přednáška č. 8 Elektrárny B1M15ENY Okruh paliva a spalin Technologie čištění spalin Ing. Jan Špetlík, Ph.D.

Transkript

1 Elektány B1M15ENY přednáška č. 8 Okuh paliva a spalin Technologie čištění spalin Ing. Jan Špetlík, Ph.D. ČVUT FEL Kateda elektoenegetiky spetlij@fel.cvut.cz

2 Palivo a spaliny vzduchový ventiláto (VV) odsíření, komín kouřový ventiláto (KV) LUVO tlak. vzduch odlučovač dopava popílku sekundání vzduch teciání vzduch LTO jádový vzduch u fluidních kotlů: pimání vzduch povozní zásobník podavače paliva mlýnský okuh (MO) ozmazovací tunel skládka paliva (uhlí, štěpka...) fluidní lože povozní zásobník šnekové dopavníky vzduch přiváděn s palivem do spodu fluidního lože

3 Pincipy spalování Hořlavé složky jsou učeny pvkovým složením hořlaviny: daf daf daf daf daf C + H + N + S + O = 1 [kg/kg] V suovém stavu obsahuje palivo ještě podíl vody a popelovin: C + H + N + S + O + W + A = Platí: 1 [kg/kg] sinatost paliva obsah vody popelnatost paliva =.1 ( ) H = H daf.1 ( W A ) S = S daf.1 ( W A ) O = O daf.1 ( W A ) C C W A daf Obsah popela v suovém stavu: ( ) A = A.1 W d Indexy: daf d suový stav sušina bez obsahu popela sušina ( ) N = N.1 W A daf

4 Pincipy spalování Při dokonalém spalování dochází k okysličování (exotemní eakce): spotřeba kyslíku C + O CO + qc H + O HO + qh S + O SO + q S teplo MJ/mol MJ/kg q C 405,9 33,8 q H 57,4 141,9 q S 9,7 9,5 mol/mol m3/mol m3/kg 1,4 1,87 0,5 11, 5,55 1,4 0,698 Při uvažované koncentaci kyslíku ve vzduchu 1% obj. je spotřeba suchého vzduchu po dokonalé spalování: V vzst = + + 0, , 4 C H S O. [m 3 /kg paliva] Za těchto předpokladů vzniknou suché spaliny o objemu: molání objemy CO SO N,3 1,9, 4 Vsnst = C + S + N + V ,79. vzst [m /kg paliva] Indexy: vz sn s t vzduch spaliny suché teoetické

5 ν = 1+ ϕ. ps p ϕ. p c s Pincipy spalování Skutečná spotřeba vzduchu ale závisí na: a) vlhkosti vzduchu: Součinitel vlhkosti vzduchu: ϕ p s p c p s elativní vhkost vzduchu [kpa] paciální tlak syté páy po danou teplotu vzduchu celkový tlak vzduchu 1 atm. b) nedokonalosti spalování (CO) a nedopalu (nespálený C): Součinitel přebytku vzduchu po suchý vzduch: λ t vz [ C] Skutečná spotřeba vzduchu bude potom: V vz =ν λ 3.. Vvzst [m /kg paliva] Po spaliny je nutné uvažovat ještě vlhkost v palivu (voda, hydátová voda) a vzdušnou vlhkost nasávaného vzduchu: V = H + W + V H O 3 11,11. 1, 4. ( ν 1). λ. vzst [m /kg paliva] Celkový objem spalin: ( λ ) V V V V 3 sn = snst + 1. vzst + H O [m /kg paliva] Pozo! U fluidních kotlů s přímým odsířením je třeba ještě započítat spotřebu kyslíku na oxidaci.caso +O.CaSO 3 4

6 Spalné teplo Q s Paliva je teplo uvolněné spálením 1 kg paliva na CO, SO, N a kapalnou vodu HO (uvádí se ) Výhřevnost je teplo uvolněné za stejných podmínek jen s tím ozdílem, že Q i místo vody se uvolňuje páa Čené uhlí: Biomasa: palivo i daf Q s d Q A [%] S [%] W [%] -1 [MJ.kg ] Čené uhlí Důl Lazy 30,06 6,5 0,6 4,0 Ořech 1 Dukla 31,76 5,0 0,4,5 OP1 Kladno 3,07 13,5 0,6 14,0 palivo d Q A [%] S [%] W [%] i -1 [MJ.kg ] dřevní štěpka suchá 9,5 3,0-40,0 dřevní štěpka syová 7 3,0-60,0 pelety titicale 15 5,0 0, 6,3 kompost z kalů ČOV 9,5 44,0 0,4 30,0 biomasa v peletkách dřevní štěpka

