TEHNO-EKONOMSKI I EKOLOŠKI ASPEKTI KORIŠĆENJA OSUŠENOG UGLJA KAO GORIVA NA TERMOELEKTRANAMA JP ELEKTROPRIVREDA SRBIJE

TEHNO-EKONOMSKI I EKOLOŠKI ASPEKTI KORIŠĆENJA OSUŠENOG UGLJA KAO GORIVA NA TERMOELEKTRANAMA JP ELEKTROPRIVREDA SRBIJE Apstrakt P. Škobalj, P. Stefanović, P. Radovanović, M.Stakić, D. Cvetinović, M. Erić, Z. Marković Laboratorija za termoteniku i energetiku, Institut za nuklearne nauke Vinča, Univerzitet u Beogradu, p.p. 522, 11001 Beograd, Srbija Ugalj, kao energetski izvor је obeležio ekonomski i politički razvoj Evrope u 19. i 20. veku. Na početku 21. veka energija iz čini 36% ukupno proizvedene energije u Evropi i pojedinačno је najznačajniji energetski izvor. Očigledno је dа Srbija spada meďu evropske države kod koji ugalj predstavlja prevladavajući energetski izvor sa učešćem od oko 66%. Kontinuirano snabdevanje elektrana rovnim ugljem, čiji kvalitativni parametri odgovaraju zatevima komitenta i istovremeno obezbeďuju efikasnu primenu, predstavlja osnovni zadatak u procesu planiranja i proizvodnje. Jedna od tenologija koje mogu doprineti rešavanju ovi problema je i sušenje sa velikim sadržajem vlage. Sušenjem se postiže veća toplotna moć, dok se upotrebom osušenog kao goriva smanjuje količina odloženog šljake i pepela, smanjuje se emisija zagaďivača (CO, CO2, SOx i drugi gasova), povećava se stepen korisnosti kotla i smanjuje se energija potrebna za pogon pomoćni ureďaja (ventilatori, mlinovi za ugalj, ureďaji za transport ), a takoďe smanjuje broj zastoja i vreme potrebno za teničko održavanje. Sve napred navedene prednosti korišćenja osušenog kao goriva na termoelektranama JP Elektroprivreda Srbije svrstavaju ovu tenologiju u red oni na koje se mora ozbiljno računati u budućnosti. U radu su prikazani teno-ekonomski i ekološki aspekti korišćenja osušenog kao goriva i jasno verifikovane dobiti na strani termoelektrana pri njegovoj upotrebi. ključne reči: energija, ugalj, sušenje, stepen korisnosti, životna sredina Uvod Energija ima sve veći značaj, jer potrebe energije stalno rastu, kako zbog povećanja broja stanovnika, tako i zbog povećanja nivoa i standarda života u svim zemljama sveta. Zbog toga su i nastale promene na svetskom tržištu energije 1973. godine bile logične i doprinele da se celo čovečanstvo počne sa dužnom pažnjom odnositi ka energiji. To je omogućilo da se intenziviraju napori istraživanja postojeći i novi izvora energije, da se unapreďuju tenologije korišćenja konvencionalni izvora energije i da se energija štedi i racionalno koristi. Ugalj predtsavlja

pojedinačno najznačajniji energetski izvor u Evropi. Proizvodnja u pojedinim evropskim državama u 2002. god. i procentualno učešće u proizvodnji električne struje dato je u tabeli 1. Tabela 1 Proizvodnja u Evropi u 2002. godini Država Kameni ugalj, miliona tona Lignit, miliona tona Ukupno, miliona tona Učešće u proizvodnji struje u 2001. [%] Austrija - 1,4 1,4 10,9 Bosna i Hercegovina 7,9 7,9 Bugarska 3,3 23,1 26,4 46,2 Češka 14,5 48,9 63,4 71,6 Francuska 1,5 0,1 1,6 5,4 Grčka - 70,8 70,8 66,0 MaĎarska 0,6 13,4 14,0 24,7 Makedonija - 8,6 8,6 Nemačka 29,2 181,8 211 50,4 Poljska 102,1 58,2 160,3 90,1 Rumunija 3,0 27,4 30,4 36,5 Slovačka - 3,4 3,4 18,7 Slovenija 4,7 4,7 33,8 Srbija - 32,0 32,0 66,1 Španija 13,8 8,6 22,4 29,6 Turska 2,2 59,0 61,2 31,4 Velika Britanija 30,0-30,0 34,1 Ukupno 200,2 549,3 749,5 Na osnovu podataka iz tabele 1 može se videti da je ugalj osnovna energetska sirovina na prostoru Srbije i da je njegovoj eksploataciji i tretiranju neopodno posvetiti veliku pažnju. Lignit koji predstavlja najveći deo zalia u Srbiji sadrži veliki procenat vlage u svom sastavu koja se može odstraniti upotrebom tenologije sušenja.

