ÚVOD DO PROBLEMATIKY PAROVZDUCHOVÝCH OBĚHŮ Pavel Milčák, Kamil Stárek, Ladislav Vilimec Příspěvek je zaměřen na problematiku vývoje flexibilního energetického systému, který slouží k výrobě elektrické energie a tepla. Koncepce vyvíjeného flexibilního energetického systému je orientována především na spalování paliv, která není možné spalovat ve spalovacích turbínách, tedy uhlí,biomasa, pevná alternativní paliva a znečištěná kapalná a plynná paliva. Klíčová slova: biomasa, Braytonův cyklus, vlhký oběh, nepřímý ohřev ÚVOD Vzhledem k tomu, že navrhovaný parovzduchový cyklus má smysl využívat jen pro paliva, která nelze spalovat ve spalovací turbíně, tedy např. pevná paliva a také znečištěné plyny a kapalná paliva (zemní plyn, generátorový plyn, bioplyn apod. je vhodnější spalovat přímo ve spalovací turbíně kogenerační jednotky nebo kombinovaného paroplynového cyklu), budou dále popisované jednotky zaměřeny především na využití primární energie uhlí, biomasy a alternativních paliv. Většina elektřiny se dnes vyrábí v kondenzačních elektrárnách u nichž se pro transformaci tepelné energie pracovního media (páry) na energii mechanickou využívá Rankinův Clausiův parní oběh (RC) principiální schéma elektrárenského bloku je uvedeno na Obr. 1. Obr. 1 Principielní schéma elektrárenského bloku s RC cyklem Dnes se na hnědé uhlí staví el. bloky o jednotkovém výkonu 1000 MWe, pro splnění předepsaných emisních limitů jsou u nich realizována primární opatření a jsou vybaveny elektrostatickým odlučovačem nebo látkovým filtrem a vhodným odsiřovacím zařízením, v případě potřeby i zařízením SCR pro dodržení limitu NO x. Množství emitovaného CO 2 do ovzduší lze v tomto případě snížit jen zvýšením účinnosti celkové transformace primární energie paliva na energii elektrickou. Bloky se super nadkritickými parametry pracují dnes s účinností až 45 %, uvádí se, že dosažitelná je hodnota až 50 %. (Bloky 200 MW a.s. ČEZ dosahují dnes účinnost cca 35 %.) Ing. Pavel Milčák, Vítkovice Heavy Machinery a.s., Ruská 101, 70602 Ostrava Vítkovice, pavel.milcak@vitkovice.cz / 135 /
Z hlediska dosahované účinnosti celkové transformace primární energie na energii elektrickou jsou dnes bezkonkurenční paroplynové centrály (PPC), jejichž účinnost je vyšší než 50 %, dosažitelná se očekává cca 60 %. Principiální schéma PPC je uvedeno na Obr. 2. Dnešní, již klasická koncepce, se ustálila na seriovém řazení plynového Braytonova cyklu a parního Rankinova Clausiova cyklu, využívá se tedy dvojnásobné transformace primární energie. Jako palivo se u PPC používají jakostní plynná nebo kapalná paliva, např. zemní plyn, syntetický plyn atd. Obr. 2 Principielní schéma paroplynové centrály (PPC) Teplo odpadních spalin ze spalovací turbíny využité v parním RC je označeno úsekem 5-4, ztracené teplo představuje úsek 1-5 a úsek 6-9. Využít přednosti sériového řazení plynového a parního cyklu pro účinnější transformaci primární energie uhlí umožňují nově vyvíjené progresivní uhelné technologie, které jsou založeny v podstatě na dvou způsobech využití uhlí: jeho spalování v tlakovém ohništi nebo výrobě syntetického plynu jeho zplyňováním. Na Obr. 3 je znázorněn princip PPC se spalováním uhlí v tlakové fluidní vrstvě PFBC (Pressure Fluidiced Bed Combustion), tzv. kombinovaný cyklus s tlakovou fluidní vrstvou PFBCC (Pressure Fluidiced Bed Combined Cycle). Uhlí se spaluje v kotli s tlakovým fluidním ohništěm při teplotě cca 850 C, spaliny se zbaví popílku a vedou se na plynovou turbínu, kompresor dodává spalovací vzduch do fluidního ohniště. Pára z kotle jde na parní turbínu s kondenzátorem, kondenzát se ohřeje na teplotu napájecí vody ve spalinovém kotli za plynovou turbínou. Množství emitovaného CO 2 závisí na dosažené účinnosti transformace primární energie uhlí dosahovaná účinnost se pohybuje kolem 45 %, zvýšení účinnosti je předmětem dalšího vývoje. / 136 /
