POLITECHNIKA AÓDZKA
WYDZIAA ELEKTROTECHNIKI, ELEKTRONIKI, INFORMATYKI I AUTOMATYKI
INSTYTUT ELEKTROENERGETYKI
PROJEKT ELEKTROCIEPAOWNI GAZOWO-PAROWEJ
ZINTEGROWANEJ ZE ZGAZOWANIEM BIOMASY
TOMASZ KLESZCZ
NR ALBUMU: 152315
SEMESTR VII
AÓDy 2011
Projekt elektrociepłowni gazowo-parowej zintegrowanej ze zgazowaniem biomasy
SPIS TREÅšCI
1. Cel projektu......................................................................................................................... 4
2. Ustalenie danych wyjściowych ........................................................................................... 4
2.1 Charakterystyka miasta i gminy wg [9]....................................................................... 4
2.1.1 Położenie .............................................................................................................. 4
2.1.2 Powierzchnia i zaludnienie................................................................................... 4
2.1.3 Charakterystyka przestrzenna i budownictwo mieszkalne................................... 4
2.1.4 Warunki klimatyczne ........................................................................................... 5
2.2 Charakterystyka infrastruktury w zakresie techniczno-ekonomicznym...................... 5
2.2.1 Miejski system ciepłowniczy ............................................................................... 5
2.2.2 Lokalne zródła ciepła w gminie ........................................................................... 6
2.2.3 Ogólna charakterystyka systemu energetycznego................................................ 7
2.3 Przewidywane zapotrzebowanie na energię i ciepło w przyszłości ............................ 7
2.4 Dostępność biopaliw stałych i innych paliw alternatywnych...................................... 8
2.4.1 Odpady komunalne .............................................................................................. 8
2.4.2 Komunalne osady ściekowe ................................................................................. 9
2.4.3 Odpady przemysłowe ........................................................................................... 9
2.4.4 Drewno ............................................................................................................... 10
2.4.5 Odpady pozrębowe............................................................................................. 10
2.4.6 Odpady z utrzymania gminnych terenów zielonych i pielęgnacji sadów .......... 11
2.4.7 SÅ‚oma.................................................................................................................. 11
2.4.8 Uprawy energetyczne ......................................................................................... 12
2.4.9 Guma i odpady gumowe .................................................................................... 13
2.4.10 Założenie rzeczywistego strumienia paliw możliwych do wykorzystania ........ 13
3. Propozycja modernizacji................................................................................................... 15
4. Technologia zgazowania biomasy .................................................................................... 16
5. Charakterystyka urządzeń ................................................................................................. 18
5.1 Instalacja zgazowania ................................................................................................ 18
5.2 Turbina gazowa ......................................................................................................... 22
5.3 Kocioł wodny WR-25................................................................................................ 23
5.4 Kocioł odzyskowy ..................................................................................................... 23
5.5 Turbozespół ............................................................................................................... 24
2
Energetyczne wykorzystanie biomasy projekt Tomasz Kleszcz
6. Bilans energetyczny .......................................................................................................... 25
7. Paliwa................................................................................................................................ 34
7.1 Paliwo dla kotła WR-25 ............................................................................................ 34
7.2 Paliwa dla instalacji zgazowania ............................................................................... 34
8. Standardy emisyjne ........................................................................................................... 36
8.1 Dla kotła WR-25........................................................................................................ 36
8.2 Dla instalacji zgazowania .......................................................................................... 36
9. Analiza ekonomiczna ........................................................................................................ 39
10. Ocena możliwości realizacji ............................................................................................. 42
11. Literatura ........................................................................................................................... 43
3
Projekt elektrociepłowni gazowo-parowej zintegrowanej ze zgazowaniem biomasy
1. CEL PROJEKTU
Zaprojektowanie elektrociepłowni w celu pokrycia wzrastającego zapotrzebowania na
ciepło i energię elektryczną dla miasta i gminy Wieluń z możliwością wykorzystania
odnawialnych oraz niekonwencjonalnych zródeł energii.
2. USTALENIE DANYCH WYJÅšCIOWYCH
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° dÅ‚ugoÅ›ci geograficznej północnej i 21° 41´ szerokoÅ›ci geograficznej wschodniej.
