINĄ PAROWĄ

Transkrypt

1 OCENA ENERGETYCZNA WYKORZYSTANIA ENERGII GAZU KOKSOWNICZEGO W UKŁADACH Z SILNIKIEM TŁOKOWYM ORAZ KOTŁEM I TURBINĄ PAROWĄ Autorzy: Stanisław Kasprzyk, Henryk Rusinowski ("Rynek Energii" - grudzień 2016) Słowa kluczowe: gaz koksowniczy, turbina parowa, silnik tłokowy, kogeneracja, ocena energetyczna Streszczenie. W wielu procesach przemysłowych produktem ubocznym są gazy technologiczne o zróżnicowanej wartości opałowej. Do takich gazów należy między innymi gaz koksowniczy. Gazy te w zależności od potrzeb i możliwości wykorzystuje się w tych procesach, zmniejszając zużycie wysokokalorycznych paliw podstawowych. Zwiększa to sprawność energetyczną procesów przemysłowych. Nadwyżki gazów technologicznych można wykorzystać w sposób efektywny energetycznie. W artykule przedstawiono ocenę energetyczną układu kogeneracyjnego zasilanego gazem koksowniczym i wyposażonego w gazowy silnik tłokowy o mocy elektrycznej 2,9 MW oraz układu produkującego energię elektryczną, wyposażonego w kocioł i turbinę parową, o mocy elektrycznej 71 MW. Oceny energetycznej dokonano na podstawie opracowanych modeli obliczeniowych zawierających bilanse energii i substancji poszczególnych urządzeń i w oparciu o wybrane wskaźniki energetyczne, charakteryzujące efektywność produkcji energii elektrycznej oraz ciepła. Wyniki obliczeń przedstawiono w tablicach i na ich podstawie opracowano odpowiednie wnioski oraz dokonano krótkiego podsumowania. 1. WPROWADZENIE Gaz koksowniczy jest ubocznym produktem w procesie koksowania. Koks otrzymuje się w procesie wysokotemperaturowej pirolizy węgla kamiennego, który prowadzony jest w komorach koksowniczych. Surowy gaz koksowniczy odbierany bezpośrednio z komory koksowania jest gorącym, silnie zanieczyszczonym gazem o temperaturze przekraczającej 700 o C. Gaz ten jest oczyszczany i chłodzony do temperatury o C [1, 2]. Skład chemiczny oczyszczonego gazu koksowniczego przedstawia się następująco: H 2 = 53,5% 65,2%, CO = 5,2% 8%, CH 4 = 20,7% 28,7%, C 2 C 5 = 2,2% 2,9%, CO 2 = 1,8% 3,2%, O 2 = 0,1% 1,5%, N 2 = 0,7% 3,2%. Wartość opałowa gazu średnio wynosi około 17,9 MJ/m 3 [3]. Spośród wszystkich sposobów wykorzystania gazu koksowniczego, największym potencjałem, zarówno ekonomicznym, jak i ekologicznym, cechuje się wykorzystanie energii chemicznej w układach produkujących energię elektryczną oraz ciepło, znajdujących się bezpośrednio w zakładach koksownii.

