Marcin Panowski Politechnika Częstochowska Konsekwencje termodynamiczne podsuszania paliwa w siłowni cieplnej. Wstęp W pracy przedstawiono analizę termodynamicznych konsekwencji wpływu wstępnego podsuszania paliwa dla ogólnej sprawności bloku. Przedstawiono analizę powietrznego podsuszania paliwa z przygotowaniem czynnika suszącego za pośrednictwem pary upustowej oraz spalin kotłowych, a także dwa warianty wyprowadzenia czynnika suszącego z komory suszarki: z wyprowadzeniem powietrza po suszeniu do atmosfery oraz suszenie z domieszaniem strumienia powietrza suszącego, po opuszczeniu suszarki, do strumienia powietrza doprowadzanego do komory paleniskowej kotła. Dla wszystkich analizowanych wariantów przeprowadzono analizę wpływu, na ogólną sprawność energetyczną bloku, najważniejszych z punktu widzenia procesu suszenia, parametrów termodynamicznych, takich jak: parametry otoczenia, stopnia osuszenia paliwa (zawartości wilgoci w paliwie po suszeniu), jak również źródła pary dla przygotowania powietrza suszącego. Uzyskane rezultaty wskazują na zróżnicowany wpływ poszczególnych wariantów na ogólną sprawność bloku, jednak niezależnie od rozwiązania podsuszanie paliwa pozwala na uzyskanie znacznego przyrostu sprawności bloku, a w konsekwencji zmniejszenie jednostkowego zużycia paliwa oraz emisji szkodliwych zanieczyszczeń. Słowa kluczowe: suszenie paliwa, energetyka, modelowanie Paliwo węglowe dostarczane do kotła bloku energetycznego, niesie ze sobą pewną ilość wilgoci. Wilgoć ta ma istotne znaczenie dla najważniejszego parametru paliwa jakim jest jego wartość opałowa (HV). Im większa zawartość wilgoci w paliwie, tym niższa jego wartość opałowa. Wynika to z faktu, że energia chemiczna, którą wnosi ze sobą paliwo do kotła, w znacznej części zużywana jest na odparowanie wilgoci z paliwa, a ponieważ ciepło parowania wody jest bardzo duże, większa zawartość wilgoci w paliwie przekłada się na większy spadek możliwej do wykorzystania energii chemicznej paliwa a tym samym znaczne obniżenie HV. Powszechnie stosowane w energetyce zawodowej węgle kamienne i brunatne charakteryzują się silnie zróżnicowaną zawartością wilgoci, a przez to także silnie zróżnicowaną wartością opałową. Węgle kamienne zawierają znacznie mniej wilgoci aniżeli węgle brunatne, których wilgotność sięgać może powyżej 50%. Szczególnie zatem w przypadku bloków opalanych węglem brunatnym wydaje się uzasadnione zastosowanie podsuszania paliwa, które realizowane z wykorzystaniem ciepła odpadowego z bloku, powinno przynieść pozytywny skutek, przekładający się na zwiększenie ogólnej sprawności bloku. Integracja procesu podsuszania paliwa z obiegiem cieplnym bloku W celu oszacowania wpływu procesu podsuszania paliwa na ogólną sprawność bloku energetycznego, opracowano odpowiednie modele symulacyjne nadkrytycznego bloku energetycznego oraz procesu podsuszania paliwa [1] i przeprowadzono szereg eksperymentów symulacyjnych. Schemat bloku referencyjnego (model symulacyjny opracowany z wykorzystaniem oprogramowania IPSEpro [2]), który stanowił punkt
odniesienia dla obliczeń układu z podsuszaniem przedstawiono na Rys. 1, a jego podstawowe parametry zestawiono w Tabeli 1. Tabela 1 Rys. 1 Schemat bloku referencyjnego Ciepło doprowadzone do obiegu 1156959 kw Energia chemiczna w paliwie do kotła 1163582 kw Moc elektryczna 600000 kw Moc turbiny pompy wody zasilającej 18438 kw Sprawność bloku 51.56 % Sprawność wytwarzania energ. elektr. 49.90 % Jednostkowe zużycie en. chem. pal. 6942 kj/kwh Do tak określonego modelu bloku referencyjnego zaimplementowano model symulacyjny procesu termicznego podsuszania paliwa powietrzem w czterech głównych wariantach. Zaproponowane warianty różnią się sposobem przygotowania czynnika suszącego oraz dalszego jego wykorzystania po procesie suszenia i tak wyróżniono tutaj dwa warianty źródła energii dla przygotowania czynnika suszącego: 1. przygotowanie za pośrednictwem pary upustowej, 2. przygotowanie za pośrednictwem spalin kotłowych, i dla każdego z nich, przeanalizowano dwa sposoby wyprowadzenia czynnika suszącego z komory suszarki: 1. suszenie z wyprowadzeniem powietrza do atmosfery oraz 2. suszenie z domieszaniem strumienia powietrza suszącego do strumienia powietrza doprowadzanego do komory paleniskowej kotła. Analizowane warianty przedstawiono schematycznie na Rys.2 5 Rys. 2 Wariant 1 Rys. 3 Wariant 2 Rys. 4 Wariant 3 Rys. 5 Wariant 4 Ponadto, dla wariantów 1 i 2 (Rys. 2 i 3), symulacji poddano różne warianty poboru pary (z różnych upustów). Przykładowy schemat modelu bloku zintegrowanego z podsuszaniem paliwa dla wariantu 2 z poborem pary z upustu 5 przedstawiono na Rys. 6.
