Spis treści. Przedmowa. Spis oznaczeń

Transkrypt

1 Odzysk i zagospodarowanie niskotemperaturowego ciepła odpadowego ze spalin wylotowych / redakcja naukowa Kazimierz Wójs ; autorzy: Wojciech Bujalski, Dariusz Butrymowicz, Izydor Drela, Jarosław Karwacki, Marek Kułażyński, Marcin Lackowski, Janusz Lewandowski, Janusz Lichota, Rafał Łużny, Jan Masalski, Dariusz Mikielewicz, Bolesław Solich, Bogdan Szczygieł, Piotr Szulc, Kamil Śmierciew, Tomasz Tietze, Janusz Trawczyński, Jan Wajs, Jerzy Walendziewski, Kazimierz Wójs, Paweł Ziółkowski. Warszawa, 2015 Spis treści Przedmowa Spis oznaczeń XV XVIII 1. Odzysk niskotemperaturowego ciepła odpadowego ze spalin wylotowych prof. dr hab. inż. Kazimierz Wójs, dr inż. Piotr Szulc, dr inż. Tomasz Tietze Ewolucja węglowych bloków energetycznych Rozwój siłowni parowych na przestrzeni lat Wzrost sprawności bloków węglowych oraz rozwój technologii wpływających na ten wzrost Ewolucja kotłów parowych Wzrost parametrów pary kotłowej Bloki na parametry nadkrytyczne Układy kombinowane gazowo-parowe Suszenie węgla Ewolucja technik zmniejszających emisje zanieczyszczeń Odpylanie Odsiarczanie spalin Odazotowanie spalin Usuwanie CO 2 ze spalin Układy alokacji i odzysku ciepła ze spalin w elektrowniach Alokacja ciepła odpadowego Odzysk i wykorzystanie ciepła odpadowego Układy do jednoczesnego oczyszczania i odzysku ciepła ze spalin Wpływ ochładzania spalin poniżej temperatury punktu rosy na pracę instalacji odsiarczania spalin Zastosowanie kondensacyjnego wymiennika ciepła do zwiększenia skuteczności usuwania SO 2 ze spalin Wydłużenie czasu kontaktu spalin z zawiesiną sorpcyjną w absorberze SO 2 18

2 Wpływ obniżonego stężenia SO 2 w spalinach przed absorberem IOS na wzrost skuteczności usuwania SO Siarkowy punkt rosy Usuwanie NO x w wymienniku ciepła przed instalacją odsiarczania spalin Wykorzystanie wymiennika ciepła jako zabezpieczenie absorbera IOS przed awarią (tzw. black-out) Proces kondensacji pary wodnej w obecności gazu inertnego Izobaryczne ochładzanie gazu wilgotnego Bilans cieplny w procesie ochładzania spalin z uwzględnieniem kondensacji pary wodnej Porównanie możliwości odzysku ciepła odpadowego ze spalin z węgla brunatnego i kamiennego Modelowanie matematyczne kondensacyjnych wymienników ciepła do odzysku ciepła odpadowego ze spalin Bilansowy model matematyczny wymiennika ciepła Różniczkowy jednowymiarowy model kondensacyjnego wymiennika ciepła Model matematyczny VDI Fizyka zjawiska zanieczyszczania powierzchni wymiany ciepła w wymienniku ciepła Opis zjawiska zanieczyszczenia powierzchni wymiany ciepła Model matematyczny procesu zanieczyszczenia powierzchni Badania laboratoryjne odzysku ciepła odpadowego ze spalin wylotowych Stanowisko badawcze Kondensacyjny wymiennik ciepła Układ wodnego chłodzenia kondensacyjnego wymiennika ciepła Komora spalania z układem nawilżania Strumienica mieszająca Odprowadzenie spalin Układ dozowania popiołu do spalin System zbierania danych pomiarowych Wyniki badań eksperymentalnych Eksperymentalna weryfikacja współczynników zawilżenia spalin Wpływ temperatury spalin na wlocie na punkt pracy kondensacyjnego wymiennika ciepła Wpływ strumienia objętości spalin na punkt pracy kondensacyjnego wymiennika ciepła Wpływ strumienia objętości wody chłodzącej na punkt pracy kondensacyjnego wymiennika ciepła Wpływ współczynnika zawilżenia spalin na punkt pracy kondensacyjnego wymiennika ciepła Wpływ zapylenia spalin na punkt pracy wymiennika ciepła Badania niskotemperaturowego odzysku ciepła odpadowego

