Układy kogeneracyjne z zastosowaniem kotła olejowego na biomasę z ORC

Transkrypt

1 Układy kogeneracyjne z zastosowaniem kotła olejowego na biomasę z ORC

2 Co to jest ORC? Regenerator Turbina Generator prądu Skraplacz Parownik Pompa obiegowa

3 Co to jest ORC? 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.

4 Co to jest ORC? 100% energii 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, brak przekładni redukcyjnej - cichobieżna praca, w czasie rozprężania nie występuje ciecz (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 (ponad h pracy, dyspozycyjność 98 %,) praca z obciążeniem częściowym do 35 % mocy kotła lub 10% mocy układu, wysoka sprawność również przy obciążeniu częściowym, wysoka żywotność urządzenia.

5 Gabaryty przykładowego układu ORC?

6 ORC współpracujący z kotłem oleju termalnego Dwa niezależne obiegi Obieg temperatury niskiej Obieg temp. wysokiej Kocioł Sugimat ORC Biomasa Energia elektryczna Gorąca woda 80/90 o C

7 Kocioł olejowy na biomasę z układem ORC Kocioł (wymiennik) Elektrofiltr Komin ORC Ekonomizer Silos Wentylator System śluzy z dwoma klapami. Komora spalania Podajnik paliwa

8 Paliwo biomasa. Czynniki jakie należy rozważyć przy wyborze biomasy: popiół (elementy stałe nie spalone podczas spalania całkowitego, czym większy zawartość popiołu w paliwie tym niższa sprawność), wilgotność (czym mniejsza tym lepsze spalanie, problem CO), substancje lotne (kombinacje węgla, wodoru i innych gazów, powyżej 65% substancji lotnych sprzyja spalaniu), zawartość węgla, wartość opałowa.

9 Silos zasypowy biomasy (ruchome podłogi) Popychacze Silos pracuje ciągnąc paliwo. Siłowniki hydrauliczne

10 Podajnik biomasy Przenośnik taśmowy z poprzeczkami (zabierakami) System doprowadzenia paliwa do paleniska nie powinien być chłodzony woda. Rozmiar pojedynczych elementów paliwa do 500 mm długości.

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

12 Ruszt w kotłach biomasowych z olejem termalnym Ruszt mechaniczny schodkowy Sugimat 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. 500 mm długości, Kocioł(wymiennik) nie powinien być umieszczony bezpośrednio nad rusztem, Tylko ruszty skośne, płaskie NIE 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, niszczenie).

13 Zastosowanie: kora, biomasa leśna, paliwa generujące popiół. Ruszty firmy Sugimat został zainstalowany w ponad 350 kotłach obecnie pracujących o mocy od 1 MW do 50 MW.

14 Ruszt w kotłach biomasowych z olejem termalnym Najważniejsze elementy do rozważenia przy doborze rusztu: powierzchnia rusztu uzależniona od spalanego paliwa, ruszt chłodzony powietrzem, możliwe ruszty do spalania biomasy i węgla (zalecane oddzielnie), 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.

15 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. 500mm, W przypadku spalania biomasy istnieje problem CO a nie NOx, czym większa wilgotność paliwa tym większy problem z CO i trzeba stosować komorę adiabatyczna, słoma - trudne paliwo......problemy: punkt płynięcia popiołu, chlor, nie można spalać w komorze z cegły.

16

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

18 Komora adiabatyczna

19 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 i turbulencje (min. 850 C, min. 2/3 sekundy). umieszczona jest bezpośrednio nad komorą spalania, samooczyszcząca, dzięki przepływowi spalin przez komorę adiabatyczną otrzymuje się niską emisje CO w spalinach na wylocie z komina, jest ona wykonana z materiałów ogniotrwałych oraz izolacyjnych, zawiera kołnierz, który umożliwia zainstalowanie w przyszłości dodatkowego palnika, jeśli zajdzie potrzeba dodatkowej redukcji emisji CO posiada sklepienie do wymuszenia obiegu spalin, co skutkuje dopaleniem cząstek CO oraz opadaniem bezpośrednio na ruszt i usunięciem ich razem z żużlem.

20 Kanał łączący pokryty betonem. Jest to prostokątny kanał, którego strop składa się z ogniotrwałego betonu, a podłoże i ściany wykonane są z cegieł.

21 Kocioł oleju termalnego. Kocioł olejowy wymiennik wysokotemperaturowy Kocioł jest markowany znakiem CE, zatwierdzony przez Notify Organism TÜV SÜDDEUTSCHLAND nº Zabrania się montować kocioł oleju termalnego pionowo nad rusztem (chodzi oto aby niedopalony popiół nie wpadał od razu do kotła i go nie brudził, zapychał).

