forbedring af effektiviteten på eksisterende kulfyrede kraftværker overalt i verden er en vej uden beklagelse: et mere effektivt kraftværk bruger mindre kul, har lavere emissioner og oplever lavere variable omkostninger. Great River Energy ‘ s Coal Creek Station har vist, at det ved at genbruge lavkvalitets spildvarme med Dry fining kan reducere emissioner, herunder CO2, og forbedre anlæggets ydeevne, når der brændes vådt kul.
effektivitetsforbedringer på eksisterende kraftværker er en effektiv og økonomisk måde at reducere CO2-emissionerne på. For et typisk pulveriseret kulfyret anlæg resulterer en stigning på 1% i nettoenhedens effektivitet i en reduktion på 2,7% i CO2-emissioner ved konstant effekt. For at sætte denne effektivitetsforøgelse i perspektiv, USA. Environmental Protection Agency i en af sine muligheder for at opfylde den statslige elsektor drivhusgasemissionsreduktionsmål i den foreslåede plan for ren kraft, sigter mod en gennemsnitlig 6% forbedring af nettoenhedens varmehastighed for kulfyrede produktionsenheder, hvilket er ca.en 2,7% forbedring af nettoenhedens effektivitet for en kulflåde med en gennemsnitlig varmehastighed på 10.000 Btu/KVH. Det er et formidabelt mål for den kulfyrede kraftindustri.
mange muligheder for forbedring af Varmehastigheden
kraftindustrien har muligheder. Et kompendium af potentielle varmehastighedsforbedringer og emissionsreduktionsmuligheder er opsummeret i tabel 1. Graden af mulig forbedring af varmehastigheden afhænger dog stort set af typen af brændt kul. Den mest ønskelige mulighed for forbedring af varmehastigheden for kraftværker, der brænder kul med høj fugtighed, er at forfølge kultørrende teknologier ved hjælp af genvundet lavkvalitetsvarme fra røggas. (For mere information om kraftværksvarmegenvindingsteknologier, se “effekt 101: Røggasvarmegenvinding i kraftværker”, Del I, II og III, i KRAFTARKIVERNE.)
tabel 1. Mange muligheder for forbedring af varmehastigheden. Generelt kan enhedsvarmehastigheden forbedres ved at forbedre kedelforbrændingseffektiviteten og turbinecykluseffektiviteten og ved at reducere hjælpekraftforbruget. Bemærk, at forbedringer af varmehastigheden generelt ikke er additive og afhænger af mange stedsspecifikke faktorer. Kilde: øget effektivitet og reduktion af emissioner fra eksisterende pulveriserede kulfyrede enheder, ICCI-projektnummer 07-1 / 5.1 A-1
kul med lav rang, høj fugtighed udgør omkring 50% af de amerikanske og verdens kulreserver. I betragtning af overflod af disse billige kul er brugen af kul med høj fugtighed til elproduktion almindelig og voksende. I USA alene brænder 279 kraftanlæg kul med høj fugtighed, såsom brunkul og pulver flodbassin subbituminøst kul. Disse anlæg producerer næsten en tredjedel af den kulfyrede elproduktion i USA, ifølge Department of Energy.
når kul med høj fugtighed brændes i brugskedler, bruges omkring 7% af brændstofvarmeindgangen til at fordampe og overvarme brændstoffugtighed, der efterlader røggassen, med det meste af dette tab forbundet med den latente fordampningsvarme. Desuden resulterer kul med høj fugtighed, lav opvarmningsværdi i højere brændstof-og røggasstrømningshastigheder, højere hjælpestrømforbrug, højere nettoenheds varmehastighed og højere Mølle, kulrør og brændervedligeholdelse sammenlignet med bituminøse kul. Omvendt forbedrer en reduktion i kulfugtighedsindholdet ved termisk tørring kedel—og enhedseffektivitet, anlæggets drift og økonomi-alt sammen samtidig med at CO2-emissionerne reduceres. Imidlertid er mange af de kultørrende termiske processer, der hidtil er udviklet, enten mekanisk komplekse eller kræver kostbar primærenergi eller damp for at fjerne fugt fra kulet. Dette øger brændstofforarbejdningsomkostningerne markant, hvilket er den største hindring for industriens accept.
