P
OLITECHNIKA
Ł
ÓDZKA
W
YDZIAŁ
E
LEKTROTECHNIKI
,
E
LEKTRONIKI
,
I
NFORMATYKI I
A
UTOMATYKI
I
NSTYTUT
E
LEKTROENERGETYKI
PROJEKT ELEKTROCIEPŁOWNI GAZOWO-PAROWEJ
ZINTEGROWANEJ ZE ZGAZOWANIEM BIOMASY
T
OMASZ
K
LESZCZ
N
R ALBUMU
:
152315
S
EMESTR
VII
ŁÓDŹ 2011
Projekt elektrociepłowni gazowo-parowej zintegrowanej ze zgazowaniem biomasy
2
S
PIS TREŚCI
Charakterystyka przestrzenna i budownictwo mieszkalne ................................... 4
Charakterystyka infrastruktury w zakresie techniczno-ekonomicznym ...................... 5
Ogólna charakterystyka systemu energetycznego ................................................ 7
Przewidywane zapotrzebowanie na energię i ciepło w przyszłości ............................ 7
Dostępność biopaliw stałych i innych paliw alternatywnych ...................................... 8
Odpady z utrzymania gminnych terenów zielonych i pielęgnacji sadów .......... 11
2.4.10 Założenie rzeczywistego strumienia paliw możliwych do wykorzystania ........ 13
Energetyczne wykorzystanie biomasy – projekt – Tomasz Kleszcz
3
Projekt elektrociepłowni gazowo-parowej zintegrowanej ze zgazowaniem biomasy
4
1. C
EL PROJEKTU
Zaprojektowanie elektrociepłowni w celu pokrycia wzrastającego zapotrzebowania na
ciepło i energię elektryczną dla miasta i gminy Wieluń z możliwością wykorzystania
odnawialnych oraz niekonwencjonalnych źródeł energii.
2. U
STALENIE DANYCH WYJŚCIOWYCH
2.1 Charakterystyka miasta i gminy wg [9]
2.1.1 Położenie
Miasto i gmina Wieluń tworzą gminę miejsko-wiejską należącą do powiatu
wieluńskiego. Gmina leży w południowo-zachodniej części województwa łódzkiego, w
obszarze kilku regionów fizyczno-geograficznych: Wysoczyzny Bełchatowskiej (zaliczanej
do Niziny Środkowopolskiej) oraz Wyżyny Wieluńskiej (zaliczanej do Wyżyny Śląsko -
Krakowskiej). Ukształtowanie terenu jest typu niskofalistego i niskopagórkowatego z rozległą
doliną Warty, stanowiącą południową granicę. Dokładna pozycja geograficzna miasta to
52° długości geograficznej północnej i 21° 41´ szerokości geograficznej wschodniej.
2.1.2 Powierzchnia i zaludnienie
Gmina Wieluń jest jednostką samorządową obejmującą zasięgiem miasto Wieluń i 20
sołectw. Łączna powierzchnia terenów gminy wynosi około 13030 ha, w tym na miasto
przypada 1690 ha. Liczba mieszkańców gminy w roku 2004 wynosiła około 34,5 tys.
2.1.3 Charakterystyka przestrzenna i budownictwo mieszkalne
Charakter zagospodarowanie gminy wynika bezpośrednio z występujących funkcji.
Wiodącą funkcja gminy jest produkcja żywności. W strukturze użytkowania przeważają
użytki rolne stanowiące ponad 70% powierzchni gminy.
Duże zwarte kompleksy leśne usytuowane są na obrzeżach gminy: północno-
wschodnim, południowo-wschodnim oraz zachodnim. Mniejsze tereny leśne występują
sporadycznie.
Na terenie całej gminy dominuje budownictwo wielorodzinne spółdzielcze i
komunalne. W ogólnym bilansie zasobów mieszkaniowych stanowi ono 47,9%. Na drugim
miejscu jest budownictwo indywidualne – 39,6%, a na trzecim budownictwo komunalne –
12,6%. Znacząca część budownictwa spółdzielczego i komunalnego występuje na terenie
miasta. Przewaga budownictwa indywidualnego występuje na terenach wiejskich.
Energetyczne wykorzystanie biomasy – projekt – Tomasz Kleszcz
5
2.1.4 Warunki klimatyczne
Gmina Wieluń (wg podziału Polski na regiony klimatyczne W. Okołwicza) położona
jest w regionie o słabnących wpływach oceanicznych, cechujących się stosunkowo małymi
amplitudami temperatury powietrza wczesną wiosną, stosunkowo długim latem, zimą łagodna
i krótką z mało trwała pokrywą śnieżną. Zima trwa 80 dni, lato 98 dni.
Tablica 1. Średnie wieloletnie temperatury miesiąca w stopniach Celsjusza i liczba dni ogrzewania dla stacji
meteorologicznej Wieluń
Średnia roczna temperatura: 9,8 °C
Obliczeniowa temperatura zewnętrzna: -18,0 °C
2.2 Charakterystyka infrastruktury w zakresie techniczno-
ekonomicznym
2.2.1 Miejski system ciepłowniczy
Miejski system ciepłowniczy oparty jest głównie na jednym źródle i sieci
eksploatowanych przez Energetykę Cieplną. Centralne źródło ciepła zlokalizowane jest w
części przemysłowej miasta przy ulicy Ciepłowniczej 26 w bezpośrednim sąsiedztwie
Zakładu Produkcyjno – Montażowego ZUGiL. Ciepłownia wyposażona jest w trzy kotły
wodne WR-25 opalane miałem węglowym o łącznej mocy zainstalowanej 87,2 MW. W 2004
r. kocioł nr 1. przeszedł modernizację. Układ technologiczny źródła przedstawiony jest na
poniższym schemacie.
Tablica 2. Charakterystyka sieci ciepłowniczej, stan na rok 2003; [9]
parametry sieci wysokotemperaturowej
130/70 °C
parametry sieci niskotemperaturowej
95/70 °C
parametry sieci technologicznej
110/80 °C
pojemność układu sieciowego
1400 m
3
długość sieci wysokotemperaturowej
21563 m,
w tym preizolowanej 7427 m
długość sieci niskotemperaturowej
5673 m,
w tym preizolowanej 2157 m
liczba węzłów grupowych
52
liczba węzłów indywidualnych
113
liczba węzłów bezpośrednich
9
Projekt elektrociepłowni gazowo-parowej zintegrowanej ze zgazowaniem biomasy
6
Obecnie sieć ciepłownicza rozprowadzona jest na około 75% powierzchni miasta.
Przez odbiorców ciepło wykorzystywane jest do celów c.o., do podgrzania ciepłej wody
użytkowej oraz potrzeb technologicznych przemysłu. Charakterystykę sieci przedstawiono w
tablicy 2. Natomiast rys. 1 prezentuje schemat technologiczny ciepłowni.
Rys. 1. Schemat technologiczny ciepłowni; [9]
WR25 – kotły wodne, PO – pompy obiegowe, PM – pompy mieszające, PU – pompy uzupełniające, PS – pompy
ciśnienia statycznego, W1 – wymiennik ciepła, OS – odmulacze sieciowe, ZW – zbiornik wody uzupełniającej,
OD - odgazowywacz
2.2.2 Lokalne źródła ciepła w gminie
Lokalne źródła ciepła odgrywają istotną rolę w zaopatrzeniu gminy w ciepło. Są one
uzupełnieniem miejskiego systemu ciepłowniczego. Część z nich posiada znaczną rezerwę
mocy. Łączna moc zainstalowana wynosiła w 2004 roku 78,63 MWt, z tego moc
wykorzystana wynosiła 33,24 MWt.
Bilans zapotrzebowania ciepła przedstawiono w tablicy 3.
Tablica 3. Bilans zapotrzebowania ciepła w 2003 roku; [9]
Stan na rok 2003.
Energetyczne wykorzystanie biomasy – projekt – Tomasz Kleszcz
7
2.2.3 Ogólna charakterystyka systemu energetycznego
W zakresie dostawy energii elektrycznej głównym i podstawowym źródłem zasilania
całego obszaru gminy jest GPZ zlokalizowany w północnej części miasta przy ulicy
Sieradzkiej w bezpośrednim sąsiedztwie Rejonu Energetycznego Wieluń.
GPZ zasilany jest w układzie pierścieniowym czterema liniami 110 kV, w tym:
- linią Trębaczew -Wieluń;
- linią Złoczew -Wieluń;
- linią Wieruszów -Wieluń;
- linią Janinów -Wieluń.
Istniejący układ zasilania charakteryzuje się wysoką niezawodnością i pewnością
działania. Stan techniczny linii jest bardzo dobry.
Dostawa i dystrybucja energii do odbiorców odbywa się za pośrednictwem sieci
terenowej 15 kV wyposażonej w lokalne stacje transformatorowe 15/0,4 kV. Ze stacji tych
energia doprowadzana jest dalej liniami niskiego napięcia (400/230 V) kablowymi bądź
napowietrznymi. Sieć dystrybucyjna 15 kV zasilana jest z dwóch sekcji GPZ Wieluń z
możliwością wzajemnego rezerwowania.