2.1.2 Powierzchnia i zaludnienie
Gmina Wieluń jest jednostką samorządową obejmującą zasięgiem miasto Wieluń i 20
sołectw. Aączna 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.
4
Energetyczne wykorzystanie biomasy projekt Tomasz Kleszcz
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. Åšrednie wieloletnie temperatury miesiÄ…ca w stopniach Celsjusza i liczba dni ogrzewania dla stacji
meteorologicznej Wieluń
Åšrednia roczna temperatura: 9,8 °C
Obliczeniowa temperatura zewnÄ™trzna: -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 zródle i sieci
eksploatowanych przez Energetykę Cieplną. Centralne zródło 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 zródła 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 m3
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
5
Projekt elektrociepłowni gazowo-parowej zintegrowanej ze zgazowaniem biomasy
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.
Stan na rok 2003.
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 zródła ciepła w gminie
Lokalne zródła ciepła odgrywają istotną rolę w zaopatrzeniu gminy w ciepło. Są one
uzupełnieniem miejskiego systemu ciepłowniczego. Część z nich posiada znaczną rezerwę
mocy. Aączna 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]
6
Energetyczne wykorzystanie biomasy projekt Tomasz Kleszcz
2.2.3 Ogólna charakterystyka systemu energetycznego
W zakresie dostawy energii elektrycznej głównym i podstawowym zródłem 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 bądz
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 znacznÄ… rezerwÄ™ mocy.
Tablica 4. Charakterystyka GPZ-u zasilajÄ…cego obszar gminy w energiÄ™ elektrycznÄ….
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 zródła
przemysłowe i indywidualne
- na energiÄ™ elektrycznÄ… 39 MWe
7
Projekt elektrociepłowni gazowo-parowej zintegrowanej ze zgazowaniem biomasy
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 definicjÄ… zawartÄ… 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
powstajÄ…cych w gospodarstwach domowych .[12]
Głównymi zródłami wytwarzania odpadów komunalnych są:
- gospodarstwa domowe,
- obiekty użyteczności publicznej,
- obiekty infrastruktury związane z handlem, usługami, rzemiosłem, szkolnictwem,
administracjÄ… itp.
Zgodnie z Krajowym planem gospodarki odpadami 2010 wyodrębniono następujące
grupy odpadów komunalnych według zródeł 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]
8
Energetyczne wykorzystanie biomasy projekt Tomasz Kleszcz
Tablica 5. Ilość poszczególnych odpadów komunalnych powstałych na terenie powiatu wieluńskiego w roku
2004 możliwych do wykorzystania w instalacji. [13,6]
wartość opałowa
Strumień odpadów t/rok
[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]
ustabilizowane
zawartości
rok komunalne osady skratki
piaskowników
ściekowe
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.
9
Projekt elektrociepłowni gazowo-parowej zintegrowanej ze zgazowaniem biomasy
Tablica 7. Ilość poszczególnych typów odpadów przemysłowych w roku 2002 na terenie powiatu wieluńskiego;
[6,13]
wartość
ilość
grupa opałowa
[t/a]
[MJ/kg]
odpady z przetwórstwa drewna oraz z
produkcji płyt i mebli, masy 350 11-22
celulozowej, papieru i tektury
odpady opakowaniowe 227,9 7-12
2.4.4 Drewno
W latach (2001 2005) z lasów województwa łódzkiego pozyskiwano średniorocznie
935 000 m3 drewna, natomiast powierzchnia lasów w województwie wynosi prawie 386 000
ha. Regionalna Dyrekcja Lasów Państwowych w Aodzi przesłała zestawienie dotyczące ilości
zasobów surowca drzewnego, możliwego do wykorzystania dla OyE. 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 m3), natomiast tzw. drobnica opałowa
kupowana jest przez ludność na cele opałowe (ok. 49000 m3).
Założono drewno o wartości opałowej wynoszącej 13,5 MJ/kg oraz średniej gęstości
drewna 650 kg/m3 [14].
Tablica 8. Potencjalne zasoby drewna w pobliżu instalacji; [14]
ilość
[m3/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 m3 pozyskiwanego drewna otrzymuje się po przeróbce
do 60 % odpadów, w tym 10 m3 kory, 15 m3 drobnicy gałęziowej, 20 m3 odpadów
kawałkowych (ścinki, obrzyny), 19 m3 trocin i zrębków, 36 m3 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]
10
Energetyczne wykorzystanie biomasy projekt Tomasz Kleszcz
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
[m3/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 SÅ‚oma
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.
