zlepšení účinnosti ve stávajících uhelných elektrárnách kdekoli na světě je cestou bez lítosti: účinnější elektrárna spotřebovává méně uhlí, má nižší emise a zažívá nižší variabilní náklady. Stanice Coal Creek společnosti Great River Energy prokázala, že recyklací odpadního tepla s nízkým stupněm sucha může snížit emise, včetně CO2, a zlepšit výkon zařízení při spalování mokrého uhlí.
zlepšení účinnosti ve stávajících elektrárnách je účinným a ekonomickým způsobem snižování emisí oxidu uhličitého (CO2). Pro typickou práškovou uhelnou elektrárnu má 1% zvýšení čisté jednotkové účinnosti za následek 2,7% snížení emisí CO2 při konstantním výkonu. Aby bylo možné toto zvýšení efektivity uvést do perspektivy, USA. Agentura pro ochranu životního prostředí v jedné ze svých možností pro splnění celostátních cílů snižování emisí skleníkových plynů v navrhovaném plánu čisté energie se zaměřuje na průměrné 6% zlepšení čisté jednotkové rychlosti tepla uhelných výrobních jednotek, což je přibližně 2,7% zlepšení čisté jednotkové účinnosti u uhelné flotily s průměrnou rychlostí tepla 10 000 Btu / kWh. To je impozantní cíl pro uhelnou energetiku.
mnoho možností zlepšení tepelného výkonu
Energetika má možnosti. Souhrn potenciálních možností zlepšení tepelného výkonu a snížení emisí je shrnut v tabulce 1. Stupeň možného zlepšení rychlosti tepla však do značné míry závisí na typu spáleného uhlí. Nejžádanější možností zlepšení tepelných sazeb pro elektrárny spalující uhlí s vysokou vlhkostí je prosazování technologií sušení uhlí pomocí regenerovaného nízkokvalitního tepla ze spalin. (Další informace o technologiích rekuperace tepla v elektrárnách viz „Power 101: rekuperace tepla v elektrárnách“, části I, II a III, v energetickém archivu.)
Tabulka 1. Mnoho možností zlepšení tepelné rychlosti. Obecně lze jednotku tepla zlepšit zlepšením účinnosti spalování kotle a účinnosti cyklu turbíny a snížením spotřeby pomocné energie. Všimněte si, že zlepšení rychlosti tepla obecně není aditivní a závisí na mnoha faktorech specifických pro danou lokalitu. Zdroj: zvýšení účinnosti a snížení emisí stávajících práškových uhelných jednotek, číslo projektu ICCI 07-1 / 5.1 A-1
uhlí s nízkou hodností a vysokou vlhkostí tvoří asi 50% amerických a světových zásob uhlí. Vzhledem k množství těchto levných uhlí je použití uhlí s vysokou vlhkostí pro výrobu energie běžné a rostoucí. Jen v USA spaluje 279 elektráren uhlí s vysokou vlhkostí, jako je hnědé uhlí a práškové subbituminové uhlí v povodí řeky. Tyto elektrárny produkují podle ministerstva energetiky téměř třetinu výroby elektřiny z uhlí v USA.
při spalování uhlí s vysokou vlhkostí v kotlích se asi 7% tepelného příkonu paliva používá k odpařování a přehřívání vlhkosti paliva, která opouští spaliny, přičemž většina této ztráty je spojena s latentním teplem odpařování. Kromě toho uhlí s vysokou vlhkostí a nízkou hodnotou ohřevu má za následek vyšší průtoky paliva a spalin, vyšší spotřebu pomocné energie, vyšší čistou jednotkovou rychlost tepla a vyšší údržbu mlýna, uhelného potrubí a hořáku ve srovnání s asfaltovými uhlíky. Naopak snížení obsahu vlhkosti uhlí tepelným sušením zlepšuje účinnost kotle a jednotky, provoz zařízení a ekonomiku-to vše při současném snížení emisí CO2. Nicméně, mnoho z dosud vyvinutých tepelných procesů sušení uhlí je buď mechanicky složité, nebo vyžaduje nákladnou primární energii nebo páru k odstranění vlhkosti z uhlí. To výrazně zvyšuje náklady na zpracování paliva, což je hlavní překážkou pro přijetí v průmyslu.
