Najlepsze wykorzystanie elektrociepłowni ORC z kotłem na biomasę

Transkrypt

1 Układy kogeneracyjne ORC z kotłem na biomasę

2 Najlepsze wykorzystanie elektrociepłowni ORC z kotłem na biomasę Przemysł drzewny tartaki, produkcja pelletów, produkcja mebli i innych wyrobów drzewnych Przemysł papierniczy Ciepłownictwo

3 Elektrociepłownia ORC z kotłem na biomasę Kocioł (wymiennik) Komora adiabatyczna Elektrofiltr Komin Turbogenerator ORC Ekonomizer Silos biomasy Wentylator Komora spalania System śluzy z dwoma klapami. Podajnik paliwa

4 Elektrociepłownia ORC z kotłem na biomasę Dwa oddzielne obiegi: oleju termalnego i silikonowego Obieg lub obiegi oleju termalnego Kocioł Sugimat ORC Biomasa Energia elektryczna H Gorąca woda 80/90 o C

5 ORC współpracujący z kotłem oleju termalnego Oleje Olej silikonowy - odparowuje w temperaturze powyżej 300 C, co wymaga zasilania parownika nośnikiem o bardzo wysokich parametrach, np. olejem termalnym. Pary oleju silikonowego wytworzone w parowniku napędzają turbinę o konstrukcji znacznie prostszej od profesjonalnej turbiny parowej. Jest to medium konserwujące, nieerozyjne i niestanowiące żadnego zagrożenia mechanicznego dla łopat turbiny. Olej termalny (Sugimat - SIVATERM-350) - ciecz termiczna natury półsyntetycznej z wysokim wskaźnikiem stabilności. Posiada odpowiednie właściwości fizyczne i chemiczne, a dzięki temu bardzo dobre właściwości grzewcze co pozwala na pracę w szerokim zakresie temperatur.

6 Budowa jednostki ORC Regenerator Turbina Generator prądu Skraplacz Parownik Pompa obiegowa

7 ORC zasada działania Do procesu ORC jest doprowadzany olej termalny, który podgrzewa w parowniku odpowiedni organiczny czynnik roboczy i zamienia go w parę (8 3 4). Para czynnika roboczego napędza turbinę (4 5), połączoną za pomocą sprzęgła elastycznego bezpośrednio z generatorem prądu. Para wylotowa z turbiny wpływa do regeneratora (5 9), podgrzewając kondensat czynnika roboczego (2 8). Następnie para ulega skropleniu w skraplaczu, który jest chłodzony powrotem gorącej wody (9 6 1). Na koniec kondensat jest podawany pompą obiegową (1 2) poprzez regenerator do parownika i tym samym cykl termodynamiczny w układzie zamkniętym zostaje zakończony.

8 Zalety ORC 100% energii w oleju termalnym z kotła Sugimat ORC 80% ciepło 18% elekt. brutto 2% straty Zalety: wysoka sprawność procesu termodynamicznego, wysoka sprawność turbiny, niskie obciążenie mechaniczne i niskie obroty turbiny -cichobieżna praca, w czasie rozprężania nie występuje stan ciekły (nie zachodzi erozja łopatek turbiny), łatwe uruchamianie i zatrzymywanie urządzenia, ciągła i w pełni automatyczna praca, małe potrzeby osobowe: ok. 3 5 godz. w tygodniu, niskie koszty serwisu i utrzymania, wysoka niezawodność (dyspozycyjność 98 %,) praca z obciążeniem częściowym do 10% mocy nominalnej ORC, wysoka sprawność również przy obciążeniu częściowym, wysoka żywotność urządzenia.

9 Sprawność całkowita układu ORC 100% 90% Sprawność układu ORC 80% 70% 60% 50% 40% 30% 0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100% Obciążenie układu ORC

10 Zależność sprawności elektrycznej od obciążenia cieplnego 20% Sprawność elektryczna układu ORC 16% 12% 8% 4% 0% 0 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100% Obciążenie cieplne układu ORC

11 Pomieszczenie ORC dla układu o mocy 1 MWe

12 Paliwo biomasa Czynniki jakie należy wziąć pod uwagę przy wyborze biomasy: zawartość popiołu (elementy stałe niepalne, czym większa zawartość popiołu w paliwie tym niższa sprawność), wilgotność (czym mniejsza tym lepszy proces spalania, problem CO), substancje lotne (kombinacje węgla, wodoru i innych gazów, powyżej 65% substancji lotnych sprzyja spalaniu), zawartość węgla, wartość opałowa.