11
Projekt elektrociepłowni gazowo-parowej zintegrowanej ze zgazowaniem biomasy
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 ą30 % 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 sÄ… 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]
plon suchej masy [t/a]
wartość
częstotliwość plon suchej masy
energetyczna plonu
zbioru [t/ha/a]
powiat wieluński powiat wieruszowski
[MJ/kg s.m.]
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
12
Energetyczne wykorzystanie biomasy projekt Tomasz Kleszcz
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:
·ð ðw 2004 roku - 2543,3 t;
·ð ðw 2005 roku - 3172,2 t;
·ð ðw 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 ciÄ…gu 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.
13
Projekt elektrociepłowni gazowo-parowej zintegrowanej ze zgazowaniem biomasy
Tablica 13. Założenie rzeczywistych strumieni poszczególnych paliw.
założenie
procentowego potencjał
maksymalny dostępny wartość
udziału energetyczny
strumień strumień opałowa
możliwego do [GJ/a]
[t/a] [t/a] [MJ/kg]
wykorzystania
[%]
17
opakowania z papieru i
1859 80 1487 25279
tektury
15
papier i tektura
1282 80 1026 15390
(nieopakowaniowe)
15
opakowania
633 80 506 7590
wielomateriałowe
35
tworzywa sztuczne
2329 60 1397 48895
(nieopakowaniowe)
30
opakowania z tworzyw
750 80 600 18000
sztucznych
13
drewno
783,8 90 705 9165
wielkogabarytowe
drewno odpadowe
13
220,9 60 132 1716
pochodzÄ…ce z
remontów
odpady z przetwórstwa
drewna oraz z
13
350 80 280 3640
produkcji płyt i mebli,
masy celulozowej,
papieru i tektury
10
227,9 80 182 1820
odpady opakowaniowe
drewno
13,5
średniowymiarowe S4
10310 50 5155 69592,5
+ małowymiarowe M1
i M2
10
185779 50 92890 928900
odpady pozrębowe
odpady z utrzymania
10
gminnych terenów
1098 60 659 6590
zielonych i pielęgnacji
sadów
14
108603 40 43440 608160
słoma
14
uprawy energetyczne
194798 50 97399 1363586
(zbiór co rok)
Razem
3108324
14
Energetyczne wykorzystanie biomasy projekt Tomasz Kleszcz
3. PROPOZYCJA 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 zródeł taniej energii,
- promowanie wykorzystania odnawialnych zródeł 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 zródła szczytowego zmodernizowanego kotła
WR-25 o mocy do 29,2 MWt.
15
Projekt elektrociepłowni gazowo-parowej zintegrowanej ze zgazowaniem biomasy
4. TECHNOLOGIA 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, H2, CH4). 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
16
Energetyczne wykorzystanie biomasy projekt Tomasz Kleszcz
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 H2 CH4 CO2 N2
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 bądz
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
17
Projekt elektrociepłowni gazowo-parowej zintegrowanej ze zgazowaniem biomasy
eksploatacyjne całego układu. Może to wpłynąć niekorzystnie na efektywność ekonomiczną
inwestycji jak również na koszty zewnętrzne stosowania danej technologii.[7]
5. CHARAKTERYSTYKA URZDZEC
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
MWt obok kotła wodno-parowego o wydajności 360 MWt, opalanego pyłem węglowym.
Wybudowany reaktor zgazowania biomasy z odpadami pracuje z atmosferycznym
cyrkulującym złożem fluidalnym (ACFB).
18
Energetyczne wykorzystanie biomasy projekt Tomasz Kleszcz
100%
90%
80%
drewno
70%
sklejka
60%
REF
50%
plastik
40%
papier
30%
torf
20%
inne
10%
0%
1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005
Rys. 4. Udział poszczególnych składników dostarczanych jako paliwo do instalacji, [2]
Zgazowanie rozdrobnionego paliwa, którego skład przedstawiono na rys.4, przebiega
pod ciÅ›nieniem atmosferycznym w temperaturze 850-900 °C. Powietrze procesowe zostaje
podgrzane gazowÄ… mieszaninÄ… poreakcyjnÄ… do ok. 300 °C. Wytworzony gaz opaÅ‚owy, o
temperaturze 750-650 °C przepÅ‚ywa do kotÅ‚a 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 osiÄ…gane przez jednostkÄ™ 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].
