Καύσιμα και Καύση 07.01.10 Θερμοκρασία καύσης Βαθμός απόδοσης και Απώλειες στους ΑΗΣ Εμμ. Κακαράς, Σωτήριος Καρέλλας, Εργαστήριο Ατμοκινητήρων και λεβήτων Σχολή Μηχανολόγων Μηχανικών Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο Ηρώων Πολυτεχνείου 9, 15780 Ζωγράφου, Αθήνα Email: karampinis@certh.gr URL: www.ntua.gr/lsbtp Για τον προσδιορισμό της θερμοκρασίας που αποκτά το καυσαέριο κατά την καύση ενός καυσίμου, λαμβάνεται υπόψη ότι η χημική ενέργεια που βρίσκεται μέσα στο καύσιμο μετατρέπεται σε αισθητή θερμότητα που αυξάνει τη θερμοκρασία του καυσαερίου 1 2 Θερμοκρασία καύσης Αδιαβατική θερμοκρασία καύσης Θερμικά μονωμένος ως προς το περιβάλλον ΘΚ Όλη η θερμότητα παραλαμβάνεται από το καυσαέριο B1μLc B1 H U pl ( t t ) L o ΚΑΥΣΗ B1 μg c pg ( t t ) max o B HU + 1 B1 μ G L U B1 μg m Ισολογισμός στο Θ.Κ.: ( t t ) = c ( t t ) Χωρίς προθέρμανση του αέρα: H U t max = + to μ Gc pg pg max o H u + μ ( L hl h ) ( ) e L = μ a G hg h max G a Τιμές της αδιαβατικής θερμοκρασίας καύσης και των πραγματικών θερμοκρασιών στο Θ.Κ. Καύσιμο H u Αδιαβατική Πραγματική (kj/kg) Θερμοκρασία θερμοκρασία καύσης ( C) Θ.Κ. ( C) Λιθάνθρακας 30 000 2300 1200 1500 Ξηρός λιγνίτης 20 000 1500 1000 1200 Πετρέλαιο 40 000 2000 1200 1500 Φυσικό αέριο 45 000 2000 1200 1600 3 2.2 Verbrennungsrechnung 4
Σύγκριση μεγέθους για μονάδες ίδιας δυναμικότητας (επίδραση τέφρας) Επίδραση τέφρας στη λειτουργία μονάδων στερεών καυσίμων 5 6 Ιπτάμενη τέφρα (70-80%) Συλλογή στα φίλτρα ή κυκλώνες Μέρος εκλύεται στην ατμόσφαιρα ως αιωρούμενα σωματίδια (PM10, κτλ) Τι παραμένει στο λέβητα; Επικαθίσεις στο τμήμα συναγωγής (fouling) Επικαθίσεις στο τμήμα ακτινοβολίας (slagging) Τέφρα πυθμένα (20 30%) Υγρή απομάκρυνση Ξηρή απομάκρυνση Slagging Σχηματίζεται από λιωμένα, μερικώς επαναστερεοποιημένα σωματίδια τέφρας Εμφανίζεται κυρίως στα τοιχώματα του λέβητα και σε επιφάνειες που θερμαίνονται μέσω ακτινοβολίας Δε σχηματίζεται άμεσα απαιτείται πρώτα η δημιουργία ενός αρχικού στρώματος επικαθίσεων Με την πάροδο του χρόνου και την αύξηση του πάχους, η επιφάνεια του στρώματος λιώνει και μπορεί να συγκρατήσει περισσότερα σωματίδια Τελικά, είτε η τέφρα ρέει σταδιακά από το στρώμα είτε το βάρος γίνεται μεγάλο και ξεκολλάει Fouling Σχηματίζεται σε επιφάνειες που δεν εκτίθενται σε ακτινοβολία, αλλά συναγωγή Προέρχεται από την επανασυμπύκνωση πτητικών ανόργανων ουσιών στις ψυχρότερες επιφάνειες των σωλήνων Εξαρτάται κυρίως από την παρουσία πτητικών ενώσεων στην τέφρα, π.