Tenološki procesi uklanjanja iz vlage Do sada su poznati sledeći postupci za smanjenje sadržaja vlage u uglju: 1. Sušenje pregrejanom vodenom parom u fluidizovanom sloju 2. Sušenje integrisano sa gasifikacijom 3. Zgušnjavanje (postupak sitnjenja sveže iskopanog ) 4. Meano-termičko istiskivanje vlage (grubo usitnjen zagrejan do temperature 150 200 C se podvrgava dejstvu meaničkog pritiska od oko 60 bar, čime se voda istitskuje iz ) 5. Hidro-termičko odstranjivanje vlage (sirovi ugalj se zagreva na temperatuir 250 300 C na dovoljnom pritisku da bi se izbeglo ključanje vode i time nastaju fizičko emijske promene strukture, pri čemu se vlaga oslobaďa u tečnom staju i odvaja nakon laďenja i sniženja pritiska) Uređaji za uklanjanje vlage iz UreĎaji za uklanjanje vlage iz mogu se podeliti u zavisnosti od načina na koji se postupak odvija: 1. Procesi sušenja u kontaktnim sušarama koje mogu biti: - cevaste dobošaste sušare - sušare sa fluidizovanim slojem (DWT, WTA, DDWT proces sušenja) Cevaste dobošaste sušare se sastoje od blago nagnutog doboša u koji je smešten snop cevi koji omogućava razmenu toplote. Ugalj se kontinualno ubacuje u cevi koje opstrujava vodena para niskog pritiska. Vlagu odstranjenu iz preuzima vazdu, koji kroz cevi struji u istom smeru kao i ugalj. Nakon izlaska iz sušare zasićeni vazdu se prečišćava na elektrofilteru i izbacuje u atmsferu. Na slici 1 je prikazana tenološka cevaste dobošaste sušare.

Slika 1. Cevasta dobošasta sušara Sušare sa fluidizovanim slojem (DWT, WTA, DDWT) omogućavaju intenzivan kontakt gasa potrebnog za postizanje stanja fluidizacije (zagrejan vazdu, dimni gasovi ili vodena para) sa česticama materijala koji se suši. Gas koji se koristi za fluidizaciju ujedno predstavlja i agens sušenja. Energija se može dovoditi u fluidizovani sloj i grejačima uronjenim u sloj. U slučaju da se za postizanje stanja fluidizacije koristi vodena para, protok pare se dodatno uvećava nakon prolaska kroz sloj za paru isparenu iz. Na slici 2 je prikazana tenološka šema sušare sa fluidizovanim slojem. Slika 2. Sušara sa fluidizovanim slojem DWT (Dampf Wirbelscict Trockung Sušenje vodenom parom u fluidizovanom sloju) predstavlja proces u kome se koristi blago pregrejana para za proces fluidizacije, a za zagrevanje sloja koristi se razmenjivač toplote uronjen u sloj kroz koji struji zasićena komprimovana vodena para izuzeta sa turbine. Na slici 3 prikazana je tenološka šema DWT procesa.

