Modernizacja źródeł ciepła w oparciu o kogenerację z wykorzystaniem paliw biomasowych i RDF aspekty techniczne i ekonomiczne Norbert Grudzień, IGCP Warszawa, 11 2013 1
BIOMASA W KOGENERACJI Biomasa jako odnawialne źródło energii budzi coraz większe zainteresowanie wśród potencjalnych jej odbiorców na świecie, w tym także i w Polsce. Wykorzystanie biomasy na cele energetyczne w Polsce będzie rosło ze względu na przyjętą przez Unię Europejską dyrektywę o udziale energii odnawialnej w ogólnej produkcji energii we wszystkich państwach członkowskich. Biomasa poprzez swoje właściwości energetyczne jest alternatywnym źródłem energii, które z powodzeniem może zastąpić dotychczasowe technologie kogeneracyjne, oparte na tradycyjnych paliwach kopalnych (np. węgiel). Słoma może stanowić poważne źródło ekologicznej energii pod warunkiem, że będą stosowane właściwe kotły do spalania. Najlepiej, aby była to słoma szara. 2
DOSTĘPNOŚĆ PALIWA BIOMASOWEGO Polska jest dużym producentem słomy +produkcja słomy w Polsce wynosi ok. 25 mln ton/rok, +hodowla zużywa 5-7 mln ton/rok, +produkcja podłoża dla grzybów 7-8 mln ton/rok, +nadwyżka słomy wynosi 10-12 mln ton/rok. +szacuje się że, około 50 do 70 % tej nadwyżki może być wykorzystana do celów energetycznych, +Polska ma potencjał produkcji ok 2.5 mln ton siana, +Polska posiada potencjał ok 500-600 tys. ha do zagospodarowania pod uprawy energetyczne, + oznacza to 8-10 mln ton biomasy, 140 mln GJ paliwa + do upraw mogą być przeznaczane najgorsze gleby IV i V kategorii + dzisiejszy koszt wyprodukowania GJ paliwa z miskantusa ok. 16 pln + brak lokalnych źródeł odbioru i niestabilność cen barierą rozwoju upraw 3
RODZAJE PALIW BIOMASOWYCH Biomasa Pochodzenia rolniczego Pochodzenia drzewnego Z roślin energetycznych Słoma jako wartościowy surowiec energetyczny wartość opałowa wynosi około 13,5MJ/kg niska zawartość w spalinach tlenków siarki 0,13-0,16% wag., i tlenków azotu 0,35-0,41% wykorzystanie popiołu jako roślinnego nawozu mineralnego Zrębki surowiec o bardzo szerokim zastosowaniu energetycznym średnia wartość opałowa wynosi 9,5MJ/kg bardzo niska zawartość w spalinach tlenków siarki <0,1% wag., i tlenków azotu 0,45% pozyskiwanie masy z różnych źródeł: z lasów, sadów oraz przecinek miejskich Korzystne warunki glebowe do uprawy większości roślin energetycznych wierzba wiciowa, ślazowiec pensylwański, miskant olbrzymi, miskant cukrowy, słonecznik bulwiasty, inne: topola, proso, konopie indyjskie, 6.325 t/mwe 1.070 t/mwe Pozytywny bilans spalania biomasy Ilość oddanego do atmosfery CO 2 bilansuje się z jego asymilacją przez rośliny w procesie wzrostu. 4
TECHNOLOGIA EC Biomasa Każdy podmiot obsługujący elektrownię rozumie znaczenie stabilności mocy oddawanej niezależnie od zmian w dostawie paliwa. Elektrownie, w których można wykorzystywać różne paliwa, na przykład biomasę z drewna i słomy, oferują większą elastyczność i mniejszą zależność od jednego źródła paliwa. Każde rozwiązanie technologiczne jest dostosowane tak, aby zużywać różne rodzaje odpadów rolniczych, leśnych i nieorganicznych. Podniesione parametry pary w systemach wysokociśnieniowych oraz wysokotemperaturowych przyspieszają przepływ pary i umożliwiają osiągnięcie widocznej poprawy wydajności energetycznej. 5