χ. Na, K Γενικά, οι επικαθήσεις: Επιδρούν στην εναλλαγή θερμότητας στο λέβητα Προσθέτουν μια νέα θερμική αντίσταση μεταξύ του καυσαερίου και του ατμού...... με αποτέλεσμα την καθυστέρηση της ψύξης του καυσαερίου...... και την αύξηση της θερμοκρασίας στην έξοδο του λέβητα Εντείνονται με την πάροδο του χρόνου Ενδέχεται να μπλοκάρουν τη δίοδο του καυσαερίου Μεγάλα κομμάτια ενδέχεται να αποκολληθούν απότατοιχώματακαιναπροκαλέσουνζημιές Γενικά, μειώνουν τη διαθεσιμότητα του λέβητα, αυξάνουν το κόστος και το χρόνο συντήρησης και μειώνουν το βαθμό απόδοσης 7 8
Τέφρα βυτουμενικού τύπου: CaO + MgO < Fe 2 O 3 Τέφρα λιγνιτικού τύπου: CaO + MgO > Fe 2 O 3 Κύρια Χαρακτηριστικά - Χαμηλή περιεκτικότητα σε σίδηρο - Υψηλή περιεκτικότητα σε αλκάλια και αλκαλικές γαίες. Ευτηκτότητα τέφρας ASTM D1857 Παρακολούθηση της σταδιακής παραμόρφωσης κατά τη θέρμανση ενός πυραμιδοειδούς δείγματος τέφρας (19 mm ύψος και 6.35 mm πλευρά βάσης ισοσκελούς τριγώνου) Το εύρος των θερμοκρασιών δίνει ενδείξεις για τον τρόπο σχηματισμού επικαθήσεων και την ευκολία καθαρισμού τους Oxide component Percentage (aver) Oxide component Percentage (aver) SiO 2 21,8 TiO 2 0,5 Fe 2O 3 8 MgO 3,8 Al 2O 3 10,8 Na 2O 0,4 SO 3 5,2 K 2O 0,5 CaO (free) 21,5 CaO 47,1 IT ST HT FT : Initial Deformation Temperature : Softening Temperature (H=W) : Hemispherical Temperature (H=1/2W) : Fluid Temperature (H=1/16W) 9 10 Χαρακτηριστικοί Δείκτες Τέφρας (1/2) Slagging Index (τέφρες λιγνιτικού τύπου) R s max( HT ) + 4 min( IT ) = 5 R s > 1,340 o C R s = 1,250 ~ 1,340 o C R s = 1,150 ~ 1,250 o C Weak slagging tendency Moderate slagging tendency High slagging tendency R s < 1,150 o C Severe slagging tendency Fe2O3 + CaO + MgO + K2O + Na2O BA = Al O + SiO + TiO Χαμηλή θερμοκρασία τήξης και σημαντική τάση σχηματισμού επικαθίσεων για 0.4 < B/A < 0.7 ΛόγοςΒάσεωνπροςΟξέα (Base to Acid ratio) 2 3 2 2 Πηγή: Steam 41 st ed., Babcock & Wilcox 11 Χαρακτηριστικοί Δείκτες Τέφρας (2/2) Fouling Index (τέφρες λιγνιτικού τύπου) Na 2 O R f = 6 R f < 0.2 R f = 0.2~0.5 R f = 0.5 ~ 1 R f > 1 Weak Moderate High Severe Dolomite Percentage (για βασικά οξείδια > 40%) CaO+ MgO DP= CaO+ MgO+ Na O+ K O+ Fe O Αύξηση του DP συνεπάγεται αύξηση της θερμοκρασίας τήξης 2 2 2 3 x100 Silica/Alumina Ratio (για B/A < 0.3) SiO2 SA= Al2O3 Αύξηση θερμοκρασίας τήξης με την αύξηση του SiO 2 Γενικά: Fe, Na, K μειώνουν τη θερμοκρασία τήξης και αυξάνουν την τάση για επικαθίσεις 12