19
Projekt elektrociepłowni gazowo-parowej zintegrowanej ze zgazowaniem biomasy
Tablica 15. Wyniki osiągane przez jednostkę na przełomie kolejnych 4 lat eksploatacji [3]
rok 1998 1999 2000 2001
czas pracy
4730 5460 4727 7089
[h/a]
produkcja energii
223 343 295 449
[GWh]
zużycie paliwa
79 900 106 200 91 800 116 100
[t/a]
Tablica 16. Skład produkowanego gazu o wartości opałowej 2,4 MJ/m3N % objętościowe (gaz wilgotny); [1]
CO2 12,9
CO 4,6
H2 5,9
CxHy 3,4
N2 40,2
H2O 33,0
Koncern FOSTER WHEELER wybudował również podobną instalację zgazowania
biomasy opartą o gazogenerator CFB pracujący przy ciśnieniu 2 MPa (rys 5.). Stanowi on
zródło gazu dla instalacji IGCC (Integrated Gasification Combined Cycle) o mocy 6 MWe w
Värnamo w Szwecji. Podstawowe dane techniczne instalacji podano w tablicy 17.
Tablica 17. Podstawowe dane techniczne instalacji w Värnamo; [5,6]
moc 6 MWe / 9 MWt
sprawność ogólna 83%
sprawność elektryczna 32%
ciśnienie zgazowania 2MPa
temperatura zgazowania 950 - 1000°C
wartość opałowa gazu 5 - 6,3 MJ/m3N
paliwo biomasa, RDF
20
Energetyczne wykorzystanie biomasy projekt Tomasz Kleszcz
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. SkÅ‚ad generowanego gazu w instalacji Värnamo % objÄ™toÅ›ciowe (gaz suchy); [5]
CO2 14,4-17,5
CO 16-19
H2 9,5-12
CH4 5,8-7,5
N2 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.
21
Projekt elektrociepłowni gazowo-parowej zintegrowanej ze zgazowaniem biomasy
Tablica 19. Podstawowe dane techniczne gazyfikatora do proponowanej instalacji.
typ gazyfikatora CFB
ciśnienie zgazowania 2 MPa
temperatura zgazowania 950-1000 °C
czynnik zgazowujÄ…cy powietrze
wydajność wyrażona w
75 MWt
energii chemicznej gazu
wartość opałowa produktu 5 - 6,3 MJ/m3N
paliwa testowane w opisanych
paliwo 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 MWe
sprawność el. 34,2%
stopień sprężania 14:1
strumień spalin 80,4 kg/s
temperatura spalin 543°C
wymagane ciśnienie paliwa 2,45 MPa ą 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
22
Energetyczne wykorzystanie biomasy projekt Tomasz Kleszcz
zazwyczaj z modernizacjÄ… 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 Ä… 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/m3N jest on 8-10 razy większy niż w przypadku spalania gazu
ziemnego. Modernizacja komory spalania jest więc podstawowym zabiegiem przystosowującym
turbinÄ™ gazowÄ… 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
dziaÅ‚ania ukÅ‚adu oczyszczania. DoÅ›wiadczenia 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 minimalnÄ…: QWR-25_min = 8 MWt.,
moc maksymalnÄ…: QWR-25_max = 29,2 MWt.,
sprawność: ·WR-25 = 0,82,
maksymalna temperatura na wyjÅ›ciu: tWR-25_max = 150 °C
5.4 Kocioł odzyskowy
Gazy wylotowe turbiny gazowej o temperaturze okoÅ‚o 540°C trafiÄ… do
jednociśnieniowego kotła odzyskowego. Podstawowe dane techniczne kotła przedstawiono w
tablicy 21. Parametry ustalono na podstawie [8]. Kocioł odzyskowy odbierający ciepło od
23
Projekt elektrociepłowni gazowo-parowej zintegrowanej ze zgazowaniem biomasy
produkowanego gazu również zostanie wykonany razem gazyfikatorem, jako jego integralna
część.
