VII Konferencja Techniczna Nowoczesne ciepłownie i elektrociepłownie Zabrze

Transkrypt

1

2 Wielopaliwowe elektrociepłownie z kotłami CFB jako zintegrowane rozwiązanie w zakresie zagospodarowania odpadów, ciepłownictwa i osiągania celów udziału OZE 2 VII Konferencja Techniczna Nowoczesne ciepłownie i elektrociepłownie Zabrze

3 Plan prezentacji Potencjał elektrociepłowni wielopaliwowych w zakresie osiągania celów udziału OZE i odbudowy mocy, Wymogi dla nowych obiektów energetycznych i możliwości sprostania im przez EC wielopaliwowe Mały blok wielopaliwowy jako zamiennik kotła WR-25 Wodny kocioł wielopaliwowy CFB jako zamiennik kotła WR-25 Podsumowanie 3

4 Elektrociepłownie zawodowe Elektrociepłownie przemysłowe

5 Obecne wyzwania w zakresie ekologicznej gospodarki odpadami i energią Kraj: konieczność dotrzymania agendy 2020 w zakresie celów redukcji CO 2, Energetyka: osiągnięcie limitów emisji wg IED, odbudowa mocy Ciepłownictwo: Osiągnięcie limitów emisji wg MCP i LCP BAT przy zapewnieniu bezpiecznej dostawy ciepła, Likwidacja niskiej emisji, Gospodarka odpadami: spełnienie wymogów ustawy o zagospodarowaniu odpadów i ich skutki: Brak możliwości składowania odpadów o wartości opałowej ponad 6000 kj/kg, 3-4 mln ton niskokalorycznego paliwa z odpadów (RDF) do zagospodarowania rocznie, Ok. 1 mln t odpadów ściekowych do zagospodarowania rocznie. 5

6 Obecne wyzwania w zakresie ekologicznej gospodarki odpadami i energią Kraj: konieczność dotrzymania agendy 2020 w zakresie celów redukcji CO 2, Energetyka: osiągnięcie limitów emisji wg IED, odbudowa mocy Ciepłownictwo:...aby nasza gospodarka była konkurencyjna te problemy powinny zostać rozwiązane jak najniższym kosztem Osiągnięcie limitów emisji wg MCP i LCP BAT przy zapewnieniu bezpiecznej dostawy ciepła, Likwidacja niskiej emisji, Gospodarka odpadami: spełnienie wymogów ustawy o zagospodarowaniu odpadów i ich skutki: Brak możliwości składowania odpadów o wartości opałowej ponad 6000 kj/kg, 3-4 mln ton niskokalorycznego paliwa z odpadów (RDF) do zagospodarowania rocznie, Ok. 1 mln t odpadów ściekowych do zagospodarowania rocznie. 6

7 Obecne wyzwania w zakresie ekologicznej gospodarki odpadami i energią Możliwe rozwiązania Tradycyjne: Osobne rozwiązywanie problemów w każdej z dziedzin, Częściowo zintegrowane: Spalarnie odpadów z niewielką i niskosprawną produkcją ciepła lub energii elektrycznej, W pełni zintegrowane elektrociepłownie wielopaliwowe: Skojarzona produkcja energii elektrycznej i ciepła w wysokosprawnej kogeneracji o dużych mocach, Z wykorzystaniem paliw pochodzących z odpadów, Z wykorzystaniem paliw neutralnych pod względem emisji CO 2, O niskich kosztach inwestycyjnych i operacyjnych (likwidacja niskiej emisji), Z wykorzystaniem standardowych, niedrogich, a jednocześnie pewnych rozwiązań, Z wykorzystaniem tanich paliw dostępnych lokalnie muły węglowe, osady ściekowe, drewno porozbiórkowe, odpady przemysłowe etc. 7

8 Porównanie parametrów techniczno-ekonomicznych tradycyjnej spalarni odpadów z elektrociepłownią węglową i wielopaliwową Spalarnia odpadów w Krakowie Węglowa EC Tychy Wielopaliwowa EC Zabrze Koszty inwestycyjne 160 mln 140 mln 200 mln Roczna ilość spalanych odpadów ton MSW ton RDF Parametry pary 40 bar / 415 o C 122/547 o C 92 bar / 536 o C Moc cieplna 35,7 MWt 86 MWt 145 MWt Roczna produkcja ciepła 280 GWh 450 GWh* 730 GWh Moc elektryczna 17 MWe 65 Mwe 75 MWe Roczna produkcja en. elektr. 65 GWh 400 GWh* 550 GWh Zakres paliw odpady komunalne zmieszane węgiel węgiel % biomasa % RDF 0-40 % muły węglowe 0-60% 8 *szacunek własny autora