System miejskiej sieci dystrybucyjnej 15 kV poddany został w latach 80-tych
zasadniczej modernizacji. Istniejąca sieć elektroenergetyczna pokrywa w 100% potrzeby tego
regionu, a wiele stacji transformatorowych ma znaczną rezerwę mocy.
Tablica 4. Charakterystyka GPZ-u zasilającego obszar gminy w energię elektryczną.
2.3 Przewidywane zapotrzebowanie na energię i ciepło w przyszłości
Biorąc po uwagę trzy scenariusze rozwoju gminy i miasta po uśrednieniu otrzymano
zapotrzebowanie w roku 2020:
- na ciepło – 168 MWt – Energetyka Cieplna do ok 70 MWt, reszta źródła
przemysłowe i indywidualne
- na energię elektryczną – 39 MWe
Projekt elektrociepłowni gazowo-parowej zintegrowanej ze zgazowaniem biomasy
8
2.4 Dostępność biopaliw stałych i innych paliw alternatywnych
Dostępność paliw określano dla obszaru o promieniu 30-40 km od instalacji.
Biomasa to stałe lub ciekłe substancje pochodzenia roślinnego lub zwierzęcego, które
ulegają biodegradacji, pochodzące z produktów, odpadów oraz pozostałości z produkcji rolnej
i leśnej, a także z przemysłu przetwarzającego ich produkty oraz z części pozostałych
odpadów, które ulegają biodegradacji. Określenie biopaliwo stałe, oznacza substancje stałe
pochodzenia roślinnego lub zwierzęcego pochodzące z produktów, odpadów oraz
pozostałości z produkcji rolnej i leśnej, które ulegają biodegradacji i zużywane są na cele
energetyczne w procesach bezpośredniego spalania, zgazowania, karbonizacji lub pirolizy.
2.4.1 Odpady komunalne
Zgodnie z definicją zawartą w ustawie z dnia 27 kwietnia 2001 r. o odpadach, przez
odpady komunalne rozumie się „odpady powstające w gospodarstwach domowych, a także
odpady nie zawierające odpadów niebezpiecznych pochodzące od innych wytwórców
odpadów, które ze względu na swój charakter lub skład są podobne do odpadów
powstających w gospodarstwach domowych”.[12]
Głównymi źródłami wytwarzania odpadów komunalnych są:
- gospodarstwa domowe,
- obiekty użyteczności publicznej,
- obiekty infrastruktury związane z handlem, usługami, rzemiosłem, szkolnictwem,
administracją itp.
Zgodnie z Krajowym planem gospodarki odpadami 2010 wyodrębniono następujące
grupy odpadów komunalnych według źródeł ich powstawania:
• odpady komunalne segregowane i zbierane selektywnie,
• odpady zielone z ogrodów i parków,
• niesegregowane ( zmieszane) odpady komunalne
• odpady z targowisk,
• odpady wielkogabarytowe,
• odpady z czyszczenia ulic i placów – gleba, ziemia i kamienie.[12]
Różnice w składzie odpadów związane są z poziomem życia mieszkańców, sytuacją
materialną, sposobem zagospodarowania niektórych rodzajów odpadów np. odpadów
kuchennych ulegających biodegradacji, popiołów paleniskowych. Ponadto w obiektach poza
gospodarstwami domowymi różnice wynikają z charakteru prowadzonej działalności.[12]
Energetyczne wykorzystanie biomasy – projekt – Tomasz Kleszcz
9
Tablica 5. Ilość poszczególnych odpadów komunalnych powstałych na terenie powiatu wieluńskiego w roku
2004 możliwych do wykorzystania w instalacji. [13,6]
Strumień odpadów
t/rok
wartość opałowa
[MJ/kg]
opakowania z papieru i tektury
1859
17
papier i tektura (nieopakowaniowe)
1282
12-26
opakowania wielomateriałowe
633*
15
tworzywa sztuczne (nieopakowaniowe)
2329
35
opakowania z tworzyw sztucznych
750
30
drewno - wielkogabarytowe
783,8
11-22
drewno odpadowe pochodzące z remontów
220,9
11-22
*Dane dotyczące tylko gminy Wieluń, rok 2010.[12]
2.4.2 Komunalne osady ściekowe
Istniejąca na terenie Gminy Wieluń miejska oczyszczalnia ścieków wytwarza
komunalne osady ściekowe unieszkodliwiane w ilościach przedstawionych w tablicy 6.
Osady ściekowe unieszkodliwiane są poprzez składowanie na składowisku odpadów w
Rudzie k Wielunia.
Tablica 6. Ilość poszczególnych typów odpadów pochodzących z miejskiej oczyszczalni –[t]; [12]
rok
ustabilizowane
komunalne osady
ściekowe
zawartości
piaskowników
skratki
2008
680
50,76
35,52
2009
597
65,52
26,64
Wykorzystanie tych odpadów jest znacznie utrudnione ze względu na ich wysoką
wilgotność. W przypadku wysokiego odwodnienia osadu na terenie oczyszczalni do poziomu
poniżej 50% wilgoci byłoby możliwe termiczne ich przetworzenie w proponowanej instalacji.
2.4.3 Odpady przemysłowe
Pod pojęciem tym rozumie się odpady powstające w sektorze gospodarczym a więc
wszystkie te grupy i rodzaje odpadów, które powstają w wyniku prowadzenia działalności
gospodarczej przez osoby prawne, prowadzące tę działalność w oparciu o odpowiednie
ustawy. Strumień odpadów możliwych do wykorzystania, dostępnych na terenie powiatu
wieluńskiego podano w tablicy 7.
Projekt elektrociepłowni gazowo-parowej zintegrowanej ze zgazowaniem biomasy
10
Tablica 7. Ilość poszczególnych typów odpadów przemysłowych w roku 2002 na terenie powiatu wieluńskiego;
[6,13]
grupa
ilość
[t/a]
wartość
opałowa
[MJ/kg]
odpady z przetwórstwa drewna oraz z
produkcji płyt i mebli, masy
celulozowej, papieru i tektury
350
11-22
odpady opakowaniowe
227,9
7-12
2.4.4 Drewno
W latach (2001 – 2005) z lasów województwa łódzkiego pozyskiwano średniorocznie
935 000 m
3
drewna, natomiast powierzchnia lasów w województwie wynosi prawie 386 000
ha. Regionalna Dyrekcja Lasów Państwowych w Łodzi przesłała zestawienie dotyczące ilości
zasobów surowca drzewnego, możliwego do wykorzystania dla OŹE. Z niego wybrano
potencjalne zasoby tych paliwa w pobliżu instalacji i zawarto w tablicy 8.
Drewno małowymiarowe, tzw. drobnica użytkowa wyrabiana jest w niewielkich
ilościach: na potrzeby przemysłu płytowego (ok. 2500 m
3
), natomiast tzw. drobnica opałowa
kupowana jest przez ludność na cele opałowe (ok. 49000 m
3
).
Założono drewno o wartości opałowej wynoszącej 13,5 MJ/kg oraz średniej gęstości
drewna 650 kg/m
3
[14].
Tablica 8. Potencjalne zasoby drewna w pobliżu instalacji; [14]
ilość
[m
3
/a]
[t/a]
drewno średniowymiarowe S4 + małowymiarowe M1 i M2
Nadleśnictwo Wieluń
5810
3776
Nadleśnictwo Złoczew
4500
2925
2.4.5 Odpady pozrębowe
Potencjał teoretyczny odpadów pozrębowych powstałych przy wyrębie lasów został
oszacowany przy założeniu, że ze 100 m
3
pozyskiwanego drewna otrzymuje się po przeróbce
do 60 % odpadów, w tym 10 m
3
kory, 15 m
3
drobnicy gałęziowej, 20 m
3
odpadów
kawałkowych (ścinki, obrzyny), 19 m
3
trocin i zrębków, 36 m
3
tarcicy oraz 20 – 25 szt.
produktów finalnych z grubizny. Przyjęto, że na cele energetyczne można zagospodarować
całość dostępnych odpadów pozrębowych, co jest możliwe przez zastosowanie prostych
urządzeń do ich rozdrobnienia i środków transportu.[14]
Energetyczne wykorzystanie biomasy – projekt – Tomasz Kleszcz
11
Założona wartość opałowa odpadów pozrębowych to 10 MJ/kg. Ilość dostępne w
regionie podano w tablicy 9.
