Współspalanie biomasy oraz redukcja NO x za pomocą systemu ROFA

Transkrypt

1 Współspalanie biomasy oraz redukcja NO x za pomocą systemu ROFA Autorzy: Brian Higgins, Li Yan, Hani Gadalla, John Meier, Tore Fareid, Guisu Liu, + Nalco Mobotec, USA, Mirosław Milewicz, Arkadiusz Repczyński, Zespół Elektrociepłowni Wrocławskich Kogeneracja Wrocław, Michael Ryding, prof. dr hab. Włodzimierz Błasiak, Nalco Mobotec Europe ( Czysta Energia nr 3/2010) W celu realizacji procesu współspalania dużych ilości biomasy z węglem zainstalowano na kotle RAFAKO OP-230 system spalania objętościowego Rotating Opposed Fired Air (ROFA). W systemie tym powietrze z dużą prędkością wdmuchiwane jest przez dysze wielootworowe, co powoduje silne turbulentne mieszanie gazów spalinowych i paliwa. Wysokociśnieniowy system spalania objętościowego ROFA zapewnia spalanie całkowite i zupełne oraz zwiększenie wykorzystania objętości komory spalania. Kocioł pyłowy typu OP-230 jest jednostką z palnikami narożnikowymi, spalającą polski węgiel kamienny o zawartości siarki ok. 0,6% i azotu związanego w paliwie około 1,1%. Przed zainstalowaniem ROFA w modernizowanym kotle funkcjonował już system dysz SOFA. Równolegle z instalacją systemu ROFA zamontowano nowe palniki niskoemisyjne (LNB Low NOx Burner) firmy RAFAKO, a konsorcjum firm: Remak-Rozruch (lider konsorcjum), Nalco Mobotec Europe oraz Remak, zainstalowało kompletny system transportu, magazynowania i dozowania biomasy, w ilości równoważnej 45% całkowitego zapotrzebowania paliwa (w przeliczeniu na ciepło). Redukcja emisji efekt współspalania biomasy Łączny efekt LNB, SOFA i ROFA daje emisję NO x poniżej 200 mg/nm 3, co stanowi redukcję o 43% w odniesieniu do instalacji LNB/SOFA (350 mg/nm 3 ) i o 63% w stosunku do stanu bazowego sprzed zastosowania LNB, czyli z samym systemem SOFA (540 mg/nm 3 ). Poprawa sprawności procesu spalania dzięki mieszaniu wprowadzonemu przez ROFA, pozwala na utrzymanie zawartości węgla w popiele lotnym (LOI) poniżej 5%, co jest wymagane dla nieprzerwanej sprzedaży popiołów. Jednocześnie emisja CO była utrzymywana poniżej 100 mg/nm 3. Współspalanie biomasy skutkuje redukcją aż 45% CO 2 pochodzącego ze spalania węgla. System ROFA pozwala na spalanie dużych ilości (od 30 % do 100%) biomasy bez zauważalnego wzrostu zawartości CO i LOI. Przy współspalaniu biomasy emisja NO x jest niższa. Analogicznie, ze względu na niższą zawartość siarki w biomasie, współspalanie skutkuje obniżeniem emisji SO 2 o 36% przy spalaniu 45% biomasy. Kocioł OP-230 pracuje w zakresie mocy od 25 MWe do 55 MWe. Jest on częścią bloku energetycznego BC-50 generującego ciepło i posiada turbinę przeciwprężno-upustową do celów ciepłowniczych (typu 13P55). Ponieważ blok ten został zaprojektowany do zasilania sieci ciepłowniczej, ciśnienie kondensatora turbiny jest dosyć wysokie (~ 80 kpa), a sama turbina nie jest zaprojektowana na osiąganie mocy 70 MWe, czego można by się spodziewać przy kotle OP-230. Kocioł ten może osiągać 55 MWe i dostarczać 179 MWt (wydajność maksymalna trwała) mocy cieplnej. Cel instalacji systemu ROFA Podstawowym celem zainstalowania systemu ROFA było umożliwienie współspalania węgla i biomasy przy dużym udziale biomasy. Aby osiągnąć ten cel, podstawowym kryterium projektowym było zwiększenie intensywności wymieszania spalin w górnej części komory paleniskowej w celu wypalenia CO i cząsteczek wpływających na LOI. Drugorzędnym kryterium projektowym było stopniowanie powietrza w dolnej części komory paleniskowej dla obniżenia emisji NO x. System ROFA zawiera wentylator ROFA zwiększający ciśnienie, kanał powietrza i dysze powietrzne. Powietrze do systemu ROFA jest pobierane z