9 Porównanie inwestycji alternatywnej (tradycyjna spalarnia odpadów i EC węglowa) z elektrociepłownią wielopaliwową Spalarnia w Wielopaliwowa Krakowie + EC Tychy EC Zabrze Koszty inwestycyjne 300 mln 200 mln Roczna ilość spalanych ton MSW ton RDF odpadów Moc cieplna 123,5 MWt 145 MWt Roczna produkcja 730 GWh 730 GWh ciepła Moc elektryczna 85 MWe 75 MWe Roczna produkcja en. elektr. 465 GWh 550 GWh 9

10 Potencjał elektrociepłowni wielopaliwowych w zakresie osiągania celów udziału OZE i odbudowy mocy Możliwe rozwiązania: Adaptacja istniejących kotłów CFB do współspalania RDF, Budowa dużych EC wielopaliwowych, Budowa małych EC powiatowych o mocach od kilku MWe Na rynku dostępne będzie w najbliższym czasie 4 mln t RDF rocznie - to ok TJ w paliwie, które w przypadku wykorzystania w EC wielopaliwowych dają następujące możliwości : Przy przetworzeniu w energię elektryczną w EC o średniej sprawności 30 % daje to MWh/rok, Przy współspalaniu z biomasą i węglem w proporcjach (30/30/40%) można w ten sposób wyprodukować z OZE MWh/rok, Odpowiada to ok. 35 % energii el. wyprodukowanej z OZE w 2015 roku, Przy założeniu wykorzystania mocy zainstalowanej na poziomie 80% odpowiada to mocy ok MWe. Do współspalania mogło by być zużyte ok. 2,5 do 4 mln ton węgla 10

11 Elektrociepłownia wielopaliwowa Założenia Projektowe - Paliwa Wartość opałowa, MJ/kg Zakres paliw (udziały energetyczne) : Węgiel %, Biomasa (w tym agro) %, RDF do 40 %, Osady ściekowe lub muły węglowe KOKS PETROCHEMICZNY TORF ANTRACYT ANTRACITE WĘGIEL KAMIENNY WĘGIEL BRUNATNY KORA Zakres paliw KOLOROWE POLOLEFINY KOLOROWEDRUKOWANE PLASTIKI DRUKOWANE PLASTIKI, (PE, PP, PC..) PLASTIKI, CZYSTE ZANIECZY SZCZONE PŁYTY WIÓROWE - SKLEJKA PLY - WOOD BIOMASA LEŚNA DREWNO ROZBIÓKOWE REF PELETY PALIWO Z ODPADÓW PRZEMYSŁOWYCH TORF Z WYSOKIM Ca, Cl, Br REF II - III ZMIESZANE PLASTIKI DREWNO & Z PLASTIKIEM S PAPIER& DREWNO RDF 5 ODPADY WĘGLOWE BIOSZLAMY SZLAMY BIO & PAPIERNICZE FIBER SLUDGE SZLAMY Z ODBARWIANIA ŁUPKI ROPONOŚNE SEWAGE OSABY ŚCIEKOWE SLUDGE 0 Trudność spalania 11

12 Wielopaliwowy kocioł CFB Układ podawania paliwa RDF Biomasa* Węgiel Biomasa Kocioł CFB może zostać zaprojektowany na większą ilość paliw Instalacje węgla i RDF mogą być w podstawowym zakresie dostawy, a instalacje dla pozostałych paliw mogą mieć tylko rezerwację miejsca, z możliwością ich późniejszej zabudowy w dogodnym momencie. Osady ściekowe* * Rezerwacja miejsca 12

13 Rodzaj paliwa a koncepcja kotła CFB Paliwa klasyczne: - Węgiel, - Torf, - Biomasa, Klasyczna prosta koncepcja Współspalanie paliw klasycznych i trudnych: Koncepcja zrównoważona Paliwa trudne: - RDF, - SRF. Dedykowana, skomplikowana koncepcja 13

14 Wymogi jakim musi sprostać nowy obiekt energetyczny Pole możliwych rozwiązań Pakiet zimowy emisyjność CO 2 BAT wymogi emisyjne i sprawnościowe Aukcje OZE - wymogi Warunki finansowania OECD 14

