Porovnání experimentálních výsledků oxy-fuel spalování ve fluidní vrstvě s numerickým modelem

Transkript

1 Porovnání experimentálních výsledků oxy-fuel spalování ve fluidní vrstvě s numerickým modelem Pavel SKOPEC 1*, Jan HRDLIČKA 1, Matěj VODIČKA 1 1 České vysoké učení technické v Praze, Fakulta strojní, Ústav energetiky, Technická 4, Praha 6, * p.skopec@fs.cvut.cz Oxy-fuel spalování je jednou z možných cest vedoucích ke snižování emisí vyprodukovaného oxidu uhličitého ze stacionárních energetických spalovacích zdrojů. V tomto článku jsou zanalyzována experimentálně získaná data ze dvou zařízení se stacionární fluidní vrstvou schopných pracovat v oxy-fuel režimu spalování a porovnána se stechiometrickými bilančními výpočty. Z porovnání vyplývá, že výsledky z měření velice dobře korespondují s teoretickými výpočty. V článku je rovněž zpracováno vyhodnocení přisávání vzduchu do spalovacího procesu, které se v případě menšího zařízení MiniFluid pohybuje na úrovni 5 až 10 %, v případě většího zařízení Golem na úrovni 10 až 15 %. Klíčová slova: oxy-fuel spalování, fluidní vrstva, bilance 1 Úvod Jedním z hlavních témat v posledních letech je snižování emisí oxidu uhličitého a rozvoj tzv. CCS technologií (Carbon Capture and Storage nebo Carbon Capture and Sequestration) zachycování a ukládání oxidu uhličitého produkovaného z termochemické konverze uhlíkatých paliv, především spalování. Konvenční spalovací technologie využívají ke spalování vzduch. Ten obsahuje 79 % dusíku, který ředí vzniklý oxid uhličitý, vznikající oxidací uhlíku v palivu. Zachytávání takto zředěného CO2 je ale možnými technologiemi (např. postcombustion CCS aminovou vypírkou) poměrně složité a energeticky náročné. Při oxy-fuel spalování se jako spalovací médium používá směs čistého kyslíku, obvykle s technickou čistotou 95 %, a recirkulovaných spalin. Spaliny pak tvoří převážně směs vodní páry a CO2 a následné zpracování CO2, kdy jsou odstraňovány ostatní složky, je jednodušší. Spaliny z oxy-fuel spalování mají jiné látkové vlastnosti, které významně ovlivňují proces sdílení tepla, a významná je také změna spalovací teploty. Oxyfuel spalování je charakteristické zcela odlišnými objemovými toky spalin a okysličovadla v porovnání se spalováním se vzduchem, jak je demonstrováno na obrázku 1. Hlavním rozdílem je použití vysoké míry recirkulace spalin, která slouží jako nahrazení objemu dusíku a tím zajištění dostatečného množství teplonositele, a u fluidních kotlů navíc zajištění fluidace. Toky jednotlivých médií jsou na tomto obrázku zobrazeny v reálném měřítku, vztažené na 0 C a 101,325 kpa. Cílem tohoto článku je analýza experimentálně získaných dat ze dvou spalovacích zařízení se stacionární fluidní vrstvou schopných pracovat v oxy-fuel režimu a jejich porovnání 105

2 s teoreticky vypočítanou bilancí. Na základě této bilance je vyjádřeno i množství přisávaného vzduchu. Obr. 1. Porovnání průtoků plynů při vzduchovém (část A) a oxy-fuel spalování (část B) [1] 2 Teoretická analýza oxyfuel spalování ve fluidní vrstvě Jak již bylo uvedeno v úvodu, nahrazením spalovacího vzduchu kyslíkem dochází k redukci objemu spalin a ke zvýšení spalovací teploty. Proto je nutné zavést poměrně velké množství recirkulace spalin tak, abychom se ve smyslu teplotních a fluidačních podmínek přiblížili podmínkám spalování se vzduchem. Pomocí metodiky pro výpočty spalování a fluidaci se vzduchem upravené pro spalování kyslíkem a s recirkulovanými spalinami je možné bilančně určit objemy všech průtoků uvedených na obrázku 1, tedy objem okysličovadla VO, objem spalin VFG, objem recirkulovaných spalin VREC, celkový objem spalin VTFG a objem fluidačního média VFM [1]. Prvním krokem pro bilanční výpočty je správné určení složení okysličovadla. Pro případ oxyfuel spalování, kdy je kyslík dodáván do spalovacího zařízení z tlakových lahví, je uvažováno s jeho 100 % čistotou. Objem spalin je roven součtu složek, které vzniknou dokonalým spálením paliva (CO2, SO2, N2 uvolněný z paliva, H2O) a složek, které jsou obsaženy v okysličovadle, ale neúčastní se spalování a procházejí procesem jako inert (přebytečný obsah O2, N2, Ar, H2O ze vzdušné vlhkosti). Je nutné si uvědomit, že objem vodní páry ve spalinách je v oxy-fuel podmínkách spalování výrazně ovlivněn kondenzací vodní páry v recirkulaci spalin. Problematika kondenzace vodní páry je konkrétněji řešena v článku [1] a je důležitou součástí v bilančních výpočtech oxy-fuel spalování. Dále v článku nebude s kondenzací vodní páry v recirkulaci spalin uvažováno. Množství recirkulovaných spalin lze vyjádřit pomocí součinitele poměrné recirkulace r [-] daným poměrem objemu recirkulovaných spalin k objemu spalin v místě odběru: 106