22 Kocioł oleju termalnego. Najważniejsze elementy do rozważenia przy doborze kotła: powierzchnia grzewcza kotła (wymiennika), grubość ścianki rury, obowiązkowy system kontroli przepływu w każdej rurze wystawionej na radiacje płomienia albo na temperaturę powyżej 900 ⁰C, system czyszczenia sprężonym powietrzem bez zatrzymywania kotła.

23 Ekonomizer. Ekonomizer jest wymiennikiem niskotemperaturowym. Powinien pracować w przepływie krzyżowym (gaz pionowo a olej/rury poziomo) co jest najlepszym inżynierskim rozwiązaniem, gdyż wtedy otrzymujemy najlepszy odbiór ciepła i ekonomizer się nie zapycha, nie ma akumulacji pyłu. Ekonomizer 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.

24 Układ oczyszczania i odprowadzania spalin. 1. Multicyklon - składa się z trzech części: wlot i wylot spalin, separatora cząsteczek stałych oraz zbiornika pyłu. Separator cząstek stałych składa się z mikrocyklonów. Spaliny wprowadzane są przez górna strefę cylindryczną mikrocyklonów, cząsteczki wyseparowane zsypywane są przez dolną strefę stożkową. Spaliny wychodzą przez górne kanały wylotowe w kierunku głównego wyjścia kolektora. Wszystkie wyseparowane cząstki z części stożkowej będą składowane w jednym wspólnym zbiorniku. Gwarantowany poziom emisji to: 150 do 250 mg/m³. 2. W przypadku innych lokalnych przepisów wymagających niższej emisji, konieczne jest zainstalowanie filtra workowego lub elektrofiltru. Można zamontować filtr workowy jeżeli będzie się spalać tylko pelety. W przeciwnym razie Sugimat sugeruje elektrofiltr który jest droższym rozwiązaniem w nakładach inwestycyjnych ale tańszym biorąc pod uwagę eksploatacje. Filtr workowy trzeba wymieniać co / godzin, poza tym istnieje ryzyko eksplozji, jeżeli paliwo nie spala się do końca i dochodzą elementy do worka.

25 Przykładowy układ Sugimat z kotłem olejowym na biomasę Podstawowe zalety: możliwość pracy z obciążeniem częściowym do 35% mocy nominalnej kotła przy utracie tylko 3% sprawności, elastyczność pracy, automatyczna współpraca z ORC. Układ oczyszczania i odprowadzania spalin

26 Koncepcja technologiczna.

27 Charakterystyka handlowa jednostek ORC Moc elektryczna jednostek: Standardowe jednostki ORC produkowane są z zakresie 0,6-3 MWe. Większe, nawet do 10 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.

28 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

29 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 kotły gazowe w celu uzyskania wymaganych parametrów temperatury.

30 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.

31 Moc termiczna [MW] Praca instalacji z zastosowaniem ORC TD 10 CHP Kocioł na biomasę z układem ORC Kotły gazowe ZAŁOŻENIA Roczna ilość godzin pracy układu ORC h Sprawność kotła na biomasę % 83 Kaloryczność biomasy kj/kg Kaloryczność gazu kj/nm Sprawność kotłów gazowych % 90 PRODUKCJA Roczna produkcja ciepła z układu ORC GJ Roczna produkcja energii elektrycznej netto MWh Roczne zużycie biomasy t Roczna produkcja ciepła z gazu GJ Roczne zużycie gazu tys. Nm

32 Moc termiczna [MW] Praca instalacji z zastosowaniem ORC TD 30 CHP Kocioł na biomasę z układem ORC Kotły gazowe ZAŁOŻENIA Roczna ilość godzin pracy układu ORC h Sprawność kotła na biomasę % 83 Kaloryczność biomasy kj/kg Kaloryczność gazu kj/nm Sprawność kotłów gazowych % 90 PRODUKCJA Roczna produkcja ciepła z układu ORC GJ Roczna produkcja energii elektrycznej netto MWh Roczne zużycie biomasy t Roczna produkcja ciepła z gazu GJ Roczne zużycie gazu tys. Nm

33 Szacunkowe nakłady inwestycyjne na budowę instalacji z kotła na biomasę z układem ORC Tabela przedstawia szacunkowe całkowite 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

34 Przedstawiciel handlowy firmy Sugimat na Ukrainę CRB Energia Sp. z o.o. ul. Narutowicza 18/ Tarnów Polska Tel.: Fax: bmekarska@crbenergia.pl