Układy kogeneracyjne ORC z kotłem termoolejowym na biomasę

Układy kogeneracyjne ORC z kotłem termoolejowym na biomasę

ORC współpracujący z kotłem oleju termalnego Dwa niezależne obiegi Obieg temperatury niskiej Obieg temp. wysokiej Kocioł Sugimat ORC Biomasa Energia elektryczna Gorąca woda 80/90 o C

Kocioł olejowy na biomasę z układem ORC Kocioł (wymiennik) Elektrofiltr Komin ORC Ekonomizer Silos Wentylator System śluzy z dwoma klapami. Komora spalania Podajnik paliwa

Co to jest ORC? Regenerator Turbina Generator prądu Skraplacz Parownik Pompa obiegowa

Co to jest ORC? Do procesu ORC jest doprowadzany olej termalny, który podgrzewa w parowniku odpowiedni organiczny czynnik roboczy i zamienia go w parę (8 3 4). Para czynnika roboczego napędza turbinę (4 5), połączoną za pomocą sprzęgła elastycznego bezpośrednio z generatorem prądu. Para wylotowa z turbiny wpływa do regeneratora (5 9), podgrzewając kondensat czynnika roboczego (2 8). Następnie para ulega skropleniu w skraplaczu, który jest chłodzony powrotem gorącej wody (9 6 1). Na koniec kondensat jest podawany pompą obiegową (1 2) poprzez regenerator do parownika i tym samym cykl termodynamiczny w układzie zamkniętym zostaje zakończony.

Co to jest ORC? 100% energii z kotła Sugimat ORC 80% ciepło 18% elekt. brutto 2% straty Zalety: wysoka sprawność procesu termodynamicznego, wysoka sprawność turbiny, niskie obciążenie mechaniczne i niskie obroty turbiny, - cichobieżna praca, w czasie rozprężania nie występuje stan ciekły (nie zachodzi erozja łopatek turbiny), łatwe uruchamianie i zatrzymywanie urządzenia, ciągła i w pełni automatyczna praca, małe potrzeby osobowe: ok. 3 5 godz. w tygodniu, niskie koszty serwisu i utrzymania, wysoka niezawodność (dyspozycyjność 98 %,) praca z obciążeniem częściowym do 35 % mocy kotła lub 10% mocy układu ORC, wysoka sprawność również przy obciążeniu częściowym, wysoka żywotność urządzenia.

Sprawność układu ORC Co to jest ORC? Sprawność rzeczywista układu ORC 1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100% Obciążenie układu ORC

Sprawność elektryczna układu ORC Co to jest ORC? 0,20 0,16 0,12 0,08 0,04 0,00 0 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100% Obciążenie cieplne układu ORC

Gabaryty przykładowego układu ORC?

Paliwo biomasa. Czynniki jakie należy rozważyć przy wyborze biomasy: popiół (elementy stałe nie spalone podczas spalania, czym większy zawartość popiołu w paliwie tym niższa sprawność), wilgotność (czym mniejsza tym lepsze spalanie, problem CO), substancje lotne (kombinacje węgla, wodoru i innych gazów, powyżej 65% substancji lotnych sprzyja spalaniu), zawartość węgla, wartość opałowa.

Koncepcja technologiczna całej instalacji.

Silos zasypowy biomasy (ruchome podłogi) Popychacze Silos pracuje ciągnąc paliwo. Siłowniki hydrauliczne

Podajnik biomasy Przenośnik taśmowy z poprzeczkami (zabierakami) System doprowadzenia paliwa do paleniska nie powinien być chłodzony woda. Rozmiar pojedynczych elementów paliwa do 500 mm długości.

Podajnik biomasy System śluzy z dwoma klapami (otwierającymi się naprzemiennie) Reguluje podawanie paliwa. Służy jako wydajny system chroniący przed płomieniem wstecznym. Posiada bardzo dużą odporność Umożliwia wprowadzanie większych elementów paliwa

Ruszt w kotłach biomasowych z olejem termalnym Ruszt mechaniczny schodkowy Sugimat Większa wytrzymałość dzięki zastosowanemu systemowi przesuwnemu Carros (kule zamiast łożysk), które nie potrzebują konserwacji, Możliwa wilgotność maksymalna paliwa - 50% Elementy rusztu wysokiej jakości z minimalną zawartością chromu 27% (wytrzymałość na wysoką temperaturę); stop Ni Mo (dające wytrzymałość na uderzenia i naprężenia mechaniczne), Pojedynczy element rusztu maks. 500 mm długości, Kocioł(wymiennik) nie powinien być umieszczony bezpośrednio nad rusztem, Ruszt chłodzony powietrzem (schłodzone wodą+odlewy niższej jakości grozi utworzeniem się rozżarzonej masy wewnątrz paleniska przez co ruszt pozostaje bez chłodzenia co powoduje znaczne zużywanie się, niszczenie).