3 ze spalin na instalacji pilotowej Instalacja pilotowa Kondensacyjny wymiennik ciepła Układ zasilania spalinami kondensacyjnego wymiennika ciepła Układ wodnego chłodzenia kondensacyjnego wymiennika ciepła Zastosowane przyrządy pomiarowe Układ zbierania i wizualizacji pomiarów oraz sterowania instalacją pilotową Wyniki badań na instalacji pilotowej Badania testowe wybranych wielkości Badanie zmian wielkości cieplnych i przepływowych kondensacyjnego wymiennika ciepła Wpływ zmian strumienia objętości spalin na punkt pracy kondensacyjnego wymiennika ciepła Wpływ zmian strumienia objętości wody chłodzącej na punkt pracy kondensacyjnego wymiennika ciepła Badanie wpływu zanieczyszczenia wymiennika ciepła na jego punkt pracy Podsumowanie 106 Literatura do rozdziału Wykorzystanie niskotemperaturowego ciepła odpadowego w bloku energetycznym prof. dr hab. inż. Janusz Lewandowski, dr hab. inż. Wojciech Bujalski Wykorzystanie niskotemperaturowego ciepła odpadowego w bloku energetycznym Wprowadzenie Wariantowa analiza możliwości wykorzystania ciepła niskotemperaturowego w bloku kondensacyjnym i ciepłowniczym Blok referencyjny 900 MW Blok ciepłowniczy BC Modele matematyczne dla analizy skutków termodynamicznych wykorzystania ciepła Model bloku referencyjnego 900 MW Założenia do budowy modelu bloku referencyjnego 900 MW Budowa modelu bloku referencyjnego 900 MW Model bloku ciepłowniczego klasy BC Założenia do budowy modelu bloku BC Budowa modelu bloku BC Porównanie wyników Wymienniki do odzysku ciepła niskotemperaturowego Parametry wymienników pracujących w układzie bloku klasy 100 MW Parametry wymiennika pracującego w układzie bloku klasy 900 MW 131

4 Projekty koncepcyjne wymienników Projekty koncepcyjne wymienników dla bloków klasy 100 MW Projekty koncepcyjne wymienników dla bloków klasy 900 MW Koszty dostawy wymienników Charakterystyki bloku z odzyskiem ciepła Blok ciepłowniczy klasy BC Założenia do obliczeń Model obciążenia ciepłowniczego Porównanie osiągów bloków koncepcyjnych Wnioski Blok referencyjny 900 MW Założenia do analiz Wyniki obliczeń obciążeń częściowych bloku referencyjnego klasy 900 MW wykorzystującego ciepło niskotemperaturowe Ocena ekonomiczna proponowanych rozwiązań Założenia dotyczące analizy ekonomicznej Podstawowe założenia do analizy rentowności rozważanych przypadków Opis podstawowych założeń dotyczących cen i kosztów Metodyka określania wolnych przepływów pieniężnych Ceny i koszty Zestawienie cen i stawek bez uwzględnienia kosztów uprawnień do emisji CO Zestawienie cen i stawek z uwzględnieniem kosztów zakupu uprawnień do emisji CO Wyniki obliczeń ekonomicznych Blok ciepłowniczy Blok referencyjny Wnioski i podsumowanie 188 Literatura do rozdziału Technologia kogeneracyjna w obiegu z czynnikiem organicznym wykorzystania ciepła odpadowego bloku Prof. dr hab. inż. Dariusz Mikielewicz, dr inż. Jan Wajs, dr Marcin Lackowski, dr. hab. inż., prof. IMP Dariusz Butrymowicz, dr Jarosław Karwacki, dr inż. Kamil Smierciew, mgr inż. Paweł Ziółkowski Wprowadzenie - technologie kogeneracyjne wykorzystania ciepła odpadowego Klasyfikacja układów kogeneracyjnych Układy wysokotemperaturowe Układy niskotemperaturowe Przykłady typowych układów kogeneracyjnych Układy kogeneracyjne z turbiną parową Układy kogeneracyjne z turbiną gazową Układy kogeneracyjne z silnikami spalinowymi 198