15 Mały blok wielopaliwowy Założenia Projektowe - emisje Emisje (nowe obiekty energetycznego spalania, CFB): Dla węgla kamiennego (w.) i biomasy (b.) MCP >5 MWt <50 MWt IED 50 MWt <100 MWt BAT LCP (> 50 MWt) < 100 MWt NO x 300 mg/nm 3 w. 300 mg/nm 3 w mg/nm 3 b. 300 mg/nm 3 b mg/nm 3 SO2 b. 200 mg/nm 3 w. 400 mg/nm 3 w mg/nm 3 w. 400 mg/nm 3 b. 200 mg/nm 3 b mg/nm 3 Pył 20 mg/nm 3 30 mg/nm 3 w mg/nm 3 b mg/nm 3 HCl - - w. 1-6 mg/nm 3 b mg/nm 3 HF - - w. <1-3 mg/nm 3 b. <1 mg/nm 3 Hg - - Dla RDF zgodnie z WID NO x, SO 2, pył, HCl, HF, TOC, metale ciężkie, dioksyny i furany, Czas > 2s w temperaturze powyżej 850 o C w. <1-9 µg/nm 3 b. <1-5 µg/nm 3 15

16 Instalacja oczyszczania spalin ze skruberem CFB dla wielopaliwowego kotła CFB dostosowana do wymogów LCP BAT Zasada działania Oczyszczanie w złożu fluidalnym: Spaliny płyną poprzez dno absorbera w górę, w dyszy Venturiego przyspieszając i ulegając intensywnemu zmieszaniu Sorbenty i woda intensywnie mieszają się ze spalinami, zapewniając efektywny wychwyt zanieczyszczeń. Spaliny są schładzane wtryskiem wody Kropelki wody odparowują i zarówno spaliny jak i cząstki stałe pozostają suche (powyżej punktu rosy) Spaliny i cząstki stałe wpływają do filtra workowego gdzie są wychwytywane i zawracane do reaktora, co znakomicie poprawia wykorzystanie sorbentów Efektywne jednoczesne usuwanie wielu zanieczyszczeń Osiągalne emisje SO 2 <20 mg/nm 3 z wychwytem do 99% Osiągalne emisje SO 3 <1 mg/nm 3 z wychwytem >99% Jednoczesne usuwanie: HCl, HF Hg Dioksyny, Furany 30-40% niższe zużycie wody niż instalacja mokra, Cena niższa o 40-60% niż instalacji mokrej, 16

17 Instalacja oczyszczania spalin wielopaliwowego kotła CFB kocioł CFB ze skruberem suchym CFB Air Absorber Water Recirculation Fabric Filter or ESP CFB Pulverized Activated Carbon Byproduct Discharge ID Fan Stack Byproduct Silo Hydrated Lime Silo Recovery

18 Przykład instalacji w EC Zabrze Instalacja oczyszczania spalin ze skruberem CFBS Zbiornik węgla aktywnego Zbiornik Ca(OH) 2 Filtr workowy Konfiguracja: 1 skruber CFBS + 1 Filtr workowy Przepływ spalin: Nm 3 /h Dolot pojedyncza dysza Venturiego Filtr workowy PJFF: 4 sekcje Wewnętrzny by-pass spalin filtra workowego Możliwość ciągłej pracy z wyłączoną jedną sekcją Możliwość wymiany worków na ruchu Sorbent: Skruber CFB Wapno hydratyzowane Ca(OH) 2 Węgiel aktywny Media dodatkowe: Woda procesowa Powietrze sprężone, en. elektryczna 18

19 emisja CO2, g/kwh Pakiet zimowy EC wielopaliwowe a próg emisyjności CO g/kwh 1200 Emisyjność CO 2 zależnie od technologii i paliwa Średnia emisyjność, Polska CO2, 810 g/kwh 600 Górny limit wsparcia dla rynku mocy 550 g/kwh Węgiel η=35% Węgiel par. nadkrytyczne η=47% El. wielopaliwowa η=30% El. wielopaliwowa η=40% El. Gazowo-parowa η=60% Technologie, paliwa 19

