Forbedring av effektiviteten ved eksisterende kullkraftverk hvor som helst i verden er en vei uten anger: Et mer effektivt kraftverk bruker mindre kull, har lavere utslipp Og opplever lavere variable kostnader. Great River Energys Coal Creek Station har vist at ved å resirkulere lavverdig spillvarme med Tørrfining, kan det redusere utslippene, inkludert CO2, og forbedre anleggets ytelse når det brenner vått kull.
effektivisering av eksisterende kraftverk er en effektiv og økonomisk måte å redusere utslipp AV karbondioksid (CO2) på. For et typisk pulverisert kullkraftverk resulterer en 1% økning i nettoeffektivitet i en 2,7% reduksjon I CO2-utslipp, ved konstant effekt. For å sette denne effektivitetsøkningen i perspektiv, USA Environmental Protection Agency i en av sine muligheter for å møte statewide kraftsektoren klimagass utslipp reduksjon mål i den foreslåtte Clean Power Plan, mål en gjennomsnittlig 6% forbedring i netto enhet varme rate av kullfyrte aggregater, som er omtrent en 2.7% forbedring i netto enhet effektivitet for en kull flåte med en gjennomsnittlig varme rate på 10,000 Btu / kWh. Det er et formidabelt mål for kullkraftindustrien.
Mange Heat Rate Forbedring Alternativer
kraftbransjen har alternativer. Et kompendium av mulige alternativer for forbedring av varmehastighet og utslippsreduksjon er oppsummert I Tabell 1. Graden av mulig varmeforbedring er imidlertid i stor grad avhengig av hvilken type kull som er brent. Det mest ønskelige varmeforbedringsalternativet for kraftverk som brenner kull med høy fuktighet, er å forfølge kulltørkende teknologier ved hjelp av gjenvunnet lavverdig varme fra røykgass. (For mer informasjon om kraftverk varmegjenvinningsteknologier, se «Power 101: Røykgass Varmegjenvinning I Kraftverk», Del i, II OG III, I POWER archives.)
Tabell 1. Mange heat rate forbedring alternativer. Generelt kan enhetens varmehastighet forbedres ved å forbedre kjeleforbrenningseffektiviteten og turbinsykluseffektiviteten, og ved å redusere hjelpestrømforbruket. Vær oppmerksom på at varmefrekvensforbedringer generelt ikke er additive og avhenger av mange stedsspesifikke faktorer. Kilde: Øke Effektiviteten og Redusere Utslipp Av Eksisterende Pulveriserte Kullfyrte Enheter, ICCI Prosjektnummer 07-1 / 5.1 A-1
lav-rang, høy fuktighet kull utgjør ca 50% AV USA og verden kullreserver. Gitt overflod av disse rimelige kulene, er bruken av kull med høy fuktighet for kraftproduksjon vanlig og voksende. I USA alene brenner 279 kraftanlegg kull med høy fuktighet, for eksempel brunkull og Pulvervannbasseng subbituminøst kull. Disse plantene produserer nesten en tredjedel av den kullfyrte elektriske generasjonen i USA, ifølge Department Of Energy.
når kull med høy fuktighet brennes i nyttekjeler, brukes ca. 7% av brennstoffvarmetilførselen til å fordampe og overvarme brennstofffuktighet som går med røykgassen, med det meste av dette tapet forbundet med latent fordampningsvarme. Videre høy fuktighet, lav varme verdi kull resultere i høyere drivstoff og røykgass strømningshastigheter, høyere ekstra strømforbruk, høyere netto enhet varme rate og høyere mill, kull rør og brenner vedlikehold sammenlignet med bituminøse kull. Omvendt forbedrer en reduksjon i kullfuktighetsinnholdet ved termisk tørking kjele-og enhetseffektivitet, anleggsdrift og økonomi—alt samtidig som CO2-utslippene reduseres. Imidlertid er mange av de kulltørkende termiske prosessene som er utviklet så langt, enten mekanisk komplekse eller krever kostbar primærenergi eller damp for å fjerne fuktighet fra kullet. Dette øker drivstoffbehandlingskostnaden betydelig, noe som er hovedbarrieren for industriens aksept.
Coal Creek Velger FBD Technology
en roman lav temperatur kull-tørking og-renseprosess ansette en moving bed fluidized bed dryer(FBD) og bruke spillvarme for å redusere fuktighetsinnholdet i lav rang kull ble nylig utviklet og kommersialisert Av Great River Energy på Sin Coal Creek Station. Teknologien er kommersielt tilgjengelig Som DryFining Fuel Enhancement Process (DryFining).