13 Koncepcja technologiczna instalacji kotła termoolejowego.

14 Silos zasypowy biomasy z ruchomą podłogą Zadanie silosa polega na magazynowaniu biomasy gotowej do spalenia oraz transportowaniu jej do przenośnika taśmowego. Biomasa w silosie popychana jest przez łyżki lub zgarniacze poruszające się przy dnie. Zgarniacze napędzane są przez blok hydrauliczny i wykonują ruch posuwisto-zwrotny. Zgarniacze Siłowniki hydrauliczne

15 Przenośnik biomasy Przenośnik taśmowy z poprzeczkami Przenośnik jest odpowiedzialny za podjęcie i transport biomasy z silosa do górnej części paleniska Posiada system zraszaczy na wypadek pożaru Rozmiar pojedynczych elementów paliwa do 50 cm długości

16 Podajnik biomasy System śluzy z dwoma klapami (otwierającymi się naprzemiennie) Reguluje podawanie paliwa. Służy jako wydajny system chroniący przed płomieniem wstecznym. Umożliwia wprowadzanie większych elementów paliwa

17 Komora spalania Najważniejsze elementy do rozważenia przy doborze komory spalania: W całości zbudowana z cegły szamotowej, beton tylko w przewodach spalinowych lub komorze adiabatycznej, grubość ściany min. 500 mm, w przypadku spalania biomasy istnieje problem CO a nie NOx, czym większa wilgotność paliwa tym większy problem z CO i należy stosować komorę adiabatyczną dla dopalania CO.

18 Komora spalania Nawiew powietrza wtórnego Siłowniki hydrauliczne rusztu Ruszt schodkowy Recyrkulacja spalin Woda Odprowadzenie popiołu Nawiew powietrza pierwotnego

19

20 Ruszt schodkowy Większa wytrzymałość dzięki zastosowanemu systemowi przesuwnemu Carros (kule zamiast łożysk), które nie potrzebują konserwacji, Możliwa wilgotność maksymalna paliwa - 50% Elementy rusztu wysokiej jakości z minimalną zawartością chromu 27% (wytrzymałość na wysoką temperaturę); stop Ni Mo (dające wytrzymałość na uderzenia i naprężenia mechaniczne), Pojedynczy element rusztu maks. 50 cm długości, Kocioł(wymiennik) nie powinien być umieszczony bezpośrednio nad rusztem, Ruszt chłodzony powietrzem (schłodzone wodą + odlewy niższej jakości grozi utworzeniem się rozżarzonej masy wewnątrz paleniska przez co ruszt pozostaje bez chłodzenia co powoduje znaczne zużywanie się elementów).

21 Ruszty firmy Sugimat zostały zainstalowane w ponad 350 kotłach obecnie pracujących o mocy od 1 MW do 50 MW. Zastosowanie: kora, biomasa leśna, zrębka paliwa generujące popiół.

22 Ruszt w kotłach biomasowych z olejem termalnym Najważniejsze elementy do rozważenia przy doborze rusztu: powierzchnia rusztu uzależniona od spalanego paliwa, ruszt chłodzony powietrzem, jest możliwe spalanie rożnego rodzaju biomasy......ale należy rozważyć: granulacje, wartość opałowa, zawartość popiołu w paliwie i jego punkt płynięcia. Przez system mogą przejść w małych ilościach niektóre kawałki: kamieni - o wielkości myszy komputerowej, grudy błota o średnicy do 100 mm, małe metalowe kawałki <sześcian o boku mm. W tych trzech przypadkach te elementy zostaną odprowadzone z systemem odpopielania.

