Czysto i ekonomicznie. Działania Polski w zakresie spalania w cyrkulacyjnej warstwie fluidalnej cz. 1

Transkrypt

1 Czysto i ekonomicznie. Działania Polski w zakresie spalania w cyrkulacyjnej warstwie fluidalnej cz. 1 Autor: prof. dr hab. inż. Wojciech Nowak, mgr inż. Monika Bednarek - Instytut Zaawansowanych Technologii Energetycznych, Wydział Inżynierii Środowiska i Biotechnologii, Politechnika Częstochowska ( Energetyka Cieplna i Zawodowa nr 4/2013) Zdolność warstw fluidalnych do spalania wielu różnorodnych paliw, przy jednoczesnym spełnianiu ścisłych przepisów kontroli emisji, sprawia, że stanowią one idealną alternatywę dla takich paliw, jak: węgiel kamienny z dużą zawartością siarki, węgiel brunatny, torf, olej, muł, koks naftowy, gaz i odpady. Wszystkie one spalane są w kotłach fluidyzacyjnych w sposób czysty i ekonomiczny, bez potrzeby skomplikowanych płuczek, układów katalitycznych czy innych kosztowych systemów oczyszczania chemicznego. Obecnie w Polsce pracuje lub jest w trakcie budowy znacząca liczba bloków fluidyzacyjnych wykorzystujących szeroki asortyment węgli, biomasy i odpadów rolniczych. Z zebranych danych wydajnościowych wynika, że bloki fluidyzacyjne spełniły wszystkie poziomy emisji. Wśród instalacji energetycznych z warstwą fluidalną wyróżnić można konstrukcje kotłów z cyrkulacyjną warstwą fluidalną (circulating fluidized bed CFB) pierwszej i drugiej generacji. Pierwsza to technologia z gorącymi cyklonami (stosowana przez Rafako, Metso, Foster Wheeler). Druga technologia z chłodzonymi separatorami (Foster Wheeler kompaktowe separatory z cyklonami chłodzonymi parą oraz typ Metso - CYMIC). Ostatnio opracowano przepływową nadkrytyczną (OTSC) technologię CFB, umożliwiającą następny etap rozwoju CFB w Polsce. Zaletami nadkrytycznych kotłów CFB w porównaniu do kotłów podkrytycznych są: niższe koszty kapitałowe na budowę kotłów SC CFB zużywa się mniej stali, gdyż stosuje się w nich rury o mniejszej średnicy oraz brak jest dużego walczaka stalowego, mniejszy spadek ciśnienia na rurach paleniska, co powoduje zmniejszenie mocy potrzebnej do zasilania pomp wodnych oraz mniejsze zużycie energii przez urządzenia pomocnicze, równomierna temperatura spalania w CFB (zarówno pionowo, jak poziomo). Kotły fluidyzacyjne w Polsce W tabeli 1 przedstawiono przesyłowe kotły CFB i z warstwą pęcherzową (bubbling). Jak widać, wykorzystuje się szerokie spektrum rodzajów złóż fluidalnych. Można zauważyć, że w Polsce skomercjalizowano dużo kombinacji wykorzystujących wiele różnorodnych paliw i odpadów rolnych. Na podstawie zebranych danych wydajnościowych można stwierdzić, że bloki 1