Rys. 6 Model symulacyjny bloku ze zintegrowanym podsuszaniem paliwa Z punktu widzenia procesu podsuszania paliwa, najważniejszymi parametrami decydującymi o przebiegu procesu są parametry termodynamiczne otoczenia, z którego pobierany jest czynnik suszący, a także temperatura procesu (temperatura czynnika suszącego na wlocie do komory suszarniczej) oraz końcowa zawartość wilgoci w paliwie po suszeniu. Z punktu widzenia bloku z kolei, najbardziej istotnym parametrem jest jego sprawność. Stąd też w pracy analizie poddano wpływ powyższych parametrów termodynamicznych na ogólną sprawność bloku. W analizie przyjęto ogólną sprawność energetyczną bloku brutto, przy czym uwzględniono koszty energetyczne tłoczenia czynnika suszącego, związane z koniecznością pokonania oporów przepływu powietrza suszącego w komorze suszarki. W konsekwencji, zależność opisująca sprawność bloku została określona w postaci zależności przedstawionej wzorem (1). η = N g (1) Q pal +N M gdzie: N g - Moc na generatorze Q pal - Strumień energii dostarczony do kotła z paliwem N M - Moc zużyta do napędu wentylatora czynnika suszącego Powyższy sposób definicji sprawności ogólnej bloku pozwala na określenie całkowitych kosztów/zysków energetycznych procesu podsuszania paliwa i określenie ich rzeczywistego wpływu na sprawność bloku energetycznego. Wpływ sposobu integracji na sprawność bloku W pierwszym etapie analizie poddano dwa warianty podsuszania paliwa (wariant 1 i 2) w których do przygotowania czynnika suszącego wykorzystywana jest para upustowa z turbiny. Rezultaty obliczeń przedstawiono na rysunkach (Rys. 7a d oraz 8a d). Na podstawie przedstawionych rezultatów należy stwierdzić, że wybrane do analizy parametry mają odmienny wpływ na ogólną sprawność bloku. Za wyjątkiem końcowej wilgotności względnej paliwa po suszeniu, w przypadku którego obserwuje się znaczny wpływ na sprawność, wszystkie z analizowanych parametrów (Rys. 7a c oraz 8a c) oddziałują w mniejszym stopniu, przy czym za każdym razem obserwuje się wzrost sprawności bloku wraz ze wzrostem wartości parametrów. Należy zwrócić uwagę na zakres zmienności sprawności, która w analizowanych przedziałach zmienności parametrów, waha się w granicach kilku setnych części procenta. Całkowity przyrost sprawności w stosunku do sprawności bloku referencyjnego kształtuje się na poziomie kilku procent i jest różny w zależności od analizowanego parametru. Można także stwierdzić, że źródło pobory pary nie ma znaczącego wpływu na ogólną sprawność układu,
choć pewien wpływ obserwuje się w przypadku temperatury powietrza atmosferycznego (Rys. 7b) szczególnie dla niższych wartości temperatur. a) a) b) b) c) c) d) d) Rys. 7 Wariant 1 Rys. 8 Wariant 2 Zależności przedstawione na rysunku Rys. 7b c i Rys. 8b c wydają się być intuicyjnie poprawne, albowiem wraz ze wzrostem zarówno temperatury otoczenia jak i temperatury czynnika suszącego efektywność procesu suszenia wzrasta, co przekłada się na zwiększenie sprawności bloku. Inaczej w przypadku wilgotności względnej powietrza atmosferycznego (Rys. 7a i Rys. 8a), gdzie mogłoby się wydawać, że charakter zależności powinien być odwrotny. Charakter ten wynika tutaj z przyjęcia w modelu stałych parametrów termodynamicznych spalin na wylocie z kotła. W konsekwencji stałej ilości energii odbieranej przez wodę w kotle oraz rosnącej entalpii doprowadzanego do kotła powietrza, zmniejsza się strumień masy zużywanego paliwa (Rys. 9), co w konsekwencji przekłada się na wyższą sprawność układu.