Zastosowanie: kora, biomasa leśna, paliwa generujące popiół. Ruszty firmy Sugimat został zainstalowany w ponad 350 kotłach obecnie pracujących o mocy od 1 MW do 50 MW.

Ruszt w kotłach biomasowych z olejem termalnym Najważniejsze elementy do rozważenia przy doborze rusztu: powierzchnia rusztu uzależniona od spalanego paliwa, ruszt chłodzony powietrzem, jest możliwe spalanie rożnego rodzaju biomasy......ale należy rozważyć: granulacje, wartość opałowa, zawartość popiołu w paliwie i jego punkt płynięcia. Przez system mogą przejść w małych ilościach niektóre kawałki: kamieni - o wielkości myszy komputerowej, grudy błota o średnicy do 100 mm, małe metalowe kawałki <sześcian o boku 35-40 mm. W tych trzech przypadkach te elementy zostaną odprowadzone z systemem odpopielania.

Komora spalania. Najważniejsze elementy do rozważenia przy doborze komory spalania: W całości zbudowana z cegły szamotowej, beton tylko w przewodach spalinowych lub komorze adiabatycznej, Grubość ściany min. 500mm, W przypadku spalania biomasy istnieje problem CO a nie NOx, czym większa wilgotność paliwa tym większy problem z CO i trzeba stosować komorę adiabatyczna,

Ruszt, komora spalania. Komora spalania i ruszt PROBLEMY w innych rozwiązaniach Nagromadzenie popiołu

Komora adiabatyczna

Komora adiabatyczna Komora adiabatyczna (dopalająca) jest to pionowa komora cylindryczna umieszczona powyżej komory spalania. Jej zadaniem jest obniżenie poziomu emisji CO dzięki zasadzie 3T: temperatura, czas przebywania i turbulencje (min. 850 C, min. 2/3 sekundy). umieszczona jest bezpośrednio nad komorą spalania, dzięki przepływowi spalin przez komorę adiabatyczną otrzymuje się niską emisje CO w spalinach na wylocie z komina, jest ona wykonana z materiałów ogniotrwałych oraz izolacyjnych, posiada sklepienie do wymuszenia obiegu spalin, co skutkuje dopaleniem cząstek CO oraz opadaniem bezpośrednio na ruszt i usunięciem ich razem z żużlem - samooczyszczanie

Kanał łączący pokryty betonem. Jest to prostokątny kanał, którego strop składa się z ogniotrwałego betonu, a podłoże i ściany wykonane są z cegieł.

Kocioł oleju termalnego. Kocioł olejowy wymiennik wysokotemperaturowy Kocioł jest markowany znakiem CE, zatwierdzony przez Notify Organism TÜV SÜDDEUTSCHLAND nº 0036. Zabrania się montować kocioł oleju termalnego pionowo nad rusztem (chodzi oto aby niedopalony popiół nie wpadał od razu do kotła i go nie brudził, zapychał).

Ekonomizer. Ekonomizer jest wymiennikiem niskotemperaturowym. Powinien pracować w przepływie krzyżowym (gaz pionowo a olej/rury poziomo) co jest najlepszym inżynierskim rozwiązaniem, gdyż wtedy otrzymujemy najlepszy odbiór ciepła i ekonomizer się nie zapycha, nie ma akumulacji pyłu. Ekonomizer Sugimat ma otwory do ręcznego czyszczenia sprężonym powietrzem. Jest to tańsze rozwiązanie od systemu automatycznego, niemniej jednak Sugimat montuje w ekonomizerze otwory do montażu systemu automatycznego.