Σχεδιασμός λέβητα για έλεγχο επικαθίσεων Εκκαπνισμός: φύσημα μεγάλης ποσότητας αέρα, ατμού ή νερού για μικρό χρονικό διάστημα πάνω σε επιφάνειες με επικαθίσεις για την απομάκρυνσή τους Αέρας: καλύτερος τηλεχειρισμός, μεγαλύτερο κόστος εγκατάστασης και συντήρησης, 15-20 bat Ατμός: μικρότερο κόστος, μείωση ατμού ατμοπαραγωγής, 15-20 bar Νερό: διαφορετική φιλοσοφία απομάκρυνσης, διείσδυση στους πόρους της επικάθησης και απομάκρυνσή της λόγω βίαιης ατμοποίησης Εκκαπνιστές Πηγή: Steam 41 st ed., Babcock & Wilcox Είδη Εκκαπνιστών: Σταθερού τύπου (προθερμαντήρες αέρα) Κινούμενοι μικρής διαδρομής (εστία) Κινούμενοι μεγάλης διαδρομής Περιστρεφόμενοι Εκκαπνιστές με Πολλαπλά Στόμια Water Cannons Water Lances 13 14 Υπάρχουσα τεχνολογία Μελλοντικοί σταθμοί Έρευνα Β.Α. Carnot = Μέγιστος δυνατός Β.Α. Βαθμός απόδοσης και Απώλειες στον ΑΗΣ Βαθμός απόδοσης (%) Συμβατικοί ΑΗΣ με μονάδες DeNox και αποθείωσης Ρευστοποιημένη κλίνη υπό πίεση Σταθμοί συνδυασμένου κύκλου με καθαρισμό αερίου Με Φ.Α. Με κονιοπ. C υπό πίεση Με αεριοποίηση (IGCC) Μέγιστη θερμοκρασία διεργασίας ( o C) 15 16
Pel ηel = m & Hu B Θερμότητα (Κάυσιμο) Απώλειες Ατμοπαραγωγού Απώλειες Καυσαερίων Απώλειες εστίας Απώλειες ακτινοβολίας Απώλειες Μηχανής Απώλειες Γεννήτριας Μηχανικές Απώλειες Άλλες απώλειες ατμοστροβίλου Καύση σε εσχάρα Συστήματα καύσης Ρευστοποιημένη κλίνη Κονιοποιημένου καυσίμου G Ηλεκτρική Ενέργεια Ηλεκτρική Ιδιοκατανάλωση Αντλίες Μύλοι Ανεμιστήρες (ελκυσμού, Θερμικές κατάθλιψης) κ.α. Απώλειες Εσχάρα Αναβράζουσα Ανακυκλοφορίας ρευστοποιημένη κλίνη Πνευματική μεταφορά 17 2.4 Verbrennungssysteme 18 Παρατηρήσεις στα συστήματα καύσης Το Μέγεθος των σωματιδίων και η θερμοκρασία είναι χαρακτηριστικά για το σύστημα καύσης. Διάφορες μέθοδοι προετοιμασίας είναι απαραίτητες (Μύλος, σπαστήρας κ.α.), ανάλογα με το σύστημα καύσης. 