Slika 3. Tenološka šema DWT procesa WTA (Wirbelscict Trockung mit Interner Abwarmenutyung Sušenje u fluidizovanom sloju sa internom rekuperacijom toplote) predstavlja poboljšanje pretodno opisanog procesa. Ugalj pre ulaska u sušaru se predgreva na temperaturu 65 70 C korišćenjem toplote vode kondenzovane u razmenjivaču toplote uronjenom u fluidizovani sloj. U sušari se ugalj dovodi u stanje fluidizacije na 100 C uz pomoć blago pregrejane vodene pare. Najveći deo toplote za isparavanje vlage iz se dobija iz vodene pare koja napušta sušaru i nakon ostvarene fluidizacije. Nakon što se ova para prečisti, manji deo pare prečišćen u ciklonu se vraća u sušaru i koristi za postizanje fluidizacije, a veći deo prečišćen u elektrofilteru se sabija u kompresoru i uvodi u razmenjivač toplote. Na slici 4 je prikazana tenološka šema sušare u fluidizovanom sloju sa WTA procesom. Slika 4. Tenološka šema sušare u fluidizovanom sloju sa WTA procesom

DDTW (Druckaufgeladene Dampf-Wirbelscict-Trockung Sušenje vodenom parom u fluidizovanom sloju pod nadpritiskom) predstavlja najnoviju tenologiju sušenja u fluidizovanom sloju, pri čemu je osnovna razlika u odnosu na pretodne tenologije (DWT, WTA) upotreba fluidizovanog sloja pod nadpritiskom (4 6 bar) čime se povećava radna temperatura u sušari do 180 C i time ubrzava proces sušenja. u konvektivnim sušarama koje mogu biti mlinovi prostrujavani dimnim gasovima, sušare sa fluidizovanim slojem (NIRO sušare) NIRO sušare su razvijene 80 ti godina prošlog veka u Danskoj za sušenje pulpe šećerne repe. Od tada se ova sušara koristi za potrebe sušenja različiti materijala, izmeďu ostalog i. Osnovna karakteristika ove sušare je što se za proces sušenja u fluidizovanom sloju pod pritiskom (3,5 4,5 bar) i temperaturi 150 200 C koristi vodena para dobijena isparavanjem vlage iz materijala koji se suši. 2. Procesi odstranjivanja: Centrifugiranje MTE proces Centrifugiranje (filtracija u polju centrifugalne sile) se koristi za odstranjivanje vlage iz, pri čemu se najviše primenjuju vibracione centrifuge (za grubu granulaciju > 1 mm) i "Scroll" centrifuge (za finu granulaciju 0,1 1 mm). Na slici 5 je dat prikaz "Scroll" i vibracione centrifuge. "Scroll" centrifuge imaju kapacitet 60 70 t/ sa sadržajem vlage 12 16 % u osušenom uglju dok je sadržaj vlage kod vibracioni centrifuga 5 10 % sa kapacitetom do 100 t/. Slika 5. "Scroll" i vibraciona centrifuga

MTE (Mecanisce Termisce Entwasserung Meano termičko odstranjivanje vlage) je proces koji je zasnovan na činjenici da je manji deo vlage u uglju vezan snažnim meanizmima (energijom) veze. Na slici 6 je prikazana tenološka šema MTE procesa. Ovim postupkom su sušeni ugljevi sa 55 % vlage na 25 % na temperaturi od 220 ºC.Postupak je prikazan na slici. Ugalj se smešta u komoru i predgreva rasprskavanjem tople vode dobijene sušenjem pretodne šarže. Topla voda se dodatno utiskuje kroz sloj pomoću zasićene vodene pare koja se uvodi u komoru. Topla voda predaje uglju svoju osetnu toplotu i napušta komoru (kao i sam proces) na temperaturi od oko 30 ºC. Nakon toga se kondenzovanjem vodene pare, koja se dovodi u komoru, ugalj zagreva na 180 220 ºC. Potom se u komoru ponovo uvodi topla voda pritiska do 60 bar, kojom se vlaga doslovno istiskuje iz. Ispresovani ugalj se prazni iz komore, rastresa/drobi i ladi. Slika 6. Tenološka šema MTE procesa Elementarna analiza Tokom termotenički ispitivanja na bloku TENT A6 snage 308 MWe koja su izvršena u aprilu mesecu ove godine od strane Laboratorije za termoteniku i energetiku, INN Vinča uraďena je elementarna analiza koji se koristio u postrojenju. Na osnovu te analize uraďen je proračun za elementarni sastav i donju toplotnu moć koji bi imao 15 % vlage. U sledećoj tabeli prikazane su uporedne vrednosti elementarnog sastava dostavnog i izračunatog elementarnog sastava osušenog.