3 r = V REC V FG (1) Celkový objem spalin je skutečný objem, který prochází spalovacím zařízením. Je daný součtem objemu recirkulovaných spalin a objemu spalin vzniklých spálením paliva. Lze jej vyjádřit pomocí vztahu: V TFG = (1 + r) V FG (2) V případě spalování vzduchem se jako fluidační médium většinou uvažuje pouze vzduch a recirkulovanou část spalin lze zanedbat, neboť tvoří pouze menší část. V případě oxy-fuel spalování tvoří recirkulované spaliny podstatnou část fluidačního média. Pro správné určení fluidačních vlastností je nutné znát složení fluidačního média a koncentrace jednotlivých složek. V případě, kdy neuvažujeme kondenzaci vodní páry v recirkulaci, lze vyjádřit objem fluidačního média jako součet objemu okysličovadla a objemu recirkulovaných spalin. 3 Provedení experimentů a porovnání s výpočtem Experimentální práce probíhaly na dvou zařízeních. Menší laboratorní experimentální zařízení s označením MiniFluid je navrženo tak, aby splňovalo celou řadu požadavků a jistou univerzálnost použití. Tepelný výkon jednotky se pohybuje mezi 20 až 30 kw, což odpovídá 2-5 kg paliva hodinově, v závislosti na jeho výhřevnosti. Na obrázku 2 je schematicky naznačeno zapojení systému pro oxy-fuel spalování. Hlavním zařízením, zabezpečujícím průtok fluidačního média, je primární ventilátor, který slouží zároveň i jako ventilátor recirkulační. Takovéto zapojení umožňuje jednoduchý přejezd ze vzduchového do oxy-fuel režimu. Detailní popis zařízení je uveden např. v [2]. Obr. 2. Zjednodušené schéma laboratorní jednotky Druhé zařízení, na kterém byly prováděny oxy-fuel experimenty, je fluidní kotel s bublinkovou fluidní vrstvou o výkonu 250 kw. Jedná se o dvoutahový horkovodní kotel. Spaliny vycházející z kotle mají teplotu 180 až 250 C v závislosti na tepelném příkonu zařízení. Základní schéma spalování je podobné jako u předchozího příkladu (viz obr. 2). Pouze odběr spalin pro analýzu je umístěn ihned na výstupu z kotle a před cyklonem je zařazen spalinový ventilátor. Jelikož jsou spaliny na výstupu z kotle již schlazeny, systém recirkulačního spalinovodu je tepelně 107