2 wylotu podgrzewacza powietrza, ciśnienie jego jest zwiększane przez wentylator ROFA, po czym jest dostarczane do komory paleniskowej poprzez dysze ROFA. Typowe ciśnienie powietrza na dyszach wynosi 7 do 20 kpa, zależnie od stopnia wymaganej penetracji dla osiągnięcia stanu wymieszania, wyznaczonego podczas modelowania numerycznego. Rys. 1 Widok ogólny systemu transportu i magazynowania biomasy: (A) silos granulatu/pelet, (B) filtry cyklonowe, (C) silos pyłu. Biomasa ma wyższą zawartość części lotnych od węgla, co daje możliwość samozapłonu. Z tego powodu transport, magazynowanie i przetwarzanie biomasy muszą być realizowane w sposób bezpieczny. Dla zapewnienia bezpieczeństwa i niezawodności eksploatacyjnej instalacji, system transportu i składowania biomasy został zaprojektowany w taki sposób, aby uniknąć i wyeliminować możliwość zapłonu w obrębie systemów składowania, transportu i mielenia biomasy. System podawania biomasy składa się z sześciu głównych elementów, takich jak: linia transportu biomasy ze składowiska paliwa, silos magazynowy granulatu, młyny młotkowe, filtry cyklonowe do separacji pyłu, silos pyłu oraz system wdmuchiwania biomasy do kotła. System transportu i magazynowania biomasy opisany w artykule został zaprojektowany przez firmę WTS AB (Szwecja). Każdy element zaprojektowano w sposób zapewniający bezpieczeństwo i niezawodność, w oparciu o wieloletnie doświadczenie nabyte przez WTS AB dzięki poprzednim instalacjom spalania pyłu drzewnego. Proces przygotowania biomasy Biomasa jest dostarczana do zakładu w formie granulowanej (pelety), barkami i składowana na osobnym składowisku w pobliżu rzeki. Ze składowiska biomasę transportuje się do silosu granulatu o pojemności wystarczającej na osiem godzin pracy (rys. 1). Transport do silosu granulatu odbywa się poprzez zamknięty system transportowy wspomagany powietrzem. Z silosu granulatu biomasa jest podawana na młyny młotkowe. Duże dmuchawy przeciągają biomasę przez młyny młotkowe i podają bezpośrednio na filtry

3 cyklonowe. Ze względu na duży przepływ powietrza przez młyny młotkowe (wymagany do zasysania i transportu pyłu drzewnego podczas mielenia), mieszanina jest potencjalnie samopalna. Zainstalowano więc wyposażenie do wykrywania iskrzenia, gaszenia pożaru i separacji powietrza. Po zmieleniu biomasy na pył i oddzieleniu jej od powietrza transportowego, jest ona magazynowana w silosie pyłu o pojemności wystarczającej na jedną godzinę pracy. Bezpośrednio za silosem pyłu znajdują się cztery podajniki i cztery dmuchawy transportowe, które mierzą ilość i transportują pył do komory paleniskowej poprzez palniki biomasy (wdmuchiwanie realizowane jest przez jeden z trzech poziomów palników w każdym narożu). Modelowanie numeryczne Do modelowania numerycznego komory spalania firma Nalco Mobotec wykorzystuje pakiet FLUENT, znajdujący jednocześnie zastosowanie w przypadku analizy pól rozkładu gęstości, prędkości, temperatury i stężeń substancji chemicznych (włącznie z częściami lotnymi z paliw) w fazie gazowej oraz własności cząstek paliwa i ich spalania w obrębie komory paleniskowej w stanie ustalonym. Granica obliczeniowa komory paleniskowej dla modelu numerycznego dla przypadku bazowego ROFA i współspalania biomasy jest zdefiniowana jako mająca początek