2 fluidalne spełniły wszystkie poziomy emisji. W większości przypadków sprawność robocza i osiągi emisyjne były lepsze od określonych w gwarancji kotła. Nazwa Firmy Rok Typ kotła Moc Paliwo PGE GiEK S.A oddział Elektrownia Turów PGE GiEK S.A oddział Elektrownia Turów PGE GiEK S.A oddział Elektrownia Turów EC Katowice S.A CWF 1 I 2 CWF 3 CWF 4,5, 6 Compact CFB CWF Cyklon chłodzony parą 2 2 x 235 węgiel brunatny 235 węgiel brunatny 3 x 260 węgiel brunatny 120 PKE S.A., Jaworzno II 1999 CWF Compact 1 i 2 2 x 70 węgiel kamienny, muły węglowe węgiel kamienny, muły węglowe EC Chorzów Elcho 2003 CWF Compact 1 I 2 2 x 113 węgiel kamienny EC Żerań, Warszawa 1997 CWF A 315 MWth węgiel kamienny EC Żerań, Warszawa 2001 CWF B 315 MWth Cyklon chłodzony parą węgiel kamienny EC Bielsko-Biała 1997 CWF 177/165 MWth węgiel kamienny Polpharma Starogard CWF 1993 Gdański 2 x 60.2 węgiel kamienny EC Tychy 1999 CWF Cymic Wielowlotowy cyklon wewnętrzny MWth EC Ostrołęka 1997 PWF 30 MWth EC Siersza Tauron Wytwarzanie S.A. Oddział Elektrownia Łagisza Świecie 2001, PAK Konin 2012 GDF Sues Połaniec 2012 EC Bielsko-Biala 2013 CWF 1 i 2 CWF COMPACT Parametry nadkrytyczne CWF PWF-100 CWF Cyklon chłodzony CWF Cyklon chłodzony CWF Cyklon chłodzony węgiel kamienny biomasa, węgiel kamienny, odpady produkcji papieru, kora 2 x MWth węgiel kamienny 460 węgiel kamienny, muły węglowe 164 MWth 71 MWth 154 MWth/ MWth/ MWth/50 węgiel kamienny, biomasa biomasa 20% odpady biomasa leśna, 20% agro węgiel kamienny Tauron Wytwarzanie S.A. Jaworzno II 2012 CWF MWth biomasa, odpady Fortum Power and Heat 120 MWth/64 Węgiel kamienny, biomasa Polska Sp. z o. o. w 2010 CWF Compact pochodzenia leśnego i agro Częstochowie PGE Dolna Odra Szczecin 2011 PWF 183 MWth biomasa Stora Enso Poland biomasa, węgiel kamienny, 2010 CWF Cymic 164 MWth Ostrołęka odpady produkcji papieru, kora EC Białystok 2012 PWF 75 MWth biomasa, węgiel kamienny, odpady produkcji papieru, Dalkia Łódź SA 2011 PWF 129 MWth biomasa, odpady agro Kogeneracja SA Wrocław 2010 BFBC 76 MWth biomasa, odpady agro TAB. 1 Kotły fluidalne z cyrkulacyjną (CWF) i pęcherzykową (PWF) warstwą fluidalną w Polsce

3 Producenci kotłów fluidyzacyjnych oferują wiele różnych konstrukcji kotłów dla polskich elektrowni i/lub ciepłowni, w tym typowy kocioł CFB zaprojektowany przez Alhstrom Pyropower, z cyklonami z wykładziną ogniotrwałą oraz cyklonami chłodzonymi parą. Pionierem w przemysłowym zastosowaniu kompaktowych kotłów CFB dużej skali w Polsce jest Foster Wheeler (Elektrownia Turóww S.A., Jaworzno II, Łagisza oraz Elcho Chorzów). W porównaniu z typowymi pracującymi blokami CFB wyjątkowymi cechami kompaktowych kotłów CFB są: zastąpienie gorących cyklonów separatorami chłodzonymi parą, inna orientacja kotłów i usytuowanie palników rozruchowych (poniżej płyty skrzyni powietrza), zastosowanie zintegrowanego wymiennika ciepła (Intrex) zastępującego przegrzewacz typu Omega, chłodnice zgarniacza popiołu dennego, podgrzewacz powietrza typu obrotowego zamiast rurowego podgrzewacza powietrza. Firma Kvaerner Pulping dostarczyła kocioł CFB CYMIC (EC Tychy S.A.) z cyklonem usytuowanym wewnątrz komory spalania. Megakocioł w Elektrowni Łagisza W tej chwili największym na świecie kotłem CFB jest kocioł przepływowy nadkrytyczny drugiej generacji z cyrkulacyjną warstwą fluidalną (CFB OTU-SC) o mocy 460 MW e, który jest zainstalowany w TAURON Wytwarzanie S.A. oddział Elektrownia Łagisza, Polska. Schemat kotła OTU-SC CFB o mocy 460MW e przedstawiono na rys. 1, natomiast podstawowe parametry konstrukcyjne podano w tabeli 2. Parametr Wartość Wydajność 1300 t/h Parametry pary wylotowej 27,5 MPa, 560 C Temperatura wody zasilającej 290 C Przepływ pary kg/s Zużycie paliwa 181,6 t/h Sprawność kotła 94 % Zapotrzebowanie sorbentu 17,1t/h Moc potrzeb własnych (część kotłowa) 14,6 Emisja SO2 < 200 mg/nm3 Emisja NOx < 200 mg/nm3 Emisja pyłu < 30 mg/nm3 TAB. 2 Podstawowe parametry kotła w TAURON Wytwarzanie S.A. oddział Elektrownia Łagisza, 460 OTU-SC CFB (Goidich i in.2000) 3