Coal Creek vælger FBD-teknologi
en ny kultørrings-og rengøringsproces ved lav temperatur, der anvender en flydende sengetørrer (FBD) og bruger spildvarme til at reducere fugtindholdet i kul med lav rang blev for nylig udviklet og kommercialiseret af Great River Energy på sin Coal Creek Station. Teknologien er kommercielt tilgængelig som DryFining Fuel Enhancement Process (DryFining).
for eksisterende enheder, afhængigt af stedets specifikationer, er DryFining i stand til at reducere den samlede kulfugtighed med 10 til 15 procentpoint. Den maksimale forbedring, der er vist i tabel 2, repræsenterer tørring af kul uden for stedet og levering af tørt kul til stedet. Minimumet svarer til grundlæggende Tørrefining termiske integrationsmuligheder. Denne analyse er konservativ, fordi den ikke tager højde for reduktion af systemudkast og dermed reduktion af blæsereffekt.
tabel 2. Termisk tørring af kul med høj fugtighed. Forbedring af varmehastigheden afhænger af det oprindelige kulfugtighedsindhold med højere indledende fugtighed, hvilket resulterer i højere ydelsesforbedring såvel som andre stedsspecifikke faktorer. Kedelkonvektionsgrænsen kan også begrænse den potentielle forbedring af enhedens varmehastighed for eksisterende enheder. Kilde: Great River Energy
termisk integration af DryFining er meget stedspecifik og afhænger af de tilgængelige varmekilder, pladsbegrænsninger og det generelle layout af anlægget. Fordelene ved kultørring, såsom forbedring af varmehastigheden, øges, når reduktionen i kulfugtighed øges. Den opnåelige reduktion af kulfugtighedsindholdet kan begrænses af kedelkonvektionspassens termiske ydeevne, mængden af tilgængelig varme eller af kulens ligevægtsfugtighedsindhold.
for den eksisterende kedel er der en praktisk grænse for mængden af varmehastighedsreduktion mulig ved at fjerne fugt fra brændstoffet. Da kulfugtighedsindholdet reduceres, øges kulens opvarmningsværdi, hvilket reducerer mængden af tørt kul, der tilføres kedlen. Dette, til gengæld producerer mindre røggas med lavere termisk kapacitet og derfor desuperheating spray strømme reduceres. Når overophedningssprayventiler lukkes, og brænderne når maksimal hældning, kan damptemperatursætpunkterne ikke længere opretholdes, og damptemperaturerne begynder at falde. Denne driftstilstand, kaldet konvektionspassegrænsen, bestemmer den maksimale kulfugtighedsreduktion, der er mulig. Konvektionspassegrænsen afhænger af kedeldesignet med superkritiske kedler, der er i stand til at håndtere betydeligt højere reduktioner i kulfugtighed (op til 20 procentpoint) sammenlignet med de subkritiske enheder, der typisk håndterer kulfugtighedsreduktioner på ca.10 procentpoint uden konvektionspasændringer. Nye kedler designet med integreret Tøraffinering er ikke underlagt konvektionsgrænsen.
DryFining Brændstofforbedringsprocessen
Great River Energy ‘ s FBD-design udfører to vigtige funktioner: Det renser kulet ved at fjerne en betydelig del af svovl og kviksølv fra det rå kul i det første FBD-trin og tørrer kulet i det andet trin. Rengøringsfunktionen adskiller denne kultørringsteknologi og giver en meget vigtig kobelfordel ved emissionsreduktion.
en bevægelig seng FBD blev valgt til Tørfinningsprocessen på grund af dens høje varme-og masseoverførselskoefficienter, der producerer et kompakt tørretumbler design. Luft anvendes som et fluidiseringsmedium i stedet for den almindeligt anvendte damp. Potentiel devolatisering af kul under tørringsprocessen undgås ved tørring med anlæg lav kvalitet spildvarme (Figur 1).
