SKŁAD CHEMICZNY PALIWA Analiza elementarna i techniczna

Transkrypt

1 TERMICZNE PRZEKSZTAŁCANIE PALIW TRUDNYCH Zbigniew BIS Katedra Inżynierii Energii Warszawa, 20 sierpień 2012

2 Główne kierunki działalności naukowo- badawczej w KIE q Podstawy czystych technologii energetycznych (termodynamika, spalanie paliw, aerodynamika przepływów wielofazowych, wymiana ciepła) q Zrównoważone Systemy Energetyczne (ZSE) q Technologie dla ZSE

3 SKŁAD CHEMICZNY PALIWA Analiza elementarna i techniczna Skład chemiczny (Ultimate Analysis- UA), paliw ustala się przy pomocy odpowiednich analizatorów (chemicznych, elektrochemicznych, spektroskopówmasowych itp..)orazmetod termicznych c+h+s+o+n+w+a=1kg lub100% W przypadku paliw stałych oprócz analizy elementarnej (UA), wykonuje się takżeuproszczoną analizę (ProximateAnalysis-PA): M +VM + FC+ A = 100% M Moisture (wilgoć), kg M/kg p.s.*100 VM VolatileVolatile Matter (częścilotne), kg VM/kg p.s.*100 FC FixedFixed Carbon (pozostałość koksowa), kg FC/kg p.s.*100 A Ash(popiół), kg A/kg p.s.*100

4 Ciepło spalania i wartość opałowa biomasy o różnej zawartości wilgoci -M W *10-3 g *10-3, W d [kj/kg] W g (X H2O )=(1-X H2O )W dry g W g - stan analityczny W d - stan analityczny W - stan suchy g W d - stan suchy W d - stan roboczy W d (X H2O )=(1-X H2O )W dry g - r*((1-x H2O )*hdry +X H2O ) M = X H2O *100 [%]

5 Spalanie paliwa stałego

6 Ranking paliw ze względu na potencjalne trudności w ich spalaniu

7 Odpady komunalne z polskich gospodarstw domowych

8 Zmiany stopnia nagromadzenia na 1 mieszkańca

9 Zmiany gęstości nasypowej

10 Skład morfologiczny odpadów z wybranych miast

11 Czas spalania wybranych składników odpadów 1,0 0,8 Tworzywa szt. m/m 0 0,6 Substancje organiczne 0,4 Makulatura 0,2 0, t [s]

12 Szybkość spalania wybranych składników odpadów 0,8 0,7 0,6 1/m 0 dm/dt 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 Makulatura Substancje organiczne Tworzywa szt. 0,0 0, t [s]

13

14

15

16 Emisja ze spalarni MSW

17 Rozkład prędkości spalin w osi kotła

18 ROZKŁADY W OSI KOTŁA O 2 CO CO 2 Temperatura

19 Stopiony popiół -żużel

20 Spalanie w spalarni odpadów Spalanie lub utlenianie to podstawowe procesy zachodzące w palenisku kotła, który opalany MSW nazywa się Incinerator. Spalanie odpadów w takim kotle powoduje powstawanie negatywnychefektówdla środowiskaorazzdrowiapublicznego. Spalarnie śmieci emitują do atmosfery : tlenki azotu, tlenki siarki, lotne popioły, CO, CO 2, gazy kwaśne, ołów, kadm, rtęć oraz składniki organiczne jak dioxynyi furany. W1960 roku wusa spalarnie odpadów przerabiały 30% masy odpadów komunalnych. Ze względu na wykryte i rozpoznane skutki działania dioksyn w 1988 masa odpadów przerabiana w takich urządzeniach spadła do 13% z powodu poważnego zagrożeniaczystościpowietrza.

21 Spalanie w spalarni odpadów Kiedy w90 tych latach XX wjaponii potwierdzono, że MSWIs (Municipal Solid Waste Incinerators) sągłównymi źródłami emisji dioksyn, byłoto szokiemdlajapońskiegospołeczeństwa. Od tego czasu zlikwidowano małe iśredniej wielkości spalarnie, a zastąpiły je spalarnie dużej mocy, wyposażone w drogie systemy kontroli iusuwania zanieczyszczeń emitowanych do powietrza oraz systemy topienia (vitryfikacji) popiołów. Aktualne wtego rodzaju MSWIsprzetwarzasię do80%odpadów. Wtym samym czasie rozpoczęto intensywne studia oraz badania wdrożeniowe nad procesami, które z powodzeniem mogłyby zastąpić masowespalarnie.