TECHNOLOGIA System podawania słomy System magazynowania i podawania słomy Systemy są wysoce zautomatyzowane, łatwe w obsłudze oraz bardzo stabilne. Wyspecjalizowane systemy bezpieczeństwa chronią paliwo przez pożarem, samozapłonem lub zakleszczeniem się. System podawania paliwa wykorzystuje bele słomy pochodzące z lokalnych farm, dostarczanych na podstawie umów krótko i długoterminowych. Magazyn dokładnie na czas zaprojektowano tak, aby pomieścił do 10000 bel, co wystarcza na prace elektrowni przez 200 godzin. Bele słomy dostarczane są do magazynów ciężarówkami. Od tego punktu wszystko jest zautomatyzowane. Dźwignice wykorzystywane są do podnoszenia beli i jednoczesnego sprawdzania wagi oraz wilgotności zawartości słomy. W pełni zautomatyzowany system rozładunku jest pierwszym tego rodzaju systemem. Bele są następnie składowane lub przenoszone bezpośrednio na przenośniki automatyczne, które transportują paliwo do podajnika. Nóż automatyczny tnie sznurki, a zrywarki służą poluzowaniu paliwa przed jego umieszczeniem w kotle. 6
TECHNOLOGIA Ruszt Ruszt wibracyjny chłodzony wodą Ruszt wibracyjny firmy DP CleanTech został zaprojektowany do spalania paliw pochodzących z biomasy. Potwierdziło się, że jest to najlepszy system spalania, szczególnie w przypadku paliw pochodzenia agrarnego i paliw drzewnych. Podniesiona gotowość operacyjna: Część powietrza do spalania dostarczana jest do kotła spod rusztu, a pozostałe powietrze doprowadzane jest przez dysze znajdujące się powyżej rusztu. Obszar zapłonu rusztu stabilizowany jest opatentowanym systemem doprowadzenia powietrza zapłonowego. Wibracje odbywają się cyklami zmieniającymi się co 1,5-3 minut przez okres 5-10 sekund. Popiół z paliwa i żużel transportowane są w dół rusztu do kolektorowa żużlu wraz z wypalonym paliwem. Wibracje przeciwdziałają tworzeniu się dużych cząsteczek żużla, które są typowe dla paliw w formie słomy i odpadów drewnianych. Dzięki temu ruszt jest odpowiedni do spalania paliw z wysokimi właściwościami zażużlającymi oraz spiekającymi. Zwiększona wydajność: Ruszt wibracyjny chłodzony wodą jest w pełni zautomatyzowany stanowiąc jeden z czynników wpływających na osiągane sprawności przez kotły na poziomie 90-91%. Wynika to z ruchu wibrującego oraz systemu rozprowadzania powietrza, który optymalizuje proces spalania rozkładając go równo na całej powierzchni rusztu. Zwiększona elastyczność paliwowa: Ruszt wibracyjny jest jednym z niewielu rusztów, który można efektywnie przystosować do mieszanek paliwa drzewnego oraz paliw pochodzenia rolnego. 7
TECHNOLOGIA Kocioł Kocioł wysokociśnieniowy i wysokotemperaturowy Kocioł parowy pracuje na wysokich parametrach pary (112 bary i 540 C). Niska temperatura wylotu spalin (120-130 C) oraz efektywne spalanie przekładają się na wyższą sprawność kotła (90%-92%) Poprzez odpowiednio dobrane materiały i zaawansowany system kontroli temperatury zapobiega się zanieczyszczeniu oraz korozji powstałych z paliwa w postaci słomy. Co więcej, wdmuchiwacz sadzy wraz z wodą w kotle redukują zażużlanie i korozję, a także podnoszą jego wydajność. Aby wyeliminować problemy związane korozją wysoko i niskotemperaturową oraz nawarstwianiem popiołu, wykorzystano specjalnie zmodyfikowane konstrukcje, metale oraz środki specjalistyczne: - opatentowany podgrzewacz wody ogrzewany wodą zasilającą kotła zamiast spalin powodujących korozję, - przewody podgrzewacza nie są wyposażone w żeberka, które mogłyby zablokować przepływ gazu - 3 etapy podawania powietrza spalania oraz 4 stopnie podgrzewacza pary przekładają się na wysoką elastyczność kotła w zakresie rodzaju I zawartości wilgoci w paliwie. Oczyszczanie spalin Kocioł parowy wyposażony jest w filtr workowy do usuwania zanieczyszczeń nierozpuszczonych. Emisja elektrowni jest znacznie poniżej standardów UE. Obniż0no emisję SO2 i HCI o 95%. Wydajność Temperatura Ciśnienie t/h C bar 15,0 480 60 43,2 542 90 88,0 543 112 164,2 540 112 8
