Perspektywy zastosowania techniki plazmowej w krajowym sektorze energetycznym

Transkrypt

1 Perspektywy zastosowania techniki plazmowej w krajowym sektorze energetycznym Autorzy: Tadeusz Mączka, Mariusz Lipiński, Bartłomiej Borkowski ( Energetyka 12/2018) Słowa kluczowe: energetyka, spalanie, plazma termiczna, pyłowy palnik plazmowy, minimum techniczne, rozruch bloku, ekologia, Abstrakt: W artykule przedstawiono przegląd technologii plazmowych w stosowanych w energetyce do produkcji energii z węgli. Scharakteryzowano najczęściej stosowane źródła plazmy termicznej wykorzystywane w palnikach pyłowych i reaktorach stosowanych w procesach spalania/zgazowania/pirolizy. Zaprezentowano doświadczenia z wykorzystania techniki plazmowej w urządzeniach kotłowych i reaktorach zgazowujących. Przedstawiono propozycje wykorzystania plazmy termicznej w cyklu technologicznym przetwarzania paliwa w pyłowych kotłach energetycznych ze szczególnym uwzględnieniem ich pracy przy obniżonym minimum technicznym. Wprowadzenie Badania nad zastosowaniem plazmy w technice rozpoczęły się w XIX wieku, ale ich znaczący rozwój nastąpił pod koniec ubiegłego stulecia. Obecnie, w mediach i czasopismach naukowych, stosunkowo dużo jest informacji na temat wykorzystania technologii plazmowych w produkcji energii z węgla, odpadów i biomasy [1-9]. Biorąc pod uwagę zastosowanie technologii plazmowej w sektorze energetycznym, do produkcji energii z węgla, można uznać, że jest ona promowana w gospodarkach rozwiniętych, takich jak Unia Europejska i Stany Zjednoczone, jak również jest preferowana w krajach wschodnich, takich jak Chiny, Kazachstan i Rosja [1, 2, 3, 5, 6]. Wnioskować można, że za coraz powszechniejszym trendem zastosowania technologii plazmowej w energetyce zawodowej przemawiają jej właściwości. W technologiach plazmowych plazmę można podzielić na trzy zasadnicze typy: wysokotemperaturowa (equilibrium plasma, high temperature plasma) występująca np. w reakcjach termonuklearnych, niskotemperaturowa lub termiczna (quasi-equilibrium plasma, thermal plasma) występująca np. podczas wyładowania elektrycznego zupełnego - łuk elektryczny i nietermiczna lub zimna (non-equilibrium, non thermal plasma) charakterystyczna dla wyładowania elektrycznego

2 niezupełnego (korona, wyładowanie w gazach rozrzedzonych, DBD). Do celów energetycznych w większości zastosowanie znalazła plazma termiczna (thermal plasma), a w niektórych technologiach ochrony atmosfery i chemicznych plazma zimna (non thermal plasma) [1-6]. W ostatnich latach prowadzone są intensywne badania nad wykorzystaniem plazmy termicznej w procesie spalania i gazyfikacji węgli, odpadów komunalnych (biomasa i tworzywa sztuczne), w tym szpitalnych, odpadów przemysłowych, zwłaszcza niebezpiecznych organicznych związków chemicznych (fenole, chlorowane bifenyle i dioksyny - PCBs, PCDDs). Szczególnie uzasadnione wydaje się stosowanie plazmowych technik zgazowywania/pirolizy w miejsce tradycyjnego spalania przy przetwarzaniu węgli niskiej jakości i utylizacji odpadów niebezpiecznych [4, 5]. Źródła plazmy do zastosowań energetycznych Jak wspomniano, szczególnie szerokie zastosowanie w technice ma plazma termiczna. W klasycznych reaktorach plazmowych, wykorzystywanych do zgazowania/spalania, powszechnym źródłem plazmy są tzw. plazmotrony łukowe, bazujące na wyładowaniu łukowym. Łuk elektryczny powstający pomiędzy elektrodami wytwarzany jest w stałym polu elektrycznym DC lub przemiennym AC, najczęściej o częstotliwości sieciowej (rzadziej podwyższonej do kilku kiloherców) [4, 10]. Na rysunku 1 przedstawiono plazmotron łukowy PW o specjalnej cylindrycznej konstrukcji elektrod (na stanie W-9 Politechniki Wrocławskiej). Rysunek 1. Model i widok plazmotronu wnękowego typu PW na stanowisku testowym (przystosowane są do pracy w zakresie mocy KW) [4] W związku z rozwojem energoelektroniki bardzo obiecującymi źródłami plazmy termicznej do zastosowań przemysłowych są generatory o częstotliwości radiowej (RF plazma), jak również generatory mikrofalowe [4, 20]. Zaletą generatorów plazmowych wielkiej częstotliwości jest brak elektrod wyładowczych. Generowana plazma ma charakter objętościowego wyładowania, przez co rozdrobniony materiał może być poddawany działaniu cieplnemu w całej objętości strefy reakcyjnej. Na rysunku 2 przedstawiono bezelektrodowy reaktor plazmowy wielkiej częstotliwości o mocy kanału plazmowego ok. 8 kw wytwarzający objętościową plazmę termiczną (na stanie W-9 Politechniki Wrocławskiej).

