Wielkie zgazowanie w małej elektrociepłowni

Transkrypt

1 Wielkie zgazowanie w małej elektrociepłowni Autor: Włodzimierz Kotowski, Eduard Konopka ( Energia Gigawat nr 8/2012) Miejskie przedsiębiorstwo z Ulm w FRN wybudowało ostatnio na terenie przedmieścia Senden lokalną elektrociepłownię z instalacją zgazowania zrębków drewna o mocy 4,5 MW energii elektrycznej oraz 6,5 MW ciepła użytkowego, kosztem 33 milionów euro. Jest to największa nie tylko w Niemczech tego typu elektrociepłownia. Na terenie Republiki Federalnej Niemiec eksploatuje się obecnie 80 małych, lokalnych elektrociepłowni na bazie zgazowania drewna o globalnej mocy 6,7 MW energii elektrycznej. Technologia zgazowania drewna nie należy do nowych. Działania badawczowdrożeniowe nad nią ukończył Georg Christian Peter w Lotaryngii w roku Już w roku 1930 przystosowano ją do napędu silników z zapłonem iskrowym. Podczas II wojny światowej miliony samochodów osobowych oraz ciężarowych a nawet pojazdy szynowe były napędzane gazem drzewnym. Stosowano prostej konstrukcji cylindryczne, współprądowe zgazowarki, zasilane zrębkami drewna i powietrzem, uzyskując gaz drzewny o przeciętnym składzie: 15-22% obj. CO, 16-21% H 2, 4-6% CH 4, 11-17% CO 2, a resztę stanowił azot. Obecnie zgazowanie drewna i innych paliw realizuje się w skali przemysłowej nie tylko z uwzględnieniem powyższej technologii, opartej w swej istocie na półspalaniu surowca, ale również przy użyciu mieszaniny tlenu z parą wodną, a nawet jej samej, bez udziału innego składnika utleniającego. Decydując się na budowę elektrociepłowni na bazie drewna w Senden z mieszkańców, zdecydowano się na technologię zgazowania zrębków drewna samą parą wodną. Tego typu instalacja w skali półtechnicznej jest od 10 lat eksploatowana w austriackiej miejscowości Güssing (K. Wiedemann, F. Heller; neue energie, 60,20,2011). Jej moc energii elektrycznej wynosi 2 MW, a cieplnej 4,5 MW. Schemat procesowy tego kompleksu energetycznego ilustruje rys. 1. W unikatowej konstrukcji generatorze na terenie elektrociepłowni w Senden, w fazie fluidalnej, w temperaturze około 900ºC i pod ciśnieniem 1,5 bara zgazowuje się 3,4 tony na godzinę zrębków drewna o zawilgoceniu 15%. Proces wodno-parowego zgazowania drewna przebiega endotermicznie. Z tego względu prowadzi się go z udziałem drobnoziarnistego krzemianu żelaza i magnezu, znanego pod nazwą oliwiny, jako nośnika ciepła. Ubocznym produktem zgazowania drewna wyłącznie parą wodną jest węgiel drzewny o niewielkiej granulacji. Ten z w/w krzemianami zsuwa się z generatora zgazowania ukośną rurą do 1

2 zainstalowanej w bliskim sąsiedztwie pionowej komory, w której bywa spalany w fazie fluidalnej, w temperaturze około 1000ºC. Spaliny unoszą nagrzane do tej temperatury rozpylone oliwiny, które przez cyklon wracają do generatora zgazowania biomasy, przekazując ciepło składnikom tego procesu. Źródło: Biomasse Kreftwerk Güssing repotec Rys. 1. Schemat technologiczny lokalnej elektrociepłowni w Senden koło Ulm (RFN), na bazie wodno-parowego zgazowania zrębków drewna Potrzebną w tym procesie parę wodną o temperaturze powyżej 450ºC uzyskuje się z ciepła spalin w zainstalowanym obok kotle. Dzięki zastosowaniu pary wodnej uzyskuje się gaz drzewny bezazotowy, w dodatku o bardzo małej zawartości smółek oraz o relatywnie wysokiej wartości opałowej, wynoszącej 12,2MJ/Nm 3. Smółki z wyprodukowanego gazu drzewnego wymywa się biodieslem, wytwarzanym na drodze reestryfikacji dowolnego oleju roślinnego najczęściej rzepakowego metanolem w obecności alkalicznego katalizatora. Mieszanina biodiesla z rozpuszczonymi smółkami bywa przetłaczana do komory spalania węgla drzewnego, znajdującej się obok generatora parowego zgazowywania zrębków drewna. 2