7 Paliva Hnědé uhlí: palivo -1 d Q i [MJ.kg ] [%] A S [%] W [%] HP1AD Bílina 16,4 15,0 0,84 9,7 PS3AD Bílina 15,6 18,6 0,85 9,5 PS3 SD Chomutov 1,5 35,3 0,8 5,5 HP1AD Most 15,9 4,0 1,1 6,0 HPAD Most 1,9 35,0 1,0 5,5 HP3AD Most 11,0 38,5 1,0 8,3 Ořech 01 Lignit Mikulčice 9,9 4,0 1,1 49,0

8 Ušlechtilá paliva: palivo -1 [MJ.kg ] Paliva LTO 4 0,04 0,1-0,5 1,5 mazut 40,5 0,03 1,5 0,6 LPG 50 (39 MJ/m 3 ) Zemní plyn 55 (33-36 MJ/m 3 ) ganulační oštový fluidní CFB d Q A [%] S [%] W [%] i antacit 1,-1,5 čené uhlí 1, hnědé uhlí 1,-1,5 lignit 1,5 čené uhlí 1,4-1,5 hnědé uhlí 1,4-1,5 čené uhlí 1, hnědé uhlí 1, plynové / olejové z. plyn / LTO 1,05-1,15 - max. 00 mg/kg - max. 0, mg/m 3 - Oientační hodnoty součinitele λ : Výpočet λ z přebytku kyslíku ve kotel (ohniště) palivo λ [-] spalinách: kde CO - 0, 1 λ = 0, 1 ωo VO ωo = V se vzůstajícím měným objemem kyslíku ve spalinách měný objem CO naopak klesá! ω sn 0, 1 ωo ω = ωco max = 0, 1 CO λ max

9 Kotle - spalování Spalovací komoa: v uhelných hořácích se směs paliva a plynu vhání dýzami do spalovací komoy a hoří s přídavným spalovacím vzduchem dno spalovací komoy fluidního kotle vzduch se vhání tyskami zespod dno spalovací komoy ganulačního kotle s pom. hořákem LTO

10 Kotle - spalování - teplota spalování (u ganulačních cca 1400 C, u fluidních C, plynové tubíny C) - palivo: uhlí + stabilizace (LTO, plyn) - s kouřovými plyny odchází popílek, ostatní pevné podukty obsahuje stuska (u ganulačních cca 10%, u oštových 60-70%) - v celé spalovací komoře se udžuje podtlak (cca Pa), podle žádané hodnoty se přivíají/otvíají egulační věnce KV Hubá účinnost kotle: η = 1 ζmn ζcn ζ f ζk ζsv ztáta mechanickým nedopalem Ci A ζ ζ.. MN MN = odpovídá nespálenému uhlíku v tuhém zbytku Q 1 C Q ζ CN do 1% u ganulačních, do 5% u oštových ztáta chemickým nedopalem 0,3-1,5% u ganulačních i oštových 3 až 7% u spalování dřeva i výhřenost nespáleného uhlíku n C poměný obsah uhlíku v tuhém zbytku ζ f ztáta citelným teplem tuhých zbytků = teplo zmařené chladnutím stustky a popílku 0,1% až 1%

11 Kotle - spalování ζ k komínová ztáta (ohřívání vzduchu) - u velých kotlů NEJVÝZNAMNĚJŠÍ 7% až 15%! Empiický Gumzův vztah: palivo A B Čené uhlí 0,0051 0,681 ζ B = A+. t t ωco ( ) k sn vz t. spalin Hnědé uhlí 0,0063 0,497 Topný olej 0,0106 0,363 t. vzduchu Zemní plyn 0,004 1,17 ζ sv ztáta tepla do okolí 0,1% až 0,8% Celková hubá účinnost kotlů (tj. bez VS): kotel ganulační palivo η t sn [ C] Zemní plyn, mazut 0, Čené uhlí 0,89 0,93 < 135 Hnědé uhlí A < 0,13 0,88 0,91 < 150 Hnědé uhlí A > 0,13 0,86 0,89 < 160 fluidní CFB 0, Volba optimálního λ : q z λ ζ opt MN kotle + ζ ζ celk CN λopt ζ k λ se mění s výkonem