For eksisterende enheter, avhengig av stedspesifikasjoner, Kan DryFining redusere total kullfuktighet med 10 til 15 prosentpoeng. Den maksimale forbedringen vist I Tabell 2 representerer ekstern kulltørking og levering av tørrkull til stedet. Minimumet tilsvarer grunnleggende Tørrfining termiske integrasjonsalternativer. Denne analysen er konservativ fordi den ikke tar hensyn til systemkraftreduksjon og dermed viftekraftreduksjon.
Tabell 2. Termisk tørking av høyfuktig kul. Forbedring av varmehastigheten avhenger av det opprinnelige kullfuktighetsinnholdet, med høyere innledende fuktighet som resulterer i høyere ytelsesforbedring, samt andre stedsspesifikke faktorer. Kjelens konveksjonspassgrense kan også begrense potensiell forbedring av enhetens varmehastighet for eksisterende enheter. Kilde: Great River Energy
Termisk integrasjon av Tørrfining er svært stedsspesifikk og avhenger av tilgjengelige varmekilder, plassbegrensninger og generell utforming av anlegget. Fordelene med kulltørking, som forbedring av varmehastigheten, øker etter hvert som reduksjonen i kullfuktighet øker. Den oppnåelige reduksjonen i kullfuktighet kan begrenses av termisk ytelse av kjelekonveksjonspasset, mengden tilgjengelig varme eller ved likevektsfuktighet i kull.
for den eksisterende kjelen er det en praktisk grense for mengden varmehastighetsreduksjon mulig ved å fjerne fuktighet fra drivstoffet. Når kullfuktighetsinnholdet reduseres, øker kullens oppvarmingsverdi, noe som reduserer mengden tørrkull som tilføres kjelen. Dette gir i sin tur mindre røykgass med lavere termisk kapasitet, og derfor reduseres desuperoppvarmingsspraystrømmene. Som overheting spray ventiler lukke og brennere nå maksimal tilt, kan damp temperatur settpunkter ikke lenger opprettholdes, og damptemperaturer begynner å avta. Denne driftstilstanden, referert til som konveksjonspassgrensen, bestemmer maksimal kullfuktreduksjon mulig. Konveksjonspassgrensen avhenger av kjelens design, med superkritiske kjeler som er i stand til å håndtere betydelig høyere reduksjoner i kullfuktighet (opptil 20 prosentpoeng), sammenlignet med de underkritiske enhetene, som vanligvis håndterer kullfuktreduksjoner på ca.10 prosentpoeng, uten konveksjonspassmodifikasjoner. Nye kjeler designet med integrert Tørrfining er ikke underlagt konveksjonspassgrensen.
DryFining Fuel Enhancement Process
Great River Energys FBD-design oppnår to viktige funksjoner: Det renser kullet ved å fjerne en betydelig del av svovel og kvikksølv fra råkullet i første FBD-trinn, og tørker kullet i andre trinn. Rengjøringsfunksjonen skiller denne kulltørketeknologien og gir en svært viktig kobennytte av utslippsreduksjon.
EN bevegelig seng FBD ble valgt For DryFining prosessen på grunn av sin høye varme og masse overføring koeffisienter, som produserer en kompakt tørketrommel design. Luft brukes som et fluidiseringsmedium i stedet for den vanlige dampen. Potensiell devolatisering av kull under tørkeprosessen unngås ved tørking med lavverdig spillvarme (Figur 1).
1. To-trinns kull tørketrommel. Dette skjematisk av en bevegelig seng fluidized seng tørketrommel viser hvordan rå kull er renset for svovel og kvikksølv i den første fasen og kull er tørket i den andre fasen. Varm fluidiserende luft leveres fra anlegget lavverdig spillvarme. Kilde: Great River Energy
Knust kull blir matet til den første fasen av den fluidiserte sengetørkeren, hvor ikke-fluidiserbart materiale som bergarter og andre høyere tetthetsfraksjoner er segregert på bunnen av tørketrommelen, mens mindre tette og mindre partikler har en tendens til å flyte. Derfor har den segregerte strømmen utladet fra tørketrommelen høyere mineralstoffinnhold (inkludert pyritt) i forhold til tørket kull (produktstrøm). Fordi det meste av uorganisk assosiert svovel er inneholdt i pyrittformer, i Tilfelle Av North Dakota (ND) brunkull, er omtrent 30% av svovel og kvikksølv (hg) fra kull segregert ut i første fase AV FBD.
det fluidizable materialet går neste inn i tørketrommelen andre trinn, hvor overflaten og en del av den iboende kullfuktigheten fordampes av varmen som leveres av fluidiseringsluften og varmeveksleren i sengen. I-seng varmeveksleren øker temperaturen på fluidizing (tørking) luft og fluidized kull seng, bedre tørking kinetikk. Tørkeprosessen påvirker mikrostrukturen av kullpartikler som oppløses under tørking. Det tørrere og finere kullet slippes ut fra FBD som produktstrømmen. Sengens oppholdstid og temperatur er de viktigste parametrene som påvirker restfuktighetsinnholdet.
