Kongres Innowacji Polskich KRAKÓW

Transkrypt

1 KRAKÓW Zrównoważona energetyka i gospodarka odpadami ZAGOSPODAROWANIE ODPADOWYCH GAZÓW POSTPROCESOWYCH Z PRZEMYSŁU CHEMICZNEGO DO CELÓW PRODUKCJI ENERGII ELEKTRYCZNEJ I CIEPŁA Marek Brzeżański Instytut Pojazdów Samochodowych i Silników Spalinowych Wydział Mechaniczny POLITECHNIKA KRAKOWSKA im. Tadeusza Kościuszki

2 W wielu gałęziach przemysłu powstają odpadowe produkty energetyczne, które pochodzą ze stosowanych procesów technologicznych. Z punktu widzenia możliwości ich zagospodarowania szczególnie interesujące są odpadowe produkty generowane w procesach technologicznych przemysłu chemicznego. Obecnie są one częściowo wykorzystywane w procesach grzewczych, jako dodatek do paliw zasadniczych. W przypadku braku zapotrzebowania na energię cieplną odpadowe produkty gazowe są wypalane, powodując obciążenie środowiska emisją ciepła i emisją produktów spalania, a odpadowe produkty ciekłe podlegają kosztownej utylizacji. Niektóre z tego typu substancji mogą być wykorzystane w charakterze paliwa do tłokowych silników spalinowych. 50 milionów Nm3/dobę odpadowego wodoru pochodzącego z przemysłu europejskiego nie jest zagospodarowane w energetyce lub przemyśle chemicznym (ok.. 15 mld Nm3 / rok). Jest to liczba odpowiadająca produkcji netto150 GWh / dobę. Geograficzny podział zidentyfikowanych obiektów przemysłowych produkcji wodoru. 2

3 Obiekt doświadczalny: - Grupa Azoty - Zakłady Azotowe Kędzierzyn S.A. Partnerzy: Politechnika Krakowska silniki spalinowe Politechnika Wrocławska ogniwa paliwowe WTiT Opole wykonawca obiektu HORUS Energia dostawa i serwis agregatów Jednostka prowadząca projekt: SKOTAN S.A. 3

4 Zadanie dla partnera akademickiego: Politechnika Krakowska Instalacja pilotująca produkcji energii elektrycznej i cieplnej z odpadowego paliwa wodorowego - Łączna moc elektryczna : 1 MW (max 5-6 MW) Generatory : 2 x 400 kw + 1 x 200 kw Zadanie dla partnera akademickiego: Politechnika Wrocławska - Montaż ogniw paliwowych : 20 kw (czysty H2), typ PEM - System SHM monitorowania gazociągu on-line (wykrywania wycieków) 4

5 Koncepcja zastosowania paliw odpadowych Źródło i strumień [kg/h] instalacja butanoli instalacja izooktanolu instalacja aldehydów RAZEM [kg/h Wartość opałowa [kj/kg] Śr. masa molowa [kg/kmol] 18,136 22,640 12,634 Śr. Gęstość [kg/ Nm 3 /h] 0,809 1,010 0,584 Śr. Skład [% obj.] - wodór 49,34 36,64 64,86 - metan 4,34 4,36 4,33 - argon + tlen 1,77 1,84 1,69 - azot 22,38 27,02 16,71 - tlenek węgla 2,03 2,77 1,13 - dwutlenek węgla 0,05 0,03 0,07 - propan 12,19 16,63 6,77 - propylen 6,86 9,36 3,81 Strumień energii [MW] 10,22 13,57 6,86 5

6 Koncepcja zastosowania paliw odpadowych Zadania szczegółowe dla partnera akademickiego: Politechnika Krakowska Opracowanie systemu zasilania, spalania i regulacji parametrów roboczych silnika w warunkach zmiennego składu i zmiennych parametrów technicznych dostarczania paliwa. Opracowanie adaptacyjnych systemów sterowania parametrami roboczymi agregatów kogeneracyjnych. Opracowanie systemu spalania odpornego na anomalie spalania paliw o dużym udziale wodoru. Opracowanie systemu dozowania i spalania paliwa w fazie gazowej lub fazie ciekłej 6

7 Obiekt badań i stanowisko badawcze Typ silnika - MAN E2876 LE302 1.Rodzaj zapłonu 2.Układ cylindrów 3.Liczba cylindrów 4.Średnica tłoka 5.Skok tłoka 6.Objętość skokowa 7.Geometryczny stopień sprężania 8.Moc znamionowa (paliwo gaz ziemny) 9.Znamionowa prędkość obrotowa 10.Maksymalny moment obrotowy 11.Zużycie gazu ziemnego (dane fabryczne) iskrowy, 4-suw., R, pionowy mm 166 mm 12,82 dm kw /min 1280 Nm 58 Nm 3 /h 7

