Układy kogeneracyjne ORC z kotłem na biomasę
description
Transcript of Układy kogeneracyjne ORC z kotłem na biomasę
Układy kogeneracyjne ORC z kotłem na biomasę
ORC współpracujący z kotłem oleju termalnego
Energia elektrycznaGorąca woda 80/90oC
ORC
Obieg temperatury niskiej
Obieg temp. wysokiej
Kocioł Sugimat
Biomasa
Olej silikonowy
Olej termalny
Dwa niezależne obiegi
Kocioł olejowy na biomasę z układem ORC
Kocioł (wymiennik)
Silos
ElektrofiltrKomin
ORC
Komora spalania
Podajnik paliwa
Wentylator
System śluzy z dwoma klapami.
Ekonomizer
Regenerator Turbina Generator prądu
Skraplacz
Pompa obiegowa
Parownik
Co to jest ORC?
Do procesu ORC jest doprowadzany olej termalny, który podgrzewa w parowniku odpowiedni organiczny czynnik roboczy i zamienia go w parę (8→3→4). Para czynnika roboczego napędza turbinę (4→5), połączoną za pomocą sprzęgła elastycznego bezpośrednio z generatorem prądu. Para wylotowa z turbiny wpływa do regeneratora (5→9), podgrzewając kondensat czynnika roboczego (2→8). Następnie para ulega skropleniu w skraplaczu, który jest chłodzony powrotem gorącej wody (9→6→1). Na koniec kondensat jest podawany pompą obiegową (1→2) poprzez regenerator do parownika i tym samym cykl termodynamiczny w układzie zamkniętym zostaje zakończony.
Co to jest ORC?
Zalety:• wysoka sprawność procesu termodynamicznego,• wysoka sprawność turbiny,• niskie obciążenie mechaniczne i niskie obroty turbiny, brak przekładni redukcyjnej - cichobieżna praca,• w czasie rozprężania nie występuje ciecz (nie zachodzi erozja łopatek turbiny),• łatwe uruchamianie i zatrzymywanie urządzenia,• ciągła i w pełni automatyczna praca,• małe potrzeby osobowe: ok. 3 – 5 godz. w tygodniu,
Co to jest ORC?
100% energii z kotła Sugimat
ORC2%
straty
80% ciepło
18% elekt. brutto
• niskie koszty serwisu i utrzymania,
• wysoka niezawodność (ponad 50 000 h pracy, dyspozycyjność 98 %,)
• praca z obciążeniem częściowym do 35 % mocy kotła lub 10% mocy układu,
• wysoka sprawność również przy obciążeniu częściowym,• wysoka żywotność urządzenia.
Gabaryty przykładowego układu ORC?
Czynniki jakie należy rozważyć przy wyborze biomasy:
• popiół (elementy stałe nie spalone podczas spalania całkowitego, czym większy zawartość popiołu w paliwie tym niższa sprawność),
• wilgotność (czym mniejsza tym lepsze spalanie, problem CO),
• substancje lotne (kombinacje węgla, wodoru i innych
gazów, powyżej 65% substancji lotnych sprzyja spalaniu),• zawartość węgla,• wartość opałowa.
Paliwo – biomasa.
Koncepcja technologiczna całej instalacji.
Silos zasypowy biomasy (ruchome podłogi)
Popychacze
Siłowniki hydrauliczneSilos pracuje ciągnąc paliwo.
Podajnik biomasy
Przenośnik taśmowy z poprzeczkami (zabierakami)•System doprowadzenia paliwa do paleniska nie powinien być chłodzony
woda.•Rozmiar pojedynczych elementów paliwa do 500 mm długości.
Podajnik biomasy
System śluzy z dwoma klapami (otwierającymi się naprzemiennie)
•Reguluje podawanie paliwa.•Służy jako wydajny system chroniący przed płomieniem wstecznym.•Posiada bardzo dużą odporność•Umożliwia wprowadzanie większych elementów paliwa
Ruszt w kotłach biomasowych z olejem termalnym
Ruszt mechaniczny schodkowy Sugimat•Większa wytrzymałość dzięki zastosowanemu systemowi
przesuwnemu Carros (kule zamiast łożysk), które nie potrzebują konserwacji,
•Możliwa wilgotność maksymalna paliwa - 50% •Elementy rusztu wysokiej jakości z minimalną zawartością chromu
27% (wytrzymałość na wysoką temperaturę); stop Ni Mo (dające wytrzymałość na uderzenia i naprężenia mechaniczne),
•Pojedynczy element rusztu maks. 500 mm długości,•Kocioł(wymiennik) nie powinien być umieszczony bezpośrednio nad
rusztem, •Tylko ruszty skośne, płaskie – NIE•Ruszt chłodzony powietrzem (schłodzone wodą+odlewy niższej
jakości grozi utworzeniem się rozżarzonej masy wewnątrz paleniska przez co ruszt pozostaje bez chłodzenia co powoduje znaczne zużywanie się, niszczenie).