Coal Creek vybírá technologii FBD
nový nízkoteplotní proces sušení a čištění uhlí využívající sušičku fluidního lože s pohyblivým ložem (FBD)a využívající odpadní teplo ke snížení obsahu vlhkosti uhlí s nízkým hodnocením byl nedávno vyvinut a komercializován společností Great River Energy na své stanici Coal Creek. Tato technologie je komerčně dostupná jako proces vylepšení suchého paliva (DryFining Fuel Enhancement Process).
pro stávající jednotky, v závislosti na specifikách lokality, je DryFining schopen snížit celkovou vlhkost uhlí o 10 až 15 procentních bodů. Maximální zlepšení uvedené v tabulce 2 představuje sušení uhlí mimo lokalitu a dodávání suchého uhlí na lokalitu. Minimum odpovídá základním suchým možnostem tepelné integrace. Tato analýza je konzervativní, protože nezohledňuje snížení návrhu systému a tím i snížení výkonu ventilátoru.
Tabulka 2. Tepelné sušení uhlí s vysokou vlhkostí. Zlepšení rychlosti tepla závisí na počátečním obsahu vlhkosti uhlí, přičemž vyšší počáteční vlhkost vede k vyššímu zlepšení výkonu, stejně jako další faktory specifické pro danou lokalitu. Limit konvekčního průchodu kotle může také omezit potenciální zlepšení rychlosti tepla u stávajících jednotek. Zdroj: Great River Energy
tepelná integrace DryFining je vysoce site-specific a závisí na dostupných zdrojích tepla, prostorových omezeních a obecném uspořádání elektrárny. Výhody sušení uhlí, jako je zlepšení rychlosti tepla, se zvyšují se zvyšováním vlhkosti uhlí. Dosažitelné snížení obsahu vlhkosti uhlí může být omezeno tepelným výkonem konvekčního průchodu kotle, množstvím dostupného tepla nebo rovnovážným obsahem vlhkosti uhlí.
pro stávající kotel existuje praktický limit na množství snížení tepelné rychlosti možné odstraněním vlhkosti z paliva. Jak se snižuje obsah vlhkosti uhlí, zvyšuje se topná hodnota uhlí, což snižuje množství suchého uhlí přiváděného do kotle. To zase produkuje méně spalin s nižší tepelnou kapacitou, a proto jsou sníženy proudy rozprašování desuperheating. Vzhledem k tomu, že ventily pro přehřívání se uzavírají a hořáky dosahují maximálního náklonu, nelze již udržovat nastavené hodnoty teploty páry a teploty páry začínají klesat. Tento provozní stav, označovaný jako limit konvekčního průchodu, určuje maximální možnou redukci vlhkosti uhlí. Limit konvekčního průchodu závisí na konstrukci kotle, u superkritických kotlů schopných zvládnout výrazně vyšší snížení vlhkosti uhlí (až 20 procentních bodů) ve srovnání s subkritickými jednotkami, které obvykle zvládají snížení vlhkosti uhlí asi o 10 procentních bodů, bez úprav konvekčního průchodu. Nové kotle navržené s integrovaným Suchýmvyplňování nepodléhají limitu konvekčního průchodu.
proces vylepšení suchého paliva
design FBD společnosti Great River Energy plní dvě důležité funkce: Čistí uhlí odstraněním významné části síry a rtuti ze surového uhlí v prvním stupni FBD a vysychá uhlí ve druhém stupni. Funkce čištění odlišuje tuto technologii sušení uhlí a poskytuje velmi důležitý cobenefit snižování emisí.
pro proces sušení bylo vybráno pohyblivé lůžko FBD kvůli jeho vysokým koeficientům přenosu tepla a hmoty, které vytvářejí kompaktní konstrukci sušičky. Vzduch se používá jako fluidizační médium místo běžně používané páry. Potenciální devolatizaci uhlí během procesu sušení se zabrání sušením odpadním teplem nízkého stupně rostlin (Obrázek 1).