na palnikach i dyszach ROFA (warunki graniczne wlotowe), a koniec na płaszczyźnie pionowej za pierwszym stopniem przegrzewacza pary i podgrzewaczem w drugim ciągu (warunki graniczne wylotowe). Przestrzeń komory paleniskowej rozciąga się w drugą stronę do dolnego leja popiołowego. Przegrzewacze są zobrazowane w modelu przy użyciu faktycznej liczby pęczków rurowych i wymiarów dla uwzględnienia wymiany ciepła i rozwarstwienia przepływu. Geometria komory paleniskowej została przedstawiona za pomocą ok komórek numerycznych w nieuporządkowanej, hybrydowej (złożonej z sześcianów) siatce. Tak duża ilość komórek obliczeniowych jest wystarczająca do rozwiązania najbardziej istotnych właściwości trójwymiarowego procesu spalania. Dane wejściowe do modelowania numerycznego dla przypadku bazowego dla komory paleniskowej są wyszczególnione w tabeli 1. Modelowe składy węgla i biomasy wyszczególniono w tabeli 2. Obciążenie cieplne było obliczane z natężenia przepływu i wartości opałowej węgla. Całkowity strumień powietrza (TAF) oszacowano na podstawie podanego składu węgla i zmierzonego stężenia O 2. Tab. 1. Warunki pracy układu dla przypadku bazowego Sam węgiel Współspalanie Obciążenie cieplne [MWt] Paliwo [% doprow. ciepło] 100% węgiel 55% węgiel + 45% biomasa Nadmiar powietrza [%] Nadmiar O 2 [%] spaliny suche 3,6 3,6 Przepływ węgla [t/h] Przepływ biomasy [t/h] 0 15 Całkowity strumień [t/h] powietrza Tab. 2. Analiza paliwa Analiza techniczna Węgiel Biomasa Zawartość wilgoci [% ww.] st.r. 9,20 8,80 Popiół [% ww.] st.r. 9,05 2,40 [% ww.] st.r. 52,55 15,30 Części lotne [% ww.] st.r. 29,20 73,50 Ciepło spalania [kj/kg] st.r Analiza elementarna Węgiel [% ww.] st.r. 67,37 47,0 Wodór [% ww.] st.r. 4,37 5,0 Tlen [% ww.] st.r. 7,99 36,23 Azot [% ww.] st.r. 1,11 0,49 Siarka [% ww.] st.r. 0,60 0,08 st.r. skrót od stan roboczy

4 Wyniki modelowania numerycznego Modelowanie numeryczne wykorzystano do porównania pól rozkładu obliczonych zmiennych (tj. temperatury, O 2, CO, NO x i energii kinetycznej przepływu) dla przypadku bazowego z palnikami LNB, systemu ROFA na samym węglu i systemu ROFA na biomasie. Przypadek bazowy odnosi się do układu z palnikami niskoemisyjnymi LNB przy opalaniu kotła samym węglem. Rys. 2. Pola rozkładu stężenia tlenu dla: (po lewej) przypadek bazowy z palnikami LNB, (w środku) ROFA na samym węglu oraz (po prawej) ROFA z biomasą. Rozkład stężenia O 2 Rysunek 2 przedstawia rozkład stężenia O 2 dla trzech przypadków. Strefa ognia o niskim stężeniu O 2 jest widoczna w środku komory paleniskowej dla przypadku bazowego, a ten rejon o niskim stężeniu O 2 trwa w trakcie wędrówki spalin do górnej części komory paleniskowej. W strefie palników widoczny jest obszar o stosunkowo dużym stężeniu O 2, przylegający do ekranów wodnych, co pomaga wyeliminować możliwość zażużlania i korozji. Na środkowej części rysunku 2 dla przypadku z systemem ROFA na samym węglu, średnia zawartość O 2 w strefie palników jest niższa niż w przypadku bazowym. Strefę o niskiej zawartości O 2 (i będącej następstwem tego wysokiej zawartości CO) obserwuje się w górnej części komory paleniskowej. Dokładna regulacja systemu ROFA jest w stanie wyeliminować ten obszar. Na prawej części rysunku dla przypadku ROFA z biomasą, strefa o niskiej zawartości O 2 i wysokiej zawartości CO jest o wiele mniejsza. Rys. 3. Pola rozkładu stężenia NO x dla: przypadek bazowy z palnikami LNB (po lewej), ROFA na samym węglu (w środku) oraz ROFA z biomasą (po prawej).