Obr. 3 Principielní schéma PPC s tlakovým fluidním ohništěm PFBCC. Na Obr. 4 je uvedeno další principielní schéma bezemisního bloku, který vyvíjí společnost CES (Clean Energy Systém, USA). Obr. 4 Bezemisní cyklus se separačním parogenerátorem [3] / 137 /
V tomto systému se spalují uhlovodíková paliva (C x H y ), takže pro využití pevných paliv, např. uhlí, odpadů a biomasy, se musí předřadit zplyňovací zařízení. Protože spalování probíhá s kyslíkem, je součástí bloku i výroba kyslíku VK. Jako spalovací zařízení je použit generátor paroplynové směsi GPPS, což je upravený raketový motor, do něhož se vstřikuje voda v takovém množství, aby vystupující paroplynová směs PPS, kterou tvoří vodní pára a CO 2, měla požadovanou teplotu, např. 600 C. Po expanzi ve vysokotlaké turbíně VtT se PPS ochlazuje v separačním parogenerátoru SPG tak, aby se oddělil kondenzát a CO 2. Kondenzát se vstřikuje zpět do GPPS, přebytek se využije jako zdroj vody. Odseparovaný CO 2 při tlaku cca 0,4 MPa se buď průmyslově využívá nebo se ukládá do vytěžených podzemních prostor po těžbě plynu, uhlí apod. Pro chlazení SPG se použije klasický parní oběh, vyrobená pára o tlaku cca 0,3 MPa se využije v nízkotlaké parní turbíně NtT. Do kategorie bezemisních energetických zdrojů patří i elektrárenský blok se spalováním uhlí s kyslíkem v práškovém ohništi, jehož principielní schéma je uvedeno na obr. 5. V tomto případě se spaluje hnědé uhlí s vysokým obsahem vody (až 51 %) a proto se uhlí před vstupem do kotle suší ve fluidní sušce FS (na w = 12 %), takže produktem spalování je prakticky paroplynová směs PPS složená z CO 2 (74 %) a vodní páry (22 %). Za kotlem se PPS ochladí v regenerativních výměnících RgV pro ohřev kyslíku a recirkulované části PPS a odpráší se el. odlučovači EO. V následující čistírně ČP (SO 2, NO x ) se obsah vody v PPS sníží na cca 2 % a výsledným produktem je 98 % CO 2, který se kompresorem stlačí na tlak potřebný pro jeho další využití nebo pro uložení do vytěžených podzemních prostor. / 138 /
Obr. 5 Principiální schéma elektrárenského bloku se spalováním uhlí s kyslíkem v práškovém ohništi. [4] FES FLEXIBILNÍ ENERGETICKÝ SYSTÉM (FLEXIBLE ENERGY SYSTEM) FES lze zjednodušeně charakterizovat jako vlhký oběh s plynovou turbínou s nepřímým ohřevem pracovního média, kterým v nejjednodušších případech je směs vzduchu a vodní páry stručně parovzduchová směs. Zjednodušené principielní schéma FES je vidět na Obr. 6, znázorněn je kombinovaný paroplynový cyklus.[1] Obr. 6 Principiální schéma FES Jak již bylo uvedeno, zdrojem primární energie pro FES jsou pevná paliva (jako je např. uhlí, biomasa, alternativní pevná paliva a případně i odpady), ale i znečištěná plynná a kapalná paliva a odpady nevhodné pro přímé spalování v plynových motorech, přičemž pro transformaci primární energie se využívá technologie spalováni, která dnes patří mezi nejrozšířenější a nejvíce propracovanou technologii i z pohledu snížení negativních dopadů na životní prostředí. Jako zdroj primární energie lze však využít i teplo odpadních spalin z různých tepelných agregátů. Protože spalování uvedených paliv lze zajistit jen v ohništi s chlazenými stěnami, je použita klasická chlazená spalovací komora ChSK provedená s membránových stěn zapojených jako výparník s přirozenou cirkulací (předaným teplem ve spalovací komoře se vyrábí sytá pára) ohniště může být roštové GF, práškové PCF, se stacionární fluidní vrstvou BFB, s cirkulující fluidní vrstvou