22 Dioksyny razy bardziej trujące niż cyjanek potasowy Związki te tworzą się praktycznie wszędzie tam, gdzie materia zawierająca węgiel, tlen, wodór oraz chlor lub inne halogeny (np. Br -brom if-fluor), przebywa ponad 2s wukładzie wktórym panują warunkiutleniająceoraztemperaturarzędu C. Ze względu na dekompozycję dioksyn w temperaturach ponad Cich koncentracja wkomorze paleniskowej kotła jest bardzo mała, lecz drastycznie wzrasta wii ciągu iurządzeniach odpylających, gdzie panują wymagane warunki temperaturowe ( C) oraz znajduje się wolny tlen, niespalony węgiel i węglowodory, para wodna, związki chloru (np. HCl) oraz ziarna popiołuzawierającemetalekatalizująceproces.

23 Zmienność składu chemicznego odpadów komunalnych

24 Dioksyny (cd cd) W przypadku szerokiego zakresu zmian parametrów współspalanych paliw, atakże częstych fluktuacji ich składu, praktycznie niemożliwe jest doprowadzenie do paleniska ilości utleniacza wymaganej w danym momencie dla spalenia całkowitego i zupełnego. W efekcie proces spalania jest losową kombinacją okresów, w których paliwo ulega spaleniu z dużym nadmiarem utleniacza, powodując lokalny wzrost zwartości wolnego tlenu wspalinach, rozdzielonych okresami wktórych zachodzi spalanie podstechiometryczne i następuje wzrost zawartości niespalonych węglowodorów w spalinach. Wzajemne interakcje produktówspalaniazobuokresówskutkują m.in.wysoką emisją dioksyn.

25 Dioksyny (cd cd) W instalacjach spalarni odpadów dla ograniczenia emisji m.in. dioksyn stosuje się metody fizycznej absorbcji np. na węglach aktywnych. Metoda ta wzależności od realizacji może dać wysokie stopnieoczyszczeniaspalin. Jednak należy pamiętać, że tak jak węgle aktywne, popioły, szczególnie lotne, także posiadają zdolność do absorpcji dioksyn. Ustalono to w Japonii, odtąd wszędzie tam stosuje się metody vitryfikacji (zeszklenia przy użyciu plazmy) dla utylizacji stałych produktówspalania. Deponowanie stałych odpadów w postaci przetworzonej do materiałów budowlanych nie likwiduje problemu zaabsorbowanych wnich zanieczyszczeń!. Sąone stopniowo wymywane do gruntu a następniedowódpodziemnych!

26 Spalarnia odpadów z odzyskiem energii, Budapeszt, Węgry

27 Spalarnia odpadów z odzyskiem energii, Würzburg, Niemcy

28 Naprzysłowiowym ruszcie lub winnym palenisku mamy do czynienia ztakimi procesami jak parowanie, destylacja zparą wodną, sublimacja, Statystyka emisji z niemieckich spalarni odpadów wyposażonych w zaawansowane układy oczyszczania spalin

29 Instalacja utylizacji stałych produktów spalania odpadów w jednej z niemieckich spalarni odpadów

30 Spalanie odpadów Spalanie odpadów jest bardzo kosztowne -zarówno inwestycyjnie, jak i operacyjnie. Koszt spalania 1 tony odpadów komunalnych zmieszanych to ok. 550 euro.

31 W takim razie co robić z odpadami? Rozpocząć od segregacji!

32

33

34 Może System ECO AB?

35 Zasada poprawnego termicznego przekształcania Odpadów I Najlepszym sposobem termicznej utylizacji wysegregowanych odpadów są procesy etapowe (co najmniej dwustopniowe), pozwalające na wydzielenie z odpadów pod działaniem ciepła (termoliza) gazu (VM) i pozostałości koksowej (FC), a następnie osobne ich spalanielub zgazowanie. Inne warunki techniczne wymagane sąpodczas spalania gazu inne zaś dla spalania pozostałości koksowej.

36 Kocioł parowy z nowoczesnym paleniskiem do stopniowanego spalania odpadów komunalnych P II Ruszt I Ruszt II

37 Widok dwu sekcji rusztu posuwisto -zwrotnego P II Ruszt I Ruszt II

38 Tworzenie się i twardnienie osadów

39

40 Skład chemiczny osadów na powierzchni rur Fe Na K K S Ca Si

41

42 Wygląd próbek po wyjęciu z kotła

43 Niespalony węgiel w lotnym popiele (2)

44 Nowa propozycja paleniska -przedpaleniska

45 Zasada poprawnego termicznego przekształcania Odpadów II Segregacjaodpadówzrecyklingiem Termoliza (odgazowanie, sucha destylacja, uwęglanie ) Zgazowanie,spalanielub innewykorzystanie pozostałościkoksowej(karbonizatu)