PROJEKT REFERENCYJNY 9
SCHEMAT BILANSOWY ENERGII Elektrociepłownia parowa na biomasę z turbiną upustowo-kondensacyjną 20 MWe/40MWt Para technologiczna cisnienie 3,5 bar temperatira 160 oc Turbina parowa 20,0 MWe upustowo - kondensacyjna Woda sieciowa do ZEC parametry 130/70 oc Energia elektryczna Kocioł parowy wydajność 88 t/h temperatura 543 oc Biomasa 90% słoma Moc elektryczna turbiny parowej MW 20,0 Moc elektryczna średnioroczna MW 17,9 Produkcja energii elektrycznej brutto A b MWh 144 044 Całkowita produkcja ciepła użytecznego Q uq GJ 615 668 Całkowita energia chemiczna zużytych paliw Q b GJ 2 038 150 Czas pracy urządzeń h 8 040 Sprawność wytwarzania energii elektrycznej i ciepła łącznie η % 55,65 Oszczędność energii pierwotnej PES 30,02 Ilość energii elektrycznej w kogeneracji A bq MWh 79 754 MWe MWt 38 38 36 36 34 34 32 32 30 30 28 28 26 26 24 24 22 22 20 20 18 18 16 16 14 14 12 12 10 10 8 8 6 6 4 4 2 2 0 0 10
ZAKRES RZECZOWY Budowa elektrociepłowni jako źródła energii elektrycznej o mocy ~20 MWe pracującego w skojarzeniu z wykorzystaniem biomasy. Zainstalowanie kotła parowego o wydajności 88 t/h opalanego biomasą. Zainstalowanie turbozespołu upustowo-kondensacyjnego o mocy ~20 MWe wraz ze stacją ciepłowniczą o mocy cieplnej 40 MWt. Prace projektowe i ekspertyzy. Dokumentacja wykonawczo-montażowa. Zabezpieczenie ruchu istniejącego zakładu. Magazyn biomasy. Układ przygotowania i transportu biomasy do kotła. Budynek kotłowni. Budynek maszynowni. Kocioł parowy opalany biomasą wraz z urządzeniami pomocniczymi. Kanały spalin od kotła do czopucha. Turbozespół upustowo-kondensacyjny wraz z urządzeniami pomocniczymi. Nastawnia blokowa AKPiA, system komputerowy. Rurociągi wysokoprężne i wysokotemperaturowe bloku. Rurociągi średnio i niskoprężne bloku. Pompy wody zasilającej. Stacja odgazowania wody zasilającej. Stacja ciepłownicza. Pomocnicze instalacje cieplne i mechaniczne. Rozdzielnia 6 kv i 0,4 kv. Sieć kabli elektroenergetycznych i sygnalizacyjnych bloku. Urządzenia i instalacje elektryczne potrzeb własnych bloku. Chłodnia wentylatorowa. Rurociągi wody chłodzącej. Stacja demineralizacji wody. Urządzenia elektryczne wyprowadzenia energii na napięciu generatorowym. Stacja transformatorowa. Wyprowadzenie pary. Wyprowadzenie wody gorącej z bloku. Urządzenie odpylające kotła parowego opalanego biomasą. Odżużlanie kotła opalanego biomasą. Łącznik komunikacyjny. Instalacje i urządzenia specjalne. Drogi kołowe, place. Sieć wodociągowa. Sieć kanalizacyjna. Sieć elektryczna. Oświetlenie terenu. Ogrodzenie terenu. Ukształtowanie terenu. Zieleń. 11
PRZYKŁADOWA ZABUDOWA ECB 12
PALIWO RDF RDF (Refuse Derived Fuel) paliwo alternatywne o unormowanych właściwościach jakościowych (wartość energetyczna, zawartość chloru) wytworzone z odpadów innych niż niebezpieczne wykorzystywane jako źródło energii w procesach spalania w zależności od zawartości i wilgotności osiągające od 25 do 3 MJ/kg oraz od <0,2 do <3 % udziału chloru. SITO ROZDROBNIENIE BIOSUSZENIE RDF ODAPDY ODPADY ODPADY PALIWO Najpopularniejszą metodą produkcji RDF jest metoda biostabilizacji i biosuszenia odpadów komunalnych. Tak wytworzone paliwo ma wartość opałową na poziomie 14-16 MJ/kg. Po przeprowadzeniu dodatkowego suszenia wzrasta do ok. 17-18 MJ/kg.