Tablica 9. Potencjalne zasoby odpadów pozrębowych w pobliżu instalacji; [14]
ilość
[m
3
/a]
odpady pozrębowe
powiat wieluński
111827
powiat wieruszowski
73952
2.4.6 Odpady z utrzymania gminnych terenów zielonych i pielęgnacji sadów
Rozmiar zasobów odpadów drzewnych pochodzących z utrzymania terenów zielonych
i pielęgnacji sadow (tablica 10) został oszacowany przy następujących założeniach:
−
ilość możliwej do pozyskania biomasy drzewnej z corocznych cięć w sadach
przyjęto na poziomie 2 t/ha,
−
ilość możliwej do pozyskania biomasy drzewnej z utrzymania gminnych terenów
zielonych (parki, zieleńce, zieleń uliczna, cmentarze) przyjęto na poziomie 6 t/ha,
Część odpadów z utrzymania sadow oraz gminnych terenów zielonych jest
zagospodarowywana, np. do produkcji kompostu, dlatego przy szacowaniu potencjału
założono, że na cele energetyczne można przeznaczyć 60% całkowitej ilości odpadów.
Wartość opałową przyjęto na poziomie 10 MJ/kg.[14]
Tablica 10. Zasoby odpadów z utrzymania gminnych terenów zielonych i pielęgnacji sadów w pobliżu instalacji;
[14]
ilość
[t/a]
odpady z utrzymania gminnych terenów zielonych i
pielęgnacji sadów
powiat wieluński
1098
2.4.7 Słoma
Zasoby wyznaczone zostały przy założeniu, że do celów energetycznych zostanie
zużyta słoma z całej powierzchni zasiewów zbóż w poszczególnych powiatach (pszenica,
żyto, jęczmień, owies, pszenżyto, mieszanki zbożowe, gryka, proso, rośliny strączkowe,
rzepak, rzepik, kukurydza na ziarno). Na produkcję słomy wpływa wiele czynników m.in.
Projekt elektrociepłowni gazowo-parowej zintegrowanej ze zgazowaniem biomasy
12
powierzchnia upraw, plony, gatunek rośliny, nawożenie, warunki pogodowe. Poziom zbioru
słomy podlega również wahaniom, głownie za sprawą zmiennych warunków
atmosferycznych. Podaż słomy może podlegać wahaniom o ±30 % w stosunku do wartości
przeciętnej.
Przyjęto średni jednostkowy uzysk słomy 2 tony z 1 hektara.
Wartość opałowa na poziomie 14 MJ/kg [14]
Tablica 11. Zasoby słomy w pobliżu instalacji; [14]
ilość
[t/a]
słoma
powiat wieluński
65302
powiat wieruszowski
43301
2.4.8 Uprawy energetyczne
Zasoby upraw roślin energetycznych zostały obliczone przy założeniu, że całość
powierzchni nieużytków rolnych, gruntów zdegradowanych i pozaklasowych województwa
zostanie przeznaczona pod uprawę roślin energetycznych. Obliczenia zostały wykonane dla
wierzby energetycznej rodzaju Salix viminalis var. gigantea, jako najbardziej popularnej
rośliny energetycznej.[14]
Wydajność plonu suchej masy z 1 ha powierzchni oraz wartość energetyczna plonu
zależna jest od cyklu produkcyjnego plantacji, tzn. częstotliwości zbioru. Zazwyczaj plantacje
prowadzone są w cyklach corocznych, co dwa lub co trzy lata. W tablicy 12. przedstawiono
zależność ilości plonu oraz jego wartości opałowej od częstotliwości zbioru oraz jego
maksymalne dostępne ilości w okolicy instalacji.
Tablica 12. Zasoby paliwa z upraw energetycznych w pobliżu instalacji oraz jego parametry; [14]
częstotliwość
zbioru
plon suchej masy
[t/ha/a]
wartość
energetyczna plonu
[MJ/kg s.m.]
plon suchej masy [t/a]
powiat wieluński powiat wieruszowski
coroczny
14,8
18,56
120487
74311
co 2 lata
16,1
19,25
131070
80838
co 3 lata
21,5
19,56
175032
107952
Energetyczne wykorzystanie biomasy – projekt – Tomasz Kleszcz
13
2.4.9 Guma i odpady gumowe
Zużyte opony powstają w wyniku bieżącej eksploatacji pojazdów mechanicznych, a
także w wyniku demontażu wraków samochodowych. Ilość wytwarzanych odpadów szacuje
się na podstawie ilości kupowanych opon na wymianę lub na podstawie zarejestrowanych
pojazdów uwzględniając czas zużycia opon. W katalogu odpadów zużyte opony oznaczone są
kodem 16 01 03.
Według Wojewódzkiej Bazy Danych wytworzono następujące ilości zużytych opon:
w 2004 roku - 2543,3 t;
w 2005 roku - 3172,2 t;
w 2006 roku - 3232,8 t.
Ilość zebranych zużytych opon zależy od pory roku. Największa ich ilość jest
pozyskiwana w okresie jesienno – zimowym i wiosennym. W ciągu ostatnich lat obserwuje
się wzrost ilości zużytych opon. Niewątpliwie sprzyja temu wzrastająca liczba
importowanych samochodów używanych.[16]
Wykorzystanie tego surowca w instalacji może być silnie ograniczone, że względu na
to, iż prawie cały strumień tego odpadu jest wykorzystywany procesie współspalania w
Kombinacie Cementowo – Wapienniczym „Warta” S.A. w Trębaczewie.
2.4.10 Założenie rzeczywistego strumienia paliw możliwych do wykorzystania
Przedstawione strumienie paliw są wartościami maksymalnymi i dotyczą lat
ubiegłych. Zakłada się wzrost produkcji odpadów na mieszkańca [12,13,16]. Założono, więc
procentowe udziały z maksymalnych strumieni paliw możliwe do wykorzystania oraz
teoretyczny strumień energii. Całość przedstawiono w tablicy 13. Wzięto pod uwagę
trudności transportowe z pewnymi typami paliw oraz ich powszechnym użyciem przez inne
gałęzie gospodarki.
Projekt elektrociepłowni gazowo-parowej zintegrowanej ze zgazowaniem biomasy
14
Tablica 13. Założenie rzeczywistych strumieni poszczególnych paliw.
maksymalny
strumień
[t/a]
założenie
procentowego
udziału
możliwego do
wykorzystania
[%]
dostępny
strumień
[t/a]
wartość
opałowa
[MJ/kg]
potencjał
energetyczny
[GJ/a]
opakowania z papieru i
tektury
1859
80
1487
17
25279
papier i tektura
(nieopakowaniowe)
1282
80
1026
15
15390
opakowania
wielomateriałowe
633
80
506
15
7590
tworzywa sztuczne
(nieopakowaniowe)
2329
60
1397
35
48895
opakowania z tworzyw
sztucznych
750
80
600
30
18000
drewno –
wielkogabarytowe
783,8
90
705
13
9165
drewno odpadowe
pochodzące z
remontów
220,9
60
132
13
1716
odpady z przetwórstwa
drewna oraz z
produkcji płyt i mebli,
masy celulozowej,
papieru i tektury
350
80
280
13
3640
odpady opakowaniowe
227,9
80
182
10
1820
drewno
średniowymiarowe S4
+ małowymiarowe M1
i M2
10310
50
5155
13,5
69592,5
odpady pozrębowe
185779
50
92890
10
928900
odpady z utrzymania
gminnych terenów
zielonych i pielęgnacji
sadów
1098
60
659
10
6590
słoma
108603
40
43440
14
608160
uprawy energetyczne
(zbiór co rok)
194798
50
97399
14
1363586
Razem
3108324
Energetyczne wykorzystanie biomasy – projekt – Tomasz Kleszcz
15
3. P
ROPOZYCJA MODERNIZACJI
Dla opracowania optymalnych, technicznie uzasadnionych i społecznie
akceptowanych propozycji rozwoju i modernizacji systemów zaopatrzenia w energię
niezbędne jest ustalenie głównych założeń wyjściowych. Perspektywicznie ogólne cele
działań modernizacyjnych to:
- pełne pokrycie potrzeb energetycznych,
- zapewnienie optymalnego bezpieczeństwa energetycznego,
- dbałość o ochronę środowiska naturalnego,
- udostępnienie źródeł taniej energii,
- promowanie wykorzystania odnawialnych źródeł energii,
- spełnienie wymagań dotyczących emisji SOx, NOx, pyłu
Rys. 2 Wstępny schemat blokowy proponowanego rozwiązania
W celu spełnienia powyższych wymagań proponuje się zastosowanie układu
zgazowanie biomasy (rys. 2.) – z możliwością częściowego zastąpienia biomasy odpadami –
zintegrowanego z układem gazowo-parowym do produkcji ciepła i energii elektrycznej.
Przewiduje się również wykorzystanie, jako źródła szczytowego zmodernizowanego kotła
WR-25 o mocy do 29,2 MWt.