Tabela 2. Elementarna analiza dostavnog i osušenog Elementarna analiza Ugalj sa Osušeni dostavnom ugalj vlagom Ugljenik C 21,97 36,96 Vodonik H2 2,03 3,42 Sumpor S 0,14 0,24 Pepeo A % 16,35 27,48 Vlaga W 49,46 15 Kiseonik O2 9,18 15,44 Azot N2 0,87 1,46 Donja toplotna kj/ 7350 14 300 moć Hd Usled sušenja dolazi do promena u elementarnom sastavu goriva. Smanjenjem vlage u dostavnom uglju sa 49,46 % na 15 % u osušenom uglju dolazi do procentualnog povećanja sagorljivi i balastni materija.unutar sagorljivi materija dolazi do povećanja ugljenika sa 21,97 % na 36,96 %, kao i vodonika sa 2,03 % na 3,42 % i time se najviše utiče na povećanje donje toplotne moći goriva sa 7350 kj/ na 14300 kj/. Količina potrebna za postizanje maksimalne snage na bloku TENT A6 U tabeli 3 su prikazani donja toplotna moć i potrošnja na bloku TENT A6 Tabela 3. Donja toplotna moć i potrošnja Blok TENT A6 snage 308 MWe Toplotna moć i potrošnja Jedinica mere Dostavni ugalj Osušeni ugalj Hd [kj/] 7350 14300 B [t/] 429 221 Ukoliko se koristi ugalj sa dostavnom vlagom da bi se postigla maksimalna snaga bloka TENT A6 od 308 MWe potrebna je količina od 429 t/, a u slučaju osušenog potrebno je 221 t/ usled povećanja toplotne moći.

Steiometrijski potrebna količina vazdua za sagorevanje goriva i količina vlažni dimni gasova U sledećoj tabeli prikazane su steiometrijski potrebne količine vazdua za sagorevanje dostavnog i osušenog i količina vlažni dimni gasova. Tabela 4. Steiometrijski potrebna količina vazdua za sagorevanje i količina vlažni dimni gasova Vazdu za sagorevanje Jedinica mere Dostavni ugalj Osušeni ugalj Gvaz vaz 2,82 4,75 Vvaz Nm 3 vaz 2,2 3,7 Gvazu vaz 1 209 780 1 049 750 Vvazu Gdg 3 Nm vaz dg 943 800 817 700 4,57 6,97 Vdg Nm 3 dg 3,68 5,35 Gdgu dg 1 954 902 1 782 970 gde su: Vdgu B 3 Nm dg t 1 584 362 1 369 221 429 221 Gvaz steiometrijski potrebna masena količina vazdua za sagorevanje po jedinici goriva Vvaz steiometrijski potrebna zapreminska količina vazdua za sagorevanje po jedinici goriva Gvazu ukupna steiometrijski potrebna masena količina vazdua potrebna za sagorevanje Vvazu ukupna steiometrijski potrebna zapreminska količina vazdua potrebna za sagorevanje

