KATEDRA TECHNIKI CIEPLNEJ

Projekt z przedmiotu Gospodarka odpadami

Zespół:

Mariusz Gośka

Bartosz Kowalczyk

Sławomir Witek

Grupa: E1 – 31, zespół 1

Rok akademicki: 2013/2014

Prowadzący: dr hab. inż. Anna Majchrzycka

29 maj 2014

Oznaczenia użyte w projekcie

${Q_{i}}^{r}\ \lbrack\frac{\text{kJ}}{\text{kg}}\rbrack$ – wartość opałowa paliwa

A^r[−] – zawartość popiołu w paliwie

C_czp [−] – zawartość części palnych w pyle

$C_{\text{eX}}\ \lbrack\frac{zl}{\text{kg}}\rbrack$ – opłata za emisję zanieczyszczenia X do atmosfery

N_c [kW] – maksymalna moc cieplna elektrowni

$C_{p}\ \lbrack\frac{zl}{\text{kg}}\rbrack$ – cena paliwa

η_O [%] – sprawność urządzeń odpylających

η_c [%] – sprawność cieplna kotłowni

U [−] – unos pyłu

h [−] – zawartość wodoru

c [−] – zawartość węgla

n [−] – zawartość azotu

o [−] – zawartość tlenu

p [−] – zawartość popiołu

s [−] – zawartość siarki

w [−] – zawartość wilgoci

λ [−] – współczynnik nadmiaru powietrza

σ [−] – stopień związania siarki w żużlu

t_p [dzien] – ilość dni sezonu grzewczego

E_y [kJ/rok] – całkowita ilość energii wytwarzanej przez źródło ciepła

η [−] – sprawność całkowita procesu wytwarzania ciepła w źródle

I [zl] – nakłady inwestycyjne na budowę źródła

WZK [1/rok] – współczynnik zwrotu kapitału dla określonej stopy dyskonta oraz przyjętego roku eksploatacji źródła ciepła

K_ee [zl/rok] – zmienny koszt eksploatacyjny

K_om [zl/rok] – koszt roczny obsługi mocy, niezależny od ilości wyprodukowanej energii, uwzględniający przewidywane koszty remontów oraz koszty związane z płacami dla pracowników obsługujących źródło

r [−] – stopa dyskonta

n [rok] – przyjęty rok eksploatacji źródła ciepła

k_wms [zl] – roczny koszt utrzymania jednostki mocy szczytowej źródła ciepła

k_we [zl/GJ] – koszt jednostkowy zmienny wytwarzania energii

τ_s [−] – roczny czas wykorzystania mocy szczytowej źródła ciepła

Q_s [MW] – moc szczytowa źródła ciepła

Spis treści

1 Wstęp tekstowy

2 Założenia obliczeniowe

3 Własności paliwa

4 Obliczenia stechiometryczne

5 Teoretyczne zapotrzebowanie tlenu

6 Teoretyczne zapotrzebowanie powietrza

7 Współczynnik nadmiaru powietrza

8 Rzeczywiste zapotrzebowanie powietrza

9 Strumień paliwa

10 Obliczenie ilości i składu paliwa

11 Obliczenie emisji zanieczyszczeń do atmosfery

12 Obliczenie kosztów

13 Wykres i opisy

1. Wprowadzenie

Dobrać źródło ciepła i wykonać obliczenia cieplne ekologicznej kotłowni zasilającej w ciepło osiedle mieszkaniowe. Ze względu na dużą podaż użytkowych odpadów drewna w okolicy kotłownia ma być zasilana odpadami drewna .

Założenia projektowe :

• maksymalna moc cieplna kotłowni N_c = 500 kW,

• sprawność cieplna kotłowni η_c = 60 %,

Wykonać również obliczenia jednostkowego kosztu wytwarzanego ciepła, kosztów eksploatacyjnych, kosztów inwestycyjnych źródła ciepła oraz zdyskontowane wydatki na system ogrzewania NPV a także obliczenia, dotyczące emisji zanieczyszczeń oraz opłat z tym związanych.

1. Założenia obliczeniowe

Parametr	Jednostka	KNS – 500
Moc znamionowa	kW	500
Powierzchnia ogrzewanego pomieszczenia	m^2	4200
Zużycie paliwa	$$\frac{\text{kg}}{h}$$	165
Powierzchnia grzewcza kotła	m^2	68
Pojemność wodna	m^3	78
Czas spalania	h	2,5
Ładunek paliwa	szt.
Masa pustego kotła	kg	9000
Ciśnienie robocze	MPa	0,2
Wymagany ciąg spalin	Pa	55
Wysokość komina	m	16
Przekrój komina	mm	500
Sprawność cieplna	%	75 do 80
Minimalna temperatura powrotu	°C	50
Max. temperatura zasilania	°C	90
Pojemność zbiornika akumulacyjnego	l	30000
Długość kotła	mm	3800
Szerokość kotła	mm	1800
Wysokość kotła	mm	2300