3 Człon mikrofalowy, magnetron Człon indukcyjny Falowód Reaktor plazmowy Układ podawania Plazma objętościowa Wzbudnica indukcyjna Układ odpylania Układ schładzania Rura reakcyjna Rysunek 2. Widok bezelektrodowego reaktora plazmowego i palącej się objętościowej plazmy wielkiej częstotliwości [4] Zdaniem autorów, mikrofalowa technologia plazmowa może okazać się w przyszłości bardzo atrakcyjna, ponieważ dostępne są już komercyjnie źródła promieniowania mikrofalowego (magnetrony) o mocy do 100 kw, a wyniki badań potwierdzają jej przydatność w technologiach spalania węglowych mieszanek pyłowo-powietrznych i w technologiach termicznej utylizacji odpadów [1-5] Propozycje zastosowania plazmy termicznej w krajowym sektorze energetycznym Węgiel jest nadal uważany za jeden z głównych zasobów energetycznych Polski w XXI wieku. Jednak obecna polityka proekologiczna Unii Europejskiej wymusza na krajowym sektorze energetycznym zmniejszenie jego wykorzystania w ogólnej produkcji energii. Stale podnoszone są również wskaźniki co do jakości i wydajności energetycznej węgla oraz zmniejszenia emisji niebezpiecznych zanieczyszczeń do środowiska [13]. Aby poprawić efektywność spalania węgla, w niektórych krajach zaczęto stosować technologię plazmową w elektrowniach cieplnych. Technologia spalania pyłu węglowego wspomaganego plazmą została z powodzeniem przetestowana na 27 kotłach pyłowych w 16 elektrociepłowniach zlokalizowanych w Turcji, Rosji, Kazachstanie, Korei, na Ukrainie, w Słowacji, Mongolii i Chinach [1, 2, 3]. Wielu autorów podnosi również o wykorzystaniu techniki plazmowej do przetwarzania strumienia odpadów bogatych w pierwiastek węgla jako alternatywnego źródła energii w stosunku do klasycznych technologii węglowych [5-8]. Na podstawie studiów literaturowych sądzić można, że technikę plazmową należy uznać jako jedną z najważniejszych technik, dzięki której mogą zostać spełnione wymogi ekologiczne. Obecnie technologię plazmową powinno się stosować do wspomagania konwencjonalnych technologii spalania i zgazowania węgli wykorzystywanych do produkcji energii elektrycznej na rzecz krajowego systemu energetycznego.

