Co zrobić z drewnem odpadowym? ORC z blokiem zimna prof. zw. dr hab. Włodzimierz Kotowski (Energia Gigawat wrzesień 2002) Istnieje wiele technologii w obszarze rozproszonej energii a szereg z nich autor zaprezentował w kilku wcześniejszych artykułach ale ta pod nazwą Organic Rankine Cycle (Proces ORC) austriackiej firmy BIOSTROM-ERZEUGUNGS GmbH, bazującej na odpadowym drewnie i sprzężonej z absorpcyjnym blokiem zimna, zasługuje na szczególną uwagę specjalistów przede wszystkim w naszym kraju. Polska dysponuje ogromnymi zasobami drewna odpadowego które od dziesięcioleci marnuje się a jednocześnie zabiegamy o nowych dostawców najdroższego nośnika energii, którym jest gaz ziemny. Poniżej przedstawia się pracującą od marca 2002 roku elektrociepłownię w Austrii z licznymi elementami innowacyjnymi w ramach kompleksu: BIOMASA ENERGIA ELEKTRYCZNA CIEPŁO - ZIMNO, zapewniającego pełną harmonię ze środowiskiem oraz wysoką efektywność ekonomiczno-gospodarczą. Dostarczane drewno odpadowe poddaje się wielostopniowej obróbce w obiekcie wg rys. 1. Z operacyjnych zbiorników magazynowych paliwo transportuje się w sposób ciągły do paleniska pieca, gdzie w dwóch strefach zachodzi jego spalanie. Proces spalania przebiega bez ujemnych skutków dla środowiska, a w dodatku w wyniku pełnego spopielenia drewna, popiół okazuje się doskonałym nawozem mineralnym, głównie dla leśnictwa. Wyzwolone w piecu ciepło zostaje przez cyrkulujący syntetyczny olej silikonowy i organiczną substancję w postaci pary przeniesione przez turbinę do wytwornicy energii elektrycznej całość pracująca wg technologii pod nazwą Organic Rankine Cycle, co w skrócie określono jako proces ORC. Zamiana termicznej energii w elektryczną następuje przez dwustopniową, wolnoobrotową turbinę. Gorący olej obiegowy nie służy do produkcji pary z wody, ale tę funkcję spełnia cyrkulująca substancja organiczna i stąd nazwa procesu jak ORC. Ciepło nadmiarowe zostaje w kondensatorze procesu ORC przejęte przez cyrkulującą wodę tak dla celów ogrzewnictwa domów, jak i dla agregatu zimna pracującego wg zasady technologii absorpcyjnej. Koncepcja sprzężenia biomasy energii elektrycznej ciepła zimna uwzględniła ostre wymagania obejmujące: - Wysoki, powyżej 95% stopień niezawodności eksploatacyjnej całego kompleksu urządzeń przy pełnym obciążeniu przez 7500 godzin rocznie, ze względu na ewentualne skutki ekonomiczno-gospodarcze u odbiorcy zimna tj. w firmie ALPLA. - 1 -
- Narzucony poziom niezawodności całego kompleksu wymusił ostre wymagania wobec właściwości fizyko-chemicznych odpadów drewna opałowego. Ich jakość i skład (kawałki drewna i kory różnorakiego pochodzenia, udział trocin itp.) trzeba utrzymać w wąskich granicach tolerancji, a w dodatku przy niezawodnym usuwaniu zanieczyszczeń metalowych oraz mineralnych. - Jakość spalin winna spełniać najnowsze normy Unii Europejskiej, ujęte wytyczną 2000/76/EG, co wymusiło innowacyjną obróbkę spalin oraz wdrożenie procesu spalania, minimalizującego zawartość NO x. Uruchomiony przez firmę BIOSTROM-ERZEUGUNGS GmbH kompleks energetyczny zapewnia z odpadowej biomasy dostawę do austriackiej sieci 8250 MWh energii elektrycznej rocznie. Zaoszczędzono ponadto 3400 MWh/rok energii elektrycznej w wyniku zastąpienia sprężarkowego agregatu zimna przez efektywniejszy na bazie ciepła odpadowego a pracujący w oparciu o technologię absorpcyjną. Ostatecznie omawiany kompleks energetyczny odprowadza 19.500 MWh/rok energii termicznej dla celów ciepłowniczych oraz 24.000 MWh/rok dla wytwórczości zimna. Wsad opałowy W omawianym kompleksie utylizuje się ogromną paletę odpadów drewna i kory: wiatrołomy, zużyte opakowania, odpady tartaczne i budowlane, wióra, trociny, kora itp. Na miejscu są one niezwykle starannie uwalniane od wszelkich zanieczyszczeń nieorganicznych, a potem rozdrabniane na urządzeniach, częściowo