1. Własności paliwa

Składnik	Jednostka	Wartość
c	%	51,5
h	%	6,0
s	%	0,1
o	%	35,6
n	%	0,3
w	%	6,0
p	%	0,5
suma	%	100,0

1. Obliczenia stechiometryczne

4. 1. Określenie składu paliwa

Skład chemiczny paliw stałych określany jest za pomocą udziałów gramowych. Ich oznaczenie to kolejno: węgiel, wodór, siarka, tlen, azot, wilgoć i popiół

c + h + s + o + n + w + p = 1

0, 515 + 0, 060 + 0, 001 + 0, 356 + 0, 003 + 0, 060 + 0, 005 = 1

1. Rozbicie na pierwiastki i ujednolicenie składu paliw

$$n_{C}^{'} = \frac{1}{12}c = \lbrack - \rbrack$$

$$n_{S}^{'} = \frac{1}{32}s = \lbrack - \rbrack$$

$$n_{H_{2}}^{'} = \frac{1}{2}h = \lbrack - \rbrack$$

$$n_{O_{2}}^{'} = \frac{1}{32}o = \lbrack - \rbrack$$

$$n_{N_{2}}^{'} = \frac{1}{28}n = \lbrack - \rbrack$$

$$n_{H_{2}O}^{'} = \frac{1}{18}w = \lbrack - \rbrack$$

1. Określenie minimalnego zapotrzebowanie tlenu

$$n_{O,\ \ \ min} = n_{C}^{'} + \frac{1}{2}n_{H_{2}}^{'} - n_{O_{2}}^{'} = \lbrack - \rbrack$$

1. Określenie minimalnego zapotrzebowanie powietrza

$$n_{a,\ \ min} = \frac{n_{O,\ \ \ min}}{0,21} = \lbrack - \rbrack$$

1. Określenie rzeczywistego zapotrzebowania powietrza

n_a^′ = λ * n_{a,    min} = [ − ]

dla λ = 1, 4 dla rusztu mechanicznego

1. Określenie ilości spalin

   1. Określenie ilości poszczególnych składników

$$n_{\text{CO}_{2}}^{"} = n_{C}^{'} = \lbrack - \rbrack$$

$$n_{N_{2}}^{"} = n_{N_{2}}^{'} + 0,79n_{a}^{'} = \lbrack - \rbrack$$

$$n_{O_{2}}^{"} = 0,21\left( n_{a}^{'} - n_{a,\ \ min} \right) = \lbrack - \rbrack$$

$$n_{H_{2}O}^{"} = n_{H_{2}}^{'} + n_{H_{2}O}^{'} + X_{z,a} \times n_{a}^{'} = \lbrack - \rbrack$$

1. Określenie łącznej ilości spalin suchych i wilgotnych

$$n_{\text{SS}}^{"} = n_{\text{CO}_{2}}^{"} + n_{N_{2}}^{"} + n_{O_{2}}^{"} = \lbrack - \rbrack$$

$${n_{S}^{"} = n}_{\text{SS}}^{"} + n_{H_{2}O}^{"} = \lbrack - \rbrack$$

1. Określenie składu spalin

   1. Skład spalin suchych

$$\left\lbrack CO_{2} \right\rbrack = \frac{n_{\text{CO}_{2}}^{"}}{n_{\text{SS}}^{"}} = \lbrack - \rbrack$$

$$\left\lbrack O_{2} \right\rbrack = \frac{n_{O_{2}}^{"}}{n_{\text{SS}}^{"}} = \lbrack - \rbrack$$

$$\left\lbrack N_{2} \right\rbrack = \frac{n_{N_{2}}^{"}}{n_{\text{SS}}^{"}} = \lbrack - \rbrack$$

$$\left\lbrack X_{z,s} \right\rbrack = \frac{n_{H_{2}O}^{"}}{n_{\text{SS}}^{"}} = \lbrack - \rbrack$$

1. Skład paliw wilgotnych

$$\left( CO_{2} \right) = \frac{n_{\text{CO}_{2}}^{"}}{n_{S}^{"}} = \lbrack - \rbrack$$

$$\left( O_{2} \right) = \frac{n_{O_{2}}^{"}}{n_{S}^{"}} = \lbrack - \rbrack$$

$$\left( N_{2} \right) = \frac{n_{N_{2}}^{"}}{n_{S}^{"}} = \lbrack - \rbrack$$

$$\left( X_{2}O \right) = \frac{n_{H_{2}O}^{"}}{n_{S}^{"}} = \lbrack - \rbrack$$

1. Strumień paliwa

$\dot{B} = \frac{N_{c}}{{Q_{i}}^{r}*\eta_{c}} = \lbrack\frac{\text{kg}}{h}\rbrack$kW/kJ/kg