Tablica 21. Podstawowe dane techniczne kotła odzyskowego.
producent Foster Wheeler
moc (maksymalna) 50 MWt
parametry pary Å›wieżej 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 MWt
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 Å›wieżej 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 MWe
sprawność elektromechaniczna 97,5 %
24
Energetyczne wykorzystanie biomasy projekt Tomasz Kleszcz
6. BILANS ENERGETYCZNY
Obliczenia rozpoczęto od podstawowych założeń:
·ð skÅ‚ad gazu:
CO2 CO H2 CH4 N2 H2O
10%
14%
15%
45%
10%
6%
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 -
[ ]
·ð sprawność instalacji zgazowania
Na podstawie danych z instalacji Värnamo ustalono Å›redniÄ… sprawność konwersji
biomasy. ZakÅ‚adajÄ…c sprawność elektrycznÄ… turbiny gazowej ·elTG = 0,34 oraz znajÄ…c jej moc
znamionową wynoszącą PTG = 4,2 MWe ustalono strumień energii zawartej w gazie, a
następnie odniesiono go do strumienia paliwa QB = 18 MW. Otrzymano:
Do dalszych rozważań przyjęto .
·ð czas pracy BIGGC (Biomass Integrated Gas Combined Cycle)
Przyjęto czas pracy równy 7200 h/a.
25
Projekt elektrociepłowni gazowo-parowej zintegrowanej ze zgazowaniem biomasy
·ð moc cieplna zmienność w ciÄ…gu roku
Zgodnie z wcześniejszymi ustaleniami moc cieplna pobierana przy najniższej
temperaturze otoczenia wyniesie w najbliższej przyszłości 70 MWt , z czego stała moc
przekazywana wodzie użytkowej w ciągu roku wynosi 15,5 MWt.
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 zewnÄ™trzna tz = 12 °C. CiepÅ‚o dostarczane powinno być odbiorcom przez 8424
h/a 2 tygodnie przerwy remontowo-konserwacyjnej.[8,10,11]
75
70
65
60
55
50
45
40
35
30
25
20
15
10
5
0
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500 6000 6500 7000 7500 8000 8500 9000
Czas [h]
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.
26
Moc cieplna elektrociepłowni [MW]
Energetyczne wykorzystanie biomasy projekt Tomasz Kleszcz
Rys. 8. Schemat bilansowy elektrociepÅ‚owni przy tz = -18°C maksymalne obciążenie.
27
Projekt elektrociepłowni gazowo-parowej zintegrowanej ze zgazowaniem biomasy
Rys. 9. Schemat bilansowy elektrociepÅ‚owni przy tz = 12°C poczÄ…tek sezonu grzewczego.
28
Energetyczne wykorzystanie biomasy projekt Tomasz Kleszcz
.
Rys. 10. Schemat bilansowy elektrociepÅ‚owni przy tz = 20°C
29
Projekt elektrociepłowni gazowo-parowej zintegrowanej ze zgazowaniem biomasy
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 staÅ‚ej temperaturze 130/70 °C.[11]
Na kolejnych rys. przedstawiono otrzymane charakterystyki, m. in. moc elektrycznÄ… i
cieplną generowaną w ciągu roku, sprawności itp.
45
40
35
30
25
P_TG
20
P_TP
P_el
15
10
5
0
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500 6000 6500 7000 7500 8000 8500
Czas [h]
Rys. 11. Roczny uporzÄ…dkowany wykres moc elektrycznej;
P_TP moc pochodzÄ…ca od turbiny parowej, P-TG moc turbiny gazowej, P_el sumaryczna moc elektryczna
30
Moc elektryczna [MWe]
Energetyczne wykorzystanie biomasy projekt Tomasz Kleszcz
80
70
60
50
Q_Wr25
40
Q gaz par
30
Q
20
10
0
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500 6000 6500 7000 7500 8000 8500
Czas [h]
Rys. 12. Roczny uporzÄ…dkowany 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
95
90
85
80
75
70
65
60
55
50
45
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500 6000 6500 7000 7500 8000 8500 9000
Czas [h]
Rys. 13. Sprawność całkowita elektrociepłowni w funkcji czasu.