Zastosowanie: • kora,• biomasa leśna,• paliwa generujące popiół.
Ruszty firmy Sugimat został zainstalowany w ponad 350 kotłach obecnie pracujących o mocy od 1 MW do 50 MW.
Najważniejsze elementy do rozważenia przy doborze rusztu:• powierzchnia rusztu uzależniona od spalanego paliwa,• ruszt chłodzony powietrzem,• możliwe ruszty do spalania biomasy i węgla (zalecane oddzielnie),• jest możliwe spalanie rożnego rodzaju biomasy...
...ale należy rozważyć:• granulacje,• wartość opałowa,• zawartość popiołu w paliwie i jego punkt płynięcia.
Ruszt w kotłach biomasowych z olejem termalnym
Przez system mogą przejść w małych ilościach niektóre kawałki:•kamieni - o wielkości myszy komputerowej,•grudy błota o średnicy do 100 mm,•małe metalowe kawałki <sześcian o boku 35-40 mm.
W tych trzech przypadkach te elementy zostaną odprowadzone z systemem odpopielania.
Najważniejsze elementy do rozważenia przy doborze komory spalania:
• W całości zbudowana z cegły szamotowej, beton tylko w przewodach spalinowych lub komorze adiabatycznej,
• Grubość ściany min. 500mm,• W przypadku spalania biomasy
istnieje problem CO a nie NOx,• czym większa wilgotność paliwa
tym większy problem z CO i trzeba stosować komorę adiabatyczna,
• słoma - trudne paliwo......problemy:
• punkt płynięcia popiołu,• chlor,• nie można spalać w komorze z cegły.
Komora spalania.
Komora spalania i ruszt – PROBLEMY w innych rozwiązaniach
Nagromadzenie popiołu
Ruszt, komora spalania.
Komora adiabatyczna
• umieszczona jest bezpośrednio nad komorą spalania, • samooczyszcząca,• dzięki przepływowi spalin przez komorę adiabatyczną otrzymuje się
niską emisje CO w spalinach na wylocie z komina,• jest ona wykonana z materiałów ogniotrwałych oraz izolacyjnych,• zawiera kołnierz, który umożliwia zainstalowanie w przyszłości
dodatkowego palnika, jeśli zajdzie potrzeba dodatkowej redukcji emisji CO
• posiada sklepienie do wymuszenia obiegu spalin, co skutkuje dopaleniem cząstek CO oraz opadaniem bezpośrednio na ruszt i usunięciem ich razem z żużlem.
Komora adiabatyczna
Komora adiabatyczna (dopalająca) jest to pionowa komora cylindryczna umieszczona powyżej komory spalania. Jej zadaniem jest obniżenie poziomu emisji CO dzięki zasadzie 3T: temperatura, czas przebywania i turbulencje (min. 850°C, min. 2/3 sekundy).
Jest to prostokątny kanał, którego strop składa się z ogniotrwałego betonu, a podłoże i ściany wykonane są z cegieł.
Kanał łączący pokryty betonem.
Kocioł olejowy – wymiennik wysokotemperaturowy
Kocioł oleju termalnego.
Zabrania się montować kocioł oleju termalnego pionowo nad rusztem (chodzi oto aby niedopalony popiół nie wpadał od razu do kotła i go nie brudził, zapychał).
Kocioł jest markowany znakiem CE, zatwierdzony przez Notify Organism TÜV SÜDDEUTSCHLAND nº 0036.
Najważniejsze elementy do rozważenia przy doborze kotła:• powierzchnia grzewcza kotła (wymiennika),• grubość ścianki rury, • obowiązkowy system kontroli przepływu w każdej rurze wystawionej na
radiacje płomienia albo na temperaturę powyżej 900 ⁰C,• system czyszczenia sprężonym powietrzem bez zatrzymywania kotła.
Kocioł oleju termalnego.
Ekonomizer jest wymiennikiem niskotemperaturowym. Powinien pracować w przepływie krzyżowym (gaz pionowo a olej/rury poziomo) co jest najlepszym inżynierskim rozwiązaniem, gdyż wtedy otrzymujemy najlepszy odbiór ciepła i ekonomizer się nie zapycha, nie ma akumulacji pyłu. Ekonomizer Sugimat ma otwory do ręcznego czyszczenia sprężonym powietrzem. Jest to tańsze rozwiązanie od systemu automatycznego, niemniej jednak Sugimat montuje w ekonomizerze otwory do montażu systemu automatycznego.
Ekonomizer.