46 5,0 Przebieg procesu suchej destylacji (termoliza -odgazowania) 40 4,5 5,5 6,0 6,5 h = 3,5 % 35 4,0 ANTRACYT Ciepło spalania [MJ/kg] ,0 c = 80 % 4, KARBONIZAT WĘGIEL KAMIENNY WĘGIEL BRUNATNY 40 SLOMA ODP. KOMUN. 35 DREWNO Substancje lotne [%]

47 Renewable /alternative low quality fuel Autothermal reactor Pyrolytic gases Process schematics Flue gas Option: Heat recovery Option: Flue gas cleaning Flue gas to the atmosphere Initial preparation Combustion Crushing Storage Segregation Drying Thermolysis Biocarbon Clean & upgraded solid product (the biocarbon) for stoker, PC or FBC boiler & power production

48 Biocarboni toryfikacja doświadczenia P. Cz. Uwęglanie reaktor pionowy Uwęglanie reaktor poziomy

49 An example biocarbon

50 Relative concentration [-] 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 Fuel Biocarbon Hg Cl Na K Mg Ca P S

51

52 Węglowe Ogniwa Paliwowe

53 TAK JEST... CO 2, SO 2, NO x, CO, Hg, HCl, Pb, Cd, MW t 35 MW e Energia elektryczna z węgla: nieefektywna, brudna lecz TANIA USA 71%, Chiny 51%, Polska 93%

54 ... A TAK MOŻE BYĆ 50 MW t WĘGLOWE OGNIWO PALIWOWE 35 MW e CAŁKOWITA SPRAWNOŚĆ do 70%; TANIE I MOŻLIWE DO ZAINSTALOWANIA W KAŻDEJ ELEKTROWNI WĘGLOWEJ

55 Koncepcja przemysłowej kombinacji Reaktora AWP i ogniwa paliwowego Węgiel Biomasa Odpady Powietrze CO 2 + H 2 O Waloryzacja paliwa Układ oczyszczania gazu Ogniwo paliwowe CO 2 +H 2 O Wytwarzanie en. elektrycznej + transformator Popiół 100%

56 Schemat działania węglowego ogniwa paliwowego

57 Model Węglowego Ogniwa Paliwowego w P.Cz.

58 Technologia RATech Technologia, która w pełni realizuje (stopniowego) termicznego przetwarzania zawierającegoco 2,COiH 2. postulat odpadów etapowego do gazu Jej realizacja oparta jest o następujące procesy jednostkowe: Suchadestylacja(termoliza-odgazowanie) odgazowanie)wstępniewstępnie wysegregowanychodpadówodpadów Tlenowezgazowaniekarbonizatu Stopniowalikwidacja zgazówwytlewnychwyższychwęglowodorówwęglowodorów

59 Technologia RATech

60 Technologia RATech schemat technologiczny

61 Nowoczesne i perspektywiczne metody termicznego przekształcania odpadów Segregacjaodpadówzrecyklingiem Zgazowanie przy użyciu plazmy (plasma torch, plasma Zgazowanie przy użyciu plazmy (plasma torch, plasma arc)

62 Cool Plasma Torch

63 Calendar

64 The Plasma Direct Melting Reactor (PDMR) Mihama-Mikata, Japan

65

66 AdaptiveARC, USA Cool Plasma T max = C

67 Cool Plasma Torch

68

69 adaptivearc ce25 -obecnie dostępne na rynku Czysta Energia: 25 ton na dzień/ 500 kw e produkcjaciągła Uprzywilejowane ipoufne: Proszę nie rozpowszechniać. Energiaktóra oczyszcza Niedziela, 13 listopada 2011

70 Przykład: cena $12 / 7 za kwh 100 ton dziennie : 4MW tryb ciągły : 96MWh / dzień Kapitał: $12.5M USD 10-letnirocznyWSZ 21% 10-letniOWN $2.8M Rentowność 1 rok Uprzywilejowane ipoufne: Proszę nie rozpowszechniać. Energiaktóra oczyszcza Niedziela, 13 listopada 2011

71 Przykład : Cena $0 / 12.5 za kwh 1,000 ton dziennie : 40MW tryb ciągły : 960MWh / dzień Kapitał: $78.8M USD 10-letni roczny WSZ 79% 10-letniOWN $677M Rentowność 3 lata Uprzywilejowane ipoufne: Proszę nie rozpowszechniać. Energiaktóra oczyszcza Niedziela, 13 listopada 2011

72 Inne metody

73 Praso ekstruder 2000, wydajność: 15 Mg/h i 35 Mg/h

74

75 Praso ekstruder -widok

76 Dziękuję za uwagę