4 zaizolovaný, aby nedocházelo ke kondenzaci vodní páry. Detailní popis jednotky byl publikován v [3]. Metodika bilančních výpočtů v oxy-fuel režimu uvedená v kapitole 2, umožňuje dobře popsat objemy a koncentrace spalin v různých částech spalovacího procesu. Aby bylo možné správně nastavit výpočtovou bilanci, je nutné použít do výpočtů pět základních vstupů, získaných z měření prvkový rozbor paliva, hmotnostní tok paliva, koncentraci kyslíku ve spalinách, koncentraci oxidu uhličitého ve spalinách a průtok recirkulovaných spalin. Prvkový rozbor paliva je nutný k základnímu výpočtu minimálního množství kyslíku potřebného pro spalování, který je základem pro další výpočty. Hmotnostní tok paliva je důležitý pro určení skutečných průtoků plynů v různých částech zařízení. Jeho určení v rámci měření na zařízení MiniFluid bylo provedeno kalibrací množství paliva dodávaného dopravníkem za určitý časový úsek. Do jednotky je přísun paliva řízen nastavením doby chodu a doby prodlevy dopravníku. Z doby chodu pak lze určit hmotnostní tok paliva. V případě zařízení Golem je hmotnostní tok paliva měřen úbytkem hmotnosti celého zásobníku paliva. Informace o koncentraci kyslíku ve spalinách slouží ke správnému nastavení přebytku okysličovadla ve výpočtu. Je měřena kontinuálně spolu s dalšími složkami spalin. Informace o koncentraci oxidu uhličitého je důležitá z hlediska určení přisávání vzduchu do zařízení. Obecná snaha oxy-fuel spalování je dosáhnout co možná nejmenšího množství přisávaného vzduchu, neboť již poměrně nepatrné množství vzduchu způsobuje snižování výstupní koncentrace CO2 a tím narušení hlavního významu oxy-fuel spalování. Jedinou možností, jak určit množství přisávaného vzduchu do kotle, je nepřímo a to měřením celkového složení spalin. Po sečtení koncentrace kyslíku a oxidu uhličitého v suchých spalinách je zřejmé, že zbytek do celku tvoří dusík, který se dostal do kotle právě přisáním falešného vzduchu, neboť ostatní složky spalin jsou v řádově nižších koncentracích. Pro celkovou bilanci všech průtoků je nutné z měření určit i průtok recirkulovaných spalin, který je měřen na základě tlakové diference na clonce. Jako doplnění jsou z měření určovány teploty jednotlivých médií a to z důvodu možnosti přepočtu jejich objemových průtoků. Pro experimentální testování oxyfuel režimu bylo použito hnědé uhlí z dolu Bílina typ hp1, jehož základní kvalitativní znaky jsou uvedeny v Tab. 1. Tab. 1. Složení uhlí Bílina, typ hp1 C r [%] H r [%] N r [%] S r [%] A r [%] W r [%] Qi r [MJ/kg] 47,88 3,86 0,63 0, ,14 4 Výsledky a diskuze Na obou zařízeních byly provedeny série experimentů, jejichž cílem bylo porovnání teoretických výpočtů s naměřenými hodnotami. Z experimentálních dat na obou jednotkách byly vybrány takové stavy oxy-fuel spalování, které se jeví z hlediska budoucího provozu průmyslových jednotek jako nejpravděpodobnější. Výsledky získané ze spalování v zařízení MiniFluid jsou uvedeny v tabulce 2. Jedná se o střední hodnoty získané z hodinového měření v ustáleném stavu. Z dat je patrné, že přisávání vzduchu je relativně nízké, koncentrace dusíku ve spalinách se pohybuje okolo 4 %. Stechiometrickými výpočty bylo ověřeno, že množství okysličovadla se liší s měřeným množstvím pouze o 5,6 % relativně. Tento výsledek lze považovat za dobrou shodu mezi výpočtem a měřením. 108

5 Tab. 2. Porovnání měření a výpočtu u zařízení MiniFluid Vstupní hodnoty z měření do výpočtu Hmotnostní tok paliva kg/hod 4,4 Koncentrace O2 v suchých spal. % 6,19 Koncentrace CO2 v suchých spal. % 89,84 Průtok recirkulovaných spal. m 3 /hod 26 Teplota fluidní vrstvy C 885 Teplota recirkulovaných spal. C 101,6 Teplota fluidačního média C 76,4 Měření Výpočet Odchylka Průtok okysličovadla mn 3 /hod 5,6 5,3 +5,6 % Data uvedená v tabulce 3 jsou získaná měřením na větším zařízení Golem. Z měření je patrné, že množství přisávání vzduchu je pro toto zařízení výrazně vyšší. Je to dáno velikostí zařízení, které je v první řadě obtížné, vzhledem ke konstrukční složitosti, kompletně utěsnit a z důvodu bezpečnosti jej ani není možné provozovat plně v přetlakovém režimu, jako to lze v případě menší laboratorní jednotky. Přesto se koncentrace dusíku ve spalinách pohybuje na úrovni kolem 9 %, což je stále velice uspokojivý výsledek, který odpovídá budoucí realitě provozu těchto zařízení v průmyslovém měřítku. Tab. 3. Porovnání měření a bilančního výpočtu u zařízení Golem Vstupní hodnoty z měření do výpočtu Hmotnostní tok paliva kg/hod 51 Koncentrace O2 v suchých spal. % 6,63 Koncentrace CO2 v suchých spal. % 84,05 Průtok recirkulovaných spal. m 3 /hod 276,3 Teplota fluidní vrstvy C 876,3 Teplota recirkulovaných spal. C 127,5 Teplota fluidačního média C 85 Měření Výpočet Odchylka Průtok okysličovadla mn 3 /hod 54,16 68,9-21,4 % Po dosazení výsledků z měření do výpočtů bylo zjištěno, že na uvedené množství paliva by bylo třeba dodat o více než 20 % kyslíku více, než bylo skutečně spotřebováno. Proto bylo přistoupeno k ověření správnosti měření hmotnostního toku paliva. Vzhledem k tomu, že jsou zaznamenávána i data o vstupní a výstupní teplotě chladící vody a její průtok, je možné určit tepelný výkon kotle, který byl v proběhu experimentu 204 kw. Dále byly určeny všechny ztráty kotle, výsledky jsou shrnuty v tabulce 4. Ztráta mechanickým a chemickým nedopalem i ztráta sdílením tepla do okolí a ztráta fyzickým teplem tuhých zbytků byly odhadnuty. Ztráta komínová byla vypočítána pro měřenou teplotu spalin 146,3 C. Tab. 4. Určení účinnosti kotle Ztráta mechanickým nedopalem 1,5 % Ztráta chemickým nedopalem 0,5 % Ztráta sdílením tepla do okolí 2 % Ztráta fyzickým teplem tuhých zbytků 0,5 % Ztráta komínová 7,14 % Celková účinnost kotle 88,36% 109

