BIOBLOK i biomasowy kocioł pyłowy OB-180

BIOBLOK i biomasowy kocioł pyłowy OB-180 Autorzy: Tomasz Golec Bartosz Świątkowski Marcin Razum Piotr Jóźwiak Tadeusz Wala Mariola Kobylańska Piotr Knura Marek Pronobis Marian Żmija Wojciech Zygmański z blokami o mocy 200 MW, Warszawa, 6 grudnia 2016 r. 1

Założenia dla BIOBLOKU Moc elektryczna nie przekraczająca 50 MW; Klasa bloku ok. 50 MW jest charakterystyczna dla nowych jednostek przewidzianych do spalania biomasy. Wielkość bloku odpowiada realnym możliwościom pozyskiwania paliwa. Zastąpienie obecnych ciągów technologicznych współspalania jednostką dedykowaną przystosowaną do spalania 100% biomasy. Maksymalne wykorzystanie istniejącej infrastruktury elektrowni, w tym instalacji do współspalania biomasy oraz mocy przyłączeniowych do KSE. Spełnienie wymagań BAT. z blokami o mocy 200 MW, Warszawa, 6 grudnia 2016 r. 2

Założenia dla BIOBLOKU Parametry pary na wylocie z kotła: 515 o C, 70 bar; Wysokość temperatury jest kompromisem pomiędzy korzyściami wynikającymi z podwyższania temperatury (wzrost sprawności obiegu), a ograniczeniami po stronie kotła. Ciśnienie w kondensatorze na poziomie 0.05 bar; Odpowiada to temperaturom wody chłodzącej wejście/wyjście z kondensatora na poziomie 15 o C/25 o C. Temperatura wody zasilającej na poziomie 230 o C; Przy wydajności kotła 180 t/h pozwala to osiągnąć moc brutto bloku na poziomie 48 MW przy sprawnościach brutto i netto odpowiednio 35% i 31,5 %. z blokami o mocy 200 MW, Warszawa, 6 grudnia 2016 r. 3

Założenia dla BIOBLOKU Paliwo: biomasa pochodzenia rolnego, trudna, odpadowa, o szerokim sortymencie Spalanie przy zmniejszonym ryzyku eksploatacyjnym: o o o Minimalizacja szlakowania, żużlowania oraz aglomeracji złoża związanej z wysoką zawartością substancji alkalicznych Minimalizacja korozji siarczkowej i chlorkowej związanej z wysoką zawartością tych pierwiastków w paliwie Związanie jak największej ilości popiołów i ich komercyjne wykorzystanie z blokami o mocy 200 MW, Warszawa, 6 grudnia 2016 r. 4

Wybór technologii spalania Elsterwerda 50 t/h Białystok 100 t/h Świecie 240 t/h z blokami o mocy 200 MW, Warszawa, 6 grudnia 2016 r. 5

Rozwiązanie Kocioł z ciekłym żużlem Dedykowany dla paliw o niskiej temperaturze topliwości popiołów (780 C); dwustopniowe spalanie, gdzie w dolnej części komory paleniskowej znajduje się komora topienia żużla; Wykorzystanie zjawiska żużlowania do wyłapania popiołu ze spalin odseparowanie 80% popiołu w komorze topienia; Możliwość witryfikacji trwałe związanie popiołów, istotne zmniejszenie objętości powstałych odpadów, produkt po skruszeniu gotowy do sprzedaży; z blokami o mocy 200 MW, Warszawa, 6 grudnia 2016 r. 6