8 Forum Ekologiczne Branży Chemicznej TORUŃ 2014 Cel i metodyka badań doświadczalnych Konieczne stało się rozpoznanie nowych problemów związanych ze specyfiką stosowanego paliwa, a także osiągnięcie w badaniach możliwie korzystnych wskaźników roboczych i ekologicznych silnika. Wszystkie pomiary silnikowe dotyczące parametrów energetycznych i emisji toksycznych składników spalin zrealizowano przy stałej prędkości obrotowej silnika wynoszącej /min i zmienianym obciążeniu silnika. Warunki te odpowiadają pracy silnika w agregacie prądotwórczym. Spośród parametrów regulacyjnych badanego silnika, które musiały zostać dostosowane do rodzaju badanego paliwa należały przede wszystkim: kąt wyprzedzenia zapłonu, współczynnik nadmiaru powietrza. Przyjęto trzy zasadnicze kryteria doboru wymienionych parametrów regulacyjnych silnika, dla których dobierano wartość obciążenia silnika przy zasilaniu określonym paliwem. max. temperatura spalin silnika nie może przekroczyć C, nie może występować anomalia spalania w postaci spalania stukowego, nie może zachodzić zjawisko cofania się płomienia do kolektora dolotowego. 8

9 Obiekt badań i stanowisko badawcze Widok stanowiska badawczego w laboratorium silników Politechniki Krakowskiej z silnikiem typu MAN E2876 LE302 Opracowany w Politechnice Krakowskiej panel programowalnego sterownika 9

10 Obiekt badań i stanowisko badawcze Widok silnika typu MAN E2876 LE302 W laboratorium silników Politechniki Krakowskiej Opracowany w Politechnice Krakowskiej wtryskowy system zasilania gazami postprocesowymi 10

11 Obiekt badań i stanowisko badawcze Fabryczna i specjalna świeca zapłonowa w głowicy silnika MAN stosowana w badaniach w laboratorium silników Politechniki Krakowskiej 11

12 Wyniki badań laboratorium silników Politechniki Krakowskiej λ Charakterystyka składu mieszanki silnika MAN zasilanego gazem ziemnym albo wodorem Sprawność ogólna silnika MAN zasilanego gazem ziemnym albo wodorem 12

13 Wnioski Przeprowadzone badania wykazały przydatność niektórych, odpadowych produktów przemysłu chemicznego, jako paliwa niekonwencjonalnego dla potrzeb energetyki. Wyniki badań pozwoliły na określenie strategii zasilania i sterowania. Aby zachować bezpieczną moc trwałą silnika podczas zasilania wodorem, bez niebezpieczeństwa zbliżania się do granicy anomalii spalania, przyjęto moc trwałą 150 kw, choć w badaniach przekroczono nieznacznie 160 kw. Podczas zasilania wodorem silnik pracował bez anomalii spalania (spalanie stukowe, wypadanie zapłonów) przy odpowiednich nastawach parametrów regulacyjnych (współczynnika nadmiaru powietrza i wyprzedzenie zapłonu). Ograniczeniem dla uzyskania jeszcze korzystniejszych wyników były kryteria spalania stukowego lub temperatury spalin przed turbiną. Ostateczna kwalifikacja wodoru jako paliwa do badanego typu silnika może nastąpić po wstępnym okresie eksploatacji agregatu. Należałoby zwrócić szczególnie uwagę na oddziaływanie wodoru na materiały zastosowane do budowy elementów silnika oraz własności oleju smarującego silnik, ponieważ możliwa jest zmiana właściwości oleju smarującego skutkiem uwodornienia. 14

14 Efekty Agregaty w trakcie uzbrajania przed laboratorium silników Politechniki Krakowskiej 15

15 Efekty Agregaty w hali w Zakładach Azotowych Kędzierzyn S.A. 16

16 Efekty Opracowany w Politechnice Krakowskiej panel zdalnego nadzoru sterownika 17

17 Efekty SKOTAN S.A. ZAGOSPODAROWANIE ODPADOWYCH GAZÓW POSTPROCESOWYCH Z PRZEMYSŁU CHEMICZNEGO DO CELÓW

18 KRAKÓW ZAGOSPODAROWANIE ODPADOWYCH GAZÓW POSTPROCESOWYCH Z PRZEMYSŁU CHEMICZNEGO DO CELÓW PRODUKCJI ENERGII ELEKTRYCZNEJ I CIEPŁA DZIĘKUJĘ ZA UWAGĘ Marek Brzeżański Instytut Pojazdów Samochodowych i Silników Spalinowych POLITECHNIKA KRAKOWSKA im. Tadeusza Kościuszki