Gdg masena količina dimnog gasa po jedinici goriva na izlazu iz postrojenja Vdg zapreminska količina dimnog gasa po jedinici goriva na izlazu iz postrojenja Gdgu ukupna masena količina dimnog gasa na izlazu iz postrojenja Vdgu ukupna zapreminska količina dimnog gasa na izlazu iz postrojenja B - količina koja se sagoreva u kotlu Steiometrijski potrebna količina vazdua za sagorevanje osušenog po jedinici goriva iznosi 4,75 vaz i veća je nego kada se u procesu koristi dostavni ugalj gde potrebna količina vazdua iznosi 2,82 vaz. Povećanje steiometrijski potrebne količine vazdua za sagorevanje osušenog javlja se usled procentualnog povećanja ugljenika, vodonika i sumpora u elementarnom sastavu osušenog. Ukupna steiometrijski potrebna količine vazdua za sagorevanje osušenog manja je za 20% od količine vazdua potrebne za sagorevanje dostavnog usled smanjenja količine goriva koja se ubacuje u proces sagorevanja. Opšte o izračunavanju stepena korisnosti kotla analizom gubitaka Stepen korisnosti kotla izražen preko metode analize gubitaka glasi: k 100 i 8 i1 u i % gde je: u1 gubitak usled propadanja goriva kroz rešetku u2 gubitak usled nesagorelog goriva u šljaci i pepelu u3 gubitak usled letećeg koksa u4 gubitak usled emijske nepotpunosti sagorevanja u5 gubitak usled čaďi u6 gubitak usled fizičke toplote šljake u7 gubitak u izlaznim gasovima u8 gubitak usled spoljnjeg laďenja U tabeli 5 je prikazano postojanje gubitaka u zavisnosti od vrste goriva.

Tabela 5. Gubici u zavisnosti od vrste goriva Gubitak Čvrsto gorivo Gasovito let Tečno gorivo sloj gorivo suvi režim tečni režim u1 postoji ne postoji ne postoji ne postoji ne postoji u2 postoji postoji neznatan ne postoji ne postoji u3 postoji postoji postoji neznatan ne postoji u4 postoji postoji postoji postoji postoji u5 neznatan neznatan neznatan neznatan neznatan u6 neznatan neznatan postoji ne postoji ne postoji u7 postoji postoji postoji postoji postoji u8 postoji postoji postoji postoji postoji U tabeli 6 prikazani su uporedne vrednosti gubitaka tokom sagorevanja u kotlu, kao i stepen korisnosti kotla sa dostavnim ugljem i ugljem sa smanjenim sadržajem vlage. Tabela 6. Gubici i stepen korisnosti kotla Gubici Ugalj sa dostavnom Osušeni vlagom ugalj u1 - - u2 0,75 0,3 u3 2,75 2,3 u4 - - u5 - - u6 % 0,1 0,1 u7 12,3 9,6 u8 0,5 0,5 Stepen korisnosti 83,6 87,2 kotla ηk

Gubitak u1 nastaje usled propadanja sitniji čestica goriva kroz rešetku. On se primenjuje samo kod ložišta sa sagorevanjem u sloju, a kod ložišta sa sagorevanjem u letu ne postoji. Usled emijske nepotpunosti sagorevanja gubitak u4 najčešće se svodi na pojavu CO, koji kao produkt nepotpunog sagorevanja izlazi iz kotla. Prilikom proračuna kotla gubitak u4 se odreďuje slobodnom procenom, a pri ispitivanju kotla analizom gasova, kojom se ustanovljava prisustvo svi produkata nepotpunog sagorevanja. Iz tabele se vidi da se gubitak u4 zanemaruje i da se smatra da je sagorevanje potpuno. Gubitak u5 nastaje zato što se na ladne grejne površine taloži u vidu čaďi ugljenik iz emijski jedinjenja koja se javljaju u produktima sagorevanja. S obzirom da se smatra da je sagorevanje potpuno zanemaruje se i gubitak u5. Količina toplote izgubljene usled nesagorelog goriva koje odlazi iz ložišta sa pepelom i šljakom predstavlja gubitak u2. Elementarni sastav osušenog pokazuje značajno povećanje pepela u odnosu na elementarni sastav dostavnog, meďutim kod sagorevanja dostavnog gubitak u2 iznosi 0,75 %, a kod sagorevanja osušenog 0,3% zbog povećanja donje toplotne moći osušenog. Gubitak usled letećeg koksa u3 nastaje usled nesagorevanja sagorljive čvrste materije u letećim delovima. Ovo je posledica nedovoljnog zadržavanja leteći čestica u ložišnom prostoru. Gubitak u3 je značajan kod oni sistema sagorevanja kod koji je stepen vezivanja ložišta mali, a posebno pri sagorevanju u vidu ugljenog praa suvi režim. Sagorevanjem dostavnog gubitak u3 iznosi 2,75 %, a osušenog 2,3%. Gubitak u6 predstavlja gubitak koji nastaje pri odvoďenju šljake iz ložišta. Kod sistema loženja gde se šljaka odvodi u čvrstom stanju, u pitanju su niže temperature šljake na izlazu iz ložišta, te i manji toplotni sadržaj, tako da ovaj gubitak neznatno utiče na stepen korisnosti kotla. Gubitak u7 je po veličini najznačajniji kotlovski gubitak. To je gubitak nastao usled fizičke toplote izlazni gasova. Kada se u kotlu sagoreva osušeni ugalj gubitak u7 iznosi 9,6 % što predstavlja značajno smanjenje u odnosu na gubitak koji se stvara pri sagorevanju dostavnog koji iznosi 12,3 %. Smanjenje gubitka u7 sagorevanjem osušenog je posledica smanjenja ukupne količine dimni gasova koji napuštaju kotao, kao i povećanja donje toplotne moći osušenog.