1. Dvoustupňová sušička uhlí. Toto schéma sušičky fluidního lože s pohyblivým ložem ukazuje, jak se surové uhlí čistí od síry a rtuti v prvním stupni a uhlí se suší ve druhém stupni. Horký fluidizační vzduch je dodáván z odpadního tepla nízkého stupně rostlin. Zdroj: Velká říční energie
drcené uhlí se přivádí do prvního stupně sušičky s fluidním ložem, kde se na dně sušičky odděluje netekuzovatelný materiál, jako jsou horniny a jiné frakce s vyšší hustotou, zatímco méně husté a menší částice mají tendenci plavat. Proto má oddělený proud vypouštěný ze sušičky vyšší obsah minerálních látek (včetně pyritu) ve srovnání se sušeným uhlím(proud produktu). Protože většina neorganicky přidružené síry je obsažena v pyritových formách, v případě lignitu Severní Dakoty (ND) je asi 30% síry a rtuti (Hg) z uhlí odděleno v prvním stupni FBD.
fluidizovatelný materiál dále vstupuje do druhého stupně sušičky, kde se povrch a část vlastní vlhkosti uhlí odpaří teplem přiváděným fluidizačním vzduchem a výměníkem tepla v loži. Výměník tepla v loži zvyšuje teplotu fluidizačního (sušícího) vzduchu a fluidního uhelného lože, což zlepšuje kinetiku sušení. Proces sušení ovlivňuje mikrostrukturu částic uhlí, které se během sušení rozpadají. Sušší a jemnější uhlí je vypouštěno z FBD jako proud produktu. Doba zdržení a teplota lůžka jsou hlavními parametry ovlivňujícími obsah zbytkové vlhkosti.
čtyři roky provozních zkušeností
byly provedeny tři série kontrolovaných zkoušek na jednotce 1 Coal Creek při plném zatížení (600 MW, hrubá hodnota), v ustáleném stavu před a po provedení DryFining za účelem kvantifikace zlepšení výkonu jednotky a emisí. Systém sušení a čištění uhlí je dimenzován na 1100 tun / h surového hnědého uhlí s obsahem vlhkosti v rozmezí 38% až 40%. DryFining je v nepřetržitém komerčním provozu na stanici Coal Creek od prosince 2009.
zkoušky s mokrým (surovým) uhlím byly provedeny v září 2009, aby se stanovila základní jednotková výkonnost a emise. Testy se suchým plněním v provozu byly provedeny v březnu až dubnu 2010 a říjnu 2011. Tyto výsledky testů jsou shrnuty níže. Kompletní zkušební protokol lze nalézt na „lignit Fuel Enhancement Final Technical Report,“ Doe Award Number: DE-FC26-04NT41763, vydáno v červnu 2010.
Provozní Podmínky. Vzduchový předehřívač (APH) únik vzduchu se snížil kvůli nižším průvanům se sušeným uhlím. Také se sušeným uhlím se teplota spalin na výstupu APH snížila, což mělo za následek nižší objemový průtok spalin vstupujících do systému odsíření spalin (FGD), což umožnilo čištění větší části spalin (Coal Creek využívá obtok plynu FGD k udržení suchých podmínek zásobníku).
v důsledku nižšího obtokového toku FGD se teplota zásobníku snížila, ale zůstala výrazně nad teplotou nasycení. Také s nižší teplotou spalin se snížila rychlost spalin elektrostatickým odlučovačem (ESP), což vedlo ke zlepšení účinnosti sběru částic a nižší neprůhlednosti. Zkušební provozní podmínky jsou shrnuty v tabulce 3.