1. Multicyklon - składa się z trzech części: wlot i wylot spalin, separatora cząsteczek stałych oraz zbiornika pyłu. Separator cząstek stałych składa się z mikrocyklonów. Spaliny wprowadzane są przez górna strefę cylindryczną mikrocyklonów, cząsteczki wyseparowane zsypywane są przez dolną strefę stożkową. Spaliny wychodzą przez górne kanały wylotowe w kierunku głównego wyjścia kolektora. Wszystkie wyseparowane cząstki z części stożkowej będą składowane w jednym wspólnym zbiorniku. Gwarantowany poziom emisji to: 150 do 250 mg/m³.
2. W przypadku innych lokalnych przepisów wymagających niższej emisji, konieczne jest zainstalowanie filtra workowego lub elektrofiltru. Można zamontować filtr workowy jeżeli będzie się spalać tylko pelety. W przeciwnym razie Sugimat sugeruje elektrofiltr który jest droższym rozwiązaniem w nakładach inwestycyjnych ale tańszym biorąc pod uwagę eksploatacje. Filtr workowy trzeba wymieniać co 12.000/14.000 godzin, poza tym istnieje ryzyko eksplozji, jeżeli paliwo nie spala się do końca i dochodzą elementy do worka.
Układ oczyszczania i odprowadzania spalin.
Przykładowy układ Sugimat z kotłem olejowym na biomasę
Wygarniacz popiołu
Podstawowe zalety:• możliwość pracy z obciążeniem częściowym do 35% mocy nominalnej kotła przy
utracie tylko 3% sprawności,• elastyczność pracy,• automatyczna współpraca z ORC.
Ruszt
Komora spalania
Kom. adiabatyczna Kocioł (wymiennik)
Podajnik biomasy
Wygarniacz popiołu
Układ oczyszczania i odprowadzania spalin
Ekonomizer
Kanał łączący
Charakterystyka handlowa jednostek ORC
Moc elektryczna jednostek:Standardowe jednostki ORC produkowane są z zakresie 0,6 - 3 MWe. Większe, nawet do 15 MWe są produkowane i dostosowywane na specjalne zamówienie klienta.
Czas oczekiwania na zamówienie:Małe jednostki - czas dostawy 10-11 miesięcy plus 4 tygodnie montażu na miejscu. Duże jednostki - czas dostawy do 15 miesięcy plus 10-14 tygodni montażu na miejscu. Jednostki niestandardowe, na specjalne zamówienie – do ustalenia
Eksploatacja:Czas życia urządzeń 20-25 lat przy poprawnej eksploatacji. Po 10 latach zdarza się konieczność polerowania łopatek turbiny. Możliwość pracy ciągłej przez cały rok, ale też duża elastyczność w razie potrzeby.
Typoszereg standardowych jednostek ORC firmy Turboden
TD6CHP TD7CHP TD10CHP TD14CHP TD18CHP TD22CHP TD30CHP WEJŚCIE – OLEJ TERMALNY
Temperatura nominalna
(wejście/wyjście)°C 302/242 302/242 300/240 300/240 300/240 300/240 310/231
Moc cieplna kW 3340 3895 5140 6715 9790 12020 17571 WYJŚCIE – GORĄCA WODA
Temperatura gorącej wody (wejście /wyjście) °C 60/80 60/80 60/80 60/80 60/90 60/90 65/95
Moc cieplna oddawana gorącej wodzie kW 2664 3117 4081 5313 7834 9601 14499
OSIĄGIMoc elektryczna brutto kW 643 739 1016 1339 1863 2304 3143Sprawność elektryczna
brutto 19.3% 19.0% 19.8% 19.9% 19.0% 19.2% 17,9%Zużycie na potrzeby
własne kW 32 37 48 58 79 97 197Moc elektryczna netto kW 611 702 968 1281 1784 2207 2946Sprawność elektryczna
netto 18.3% 18.0% 18.8% 19.1% 18.2% 18.4% 16,8%
Generator prądu 50Hz, 400V 60Hz, 480V
50Hz, 400V 60Hz, 480V
50Hz,400V 60Hz,480V
50Hz,400V 60Hz,480V
50Hz, 660V 60Hz,4160V
50Hz, 660V 60Hz,4160V
50Hz, 6kV 60Hz,4160V
Konsumpcja biomasy* kg/h 1606 1873 2471 3228 4707 5779 8448* Przyjęta wartość opałowa biomasy – 2,6 kWh/kg i sprawność kotła – 0,80
Współpraca kotła biomasowego z układem ORC do sieci miejskiej
Technologia z zastosowaniem kotła na biomasę z turbogeneratorem pracującym w oparciu o proces ORC, wytwarzając energię elektryczną i cieplną, wpisuje się idealnie w zasadę działania zakładów ciepłowniczych.