2 Cel ten można zrealizować w następujących układach: układ z kotłem gazowym i turbiną parową, układ z tłokowym silnikiem gazowym i kotłem odzyskowym, układ z turbiną gazową i kotłem odzyskowym. 2. UKŁADY WYKORZYSTANIA ENERGII CHEMICZNEJ GAZU KOKSOWNICZEGO Najbardziej popularnymi układami wykorzystania energii gazu koksowniczego są układy z silnikami tłokowymi oraz kotłem i turbiną gazową. Do podstawowych urządzeń układu wyposażonego w silnik tłokowy należy także zaliczyć generator, mieszalnik, wymienniki chłodzenia płaszcza wodnego, mieszanki i oleju, kocioł odzyskowy. Układ taki zastosowano między innymi w Koksowni Częstochowa Nowa w bloku energetycznym o mocy 2,93 MW e wyposażonym w 16-sto cylindrowy silnik tłokowy marki Deutz i kocioł odzyskowy oraz w bloku energetycznym o mocy 7,16 MW zainstalowanym w Koksowni Profusa S.A. w Bilbao w Hiszpanii, wyposażonym w 12 połączonych równolegle silników marki Jenbacher i kocioł odzyskowy zasilany wspólnie spalinami z silników. Głównymi zaletami tego typu układów są dostępność silników w szerokim zakresie mocy elektrycznej, wysoka sprawność wytwarzania energii elektrycznej, możliwość modułowej konstrukcji układów większych mocy, możliwość stosowania różnych paliw, stosunkowo niski nakład inwestycyjny. Do wad należałoby zaliczyć: konieczność instalowania dodatkowych odbiorów ciepła przy braku zapotrzebowania na ciepło grzejne, znaczny udział ciepła na niskim poziomie temperatury, duży hałas wymagający stosowania osłon akustycznych, stosunkowo wysoki poziom drgań wymagający stosowania podłoży tłumiących, specjalistyczna obsługa, konieczność stosowania paliwa o wysokiej czystości [8]. W przypadku układów wyposażonych w kocioł oraz turbinę parową podstawowymi urządzeniami znajdującymi się w układzie są kocioł gazowy, turbina parowa z generatorem, skraplacz, pompy skroplin i wody zasilającej, wymiennik ciepłowniczy oraz odgazowywacz. Dwa takie układy zostały zainstalowane w Koksowni Przyjaźń Sp. z o.o.. Pierwszy z nich, o mocy znamionowej 21 MW, składa się z 3 turbozespołów i zasilany jest gazem koksowniczym oraz gazem nadmiarowym z Instalacji Suchego Chłodzenia Koksu o wartości opałowej ok. 2,1 MJ/m 3 n. Drugi, o mocy znamionowej 71 MW, wyposażony został w jeden turbozespół SST-600-G&V i zasilany jest wyłącznie gazem koksowniczym. Do podstawowych zalet takiego układu należy zaliczyć dostępność rozwiązań technologicznych, łatwość w obsłudze, możliwość spalania gazu o gorszej czystości. Do wad natomiast stosunkowo niską sprawność wytwarzania energii elektrycznej, spore rozmiary instalacji oraz wysokie nakłady inwestycyjne. Rzadziej stosowanym układem jest układ kogeneracyjny z turbiną gazową. Podstawowymi urządzeniami występującymi w takim układzie oprócz turbiny gazowej są generator i kocioł

3 odzyskowy. Przykładem zastosowania jest blok gazowo-parowy w Koksowni Liyuan w Chinach o mocy znamionowej ok. 72 MW wyposażony w 2 turbiny gazowe LM 2500 o mocy 30 MW oraz turbinę parową o mocy 12 MW. Należy podkreślić, że w układzie tym konieczne było zainstalowanie dodatkowych kolumn absorpcyjnych wypełnionych węglem aktywnym i rudą darniową [13]. Do podstawowych zalet takiego układu należą: duża elastyczność pracy, krótki czas rozruchu, wysoka niezawodność i dyspozycyjność, ciepło na wysokim poziomie temperatury (dające możliwość wytwarzania pary o wysokich parametrach), małe rozmiary i wysoki stosunek mocy do masy, brak konieczności chłodzenia zewnętrznego, małe obciążenia fundamentu. W przypadku wad należałoby wymienić zależność mocy i sprawności od parametrów otoczenia (głównie temperatury), stosunkowo niską sprawność wytwarzania energii elektrycznej, stosunkowo wysokie ciśnienie paliwa podawanego do komory spalania, konieczność stosowania osłon akustycznych, niską sprawność przy niepełnym obciążeniu, konieczność zasilania paliwem o bardzo wysokiej czystości. 3. ANALIZA ENERGETYCZNA UKŁADU Z SILNIKIEM TŁOKOWYM Na rys. 1 przedstawiono schemat obliczeniowy układu wyposażonego w silnik tłokowy opracowany w oparciu o schemat cieplny układu zastosowanego w Koksowni Częstochowa Nowa. Paliwo, którym jest gaz koksowniczy doprowadzane jest do mieszalnika M, gdzie następuje wstępne zmieszanie go z powietrzem. Otrzymana mieszanka zostaje sprężona w sprężarce S i przed doprowadzeniem do silnika schłodzona w drugim stopniu dwustopniowego wymiennika chłodzenia mieszanki CHM. Schłodzona mieszanka paliwowo-powietrzna trafia do szesnastocylindrowego silnika spalinowego Deutz TCG 2032 V16, natomiast podgrzany czynnik chłodniczy w zamkniętym obiegu wstępnie podgrzewa wodę surową w wymienniku ciepła GWT. Wytworzona w silniku moc mechaniczna zostaje przekazana na wał napędzający generator G, w którym wytwarzana jest energia elektryczna. Spaliny opuszczające silnik trafiają do turbiny T, która napędza sprężarkę S. Następnie trafiają do kotła odzyskowego KO, w którym produkowana jest para przegrzana. Spaliny opuszczające kocioł odzyskowy zostają skierowane do komina K. Układ silnikowy wyposażony jest także w dwa obiegi chłodnicze: obieg chłodzenia płaszcza silnika oraz obieg chłodzenia oleju. W obiegu chłodzenia silnika gorący czynnik chłodniczy opuszczający silnik trafia do wymiennika ciepła KWT, w którym podgrzewana jest woda uzdatniona, skierowana następnie do odgazowywacza znajdującego się w istniejącym budynku kotłowni. Schłodzony czynnik trafia do wymiennika ciepła oleju smarowanego SWT, gdzie odbierane jest ciepło z obiegu chłodzenia oleju. W dalszej kolejności czynnik chłodniczy trafia do pierwszego stopnia wymiennika chłodzenia mieszanki CHM i po odebraniu ciepła z mieszanki paliwowo-powietrznej zostaje doprowadzony do silnika. W obiegach chłodzenia mieszanki oraz chłodzenia silnika czynnikiem chłodniczym jest roztwór glikolowo-wodny [4].