4 Wykorzystanie plazmy termicznej do rozruchu kotłów Polska energetyka zawodowa opiera się głównie na blokach parowych z kotłami pyłowymi. Uruchomienie takiego kotła ze stanu zimnego wymaga przeprowadzenia procedury rozruchowej mającej na celu wygrzanie komory paleniskowej i zapewnienie stabilnych warunków pracy palników głównych. Standardowo rozruch przeprowadza się z wykorzystaniem pomocniczych palników mazutowych. Ten sposób rozruchu kotła jest uciążliwy dla środowiska naturalnego ze względu na wysoką emisję do atmosfery ciężkich węglowodorów i sadzy. W obliczu zaostrzających się norm dotyczących ochrony środowiska w części obiektów energetycznych mazutowe instalacje rozruchowe i wspomagające zastępowane są instalacjami gazowymi. Z ekonomicznego, energetycznego i ekologicznego punktu widzenia najbardziej korzystne byłoby uruchamianie kotła ze stanu zimnego wyłącznie przy użyciu pyłu węglowego. Przy zimnym kotle jest to jednak trudne, ponieważ wymaga zapewnienia dostarczenia pyłu węglowego (np. z zasobnika przykotłowego), pewnego zapłonu i stabilnego działania palnika pyłowego. Zatem, konieczne jest zastosowanie dodatkowego źródła zapłonu o dużej mocy, wystarczającego na pokrycie strat energii do otoczenia i zapewniającego pewny zapłon mieszanki pyłowo-powietrznej. W charakterze takiego źródła wykorzystane mogą zostać zasilane energią elektryczną generatory plazmy (plazmotrony) zamontowane bezpośrednio na palnikach pyłowych. Rozważania wykazują, że rozwiązanie takie może przynieść redukcję kosztów zarówno inwestycyjnych, jak i eksploatacyjnych oraz może zmniejszyć uciążliwość rozruchu kotła dla środowiska [7, 12]. Jak wykazał przegląd literatury, obecnie na świecie pracują instalacje plazmowego rozruchu o różnym stopniu zaawansowania technicznego (laboratoryjne, pilotowe, a nawet w pełnej skali przemysłowej [1,2,3]. W kraju, przy udziale współautora, prowadzone były również prace badawcze nad zastosowaniem techniki plazmowej do bezpośredniego rozruchu energetycznych kotłów pyłowych [9, 12]. Prowadzone one były w skali laboratoryjnej i pilotażowej na kotle pyłowym OP 130 w Elektrociepłowni Czechnica. Na rysunku 3 przedstawiono efekty pracy plazmowego palnika pyłowego podczas prób na kotle OP 130. Jako plazmowy palnik pyłowy wykorzystano istniejący rozpałkowy palnik pyłowy, który poddano niewielkiej modyfikacji. Rysunek 3. Plazmowy palnik pyłowy podczas spalania węglowej mieszanki pyłowo-powietrznej [12]

5 Celem prowadzonych eksperymentów było sprawdzenie poprawności działania plazmowej instalacji zapłonowej i jej podzespołów w warunkach rzeczywistych, sprawdzenie możliwości zapłonu pyłu węglowego i określenie charakterystyk palnika plazmowego. Także problem kompatybilności elektromagnetycznej był wysoce istotny ze względu na prawidłową i bezawaryjną pracę układu automatyki i zabezpieczeń bloku energetycznego. Wyniki próby wykazały poprawne działanie plazmotronu i jego właściwą współpracę z muflowym palnikiem pyłowym. Należy zaznaczyć, że próby wykonywano na pracującym (ciepłym) kotle. W celu dokładnego zaobserwowania zachodzących zjawisk, określenia stabilności kotła, porównanie charakterystyk rozruchowych, konieczne jest wykonanie prób na kotle podczas rozruchu ze stanu zimnego (najkorzystniej dla instalacji na olej lekki). Dopiero takie działania pozwolą na weryfikację poprawności doboru właściwej liczby i miejsca umieszczenia plazmotronów (uzależnione przede wszystkim od wydajności cieplnej i rodzaju kotła pyłowego oraz mocy zastosowanych plazmotronów). Koncepcja wykorzystania plazmy termicznej do stabilizacji pracy kotłów przy obniżonym minimum technicznym Problem elastyczności bloku i pracy przy obniżonym minimum technicznym jest obecnie jednym z kluczowych zagadnień dla służb eksploatacyjnych. W ogłoszonym przez NCBiR regulaminie przeprowadzania postępowania konkursowego pod nazwą: Program Bloki 200+ Innowacyjna technologia zmiany reżimu pracy bloków energetycznych