widocznych na rys. 1. Roczny przerób tych odpadów zaplanowano na 50.000 ton, przy czym rytmiczność dostaw do paleniska zabezpieczają dwa okrągłe, stalowe zbiorniki. Operacje sortowania, oczyszczania i rozdrabniania zostały tak dopracowane, że ewentualne zaszlakowanie paleniska jak i rur obiegu olejowego w kotle jest mało prawdopodobne. Palenisko Zaprojektowano je na parametry eksploatacyjne, minimalizujące tworzenie się tlenków azotu przy termicznej wydajności 9750 kw. Założono 20-procentową rezerwę cieplną, gdyż w normalnym ruchu uzysk ciepła z paleniska wynosi 7800 kw. W pracach projektowych uwzględniono taką geometrię paleniska pod kątem czasu przebywania reagentów i tak dobrano dopływy powietrza do pierwszej oraz drugiej strefy spalania, by móc regulować w określonych granicach czas spalania oraz rozkład temperatur, co uwidoczniono na rys. 2 a wszystko to celem minimalizacji NO x w spalinach. Odpowiednie symulacje komputerowe w - 2 -
ramach w/w problematyki projektowej wykonała firma BIOS BIOENERGIESYSTEME GmbH w Austrii. Wszystkie te przedsięwzięcia złożyły się na wybudowanie wysokoefektywnej relatywnie prostej i łatwej w obsłudze elektrociepłowni na bazie odpadów drewna, która w dodatku przyjazna jest środowisku. Kocioł olejowy W przeciwieństwie do klasycznych elektrociepłowni z turbinami na parę wodną w omawianym przypadku firma BIOSTROM-ERZEUGUNGS GmbH zastosowała syntetyczny olej silikonowy jako nośnik ciepła. Dzięki temu bez ciśnieniowego kotła wodno-parowego można tego typu olej podgrzać do wymaganej w procesie ORC temperatury 300 st. C. By uzyskać maksymalnie możliwą sprawność kotła (rys. 3) pracuje się pod normalnym ciśnieniem z wydzielonymi strefami radiacyjną oraz konwekcyjną przy częściowej cyrkulacji spalin. Kocioł olejowy został dodatkowo wyposażony w elementy czyszczące (cyrkulującymi kulami) rury z będącym w obiegu nośnikiem ciepła przed zaszlakowaniem, co wydłuża czasookres ich eksploatacji i odczuwalnie poprawia stopień sprawności całego układu. Na wypływie spalin ze strefy konwekcji zainstalowano wstępny podgrzewacz oleju cyrkulacyjno-grzewczego, a zaraz za nim domontowano podgrzewacz wody gorącej dla absorpcyjnego agregatu zimna. Moc zainstalowana kotła olejowego wynosi 6200 kw, natomiast podgrzewacza wody gorącej dla instalacji zimna jest w wysokości 1000 kw. Oczyszczanie spalin Aby sprostać wymogom ochrony środowiska wg wytycznych Unii Europejskiej nr 2000/76/EG, opracowano nowoczesne urządzenia i zainstalowano instalację oczyszczania spalin, którą ilustruje rys. 4, a będącą pod stałą kontrolą przez zestaw analizatorów, rejestrujących zawartość tlenków azotu, tlenku i dwutlenku węgla w gazach emitowanych do atmosfery. Wypływające z kotła spaliny zostają wstępnie oczyszczone z większych cząstek popiołu w multicyklonie, z którego podajnikiem ślimakowym są odprowadzane do kontenera. Następnie dodaje się do spalin poprzez inżektor drobno zgranulowany wodorotlenek wapnia, celem ich osuszenia, chemisorbcji HCl, HF oraz SO 2. Stąd spaliny zawierające poniżej 11% tlenu przepływają do wysokosprawnego filtra tkaninowego, na którym następuje prawie całkowite wydzielenie pyłu, bo do poziomu 3 mg/m 3 N. Okresowe usuwanie - 3 -
pyłu popiołu z rękawów filtra dokonuje się odwrotnie kierowanym przedmuchem powietrza, gromadząc odpad w odpowiednich kontenerach. * Zasada wytwarzania energii elektrycznej i ciepła w konwencjonalnym układzie kogeneracyjnym z udziałem wody i jej pary jest tylko bazą procesu ORC. Różnica polega na tym, że zamiast wody (o relatywnie bardzo wysokim cieple parowania) stosuje się tu substancję organiczną o specyficznych właściwościach termodynamicznych - stąd nazwa procesu: ORGANIC RANKINE CYCLE (ORC). Schemat tego procesu prezentują rys. 5-6. Dla elektrociepłowni o mocy elektrycznej do 2 MW proces ORC wykazuje