1. To-trins kul tørretumbler. Denne skematiske af en flydende seng fluidiseret sengetørrer viser, hvordan det rå kul renses for svovl og kviksølv i det første trin, og kul tørres i det andet trin. Varm fluidiserende luft leveres fra anlæg lav kvalitet spildvarme. Kilde: Great River Energy
knust kul føres til det første trin i den fluidiserede sengetørrer, hvor ikke-fluidiserbart materiale såsom klipper og andre fraktioner med højere densitet adskilles i bunden af tørretumbleren, mens mindre tætte og mindre partikler har tendens til at flyde. Derfor har den adskilte strøm, der udledes fra tørretumbleren, højere mineralstofindhold (inklusive pyrit) sammenlignet med det tørrede kul (produktstrøm). Fordi det meste af det uorganisk associerede svovl er indeholdt i pyritformer, i tilfælde af North Dakota (ND) brunkul, omkring 30% af svovl og kviksølv (Hg) fra kul adskilles i den første fase af FBD.
det fluidiserbare materiale går derefter ind i tørretumblerens andet trin, hvor overfladen og en del af den iboende kulfugtighed fordampes af den varme, der leveres af den fluidiserende luft og varmeveksleren i sengen. Varmeveksleren i sengen øger temperaturen på den fluidiserende (tørrende) luft og fluidiserede kulbed, hvilket forbedrer tørrekinetikken. Tørringsprocessen påvirker mikrostrukturen af kulpartikler, der opløses under tørring. Det tørrere og finere kul udledes fra FBD som produktstrømmen. Sengens opholdstid og temperatur er de vigtigste parametre, der påvirker det resterende fugtindhold.
fire års driftserfaring
tre serier af kontrollerede tests blev udført på Coal Creek Unit 1 ved fuld belastning (600 MVH, brutto), steady state-forhold før og efter implementeringen af DryFining for at kvantificere forbedringen i enhedens ydeevne og emissioner. Kultørrings-og rengøringssystemet er dimensioneret til 1.100 tons/time rå nd brunkul med fugtindhold i området fra 38% Til 40%. DryFining har været i kontinuerlig kommerciel drift på Coal Creek Station siden December 2009.
testene med det våde (rå) kul blev udført i September 2009 for at fastslå baseline-enhedens ydeevne og emissioner. Test med Tørfining i drift blev udført i marts-April 2010 og oktober 2011. Disse testresultater er opsummeret nedenfor. Den komplette testrapport kan findes på “Brunkulsbrændstofforbedring Final Technical Report,” Doe-Tildelingsnummer: DE-FC26-04nt41763, udgivet juni 2010.
Driftsbetingelser. Luftforvarmer (APH) luftlækage faldt på grund af de lavere træk med tørret kul. Også med tørret kul faldt røggasens temperatur ved APH-udgangen, hvilket resulterede i lavere volumenstrøm af røggas ind i røggasafsvovling (FGD) – systemet, hvilket gjorde det muligt at skrubbe en større del af røggassen (Coal Creek anvender en FGD-gasomløb for at opretholde tørre stakforhold).
som en konsekvens af den lavere FGD-bypassstrøm faldt staktemperaturen, men forblev et godt stykke over mætningstemperaturen. Også med lavere røggastemperatur faldt røggashastigheden gennem den elektrostatiske præcipitator (ESP), hvilket resulterede i forbedret partikelopsamlingseffektivitet og lavere opacitet. Testens driftsbetingelser er opsummeret i tabel 3.
tabel 3. Enhed 1 driftsbetingelser under test i September 2009 og oktober 2011. Kilde: Stor Flod Energi
Enhed Ydeevne. Virkningen af Tøraffinering på nettoenhedens varmehastighed og kedeleffektivitet, brændstof-og stakstrøm samt ventilatoreffekt i Mølle og induceret træk (ID) er opsummeret i tabel 4. I løbet af oktober 2011-testene blev kulfugtighedsindholdet reduceret med 5 procentpoint eller 13%, hvilket resulterede i ~11% stigning i kulvarmeværdien. Yderligere reduktion af brændstoffugtighed ved Coal Creek var begrænset af damptemperaturer, som begyndte at falde på grund af den lavere strømningshastighed for røggas gennem kedlens konvektive Passage. Yderligere kedel varmeoverførsel overflade er planlagt til at tillade dybere kul tørring i fremtiden.