klasy 200 MWe praca bloku energetycznego klasy 200 MW przy obniżonym minimum technicznym bloków jest jednym z najistotniejszych wymogów minimalnych by dokonać ich rewitalizacji [14]. Mając na względzie ograniczenia natury technicznej oraz zmieniające się akty normatywne dotyczące czasów rozruchu, gradientów przyrostu mocy i emisji zanieczyszczeń [15], wydaję się że wykorzystanie plazmy termicznej może pozwolić na spełnienie tych (czasami sprzecznych) wymagań stawianych blokom klasy 200, jako również innych klas. Rozruch ze stanu zimnego Dokonany przegląd literatury i analiza wykonanych prac wskazuje na możliwości przeprowadzenia rozruchu kotła ze stanu zimnego przy wykorzystaniu plazmy termicznej i paliwa podstawowego czyli pyłu węglowego. Zatem wnioskować można, że możliwa jest również stabilizacja pracy kotłów przy obniżonym minimum technicznym. Aby to zrealizować w pierwszym podejściu proponuje się bezpośredni montaż plazmotronów (źródeł plazmy termicznej) w zasadnicze palniki pyłowe (dokonując w nich niewielkich konstrukcyjnych modyfikacji). Ze wstępnych analiz wynika, że w tym przypadku, dla prawidłowej stabilizacji pracy palnika moc plazmotronu powinna wynosić do 10% mocy znamionowej palnika pyłowego. Jest to o tyle korzystny przypadek, że moc elektryczna plazmotronów może być

6 stosunkowo niska (do ok. 100 kw) i można wykorzystać w tym celu autorskie opracowania wnękowych plazmotronów łukowych [4, 9, 11, 12]. Uzupełnienie niedoboru mocy bloku Ważnym zagadnieniem podnoszonym w Program Bloki 200+ jest szybkość naboru mocy przez blok przy jednoczesnym spełnieniu wymogów co do jakości spalania i emisji zapisanych w dyrektywie IPPC standard BAT [15]. Wydaję się tu być dobrym rozwiązaniem zastosowanie instalacji plazmowej wyposażonej w plazmotrony dużej mocy kw jako mocowej rezerwy awaryjnej zastępującej lub będącej wsparciem dla palników mazutowych (w tym zakresie prowadzono negocjacje handlowe z firmami PlasmaAir AG i PyroGenesis Canada Inc). Konieczne będzie tutaj przeprowadzenie badań dynamiki działania powyższej instalacji (od jej uruchomienia do uzyskania efektu mocowego) oraz porównania jej z dynamiką działania palników mazutowych. Poprawa rozkładu temperatury w kotle w szczególności w drugim ciągu Podczas pracy bloków przy obniżonym minimum technicznym (praca przy 40% mocy znamionowej) w kotle może dojść do zaburzenia rozkładu temperatury zwłaszcza w ciągu drugim. Jednym ze sposobów wyrównania rozkładu temperatury w kotle może być zastosowanie palników plazmowych do regulacji temperatury pary pierwotnej i wtórnej (w przypadku jej niedogrzewu) poprzez ich aplikację w ciągu przegrzewu pary pierwotnej i wtórnej. Wykorzystanie palników plazmowych do obniżenia emisji szkodliwych gazów Odpowiednie umiejscowienie palników plazmowych i prowadzenie pracy kotła przy ich wykorzystaniu może w sposób skuteczny zmniejszyć emisję takich gazów jak NOx i SOx, CO, CH4 i wyższe węglowodory, w tym dioksyny. W procesie ograniczania emisji gazów szkodliwych istotny jest fakt synergicznego oddziaływania generowanych przez plazmę termiczną gradientu wysokiej temperatury, emisji promieniowania UV oraz produkcji aktywnych rodników (C, S, CN, OH, NH, CH, CH3...) i jonów dodatnich (C +, H +, N +, CO +, O +, Si +, K + i inne) oraz ujemnych (O -, H -, N - i inne). Ponadto do gazów plazmotwórczych można dodawać substancje katalityczne, a przez ich plazmowe traktowanie można zwiększyć efektywność ich oddziaływania. Ponadto gazem plazmotwórczym może być para wodna, co również może korzystnie wpływać na proces termicznego przetwarzania paliwa, tak aby w końcowym etapie uzyskać całkowite i zupełne spalanie paliwa przy jak najniższych emisjach. Jak wynika z rozpoznawczych badań laboratoryjnych i prac w skali pilotowej, aby uzyskać zamierzony efekt konieczne są jednak badania obiektowe uwzględniające rodzaj paliwa, zastosowaną technologię ograniczania NOx i SOx oraz specyfikę obiektu energetycznego.