31
Moc cieplna oddawana do cieci [MWt]
Sprawność [%]
Projekt elektrociepłowni gazowo-parowej zintegrowanej ze zgazowaniem biomasy
38
37,5
37
36,5
36
35,5
35
34,5
34
33,5
33
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500 6000 6500 7000 7500 8000 8500 9000
Czas [h]
Rys. 14. Sprawność elektryczna elektrociepłowni w funkcji czasu.
160
140
120
100
Q_biomasa
80
Q_węgiel
60
Q_EC
40
20
0
0 500 1000150020002500300035004000450050005500600065007000750080008500
Czas [h]
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
32
Sprawność [%]
Strumień energii chemicznej paliwa [MWt]
Energetyczne wykorzystanie biomasy projekt Tomasz Kleszcz
Tablica 23. Åšrednioroczne wskazniki 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
35,37 %
(produkcja en. el. odniesiona do energii chemicznej biomasy)
sprawność produkcji ciepła
średnioroczna 39,57 %
w okresie grzewczym 44,42 %
średnioroczna sprawność ogólna 74,94 %
PES
20,86 %
(dla ·cR = 0,8, ·eR = 0,46)
EUF (Energy Utilization Factor) 71,3 %
współczynnik skojarzenia 222,9 kWh/GJ
33
Projekt elektrociepłowni gazowo-parowej zintegrowanej ze zgazowaniem biomasy
7. PALIWA
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 sÄ… przez rozporzÄ…dzenie jako odpady [19]
wartość strumień
strumień cena koszt roczny
opałowa energii
[t/a] [zł/t] [zł]
[MJ/kg] [GJ/a]
opakowania z papieru i
1394 17 23702 0 0
tektury
papier i tektura
962 15 14423 300 285 600
(nieopakowaniowe)
34
Energetyczne wykorzystanie biomasy projekt Tomasz Kleszcz
opakowania
475 15 7121 0 0
wielomateriałowe
tworzywa sztuczne
1234 35 43203 300 370 200
(nieopakowaniowe)
opakowania z tworzyw
563 30 16875 0 0
sztucznych
drewno
627 13 8152 50 31 350
wielkogabarytowe
drewno odpadowe
121 13 1579 100 12 100
pochodzące z remontów
odpady z przetwórstwa
drewna oraz z produkcji
płyt i mebli, masy
263 13 3413 50 13 150
celulozowej, papieru i
tektury
odpady opakowaniowe
171 10 1709 0 0
drewno
średniowymiarowe S4 +
4640 13,5 62633 200 928 000
małowymiarowe M1 i
M2
odpady pozrębowe
83601 10 836006 50 4 180 050
odpady z utrzymania
gminnych terenów
483 10 4831 0 0
zielonych i pielęgnacji
sadów
32581 14 456133 150 4 887 150
słoma
uprawy energetyczne
87659 14 1227227 250 21 914 750
(zbiór co rok)
214 774 - 2707 TJ/a - 32 622 350
Razem
35
Projekt elektrociepłowni gazowo-parowej zintegrowanej ze zgazowaniem biomasy
8. STANDARDY 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/m3u] przy zawartości 6%
tlenu w gazach odlotowych [20]
SO2 1300
NO2 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]
roczna emisja koszt roczny
typ zanieczyszczenia
[t/a] [zł/a]
SO2 168 72 340
NOx 83,3 35 820
CO2 31 240 7 186
popiół ilość skierowana na
2625 41 650
składowisko
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
36
Energetyczne wykorzystanie biomasy projekt Tomasz Kleszcz
odpadów. [21]
Wartości Cproc dla biomasy wyrażone w mg/m3u, przy zawartości 6% tlenu w gazach odlotowych dla
danej instalacji: SO2 - 200, NOx 350, pył 50
Wartości Codp dla spalania odpadów wyrażone w mg/m3u, przy zawartości 11% tlenu w gazach
odlotowych dane dla instalacji o przerobie odpadów mniejszym niż 6 t/h:
SO2 50, NOx 400, pył 10.
Po przeliczeniu na 6% zawartości tlenu w spalinach: SO2 75, NOx 600, pył - 15
Zakładając, że objętość gazów odlotowych jest proporcjonalna do strumienia energii chemicznej
dostarczonej do `
Qodp = 120,2 TJ
Qbio = 2587 TJ
Qodp+bio = 2707 TJ
Tablica 28. Standardy emisyjne instalacji zgazowania biomasy i odpadów; [mg/m3u] przy zawartości 6% tlenu w gazach
odlotowych [20]
SO2 195
NO2 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 NOx w gazach wylotowych będzie zbyt wysoki, co spowoduje konieczność montaż instalacji
oczyszczania spalin w procesie SCR [22].