Tabel 4. Virkningen af DryFining på udførelsen af Coal Creek Unit 1. Kilde: Great River Energy
faldet i kulstrømningshastighed skyldtes den øgede højere opvarmningsværdi af kulet. Kul med reduceret fugtighed havde også forbedret slibbarhed, så møllekraften faldt med næsten 10%. Dette gjorde det muligt at betjene enheden med seks møller i drift i stedet for de sædvanlige syv eller otte. Frigørelse af en af møllerne, der skal bruges som reserve, forbedrer anlæggets tilgængelighed, da møller kan drejes ind og ud af drift til rutinemæssig vedligeholdelse eller reparation uden at reducere brændstofbehandlingskapaciteten.
den volumetriske strømningshastighed for røggas nedstrøms for APH faldt med den lavere kulstrømningshastighed og røggastemperaturen, hvilket resulterede i lavere træktab og lavere ID-blæserhestekræfter.
Med tørrere kul faldt nettoenhedens varmehastighed, bestemt af Kedelturbinecykluseffektivitetsmetoden, med 3,5%. Kedeleffektivitet, som bestemt af ASME PTC 4, steg med 3,4%. Forbedringen i nettoenhedens varmehastighed er højere end forbedringen i kedeleffektivitet, fordi den anvendte stationens hjælpekraft med tørrere kul er lavere sammenlignet med det våde kul.
CO2-emissioner. Reduktionen i CO2-emissioner ved hjælp af ydelsestestdata fra tabel 4 var 3,56%, hvilket kan sammenlignes positivt med de forventede reduktioner vist i tabel 2. Tilføjelse af yderligere varmeoverføringsoverflade til kedlen muliggør yderligere reduktion af kulfugtighedsindholdet med en forventet forbedring af 4,5% varmehastighed og en mere end 4,6% reduktion af CO2-emissioner. Implementeringen af Tørfining ved Coal Creek reducerede CO2-emissionsintensiteten med 3,0%.
Emissioner. Tøraffinering har en signifikant positiv effekt på emissionerne af nok, SO2 og total kviksølv (HGT) (tabel 5). En reduktion i emissionerne tilskrives den lavere kultilførsel og lavere primær luft (PA) til sekundær luft (SA) strømningsforhold sammenlignet med vådkuloperationen. Den lavere pa-strømning resulterer i lavere Neksdannelse ved brænderne, mens den højere SA-strøm giver mulighed for dybere ovnopstilling, med mere overfire luft tilgængelig. Den resulterende reduktion på 30% gjorde det muligt for Coal Creek at opfylde sine nye emissionsgrænser ved kedelindstilling og undgå en dyr installation af et selektivt ikke-katalytisk reduktionssystem.
tabel 5. Effekt af DryFining på emissioner ved Coal Creek Unit 1. Bemærk, at Tøraffinering af Enhed 1 reducerede enhedens CO2-emissionsintensitet med 3,0%. Kilde: stor Flodenergi
SO2-emissioner. SO2 – emissionsreduktion kan opdeles i tre dele. For det første resulterer den lave strømningshastighed af tørt kul til kedlen i en reduktion i mængden af svovl, der kommer ind i kedlen. For det andet adskilles en betydelig del af det uorganisk bundne svovl (ca.30%) Fra FBD. Svovlseparation, målt under tørreaccepttestene, var 33,2%. Endelig tillader den lavere volumenstrøm af røggas, at en større andel røggas skrubbes, hvilket yderligere reducerer SO2-emissionerne (figur 2).