7 Wykorzystanie palników plazmowych do konsumpcji nadwyżek energii produkowanych w OZE Wprowadzenie do systemu energetycznego (UE i krajowego) źródeł energii OZE zwłaszcza turbin wiatrowych, powoduje że w pewnych okresach, czasami trudnych do przewidzenia występują chwilowe nadwyżki energii (często szybkozmienne i o lokalnym zasięgu). Zagospodarowanie takiej energii często jest problematyczne. Wydaje się, że alternatywą może tu być jej konsumpcja bezpośrednio w palnikach plazmowych do zapewnienia elastycznej pracy bloków zwłaszcza przy obniżonym minimum technicznym. Takie podejście może również przyczynić się do poprawy stabilności krajowego systemu energetycznego. Również można wykorzystać to podejście w rozliczeniach podczas transgranicznej wymiany energii. WNIOSKI I DALSZE PERSPEKTYWY ROZWOJU TECHNOLOGII PLAZMOWYCH Reasumując, przegląd dostępnych materiałów i analiza wykonanych prac, wykazały że technika plazmowa stosowana do rozruchu i stabilizacji pracy kotłów pyłowych jest stosunkowo nowatorska i brakuje pełnych danych eksploatacyjnych na temat tych rozwiązań. Istnieje wiele wątpliwości i niewiadomych związanych chociażby z niezawodnością działania plazmowych palników rozruchowych/stabilizujących i ich czasem życia, jak również ich uruchamiania w przypadku postoju bloku lub niedoboru potrzeb własnych i ogólnych. Nie mniej jednak pozytywne wyniki eksperymentów i przeprowadzone studia literaturowe sugerują, że technologie plazmowe wykorzystujące plazmę termiczną mogą być szczególnie przydatne do zapewnienia elastycznej pracy bloków zwłaszcza przy obniżonym minimum technicznym. Z przeprowadzonej analizy wynika, że w kraju brak jest szerszych doświadczeń z wykorzystania plazmy termicznej w warunkach ruchu obiektu. Na podstawie analizy wstępnie wykonanych badań, należy ich wyniki uznać za obiecujące. Realizacja podjętych przez autorów działań na rzecz wdrożenia techniki plazmowej do krajowego sektora energetycznego powinna zaowocować jej komercyjnym wdrożeniem. Wydaje się (przy odpowiednim wsparciu prac badawczych i rozwojowych oraz legislacyjnym), że wdrożenie technologii plazmowych może stać się inwestycjami rentownymi dla sektora energetycznego. Należy zaznaczyć, że zespół posiada możliwości wykonywania prób na instalacjach laboratoryjnych do badania procesów spalania wyposażonych w plazmotrony łukowe oraz mikrofalowe reaktory objętościowej plamy termicznej. Również posiada możliwości wykonywania wyspecjalizowanych analiz składu chemicznego, substratów i produktów, w oparciu o techniki chromatograficzne. Zatem dostępne instalacje plazmowe i zaawansowana aparatura kontrolno-pomiarowa, umożliwia przeprowadzanie różnego rodzaju symulacji i analiz procesu jakości plazmowego spalania/wspomagania spalania jak również umożliwia przeprowadzenie bilansu energetycznego procesu.