23 Ruszt, komora spalania. Komora spalania i ruszt PROBLEMY w innych rozwiązaniach Nagromadzenie popiołu

24 Komora adiabatyczna Komora adiabatyczna (dopalająca) jest to pionowa komora cylindryczna umieszczona powyżej komory spalania. Jej zadaniem jest obniżenie poziomu emisji CO dzięki zasadzie 3T: temperatura, czas przebywania (eng. time) i turbulencje (min. 850 C, min. 2/3 sekundy). umieszczona jest bezpośrednio nad komorą spalania, jest ona wykonana z materiałów ogniotrwałych oraz izolacyjnych, dzięki przepływowi spalin przez komorę adiabatyczną otrzymuje się niską emisje CO w spalinach na wylocie z komina, następuje w niej dopalenie cząstek CO oraz opadaniem bezpośrednio na ruszt i usunięciem ich razem z popiołem - samooczyszczanie

25 Komora adiabatyczna i kanał łączący Komin awaryjny Kanał łączący Komora adiabatyczna Spaliny są wyrzucane z komory spalania w jej górnej części. Przechodzą następnie do komory adiabatycznej a następnie do kanału prowadzącego je do kotła konwekcyjnego.

26 Kocioł oleju termalnego. Kocioł olejowy spiralny wymiennik wysokotemperaturowy Kocioł jest markowany znakiem CE, zatwierdzony przez TÜV SÜDDEUTSCHLAND nº Nie należy montować kotła oleju termalnego bezpośrednio nad rusztem (chodzi o to aby niedopalone cząstki nie wpadały od razu do kotła i go nie brudziły, zapychały).

27 Kocioł oleju termalnego.

28 Baterie konwekcyjne. Bateria konwekcyjna jest wymiennikiem niskotemperaturowym. Powinna pracować w przepływie krzyżowym (gaz pionowo a olej/rury poziomo) co jest najlepszym inżynierskim rozwiązaniem, gdyż wtedy otrzymujemy najlepszy odbiór ciepła oraz nie gromadzi się pyłu. Bateria konwekcyjna Sugimat ma otwory do ręcznego czyszczenia sprężonym powietrzem. Jest to tańsze rozwiązanie od systemu automatycznego, niemniej jednak Sugimat montuje w ekonomizerze otwory do montażu systemu automatycznego.

29 Układ oczyszczania i odprowadzania spalin. Wszystkie instalowane przez Sugimat jednostki do spalania biomasy spełniają standardy emisyjne dla substancji emitowanych do atmosfery poprzez zastosowanie odpowiednich technologii oczyszczania spalin. Od 1 stycznia 2016 roku w Polsce zgodnie z wymaganiami obowiązujących przepisów wymagana emisja pyłów musi być mniejsza niż 100mg/m3. Najczęściej stosowane technologie oczyszczania spalin to filtry workowe lub elektrofiltr. Sugimat stosuje standardowo elektrofiltr, który jest droższym rozwiązaniem w nakładach inwestycyjnych ale tańszym w eksploatacji.

30 Charakterystyka handlowa jednostek ORC Moc elektryczna jednostek: Standardowe jednostki ORC produkowane są z zakresie 0,6-3 MWe. Większe, nawet do 15 MWe są produkowane i dostosowywane na specjalne zamówienie klienta. Czas oczekiwania na zamówienie: Małe jednostki - czas dostawy miesięcy plus 4 tygodnie montażu na miejscu. Duże jednostki - czas dostawy do 15 miesięcy plus tygodni montażu na miejscu. Jednostki niestandardowe, na specjalne zamówienie do ustalenia Eksploatacja: Czas życia urządzeń lat przy poprawnej eksploatacji. Po 10 latach zdarza się konieczność polerowania łopatek turbiny. Możliwość pracy ciągłej przez cały rok, ale też duża elastyczność w razie potrzeby.

31 Typoszereg standardowych jednostek ORC firmy Turboden TD6CHP TD7CHP TD10CHP TD14CHP TD18CHP TD22CHP TD30CHP WEJŚCIE OLEJ TERMALNY Temperatura nominalna C 302/ / / / / / /231 (wejście/wyjście) Moc cieplna kw WYJŚCIE GORĄCA WODA Temperatura gorącej wody (wejście /wyjście) Moc cieplna oddawana gorącej wodzie OSIĄGI C 60/80 60/80 60/80 60/80 60/90 60/90 65/95 kw Moc elektryczna brutto kw Sprawność elektryczna brutto 19.3% 19.0% 19.8% 19.9% 19.0% 19.2% 17,9% Zużycie na potrzeby własne kw Moc elektryczna netto kw Sprawność elektryczna netto 18.3% 18.0% 18.8% 19.1% 18.2% 18.4% 16,8% Generator prądu 50Hz, 400V 60Hz, 480V 50Hz, 400V 60Hz, 480V 50Hz,400V 60Hz,480V 50Hz,400V 60Hz,480V 50Hz, 660V 60Hz,4160V 50Hz, 660V 60Hz,4160V 50Hz, 6kV 60Hz,4160V Konsumpcja biomasy* kg/h * Przyjęta wartość opałowa biomasy 2,6 kwh/kg i sprawność kotła 0,80