Projekt elektrociepłowni gazowo-parowej zintegrowanej ze zgazowaniem biomasy
16
4. T
ECHNOLOGIA ZGAZOWANIA BIOMASY
Zgazowaniem nazywamy konwersję paliwa stałego do postaci gazowej. Ponadto
produktami procesu jest żużel, substancje ciekłe i smoliste. Zgazowaniu podawać można
paliwa stałe, torf, drewno, odpady, pozostałości rafineryjne, mieszaninę odpadów
komunalnych i węgla oraz inne. [7]
Pomimo iż jest to w zasadzie wyłącznie proces, w którym realizowane są
endotermiczne reakcje chemiczne z udziałem pierwiastka węgla, dwutlenku węgla, tlenku
węgla wodoru, pary wodnej i metanu, terminem zgazowanie określa się cały cykl przemian
prowadzący do wytworzenia gazu syntezowego. Ogólnie ujmując proces zgazowania złożony
jest z szeregu egzo- i endotermicznych reakcji, przy obecności czynnika utleniającego,
w wyniku których powstaje gaz bogaty w tlenek węgla i wodór. [7]
Proces prowadzony jest w generatorach gazu (nazywanych również czadnicami lub
gazyfikatorami). Poprzedzony jest on suszeniem i odgazowaniem substancji stałej. Czynnikiem
utleniającym jest zazwyczaj powietrze, para wodna, tlen lub dwutlenek węgla.
Skład równowagowy gazu otrzymanego w procesie zgazowania zależy w głównej
mierze od następujących parametrów procesu:
- temperatury zgazowania,
- ciśnienia zgazowania,
- początkowego składu reagentów (frakcji zgazowanej i zgazowywacza),
- powierzchni strefy redukcji oraz czasu przebywania gazu w strefie redukcji.
Wzrost temperatury reakcji przesuwa skład równowagowy reakcji endotermicznych w
kierunku prawej strony tych reakcji, a więc w kierunku zwiększonego udziału składników
palnych (CO, H
2
, CH
4
). Z tego też powodu dąży się do prowadzenia procesu w jak
najwyższych temperaturach. Pozytywnym skutkiem wysokiej temperatury procesu jest
również niższa zawartość dioksyn w gazie. [7]
Wzrost ciśnienia zgazowania zwiększa wydajność reakcji powstawania metanu, przez
co zwiększa się wartość opałowa gazu i jego liczba metanowa. Technologie te są, więc bardzo
wskazane przy wykorzystywaniu gazu przy spalaniu w silnikach spalinowych i turbinach
gazowych.
Początkowy skład reagentów ma istotny wpływ na końcowy skład gazu. Bardzo
celowe jest wyeliminowanie ze zgazowania azotu w wyniku stosowania czystego tlenu (lub
wzbogaconego w tlen powietrza). Uzyskuje się wtedy gaz o znacznie wyższej wartości
Energetyczne wykorzystanie biomasy – projekt – Tomasz Kleszcz
17
opałowej. Zwiększenie udziału pary wodnej sprzyja zwiększeniu ilości wodoru oraz metanu
w gazie syntezowym.[7]
Wszystkie wymienione zabiegi pozwalają ostatecznie zwiększyć wartość opałową
gazu syntezowego oraz zwiększyć wydajność procesu. Należy jednak pamiętać, że zazwyczaj
jest to związane z podwyższeniem nakładów inwestycyjnych oraz ze zwiększeniem zużycia
energii na potrzeby własne (produkcja czystego tlenu, technika fluidalna, podwyższanie
ciśnienia procesu).[7]
Orientacyjny skład gazu powstałego ze zgazowanie biomasy podano w tablicy 14.
Wyprodukowany gaz jest zazwyczaj oczyszczany. Do oczyszczania stosuje się najczęściej
metody mokre (np. w skruberach) lub suche z wykorzystaniem np. filtrów ceramicznych.
Poważnym problemem może tu być degradacja chemiczna pozostałości po procesach
oczyszczania. Pozostałością po procesie zgazowania jest popiół zawierający głównie
składniki mineralne.
Oczyszczony gaz wykorzystywany jest między innymi do zasilania turbiny
gazowej.[7]
Tablica 14. Skład gazu ze zgazowania biomasy w powietrzu – [% obj.] [2].
CO
H
2
CH
4
CO
2
N
2
16 - 19
9.5 – 12
5.8 – 7.5
14.4 – 17.5
48 - 52
Rozwój technologii związany jest z rozwojem gazyfikatorów, układów oczyszczania
uzyskanego gazu oraz technologii utylizacji pozostałości stałych z procesu. Obecnie proces
zgazowania może być prowadzony w gazyfikatorze ze złożem stałym, ze złożem fluidalnym bądź
w reaktorze strumieniowym. Istnieje kilka technologii zgazowania paliw stałych i biomasy.
Wydajność procesu zgazowania jest różna w zależności od zastosowanej technologii.
Spotykane są obecnie instalacje zarówno dużych mocy jak i układy małe, wytwarzające paliwo
gazowe do zasilania silników i turbin gazowych, ogniw paliwowych i innych urządzeń o
niewielkich mocach.[7]
Istotna z energetycznego i ekonomicznego punktu widzenia jest sprawność procesu
(szczególnie w przypadku zgazowania biomasy). Sprawność tę zazwyczaj określa się jako
stosunek energii chemicznej wytworzonego gazu syntezowego do energii chemicznej wsadowej
biomasy. Sprawność ta zawiera się w bardzo szerokim zakresie: od 20% dla najprostszych
instalacji do około 90% dla najbardziej zaawansowanych technologii. Dla mniejszych sprawności
zgazowania zwiększa się zużycie paliwa stałego czy biomasy, a co za tym idzie rosną koszty
Projekt elektrociepłowni gazowo-parowej zintegrowanej ze zgazowaniem biomasy
18
eksploatacyjne całego układu. Może to wpłynąć niekorzystnie na efektywność ekonomiczną
inwestycji jak również na koszty zewnętrzne stosowania danej technologii.[7]
5. C
HARAKTERYSTYKA URZĄDZEŃ
5.1 Instalacja zgazowania
W miejscowości Lahti w Finlandii, koncern FOSTER WHEELER wybudował i
uruchomił w 1998 r. reaktor zgazowania biomasy w mieszaninie z wyselekcjonowanymi
odpadami komunalnymi oraz przemysłowymi.[4]
Rys. 3. Schemat instalacji zgazowanie biomasy i odpadów w Lahti; [3]
Moc cieplna osiągana przez jednostkę, której schemat pokazano na rys. 3., wynosi 70
MW
t
obok kotła wodno-parowego o wydajności 360 MW
t
, opalanego pyłem węglowym.
Wybudowany reaktor zgazowania biomasy z odpadami pracuje z atmosferycznym
cyrkulującym złożem fluidalnym (ACFB).
Energetyczne wykorzystanie biomasy – projekt – Tomasz Kleszcz
19
Rys. 4. Udział poszczególnych składników dostarczanych jako paliwo do instalacji, [2]
Zgazowanie rozdrobnionego paliwa, którego skład przedstawiono na rys.4, przebiega
pod ciśnieniem atmosferycznym w temperaturze 850-900 °C. Powietrze procesowe zostaje
podgrzane gazową mieszaniną poreakcyjną do ok. 300 °C. Wytworzony gaz opałowy, o
temperaturze 750-650 °C przepływa do kotła wodno-parowego. Tu jest wspólnie spalany z
rozpylanym pyłem węglowym.
W instalacji bez większych utrudnień wykorzystano różnego rodzaju paliwa, m. in.:
drewno, słomę, trociny, korę, zrębki drewniane, wilgotne i świeże odpady drewniane, płyty
wiórowe, drewno rozbiórkowe, podkłady kolejowe, REF (Recovered Fuel). Problemy
pojawiły się przy zgazowywaniu rozdrobnionych opon ze względu na zawarte w nich
metalowe druty. Udało się pokonać te utrudnienia. [1,2,3].
W tablicy 15. przedstawiono wyniki osiągane przez jednostkę podczas eksploatacji na
przełomie 4 lat od uruchomienia. Można zauważyć, że czas wykorzystania mocy w ciągu
roku wzrastał i był stosunkowo wysoki w roku 2001. Sprawność przetwarzania biomasy na
ciepło kształtowała się na poziomie 90-92%. Jednostka pracuje stabilnie, a jakość gazu,
którego skład podano w tablicy 16, zależy od typu, mieszanki dostarczanego paliwa i jego
wilgotności, którego wartość może sięgać 58% [1,3].
0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
70%
80%
90%
100%
1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005
drewno
sklejka
REF
plastik
papier
torf
inne
Projekt elektrociepłowni gazowo-parowej zintegrowanej ze zgazowaniem biomasy
20
Tablica 15. Wyniki osiągane przez jednostkę na przełomie kolejnych 4 lat eksploatacji [3]
rok
1998
1999
2000
2001
czas pracy
[h/a]
4730
5460
4727
7089
produkcja energii
[GWh]
223
343
295
449
zużycie paliwa
[t/a]
79 900
106 200
91 800
116 100
Tablica 16. Skład produkowanego gazu o wartości opałowej 2,4 MJ/m
3
N
– % objętościowe (gaz wilgotny); [1]
CO
2
12,9
CO
4,6
H
2
5,9
C
x
H
y
3,4
N
2
40,2
H
2
O
33,0
Koncern FOSTER WHEELER wybudował również podobną instalację zgazowania
biomasy opartą o gazogenerator CFB pracujący przy ciśnieniu 2 MPa (rys 5.). Stanowi on
źródło gazu dla instalacji IGCC (Integrated Gasification Combined Cycle) o mocy 6 MW
e
w
Värnamo w Szwecji. Podstawowe dane techniczne instalacji podano w tablicy 17.