2. Væsentlig SO2 reduktion. SO2 fjernelse i FGD før og efter implementering af DryFining er vist. Den resulterende reduktion i SO2-emissioner gjorde det muligt for Coal Creek Station at opfylde de nye SO2-emissionsstandarder uden at installere et ekstra skrubbermodul. De blå søjler repræsenterer præstationstestresultater. Røde søjler repræsenterer gennemsnitlige årlige data. Kilde: Stor Flodenergi
Kviksølvemissioner. Røggas kviksølvkoncentration og speciering blev målt ved hjælp af våd impinger-baserede semi-kontinuerlige emissionsmonitorer ved APH-indløbet, FGD-indløb og udløb, FGD-bypassog stak. Sorbentfældemålingerne blev udført til kvalitetskontrol. Anlæggets kontinuerlige emissionsovervågningssystem blev brugt til kontinuerlig måling af HgT i stakken.
reduktionen på 35% Til 40% i HGT-emissioner produceret ved Tørfining skyldes den lavere strømningshastighed for tørret kul ind i anlægget, fjernelse af cirka 30% af det pyritbundne kviksølv fra kulet i FBD ved gravitationssegregering, ændring i kviksølvspeciering og øget strømningshastighed for røggas gennem FGD, hvor iltet kviksølv (Hg2+) fjernes. Reduktionen i HGT-emissioner har gjort det muligt for Coal Creek Station at opfylde nye emissionsgrænser med FGD-additiver for at reducere HG2+ – genemission og derved undgå injektion af pulveriseret aktivt kul.
samlet set undgik Great River Energy $366 millioner i anlægsudgifter, som ellers ville være nødvendige for at overholde emissionsbestemmelserne.
langvarig driftserfaring
Dry fining har været i kontinuerlig kommerciel drift på Coal Creek Station i over fire år og opnået tilgængelighed højere end 95% og ikke forårsaget en enkelt enhedsafbrydelse. Stationens netgenerering er også steget siden implementeringen af DryFining.
ydeevne og emissioner. Ydeevnen for begge Coal Creek-enheder forbedres fortsat, siden kommerciel drift af Tørfining begyndte i December 2009. Figur 3 giver en sammenligning af månedlige gennemsnitlige netto enhedsvarmeværdier, bestemt af input/output-metoden. Den gennemsnitlige årlige forbedring i nettoenhedens varmehastighed for Enhed 1 er 3,4%—stort set den samme som målt under baseline-testene. Forbedringen af varmehastigheden for Enhed 2 på 5,8% er højere, fordi den også inkluderer effekten af en dampturbineopgradering. Siden 2009 er stationens hjælpestrømforbrug for hver enhed faldet 5 MVH.
3. Varmehastighed i gennemgang. Månedlige gennemsnitlige nettoenhed varmehastigheder for raffineret (2013, efter tre års drift) og våd (2009, før implementering af Tørfining) kul er vist. Kilde: Great River Energy
årlige gennemsnitlige emissioner for enheder 1 og 2 ved Coal Creek er præsenteret i figur 4 for tidsperioden 2005 til 2013. Efter gennemførelsen af Tøraffinering blev emissionerne reduceret med 44% Til 46%, mens emissionerne blev reduceret med 24% Til 25% sammenlignet med gennemsnittet for 2005-2009. Den langsigtede reduktion i Neks var mindre sammenlignet med testresultaterne i tabel 5, fordi ændringer i enhedsbelastning og forbrændingsindstillinger, der opleves ved regelmæssig drift, øger Nks.
4. Før og efter tørring. SO2 ‘ s gennemsnitlige årlige emissionsreduktion mellem 2009 og 2013 var 45,6%. Den gennemsnitlige årlige emissionsreduktion fra 2009 til 2013 var 24,7%. Kilde: Great River Energy
virkninger af Kultørring på anlæggets drift
brug af DryFining har påvirket ydeevnen for komponenter i gasbanen, fra kedlen til stakken.
kedel. Den lavere strømningshastighed for raffineret kul og dets lavere fugtindhold har reduceret den konvektive vej røggasstrøm, røggassens varmekapacitet og konvektionsvarmeoverførselskoefficient. For at opretholde genopvarmningsdampens temperaturindstillingspunkter har forbrændingsstyringssystemet øget hovedbrænderhældninger og lukkede attemperatorventiler. Den samlede sodblæsning af dampstrømmen er forblevet konstant, selvom brugsopdelingen ændrede sig. Hyppigheden af rengøring af ovnens vandvægge faldt, mens rengøringsfrekvensen for den konvektive sti steg for at forbedre damptemperaturer og lavere brænderhældninger.