Tabulka 3. Provozní podmínky jednotky 1 Během zkoušek v září 2009 a říjnu 2011. Zdroj: Great River Energy
Výkon Jednotky. Vliv DryFining na čisté jednotkové rychlosti tepla a účinnosti kotle, paliva a toku zásobníku, a mlýn a indukovaný tah (ID) výkon ventilátoru je shrnut v tabulce 4. Během testů z října 2011 byl obsah vlhkosti uhlí snížen o 5 procentních bodů nebo 13%, což mělo za následek ~11% zvýšení hodnoty ohřevu uhlí. Další snížení vlhkosti paliva v Coal Creek bylo omezeno teplotami páry, které začaly klesat kvůli nižšímu průtoku spalin konvekčním průchodem kotle. Další povrch pro přenos tepla kotle je plánován tak, aby v budoucnu umožnil hlubší sušení uhlí.
Tabulka 4. Vliv sucha na výkon uhelné jednotky 1. Zdroj: Velká říční energie
pokles průtoku uhlí byl důsledkem zvýšené vyšší topné hodnoty uhlí. Uhlí se sníženou vlhkostí mělo také lepší brousitelnost, takže výkon mlýna klesl téměř o 10%. To umožnilo provoz jednotky se šesti mlýny v provozu, místo obvyklých sedmi nebo osmi. Uvolnění jednoho z mlýnů, které mají být použity jako náhradní, zlepšuje dostupnost zařízení, protože mlýny lze otáčet dovnitř a ven z provozu pro běžnou údržbu nebo opravy bez snížení kapacity zpracování paliva.
objemový průtok spalin za APH klesal s nižším průtokem uhlí a teplotou spalin, což mělo za následek nižší ztráty v tahu a nižší výkon ventilátoru ID.
u suššího uhlí se čistá jednotková rychlost tepla určená metodou účinnosti cyklu kotel-turbína snížila o 3,5%. Účinnost kotle, jak je stanoveno ASME PTC 4, se zvýšila o 3,4%. Zlepšení čisté jednotkové rychlosti tepla je vyšší než zlepšení účinnosti kotle, protože u suššího uhlí je použitý pomocný výkon stanice nižší ve srovnání s mokrým uhlím.
emise CO2. Snížení emisí CO2 pomocí údajů z testů výkonnosti z tabulky 4 bylo 3,56%, což je příznivě srovnatelné s očekávaným snížením uvedeným v tabulce 2. Přidání další plochy pro přenos tepla do kotle umožní další snížení obsahu vlhkosti uhlí s předpokládaným zlepšením tepelné rychlosti o 4,5% a snížením emisí CO2 o více než 4,6%. Provádění DryFining v Coal Creek snížilo intenzitu emisí CO2 o 3,0%.
Emise NOx. Sušení má významný pozitivní vliv na emise NOx, SO2 a celkové emise rtuti (HgT) (Tabulka 5). Snížení emisí NOx je přičítáno nižšímu příkonu uhlí a nižšímu průtoku primárního vzduchu (PA) k sekundárnímu vzduchu (SA) ve srovnání s provozem mokrého uhlí. Nižší průtok PA má za následek nižší tvorbu NOx na hořácích, zatímco vyšší průtok SA umožňuje hlubší staging pece, s více dostupným vzduchem overfire. Výsledné 30% snížení NOx umožnilo společnosti Coal Creek splnit své nové emisní limity NOx vyladěním kotle, čímž se zabránilo nákladné instalaci selektivního nekatalytického redukčního systému.
Tabulka 5. Vliv sucha na emise v Coal Creek Unit 1. Všimněte si, že sušení jednotky 1 snížilo intenzitu emisí CO2 jednotky o 3,0%. Zdroj: Great River Energy
emise SO2. Snížení emisí SO2 lze rozdělit do tří částí. Za prvé, nízký průtok suchého uhlí do kotle vede ke snížení množství síry vstupující do kotle. Za druhé, významná část neorganicky vázané síry (přibližně 30%) je oddělena od FBD. Segregace síry, měřená během přejímacích zkoušek sušičky, činila 33,2%. Konečně nižší objemový průtok spalin umožňuje čištění většího podílu spalin, což dále snižuje emise SO2 (Obrázek 2).