Zakres prowadzonych badań Skuteczne zastosowanie idei spalania biomasy z ciekłym odprowadzeniem żużla i zaprojektowanie konstrukcji kotła wymagało przeprowadzenia zarówno szeregu badań laboratoryjnych jak i modelowania numerycznego. Zrealizowano szeroki program badań biomasy w zakresie: kinetyki spalania, własności aerodynamicznych ziaren biomasy oraz własności fizykochemicznych formowanych popiołów, spalania biomasy i powstawania osadów w skali 0,5 MW w warunkach odwzorowujących spodziewane warunki w projektowanym kotle, testów korozyjnych. Wyniki badań laboratoryjnych wykorzystane zostały w modelowaniu numerycznym procesu spalania w kotle oraz do opracowania modelu osadzania cząstek popiołu na powierzchniach kotła, który został zaimplementowany do programu Ansys Fluent. z blokami o mocy 200 MW, Warszawa, 6 grudnia 2016 r. 7

Badania i eksperymenty Analizy laboratoryjne paliw Tab. Analiza techniczna i pierwiastkowa słomy żytniej i owsianej z blokami o mocy 200 MW, Warszawa, 6 grudnia 2016 r. 8

Badania i eksperymenty Analizy topliwości Popioły z dwóch temperatur 550 C i 815 C; Atmosfera redukcyjna: 34 45%:55 65%CO; Atmosfera utleniająca: powietrze; DT-temperatura deformacji (spiekania) ST- temperatura kuli (mięknienia) HT- temperatura półkuli (topnienia) FT- temperatura płynięcia (płynięcia) Popiół, temp. otrzymania: DT, C ST, C HT, C FT, C ze słomy owsianej 919 1010 1087 1231 ze słomy żytniej 932 1046 1057 1331 ze słomy owsianej 910 1958 1027 1164 ze słomy żytniej 925 1104 1126 1142 z blokami o mocy 200 MW, Warszawa, 6 grudnia 2016 r. 9

Badania i eksperymenty Analizy topliwości Rys. Zależność lepkości popiołu z żyta od wysokości uformowanego stożka w piecyku do badań topliwości popiołu z blokami o mocy 200 MW, Warszawa, 6 grudnia 2016 r. 10

Badania i eksperymenty Spalanie pojedynczej cząstki Eksperymenty przeprowadzono: w dwóch temperaturach reaktora: 700 i 800 C Łącznie ponad 40 eksperymentów SPC Uzyskano: czas indukcji zapłonu t i, czas spalania części lotnych t cz.l, czas spalania pozostałości koksowej t k, całkowity czas spalania ziarna t z, średnią temperaturę spalania ziarna T z, stosunek średnicy płomienia do średnicy ziarna D p /D z z blokami o mocy 200 MW, Warszawa, 6 grudnia 2016 r. 11

Warunki prowadzenia eksperymentu: - temperatura reaktora: 900 i 1100 C, - atmosfera gazowa: 100% obj. N 2, - czas przebywania: 50 100 ms, - strumień paliwa: ~50 g/h. Badania i eksperymenty Kinetyka odgazowania Rys. Ubytek masy w zależności od czasu przebywania cząstek w reaktorze Tab. Parametry kinetyczne badanych paliw Rys. Reaktor laboratoryjny do badań kinetyki odgazowania części lotnych z blokami o mocy 200 MW, Warszawa, 6 grudnia 2016 r. 12

Badania i eksperymenty Siły oporu cząstek Rys. Stanowisko badawcze IEn paliwo Współczynnik kształtu WK, - Współczynnik oporu C D,- owies 3.03 2.39 żyto 2.54 4.13 z blokami o mocy 200 MW, Warszawa, 6 grudnia 2016 r. 13

Badania i eksperymenty Analizy szybkości korozji kotła 16.0 14.0 12.0 10.0 8.0 6.0 4.0 2.0 0.0 Cl w popiele, mg Cl/g paliwa 0.73 0.74 0.140.49 2.75 Słoma żytnia 4.75 Cl w spalinach, mg Cl/g paliwa 14.76 3.973.87 9.78 5.95 5.21 16.0 14.0 Słoma owsiana Słoma owsiana + Słoma owsiana + Słoma owsiana 12.0 + KCl (~0,5%Cl) KCl (~1,0%Cl) KCl (~1,5%Cl) 10.0 Rys. Bilans chloru dla słomy żytniej 8.0 6.0 4.0 2.0 0.0 Cl w popiele, mg Cl/mg paliwa 1.29 0.66 0.56 2.29 1.82 4.86 Słoma owsiana Słoma owsiana + KCl (~0,5%Cl) Słoma owsiana Cl w spalinach, mg Cl/g paliwa 14.88 3.67 3.73 9.82 Słoma owsiana + KCl (~1,0%Cl) 6.25 5.32 Słoma owsiana + KCl (~1,5%Cl) Rys. Bilans chloru dla słomy owsianej z blokami o mocy 200 MW, Warszawa, 6 grudnia 2016 r. 14