600MWel Weissweiler Καύση κονιοποιημένου καυσίμου 3D-καύση της σκόνης σε ροή αερίου (Παρόμοια με την καύση αερίου καυσίμου) Χρόνος παραμονής μικρός 2-5 δευτερόλεπτα, Κοκκομετρία d 50 = 50 μm, Θερμοκρασία μέχρι 1600 C Ρευστοποιημένη κλίνη Καύση σε μια ρευστοποιημένη κλίνη, χρόνος παραμονής μερικών λεπτών Κοκκομετρία 1 50 mm Επιλογή: Αναβράζουσα Ανακυκλοφορίας Η θερμοκρασία περιορίζεται στους 900 C (μέγιστη) λόγω τέφρας Καύση σε εσχάρα 2D-καύση σε εσχάρα, χρόνος παραμονής μεγάλος, θερμοκρασίες: 1000-1200 C Βασική τεχνολογία για βιομάζα και απορρίμματα Figure: Temperature contours Figure: O 2 contours 2.4 Verbrennungssysteme 19 20
Ξήρανση και κονιοποίηση στερεών καυσίμων Η ξήρανση, γίνεται συνήθως με θερμό αέρα, καυσαέριο ή ατμό Παραδοσιακή ξήρανση λιγνίτη Το «παραδοσιακό» σύστημα καύσης Άλεση και ανακυκλοφορία του καυσαερίου στο μύλο με πλάκες πρόσκρουσης 1000 C καυσαέριο ανακυκλοφορίας Λιγνίτης μετά τον σπαστήρα Λέβητας Ξηρός λιγνίτης + καυσαέριο + ατμός Καυσαέριο 21 22 630 MW Λέβητας εξαναγκασμένης ροής Κλειστός κύκλος κονιοποίησης Παραγόμενος ατμός 171 bar 530 C 528 kg/s (1900 t/h) Αναθέρμανση Ατμού 31 bar 530 C 449 kg/s (1615 t/h) Τροφοδοτικό νερό 235 C Καύσιμο Λιγνίτης Βόρειας Ρηνανίας-Βεστφαλίας B SILO m & + & Καυσαέριο Αέρας L1 mg1 L1 G 1 m & + & G G m G 1.......... 23 24
Παραδοσιακό σύστημα καύσης- Μειονεκτήματα Το «παραδοσιακό» σύστημα καύσης Ξήρανση του λιγνίτη πριν το μύλο Η απαιτούμενη θερμότητα για την ξήρανση προέρχεται από πολύ υψηλό θερμοκρασιακό επίπεδο (υψηλές εξεργειακές απώλειες). Ο υδρατμός που παράγεται από την ξήρανση, θερμοκρασίας 110-120 C εισάγεται στο θάλαμο καύσης Άλεση και ανακυκλοφορία του καυσαερίου στο μύλο με πλάκες πρόσκρουσης 1000 C καυσαέριο ανακυκλοφορίας Λιγνίτης μετά τον σπαστήρα Λέβητας Καυσαέριο Ξήρανση λιγνίτη με ατμό Ατμός απομάστευσης χαμηλής θερμοκρασίας από το στρόβιλο Ατμός προερχόμενος από την ξήρανση Λιγνίτης WTA dryer Λέβη τας Καυσαέ ριο Ξηρός λιγνίτης + καυσαέριο + υδρατμός Μύλος Συμπύκνωμα Ξηρός λιγνίτης (Υγρασία 12-15%) Πηγή: VGB 25 26 Πλεονεκτήματα Ξήρανση του λιγνίτη με ατμό Η ξήρανση πραγματοποιείται με ατμό χαμηλής σχετικά θερμοκρασίας με απομάστευση απότοστρόβιλο Χρήση του ατμού που προέρχεται από την ξήρανση του λιγνίτη για προθερμάνσεις νερού Ο πρωτότυπος αυτός τρόπος ξήρανσης είναι υπό κατασκευή. υνατότητα παροχής 110t/h ξηρού λιγνίτη. Ατμός απομάστευσης χαμηλής θερμοκρασίαςαπό το στρόβιλο Ατμός προερχόμενος από την ξήρανση Λιγνίτης WTA dryer Λέβη τας Καυσαέ ριο Μύλος Συμπύκνωμα Ξηρός λιγνίτης (Υγρασία 12-15%) Πηγή: VGB Αρχή ξήρανσης WTA Πηγή: VGB 27 28