6 Na základě výše získaných údajů byla spočítána spotřeba paliva: P m pal = r = 39,4 kg/hod (3) η K Q i Zadáním takto získané spotřeby paliva do výpočtového modelu byla určena spotřeba kyslíku 53,2 m 3 /hod, což se téměř shoduje s měřenou spotřebou kyslíku 54,16 m 3 /hod. Nepřesnost byla do měření zavedena pravděpodobně nepřesnou kalibrací vah, které váží úbytek hmotnosti paliva v násypce. 5 Závěr Hlavním cílem provedených prací bylo ověřit shodu mezi teoretickými výpočty oxy-fuel spalování a výsledky, získanými z měření na dvou experimentálních zařízeních. Na základě pěti vstupních veličin získaných z měření (prvkový rozbor paliva, hmotnostní tok paliva, koncentrace kyslíku ve spalinách, koncentrace oxidu uhličitého ve spalinách a průtok recirkulovaných spalin) byla spočítána celková bilance objemových toků v oxy-fuel spalování. V případě oxy-fuel spalování v zařízení MiniFluid dochází k relativně nízkému přisávání vzduchu, které se obvykle pohybuje okolo 5 %. Srovnání dat získaných z měření a z výpočtové bilance bylo ukázáno na průtoku kyslíku, kdy odchylka od vypočítaných a skutečných průtoků byla 5,6 %. Oxy-fuel spalování ve větším kotli Golem vykazovalo o něco vyšší přisávání vzduchu, které se pohybuje od 10 do 15 %. I toto lze považovat za stále velice uspokojivý výsledek, který odpovídá budoucí realitě provozu těchto zařízení v průmyslovém měřítku. V případě měření na kotli Golem bylo zjištěno, že měření spotřeby paliva je špatně kalibrováno. Po výpočtu množství paliva z příkonu a nepřímo určené účinnosti kotle vyšlo potřebné množství kyslíku téměř identicky s měřenou hodnotou průtoku kyslíku. Metodika měření se tedy jeví jako správná s přesností v jednotkách procent. Poděkování Tato práce byla podpořena grantem Studentské grantové soutěže ČVUT č. SGS16/211/OHK2/3T/12 s názvem Snižování emisí NOX při oxy-fuel spalování ve stacionární fluidní vrstvě a projektem TA Výzkum oxyfuel spalování ve stacionární fluidní vrstvě pro CCS technologie. Použitá literatura [1] Skopec, P.; Hrdlička, J. Specific features of the oxy-fuel combustion conditions in a bubbling fluidized bed. Acta Polytechnica, 2016, Vol 56, No 4, s , ISBN [2] Skopec, P.; Hrdlička, J.; Opatřil, J.; Štefanica, J. Studium problematiky využití fluidní vrstvy pro spalování biomasy a alternativních paliv. In Sborník přednášek z konference Energie z biomasy XIV. Brno: VUT v Brně, Fakulta strojního inženýrství, 2013, s ISBN [3] Hrdlička, J.; Skopec, P.; Opatřil, J. Specification of NOX emissions from combustion of lignites in a BFBC. In Proceeding 32th Annual International Pittsburg Coal Conference ISBN