1 Układ kondensacji spalin ( UKS ) W wyniku spalania biomasy o dużej zawartość wilgoci: 30 50%, w spalinach wylotowych jest duża zawartość pary wodnej. Prowadzony w UKS proces kondensacji pary wodnej zawartej w spalinach pozwala na odzyskanie ciepła parowania w niej zawartego. Teoretyczna ilość energii, jaką można uzyskać podczas kondensacji pary wodnej, jest równa sumie energii ze schłodzenia wilgotnych spalin do temperatury nasycenia i ciepła parowania wody. Temperatura nasycenia jest funkcją zawartości wilgoci w spalinach. Im wyższa zawartość wilgoci, tym wyższa jest temperatura nasycenia. Na poniższym rysunku przedstawiono zależność między zawartością pary wodnej w mieszaninie gazowej (w % objętościowych), a temperaturą nasycenia. 70 Temperatura nasycenia [ o C] 60 50 40 30 20 10 0 0% 5% 10% 15% 20% 25% 30% Udział pary wodnej [% objętościowy] Zależność między zawartością pary wodnej, a temperaturą nasycenia Schłodzenie wilgotnych spalin do temperatury niższej niż temperatura nasycenia (odpowiadającej wilgoci zawartej w spalinach), powoduje wykroplenie się wody i wydzielenie ciepła parowania. Im większa jest zawartość wilgoci w dopływających spalinach, tym więcej pary wodnej można skondensować i więcej ciepła odzyskać. Wilgotne spaliny dopływają do UKS, gdzie schładzane są przez czynnik odbierający ciepło. Na skutek schłodzenia spalin do wartości temperatury nasycenia, kondensuje się para wodna i wydziela się ciepło parowania. W przypadku Elektrociepłowni, odebrane ciepło zostanie
wykorzystane do podgrzania powrotnej wody sieciowej. W zależności od rozwiązań technicznych UKS, ciepło odebrane ze spalin może być przekazane ze spalin bezpośrednio do wody sieciowej w wymienniku spaliny/woda sieciowa, lub za pomocą dodatkowego wymuszonego obiegu kondensatu i zewnętrznego wymiennika ciepła kondensat/woda sieciowa. Wykroplona para wodna, zwana kondensatem, jest odprowadzana z UKS. Kondensat, który w zależności od składu spalanej biomasy zawiera szereg zanieczyszczeń, może być poddany dalszemu oczyszczaniu. Technologia oczyszczania kondensatu zależy od wymaganego poziomu oczyszczania: do parametrów ścieków oczyszczonych, wody surowej lub też nawet wody zdemineralizowanej. Ilość ciepła możliwa do odebrania w UKS związana jest z temperaturą czynnika chłodzącego. Im niższa jest jego temperatura, tym bardziej można obniżyć temperaturę nasycenia spalin i skondensować więcej pary wodnej. Skondensowanie większej ilości pary wodnej oznacza większe ilości wydzielonego ciepła kondensacji. W wyniku chłodzenia spaliny osiągają temperaturę o kilka stopni wyższą niż czynnik chłodzący. Różnica między temperaturą schłodzonych spalin, a temperaturą czynnika chłodzącego, dopływającego do UKS, wynosi od 1 o C do 5 o C. Różnica ta zależy od rozwiązań technologicznych zastosowanych w UKS: przepływu czynnika chłodzącego, wielkości i zastosowanego materiału do budowy wymiennika. Mniejsza różnica temperatur pozwala na większe obniżenie temperatury spalin i wydzielenie więcej ciepła parowania. W UKS