Strumień paliwa do kotła [kg/s] 118,66 118,64 118,62 118,6 118,58 118,56 118,54 118,52 118,5 118,48 118,46 Wariant 2 - Upust 3 5 15 25 35 45 55 65 75 85 Temperatura powietrza atmosferycznego [st. C] Rys. 9 Strumień paliwa do kotła wariant 2 upust 3 Największy wpływ na ogólną sprawność bloku (co wydaje się być naturalne i intuicyjne) obserwuje się w przypadku końcowej wilgotności względnej paliwa po suszeniu (Rys. 7d oraz 8d), przy czym zupełnie nie obserwuje się wpływu źródła poboru pary na sprawność bloku. Wpływ natomiast samej wilgotności końcowej jest znaczący i przekłada się w skrajnym przypadku (przy najniższej wilgotności końcowej na poziomie 4%) na wzrost sprawności ogólnej bloku z wartości 51.5% dla bloku referencyjnego do poziomu 57.8% w wariancie pierwszym oraz do poziomu 58.0% w wariancie drugim. Przekłada się to na spadek jednostkowego zużycia energii chemicznej paliwa z 6942kJ/kWh dla bloku referencyjnego do 6232kJ/kWh oraz 6217kJ/kWh odpowiednio dla wariantu 1 i 2. Należy zatem zauważyć, że rozwiązanie z domieszaniem zawilgoconego powietrza suszącego do strumienia powietrza podawanego do komory paleniskowej kotła, choć w niewielkim stopniu, wykazuje się większym przyrostem sprawności bloku oraz niższym jednostkowym zużyciem energii chemicznej paliwa. Na kolejnych rysunkach (Rys. 10a d oraz 11a d) przedstawiono z kolei drugą opcję integracji procesu podsuszania paliwa z układem cieplnym bloku, w której czynnik suszący przygotowywany jest z wykorzystaniem ciepła zawartego w spalinach. Podobnie jak w przypadku wykorzystania do przygotowania czynnika suszącego pary upustowej, tak i w przypadku wykorzystania do tego celu spalin kotłowych obserwuje się nieznaczny wpływ wybranych parametrów termodynamicznych na sprawność bloku. Interesujący jest tutaj charakter zależności sprawności bloku w funkcji temperatury powietrza atmosferycznego (Rys. 10b oraz 11b). Na rysunku tym zaobserwować można wyraźne minimum, które w przypadku wyprowadzania powietrza suszącego do atmosfery znajduje się bliżej niższych temperatur (Rys. 10b) aniżeli w przypadku wprowadzania powietrza suszącego do komory paleniskowej (Rys. 11b). Ponadto, w wariancie 3 charakterystyka ta jest bardziej spłaszczona, a najniższe sprawności obserwuje się tutaj dla temperatur poniżej 6 C. W wariancie 4 charakterystyka jest bardziej stroma, a zakres najniższych sprawności obejmuje przedział temperatur w zakresie 10 18 C. Jednak podkreślić należy, że w analizowanym zakresie zmienności temperatury, jej wpływ na sprawność kształtuje się na poziomie poniżej 0.01%, co w praktyce jest wpływem pomijalnie małym. Podobnie jak w przypadku wariantów 1 i 2 tak i tutaj największy i znaczący wpływ na sprawność całkowitą bloku obserwuje się dla końcowej zawartości wilgoci w paliwie po procesie suszenia (Rys. 10d i 11d). Należy zwrócić uwagę na fakt, że wpływ ten kształtuje się na takim samym poziomie jak dla wariantów 1 oraz 2 i przekłada się w skrajnym przypadku (przy najniższej wilgotności końcowej na poziomie 4%) na nieco większy, aniżeli w przypadku wariantu 1, wzrost sprawności ogólnej bloku z wartości 51.5% dla bloku referencyjnego do poziomu 58.0% w wariancie trzecim oraz taki sam przyrost sprawności jak w wariancie 2, do poziomu 58.0% w wariancie czwartym.