3 Wytworzony gaz o składzie: 59% mas. H 2, 4% CO, 17% CO 2, 18% CH 4 i 2% C 2 H 6 spala się bezproblemowo w silniku Otta lub przed turbiną gazową, którą sprzęga się z elektrogeneratorem, przy czym spaliny ogrzewają nie tylko wodę obiegową miejskiej sieci grzewczej, ale również dodatkową elektrociepłownię znaną pod skrótem ORC (Organic Rankine Cycle). Elektrociepłownia ta różni się tym od klasycznych, że w obiegu między kotłem a turbiną nie ma układu wodno-parowego, gdyż zastępują go lekkie węglowodory najczęściej izobutan, co zaprezentowano na rys. 2. Cechą charakterystyczną tych lekkich węglowodorów jest nie tylko niska temperatura wrzenia, ale i to, że ich ciepło parowania wynosi zaledwie 17% ciepła parowania wody. W tych to właściwościach fizycznych tkwi efektywność ekonomiczna elektrociepłowni ORC, w której skraplanie oparów węglowodorów po turbinie dokonuje się w wymienniku ciepła obiegiem wody ogrzewającej sąsiednie osiedle domów. Na rys. 2 pokazane są dwa obiegi ciepła: pierwszy obejmuje dopływ gorących spalin z silnika Otta sprzężonego z elektrogeneratorem do rurowego wymiennika ciepła, skąd oziębione spaliny uchodzą przez komin do atmosfery. Tymczasem w drugim obiegu cyrkuluje organiczny nośnik ciepła, którym są lekkie węglowodory. Te węglowodory po wymienniku ciepła spalin osiągają temperaturę ºC oraz ciśnienie 1,6 2,0 MPa i przepływają do turbiny parowej lub maszyny z napędem śrubowym, sprzężonej z elektrogeneratorem. Rys. 2. Schemat elektrociepłowni wg technologii Organic Rankine Cycle (OCR) 3

4 W tego typu elektrociepłowniach uzyskuje się dodatkowo 14 16% energii elektrycznej ze spalin, co w omawianej powyżej elektrociepłowni w Senden stanowi znaczącą pozycję ekonomiczną. Źródło: F. Heller Rys. 3. Fotografia dwóch silników Otta sprzężonych z elektrogeneratorami, zasilanych gazem drzewnym w elektrociepłowni w Senden kolo Ulm w Niemczech. Podczas, gdy inne typy elektrociepłowni zasilanych biomasą osiągają sprawność elektryczną w granicach 15 20%, to ta w Senden ma ten wskaźnik w wysokości aż 33%, a sumaryczny (z ciepłem użytkowym) wynosi 89%. 4

5 Prezentowana w niniejszej publikacji lokalna elektrociepłownia w miejscowości Senden zajmuje kompleks różnorakich budynków o długości prawie 200 metrów, łącznie z magazynem zrębków drewna. Elektrociepłownia ta przerabia rocznie ton zrębków drewna, które wytwarza się z odpadów drewna w okolicznych lasach oraz z miejscowych zakładach zieleni miejskich. Ze względów ekonomicznych zwozi się je w promieniu do 100 km. Analizy instytucji leśnictwa dowodzą, że w okolicznych lasach uzyskuje się rocznie od do ton odpadowej biomasy drzewnej. Przy cenie euro/tonę za tego typu paliwo, koszty pozyskiwania energii elektrycznej w omawianym typie elektrociepłowni kształtują się w granicach eurocentów/kwh, co czyni tę elektrociepłownię opłacalną przy dwudziestoletnim okresie amortyzacji. Kierownictwa wielu lokalnych elektrociepłowni w Niemczech wykazują zainteresowanie technologią parowego zgazowania zrębków drewna odpadowego, z myślą o zastosowaniu jej u siebie. Według autorów ekonomiczno-ekologiczne korzyści z wybudowania tego typu elektrociepłowni w Polsce są na poziomie przybliżonym do osiąganych w austriackim Güssing, jak i w miejscowości Senden koło Ulm w Niemczech. Z tych to względów winniśmy być w naszym kraju zainteresowani budową tego typu lokalnych elektrociepłowni, a te pracujące w Austrii oraz w Niemczech potencjalni inwestorzy powinni koniecznie odwiedzić... 5