Emisija CO2 U Tabeli 7 prikazane su emisije CO2 usled sagorevanja dostavnog i osušenog. Tabela 7. Emisija CO2 CO2 u produktima sagorevanja Jedinica mere Dostavni ugalj Osušeni ugalj GCO2 CO 2 0,81 1,355 VCO2 3 Nm CO2 0,41 0,69 GCO2U CO2 345 700 299 500 VCO2U 3 Nm CO2 175 975 152 490 B t 429 221 GCO2 emisija masene količine CO2 po jedinice mase goriva VCO2 emisija zapreminske količine CO2 po jedinice mase goriva GCO2U ukupna emisija masene količine CO2 VCO2U ukupna emisija zapreminske količine CO2 B - količina koja se sagoreva u kotlu Količina CO2 u produktima sagorevanja povećava se usled smanjenja vlage u uglju sa 0,81 CO 2 na 1,355 CO 2 zbog procentualnog povećanja ugljenika u elementarnom sastavu. Manja potrošnja usled smanjenja sadržaja vlage uzrokuje smanjenje ukupne količine CO2 za oko 15%. Na bloku TENT A6 snage 308 MWe usled tco sagorevanja dostavnog emisija CO2 iznosi 1,12 2 tco, a pri sagorevanju osušenog 0,97 2. MW MW

Zaključak Primenom tenologije sušenja sa velikim sadržajem vlage kao što je lignit koji se sagoreva na termoelektranama JP Elektroprivreda Srbije ostvaruje se efekat 3E (energija, ekonomija i ekologija). Donja toplotna moć osušenog povećava se značajno u odnosu na toplotnu moć dostavnog što utiče na smanjenu potrošnju potrebnog za sagorevanje. Količina dimni gasova koji izlaze iz kotla smanjuje se usled smanjene potrošnje. Povećanje donje toplotne moći i smanjenje količine dimni gasova utiče na povećanje stepena korisnosti kotla. Ova tenologija omogućava olakšano održavanje postrojenja (manja brzina transportera za ugalj, manji broj mlinova u radu, produžen vek grejača vazdua). Usled manje potrošnje smanjuje se i emisija CO2 za oko 15 % što značajno utiče na zaštitu životne sredine. Literatura [1] V. Đurić: "Parni kotlovi", GraĎevinska knjiga, Beograd, 1969 [2] M. Stakić: "Analiza uslova i mogućnosti primene sušenja u cilju povećanja energetske efikasnosti i zaštite životne sredine u termoelektranama JP EPS-a", INN Vinča, Beograd, 2010 [3] G. Jankes, M. Stanojević: "Industrijske peći i kotlovi priručnik za vežbanje sa rešenim zadacima", Mašinski fakultet Univerziteta u Beogradu, Beograd, 2001 [4] M. Radovanović: "Goriva", Mašinski fakultet Univerziteta u Beogradu, Beograd, 1994 [5] N. Đajić: "Energija za održivi razvoj"; Rudarsko geološki fakultet Univerziteta u Beogradu, Beograd, 2002 [6] Đ. Kozić, B. Vasiljević, V. Bekavac: "Priručnik za termodinamiku", Mašinski fakultet Univerziteta u Beogradu, Beograd, 2008