a) a) b) b) c) c) d) d) Rys. 10 Wariant 3 Rys. 11 Wariant 4 Porównanie różnych wariantów integracji Przedstawione powyżej rezultaty obliczeń symulacyjnych bloku energetycznego ze zintegrowaną instalacją podsuszania paliwa wykazują na zróżnicowany wpływ różnych wariantów podsuszania na możliwy do osiągnięcia wzrost sprawności bloku. Niezależnie jednak od analizowanego wariantu, wpływ ten za każdym razem jest znaczący. W celu wytypowania potencjalnie najlepszego rozwiązania integracji podsuszania paliwa z obiegiem cieplnym bloku, uzyskane z obliczeń symulacyjnych wyniki zestawiono i zaprezentowano na rysunku Rys. 12a d. Dla wariantu 1 i 2 (przygotowanie czynnika suszącego z wykorzystaniem pary upustowej), na podstawie wcześniejszej analizy wytypowano najlepsze rozwiązania i tylko te zamieszczono w zestawieniu. Z wariantów tych wytypowano rozwiązanie z poborem pary z upustu trzeciego (UP3), które (mimo niewielkich różnic) dla wszystkich analizowanych parametrów okazało się być najlepszym. Na podstawie przedstawionego na Rys. 12 zestawienia trudno jest jednoznacznie wskazać najlepsze rozwiązanie, albowiem nie da się wskazać jednego wariantu integracji,
który w pełnym zakresie zmienności wszystkich parametrów byłby najlepszy. Jednoznacznie natomiast da się wyróżnić dwa warianty odbiegające na minus możliwościami od pozostałych. Te dwa najgorsze warianty to wariant 1 i 3 czyli te, w których powietrze po suszeniu wyprowadzane jest do atmosfery. Można zatem stwierdzić, że rozwiązanie z domieszaniem czynnika suszącego po suszeniu, do powietrza wprowadzanego do komory paleniskowej kotła jest rozwiązaniem lepszym. a) b) c) d) Rys. 12 Porównanie wariantów integracji Ponieważ w przypadku wpływu wilgotności względnej paliwa po suszeniu oba warianty (wariant 2 i 4) są pod względem efektywności praktycznie jednakowe, a wariant 4 wykazuje pewną przewagę w przypadku wilgotności powietrza atmosferycznego oraz temperatury czynnika suszącego podawanego do komory suszącej, można uznać, że najlepszym z rozważanych rozwiązań integracji procesu podsuszania paliwa z rozważanym nadkrytycznym blokiem energetycznym jest wariant 4, w którym czynnik suszący zostaje przygotowany przed suszeniem z wykorzystaniem spalin kotłowych, a po suszeniu, strumień powietrza suszącego zostaje domieszany do głównego strumienia powietrza kotłowego i wraz z nim wprowadzany do komory paleniskowej kotła. Podsumowanie W pracy przedstawiono analizę, jakiej poddano proces wstępnego podsuszania paliwa pod kątem jego integracji z obiegiem cieplnym bloku oraz konsekwencji termodynamicznych procesu dla ogólnej sprawności bloku. Przedstawiono analizę różnych wariantów realizacji procesu powietrznego podsuszania paliwa wśród których wyróżniono dwa warianty źródła energii dla przygotowania czynnika suszącego: 1. przygotowanie za pośrednictwem pary upustowej oraz 2. przygotowanie za pośrednictwem spalin kotłowych. oraz dwa warianty wyprowadzenia czynnika suszącego z komory suszarki: 3. z wyprowadzeniem powietrza po suszeniu do atmosfery oraz 4. suszenie z domieszaniem strumienia powietrza suszącego, po opuszczeniu suszarki, do strumienia powietrza doprowadzanego do komory paleniskowej kotła. Dla wszystkich analizowanych wariantów przeprowadzono analizę wpływu, na ogólną sprawność energetyczną bloku, najważniejszych z punktu widzenia procesu
suszenia, parametrów termodynamicznych, takich jak: parametry otoczenia (dla suszenia powietrzem zewnętrznym), stopnia osuszenia paliwa (zawartości wilgoci w paliwie po suszeniu), jak również źródła pary dla przygotowania powietrza suszącego. Uzyskane rezultaty wskazują na zróżnicowany wpływ poszczególnych wariantów na ogólna sprawność bloku, jednak niezależnie od rozwiązania podsuszanie paliwa pozwala na uzyskanie znacznego przyrostu sprawności bloku, a w konsekwencji zmniejszenie jednostkowego zużycia paliwa oraz emisji szkodliwych zanieczyszczeń. Bibliografia [1] Strumiłło Cz.: Podstawy teorii i techniki suszenia, WNT, Warszawa 1983 [2] SimTech, IPSEpro Users Manual