32 Współpraca kotła biomasowego z układem ORC do sieci miejskiej Technologia z zastosowaniem kotła na biomasę z turbogeneratorem pracującym w oparciu o proces ORC, wytwarzając energię elektryczną i cieplną, wpisuje się idealnie w zasadę działania zakładów ciepłowniczych. Podstawowym założeniem jest praca instalacji w maksymalnym punkcie sprawności tj. z całkowitym wykorzystaniem ciepła do sieci miejskiej. Całkowita moc cieplna odebrana z układu ORC kierowana będzie do miejskiej sieci ciepłowniczej poprzez system wymienników. Z racji parametrów produkowanego ciepła (90/70 C) proponowane włączenie zrealizowane byłoby na powrocie sieci ciepłowniczej. Dzięki takiemu rozwiązaniu zapewnione zostaną parametry pracy sieci w lecie, natomiast w okresie zimowym, kiedy temperatura zasilania sieci ciepłowniczej jest wyższa niż 90 C uzyskamy podgrzanie wody powrotnej, która następnie skierowana zostanie na inne źródło w celu uzyskania wymaganych parametrów temperatury.

33 Zasady doboru jednostek ORC do sieci ciepłowniczej Minimalna ekonomicznie moc elektryczna: Minimalna ekonomicznie moc elektryczna to 1 MW. Wynika to ze stosunku nakładów do mocy i wielkości produkcji. Optymalny dobór mocy cieplnej do pracy całorocznej; Moc minimalnego odbioru w okresie letnim do 50% mocy, granicznie do 35% mocy. Optymalny dobór mocy cieplnej do pracy sezonowej Czas pracy jednostki z pełnym obciążeniem od godzin. Przykładowe dobory do rzeczywistych systemów ciepłowniczych. Przykład 1. Dobrano CHP 10 dobór optymalny moc letnia -50 % mocy. Możliwy dobór alternatywny- CHP14 37% mocy letniej. Przykład 2. Dobrano CHP 30 najlepszy ekonomicznie dobór moc letnia 75-80%. Możliwy dobór alternatywny CHP 50 moc letnia ok-40 % mocy.

34 Praca instalacji z zastosowaniem ORC TD 10 CHP Moc termiczna [MW] ZAŁOŻENIA Roczna ilość godzin pracy układu ORC h Sprawność kotła na biomasę % 83 Kaloryczność biomasy kj/kg Dzien w roku ORC Inne źródło PRODUKCJA Roczna produkcja ciepła z układu ORC GJ Roczna produkcja energii elektrycznej brutto MWh Roczne zużycie biomasy t 9 209

35 Praca instalacji z zastosowaniem ORC TD 30 CHP Moc termiczna [MW] Dzien w roku ORC Inne źródło ZAŁOŻENIA Roczna ilość godzin pracy układu ORC h Sprawność kotła na biomasę % 83 Kaloryczność biomasy kj/kg PRODUKCJA Roczna produkcja ciepła z układu ORC GJ Roczna produkcja energii elektrycznej brutto MWh Roczne zużycie biomasy t

36 Szacunkowe nakłady inwestycyjne na budowę instalacji ORC z kotłem na biomasę. Tabela przedstawia szacunkowe nakłady oraz zależność, że im większa moc układu tym mniejszy jednostkowy nakład na 1 kw mocy elektrycznej zainstalowanej. Układ ORC Moc elektryczna brutto Koszty budowy instalacji kw /kwel Turboden 22 CHP Turboden 18 CHP Turboden 14 CHP Turboden 10 CHP Turboden 7 CHP Turboden 6 CHP

37 Przedstawiciel handlowy Firmy Sugimat CRB Energia Sp. z o.o. ul. Narutowicza 18/ Tarnów Polska Tel.: Fax: crbenergia@crbenergia.pl