ciepło kondensacji pobierane jest przez cyrkulujący kondensat, który oddaje je powrotnej wodzie sieciowej w zewnętrznym wymienniku ciepła. W przypadku zastosowania UKS nie odzyskuje się ciepła, gdy temperatura powrotnej wody sieciowej jest wyższa od temperatury nasycenia. W efekcie czego UKS nie pracuje dla temperatur powrotnej wody sieciowej powyżej 60 o C (dla 40% wilgotności paliwa). Oprócz funkcji odzysku ciepła ze spalin, w UKS spaliny są skuteczniej doczyszczane. Funkcja ta może być szczególnie przydatna, jeżeli spalane będą zrębki pochodzące z plantacji energetycznych i zawierające dużo chloru czy metali ciężkich (np. gdy plantacja energetyczna jest nawożona osadami z oczyszczalni ścieków). Głównymi korzyściami wynikającymi z zastosowania UKS jest: wzrost sprawności wykorzystania energii chemicznej zawartej w spalanej biomasie, poprzez zwiększoną produkcję ciepła. Dzięki zastosowaniu UKS można osiągnąć do 20% więcej ciepła (dla wilgotności paliwa 40%) niż dla rozwiązań bez UKS, co daje
całkowitą sprawność układu, która dochodzi nawet do 107% (liczoną w odniesieniu do wartości opałowej paliwa) zagospodarowanie powstałego kondensatu i uzyskanie dodatkowego źródła wody. Układ kondensacji spalin pozwala na odzyskanie do 40% wody zawartej w spalinach dopływających do UKS. Czynnikami wpływającymi na opłacalność układu kondensacji spalin (UKS) są: Zawartość wilgoci w paliwie, Temperatura czynnika odbierającego ciepło powrotnej wody sieciowej, Czas wykorzystania instalacji, Relacja pomiędzy nakładami inwestycyjnymi i unikniętymi kosztami wytwarzania ciepła. W celu zwiększenia zawartości wilgoci w spalinach dopływających do UKS, a tym samym ilości ciepła odbieranego w UKS, stosuje się też rozwiązania z nawilżaniem powietrza do spalania. Zwiększenie zawartości wilgoci, związane z wyższą temperatura nasycenia, umożliwia wykorzystanie czynnika odbierającego ciepło o temperaturze powyżej 60 o C. 1.1 Praca UKS w systemie ciepłowniczym Elektrociepłowni Ciepło z układu kondensacji spalin będzie odbierane przez wodę sieciową. Ponieważ moc cieplna UKS związana jest z temperaturą powrotną wody sieciowej, (im niższa temperatura tym wyższa efektywność pracy UKS), włączenie UKS w układ cieplny elektrociepłowni powinno być zrealizowane jako pierwszy stopień podgrzewu powrotnej wody sieciowej, przed wymiennikami podstawowymi. Rozpatrując włączenie UKS w układ cieplny elektrociepłowni, trzeba wziąć pod uwagę: Możliwości zagospodarowania kondensatu powstającego w trakcie pracy UKS. Technologia oczyszczania kondensatu zależy od wymaganego stopnia oczyszczania kondensatu i możliwości jego zagospodarowania: o Oczyszczenie do poziomu czystości umożliwiającego zrzut do odbiornika ścieków oczyszczonych lub podczyszczenie i zrzut do oczyszczalni ścieków przemysłowych. o Oczyszczenie i wykorzystanie jako woda surowa na potrzeby przygotowania wody procesowej. o Oczyszczenie do parametrów wody zdemineralizowanej i wykorzystanie jako wody uzupełniającej w obiegu ciepłowniczym lub obiegu chłodzenia.