4 RYS. 1 Schemat kotła w TAURON Wytwarzanie S.A. oddział Elektrownia Łagisza, 460 OTU-SC CFB (Goidich i in. 2000) Kocioł CFB eksploatowany w Elektrowni Łagisza jest przystosowany do spalania węgla kamiennego jako głównego paliwa. Własności paliwa do kotła Łagisza podano w tabeli 3. Węgiel Muły węglowe (max 30% wsadu) Wartość opałowa MJ/kg Wilgotność % Popiół % Siarka % TAB. 3 Parametry paliw w kotle Elektrowni Łagisza Jak wynika z tabeli 3, istnieje możliwość spalania w kotle CFB Łagisza dodatkowego paliwa, w szczególności mułu węglowego. Muł węglowy można spalać przy maksymalnym udziale 30% wkładu cieplnego paliwa. Jako paliwo rozruchowe używany jest lekki olej. W odróżnieniu od 4

5 typowych kotłów CFB ten wyposażony jest w pionowe rury Bensona, co stanowi nową technologię pary nadkrytycznej. Na poziomie rusztu komora spalania ma przekrój 27,6 m 5,3 m (szerokość rusztu głębokość rusztu). Na wysokości 8,95 m od rusztu powierzchnia przekroju komory spalania wynosi 27,6m 10,6m. Całkowita wysokość komory spalania równa jest 48 m. Na dnie komory spalania znajduje się ruszt fluidyzacyjny z dyszami strzałkowymi (arrowhead) powietrza pierwotnego. Dysze powietrza wtórnego znajdują się na poziomie 2 m, 4 m i 6 m od rusztu. Kocioł jest wyposażony w 8 kompaktowych separatorów materiału sypkiego, które są usytuowane po 4 wzdłuż obydwu bocznych ścian. Przekrój separatorów ma kształt ośmiokąta. Separatory składają się ze ścian przeponowych, które są wyłożone cienką warstwą materiału ogniotrwałego odpornego na erozję. Podobną konstrukcję ma gałąź powrotu cząstek stałych do komory INTREX, która jest zintegrowana z obydwiema ścianami bocznymi kotła. Komora INTREX ma konstrukcję w postaci uszczelnienia ściennego (wall seal). W komorze INTREX ciepło jest przenoszone z cyrkulującym materiałem do przegrzewacza INTREX i dogrzewacza INTREX. W komorze spalania z uszczelnieniem pętlowym (loop seal) brak jest wymienników ciepła do usuwania ciepła, lecz znajdują się punkty powrotu cząstek stałych z komory INTREX (konstrukcja typu syfonowego o przekroju prostokątnym), punkty podawania paliwa i sorbentu (wapienia), uzupełniania piasku, oraz punkty podawania recyrkulacyjnego popiołu lotnego. Kocioł CFB Łagisza reprezentuje główne zalety technologii CFB drugiej generacji i osiąga standardowe emisje w odniesieniu do dopuszczalnego stężenia SO 2 w spalinach. W przypadku obciążenia wszystkich bloków emisja SO 2 była niższa niż 200mg/m 3 n. Emisja tego składnika mieściła się w granicach od 73mg/m n 3 do 200mg/m n 3. Obserwowana emisja tlenków azotu wynosiła od 131mg/m n 3 do 198mg/m n 3. W przypadku poziomów CO minimalna emisja wynosiła 24mg/m n 3 a maksymalna 100mg/m n 3. Emisja pyłu wynosiła od 5mg/m n 3 do 27mg/m n 3 i była zgodna z odpowiednimi przepisami ochrony środowiska dotyczącymi emisji cząstek stałych. Aktualne poziomy emisji wszystkich zanieczyszczeń gazowych i pyłu w Elektrowni Łagisza TAURON Wytwarzanie S.A. spełniały wymagania norm określających dopuszczalne wartości emisji. Elastyczność w zakresie paliw Jedną z głównych zalet technologii CFB jest zdolność do spalania wielu różnorodnych rodzajów paliw. Cały zakres doświadczenia zdobytego w Polsce obejmuje spalanie węgla kamiennego, brunatnego oraz mułu węglowego. Oprócz tego w kotłach fluidyzacyjnych z warstwą pęcherzową (EC Ostrołęka, Tychy, Białystok, Świecie, Kwidzyń) wykorzystywane są niezbyt typowe paliwa, takie jak: kora, pelety ze słomy, odpady rolne i pulpa celulozowa. Typowe węgle kamienne są bardzo łatwe do spalania w kotle CFB dzięki swojej stałej wartości opałowej, umiarkowanej zawartości substancji lotnych oraz wysokiej temperaturze mięknienia popiołu. Większość bloków CFB w Polsce spala węgle kamienne i węgiel brunatny (Elektrownia Turów PGE). Średnia wartość ciepła spalania węgli brunatnych i mułu węglowego wynosiła w granicach od 8 do 12 MJ/kg. Średnia zawartość wilgoci w przypadku mułu węglowego wynosiła do 37%. Kocioł CFB cechuje się elastycznością w zakresie możliwości spalania paliw o zmiennej zawartości, przy jednoczesnym osiąganiu wymaganego poziomu emisji. Bloki CFB w Polsce 5