12 λ Emise: ω CO max λ opt limit CO limit NO x P emisní limity jako omezující faktoy optimálního přebytku vzduchu Kotle - spalování λ ω NOx ω SO ω CO Se vzůstajícím oste koncentace, i ve spalinách a při přebytku vzduchu naopak klesá λ λ <1 S klesajícím naopak oste koncentace a to CO zejména je-li Emisní limity a emisní stopy: Emisní limity stanovuje NV 146/007, se změnami 475/009 Sb. A ozlišuje zdoje dle tepelného příkonu, tak například po nový zdoj o příkonu MWt platí: TZL SO NO x CO ω O 30 mg.m mg.m mg.m mg.m -3 limity se vztahují na suché spaliny s obsahem kyslíku ve spalinách ωo = 6% ω 6%. Jednotlivé hmotnostní koncentace se spočítají podle vztahu: O ef = c Xef = c Xměř 0, 1 ω 0, 1 ω Komě výše uvedených látek, kteé se měří kontinuálně, existují limity na ostatní znečišťující látky jako: HCl, PAH, PCB, PCCD, Hg, Cd, As+Pb (měří x očně) Emisní stopy jsou součástí integovaného povolení (IPPC) konkétního znečišťovatele (elektány) a stanovují oční úhnná množství těchto látek O ef Oměř ω

13 Kotle přípava paliva Roštové technologie: Komě vysoušení není nutná žádná zvláštní přípava paliva Fluidní technologie: Palivo se dtí v dtičích paliva nebo má-li předepsané ozměy se přímo dopavuje do kotle pomocí šnekových dopavníků nebo pneumaticky Páškové technologie: Palivo se suší a mele v mlýnech, uhelný pášek musí mít požadovanou vlhkost a jemnost. Typy mlýnů: - Tlukadlový - Ventilátoový - Koužkový - Tubnatý ventilátoový mlýn 1. skříň ventilátoů,. lopatkové kolo, 3. přívod sušícího a nosného média s palivem, 4. výstup do třídiče tlukadlový mlýn 1. pancéřovaná skříň,. hřídel, 3. pevné ložisko, 4. volné ložisko, 5. amena, 6. kladiva, 7. axiální sušícího a nosného média

14 Čištění spalin Po dodžení emisních limitů je třeba spaliny zbavit znečišťujících látek: 1. TZL (tuhé znečišťující látky) pobíhá v odlučovačích pachových částic. SO pobíhá přímo v kotli (CFB) nebo v odsiřovacích zařízeních 3. NO x není potřeba nebo pobíhá v DeNOx jednotkách (dávkování čpavku) 4. CO souvisí s náklady na emisní povolenky (v ČR jsou přidělovány a tedy není potřeba), odstaňování CO ze spalin apidně snižuje celkovou účinnost

15 Odlučovače Typy odlučovačů: - Suchý mechanický (gavitační, setvačné, víové ) - Moký mechanický (spchové, poudové, pěnové ) - Elektostatický - Tkaninový Odlučivost: Vyjadřuje schopnost odlučovat pachové částice O c m m c c = = m c p v p v p Křivka tuhých zbytků ve spalinách: Vyjadřuje kolik hmotnostních pocent je částic s velikostí zn větší než a: p mp, cp hmotnost esp. koncentace přivedených tuhých zbytků mv, cv hmotnost esp. koncentace odvedených tuhých zbytků O Ve velkých elektánách dosahovaná odlučivost 0.99 c Z p [-] O f [-] p p ( ) Z = Z a Fakční odlučivost: Vyjadřuje kolik pocent tuhých zbytků o velikosti zn a se v odlučovači zachytí: f f ( ) O O a a [ µ m] = a max

16 Vyjádříme-li si 1 ( ) O = O Z f f p ( ) O = O Z dz c f p p 0 Odlučovače odlučivost bude potom: O f 1 ( ) O = O Z dz c f p p 0 Měřené fakce TZL ve spalinách: Měří se fakce PM10 a fakce PM,5. Měření u fakce PM10 pobíhá na odlučovacím zařízení kde a chaakteistika má velkou (definovanou) stmost. O ideální chaakteistika měřidla ( ) 0,5 O a = f měř f ( a) eaálná chaakteistika měřidla měřená hodnota Z a p ( ) měř O f ( µ ) Z p O 10 m = 0,5 f a měř a [ µ m] Na stejných pincipech pobíhá měření uhelného pášku, vápence, Z p