5 Rozkład stężenia NO x Rysunek 3 przedstawia rozkład stężenia NO x dla trzech przypadków. Parametry kinetyczne NO x dla przypadku bazowego zostały dopasowane do raportowanego stężenia bazowego NO x w wysokości 540 mg/nm 3. Po ustaleniu parametrów linii bazowej już ich nie zmieniano do prognozowania NO x dla innych przypadków. W lewej części rysunku 3, NO x tworzą się głównie w strefie palników i górnej strefie komory paleniskowej, gdzie węgiel spala się przy nadmiarze O 2. Jak można zaobserwować (w środkowej części rysunku 3), dzięki stopniowaniu powietrza w strefie palników przez system ROFA stężenia NO x są obniżone. W atmosferze redukującej przeważającym mechanizmem obniżania zawartości NO x jest ten, w którym HCN jako dominujący związek azotu uwolniony z częściami lotnymi reaguje z NO x tworząc N 2. Współspalanie biomasy obniża stężenie NO x znacznie bardziej, co można zaobserwować w prawej części rysunku 3. Przewidywana redukcja zawartości NO x ma następujące przyczyny. Po pierwsze, zawartość azotu w biomasie jest więcej niż o połowę mniejsza od zawartości w węglu. Po drugie, w przypadku współspalania biomasy większość azotu związanego w paliwie jest uwalniana z częściami lotnymi jako NH 3, który w środowisku redukującym staje się czynnikiem obniżającym stężenie NO x. Wyniki pracy instalacji Zanim zainstalowano system palników niskoemisyjnych LNB, oryginalny system SOFA utrzymywał emisję NO x w wysokości 540 mg/nm 3. Kocioł posiada przyrząd (rutynowo kalibrowany na podstawie analizy próbek popiołu) do monitorowania wartości LOI w czasie rzeczywistym. Kocioł jest eksploatowany w sposób pozwalający na utrzymanie LOI poniżej 5% w celu umożliwienia właścicielowi sprzedaży popiołu zamiast jego składowania jako odpadu. System SOFA był prowadzony w swej historii przy 6% do 8% całkowitego strumienia powietrza. Jest to niewystarczające stopniowanie dla utworzenia podstechiometrycznej strefy palnikowej i stanowi prawdopodobną przyczynę wysokiej emisji NO x (540 mg/nm 3 ) przy stosowaniu systemu SOFA. Po zainstalowaniu palników niskoemisyjnych LNB emisja NO x spadła do wartości średniej ok. 350 mg/nm 3. Przed rozpoczęciem regulacji systemu ROFA emisja NO x wahała się od 250 do 450 mg/nm 3. Wartość LOI była średnio w okolicach 5%. System palników LNB pracuje poprzez sterowanie dystrybucją paliwa i powietrza w komorze spalania, tworząc centralną strefę środowiska redukującego celem obniżenia stężenia NO x. Obciążenie [MWe] Rys. 4. NO x i LOI dla samego systemu LNB oraz LNB/ROFA w funkcji obciążenia.

6 Praca z systemem ROFA na samym węglu Przy zainstalowanym systemie ROFA znaczna część całkowitego strumienia powietrza zostaje przekierowana ze strefy palników i wprowadzana za wlotami systemu SOFA. To powietrze wdmuchuje się z dużą prędkością przez dysze ROFA, co pobudza mieszanie paliwa z powietrzem w celu uzyskania zupełnego spalania (tj. niższej wartości LOI i CO). Rysunek 4 ukazuje poziomy NO x i LOI przy pracującym systemie ROFA (czerwone symbole) na tle danych przypadku bazowego (niebieskie symbole). Ponieważ te dane zostały uzyskane w trakcie procesu regulacji, dodano linie trendu w celu zobrazowania oczekiwanego stanu końcowego po dokonaniu dokładnej regulacji. Obniżenie emisji NO x przy pracy systemu ROFA jest oczywiste. NO x utrzymuje się poniżej 200 mg/nm 3 przez większą część zakresu obciążeń, a przy niskim obciążeniu osiąga 170 mg/nm 3. LOI jest nadal zmienne, ale średnio zachowuje wartość ok. 5%, podobnie jak w przypadku bazowym. Praca z systemem ROFA współspalanie biomasy Kocioł został zmodernizowany przez wprowadzenie ROFA, aby umożliwić współspalanie dużych ilości biomasy i