Kierownik: Prof. dr hab. inż. Andrzej Mianowski

Transkrypt

1 POLITECHNIKA ŚLĄSKA Etap 23 Model reaktora CFB, symulacja układu kogeneracyjnego IGCC, kinetyka zgazowania za pomocą CO2, palnik do spalania gazu niskokalorycznego Wykonawcy Wydział Chemiczny Prof. Andrzej Mianowski Wydział Inżynierii Materiałowej i Metalurgii Prof. Jerzy Tomeczek Wydział Inżynierii Środowiska i Energetyki Prof. Andrzej Szlęk - Prof. Andrzej Ziębik Zadanie badawcze Opracowanie technologii zgazowania węgla dla wysokoefektywnej produkcji paliw i energii elektrycznej finansowane przez Narodowe Centrum Badań i Rozwoju w ramach strategicznego programu badań naukowych i prac rozwojowych pt.: Zaawansowane technologie pozyskiwania energii.

2 Część tematu badawczego nr Kinetyka procesu zgazowania węgla z wykorzystaniem CO 2 w procesie w ramach Tematu Badawczego nr 2 Opracowanie i weryfikacja w skali pilotowej technologii ciśnieniowego zgazowania węgla w reaktorze z cyrkulacyjnym złożem fluidalnym przy wykorzystaniu CO2 jako czynnika zgazowującego Kierownik: Prof. dr hab. inż. Andrzej Mianowski

3 Koncepcja IChPW i Politechniki Śląskiej Węgiel brunatny Biomasa N 2 ASU Powietrze O 2 Zgazowanie POX bis CO CO + H 2 CH 3 O H DME F T H 2 O (g) WGS CO 2 H 2 CO 2

4 Sposób realizacji koncepcji IChPW i Politechniki Śląskiej

5 Harmonogram wykonania zadania badania kinetyczne Analiza techniczna i właściwości koksownicze Analiza elementarna C, H, N, S i S palna Retorta Jenknera Karbonizat/koks (L 0, S BET i S kin, ε 0 )

6 Część tematu badawczego nr 4.2. Opracowanie modeli palników dostosowanych do spalania gazów o niskiej wartości opałowej w ramach Tematu Badawczego nr 4 Opracowanie modeli symulacyjnych dla projektowania i optymalizacji układów kogeneracji i produkcji energii elektrycznej na bazie podziemnego zgazowania węgla Kierownik: Prof. dr hab. inż. Jerzy TOMECZEK

7 CEL TEMATU Opracowanie palników do spalania gazów niskokalorycznych z podziemnego zgazowania węgla Metodologia pracy Praca będzie realizowana w oparciu o modelowanie matematyczne właściwości palnych gazów niskokalorycznych otrzymywanych podczas podziemnego zgazowania węgla oraz warunków ich spalania w turbulentnych płomieniach dyfuzyjnych.

8 Zadania do osiągnięcia a. Wpływ parametrów gazów niskokalorycznych z podziemnego zgazowania węgla na ich właściwości palne. b. Opracowanie założeń technologicznych do zaprojektowania i wykonania palników dla instalacji pilotowej o mocy MW w spalanym gazie. c. Wykonanie projektu procesowego palnika o mocy 15 MW na gaz niskokaloryczny z podziemnego zgazowania węgla dla instalacji pilotowej.

9 Dotychczasowe osiągnięcia Zespół badawczy Katedry Energetyki Procesowej zajmuje się od 38 lat zgazowaniem węgla oraz spalaniem gazów przemysłowych. W latach realizował badania eksperymentalne zgazowania węgla w reaktorach fluidalnych o skali pilotowej, finansowane od roku 1981 przez fundację Krupp von Bohlen und Halbach z Essen. Wynikiem tych badań jest m.in. opracowanie Zgazowanie Węgla, w którym rozdział ostatni jest poświęcony zgazowaniu podziemnemu węgla. Wykonano również kompleksowe badania kinetyki zgazowania węgla w atmosferach: CO2, H2O oraz H2. Badania spalania gazu były prowadzone eksperymentalnie w skali wielkolaboratoryjnej oraz w zakresie modelowania matematycznego trójwymiarowych płomieni dyfuzyjnych. Zrealizowano wdrożenia własnych konstrukcji palników w przemyśle. Zespół posiada certyfikaty UDT dopuszczające własne opracowania palników o mocy 20 MW do eksploatacji w kotłach energetycznych. Zastosowano również liczne palniki w przemysłowych piecach wysokotemperaturowych.

10 Instytut Techniki Cieplnej Część tematu badawczego nr 5.2. Model numeryczny (CFD) reaktora zgazowania z cyrkulacyjnym złożem fluidalnym Cel badań: Kierownik: Prof. dr hab. inż. Andrzej Szlęk Budowa numerycznego modelu (CFD) zgazowania węgla w cyrkulacyjnym złożu fluidalnym (CFB) Prace będą obejmować: budowę modelu numerycznego, badania eksperymentalne.

11 Instytut Techniki Cieplnej Model numeryczny Model CFD zgazowania węgla powinien: umożliwić symulację zjawisk zachodzących w złożu, pokazać wpływ tych zjawisk na globalne parametry pracy złoża, pozwolić na optymalizację konstrukcji reaktora i parametrów pracy reaktora. Budowa modelu wymaga: opracowania, implementacji i rozwiązania zestawu równań opisujących proces, przeprowadzenia badań eksperymentalnych (paliwo), walidacji przez porównanie z wynikami badań eksperymentalnych reaktora.