Τύποι μύλων Μύλος με τροχό και πτερύγια πρόσκρουσης Κατάλληλος για Άνθρακα υψηλής υγρασίας Ινώδες και υγρούς λιγνίτες Αρχική άλεση του ασβεστόλιθου Μαλακά ορυκτά Μύλος με σφαιρίδια Κατάλληλος για Κάποιους φαιάνθρακες Λιθάνθρακες Ασβεστόλιθος Άλλα βιομηχανικά ορυκτά Χημικά Οργανικά υλικά (κυτταρίνη, ξύλο) Μύλος (tube ball) Κατάλληλος για Σκληρό άνθρακα Ανθρακίτη Σκληρά ορυκτά Πηγή: Alstom 29 30 Στροφεία μύλου 31 32
Συστήματα καύσης Διάταξη Καυστήρων και μύλων σε ένα λέβητα 600 MW Σύστημα καύσης λιθάνθρακα Σύστημα καύσης λιγνίτη 032 067p 33 34 Σχεδιασμός καυστήρων Δευτερεύων αέρας Άνω αέρας Κονιοποιημένο καύσιμο/ αέριο μείγμα Πρωτεύων αέρας Δευτερεύων αέρας Κονιοποιημένο καύσιμο/ αέριο μείγμα Αέρας ψύξης για τα διάφορα κεραμικά Μεσαίος αέρας Πρωτεύων αέρας Δευτερεύων αέρας Κάτω αέρας 35 36
Καυστήρες λιγνίτη Καυστήρες χαμηλών εκπομπών NOx για λιγνίτη Ζώνη αναφλεξης με τοπικές συνθήκες υπερστοιχειομετρίας Άνω Lεπιπλέον A HBEHA = αέρας EH 2 Άνω επιπλέον αέρας 2 L A HBEHA = EH =? A I Άνω L A HBEHA επιπλέον = EH αέρας 1-Ακροφύσια A I Ζώνη πυρόλυσης Άνω L επιπλέον A HBEHA = αέρας EH 1 Αναρρόφηση Κύριοι = E > καυστήρες K H A H Καυστήρες HA > K H E C > μετάκαυσης K H A H Κύριοι = E > καυστήρες K H A H Φλόγα 37 Χωρίς M EJD καυστήρες K JHA > K H E μετάκαυσης C > K H A HI ΜεM καυστήρες EJD HA > K H E μετάκαυσης C > K H A HI 38 Σύγχρονες Τεχνικές Μικτής Καύσης σε Θερμοηλεκτρικούς Σταθμούς Κόστος επένδυσης ηλεκτροπαραγωγής από βιομάζα Επιλογή τεχνικής μικτής καύσης 1. Από κοινού κονιοποίηση και τροφοδοσία του καύσιμου μίγματος 2. Ξεχωριστή άλεση του καυσίμου υποκατάστασης, εισαγωγή του στον αγωγό τροφοδοσίας βασικού καυσίμου, καύση στους υπάρχοντες καυστήρες 3. Ξεχωριστή άλεση του δευτερογενούς καυσίμου, άλεσησενέουςκαυστήρεςβιομάζας 4. Αεριοποίηση της βιομάζας, καύση του παραγόμενου αερίου σύνθεσης στους καυστήρες του λέβητα Σημείωση: Καθεμία από τις παραπάνω εναλλακτικές μικτής καύσης έχει τις δικές της (μοναδικές) λειτουργικές ανάγκες και ειδικές απαιτήσεις στην ποιότητα του καύσιμου. 39 Κόστος επένδυσης ( / kwh th ) Μόνο Βιομάζα Μικτή καύση με άνθρακα (Πηγή: καθ. Hein, Πανεπιστήμιο Στουτγάρδης, Συνέδριο NETBIOCOF, 2007) 40