37
Projekt elektrociepłowni gazowo-parowej zintegrowanej ze zgazowaniem biomasy
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 Conoco Philips Shell
640 MW 623 MW 636 MW
SO2 230 215 208
NOx 994 1021 982
CO2 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]
roczna emisja koszt roczny
typ zanieczyszczenia
[t/a] [zł/a]
SO2 13,8 5 930
NOx 63 27 090
CO2 218 000 50 140
pył 7,82 2270
Razem 85 430
38
Energetyczne wykorzystanie biomasy projekt Tomasz Kleszcz
9. ANALIZA 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.
39
Projekt elektrociepłowni gazowo-parowej zintegrowanej ze zgazowaniem biomasy
Sprzedaż energii elektrycznej wyprodukowanej w kogeneracji świadectwa
pochodzenia z kogeneracji:
Instalacja nie uzyskuje Å›redniorocznej sprawnoÅ›ci ogólnej granicznej ·egr = 80%, stÄ…d 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 wskaznik 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.)
40
Energetyczne wykorzystanie biomasy projekt Tomasz Kleszcz
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.
41
Projekt elektrociepłowni gazowo-parowej zintegrowanej ze zgazowaniem biomasy
10. OCENA 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.:
·ð w regionie istniejÄ… duże zasoby biopaliw możliwe do wykorzystania w
instalacji,
·ð cena biopaliw nie jest wysoka, jednak z pewnoÅ›ciÄ… bÄ™dzie w wzrastać,
·ð w analizie nie wziÄ™to pod uwagÄ™ zróżnicowanych i znacznych kosztów
transportu biomasy,
·ð koszt pozyskania odpadów może być ujemny, czego nie wziÄ™to pod uwagÄ™ w
analizie,
·ð systemy wsparcia energetyki opartej na biomasie oraz kogeneracji bÄ™dÄ… dziaÅ‚ać
przez ograniczony czas,
·ð instalacja daje możliwość zagospodarowania sporej części odpadów
generowanych w regionie,
·ð silnie zróżnicowany skÅ‚ad paliwa dostarczanego do zgazowania bÄ™dzie
powodował zmienne parametry pracy układu gazowo-parowego, a co za tym
idzie wpłynie na ilość wyprodukowanej energii,
42
Energetyczne wykorzystanie biomasy projekt Tomasz Kleszcz
11. LITERATURA
[1] Engström Folke, Foster Wheeler Development Corporation; Overview of Power
Generation from Biomass; 1999 Gasification Technology Conference, San Francisco,
pazdziernik 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; Aódz 2009
[7] Kalina J., Skorek J.; Paliwa gazowe dla układów kogeneracyjnych; Seminarium cykliczne
Elektroenergetyka w procesie przemian - Generacja rozproszona, Politechnika ÅšlÄ…ska, 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, Aódz 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 Aodzi; Ocena konkurencyjności wykorzystania energii
odnawialnej w województwie łódzkim; Aódz 2008
43
Projekt elektrociepłowni gazowo-parowej zintegrowanej ze zgazowaniem biomasy
[15] Blaschke W., Gawlik L., Lorenz U.; Węgiel kamienny energetyczny ekonomia i
ekologia; Instytut Gospodarki Surowcami Mineralnymi i Energią PAN, Kraków
[16] Zarząd Województwa Aódzkiego; Plan gospodarki odpadami województwa łódzkiego
2011; Aódz 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 zródło 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 , Aódz 2011
[24] Rakowski Janusz; Obecne możliwości technologiczne ograniczania emisji CO2 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
44
Wyszukiwarka
Podobne podstrony:
Projekty EC turbinaProjekty EC projekt19Projekty EC Projekt 8Projekty EC projektProjekty EC projekt12 04Projekty EC projekt26projekt wiazara ec algorytm plyta warstwowaprojekt wiazara ec algorytmProjekt pracy aparat ortodontyczny ruchomyProjekt mgifprojekt z budownictwa energooszczednego nr 3więcej podobnych podstron