12 Instytut Techniki Cieplnej Badania laboratoryjne Celem badań laboratoryjnych jest uzyskanie niezbędnych informacji na temat kinetyki procesu zgazowania węgla. Badania laboratoryjne konieczne są dla uzyskania wysokiej wiarygodności modelowania, ze względu na brak precyzyjnych modeli fizycznych procesów fizykochemicznych rozkładu węgla. Badania laboratoryjne zostaną wykonane przy użyciu termograwimetru sprzężonego ze spektrofotometrem podczerwieni.

13 Instytut Techniki Cieplnej Badania laboratoryjne Wykorzystanie analizy termicznej jaką jest termograwimetria umożliwia badanie paliw stałych pod względem ich energetycznego wykorzystania, a dodatkowo w wyniku sprzężenia ze spektroskopem podczerwieni umożliwia badanie powstałego składu gazu. Analiza termograwimetryczna umożliwia prowadzenie badań w kontrolowanej atmosferze utleniającej lub/i obojętnej oraz zadanym programie temperaturowym. Wykonane badania laboratoryjne pozwolą na stworzenie modelu kinetyki chemicznej procesu zgazowania.

14 Instytut Techniki Cieplnej Część tematu badawczego nr 5.4 Modelowanie i optymalizacja kogeneracyjnego bloku energetycznego opartego o układ IGCC w ramach Tematu Badawczego nr 5 Opracowanie modeli symulacyjnych dla projektowania i optymalizacji układów zgazowania naziemnego dla zastosowań w energetyce i chemii Kierownik: Prof. dr hab. inż. Andrzej Ziębik

15 Instytut Techniki Cieplnej Cel części tematu badawczego 5.4 Opracowanie koncepcji i optymalizacja integracji procesu ciśnieniowego zgazowania węgla z elektrociepłownią gazowo-parową. Podstawę do wyboru optymalnej struktury elektrociepłowni będą stanowiły wyniki obliczeń modelowych i badań eksperymentalnych procesu ciśnieniowego zgazowania węgla uzyskane z IChPW. Do powstałego w ich rezultacie układu technologicznego zgazowania węgla wraz z systemem chłodzenia i oczyszczania gazu zostanie zaproponowany układ elektrociepłowni gazowo-parowej. Przeprowadzona zostanie optymalizacja sposobu poboru ciepła z różnych punktów instalacji, przy uwzględnieniu między innymi układu chłodzenia i oczyszczania gazu syntezowego, wymienników spalinowych oraz układu usuwania CO2

16 Instytut Techniki Cieplnej Koncepcja kogeneracyjnego układu IGCC pobór ciepła z turbiny parowej, wykorzystanie entalpii spalin za kotłem odzyskowym, wykorzystanie ciepła odpadowego z układu kondycjonowania syngazu, wykorzystanie ciepła odpadowego z chłodnic sprężarek CO2 i sprężarek powietrza w tlenowni.

17 Instytut Techniki Cieplnej Ewaluacja termodynamiczna i ekonomiczna Analiza skojarzonego wytwarzania ciepła i elektryczności według DYREKTYWY 2004/8/WE PARLAMENTU EUROPEJSKIEGO I RADY z dnia 11 lutego 2004 r. w sprawie wspierania kogeneracji w oparciu o zapotrzebowanie na ciepło użytkowe na rynku wewnętrznym energii oraz zmieniającą dyrektywę 92/42/EWG E PES 1 = 1 = 1 CHPHη CHPEη E + R ef H R ef H η η Analiza zdyskontowanych przepływów pieniężnych NPV = N t= 0 NCFt (1+ r ) t ch sk ch r Metoda właścicielska (FCFE): Metoda klasyczna (FCFF): NCF t =O t I t + P t W t F t R t T t NCF t = I t + P t W t T t

18 Instytut Techniki Cieplnej Potencjalne miejsca poboru ciepła sieciowego

19 Instytut Techniki Cieplnej Wymierny efekt Przedstawiona propozycja bloku ciepłowniczego opartego o integrację instalacji ciśnieniowego zgazowania węgla i elektrociepłowni gazowoparowej może być uznana jako przedsięwziącie innowacyjne zarówno w kraju, jak i za granicą. Realizacja elektrociepłowni w technologii IGCC przyczyni się do zwiększania wykorzystania potencjału wysokosprawnej kogeneracji w Polsce, ponieważ wskaźnik PES (Primary Energy Saving) jest wyjątkowo korzystny dla układu gazowo-parowego. Dodatkowych korzyści można oczekiwać w wyniku wykorzystania ciepła odpadowego z układu chłodzenia i oczyszczania gazu syntezowego. Rezultatem końcowym tematu badawczego będzie propozycja optymalnej struktury elektrociepłowni zintegrowanej z ciśnieniową instalacją zgazowania węgla stanowiącą podstawę do opracowania projektu gazowo-parowego bloku ciepłowniczego zintegrowanego z instalacją zgazowania węgla.

20 Zadanie badawcze Opracowanie technologii zgazowania węgla dla wysokoefektywnej produkcji paliw i energii elektrycznej finansowane przez Narodowe Centrum Badań i Rozwoju w ramach strategicznego programu badan naukowych i prac rozwojowych pt.: Zaawansowane technologie pozyskiwania energii.