4 Dodatkowo, w układzie zainstalowano obieg podgrzewania powietrza doprowadzanego do mieszalnika. Obieg zostaje uruchomiony jedynie w sytuacji gdy powietrze doprowadzone z otoczenia posiada temperaturę poniżej 15 o C. Ze względu na przyjętą temperaturę powietrza o wartości 25 o C w analizie energetycznej obieg ten został pominięty. Podstawowe parametry analizowanego układu przedstawiają się następująco: znamionowa moc elektryczna 2,93 MW, ilość ciepła produkowanego w parze 1,28 MW, ilość ciepła produkowanego w podgrzanej wodzie 1,6 MW t, parametry wytwarzanej pary: ciśnienie 600 kpa, temperatura 200 o C, temperatura wody opuszczającej wymiennik KWT 83,1 o C. Algorytm obliczeń cieplnych zamieszczono w referacie [10]. W tablicach 1 3 zamieszczono wyniki obliczeń bilansowych, natomiast w tablicy 4 umieszczono wyniki obliczeń wskaźników oceny energetycznej eksploatacji. Rys. 1. Schemat technologiczny układu kogeneracyjnego z silnikiem tłokowym z zaznaczonymi osłonami bilansowymi

5 Wartość sprawności elektrycznej układu na poziomie 41,8% jest zbliżona dla wartości sprawności elektrycznej podanej przez producenta dla układu pracującego na gazie ziemnym [6]. Jest to stosunkowo wysoka wartość, biorąc pod uwagę, że średnia moc elektryczna wynosiła 75% mocy znamionowej tego silnika przy zasilaniu gazem ziemnym. Tablica 1. Wyniki obliczeń bilansowych dla układu silnikowego Lp. Wielkość Jednostka Wartość 1. Energia doprowadzona: strumień energii paliwa 7009 strumień entalpii powietrza 0 2. Energia wyprowadzona: moc efektywna silnika 3002 moc elektryczna 2930 strumień entalpii spalin 2127 strumień ciepła chłodzenia silnika 1398 strumień ciepła chłodzenia mieszanki 291,9 strumień strat ciepła do otoczenia Sprawność elektryczna silnika % 41,80 Tablica 2. Wyniki obliczeń bilansowych dla kotła odzyskowego Lp. Wielkość Jednostka Wartość 1. Energia doprowadzona: strumień entalpii spalin 2127 strumień entalpii wody zasilającej Energia wyprowadzona: strumień entalpii spalin wylotowych 720 strumień entalpii pary przegrzanej 1504 strumień strat ciepła do otoczenia 128 strumień ciepła przekazywany w kotle 1279 odzyskowym 3. Temperatura spalin wylotowych o C 151,7 Temperatura spalin wylotowych z kotła odzyskowego na poziomie 151,7 o C jest stosunkowo wysoka i dlatego należałoby zastanowić się nad większym wykorzystaniem energii fizycznej spalin np. poprzez zainstalowanie dodatkowego wymiennika do podgrzania wody uzdatnionej lub wstępnego podgrzania powietrza do spalania w okresach zimowych.