CFB, ale též pro spalování plynných a kapalných paliv G/O F. Jak je zřejmé, tak pro spalování paliv se u FES používá některé s vhodných a osvědčených provedení spalovací komory klasických kotlů tím ale další podobnost s běžnými kotli prakticky končí. Pro volbu teploty spalin na výstupu z chlazené spalovací komory ChSK platí stejné zásady jako u klasických kotlů, před vstupem do komína se spaliny čistí od TZL např. v elektrostatickém odlučovači EO, pro splnění emisního limitu SO 2 je zařazeno odsiřovací zařízení DeSO x a u ohniště jsou uplatněna potřebná primární opatření. Vzduch 1 nasávaný kompresorem plynové turbíny PLT se stlačí asi na 1,2 až 1,4 MPa a smísí se se sytou párou vyrobenou ve výparníku (stěny ChSK ) tlak páry v parním bubnu se nastavuje podle tlaku vzduchu za kompresorem. Vzniklá parovzduchová směs (pvs) 3 s obsahem páry asi 12 až 15 % se pak spalinami / 139 /
vystupujícími z ChSK ohřívá v ohříváku paroplynové směsi OPVS na pracovní teplotu vstupního média 4 do plynové turbíny, např. na 800 C. Po expanzi parovzduchová směs 5 v naznačeném provedení vstupuje do kotle na odpadní teplo HRSG, který je součástí klasického parního Rankinova Clausiova oběhu. V kotli se parovzduchová směs ochladí na teplotu rosného bodu, vzduch se zbytkovou vlhkostí 6 se vypouští do okolí a odloučený kondenzát se vrací do chladícího okruhu ChSK. Pro vychlazení spalin na výstupní teplotu je za OPVS zařazen klasický ohřívák spalovacího vzduchu OSV, případně i klasický ohřívák napájecí vody napájené do výparníku ChSK. Chlazená spalovací komora ChSK, ohřívák parovzduchové směsi OPVS a ohřívák spalovacího vzduchu OSV tvoří jeden celek, který můžeme nazvat parovzduchový generátor PVG. Z hlediska dopadu na životní prostředí je FES srovnatelný s dnes používanými nebo vyvíjenými technologiemi spalování pevných paliv. Při spalování se vzduchem jsou emise stejné jako u stávajících kotlů spalujících tatáž paliva, s výhodou však lze FES navrhnout jako bezemisní cyklus, pokud se pro spalování použije kyslík. Další snížení produkce CO 2 lze zajistit jen dalším zvýšením celkové účinnosti transformace primární energie přivedeného paliva. ZÁVĚR FES umožňuje použít Braytonův cyklus s regenerací stejně jako kombinovaný Braytonův a Rankinův Clausiův cyklus i pro pevná a alternativní paliva. Použitím parovzduchové směsi (vlhký oběh) jako pracovního média plynové turbíny se dosáhne vyšší hmotnostní průtok turbínou, sníží se kompresní práce, zvětší se disponibilní práce turbíny a zvýší se celková účinnost transformace primární energie. Základní myšlenka, využít klasickou technologii spalování pro transformaci primární energie tuhých paliv (uhlí, biomasa, alternativní paliva) a znečištěných plynných a kapalných POUŽITÁ LITERATURA [1] VILIMEC, L., MILČÁK P: Úvodní studie flexibilního energetického systému FES s parovzduchovým cyklem se spalováním pevných paliv. Ostrava, VÍTKOVICE HEAVY MACHINERY a.s., 30.6.2006. [2] WINGELHOFER, F.: Koncept And First Operational Experienses of a Directly Wood Particle Fired Gas Turbine. In Dny spalování: sborník konference, Brno 2. 3. 6.2004. VUT Brno, 2004, s. 93 98. ISBN 80-214-2650-0. [3] NOSKIEVIČ,P.; VILIMEC, L.; KUBIŠ, S.; KONEČNÝ, P.; UBRÁ, O.: Demonstrační jednotky moderního bezemisního cyklu s paroplynovou turbínou. In Kotle a energetická zařízení, Teris Praha 2006, sborník konference, Brno 13. 15. března 2006. Praha 2006, ISSN 1801-1306. [4] HELLFRITSCH, S.; GONSCHOREK, S.; GAMPE, U.: OXYFUEL Technology with karbon sequestration: A promising option for future CO 2 Free Power Generation from domestik Coal resources. In Energetika a životní prostředí: sborník konference, Ostrava 7. / 140 /