Zastosowanie układu podczyszczania kondensatu do stopnia czystości wody surowej, mimo obowiązujących niskich opłat za pobór wody, może być najlepszym rozwiązaniem zagospodarowania kondensatu. Przy obecnych tendencjach racjonalnego i oszczędnego gospodarowania wodą, wykorzystanie kondensatu jako źródła wody surowej może być jednym z istotnych efektów ekologicznych wykazywanych przy staraniu się o dotację dla projektu UKS. Opis technologii Gazy spalinowe doprowadzone do układu kondensacji są zraszane w lekko nachylonych rurach, wyposażonych w dużą liczbę dysz doprowadzających cyrkulujący kondensat. Podgrzany przez spaliny kondensat wpływa do naczynia zbiorczego, skąd jest przepompowywany do zewnętrznego wymiennika ciepła, w którym oddaje pobrane ciepło powrotnej wodzie sieciowej. Następnie kondensat ponownie przepływa przez dysze i pobiera ciepło kondensacji wydzielone podczas chłodzenia spalin. Przepływ wody sieciowej, jako czynnika odbierającego ciepło z UKS wynosi np. 1800 m 3 /h. Układ taki pozwala na osiągnięcie różnicy temperatur około 3 o C pomiędzy temperaturą powrotnej wody sieciowej, a temperaturą spalin wypływających z UKS. Dla przepływu wody sieciowej wynoszącego około 1800 m 3 /h dobiera się rurociągi DN 500. Opór przepływu w wymienniku po stronie wody sieciowej wynosi około 80 100 kpa. Opory przepływu po stronie spalin wynoszą około 1,2 kpa. Zakres dostawy obejmuje również dostawę wentylatora spalin, dobranego do proponowanego skrubera. Zakres dostawy obejmuje również klapę trójdrożną.klapa umożliwia skierowanie spalin do modułu UKS, lub ominięcie modułu UKS i skierowanie spalin do kanału odprowadzającego spaliny do komina. Zakres dostaw nie obejmuje wykonania płyty fundamentowej i wymaganego zadaszenia dla zabudowy skraplacza. Na poniższych rysunkach przedstawiono ilość ciepła możliwą do odzyskania przy zastosowaniu UKS rozwiązanego jako skruber dla przyjętych parametrów pracy kotła biomasowego, w zależności od temperatury powrotnej wody sieciowej dopływającej rurociągiem DN 500, dla paliwa o wilgotności umownej 40%.
20 18 16 14 12 [MW] 10 8 6 4 2 0 40 45 50 55 60 Temperatura [ o C] Ilość ciepła możliwa do odzyskania przy zastosowaniu skrubera w zależności od temperatury powrotnej wody sieciowej UKS [MW] 16 14 12 10 8 6 4 2 0 1 1001 2001 3001 4001 5001 6001 7001 8001 [h] Wykres uporządkowany ilości ciepła możliwego do odzyskania przy zastosowaniu skrubera W okresie letnim (przez około 3760h) odbiór ciepła z UKS będzie jednak niższy, co związane jest z ograniczonym zapotrzebowaniem na ciepło w tym okresie. W celu utrzymania ph kondensatu na poziomie obojętnym, stosowane jest dawkowanie 50% roztworu NaOH. Nadmiar kondensatu jest odprowadzany rurą o średnicy DN 50 do układów oczyszczania kondensatu. Nadmiar kondensatu odprowadzany z układu kondensacji spalin podlega oczyszczeniu w osadniku lamelowym i filtrze piaskowym. Po oczyszczeniu, kondensat charakteryzuje się następującymi parametrami: zawiesina ogólna <10 mg/l ph 6,5 7,5 temperatura. 35-45 o C
zanieczyszczenia olejowe brak Powstały szlam z oczyszczania kondensatu może być zmieszany z popiołem. Kondensat o takich parametrach może być również wykorzystany jako woda surowa podawana do stacji uzdatniania wody. Efekty ekologiczne Zastosowanie UKS ma wpływ na strukturę zużycia paliw pierwotnych w Elektrociepłowni. Dzięki zmniejszeniu zużycia np. węgla, zmniejszą się emisje szkodliwych związków do atmosfery SO 2, NOx, CO, CO 2 oraz pyłów. Nastąpi także redukcja ilości powstającego popiołu i żużla. Potrzeby własne układu kondensacji spalin są stosunkowo niewielkie w porównaniu z nakładami koniecznymi do wyprodukowania tej samej ilości energii cieplnej w układzie elektrociepłowni. W przypadku spalania w kotle biomasowym paliwa o wysokiej zawartości zanieczyszczeń, układ kondensacji spalin będzie spełniał również rolę kolejnego etapu oczyszczania spalin. Ze względu na zastosowaną technologię płukania spalin, w układzie ze skruberem usuwana jest większa ilość zanieczyszczeń. Skuteczny proces oczyszczania kondensatu pozwala na wykorzystanie kondensatu opuszczającego UKS jako wody surowej. Przyczynia się to do zmniejszenia wydobycia wód z ujęć podziemnych.