Układ oczyszczania i odprowadzania spalin. 1. Multicyklon - do oczyszczania gazów z cząstek stałych (pyłu) wykorzystywane są multicyklony. Wszystkie wyseparowane cząstki odprowadzane są systemem podajników do wspólnego kontenera. Gwarantowany poziom emisji to: 150 do 250 mg/m³. 2. W przypadku innych lokalnych przepisów wymagających niższej emisji, konieczne jest zainstalowanie filtra workowego lub elektrofiltru. Sugimat sugeruje elektrofiltr, który jest droższym rozwiązaniem w nakładach inwestycyjnych ale tańszym biorąc pod uwagę eksploatacje. Filtr workowy trzeba wymieniać co 12.000/14.000 godzin.

Przykładowy układ Sugimat z kotłem olejowym na biomasę Podstawowe zalety: możliwość pracy z obciążeniem częściowym do 35% mocy nominalnej kotła przy utracie tylko 3% sprawności, elastyczność pracy, automatyczna współpraca z ORC. Układ oczyszczania i odprowadzania spalin

Charakterystyka handlowa jednostek ORC Moc elektryczna jednostek: Standardowe jednostki ORC produkowane są z zakresie 0,6-3 MWe. Większe, nawet do 15 MWe są produkowane i dostosowywane na specjalne zamówienie klienta. Czas oczekiwania na zamówienie: Małe jednostki - czas dostawy 10-11 miesięcy plus 4 tygodnie montażu na miejscu. Duże jednostki - czas dostawy do 15 miesięcy plus 10-14 tygodni montażu na miejscu. Jednostki niestandardowe, na specjalne zamówienie do ustalenia Eksploatacja: Czas życia urządzeń 20-25 lat przy poprawnej eksploatacji. Po 10 latach zdarza się konieczność polerowania łopatek turbiny. Możliwość pracy ciągłej przez cały rok, ale też duża elastyczność w razie potrzeby.

Typoszereg standardowych jednostek ORC firmy Turboden WEJŚCIE OLEJ TERMALNY TD6CHP TD7CHP TD10CHP TD14CHP TD18CHP TD22CHP TD30CHP Temperatura nominalna C 302/242 302/242 300/240 300/240 300/240 300/240 310/231 (wejście/wyjście) Moc cieplna kw 3340 3895 5140 6715 9790 12020 17571 WYJŚCIE GORĄCA WODA Temperatura gorącej wody (wejście /wyjście) Moc cieplna oddawana gorącej wodzie OSIĄGI C 60/80 60/80 60/80 60/80 60/90 60/90 65/95 kw 2664 3117 4081 5313 7834 9601 14499 Moc elektryczna brutto kw 643 739 1016 1339 1863 2304 3143 Sprawność elektryczna brutto 19.3% 19.0% 19.8% 19.9% 19.0% 19.2% 17,9% Zużycie na potrzeby własne kw 32 37 48 58 79 97 197 Moc elektryczna netto kw 611 702 968 1281 1784 2207 2946 Sprawność elektryczna netto 18.3% 18.0% 18.8% 19.1% 18.2% 18.4% 16,8% Generator prądu 50Hz, 400V 60Hz, 480V 50Hz, 400V 60Hz, 480V 50Hz,400V 60Hz,480V 50Hz,400V 60Hz,480V 50Hz, 660V 60Hz,4160V 50Hz, 660V 60Hz,4160V 50Hz, 6kV 60Hz,4160V Konsumpcja biomasy* kg/h 1606 1873 2471 3228 4707 5779 8448 * Przyjęta wartość opałowa biomasy 2,6 kwh/kg i sprawność kotła 0,80

Współpraca kotła biomasowego z układem ORC do sieci miejskiej Technologia z zastosowaniem kotła na biomasę z turbogeneratorem pracującym w oparciu o proces ORC, wytwarzając energię elektryczną i cieplną, wpisuje się idealnie w zasadę działania zakładów ciepłowniczych. Podstawowym założeniem jest praca instalacji w maksymalnym punkcie sprawności tj. z całkowitym wykorzystaniem ciepła do sieci miejskiej. Całkowita moc cieplna odebrana z układu ORC kierowana będzie do miejskiej sieci ciepłowniczej poprzez system wymienników. Z racji parametrów produkowanego ciepła (90/70 C) proponowane włączenie zrealizowane byłoby na powrocie sieci ciepłowniczej. Dzięki takiemu rozwiązaniu zapewnione zostaną parametry pracy sieci w lecie, natomiast w okresie zimowym, kiedy temperatura zasilania sieci ciepłowniczej jest wyższa niż 90 C uzyskamy podgrzanie wody powrotnej, która następnie skierowana zostanie na inne źródło w celu uzyskania wymaganych parametrów temperatury.