Badania i eksperymenty Osadzanie w komorze 0,5 MW W ramach Zadania 2 na stanowisku 0,5 MW przeprowadzone zostały następujące eksperymenty: 1. Badania symulowanego osadzania żużla na ścianach paleniska (komory topienia) biomasowego kotła z ciekłym odprowadzaniem żużla, 2. Badania osadzania popiołu na rurach wymienników ciepła powyżej komory topienia. Rys. Widok komory eksperymentalnej z symulowanymi powierzchniami osadczymi z blokami o mocy 200 MW, Warszawa, 6 grudnia 2016 r. 15

Badania i eksperymenty Osadzanie w komorze 0,5 MW Symulacja żużlowania ścian komory topnienia. Palnik L α Rys. Masa osadu powstałego podczas badań L = 40 cm, 85 cm α = 30º, 45º, 90º Rys. Widok płytki osadczej z płynnym żużlem na powierzchni z blokami o mocy 200 MW, Warszawa, 6 grudnia 2016 r. 16

Kryteria modelowania komory topienia 100 mg/m n 3 Metody pierwotne: stopniowanie powietrza i zapobieganie powstawania termicznych NO x. Metody wtórne: SNCR/SCR. Docelowo 80% emisja NO x separacja popiołu sprawność spalania Umożliwiająca płynięcie popiołu (>1200 C) Powyżej 91,8%; zawartość części palnych w popiele lotnym i żużlu < 5% z blokami o mocy 200 MW, Warszawa, 6 grudnia 2016 r. 17

Wstępna koncepcja Pierwsza koncepcja kotła: układ bokser ; λ KT = 0,85; 16 palników wirowych; 16 dysz OFA; λ = 1,2; duża część pyłu doprowadzona przez górny rząd palników w krótkim czasie opuszcza komorę topienia; maksymalna skuteczność separacji: 22%. Niesatysfakcjonujące wyniki wyłapywania popiołu, mimo dobrych poziomów temperatur uzyskiwanych w komorze topienia, wymusiły gruntowną zmianę konstrukcji. KT OFA palniki z blokami o mocy 200 MW, Warszawa, 6 grudnia 2016 r. 18

Weryfikacja założeń modelowych Bokser zamieniony w U-type wydłużenie drogi pyłu niezbędnej do opuszczenia komory topienia. Po drodze wiele modyfikacji: zmiana szerokości ciągów spalin, zmiana wysokości stropu komory topienia (czyli także palników), zmiana położenia i liczby dysz OFA, dodanie oraz zmiany kąta nachylenia oraz szerokości festonu, dodanie dyfuzora w stropie KT, zmiana liczby palników. OFA przegroda Rys. Zmodyfikowana geometria instalacji paleniskowej z blokami o mocy 200 MW, Warszawa, 6 grudnia 2016 r. 19

Optymalizacja komory topienia OFA z blokami o mocy 200 MW, Warszawa, 6 grudnia 2016 r. 20

Optymalizacja komory topienia OFA z blokami o mocy 200 MW, Warszawa, 6 grudnia 2016 r. 21

Optymalizacja komory topienia z blokami o mocy 200 MW, Warszawa, 6 grudnia 2016 r. 22

Optymalizacja komory topienia 130 o z blokami o mocy 200 MW, Warszawa, 6 grudnia 2016 r. 23