2. Významné snížení SO2. Je ukázáno odstranění SO2 v FGD před a po implementaci DryFining. Výsledné snížení emisí SO2 umožnilo stanici Coal Creek splnit nové emisní normy SO2 bez instalace dalšího pracího modulu. Modré pruhy představují výsledky testů výkonu. Červené pruhy představují průměrné roční údaje. Zdroj: Great River Energy
Emise Rtuti. Koncentrace a speciace rtuti spalin byla měřena pomocí mokrých impingerových polokontinuálních monitorů emisí na vstupu APH, vstup a výstup FGD, bypass FGD, a zásobník. Pro kontrolu kvality byla provedena měření sorbentového lapače. Pro kontinuální měření HgT ve stohu byl použit systém průběžného monitorování emisí v závodě.
35% až 40% snížení emisí HgT produkovaných sušením je způsobeno nižším průtokem sušeného uhlí do elektrárny, odstraněním přibližně 30% rtuti vázané na pyrit z uhlí v FBD gravitační segregací, změnou speciace rtuti a zvýšeným průtokem spalin přes FGD, kde je odstraněna oxidovaná rtuť (Hg2+). Snížení emisí HgT umožnilo stanici Coal Creek splnit nové emisní limity s přísadami FGD, aby se snížily opětovné emise Hg2+, čímž se zabrání vstřikování práškového aktivního uhlí.
celkově se společnost Great River Energy zavedením DryFining v Coal Creek vyhnula kapitálovým výdajům 366 milionů dolarů, které by jinak byly potřebné k dosažení souladu s emisními předpisy.
dlouhodobé provozní zkušenosti
DryFining je v nepřetržitém komerčním provozu na stanici Coal Creek již více než čtyři roky, dosahuje dostupnosti vyšší než 95% a nezpůsobuje výpadek jedné jednotky. Od zavedení DryFining se také zvýšila generace Stanice net.
výkon a emise. Výkon obou jednotek Coal Creek se neustále zlepšuje od zahájení komerčního provozu DryFining v prosinci 2009. Obrázek 3 nabízí srovnání měsíčních průměrných hodnot čistého jednotkového tepelného výkonu stanovených metodou vstup/výstup. Průměrné roční zlepšení čisté jednotkové rychlosti tepla pro jednotku 1 je 3, 4% – prakticky stejné, jaké bylo měřeno během základních testů. Zlepšení rychlosti tepla pro jednotku 2 o 5,8% je vyšší, protože zahrnuje také účinek modernizace parní turbíny. Od roku 2009 se spotřeba pomocné energie každé jednotky snížila o 5 MW.
3. Rychlost tepla v recenzi. Jsou uvedeny průměrné měsíční čisté jednotkové sazby tepla pro rafinované (2013, po třech letech provozu) a mokré (2009, před zavedením suchého těžby) uhlí. Zdroj: Great River Energy
roční průměrné emise NOx a SOx pro jednotky 1 a 2 v Coal Creek jsou uvedeny na obrázku 4 pro období 2005 až 2013. Po zavedení DryFining byly emise SOx sníženy o 44% až 46%, zatímco emise NOx byly sníženy o 24% až 25% ve srovnání s průměrem 2005-2009. Dlouhodobé snížení Nox bylo menší ve srovnání s výsledky zkoušek uvedenými v tabulce 5, protože změny v jednotkovém zatížení a nastavení spalování, které se vyskytly v běžném provozu, zvyšují NOx.
4. Před a po suchu. Průměrné roční snížení emisí SO2 v letech 2009 až 2013 činilo 45,6%. Průměrné roční snížení emisí NOx v letech 2009 až 2013 činilo 24,7%. Zdroj: Great River Energy
účinky sušení uhlí na provoz zařízení
pomocí DryFining ovlivnily výkon komponent v plynové cestě, od kotle po komín.
kotel. Nižší průtok rafinovaného uhlí a jeho nižší obsah vlhkosti snížily tok spalin konvekční dráhy, tepelnou kapacitu spalin a koeficient přenosu tepla konvekcí. Pro udržení nastavených hodnot teploty páry při opětovném ohřevu má systém řízení spalování zvýšené náklony hlavního hořáku a uzavřené ventily atemperator. Celkový tok páry, který se spaluje, zůstal konstantní, i když se rozdělení použití změnilo. Frekvence čištění vodních stěn pece se snížila, zatímco frekvence čištění konvektivní dráhy se zvýšila, aby se zlepšily teploty páry a snížily náklony hořáku.