Zasady doboru jednostek ORC do sieci ciepłowniczej Minimalna ekonomicznie moc elektryczna: Minimalna ekonomicznie moc elektryczna to 1 MW. Wynika to ze stosunku nakładów do mocy i wielkości produkcji. Optymalny dobór mocy cieplnej do pracy całorocznej; Moc minimalnego odbioru w okresie letnim do 50% mocy, granicznie do 35% mocy. Optymalny dobór mocy cieplnej do pracy sezonowej Czas pracy jednostki z pełnym obciążeniem od 4 500 5 000 godzin. Przykładowe dobory do rzeczywistych systemów ciepłowniczych. Przykład 1. Dobrano CHP 10 dobór optymalny moc letnia -50 % mocy. Możliwy dobór alternatywny- CHP14 37% mocy letniej. Przykład 2. Dobrano CHP 30 najlepszy ekonomicznie dobór moc letnia 75-80%. Możliwy dobór alternatywny CHP 50 moc letnia ok-40 % mocy.

1 8 15 22 29 36 43 50 57 64 71 78 85 92 99 106 113 120 127 134 141 148 155 162 169 176 183 190 197 204 211 218 225 232 239 246 253 260 267 274 281 288 295 302 309 316 323 330 337 344 351 358 365 Moc termiczna [MW] Praca instalacji z zastosowaniem ORC TD 10 CHP 22 20 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0 Kocioł na biomasę z układem ORC Kotły gazowe ZAŁOŻENIA Roczna ilość godzin pracy układu ORC h 8 000 Sprawność kotła na biomasę % 83 Kaloryczność biomasy kj/kg 15 000 Kaloryczność gazu kj/nm 3 34 400 Sprawność kotłów gazowych % 90 PRODUKCJA Roczna produkcja ciepła z układu ORC GJ 93 742 Roczna produkcja energii elektrycznej netto MWh 5 699 Roczne zużycie biomasy t 9 177 Roczna produkcja ciepła z gazu GJ 156 258 Roczne zużycie gazu tys. Nm 3 5 047

1 8 15 22 29 36 43 50 57 64 71 78 85 92 99 106 113 120 127 134 141 148 155 162 169 176 183 190 197 204 211 218 225 232 239 246 253 260 267 274 281 288 295 302 309 316 323 330 337 344 351 358 365 Moc termiczna [MW] Praca instalacji z zastosowaniem ORC TD 30 CHP 90 85 80 75 70 65 60 55 50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0 Kocioł na biomasę z układem ORC Kotły gazowe ZAŁOŻENIA Roczna ilość godzin pracy układu ORC h 8 000 Sprawność kotła na biomasę % 83 Kaloryczność biomasy kj/kg 15 000 Kaloryczność gazu kj/nm 3 34 400 Sprawność kotłów gazowych % 90 PRODUKCJA Roczna produkcja ciepła z układu ORC GJ 368 687 Roczna produkcja energii elektrycznej netto MWh 20 415 Roczne zużycie biomasy t 35 516 Roczna produkcja ciepła z gazu GJ 656 715 Roczne zużycie gazu tys. Nm 3 21 212

Szacunkowe nakłady inwestycyjne na budowę instalacji ORC z kotłem na biomasę. Tabela przedstawia szacunkowe nakłady oraz zależność, że im większa moc układu tym mniejszy jednostkowy nakład na 1 kw mocy elektrycznej zainstalowanej. Układ ORC Moc elektryczna brutto Koszty budowy instalacji kw /kwel Turboden 22 CHP 2304 3523 8 116 500 Turboden 18 CHP 1863 3898 7 261 800 Turboden 14 CHP 1339 4426 5 926 500 Turboden 10 CHP 1016 5118 5 200 000 Turboden 7 CHP 739 6116 4 519 800 Turboden 6 CHP 643 6642 4 271 100

Przedstawiciel handlowy Firmy Sugimat CRB Energia Sp. z o.o. ul. Narutowicza 18/6 33-100 Tarnów Polska Tel.: +48 14 623 24 20 Fax: +48 14 623 24 20 E-mail: crbenergia@crbenergia.pl