Tablica 17. Podstawowe dane techniczne instalacji w Värnamo; [5,6]
moc
6 MW
e
/ 9 MW
t
sprawność ogólna
83%
sprawność elektryczna
32%
ciśnienie zgazowania
2MPa
temperatura zgazowania
950 - 1000°C
wartość opałowa gazu
5 - 6,3 MJ/m
3
N
paliwo
biomasa, RDF
Energetyczne wykorzystanie biomasy – projekt – Tomasz Kleszcz
21
Rys. 5. Schemat technologiczny instalacji w Värnamo. [5]
Otrzymany gaz (skład tablica 18.) był oczyszczany w specjalnym filtrze świecowym,
po czym wprowadzano go do komory spalania turbiny gazowej. Układ uruchomiono w 1999
r. i wykazał się on dużą niezawodnością, a czas wykorzystania układu zgazowania sięgał
8500 h. Podczas testów różnych paliw otrzymano również bardzo dobre, pozytywne wyniki.
Zgazowywano słomę, zrębki, gałęziówkę, trociny, korę, wierzbę, RDF (Refuse Derived Fuel)
– papier, plastik, makulatura[5,6].
Tablica 18. Skład generowanego gazu w instalacji Värnamo – % objętościowe (gaz suchy); [5]
CO
2
14,4-17,5
CO
16-19
H
2
9,5-12
CH
4
5,8-7,5
N
2
48-52
Na podstawie doświadczeń zdobytych podczas budowy i eksploatacji opisanych
instalacji możliwe jest zaprojektowanie gazyfikatora wykorzystującego wspomniane paliwa o
wydajności na poziomie 75MWt energii chemicznej gazu syntezowego (wartość ta została
uzasadniona w rozdziale bilans energetyczny). Dane wyjściowe proponowanej instalacji
zgazowanie zawarto w tablicy 19.
Projekt elektrociepłowni gazowo-parowej zintegrowanej ze zgazowaniem biomasy
22
Tablica 19. Podstawowe dane techniczne gazyfikatora do proponowanej instalacji.
typ gazyfikatora
CFB
ciśnienie zgazowania
2 MPa
temperatura zgazowania
950-1000 °C
czynnik zgazowujący
powietrze
wydajność – wyrażona w
energii chemicznej gazu
75 MW
t
wartość opałowa produktu
5 - 6,3 MJ/m
3
N
paliwo
paliwa testowane w opisanych
instalacjach – o zmiennej
kaloryczności i wilgotności
Instalacja oczyszczania gazu zostanie dostarczona przez producenta gazyfikatora i
będzie stanowić jego integralną część.
5.2 Turbina gazowa
Do instalacji przewidziano turbinę przemysłową firmy Siemens, nadającą się do pracy
w układzie kombinowanym. Dane turbiny zawarto w tablicy 20.
Tablica 20. Podstawowe dane techniczne turbiny Siemens SGT-600.
producent
Siemens
model
SGT-600
moc
24,77 MW
e
sprawność el.
34,2%
stopień sprężania
14:1
strumień spalin
80,4 kg/s
temperatura spalin
543°C
wymagane ciśnienie paliwa
2,45 MPa ± 0,05
Turbiny gazowe posiadają niewątpliwą zaletę w postaci możliwości stosowania
różnych paliw, zarówno gazowych jak i ciekłych. Spalanie paliwa w turbinach gazowych
odbywa się przy stałym ciśnieniu w sposób ciągły i silnie zależny od składu paliwa.[7]
Poszczególne elementy turbiny poddawane są odrębnemu procesowi konstrukcyjnymi.
Pozwala to adoptować ten silnik cieplny do spalania innych paliw. Taka adaptacja wiąże się
Energetyczne wykorzystanie biomasy – projekt – Tomasz Kleszcz
23
zazwyczaj z modernizacją systemu spalania. Parametrami paliwa istotnymi przy ten zmianie
są wartość opałowa i liczba Wobbego. Dany system spalania zwykle toleruje zmiany wartości
opałowej na poziomie do 10% (choć spotykane są maszyny o szerszym zakresie), a liczbę
Wobbego w granicach ± 5-10%.[7]
Wraz ze zmniejszaniem wartości opałowej paliwa wymagane jest coraz więcej prac
badawczych i konstrukcyjnych oraz stosowanie paliwa rozruchowego a czasem i
podtrzymującego. W klasycznej turbinie gazowej zasilanej gazem ziemnym strumień paliwa
stanowi około 1,5 do 2% strumienia masy powietrza dostarczanego do spalania. W przypadku
paliw niskokalorycznych masowy strumień paliwa się znacznie zwiększa i dla przypadku
gazu o wartości opałowej 5,6
MJ/m
3
N
jest on 8-10 razy większy niż w przypadku spalania gazu
ziemnego. Modernizacja komory spalania jest więc podstawowym zabiegiem przystosowującym
turbinę gazową do spalania paliw niskokalorycznych.[7]
Jakość paliwa dostarczanego do turbiny jest bardzo istotna, również ze względu na problemy z
korozją i tworzeniem się osadów. Dopełnienie odpowiedniej czystości gazu zależy od sprawności
działania układu oczyszczania. Doświadczenia zdobyte we wspomnianej instalacji w
Värnamo
pozwalają stwierdzić, iż stosowana technologia spełnia wszystkie wymagania, a
przystosowana turbina osiągała satysfakcjonujące wyniki spalając produkowany gaz.[5,7]
W przypadku deficytu paliw do instalacji możliwe jest wykorzystanie gazu ziemnego
do zasilenia turbiny gazowej dostarczanego do miasta od 2011 roku. Konieczne jest w tym
celu pozostawienie standardowej komory spalania i zamontowanie drugiej przystosowanej do
spalania niskokalorycznego gazu.
5.3 Kocioł wodny WR-25
Zgodnie z danymi Rafako, dany kocioł po modernizacji osiąga:
moc minimalną: Q
WR-25_min
= 8 MW
t.
,
moc maksymalną: Q
WR-25_max
= 29,2 MW
t.
,
sprawność: η
WR-25
= 0,82,
maksymalna temperatura na wyjściu: t
WR-25_max
= 150 °C
5.4 Kocioł odzyskowy
Gazy wylotowe turbiny gazowej o temperaturze około 540°C trafią do
jednociśnieniowego kotła odzyskowego. Podstawowe dane techniczne kotła przedstawiono w
tablicy 21. Parametry ustalono na podstawie [8]. Kocioł odzyskowy odbierający ciepło od
Projekt elektrociepłowni gazowo-parowej zintegrowanej ze zgazowaniem biomasy
24
produkowanego gazu również zostanie wykonany razem gazyfikatorem, jako jego integralna
część.
Tablica 21. Podstawowe dane techniczne kotła odzyskowego.
producent
Foster Wheeler
moc (maksymalna)
50 MW
t
parametry pary świeżej
p = 5,5 MPa, t = 510 °C, m = 15,3 kg/s
maksymalny przepływ spalin
95 kg/s
minimalna temperatura spalin na wylocie
80 °C
wymiennika spaliny-woda sieciowa
130/70 °C, max 11 MW
t
parowacz dearacyjny
0,14 MPa
5.5 Turbozespół
W układach gazowo-parowych moc turbozespołu uzależniona jest od mocy turbiny
gazowej. Ilość pary rozprężanej w turbinie będzie zmienna ze względu na zmienny pobór
pary z upustów ciepłowniczych. Parametry turbozespołu podano w tablicy 22.
Tablica 22. Podstawowe dane techniczne turbozespołu.
moc turbiny (mechaniczna)
15 MW
parametry pary świeżej
p = 5,5 MPa, t = 510 °C, m = 15,3 kg/s
ciśnienie pary na wylocie
0,003/ 0,009 MPa
sprawność turbiny
90 %
ciśnienia upustów
0,297 MPa, 0,114 MPa
moc generatora synchronicznego
15 MW
e
sprawność elektromechaniczna
97,5 %
Energetyczne wykorzystanie biomasy – projekt – Tomasz Kleszcz
25
6. B
ILANS ENERGETYCZNY
Obliczenia rozpoczęto od podstawowych założeń:
skład gazu:
Rys. 6. Udziały objętościowe w gazie
Na podstawie przyjętych udziałów objętościowych wyznaczono wartość opałową gazu
wg wzoru [17]:
[
]
Po przeliczeniu udziałów objętościowych na masowe wyznaczono gęstość gazu w
warunkach normalnych i wartość opałową gazu w odniesieniu do jego kilograma -
[
]
sprawność instalacji zgazowania
Na podstawie danych z instalacji Värnamo ustalono średnią sprawność konwersji
biomasy. Zakładając sprawność elektryczną turbiny gazowej η
elTG
= 0,34 oraz znając jej moc
znamionową wynoszącą P
TG
= 4,2 MW
e
ustalono strumień energii zawartej w gazie, a
następnie odniesiono go do strumienia paliwa Q
B
= 18 MW. Otrzymano:
Do dalszych rozważań przyjęto
.
czas pracy BIGGC (Biomass Integrated Gas Combined Cycle)
Przyjęto czas pracy równy 7200 h/a.