Předehřívač Vzduchu. Před sušením, APHs zažil vysoký diferenční tlak napříč odvětvími primárního vzduchu a spalin. To bylo důsledkem vysokých toků a znečištění průchodů přenosu tepla v chladném konci APH. Vysoký obsah vlhkosti spalin spolu se sezónními změnami teplot na vstupu vzduchu byly hlavními viníky znečištění a koroze povrchů přenosu tepla za studena APH, které byly vyměňovány každé tři roky. Vysoký pokles tlaku také způsobil nadměrný únik vzduchu na stranu plynu. DryFining tyto problémy prakticky eliminoval a také významně snížil primární průtok vzduchu a tím i výkon ventilátoru ID (Tabulka 6).
Tabulka 6. Předehřívač vzduchu a provozní parametry primárního vzduchu před a po vysušení. Zdroj: Great River Energy
mlýny a uhelné potrubí. Před suchem bylo normálně provozováno sedm mlýnů (osm bylo vyžadováno pro plné zatížení v chladném počasí). Výlety podavače, způsobené velkými kusy uhlí, skály, a trampské železo zastavující podavač byly častými výskyty, což má za následek snížení zatížení a četné výměny podavače. Vysoké toky PA, potřebné k udržení teploty výstupu z mlýna, vedlo k vysokým rychlostem v uhelných potrubích a zvýšené erozi. Taky, kvůli vysokému průtoku PA, klasifikátory mlýna byly nastaveny příliš nízko, aby zvýšily vnitřní cirkulaci mlýna a udržovaly jemnost uhlí, což mělo za následek zvýšené požadavky na výkon mlýna.
DryFining umožnil každé jednotce v Coal Creek pracovat při plném zatížení se šesti mlýny a sníženým průtokem PA. Při nižším průtoku PA došlo ke zvýšení kapacity mlýna a snížení výkonu mlýna a údržby mlýna. Cesty podavače mlýna byly vyloučeny a dostupnost zařízení se zlepšila (Tabulka 7).
Tabulka 7. Provozní parametry mlýna před a po Suchéfinking. Zdroj: Great River Energy
ID fanoušci. Protože ventilátor je volumetrické zařízení, zvýšení sacího tlaku, snížení vstupní teploty a zvýšení hustoty plynu vede k nižším požadavkům na výkon ventilátoru. Po implementaci DryFining, výkon ventilátoru ID se snížil o 2 MW na 4 MW na jednotku kvůli nižšímu průtoku spalin, vyšší hustota spalin, a snížené znečištění APH.
FGD. Každá jednotka v Coal Creek je vybavena čtyřmodulovou mokrou pračkou schopnou drhnout 75% spalin. Nižší průtok spalin a teplota od suchého odvodnění zvýšila promývaný průtok na 85% až 100% celkového průtoku spalin, což eliminuje potřebu instalace pátého modulu.
Elektrostatický Odlučovač. Stávající ESP na studené straně si vede dobře i přes snížení obsahu síry v uhlí ošetřeném suchým rafinováním. Snížení teploty spalin snížilo odpor popílku, čímž se zlepšil výkon ESP. Také snížený objem spalin snížil jeho rychlost a prodloužil dobu zdržení. Oba účinky pomohly v posledních čtyřech letech zlepšit účinnost sběru ESP. ■
– Nenad Sarunac ([email protected]) je docentem strojírenství a inženýrské vědy na University of North Carolina v Charlotte. Mark Ness ([email protected]) je principiální inženýr a Charles Bullinger ([email protected]) je principiální inženýr S Velkou říční energií.