Optymalizacja komory topienia 130 o z blokami o mocy 200 MW, Warszawa, 6 grudnia 2016 r. 24

Optymalizacja komory topienia 130 o z blokami o mocy 200 MW, Warszawa, 6 grudnia 2016 r. 25

Optymalizacja szerokości festonu 8,1m 6 m Rys. Badanie wpływu szerokości festonu na skuteczność separacji popiołu z blokami o mocy 200 MW, Warszawa, 6 grudnia 2016 r. 26

Komputerowe modelowanie 3D V, m/s V, m/s z blokami o mocy 200 MW, Warszawa, 6 grudnia 2016 r. 27

maksymalna skuteczność separacji Wpływ geometrii festonu na separację 90% 85% 80% 75% 70% 65% feston 8.1 m feston 6 m 60% 55% 50% 45% 40% 0 0.5 1 1.5 2 2.5 średnia średnica ziarna, mm z blokami o mocy 200 MW, Warszawa, 6 grudnia 2016 r. 28

maksymalna skuteczność separacji wypalenie karbonizatu za SH3 Wpływ przemiału paliwa na sprawność spalania i odpylania 100% 95% 90% 85% 80% 75% separacja popiołu wypalenie karbonizatu 70% 65% 60% 55% 50% 0 0.5 1 1.5 2 2.5 średnia średnica ziarna, mm z blokami o mocy 200 MW, Warszawa, 6 grudnia 2016 r. 29

Wyniki optymalizacji Koncepcja kotła typ U λ palnik = 0,85 3 palniki wirowe na stropie 8 dysz OFA λ wylot = 1,2 szerokość festonu: 8,1 m Paliwo: słoma, W o = 15240 kj/kg d śr. = 1 1,5 mm Rys. Szkic kotła z komorą paleniskową z blokami o mocy 200 MW, Warszawa, 6 grudnia 2016 r. 30

BIOBLOK 180 Parametry procesowe Parametr Jednostka Wartość Wydajność maksymalna trwała WMT t/h 180 Temperatura wody zasilającej C 230 Ciśnienie wody zasilającej MPa 8 Ciśnienie pary na wylocie z kotła MPa 7 Temperatura pary na wylocie z kotła C 515 Temperatura powietrza do kotła za podgrzewaczem rurowym C 240 Temperatura spalin za kotłem C 140 Sprawność kotła brutto % 91,8 Zużycie paliwa gwarancyjnego kg/s 8,76 Stężenie tlenków azotu (6% O 2, spaliny suche) mg/m n 3 100 Stężenie tlenków siarki (6% O 2, spaliny suche) mg/m n 3 50 Stężenie pyłu (6% O 2, spaliny suche) mg/m n 3 10 Minimalny, obliczeniowy czas pracy h 200 000 Zawartość części palnych w popiele lotnym w zakresie obciążeń 60 100WMT % 5 Zawartość części palnych w żużlu w zakresie obciążeń 60 100WMT % 5 z blokami o mocy 200 MW, Warszawa, 6 grudnia 2016 r. 31

BIOBLOK 180 Projekt kotła Rys. Rysunek złożeniowy kotła wraz z infrastrukturą Kocioł w układzie pięciociągowym zbudowany w obrębie ośmiu słupów konstrukcji nośnej wyciętego bloku klasy 200 MW. Ściany membranowe tworzą komorę topienia, paleniskową i grodziową, a także strop, międzyciąg, drugi i trzeci ciąg kotła do poziomu +31m. Część ciśnieniowa kotła składa się z podgrzewacza wody (ECO), membranowych ekranów komory paleniskowej, przegrzewaczy pary, schładzaczy wtryskowych, rurociągów łączących oraz urządzeń pomocniczych. z blokami o mocy 200 MW, Warszawa, 6 grudnia 2016 r. 32