20 Emisja CO2, g/kwh Elektrociepłownie oparte o model wielopaliwowy spełniają warunki KE dla wsparcia rynku mocy Założenia: Zawartość C w węglu 50 % Wartość opałowa węgla 19 MJ/kg Wnioski: Zależnie od sprawności bloku do spełnienia warunku emisji CO 2 < 550 g/kwh wystarczy aby udział węgla w mieszance paliwowej był pomiędzy 47,5 a 63 %. Spełnienie tego warunku uzależnione jest od stopnia kwalifikacji RDF jako OZE Przy założeniu współspalania 35 % węgla, 35 % RDF i 30 % biomasy Kwalifikacji 50 % udziału OZE w RDF warunek emisji CO 2 poniżej 550 g/kwh jest spełniony nawet przy sprawności 30 % % 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% Udział węgla kamiennego w mieszance paliwowej Sprawność 40% Sprawność 35 % Sprawność 30% Limit Emisji CO2 20

21 Idealny przypadek do zastosowania i wykorzystania wszystkich zalet wielopaliwowej elektrociepłowni Średniej wielkości miasto, z własnymi: przedsiębiorstwem ciepłowniczym, wymagającym dużych nakładów na dostosowanie emisji do wymagań MCP/IED/BAT, oczyszczalnią ścieków, RIPOKiem, borykającym się z problemem kosztów i zagospodarowania paliwa alternatywnego położone w regionie o łatwej dostępności lokalnych tanich paliw (biomasa, SRF, muły węglowe), 21

22 Blok wielopaliwowy 10MWe, CFB 41t/h jako zamiennik źródła ciepła opartego o kocioł WR-25 Moc elektryczna netto 10 MWe Maksymalna moc ciepłownicza 26 MWt

23 Blok wielopaliwowy 10MWe, CFB 41t/h Parametry / schemat ideowy Kocioł fluidalny CFB Wydajność 41 t/h Para świeża 490 C / 67.5 bar(a) Zakres pracy % WMT* ) Moc użyteczna 12,5 32 MWt Temp. wody zas. 140 o C Spaliny *) uzależniony od stosowanego paliwa Popiół/ produkt Turbozespół ciepłowniczy, upustowo kondensacyjny: Moc elektryczna brutto (kondensacja) 10,9 MWe Moc elektryczna netto (kondensacja) 10 MWe Węgiel Biomasa Para Szczytowa moc członu ciepłowniczego 26 MWt RDF Osady Kamień wap. Materiał złoża Powietrze Popiół 23

24 Co daje zastosowanie w EC wielopaliwowej bloku z turbiną upustowo-kondensacyjną Wyższa sprawność produkcji energii elektrycznej Możliwość znacznego zwiększenia wolumenu sprzedaży energii elektrycznej do sieci dzięki konkurencyjnej cenie na rynku energii Elastyczność: uniezależnienie produkcji energii elektrycznej od zapotrzebowania na ciepło Możliwość budowy klastra energii odnawialnej o stabilnej generacji Dzięki niskim kosztom paliwa nawet mała EC wielopaliwowa jest w stanie z powodzeniem konkurować z dużymi blokami kondensacyjnymi na rynku energii, a dodatkowo kwalifikuje się do wsparcia w ramach mechanizmu rynku mocy 24

25 Blok wielopaliwowy 10MWe, CFB 41t/h Dane eksploatacyjne Parametry bloku: Moc elektryczna brutto (kondensacja) Moc elektryczna netto (kondensacja) Maksymalna moc członu ciepłowniczego 10,9 MWe 10 MWe 26 MWt Dane eksploatacyjne (MAX): 25 Roczna produkcja energii elektrycznej Roczna produkcja ciepła grzewczego 74 GWh 76 GWh Zużycie paliwa (typowa mieszanka, udziały energetyczne 40% RDF; 10% osad ściekowy, 50% węgiel kamienny) RDF 32.2 tys.t/rok Osad ściekowy 16.3 tys.t/rok Węgiel kamienny 22.8 tys.t/rok

26 Blok wielopaliwowy 10MWe, CFB 41t/h Aranżacja przestrzenna bloku wielopaliwowego 26

27 emisja CO2 g/mj Emisyjność CO 2 w ciepłownictwie Wpływ paliwa i technologii Emisyjność CO2 w produkcji ciepła Średnia emisja CO 2 w ciepłownictwie polskim Węglowe kotły domowe Węglowe kotły rusztowe EC węglowa Kotły gazowe Ciepłownia wielopaliwowa Żródło ciepła 27