Luftforvarmer. Før Tøraffinering oplevede APH ‘ erne højt differenstryk på tværs af de primære luft-og røggassektorer. Dette var et resultat af høje strømme og begroning af varmeoverførselspassagerne i APH kolde ende. Det høje fugtindhold i røggassen sammen med sæsonbestemte variationer i luftindtagstemperaturerne var store syndere af begroning og korrosion af APH kolde ende varmeoverføringsoverflader, som blev udskiftet hvert tredje år. Det høje trykfald producerede også overdreven luft til gas-side lækage. DryFining eliminerede praktisk talt disse problemer samt reducerede den primære luftstrøm betydeligt og derfor ID-blæsereffekt (Tabel 6).
Tabel 6. Luftforvarmer og primære luft driftsparametre før og efter Tøraffinering. Kilde: Great River Energy
Møller og Kulrør. Før Tørfining blev der normalt kørt syv Møller (otte var nødvendige for fuld belastning i koldt vejr). Feeder ture, forårsaget af store stykker kul, klipper, og tramp jern standsning feeder var hyppige forekomster, hvilket resulterer i belastning derate og talrige feeder bælte udskiftninger. Høje pa-strømme, der kræves for at opretholde mølleudgangstemperaturer, resulterede i høje hastigheder i kulrørene og øget erosion. På grund af den høje pa-strømning blev mølleklassifikatorerne også sat for lave til at øge den interne møllecirkulation og opretholde kulfinhed, hvilket resulterede i øgede møllekraftkrav.
DryFining har tilladt hver enhed på Coal Creek til at operere ved fuld belastning med seks Møller og reduceret pa strømning. Med lavere pa-strømning var der en stigning i møllekapaciteten og en reduktion i møllekraft og møllevedligeholdelse. Mølleføder-ture er blevet elimineret, og anlæggets tilgængelighed er forbedret (Tabel 7).
Tabel 7. Mill driftsparametre før og efter Tøraffinering. Kilde: stor flod energi
ID Fans. Fordi en ventilator er en volumetrisk enhed, resulterer stigningen i sugetryk, fald i indløbstemperatur og stigning i gastæthed i lavere krav til blæsereffekt. Efter implementering af DryFining faldt ID-blæsereffekten 2 MVH til 4 MVH pr.enhed på grund af lavere røggasstrømningshastighed, højere røggastæthed og reduceret APH-begroning.
FGD. Hver enhed på Coal Creek er udstyret med en fire-modul vådskrubber, der er i stand til at skrubbe 75% af røggassen. Lavere røggasstrømningshastighed og temperatur fra DryFining har øget skrubbet strømning til 85% til 100% af den samlede røggasstrøm, hvilket eliminerer behovet for at installere et femte modul.
Elektrostatisk Præcipitator. Den eksisterende kolde side ESP klarer sig godt på trods af reduktionen i svovlindholdet i det kul, der behandles ved Tørfining. Reduktionen i røggastemperaturen har reduceret flyveaskens resistivitet og derved forbedret ESP-ydeevnen. Også reduceret volumen af røggassen faldt dens hastighed og øget opholdstid. Begge effekter bidrog til at forbedre ESP-indsamlingseffektiviteten i løbet af de sidste fire år. Hr.
– Nenad Sarunac ([email protected]) er episk lektor i maskinteknik og ingeniørvidenskab ved University of North Carolina i Charlotte. Mark Ness ([email protected]) er principingeniør og Charles Bullinger ([email protected]) er principingeniør med stor Flodenergi.