5 Rozwój obiegów binarnych w Polsce Aspekt naukowo-badawczy podjęty przez autorów Wybór typu obiegu termodynamicznego Wyznaczanie głównych parametrów obiegu ORC Faza ekspansji w turbinie Faza skraplania Faza pompowania Faza podgrzewu i odparowania (przegrzania pary) Wpływ parametrów czynnika roboczego na sprawność obiegu CR Wpływ ciśnienia pary na wlocie do turbiny Wpływ temperatury pary na wlocie do turbiny Wpływ ciśnienia skraplania pary Możliwości poprawy sprawności obiegu parowego Międzystopniowe przegrzanie pary Regeneracyjny podgrzew wody zasilającej Obiegi na parametry nadkrytyczne Czynniki robocze do wykorzystania w obiegach ORC Wybór czynnika ze względu na własności termofizyczne Kryterium termodynamiczne doboru czynnika roboczego Obieg podkrytyczny bez regeneracji Obieg nadkrytyczny bez regeneracji Obieg podkrytyczny z wewnętrzną regeneracją energii cieplnej Metoda pinch w obliczeniach wymienników ciepła Koncepcja metody i jej założenia Metoda pinch Wytyczne metody pinch Określenie optymalnej sieci wymienników ciepła Przypadki współpracy źródła ciepła z obiegiem ORC Dostarczanie ciepła do obiegu ORC za pomocą czynnika jednofazowego Dostarczanie ciepła do obiegu ORC za pomocą czynnika zmieniającego fazę Dostarczanie ciepła do obiegu ORC za pomocą czynnika zmieniającego fazę oraz dodatkowego jednofazowego niskotemperaturowego źródła ciepła odpadowego Optymalizacja wymiarów płaszczowo-rurowego wymiennika ciepła na podstawie kryterium minimum produkcji entropii Model wymiennika ciepła Kryterium optymalizacyjne Wyniki obliczeń Układ ORC skojarzony z blokiem elektrowni Wprowadzenie do teorii bloków nadkrytycznych Parametry nadkrytyczne czynnika roboczego Sprawność bloków nadkrytycznych i ultra-nadkrytycznych Nadkrytyczne obiegi Szewalskiego 252

6 Wykorzystanie ciepła ze spalin Koncepcja obiegu termodynamicznego ORC w układzie odzysku ciepła z bloku elektrowni Modelowanie obiegu i jego elementów kodami Computational Fluid Mechanics Model matematyczny turbiny parowej Model matematyczny pompy Model matematyczny wymienników ciepła Model matematyczny odgazowywacza Elementy rozdzielcze i łączące Definicje podstawowych wskaźników pracy bloku Parametry użyte do porównania układów hybrydowych z różnymi czynnikami niskowrzącymi Obieg referencyjny Dane techniczne bloku referencyjnego Dane techniczne urządzeń wytwórczych Schemat cieplny wyjściowego bloku nadkrytycznego Parametry w poszczególnych punktach obiegu Struktura paliw węglowych Struktura emisyjności spalin Model numeryczny referencyjnego bloku nadkrytycznego Układ ORC zasilany ciepłem odpadowym z bloku oraz ciepłem z jednego upustu turbiny Układ ORC zasilany ciepłem odpadowym z bloku oraz ciepłem z dwóch upustów turbiny Układ ORC zasilany ciepłem odpadowym z bloku, ciepłem dwóch upustów oraz ciepłem z instalacji wychwytu CO Układ ORC z etanolem jako czynnikiem roboczym zasilany ciepłem odpadowym z bloku, ciepłem dwóch upustów oraz ciepłem z instalacji wychwytu CO Wysokosprawne wymienniki ciepła dla pracy w układzie ORC Metody pasywne oraz aktywne intensyfikacji wymiany ciepła Pasywne techniki intensyfikacji procesu wymiany ciepła Aktywne techniki intensyfikacji procesu wymiany ciepła Intensyfikacja wnikania ciepła przy wrzeniu i skraplaniu Intensyfikacja wnikania ciepła przy wrzeniu Intensyfikacja wnikania ciepła przy skraplaniu Opracowanie prototypowego wymiennika ciepła EHD Geometria układu elektrod w prototypowym wymienniku ciepła Stanowisko do badań prototypowego wymiennika ciepła EHD Źródło wysokiego napięcia - zasilacz wysokonapięciowy Wstępne wyniki badań intensyfikacji wymiany ciepła EHD Pomiar własności elektrycznych wybranych czynników roboczych Wybrane wyniki badań intensyfikacji skraplania EHD Intensyfikacja wymiany ciepła w wymiennikach siłowni