28 Wielopaliwowe kotły wodne CFB dla ciepłownictwa Przykładowa dyspozycja kotłowni z kołem CFB30 (odpowiednik WR25) Zasobniki paliwa Kotłownia Separator Układ podawania paliwa Pogrzewacz wody Palenisko Układ doprowadzania powietrza do spalania

29 Wielopaliwowe kotły wodne CFB dla ciepłownictwa CFB30 (odpowiednik WR25) Porównanie parametrów kotła CFB30 i WR25 Kocioł CFB 30 WR25 Wydajność trwała - moc MWt Ciśnienie wody wylotowej Mpa 1,5 1,5 Temperatura wody wlotowej C Temperatura wody wylotowej C Przepływ wody t/h Temperatura spalin na wylocie z kotła C Szacowana sprawność kotła % Emisje: SO2 mg/nm NO2 mg/nm Pył mg/nm Wymiary Gabarytowe -orientacyjne H - Wysokość m 23.5 L - Długość m 13 B Szerokość m 3.5 Ilość separatorów szt 1 H L

30 Podsumowanie - argumenty przemawiające za budową elektrociepłowni wielopaliwowych EC wielopaliwowe: Są o wiele tańsze od tradycyjnych rozwiązań opartych o spalarnie odpadów i ciepłownie, Z o wiele wyższą sprawnością niż tradycyjne spalarnie przetwarzają paliwa z odpadów na energię, Zapewniają stały popyt na polski węgiel i polską biomasę, jednocześnie rozwiązując problem osadów ściekowych i nadpodaży RDF (3-4 mln ton/rok) Pozwalają na utylizację odpadów komunalnych u źródła, nawet w małych ilościach, Uwalniają potencjał kogeneracji w ciepłownictwie, a przez to pozwalają osiągać długie okresy wykorzystania mocy zainstalowanej (dla porównania klasyczna ciepłownia pracuje głównie tylko w sezonie grzewczym), Na dużych obszarach Polski mogą stanowić elastyczne uzupełnienie dla niestabilnych wiatrowych i solarnych OZE już w lokalnych sieciach energetycznych, bez konieczności przesyłu sieciami najwyższych napięć, Poprzez rozproszoną generację poprawiają istotnie stabilność systemu energetycznego i uodparniają go na skutki cyberataków i ataków terrorystycznych, Umożliwiają zastąpienie starych sztywnych mocy czystymi, elastycznymi źródłami, Same są OZE, jednak o dyspozycyjności równej dużym elektrowniom systemowym, Dzięki niskim kosztom paliwa mogą konkurować ceną energii z dużymi elektrowniami systemowymi. Spełniają wymogi BAT, Pakietu Zimowego, aukcji OZE oraz finansowania OECD 30

31 Podsumowanie - argumenty przemawiające za budową elektrociepłowni wielopaliwowych EC wielopaliwowe: Są o wiele tańsze od tradycyjnych rozwiązań opartych o spalarnie odpadów i ciepłownie, Z o wiele wyższą sprawnością niż tradycyjne spalarnie przetwarzają paliwa z odpadów na energię, Zapewniają stały popyt na polski węgiel i polską biomasę, jednocześnie rozwiązując problem osadów ściekowych i nadpodaży RDF (3-4 mln ton/rok) Pozwalają na utylizację odpadów komunalnych u źródła, nawet w małych ilościach, Uwalniają potencjał kogeneracji w ciepłownictwie, a przez to pozwalają osiągać długie okresy Ta wykorzystania najnowsza mocy technologia zainstalowanej dostępna (dla porównania jest klasyczna u najstarszego ciepłownia pracuje głównie tylko w sezonie grzewczym), Na dużych polskiego obszarach Polski producenta mogą stanowić kotłów elastyczne (rok założenia uzupełnienie 1880). dla niestabilnych wiatrowych i solarnych OZE już w lokalnych sieciach energetycznych, bez konieczności przesyłu sieciami najwyższych napięć, Poprzez rozproszoną generację poprawiają istotnie stabilność systemu energetycznego i uodparniają go na skutki cyberataków i ataków terrorystycznych, Umożliwiają zastąpienie starych sztywnych mocy czystymi, elastycznymi źródłami, Same są OZE, jednak o dyspozycyjności równej dużym elektrowniom systemowym, Dzięki niskim kosztom paliwa mogą konkurować ceną energii z dużymi elektrowniami systemowymi. Spełniają wymogi BAT, Pakietu Zimowego, aukcji OZE oraz finansowania OECD 31

32 Dziękuję za uwagę.