14%
15%
10%
6%
45%
10%
CO2
CO
H2
CH4
N2
H2O
Projekt elektrociepłowni gazowo-parowej zintegrowanej ze zgazowaniem biomasy
26
moc cieplna – zmienność w ciągu roku
Zgodnie z wcześniejszymi ustaleniami moc cieplna pobierana przy najniższej
temperaturze otoczenia wyniesie w najbliższej przyszłości 70 MW
t
, z czego stała moc
przekazywana wodzie użytkowej w ciągu roku wynosi 15,5 MW
t
.
Wykres uporządkowany zapotrzebowanie na ciepło w ciągu roku przedstawiono na
rys. 7. Wynika z niego, że sezon grzewczy trwa 5448 h, a jego rozpoczęciu odpowiada
temperatura zewnętrzna t
z
= 12 °C. Ciepło dostarczane powinno być odbiorcom przez 8424
h/a – 2 tygodnie przerwy remontowo-konserwacyjnej.[8,10,11]
Rys. 7. Roczny uporządkowany wykres sumarycznego zapotrzebowania na ciepło.
Dla tych założeń wykonano obliczenia bilansowe przy pomocy programu IPSEpro.
Schematy dla 3 przypadków przedstawiono na rys.8, rys.9 oraz rys. 10.
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
70
75
0
500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500 6000 6500 7000 7500 8000 8500 9000
M
o
c
ci
e
p
ln
a e
le
kt
ro
ci
e
p
ło
wn
i [
M
W]
Czas [h]
Energetyczne wykorzystanie biomasy – projekt – Tomasz Kleszcz
27
Rys. 8. Schemat bilansowy elektrociepłowni przy t
z
= -18°C – maksymalne obciążenie.
Projekt elektrociepłowni gazowo-parowej zintegrowanej ze zgazowaniem biomasy
28
Rys. 9. Schemat bilansowy elektrociepłowni przy t
z
= 12°C – początek sezonu grzewczego.
Energetyczne wykorzystanie biomasy – projekt – Tomasz Kleszcz
29
.
Rys. 10. Schemat bilansowy elektrociepłowni przy t
z
= 20°C
Projekt elektrociepłowni gazowo-parowej zintegrowanej ze zgazowaniem biomasy
30
Obliczone sprawność odnoszą się do całkowitego strumienia energii dostarczonego w
biomasie i węglu kamiennym. Moc i sprawność turbiny gazowej uzależniona jest od
temperatura otoczenia wg charakterystyk podanych przez producenta. Ciśnienie w skraplaczu
również zależna jest od temperatury otoczenia. Moc kotła wodnego wynika z ograniczeń
bloku gazowo-parowego. Maksymalny pobór pary z upustów grzejnych musi gwarantować
minimalny przepływ pary przez część niskoprężną turbiny parowej, który wynosi 7 do 9 %
strumienia pary świeżej[8]. Ciśnienia upustów zostały tak dobrane, aby odpowiadające im
temperatury nasycenia było o ok. 3K większe od temperatury ogrzewanej wody sieciowej, a
przyrosty temperatur w wymiennikach były równomierne.[8] Z założenia wykorzystanie kotła
wodnego ma być jak najmniejsze. Założono również jeden odbiór ciepła o zmiennej mocy,
ale stałej temperaturze 130/70 °C.[11]
Na kolejnych rys. przedstawiono otrzymane charakterystyki, m. in. moc elektryczną i
cieplną generowaną w ciągu roku, sprawności itp.
Rys. 11. Roczny uporządkowany wykres moc elektrycznej;
P_TP – moc pochodząca od turbiny parowej, P-TG – moc turbiny gazowej, P_el – sumaryczna moc elektryczna
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
0
500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500 6000 6500 7000 7500 8000 8500
M
oc
elek
try
cz
na
[
M
W
e]
Czas [h]
P_TG
P_TP
P_el
Energetyczne wykorzystanie biomasy – projekt – Tomasz Kleszcz
31
Rys. 12. Roczny uporządkowany wykres mocy cieplnej;
WR-25 – moc generowana przez kocioł wodny WR-25, Q gaz-par – moc cieplna z układu gazowo-parowego,
Q – sumaryczna moc cieplna elektrociepłowni
Rys. 13. Sprawność całkowita elektrociepłowni w funkcji czasu.
0
10
20
30
40
50
60
70
80
0
500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500 6000 6500 7000 7500 8000 8500
M
oc
cieplna
o
dd
aw
ana
do
ciec
i [M
Wt
]
Czas [h]
Q_Wr25
Q gaz par
Q
45
50
55
60
65
70
75
80
85
90
95
0
500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500 6000 6500 7000 7500 8000 8500 9000
Sp
ra
w
no
ść
[%]
Czas [h]
Projekt elektrociepłowni gazowo-parowej zintegrowanej ze zgazowaniem biomasy
32
Rys. 14. Sprawność elektryczna elektrociepłowni w funkcji czasu.
Rys. 15. Roczny uporządkowany strumień energii chemicznej paliwa.
Q_biomasa – strumień energii dostarczanej do gazyfikatora, Q_węgiel – strumień energii dostarczanej do kotła
wodnego WR-25, Q_EC – sumaryczny strumień energii dostarczanej do elektrociepłowni w paliwie
33
33,5
34
34,5
35
35,5
36
36,5
37
37,5
38
0
500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500 6000 6500 7000 7500 8000 8500 9000
Sp
ra
w
no
ść
[%]
Czas [h]
0
20
40
60
80
100
120
140
160
0 500 1000150020002500300035004000450050005500600065007000750080008500
Str
um
ień
ener
gii c
hem
icznej
pa
liw
a
[M
Wt
]
Czas [h]
Q_biomasa
Q_węgiel
Q_EC
Energetyczne wykorzystanie biomasy – projekt – Tomasz Kleszcz
33
Tablica 23. Średnioroczne wskaźniki energetyczne oraz produkcja roczna.
produkcja energii elektrycznej
265,94 GWh
produkcja ciepła
1193 TJ
energia chemiczna biomasy rocznie
2707 TJ
energia chemiczna węgla rocznie
308,5 TJ
średnioroczna sprawność produkcji energii elektrycznej
(produkcja en. el. odniesiona do energii chemicznej biomasy)
35,37 %
sprawność produkcji ciepła
średnioroczna
39,57 %
w okresie grzewczym
44,42 %
średnioroczna sprawność ogólna
74,94 %
PES
(dla η
cR
= 0,8, η
eR
= 0,46)
20,86 %
EUF (Energy Utilization Factor)
71,3 %
współczynnik skojarzenia
222,9 kWh/GJ
Projekt elektrociepłowni gazowo-parowej zintegrowanej ze zgazowaniem biomasy
34
7. P
ALIWA
Ilość spalanego paliwa bezpośrednio wiąże się z jego jakością. Jak już wcześniej
wspomniano, proponowana instalacja jest w stanie przetworzyć wiele typów paliw, co
powoduje, że trafne stwierdzenie ile w rzeczywistości zostanie go zużyte jest trudne.
W przypadku kotła wodnego nie ma większych problemów.
7.1 Paliwo dla kotła WR-25
Ilość energii dostarczonej do kotła WR-25 w węglu kamiennym odnosi się do jego
wartości opałowej i uzyskuje w ten sposób roczne zużycie. Charakterystykę paliwa dla kotła
wodnego przedstawiono w tablicy 13.
Tablica 24. Podstawowe cechy paliwa dla kotła WR-25 oraz roczne zużycie. [15,18]
paliwo
miał węgla energetycznego
zawartość siarki
< 0,6 %
zawartość popiołu
19,1 %
wartość opałowa
22 MJ/kg
cena
320 zł/t
roczne zużycie w EC
14020 t
7.2 Paliwa dla instalacji zgazowania
Możliwe udziały poszczególnych typów paliw mogą się zmieniać w pewnym zakresie.
Podano przykładowe udziały poszczególnych paliw oraz szacowane koszty ich pozyskania
(tablica 25). Koszt 0 zł oznacza, iż cena zakupu tego paliwa jest ujemna, natomiast jej wartość
jest trudna do określenia, a w niektórych przypadkach należy dodatkowo doliczyć koszty
transportu.