7 z zastosowaniem pokryć porowatych Przedmiot badań Wyniki badań cieplnych Wyniki badań przepływowych Podsumowanie Rozwiązania poligeneracyjne wykorzystania ciepła odpadowego - produkcja chłodu Ocena różnych rozwiązań układów poligeneracyjnych wykorzystujących ciepło odpadowe z bloku energetycznego Analiza możliwości zastosowania układów strumieniowych do produkcji chłodu w poligeneracji Rozwiązanie podukładu strumienicowego do produkcji chłodu przy wykorzystaniu ciepła odpadowego z bloku energetycznego Weryfikacja eksperymentalna pracy podukładu strumieniowego do produkcji chłodu Ocena możliwości zastosowania rozwiązań poligeneracyjnych układów do zagospodarowania ciepła odpadowego z bloku energetycznego Stanowisko demonstracyjne siłowni ORC do odzysku ciepła odpadowego z bloku energetycznego Stanowisko eksperymentalne siłowni ORC Zasada działania stanowiska siłowni ORC Badania eksperymentalne siłowni ORC Podsumowanie i zalecenia na przyszłość 373 Literatura do rozdziału Akumulacja niskotemperaturowego ciepła odpadowego w materiałach z przemianą fazową prof. dr hab. inż. Kazimierz Wójs, dr hab. inż. Janusz Lichota Materiały z przemianą fazową i ich zastosowania Własności materiałów PCM Kaskada materiałów PCM Dobór materiału PCM Technologie enkapsulacji PCM Metoda chemicznej koacerwacji - mikrokapsułki Metoda wykorzystująca suszarkę fluidalną - mikrokapsułki Metoda mechaniczna - makrokapsułki Zastosowania materiałów PCM Elektrownie węglowe Elektrownie słoneczne Budynki i konstrukcje budowlane Układy kogeneracyjne i trigeneracyjne Modelowanie akumulacji z przemianą fazową Równowaga termodynamiczna zmiany fazy Problem Stefana 411

8 Model matematyczny Rozwiązanie numeryczne Model zerowymiarowy Model matematyczny Rozwiązanie numeryczne Zastosowania modelu Optymalizacja czasu ładowania akumulatora Uproszczone obliczenia cieplne akumulatora Badania doświadczalne Stanowisko badawcze Zjawiska w czasie topnienia i krzepnięcia materiału PCM Własności dynamiczne akumulatora płaszczowo-rurowego Własności dynamiczne akumulatora ze złożem filtracyjnym Pojedyncza kula Akumulator wypełniony kulami Cylinder Problem Stefana - model fizyczny Wyniki badań laboratoryjnych i ich analiza Model zero-wymiarowy Stanowisko badawcze Ciepło właściwe materiału PCM Dynamika kul z materiałem RT Optymalizacja czasu topnienia Korozyjność materiału PCM Przykład charakterystyk pracy akumulatora Podsumowanie 465 Literatura do rozdziału Wpływ odzysku ciepła na proces odsiarczania, powstawanie zanieczyszczeń oraz korozję wymienników ciepła Wpływ parametrów procesu na przebieg procesu odsiarczania spalin prof. dr hab. inż. Jerzy Walendziewski, dr hab. inż. Marek Kułażyński, dr inż. Bolesław Solich, dr inż. Rafał Łużny, prof. dr hab. inż. Janusz Trawczyński Aktualne metody odsiarczania spalin Porównanie rozwiązań technicznych instalacji odsiarczania spalin energetycznych Metoda mokra wapienna Porównanie parametrów pracy i efektywności instalacji odsiarczania spalin ze spalania węgla kamiennego i brunatnego dla bloku 900 MWel Określenie wpływu parametrów spalin na stopień usunięcia SO 2 metodą mokrą Analiza wyników pracy IOS w elektrowni zasilanej węglem brunatnym 500