węgla. Metoda współspalania biomasy polega na uruchomieniu i pracy kotła przy opalaniu węglem, a następnie wprowadzana jest biomasa w celu zwiększenia (i regulacji) obciążenia. Każdy z trzech młynów węglowych zapewnia (przy swym minimalnym obciążeniu) doprowadzenie energii cieplnej na poziomie ok. 64 MWth, co generuje 16 MWe. Minimalna ilość ciepła doprowadzanego przez podajniki biomasy wynosi 9 MWth, co generuje 3 MWe. Typowym trybem pracy będzie uruchomienie kotła przy pracy jednego młyna do osiągnięcia 16 MWe, a następnie rozpoczęcie podawania biomasy i osiągnięcie początkowo 19 MWe (15% ciepła doprowadzonego z biomasą). Później zwiększa się udział biomasy do obciążenia 29 MWe (45% ciepła doprowadzonego z biomasą). Od 29 MWe do pełnego obciążenia wzrasta jednocześnie ilość podawanego węgla i biomasy, a na stałym poziomie utrzymuje się stosunek ciepła doprowadzanego z węglem i biomasą. Dzięki współspalaniu biomasy w ilości pokrywającej 45% zapotrzebowania na ciepło dostarczone w paliwie (bez istotnego spadku obciążenia cieplnego spowodowanego stosowaniem biomasy) emisja gazów cieplarnianych obniża się o 45%. Biomasa NOx Badanie drewna Badanie słomy Badanie wierzby Biomasa LOI Badanie LOI drewna Badanie LOI słomy Badanie LOI wierzby Zakres stechiometryczny na palnikach (-) Rys. 5. NOx i LOI w funkcji BSR z badania różnych paliw z biomasy.

7 Firmy Nalco Mobotec i Kogeneracja SA zbadały kilka różnych paliw z biomasy. Alternatywnymi, branymi pod uwagę paliwami z biomasy były: pelety ze słomy, z drewna wierzby oraz z innego drewna. Rysunek 5 przedstawia wyniki badań współspalania biomasy z podaniem emisji NO x oraz LOI popiołu lotnego w funkcji nadmiaru powietrza palnika oraz BSR. Emisja NO x dla różnych paliw z biomasy jest zgodna z emisją ze współspalania oryginalnej biomasy (pelety z drewna), wykazując lekki spadek NO x w stosunku do spalania samego węgla. LOI jest mniej zgodne, wykazując większe wahania z uwagi na zmienną zawartość wilgoci w biomasie, wynikłą z warunków pogodowych. Z powodu zmniejszenia emisji NO x, oczekuje się, że niewielka zmiana liczby nadmiaru powietrza palnika mogłaby spowodować utrzymanie LOI poniżej 5%, zapewniając NO x w pobliżu lub poniżej 200 mg/nm 3. Wyniki pokazują, że instalacja biomasy firmy Nalco Mobotec w Kogeneracja SA posiada elastyczność w zakresie przygotowania i współspalania różnych paliw z biomasy. Firma Kogeneracja SA przystosowała blok nr 1 do współspalania biomasy w ilości pokrywającej do 45% ciepła doprowadzanego z paliwem. Po przystosowaniu bloku i uruchomieniu instalacji stwierdzono, że: system ROFA umożliwia efektywne spalanie przy współspalaniu z dużym udziałem biomasy (powyżej 30% aż do 100%), w tym biomasy pochodzenia rolniczego, system ROFA zapewnia duże obniżenie emisji NO x przy bardzo niskim LOI, zarówno w warunkach opalania kotła tylko węglem, jak i przy współspalaniu biomasy, system ROFA pozwala na pracę kotła pod pełnym obciążeniem przy współspalaniu z dużym udziałem procentowym biomasy bez obniżania parametrów produkcji i jakości pary, system ROFA zredukował emisję NO x od wartości bazowej 540 mg/nm 3 do poziomu granicznego 200 mg/nm 3, który zacznie obowiązywać od 2016 r. przy utrzymaniu LOI poniżej 5%, firma Nalco Mobotec zbadała różne rodzaje paliw z biomasy, w tym granulat drewna, słomy i wierzby. Poziom emisji NO x jest zgodny dla tych różnych paliw z biomasy. Przy ich spalaniu można utrzymać emisję NO x poniżej 200 mg/nm 3 przy zachowaniu akceptowalnych poziomów CO i LOI, aczkolwiek dla osiągnięcia dobrych wyników wymagane jest pewne wyregulowanie systemu ROFA dla znacznie różniących się paliw z biomasy. Śródtytuły od redakcji