6 Tablica 3. Wyniki obliczeń bilansowych dla podgrzewaczy wody Lp. Wielkość Jednostka Wartość 1. Energia doprowadzona: strumień entalpii wody surowej 271 strumień ciepła chłodzenia silnika 1398 strumień ciepła chłodzenia mieszanki 291,9 2. Energia wyprowadzona: strumień entalpii wody uzdatnionej 1876 strumień strat ciepła do otoczenia z KWT 69,8 strumień strat ciepła do otoczenia z GWT 14,6 strumień ciepła przekazywany w wymiennikach Strumień podgrzewanej wody kg/s 5,39 W analizowanym układzie uzyskuje się moc cieplną na poziomie 1,6 MW, która jest wykorzystywana do podgrzewania wody. Stosunkowo niska temperatura podgrzania wody na poziomie 83 o C może stanowić ograniczenie w jej wykorzystaniu. Tablica 4. Wyniki obliczeń wskaźników oceny energetycznej Lp. Wielkość 1. Stopień wykorzystania energii chemicznej paliwa Jednostka Wartość % 84,16 2. Wskaźnik skojarzenia - 0, Oszczędność strumienia energii chemicznej paliwa PES % 42 Stopień wykorzystania energii chemicznej paliwa na poziomie 84,16% jest wysoki i jednocześnie typowy dla układów kogeneracyjnych wyposażonych w silnik tłokowy [8]. 4. ANALIZA ENERGETYCZNA UKŁADU Z KOTŁEM I TURBINĄ PAROWĄ Na rys. 2 przedstawiono schemat układu wyposażonego w kocioł i turbinę parową, opracowany w oparciu o schemat cieplny układu zainstalowanego w Koksowni Przyjaźń Sp. z o.o.. Paliwo, którym jest gaz koksowniczy, doprowadzone jest do kotła K. Produkowana w kotle para doprowadzana jest do kondensacyjnej turbiny parowej SST-600-G&V, gdzie ulega rozprężeniu. Energia mechaniczna uzyskiwana na wale turbiny służy do napędu generatora G, w którym produkowana jest energia elektryczna. Turbina wyposażona jest w pięć upustów rege-

7 neracyjnych. Z pierwszego i drugiego upustu para przegrzana kierowana jest do wysokoprężnych wymienników regeneracyjnych XW2 oraz XW1. Skropliny opuszczające wymienniki kierowane są do odgazowywacza OD. Para z trzeciego upustu zasila odgazowywacz OD oraz wymiennik ciepłowniczy WC, w którym podgrzewane jest powietrze. Skropliny z wymiennika ciepłowniczego WC kierowane są do odgazowywacza OD. Para z trzeciego i czwartego upustu turbiny kierowana jest do niskoprężnych wymienników regeneracyjnych XN2 i XN1, gdzie następuje wstępne podgrzanie kondensatu głównego opuszczającego skraplacz SK. Po podgrzaniu w wymiennikach XN1 i XN2 kondensat dopływa do odgazowywacza OD, zaś skropliny kierowane zostają do skraplacza SK. Podstawowe parametry analizowanego układu przedstawiają się następująco: znamionowa moc elektryczna 71,58 MW, ilość ciepła produkowanego w WC 6,66 MW, parametry pary świeżej: ciśnienie 12,2 MPa, temperatura 540 o C, strumień pary świeżej 79,72 kg/s, sprawność energetyczna kotła 93% [12]. Algorytm obliczeń cieplnych zamieszczono w referacie [11]. W tablicy 5 zamieszczono wyniki obliczeń bilansowych przeprowadzonych z wykorzystaniem opracowanego modelu bilansowego oraz wskaźników oceny energetycznej eksploatacji. Tablica 5. Wyniki obliczeń bilansowych układu z kotłem i turbiną parową Lp. Wielkość Jednostka Wartość 1. Strumienie pary do wymienników regeneracyjnych: strumień substancji pary kg/s z upustu pierwszego 5,654 strumień substancji pary kg/s z upustu drugiego 5,472 strumień substancji pary kg/s z upustu trzeciego 5,911 strumień substancji pary kg/s z upustu czwartego 3,816 strumień substancji pary kg/s z upustu piątego 5, Strumień i stopień suchości pary do skraplacza: strumień substancji kg/s 53,31 stopień suchości - 0, Strumień energii chemicznej paliwa do kotła Sprawność elektryczna % 37,42 5. Stopień wykorzystania energii chemicznej paliwa % 40,91