POTENCJAŁ RDF W POLSCE Użycie RDF w celu produkcji energii elektrycznej i cieplnej jest rozwiązaniem powszechnie stosowanym na świecie. W polskich warunkach z 13 mln ton odpadów komunalnych powstających co roku ok 6 mln ton stanowią frakcje palne czyli materiał do produkcji RDF. RDF jako lokalne paliwo produkowane w obrębie dużych siedlisk ludzkich nadaje się idealnie do rozwoju rozproszonej energetyki kogeneracyjnej. 6 milionów ton rocznie o kaloryczności ca 14 GJ/tona oznacza ok 80 mln GJ w paliwie pierwotnym. Pozwala to na wyprodukowanie łączne 5,6 TWh energii elektrycznej i 28 750 000 GJ ciepła ( pokrycie zapotrzebowania na ciepło 29 miast wielkości Koszalin i 4 % rocznej konsumpcji energii elektrycznej w Polsce). Oznacza to powstanie ok. 45 lokalnych 20 MWe/35 MWt elektrociepłowni lokalizowanych wg logiki dostępności paliwa. 14
TECHNOLOGIA ECR Kocioł rusztowy umożliwia użycie do produkcji energii paliwa alternatywnego RDF. Możliwe jest także zastosowanie kotła ze złożem fluidalnym Technologie rusztowe są rozwiązaniami dominującymi obecnie na świecie przy użyciu paliwa RDF do produkcji energii elektrycznej/cieplnej. Zapewnia ona stabilność i przewidywalność, wymaga relatywnie nisko jakościowego materiału ( porównując z cementowniami). Parametry pary uzyskiwane z kotła w oparciu o RDF pozwalają na uzyskanie wysokich sprawności 15
TECHNOLOGIA Ruszt Ruszt schodkowy Ruszt schodkowy jest jedynym na świecie całkowicie płaskim rusztem spalania. Jest to wysoce wydajna platforma spalania obsługująca trudniejsze paliwa, takie jak wióry drewna, torf i odpady miejskie. Ruszt schodkowy może również obsłużyć metale o niskim punkcie topnienia, takie jak aluminium (cienka folia, puszki, itp.) lub cynk (galwanizowane śruby, itp.). Ruszt schodkowy składa się z zamontowanych na stałe oraz ruchomych rzędów płytek rusztu. Ruchome płytki rusztu przesuwają paliwo przez komorę spalania pod kątem zapewniając w ten sposób dobrą jakość wypalenia. Podniesiona gotowość operacyjna: Opatentowane płytki rusztu chłodzonego wodą wykorzystywane są w przypadku problematycznych paliw o wartości kalorycznej wyższej niż 12MJ/kg. Umożliwiają one zwiększony okres eksploatacji rusztu. Parametry kotłów parowych na RDF Wydajność Temperatura Ciśnienie t/h C bar 39,0 400 40 90,0 405 42 157,0 499 124 16
PRZYKŁADOWA ZABUDOWA ECR 17
Dziękuję za uwagę Norbert Grudzień 604 639 739 e-mail: norbert.grudzien@eek.com.pl www.eek.com.pl