BIOBLOK 180 Model 3D kotła Cała część ciśnieniowa jest zawieszona na ruszcie nośnym kotła. Kocioł swobodnie dylatuje w dół. Zamknięcie wodne pod komorą paleniskową zapewnia jej szczelność, bez względu na zmiany w położeniu dylatacyjnym tej komory. Odprowadzenie ciekłego żużla z leja komory paleniskowej odbywa się za pomocą odżużlacza zgrzebłowego, metodą mokrą i trafia do kruszarki. z blokami o mocy 200 MW, Warszawa, 6 grudnia 2016 r. 33

BIOBLOK 180 Model 3D komory topienia Na stropie komory topienia zabudowane są palniki NWB12 45 MW zasilane pyłem biomasowym, Palniki powstały na bazie doświadczeń opracowanych już i wdrożonych do przemysłu dedykowanych palników biomasowych przez Instytut Energetyki. Istotnym zagadnieniem jest dobór materiałów na powierzchnie ogrzewalne: o komora topienia beton korundowy, o komora paleniskowa rury membranowe napawane inconelem. Rys. Przekrój przez komorę topienia z blokami o mocy 200 MW, Warszawa, 6 grudnia 2016 r. 34

BIOBLOK 180 Szczegóły geometryczno konstrukcyjne Rys. Geometria leja zapewniająca równomierne odprowadzanie ciekłego żużla ze wszystkich powierzchni stołu topienia Rys. Układ geometryczny odgięcia tworzącego lej spustowy z blokami o mocy 200 MW, Warszawa, 6 grudnia 2016 r. 35

BIOBLOK 180 Dyspozycja instalacji SCR Rys. Elementy instalacji redukcji katalitycznej z blokami o mocy 200 MW, Warszawa, 6 grudnia 2016 r. 37

BIOBLOK 180 Koncepcja instalacji półsuchego odsiarczania spalin Parametry Instalacji Odsiarczania Spalin (IOS) metodą półsuchą: Przepływ spalin: 100 000 240 000 m n3 /h; Stosowany sorbent: wapno hydratyzowane Ca(OH) 2 ; Redukcja emisji (tabela poniżej). Parametr Wielkość Jednostka SO x (suma SO 2 i SO 3 ) 50 mg/m n 3 HCl 5 mg/m n 3 HF 1 mg/m n 3 pył 5 mg/m n 3 Rys. Widok instalacji IOS zaprojektowanej do współpracy z BIOBLOKIEM z blokami o mocy 200 MW, Warszawa, 6 grudnia 2016 r. 38

Podsumowanie Opracowano projekt kotła pyłowego OB-180 zasilanego rozdrobnioną biomasą pochodzenia rolniczego o stosunkowo wysokich parametrach pary (p = 7 MPa, T = 515 o C), które powinny zapewnić sprawność elektryczną bloku energetycznego o mocy 50 MW na poziomie 35% brutto i 31,5% netto; Kocioł został przeliczony cieplnie oraz dobrano niezbędne urządzenia pomocnicze; Istotą opracowanego rozwiązania było ograniczenie ryzyka znacznego zanieczyszczenia powierzchni ogrzewalnych kotła przez zastosowanie komory spalania z komorą topienia popiołu, która ma za zadanie odprowadzenie większości popiołu w stanie ciekłym; Dobór geometrii komory topienia oraz parametrów operacyjnych podawania paliwa umożliwił osiągnięcie wysokiej skuteczności wychwytu popiołu na poziomie ok. 80%; Wielociągowa konstrukcja kotła dodatkowo zabezpiecza przed zanieczyszczeniem powierzchnie ogrzewalne (przegrzewacze pary, podgrzewacz wody, podgrzewacz powietrza), które są ulokowane w ciągu konwekcyjnym o niższej temperaturze spalin. z blokami o mocy 200 MW, Warszawa, 6 grudnia 2016 r. 39

Dziękuję za uwagę Instytut Energetyki - Instytut Badawczy 01-330 Warszawa, ul. Mory 8 E-mail: cpc@ien.com.pl Tel.: 22 345-11-14; 797-905-114 z blokami o mocy 200 MW, Warszawa, 6 grudnia 2016 r. 40