17 Odlučovače elektostatický filt 1. sběné elektody (uzemněné),. vybíjecí elektody, 3. přívod kouřových plynů, 4. zásobník s popílkem tkaninový filt 1. vzduch po oklepy tkaniny,. nevyčištěné spaliny, 3. přečištěné spaliny, 4. popílek

18 Odsíření Odsiřovací metody podle způsobů zachycování SO : egeneační - aktivní látka se po eakci s oxidem siřičitým egeneuje a vací zpět do pocesu, oxid siřičitý se dále zpacovává neegeneační - aktivní látka eaguje s SO na dále využitelný nebo nevyužitelný podukt a zpět do pocesu se nevací moké - SO se zachycuje v kapalině nebo vodní suspenzi aktivní látky polosuché - aktivní látka je ve fomě vodní suspenze vstřikována do poudu hokých spalin, kapalina se poté odpaří a podukt eakce se zachycuje v tuhém stavu suché - SO eaguje s aktivní látkou v tuhém stavu České elektány používají jako metodu po odsíření spalin převážně mokou vápencovou vypíku. V absobéu (nádobě o půměu 15 m a výšce 40 m) pocházejí kouřové plyny několikastupňovou spchou, kteá ozstřikuje vápencovou suspenzi, tj. ozemletý vápenec ve vodě. Oxid siřičitý eaguje a vzniká siřičitan vápenatý (CaSO 3 ), kteý dále oxiduje na dihydát síanu vápenatého (CaSO 4.H O). Vzniklý podukt - tzv. enegosádovec lze výhodně využít po výobu sády, stavebních dílů, cementu a stabilizátu.

19 kouřové plyny vápenec sádovec Vápencové hospodářství silo vápence Moká vápencová vypíka oxidační vzduch popílek pocesní voda Odsiřovací linka výstupní spalinový ventiláto odlučovač kapek komín ohřívač odsířených spalin nouzové vlhčení chlazení kouř. plynů jímka vápencové suspenze absobé míchadla vent. oxid. vzduchu filty usazovací nádž stusky silo CaO silo popílku hydocyklony Hospodářství vedlejších enegetických poduktů (VEP) bubnový vakuový filt míchání stabilizátu jímka zahuštěné sádovcové suspenze

20 Moká vápencová vypíka Reakce pobíhající v odsiřovací jednotce: Suspenze absobentu absobuje většinu SO dle následujících ovnic: SO + H O H SO H SO H O H O HSO Část HSO 3- vzniklého absopcí SO se oxiduje ve spchové části absobéu kyslíkem, kteý je ve spalinách a zbytek HSO 3- se zcela oxiduje v eakční nádži absobéu přiváděným oxidačním vzduchem dle následujících ovnic: HSO + O HSO HSO H O H O SO Reagující suspenze se přivádí ze systému vápence do absobéu a neutalizuje vodíkový iont s výsledkem, že se udžuje konstantní hodnota ph suspenze absobentu: Sumáně tedy: Ca + CO + H O + SO CaSO.H O + CO + H O CaCO + H O + SO + O CaSO.H O + CO Spotřeba vápence závisí na jemnosti fakce vápence tedy na jeho celkové eaktivitě a čistotě jeho složení (vápence obsahují 90 98% CaCO 3, zbytek větš. MgCO 3 ) m vápenec m = c. CaCO Vzhledem k částečnému okysličování pomocí kyslíku ve spalinách, přebytek kyslíku v suchých spalinách na výstupu poklesne cca o 1-% 3 CaCO 3

21 Moká vápencová vypíka Reakce pobíhající v hospodářství VEP: Při eakci popílku s kysličníkem vápenatým (CaO) a vodou vznikají přechodné eakční podukty typu: 3 CaO. SO.3H O 3 CaO. Al O.6H O 3 To jsou stejné eakční podukty jako při tvdnutí potlandského cementu, avšak eakční ychlosti pobíhají při stabilizačním pocesu podstatně pomaleji. Tyto přechodné eakční podukty eagují dále s dalšími složkami odvodněného sádovce na konečné sloučeniny jako je např. etyngit 3 CaO. Al O.3 CaSO.H O 3 4 nebo jiné obdobné sloučeniny siřičitanů nebo síanu. Výsledke jsou málo suspendovatelné inetní sloučeniny využitelné ve stavebnictví nebo jsou-li skládkovány, jsou klasifikovány jako inetní odpady.