Tablica 25. Strumienie poszczególnych paliw oraz oszacowane koszty ich zakupu. Paliwa podkreślone
traktowane są przez rozporządzenie jako odpady [19]
strumień
[t/a]
wartość
opałowa
[MJ/kg]
strumień
energii
[GJ/a]
cena
[zł/t]
koszt roczny
[zł]
opakowania z papieru i
tektury
1394
17
23702
0
0
papier i tektura
(nieopakowaniowe)
962
15
14423
300
285 600
Energetyczne wykorzystanie biomasy – projekt – Tomasz Kleszcz
35
opakowania
wielomateriałowe
475
15
7121
0
0
tworzywa sztuczne
(nieopakowaniowe)
1234
35
43203
300
370 200
opakowania z tworzyw
sztucznych
563
30
16875
0
0
drewno –
wielkogabarytowe
627
13
8152
50
31 350
drewno odpadowe
pochodzące z remontów
121
13
1579
100
12 100
odpady z przetwórstwa
drewna oraz z produkcji
płyt i mebli, masy
celulozowej, papieru i
tektury
263
13
3413
50
13 150
odpady opakowaniowe
171
10
1709
0
0
drewno
średniowymiarowe S4 +
małowymiarowe M1 i
M2
4640
13,5
62633
200
928 000
odpady pozrębowe
83601
10
836006
50
4 180 050
odpady z utrzymania
gminnych terenów
zielonych i pielęgnacji
sadów
483
10
4831
0
0
słoma
32581
14
456133
150
4 887 150
uprawy energetyczne
(zbiór co rok)
87659
14
1227227
250
21 914 750
Razem
214 774
-
2707 TJ/a
-
32 622 350
Projekt elektrociepłowni gazowo-parowej zintegrowanej ze zgazowaniem biomasy
36
8. S
TANDARDY EMISYJNE
8.1 Dla kotła WR-25
Kocioł WR-25 został zmodernizowany w 2004 roku, przez co podlega pod standardy
emisyjne podane w załączniku nr 3 do rozporządzenia ministra środowiska [20]. Wartości
tych standardów przy spalaniu węgla kamiennego podano w tablicy 26.
Tablica 26. Standardy emisyjne dla kotła WR-25 przy spalaniu węgla kamiennego; [mg/m
3
u
] przy zawartości 6%
tlenu w gazach odlotowych [20]
SO
2
1300
NO
2
400
pył
100
Zgodnie z informacjami o wpływie wytwarzania ciepła na środowisko w zakresie emisji
dwutlenku węgla, dwutlenku siarki, tlenków azotu, pyłów i radioaktywnych odpadów dla
poszczególnych paliw zużywanych do wytwarzania energii cieplnej sprzedanej przez Energetykę
Cieplną Spółka z o. o. w Wieluniu w 2010 roku standardy te są spełniane [21].
Dla danego typu paliwa i jego rocznego zużycia wyznaczono roczną emisję zanieczyszczeń
oraz związane z tym koszty, całość zawarto w tablicy 27.
Tablica 27. Roczne emisje zanieczyszczeń i ponoszone koszty roczne dla kotła WR-25. [23]
typ zanieczyszczenia
roczna emisja
[t/a]
koszt roczny
[zł/a]
SO
2
168
72 340
NO
x
83,3
35 820
CO
2
31 240
7 186
popiół – ilość skierowana na
składowisko
2625
41 650
pył - wyemitowany
53,6
15 540
Razem
172 536
8.2 Dla instalacji zgazowania
Instalacji zgazowania podlega pod standardy zawarte w załączniku 3 oraz załączniku 5
dotyczącym instalacji spalania odpadów. W celu określenia standardów emisyjnych należy dokazać
przeliczeń wg instrukcji zawartych w załączniku do rozporządzeniu dla współspalania biomasy i
Energetyczne wykorzystanie biomasy – projekt – Tomasz Kleszcz
37
odpadów. [21]
Wartości C
proc
dla biomasy wyrażone w mg/m
3
u
, przy zawartości 6% tlenu w gazach odlotowych dla
danej instalacji: SO
2
- 200, NO
x
– 350, pył – 50
Wartości C
odp
dla spalania odpadów wyrażone w mg/m
3
u
, przy zawartości 11% tlenu w gazach
odlotowych – dane dla instalacji o przerobie odpadów mniejszym niż 6 t/h:
SO2 – 50, NO
x
– 400, pył – 10.
Po przeliczeniu na 6% zawartości tlenu w spalinach: SO
2
– 75, NO
x
– 600, pył - 15
Zakładając, że objętość gazów odlotowych jest proporcjonalna do strumienia energii chemicznej
dostarczonej do
`
Q
odp
= 120,2 TJ
Q
bio
= 2587 TJ
Q
odp+bio
= 2707 TJ
Tablica 28. Standardy emisyjne instalacji zgazowania biomasy i odpadów; [mg/m
3
u
] przy zawartości 6% tlenu w gazach
odlotowych [20]
SO
2
195
NO
2
361
pył
48,5
Spełnienie tych wymagań nie powinno sprawiać większych trudności, gdyż same wymagania
co do jakości paliw spalanych w turbinie powodują, że emitowane z niej gazy mają bardzo niskie
poziomy emisji zanieczyszczeń. Zapewnienie wysokiej czystości paliwa zależy od
wysokosprawnego i niezawodnego działania instalacji oczyszczania gazu, co podnosi koszty
eksploatacji instalacji. Istotną zaletą takiego oczyszczania jest znacznie mniejszy strumień
oczyszczanego gazu, gdyż jest filtrowanie przed spaleniem. Może jest jednak okazać, iż poziom
emisji NO
x
w gazach wylotowych będzie zbyt wysoki, co spowoduje konieczność montaż instalacji
oczyszczania spalin w procesie SCR [22].
Projekt elektrociepłowni gazowo-parowej zintegrowanej ze zgazowaniem biomasy
38
Zakładając, że instalacja wyemituje ilość odpadów proporcjonalną do wartości uzyskiwanych
przez zawodowe układy zgazowujące węgiel (tablica 29) uzyskano wartości rocznych emisji i koszty
roczne (tablica 30). Otrzymane wyniki są szacowane i obarczone znacznym błędem.
Tablica 29. Ilość zanieczyszczeń emitowana przez bloki IGCC w ciągu roku, [t/a]; [24]
General Electric
640 MW
Conoco Philips
623 MW
Shell
636 MW
SO
2
230
215
208
NO
x
994
1021
982
CO
2
3 572 300
3 426 500
3 351 200
pył
129
122
120
Tablica 30. Roczne emisje zanieczyszczeń i ponoszone koszty roczne dla instalacji zgazowania. [23]
typ zanieczyszczenia
roczna emisja
[t/a]
koszt roczny
[zł/a]
SO
2
13,8
5 930
NO
x
63
27 090
CO
2
218 000
50 140
pył
7,82
2270
Razem
85 430
Energetyczne wykorzystanie biomasy – projekt – Tomasz Kleszcz
39
9. A
NALIZA EKONOMICZNA
Analizę ekonomiczną przeprowadzono na podstawie metody wartości zaktualizowanej
(bieżącej) netto NPV. Polega ona na porównaniu nakładów finansowych przewidywanych na
realizację inwestycji z sumą oczekiwanych nadwyżek finansowych, po uprzednim
sprowadzeniu ich wartości do aktualnego poziomu [25].NPV oblicza się wg wzoru:
∑(
) ( )
gdzie:
– przychód ze sprzedaży,
– koszty w roku t z uwzględnieniem podatku, bez amortyzacji,
– nakłady inwestycyjne w roku t,
N – liczba lat okresu eksploatacji
p – oprocentowanie kredytu.
Przychody:
Sprzedaż energii elektrycznej:
Założono, że 10% wyprodukowanej energii elektrycznej zużyją urządzenia potrzeb własnych.
Sprzedaż energii elektrycznej wyprodukowanej z przetworzonej biomasy – zielone
certyfikaty:
Sprzedaż ciepła:
Wg Taryfy ciepła dla miasta Wieluń z 2010 roku. Założono, że zyski można liczyć dla 70%
wyprodukowanego ciepła, dla uwzględnienia strat przesyłowych oraz niespodziewanego,
chwilowego braku popytu – nietypowe warunki pogodowe itp.