1. Obliczenie emisji zanieczyszczeń do atmosfery

2. 1. Emisja SO₂

$$E_{SO_{2}} = \dot{B}\frac{2s(100 - \sigma)}{100} = \lbrack\frac{\text{kg}}{h}\rbrack$$

1. Emisja NO_x

$$E_{NO_{x}} = 0,3*E_{SO_{2}} = \lbrack\frac{\text{kg}}{h}\rbrack$$

1. Emisja CO

$$E_{\text{CO}} = 0,015\dot{B}\frac{11}{3}c = \lbrack\frac{\text{kg}}{h}\rbrack$$

1. Emisja pyłu

$$E_{pylu} = \dot{B}\frac{UA^{r}(1 - \eta_{O})}{10^{4}(1 - C_{\text{czp}})} = \lbrack\frac{\text{kg}}{h}\rbrack$$

1. Obliczenie kosztów

1. 1. Koszt paliwa

      1. Dzienny koszt paliwa

$K_{p} = \dot{\dot{B}*C_{p}*24 = \lbrack\frac{zl}{\text{dzien}}\rbrack}$ kg/h*zl/kg

1. Roczny koszt paliwa

$K_{p} = \dot{\dot{B}*C_{p}*t_{p} = \lbrack\frac{zl}{\text{rok}}\rbrack}$kg/h*zl/kg*h/rok

1. Koszt korzystania ze środowiska

   1. Opłata za emisję SO₂

$K_{\text{eS}O_{2}} = E_{SO_{2}}*C_{\text{eS}O_{2}}*24 = \lbrack\frac{zl}{\text{dzien}}\rbrack$kg/h*zl/kg

1. Opłata za emisję NO_X

$$K_{\text{eN}O_{x}} = E_{NO_{x}}*C_{\text{eN}O_{x}}*24 = \lbrack\frac{zl}{\text{dzien}}\rbrack$$

1. Opłata za emisję CO

$$K_{\text{eCO}} = E_{\text{CO}}*C_{\text{eCO}}*24 = \lbrack\frac{zl}{\text{dzien}}\rbrack$$

1. Opłata za emisję pyłu

$$K_{epylu} = E_{pylu}*C_{epylu}*24 = \lbrack\frac{zl}{\text{dzien}}\rbrack$$

1. Całkowity koszt za emisję zanieczyszczeń do środowiska

$$K_{e} = K_{\text{eS}O_{2}} + K_{\text{eN}O_{x}} + K_{\text{eCO}} + K_{epylu} = \lbrack\frac{zl}{dzien}\rbrack$$

Zmienny koszt eksploatacyjny

$K_{ee} = \frac{E_{y}*10^{6}}{Q_{i}*\eta_{e}}C_{p} = \lbrack\frac{zl}{\text{rok}}\rbrack$kJ/rok*zł/kg / kJ/kg

Roczny koszt wytwarzania energii

$K_{n} = I \cdot WZK + K_{ee} + K_{\text{om}} = \lbrack\frac{zl}{rok\rbrack}$ zł*1/rok+zl/rok+zl/rok

$$WZK = \frac{r}{1 - {(1 + r)}^{- n}} = \lbrack\frac{1}{rok\rbrack}$$

Kosz jednostkowy wytworzenia energii

$k_{w} = \frac{k_{\text{wms}}}{3600\tau_{s}} + k_{\text{we}} = \lbrack\frac{zl}{kJ\rbrack}$zł/kW*rok / h/rok + zł/kJ

$\tau_{s} = \frac{E_{y}}{{3600Q}_{s}}\lbrack\frac{h}{rok\rbrack}$kJ/rok / kW

Roczny koszt utrzymania jednostki mocy szczytowej źródła ciepła

$k_{\text{wms}} = \frac{I \cdot WZK + K_{\text{om}}}{Q_{s}} = \lbrack\frac{zl}{kW \cdot rok}\rbrack$zł*1/rok+zł/rok / kW

Koszt jednostkowy zmienny wytwarzania energii

$$k_{\text{we}} = \frac{K_{ee}}{E_{y}} = \lbrack\frac{zl}{kJ\rbrack}$$

Zdyskontowane wydatki systemu ogrzewania

$$NPV = \sum_{t = 0}^{t = n}{\frac{\text{CI}_{t} - \text{CO}_{t}}{\left( 1 + r \right)^{t}} = \lbrack}\frac{zl}{rok\rbrack}$$

C_lt = E_y * C_c = [zl/rok]kJ/rok*zł/kJ

C_ot=K_p+K_e + K_n=[zl/rok]

C_it − C_ot = [zl/rok]

1. Koszty za emisję wg KOBiZE

2. Koszty emisji wg Ministerstwa Środowiska

3. Koszt roczny wytworzenia energii cieplnej

1. Wykresy i opisy