22 Denitifikace spalin Denitifikace spalin je považována za technicky obtížnější, než odsíření Kouřové plyny obsahují ůzné oxidy dusíku: - cca 95 % oxidu dusnatého NO - cca 5 % oxidu dusičitého NO - při teplotách pod 900 C vzniká i oxid dusný N O Oganický dusík je obsažen v palivu i ve vzduchu při spalování. Metody snížení NO x : Pimání kdy se snažíme zabánit jejich vzniku řízením půběhu spalování a konstukcí kotlů (lze snížit emise NOx o % při elativně nízkých nákladech) Sekundání Selektivní katalytická edukce pobíhá ve speciálním eaktou, katalyzátoem jsou oxidy vanadu, molybdenu nebo wolfamu na nosiči z oxidu titaničitého. Do spalin se vstřikuje amoniak a směs se vede přes katalyzátoy, kde vzniká elementání dusík a voda. Tato metoda je dažší, ale obsah NOx ve spalinách lze snížit o %

23 Technologie Cabon Captue & Stoage CCS technologie: post combustion captue spalování paliva se vzduchem a následná sepaace CO ze spalin oxy-fuel technology spalování paliva s čistým kyslíkem a následná sepaace CO ze spalin pe combustion captue zplynování paliva před spálením, konveze CO z plynu na CO, sepaace CO a vodíku a následné spalování čistého vodíku (IGCC Integated Gasification Combined Cycle).

24 Technologie Cabon Captue & Stoage Enegetická bilance - výazné zvýšení vlastní spotřeby, tj. snížení čisté účinnosti elektány přibližně o 6-14% a navýšení spotřeby paliva o 0-40% Uhlíková bilance - do celkové uhlíkové bilance je třeba započítat i emise CO způsobené přepavou a skladováním! Kapacita a budoucí využití potenciálních úložišť - v současné době je odhadována na zhuba 70-násobek celosvětové oční podukce CO, - po injektáži CO budou bývalá ložiska v budoucnosti nevyužitelná po další případnou těžbu Bezpečnostní izika - CO bude v učité míře unikat podél geologických zlomů - stlačený CO může způsobit mikozemětřesení s izikem naušení nadložních vstev - objemová koncentace CO okolo 8% zabíjí člověka do minut jednotka ozkladu vzduchu ozvodna vn zpacování CO kotelna el. odlučovač jednotky čištění spalin Pilotní pojekt: 30 MWt elektána Schwaze Pumpe (technologie CCS - oxy-fuel) Ukládání CO do podzemních ložisek

25 Glosa k přednášce č. 8 Tepelná elektána o paametech Výkon bloku: 1000 MW (čistá výoba po odečtení VS) Celková účinnost: 0,33 (čistá účinnost vztažená k výhřevnosti paliva) Paamety hnědého uhlí: -1 d Q i [MJ.kg ] [%] A S [%] W [%] Přebytek vzduchu: 1,3 Popílek / Stuska: 0,9 / 0,1 Účinnost odsíření: 0,95 Účinnost odlučovače: 0,999 Emisní limity po nový zdoj dle NV 146/007 (vztaženo k 6% přebytku O obj. ve spalinách): TZL SO 30 mg.m mg.m Rozhodněte, zda elektána bude plnit emisní limity po TZL a SO. Vypočítejte hmotnostní toky uhlí, vápence, podukci sádovce a emise CO 3. Jaké budou dodatečné náklady na 1 MWh bude-li si emisní povolenky elektána nakupovat (cena silové el. enegie je cca 60 EUR/MWh a povolenky 5 EUR/t CO ) Zanedbejte: ostatní nevyspecifikované složky paliva (vázaný dusík, chló, hydátovou vodu atd.) komě uhlíku, vzdušnou vlhkost, odlučovací schopnost odsíření, eaktivitu a chemické nečistoty vápence, po výslednou bilanci uvažujte okysličení v absobéu plně hazenou přivedeným oxidačním vzduchem