6 spalają węgle kamienne o zawartości siarki dochodzącej do 2,4% (kocioł CFB Tauron OFz-425 Siersza) oraz węgiel brunatny o zawartości siarki do 1%. Paliwa o wysokiej zawartości popiołu nadają się do zastosowań CFB bez jakiegokolwiek szkodliwego efektu, a muły węglowe o zawartości popiołu do 53% (dwa kompaktowe kotły CFB 70 w Tauron Jaworzno II oraz 120 MW e w Tauron Katowice) są spalane wraz z węglem kamiennym, dając w rezultacie dobre osiągi kotłów CFB. W kotłach CFB mogą również być z łatwością spalane paliwa o niskiej lotności. Cyrkulujące gorące cząstki stanowią duże źródło zapłonu dla paliw o niskiej lotności, dając w rezultacie doskonałą stabilność płomienia i charakterystykę spalania. Kotły CFB mogą także skutecznie obrabiać odpad z płuczek węglowych oraz inne odpady, które na ogół nie są wykorzystywane w kotłach PC. Cena tych niskojakościowych paliw jest bardzo niska, co powoduje, że technologia CFB jest konkurencyjna w stosunku do innych technik spalania. Ponieważ wytwarzanie energii ze spalania biomasy jest w Polsce wspierane przez rząd, producenci energii starają się w miarę możliwości zastępować węgiel biomasą lub innym biodegradowalnym paliwem, jak np. agromasą (tj. wióry drewniane, makuchy z przetwórni rzepaku, pelety ze zboża i otrąb, pelety z łusek słonecznika i rzepakowe lub odpady z przetwórstwa owoców, siano, odpady z buraków cukrowych, słoma, itp.). Zgodnie z zarządzeniem Polskiego Ministerstwa Gospodarki (Dz. U. Nr 261/2005 poz. 2187) w roku 2014 ilość agromasy w mieszaninie biomasa/agromasa musi przekraczać 60% [Kobyłecki i inni, 2012]. Własności takich paliw mogą wahać się w dość szerokim zakresie, zwłaszcza w odniesieniu do zawartości wilgoci (7-37%), substancji lotnych (50-70%) oraz popiołu (1-6%). Wartości HHV i LHV są również dość zróżnicowane (odpowiednio, 12,5-18,3 MJ/kg oraz 10,7-16,7 MJ/kg). *** Technologia CFB jest konkurencyjna w stosunku do innych technik spalania. Posiada wiele zalet. Nie możemy jednak zapominać o problemach związanych z eksploatacją kotłów CFB dużej skali, a także o wyzwaniach stawianych przez spalanie CFB. Ale o tym przeczytać będzie można w kolejnym numerze Energetyki Cieplnej i Zawodowej. Literatura 1. Goidich S J, Fan Z, Sippu O, Bose A C Integration of the BENSON Vertical OTU Technology and the Compact CFB Boiler. POWER-GEN International 2000, Orlando, FL, November Kobyłecki R., Z. Bis, M. Pawlik, J. Żyła. Novel design of the combustion chamber for biomass and agromass-fired CFB boilers. Proc. of the 21st Fluidized Bed Combustion Conference, Naples,

7 3. Czakiert T, Bis Z, Muskała W, Nowak W Fuel Conversion from Oxy-Fuel Combustion in a Circulating Fluidized Bed. Fuel Processing Technology, Vol. 87: Czakiert T, Sztekler K, Karski S, Markiewicz D, Nowak W Oxy-fuel circulating fluidized bed combustion in a small pilot-scale test rig. Fuel Processing Technology, Vol. 91: Tan Y, Jia L, Wu Y, Anthony E J Experiences and results on a 0.8 MWth oxy-fuel operation pilot-scale circulating fluidized bed. Applied Energy, Vol. 92: Zheng L Oxy-fuel combustion for power generation and carbon dioxide (CO2) capture. CanmetENERGY Ottawa Research Centre, Natural Resources Canada, Canada, Woodhead Publishing Series in Energy No