szereg zasadniczych zalet w odniesieniu do kogeneracji na bazie wodno-parowej. Dwustopniowa turbina, zasilana oparami (z reguły określonym izowęglowodorem przykładowo i-c 5 H 12 ) substancji organicznej pracuje na małych obrotach, i w dodatku jest sprzężona z elektrogeneratorem bez kosztownej przekładni. Taki układ jest tani inwestycyjnie-eksploatacyjnie, a w dodatku charakteryzuje go wysoka sprawność. Oczywiście ciecz organiczna i jej opary są w hermetycznie szczelnym obiegu i nie ma tu kosztownej demineralizacji wody kotłowej. W dodatku ciecz organiczna jest ogrzewana syntetycznym olejem silnikowym, który cyrkuluje przez kocioł pod normalnym ciśnieniem, a nagrzewany bywa do temperatury 300 st. C. To wszystko minimalizuje personel obsługi, koszta inwestycyjno-remontowe i zapewnia wysoki stopień niezawodności ruchu. Ten układ aparatów procesowych tak zbudowanej elektrociepłowni jest szczególnie dogodny i ekonomicznie wysoko rentowny, gdy zostanie sprzężony z agregatem zimna absorpcyjnego, co schematycznie ujęto na rys. 6. Odpadowe ciepło tej elektrociepłowni przejmuje po regeneratorze opar turbiny woda, która cyrkuluje przez kondensator (zainstalowany po powyższym), a która następnie jest dogrzewana do 75-95 st. C w ekonomizerze (wymienniku ciepła), zabudowanym na ciągu spalin przed instalacją ich oczyszczania. Tak nagrzana woda płynie do desorbera agregatu zimna, pracującego wg technologii absorpcyjnej, a wraca z niego (w ramach cyrkulacji) o temperaturze 55-75 st. C. Część gorącej wody ogrzewa domy mieszkalne. Agregat zimna Agregat ten jest ostatnim węzłem procesowym sprzężenia ELEKTROWNIA CIEPŁO - ZIMNO. Uzyskane w elektrociepłowni ciepło przenosi cyrkulująca woda z kondensatora węzła ORC oraz ekonomizera (wymiennika ciepła) spalin do agregatu zimna, którego schemat działania ilustruje rys. 7. - 4 -
Wymiana ciepła między cyrkulującą wodą gorącą, a roboczą cieczą zimną (wodny roztwór bromku litu) w desorberze powoduje częściowe odparowanie czystej wody z tej drugiej. Zagęszczona, robocza ciecz zimna przepływa przez wymiennik ciepła do sekcji absorpcyjnej, natomiast opary wody przepływają do skraplacza, chłodzonego własnym obiegiem zimnej wody przez chłodnię wentylatorową (patrz rys. 9). Ze skraplacza woda przepływa do niskociśnieniowego odparowywacza. Parująca powtórnie woda, pobierając ciepło z otoczenia, ochładza je, a to powoduje oziębienie cyrkulującej cieczy zimna do odpowiednich chłodni. Opary z odparowywacza przepływają do dolnej sekcji absorbera, a z niego część cieczy jest zawracana, reszta natomiast w ramach cyrkulacji przepływa do desorbera, od którego rozpoczęto opis omawianego agregatu zimna. Bilans masowo-energetyczny Na rys. 8 przedstawiono przepływ energii, a na rys. 9 całkowity schemat kompleksu ORC z agregatem zimna. Ten kompleks energetyczny jest prawie przez cały rok w ruchu przy pełnym obciążeniu, co zapewnia wysoki stopień jego wykorzystania przy stratach energii poniżej 8% poprzez odprowadzane spaliny do atmosfery. W ramach 7500 godzin ruchu rocznie uzyskuje się 8250 MWh energii elektrycznej, odprowadzanej do sieci krajowej w wyniku spalania 50.000 ton różnorakich odpadów drewna. Dla agregatu zimna, pracującego metodą absorpcyjną, przeznacza się 24.000 MWh/rok ciepła. Resztę ciepła przeznacza się dla ogrzewnictwa komunalnego w ilościach 19.500 MWh/rok. Termiczna sprawność elektrociepłowni wynosi 74,4%, elektryczna (netto) 14,1%, co stanowi sumarycznie 88,5%. Nakłady inwestycyjne wyniosły na: - elektrociepłownię 6,14 mln euro - agregat zimna 1,35 mln euro W niniejszej rozprawie zaprezentowano niezwykle prostą w budowie oraz eksploatacji lokalną elektrociepłownię, jako pierwowzór budowy własnymi środkami technicznymi wielu podobnych w Polsce, gdyż drewna odpadowego (licząc na powierzchnię kraju) mamy więcej niż Austriacy. - 5 -