Podstawowym założeniem jest praca instalacji w maksymalnym punkcie sprawności tj. z całkowitym wykorzystaniem ciepła do sieci miejskiej. Całkowita moc cieplna odebrana z układu ORC kierowana będzie do miejskiej sieci ciepłowniczej poprzez system wymienników. Z racji parametrów produkowanego ciepła (90/70 °C) proponowane włączenie zrealizowane byłoby na powrocie sieci ciepłowniczej. Dzięki takiemu rozwiązaniu zapewnione zostaną parametry pracy sieci w lecie, natomiast w okresie zimowym, kiedy temperatura zasilania sieci ciepłowniczej jest wyższa niż 90 °C uzyskamy podgrzanie wody powrotnej, która następnie skierowana zostanie na kotły gazowe w celu uzyskania wymaganych parametrów temperatury.
Zasady doboru jednostek ORC do sieci ciepłowniczej
Minimalna ekonomicznie moc elektryczna:Minimalna ekonomicznie moc elektryczna to 1 MW. Wynika to ze stosunku nakładów do mocy i wielkości produkcji.
Optymalny dobór mocy cieplnej do pracy całorocznej;Moc minimalnego odbioru w okresie letnim – do 50% mocy, granicznie do 35% mocy.
Optymalny dobór mocy cieplnej do pracy sezonowej Czas pracy jednostki z pełnym obciążeniem od 4 500 – 5 000 godzin.
Przykładowe dobory do rzeczywistych systemów ciepłowniczych .Przykład 1. Dobrano CHP 10 – dobór optymalny – moc letnia -50 % mocy.
Możliwy dobór alternatywny- CHP14 – 37% mocy letniej.Przykład 2. Dobrano CHP 30 – najlepszy ekonomicznie dobór – moc letnia
75-80%. Możliwy dobór alternatywny CHP 50 – moc letnia ok-40 % mocy.
Praca instalacji z zastosowaniem ORC TD 10 CHP
1 8 15 22 29 36 43 50 57 64 71 78 85 92 99 106
113
120
127
134
141
148
155
162
169
176
183
190
197
204
211
218
225
232
239
246
253
260
267
274
281
288
295
302
309
316
323
330
337
344
351
358
3650
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
22
Kocioł na biomasę z układem ORC Kotły gazowe
Moc t
erm
iczna
[MW
]
ZAŁOŻENIA Roczna ilość godzin pracy układu ORC h 8 000 Sprawność kotła na biomasę % 83 Kaloryczność biomasy kJ/kg 15 000 Kaloryczność gazu kJ/Nm3 34 400 Sprawność kotłów gazowych % 90
PRODUKCJARoczna produkcja ciepła z układu ORC GJ 93 742Roczna produkcja energii elektrycznej netto MWh 5 699Roczne zużycie biomasy t 9 177Roczna produkcja ciepła z gazu GJ 156 258Roczne zużycie gazu tys.
Nm3 5 047
Praca instalacji z zastosowaniem ORC TD 30 CHP
ZAŁOŻENIA Roczna ilość godzin pracy układu ORC h 8 000 Sprawność kotła na biomasę % 83 Kaloryczność biomasy kJ/kg 15 000 Kaloryczność gazu kJ/Nm3 34 400 Sprawność kotłów gazowych % 90
PRODUKCJARoczna produkcja ciepła z układu ORC GJ 368 687Roczna produkcja energii elektrycznej netto MWh 20 415Roczne zużycie biomasy t 35 516Roczna produkcja ciepła z gazu GJ 656 715Roczne zużycie gazu tys.
Nm3 21 212
1 8 15 22 29 36 43 50 57 64 71 78 85 92 99 106
113
120
127
134
141
148
155
162
169
176
183
190
197
204
211
218
225
232
239
246
253
260
267
274
281
288
295
302
309
316
323
330
337
344
351
358
3650
5101520253035404550556065707580859095
Kocioł na biomasę z układem ORC Kotły gazowe
Moc t
erm
iczna
[MW
]
Szacunkowe nakłady inwestycyjne na budowę instalacji z kotła na biomasę z układem ORC
Układ ORC
Moc elektryczna brutto Koszty budowy instalacji
kW €/kWel €
Turboden 22 CHP 2304 3523 8 116 500
Turboden 18 CHP 1863 3898 7 261 800
Turboden 14 CHP 1339 4426 5 926 500
Turboden 10 CHP 1016 5118 5 200 000
Turboden 7 CHP 739 6116 4 519 800
Turboden 6 CHP 643 6642 4 271 100
Tabela przedstawia szacunkowe całkowite nakłady oraz zależność , że im większa moc układu tym mniejszy jednostkowy nakład na 1 kW mocy elektrycznej zainstalowanej.
Przedstawiciel handlowy
Firmy Sugimat
CRB Energia Sp. z o.o.
ul. Narutowicza 18/6
33-100 Tarnów
Polska
Tel.: +48 14 623 24 20
Fax: +48 14 623 24 20
E-mail: [email protected]