9 Analiza wyników pracy IOS w elektrowni zasilanej węglem kamiennym Obliczenia paliwowe oraz bilansowe IOS bloku 900 MWel Bilansowe porównanie procesów odsiarczania spalin ze spalania węgla kamiennego i brunatnego mokrą metodą wapienną dla bloku energetycznego 900 MW Wpływ temperatury spalin wprowadzanych do instalacji mokrego odsiarczania spalin na efekty procesu. Symulacja procesu w oprogramowaniu ChemCad Symulacja procesu Wyniki symulacji Symulacja mokrego odsiarczania spalin w funkcji temperatury i zawartości SO Wprowadzenie Symulacja procesu Wyniki symulacji Recyrkulacja spalin odsiarczonych Wprowadzenie Symulacja recyrkulacji spalin Analiza wpływu obniżenia temperatury spalin w procesie ich odsiarczania metodą mokrą wapienną na bilans wody Wprowadzenie Czynniki wpływające na skuteczność odsiarczania spalin metodą mokrą Analiza wpływu obniżenia temperatury spalin na bilans wody w procesie mokrego odsiarczania spalin Podsumowanie i wnioski 551 Literatura do podrozdziału Zagrożenia korozyjne w procesie odsiarczania spalin prof. dr hab. inż. Bogdan Szczygieł, dr inż. Izydor Drela, dr inż. Jan Masalski Źródła skażenia atmosfery przez SO Metody zmniejszenia emisji S02 do atmosfery Instalacje mokrego odsiarczania spalin Agresywność korozyjna środowisk w mokrych IOS Elementy IOS najbardziej narażone na działanie agresywnego środowiska Materiały konstrukcyjne stosowane w IOS Materiały polimerowe Stopy metali Materiały ceramiczne Metody oceny zdolności ochronnej materiałów inżynierskich stosowanych do pracy w IOS Spektroskopia impedancyjna Spektroskopia mikrofalowa 577

10 Pomiary polaryzacyjne stałoprądowe Badania przyspieszone w komorach korozyjnych Badanie wnikania pary wodnej do wykładzin gumowych Właściwości ochronne materiałów konstrukcyjnych z tworzyw sztucznych stosowanych w instalacji odsiarczania spalin - przykłady badań Sposoby przyspieszonego starzenia materiałów z tworzyw sztucznych Zmiana właściwości wykładzin gumowych po przyspieszonym starzeniu i/lub po pracy w warunkach rzeczywistych w IOS Właściwości ochronne wykładzin gumowych po kilkunastoletniej eksploatacji w warunkach przemysłowych w IOS Polimerowe tworzywa fluorowe Odporność korozyjna stopów niklu 31 i 59 oraz stali 304 w środowisku imitującym warunki IOS Badania w środowisku zawierającym kwas siarkowy (VI) oraz jony chlorkowe i fluorkowe Badania polaryzacyjne w środowisku zawierającym kwas siarkowy (VI), jony siarczanowe (IV) oraz jony chlorkowe i fluorkowe Odporność stali stopowej i stopów niklu na obecność jonów rtęci w środowisku IOS Kompleksowa ochrona antykorozyjna IOS - zalecenia i przykłady rozwiązań Zalecane materiały i powłoki ochronne dla różnych fragmentów IOS Stosowane materiały, sposób ich aplikacji oraz koszt wykonania zabezpieczeń absorbera IOS Nowe rozwiązania w budowie mokrych IOS 619 Literatura do podrozdziału Skorowidz 628 oprac. BPK