Projekt elektrociepłowni gazowo-parowej zintegrowanej ze zgazowaniem biomasy
40
Sprzedaż energii elektrycznej wyprodukowanej w kogeneracji – świadectwa
pochodzenia z kogeneracji:
Instalacja nie uzyskuje średniorocznej sprawności ogólnej granicznej η
e
gr
= 80%, stąd ilość
energii elektrycznej wyprodukowanej w skojarzeniu określa się wg zależności:
Kryterium zaliczenia jednostki do wysokosprawnej kogeneracji polega na określeniu
oszczędności energii pierwotnej (PES) uzyskiwanej dzięki skojarzonej produkcji energii
elektrycznej i ciepła, w porównaniu z układem rozdzielonym. Instalacja cechuje się
PES = 20,86% i spełnia minimum wynoszące 10%. [26]
Koszty roczne:
Koszty paliwa (biomasa + odpady + węgiel kamienny):
32,6 mln zł + 4,5 mln zł = 37,1 mln zł/a
Koszty utrzymania i serwisu:
0,025 USD/kWh – 21,94 mln zł/a
Koszty emisji substancji szkodliwych:
172 536 + 85 430 = 0,258 mln zł/a
Nakłady inwestycyjne:
Nakłady inwestycyjne przyjęto na poziomie 1900 USD/kW – 250,8 mln zł wg [10]
Ponadto przyjęto:
czas eksploatacji N = 20 lat
oprocentowanie kredytu p = 10%
Otrzymany wskaźnik NPV1 wyniósł 521,8 mln zł. Oznacza to, że inwestycja jest bardzo
opłacalna. Zależność przedstawiono na rys. 15. Przyjęto to za wariant 1.
Wariant 2. Należy jednak barć pod uwagę, iż technologia ta jest skomplikowana, mogą
zdarzać się awarie, głównie turbiny i układu oczyszczania gazu. Zwiększając koszty
utrzymania i serwisu dwukrotnie, otrzymano NPV2 = 335 mln zł (rys 16.)
Energetyczne wykorzystanie biomasy – projekt – Tomasz Kleszcz
41
Rys. 15. NPV1 w funkcji czasu dla wariantu 1.
Rys. 16. NPV2 w funkcji czasu dla wariantu 2.
Wariant 3. Ponadto trzeba brać pod uwagę, iż systemy wsparcia w postaci świadectw z
pochodzenia nie będą dostępne przez tak długi okres. Tym razem dla pięcioletniego okresu
wsparcia i pierwotnej wartości kosztów utrzymania i serwisu otrzymano NPV3 = 128 mln zł
(rys. 17.)
Rys. 17. NPV3 w funkcji czasu dla wariantu 3.
Projekt elektrociepłowni gazowo-parowej zintegrowanej ze zgazowaniem biomasy
42
10. O
CENA MOŻLIWOŚCI REALIZACJI
Podsumowując rozważania na temat możliwości zastosowania układu zgazowania
biomasy i odpadów w celu produkcji energii elektrycznej i ciepła na potrzeby gminy i miasta
Wieluń można stwierdzić, iż propozycja ta prawdopodobnie może okazać się uzasadniona
ekonomicznie.
Należy wziąć pod uwagę wiele czynników, m. in.:
w regionie istnieją duże zasoby biopaliw możliwe do wykorzystania w
instalacji,
cena biopaliw nie jest wysoka, jednak z pewnością będzie w wzrastać,
w analizie nie wzięto pod uwagę zróżnicowanych i znacznych kosztów
transportu biomasy,
koszt pozyskania odpadów może być ujemny, czego nie wzięto pod uwagę w
analizie,
systemy wsparcia energetyki opartej na biomasie oraz kogeneracji będą działać
przez ograniczony czas,
instalacja daje możliwość zagospodarowania sporej części odpadów
generowanych w regionie,
silnie zróżnicowany skład paliwa dostarczanego do zgazowania będzie
powodował zmienne parametry pracy układu gazowo-parowego, a co za tym
idzie wpłynie na ilość wyprodukowanej energii,
Energetyczne wykorzystanie biomasy – projekt – Tomasz Kleszcz
43
11. L
ITERATURA
[1] Engström Folke, Foster Wheeler Development Corporation; Overview of Power
Generation from Biomass; 1999 Gasification Technology Conference, San Francisco,
październik 1999
[2] Anttikoski T., Eriksson T., Palonen J., Foster Wheeler Energia Oy; The Foster Wheeler
gasification technology for biofuels: refuse-derived fuel (RDF) power generation;
[3] Granatstein D.L., Natural Resources Canada/CANMET Energy Technology Centre
(CETC); Case study on Lahden Lampovoima Gasification Project Kymijarvi Power Station,
Lahti; 2002
[4] Kotowski Włodzimierz; Parowy kocioł pyłowy elektrociepłowni sprzężony ze
zgazowaniem mieszaniny biomasy i odpadów. Biomasa zdobywa energetykę zawodową;
Energia Gigawat, nr 7-8, 2004
[5] Ståhl K., Waldheim L., Morris M.; Biomass IGCC at Värnamo, Sweden – Past and
Future; Stanford University, CA, 2004
[6] Kotlicki T., Wawszczak A.; Energetyczne wykorzystanie biomasy i odpadów; Łódź 2009
[7] Kalina J., Skorek J.; Paliwa gazowe dla układów kogeneracyjnych; Seminarium cykliczne
„Elektroenergetyka w procesie przemian” - Generacja rozproszona, Politechnika Śląska, s.
11-16,21-26
[8] Bartnik Ryszard, Elektrownie i elektrociepłownie gazowo-parowe; WNT Warszawa, 2009
[9] Zespół pod kierunkiem inż. Mariana Jeziorskiego; Projekt założeń do planu
zapotrzebowania w ciepło, energię elektryczną i paliwa gazowe gminy Wieluń 2004-2020 r.;
Biuro Ekspertyz Energetycznych, Łódź 2004
[10] Kalina J., Skorek J.; Gazowe układy kogeneracyjne; WNT Warszawa 2005
[11] Badyda Krzysztof; Relacja pomiędzy mocą ciepłowniczą a elektryczną w układzie
kogeneracyjnym z turbinami gazowymi; Rynek Energii, nr 8 2011
[12] Plan gospodarki odpadami dla gminy Wieluń na lata 2010-2013; Załącznik do uchwały
Nr XLIV/476/10 Rady Miejskiej w Wieluniu z dnia 11 marca 2010 r. w sprawie przyjęcia
Planu Gospodarki Odpadami dla Gminy Wieluń na lata 2010 -2013
[13] PU-H Termo-efekt Marek Gadaj; Plan gospodarki odpadami dla powiatu wieluńskiego;
Wieluń, 2004
[14] Urząd Marszałkowski w Łodzi; Ocena konkurencyjności wykorzystania energii
odnawialnej w województwie łódzkim; Łódź 2008
Projekt elektrociepłowni gazowo-parowej zintegrowanej ze zgazowaniem biomasy
44
[15] Blaschke W., Gawlik L., Lorenz U.; Węgiel kamienny energetyczny – ekonomia i
ekologia; Instytut Gospodarki Surowcami Mineralnymi i Energią PAN, Kraków
[16] Zarząd Województwa Łódzkiego; Plan gospodarki odpadami województwa łódzkiego
2011; Łódź 2007
[17] Janecki H.P., Janecka M.; http://janecki.pr.radom.pl/115/opal.htm
[18] http://www.kwsa.pl/324,,sortymenty_mialowe-odbior_wagonowy.html
[19] Kozłowski Wiktor; Biomasa źródło energii odnawialnej; Konferencja Biomasa w
energetyce odnawialnej, Białystok 2006
[20] Rozporządzenie Ministra Środowiska z dnia 22 kwietnia 2011 r. w sprawie standardów
emisyjnych z instalacji; Dziennik Ustaw Nr 95, Poz. 558
[21] www.ec.wielun.pl
[22] Haselbacher P., Lettner F., Timmerer H; Deliverable 8: Biomass gasification – State of
the art. description; Graz, 2007
[23] Kotlicki Tomasz, Materiały pomocnicze do wykładu z przedmiotu „Ochrona
środowiska”, Łódź 2011
[24] Rakowski Janusz; Obecne możliwości technologiczne ograniczania emisji CO
2
z
elektrowni węglowych; Energetyka, nr 6, 2008
[25] Pawlik M., Strzelczyk F.; Elektrownie; WNT, Warszawa 2010
[26] Zaporowski Bolesław; Analiza efektywności ekonomicznej elektrociepłowni opalanych
gazem ziemnym po wprowadzeniu świadectw pochodzenia z wysokosprawnej kogeneracji;
Rynek Energii, nr 6, 2007, s. 17-21
Wyszukiwarka
Podobne podstrony:
Projektowanie EC
Projekt nr 1, Projekt nr 1 EC przeciwprężna
2012 projektowanie pali wg ec 7 dso(1)
Projekt nr 2 Projekt nr 2, EC upusowo-kondensacyjna
projekt wiazara ec algorytm
Projekt nr 2, Projekt nr 2 EC upusowo kondensacyjna
Projekt nr 1, Projekt nr 1 EC przeciwprężna
projekt 1 wg EC
projekt o narkomanii(1)
!!! ETAPY CYKLU PROJEKTU !!!id 455 ppt
Wykład 3 Dokumentacja projektowa i STWiOR
Projekt nr 1piątek
Projet metoda projektu
więcej podobnych podstron