8

9 Rys. 2. Schemat technologiczny układu z kotłem i turbiną parową z zaznaczonymi osłonami bilansowymi. Wartość stopnia suchości pary do skraplacza jest bliska dolnym wartościom granicznym, określającym bezpieczną eksploatację turbiny parowej. Pozostawia to niewielkie możliwości dla jego dodatkowego obniżenia. Sprawność elektryczna układu kształtuje się na poziomie 37,42% co daje wartość typową dla układów wyposażonych w turbozespoły o podobnej mocy znamionowej. 5. UWAGI KOŃCOWE I WNIOSKI W artykule przedstawiono analizę energetyczną układów kogeneracyjnych wykorzystujących energię chemiczną gazu koksowniczego i wyposażonych w silnik tłokowy z kotłem odzyskowym oraz kocioł i turbinę parową. Układ z silnikiem tłokowym ze sprawnością elektryczną na poziomie 41,8% oraz stopniem wykorzystania energii chemicznej paliwa wynoszącym 84,2% charakteryzuje się lepszymi wskaźnikami oceny energetycznej niż układ z kotłem i turbiną parową ze sprawnością elektryczną na poziomie 37,4% oraz stopniem wykorzystania energii chemicznej paliwa 40,9%. Wartość wskaźnika PES dla układu z silnikiem tłokowym na poziomie prawie 42% pozwala ubiegać się o uzyskanie świadectwa pochodzenia. Układ z kotłem i turbiną parową nie osiąga sprawności granicznej i nie może ubiegać się o otrzymanie świadectwa pochodzenia. Jest to spowodowane niską wartością strumienia ciepła przekazywanego w wymienniku ciepłowni-

10 czym a tym samym niską wartością mocy energii elektrycznej produkowanej w skojarzeniu na poziomie 4,71% mocy nominalnej. Do największych wad układu tłokowego można zaliczyć duży udział produkcji ciepła niskotemperaturowego na poziomie temperaturowym ok. 90 o C oraz konieczność stosowania głębokiego oczyszczania gazu. Mimo to układ z silnikiem może być atrakcyjnym rozwiązaniem ze względu na wysoki stopień wykorzystania energii chemicznej paliwa, możliwość ubiegania się o uzyskanie świadectwa pochodzenia oraz niskie nakłady inwestycyjne [9]. Największymi wadami układu wyposażonego w kocioł i turbinę parową są stosunkowo wysokie nakłady inwestycyjne [12] oraz niska sprawność elektryczna na poziomie 37,42%. Niewątpliwą zaletą takiego układu jest możliwość spalania gazu o gorszej czystości. Podsumowując, obydwa układy mogą stanowić korzystne rozwiązanie problemu utylizacji nadmiarowego gazu koksowniczego. LITERATURA [1] Babiński P., Robak Z., Łabojko G., Figiel Z., Kalinowski K.: Przystosowanie gazu koksowniczego do wykorzystania. Polityka Energetyczna 2012, tom 15, zeszyt 4. [2] Karcz A.: Gaz koksowniczy jako surowiec do produkcji wodoru. Polityka Energetyczna 2009, tom 12, zeszyt 1. [3] Sobolewski A., Ściążko M., Robak Z., Rudkowski M., Borowiec Z.: Coke oven gas as a fuel for gas engine. Combustion Engines, vol. 153 (3), [4] Figiel Z., Robak Z.: Współczesne kierunki zagospodarowania koksowniczego gazu nadmiarowego. Konferencja Koksownictwo 2014, Wisła, 2014 [5] Krawczyk P.: Wykorzystanie gazu koksowniczego do produkcji energii elektrycznej i ciepła na bazie silnika tłokowego w procesie wysokosprawnej kogeneracji na przykładzie Elektrociepłowni Nowa Częstochowa. Konferencja Rynek Gazu, [6] Materiały informacyjne firmy Deutz AG, [7] Ziębik A., Liszka M., Hoinka K., Stanek W.: Poradnik inwestora i projektanta układów wysokosprawnej dużej kogeneracji. Politechnika Śląska, Gliwice, [8] Skorek J., Kalina J: Gazowe układy kogeneracyjne. WTN, Warszawa, 2005.