8 Wobec powyższego i w celu jednoznacznego określenia przydatności technologii plazmowych w krajowym sektorze energetycznym należy wykonać szereg prac badawczo rozwojowych, między innymi symulacji procesów cieplno-przepływowych zachodzących w kotle podczas generowania plazmy termicznej (w pierwszym podejściu wykonanie badań laboratoryjnych na opracowanych stanowiskach, a w kolejnych etapach wykonanie prób obiektowych). Pomocne będą tutaj programy badawcze uruchamiane przez NCBiR, jak również wola współpracy sektora energetycznego do udostępnienia obiektów energetycznych do przeprowadzenia stosownych prób obiektowych. Po ich wykonaniu może zostać przeprowadzona analiza techniczno ekonomiczna w celu jednoznacznego stwierdzenia opłacalności zastosowania powyższych technologii, między innymi zastąpienia obecnie wykorzystywanych palników mazutowych plazmowymi do rozruchu kotła, stabilizacji procesu spalania (zwłaszcza przy minimum technicznym bloku) i szybkiego uzupełniania niedoborów mocy bloku związanych z bieżącym jej zapotrzebowaniem. LITERATURA: [1] Özge Yazicioğlu, T. YaĢar Katircioğlu, Applications of Plasma Technology in Energy Sector, Kirklareli University Journal of Engineering and Science 3 (2017) s [2] Zhang Ke, Liu Lin, Hans-Christian Schröder and Feng Guoqing, Plasma ignition system for oil free power plant Zetes in Turkey and its advantages for the changed circumstance of energy market, VGB PowerTech 7/2017, s (on-line [3] E. I. Karpenko, Yu. E. Karpenko, V. E. Messerle, A. B. Ustimenko, Use of plasma fuel systems at thermal power plants in Russia, Kazakhstan, China, and Turkey, High Energy Chemistry, May 2009, Volume 43, Issue 3, s , [4] T. Maczka, Technologia plazmowego zgazowania biomasy i odpadów organicznych dla wytwarzania paliw płynnych, Wydawnictwo Książkowe Instytutu Elektrotechniki, ISBN , e-isbn , Warszawa 2014, [5] H. Pawlak-Kruczek, T. Mączka, Ł. Niedźwiecki., 2012, Przegląd i porównanie termicznych technologii utylizacji odpadów, Spalanie biomasy i paliw alternatywnych w energetyce i przemyśle cementowym: II Forum Paliw Alternatywnych, Złotniki Lubańskie, września [6] G.C. Young, Municipal Solid Waste to Energy conversion processes. New Jersey: John Wiley & Sons Inc., 2010, ISBN [7] A. Blumberga, D. Blumberga, J. Pubule, F. Romagnoli, Cost-benefit analysis of plasmabased technologies, International Scientific Conference Environmental and Climate Technologies CONECT 2014, Energy Procedia 72 (2015) s

9 [8] C. Ducharme, Technical and economic analysis of Plasma-assisted Waste-to-Energy processes, In partial fulfillment of requirements for M.S. Degree in Earth Resources Engineering, Department of Earth and Environmental Engineering, Fu Foundation of Engineering and Applied Science, Columbia University, September [9] P. Bukowski, P. Kobel, W. Kordylewski, T. Mączka, Use of cavity plasmatron in pulverized coal muffle burner for start-up of a boiler, Rynek Energii 2010, nr 1, s [10] C. Tendero, Chr. P. Tixier, Tristant, J. Desmaison, P. Leprince, Atmospheric pressure plasmas: A review, Spectrochimica Acta Part B 61 (2006) s [11] Kordylewski W., Kobel P., Mączka T., Kordas R., Eliminacja zakłóceń elektromagnetycznych podczas plazmowego rozruchu kotłów, Rozdział w książce - Systemy, technologie i urządzenia energetyczne: praca zbiorowa. T. 1 / pod red. Jana Talera, Wydawnictwo Politechniki Krakowskiej, s [12] W. Kordylewski, P. Kobel, T. Mączka, P. Bukowski, Plazmowy rozruch i stabilizacja spalania w kotłach pyłowych, XII Międzynarodowa Konferencja Naukowo-Techniczna: Forum Energetyków GRE 2010, Szczyrk, 31 maja - 2 czerwca 2010, Zeszyty Naukowe - Politechnika Opolska - Elektryka z. 64, Oficyna Wydawnicza Politechniki Opolskiej, 2010 [13] Konkluzje Bat dla LCP. Trudny czas dla energetyki, (on-line stan na październik 2018). [14]. NARODOWE CENTRUM BADAŃ I ROZWOJU, Regulamin przeprowadzania postępowania konkursowego pod nazwą: Program Bloki 200+ Innowacyjna technologia zmiany reżimu pracy bloków energetycznych klasy 200 MWe Nr postępowania 234/17/PU, Warszawa, 29 listopada 2017 r. [15] DECYZJA WYKONAWCZA KOMISJI (UE) 2017/1442 z dnia 31 lipca 2017 r. ustanawiająca konkluzje dotyczące najlepszych dostępnych technik (BAT) w odniesieniu do dużych obiektów energetycznego spalania zgodnie z dyrektywą Parlamentu Europejskiego i Rady 2010/75/UE Dziennik Urzędowy Unii Europejskiej