11 [9] Skorek J.: Techniczno-ekonomiczna analiza porównawcza budowy gazowych układów kogeneracyjnych małej mocy z silnikiem tłokowym lub turbiną gazową. INSTAL 4/2012. [10] Kasprzyk S., Rusinowski H., Plis M.: Ocena energetyczna wykorzystania energii gazu koksowniczego w układzie kogeneracyjnym z silnikiem tłokowym. Konferencja Rynek Ciepła, Rynek Gazu, [11] Kasprzyk S., Rusinowski H., Plis M.: Ocena energetyczna wykorzystania energii gazu koksowniczego w układzie z kotłem i turbiną parową. Konferencja Rynek Ciepła, Rynek Gazu, [12] Figiel Z., Robak Z.: Współczesne kierunki zagospodarowania koksowniczego gazu nadmiarowego. Konferencja Koksownictwo 2014, Wisła, 2014 [13] Kosyrczyk L., Świeboda B., Lewandowski L.: Co nowego w Chińskim koksownictwie. Karbo 2012, nr 4. [14] Walas M.: Chińczycy trzymają się mocno. Magazyn Koksowniczy 2012, nr 8/9. ENERGY ASSESSMENT OF THE USAGE OF COKE-OWEN GAS ENERGY IN UNITS EQUIPPED WITH A GAS PISTON ENGINE AND STEAM BOILER AND STEAM TURBINE Key words: coke-owen gas, steam turbine, gas piston engine, CHP unit, energy assessment Summary. In many industrial processes the common by-products are flue gases with diverse low heating value. One of such by-products is coke-oven gas. These gases depending on the needs and possibilities are utilized directly in industrial units, lowering the consumption of standard high-calorie fuels which increases the efficiency of the actual industrial processes. The surplus of such by-products can be utilized in an energy-efficient way. The article presents an energy assessment of an exemplary CHP unit equipped with a gas piston engine with power of 2.9 MW powered with coke-oven gas and an exemplary unit equipped with steam boiler and steam turbine to produce electrical energy with power of 71 MW. The energy assessment has been conducted on the basis of a developed model which encompasses mass and energy balance equations formulated for the particular devices. Moreover, energy assessment indicators which characterize the efficiency of units to produce electrical energy and heat also have been calculated. Calculation results have been presented in enclosed tables. On the basis of obtained calculation results, appropriate conclusions have been formulated.

12 Stanisław Kasprzyk, mgr inż. absolwent Politechniki Śląskiej w Gliwicach na kierunku Energetyka, obecnie pracownik firmy ENERGOPOMIAR Sp. z o.o. na stanowisku młodszy specjalista ds. cieplnych obiegów energetycznych w Dziale Turbinowym Zakładu Techniki Cieplnej. Aktualnie w głównej mierze zajmuje się analizami efektywności energetycznej układów pompowych obiektów energetycznych. SKasprzyk@energopomiar.com.pl Henryk Rusinowski, prof. dr hab. inż. Profesor Politechniki Śląskiej w Gliwicach. Zajmuje się problematyką rachunku wyrównawczego, modelowania procesów cieplnych z wykorzystaniem metod analitycznych, regre-syjnych, neuronowych i algorytmów ewolucyjnych oraz tworzeniem systemów diagnostyki cieplnej w energetyce zawodowej i przemysłowej. Szeroko współpracuje z przemysłem, m. in. w badaniach pieców w hutnictwie miedzi, wdrażaniu komputerowych systemów kontroli eksploatacji bloków energetycznych i ciepłowniczych (Elektrownia Opole, Elektrownia Jaworzno, Kogeneracja Wrocław). Jego hobby to turystyka i podróże zagraniczne.