Fire Års Driftserfaring
Tre serier av kontrollerte tester ble utført På Coal Creek Unit 1 ved full belastning (600 MW, brutto), steady state før og etter implementeringen av DryFining for å kvantifisere forbedringen i enhetens ytelse og utslipp. Kulltørkings-og rengjøringssystemet er dimensjonert for 1100 tonn/t rå nd-brunkitt med fuktighetsinnhold i området 38% til 40%. DryFining har vært i kontinuerlig kommersiell drift På Coal Creek Station siden desember 2009.
testene med våt (rå) kull ble utført i September 2009 for å etablere baseline enhet ytelse og utslipp. Tester med DryFining i tjeneste ble utført I Mars-April 2010 og oktober 2011. Disse testresultatene er oppsummert nedenfor. Den komplette testrapporten kan bli funnet på «Lignite Fuel Enhancement Final Technical Report,» DOE Award Nummer: DE-FC26-04NT41763, utgitt juni 2010.
Driftsforhold. LUFTFORVARMER (APH) luftlekkasje redusert på grunn av lavere utkast med tørket kull. Også med tørket kull ble temperaturen på røykgassen ved aph-utgangen redusert, noe som resulterte i lavere volumstrøm av røykgass som kom inn I RØYKGASSAVSVOVLINGSSYSTEMET (FGD), slik at en større andel av røykgassen kunne skrubbet (Coal Creek benytter en fgd-gass bypass for å opprettholde tørre stakkforhold).
som en konsekvens av den lavere fgd bypass-strømmen, ble stabeltemperaturen redusert, men holdt seg godt over metningstemperaturen. Også, med lavere røykgasstemperatur, røykgasshastighet gjennom elektrostatisk precipitator (ESP) redusert, noe som resulterer i forbedret partikkel samling effektivitet og lavere opasitet. Testens driftsforhold er oppsummert i Tabell 3.
Tabell 3. Enhet 1 driftsforhold i september 2009 og oktober 2011 tester. Kilde :Stor Elv Energi
Enhet Ytelse. Effekten Av DryFining på netto enhet varme rate og kjele effektivitet, drivstoff og stabel flyt, og mill og indusert utkast (ID) viftekraft er oppsummert i Tabell 4. I løpet av oktober 2011-testene ble kullfuktighetsinnholdet redusert med 5 prosentpoeng eller 13%, noe som resulterte i ~11% økning i kullvarmeverdi. Ytterligere reduksjon av drivstofffuktighet ved Coal Creek var begrenset av damptemperaturer, som begynte å synke på grunn av lavere strømningshastighet av røykgass gjennom kjelens konvektive passering. Ekstra kjele varmeoverføring overflaten er planlagt å tillate dypere kull tørking i fremtiden.
Tabell 4. Effekten Av DryFining på ytelsen Til Coal Creek Unit 1. Kilde: Great River Energy
nedgangen i kullstrømningshastigheten skyldes økt høyere oppvarmingsverdi av kullet. Redusert fuktighet kull hadde også forbedret grindability, så mill makt redusert med nesten 10%. Dette gjorde at enheten kunne drives med seks møller i drift, i stedet for de vanlige syv eller åtte. Å frigjøre en av møllene som skal brukes som reserve forbedrer anleggets tilgjengelighet, da møllene kan roteres inn og ut av drift for rutinemessig vedlikehold eller reparasjon uten å redusere drivstoffbehandlingskapasiteten.
volumstrømmen av røykgass nedstrøms AV APH redusert med lavere kullstrøm og røykgasstemperatur, noe som resulterer i lavere utkast tap og lavere ID fan hestekrefter.
med tørrere kull, netto enhet varme rate, bestemt Av Kjele-Turbin Syklus Effektivitet metoden, redusert med 3,5%. Boiler effektivitet, som bestemmes AV ASME PTC 4, økte med 3,4%. Forbedringen i netto enhet varme rate er høyere enn forbedring i kjele effektivitet fordi, med tørrere kull, stasjonen ekstra kraft som brukes er lavere, sammenlignet med våt kull.
CO2-Utslipp. Reduksjonen I CO2-utslipp ved bruk av ytelsestestdataene fra Tabell 4 var 3,56%, som sammenligner gunstig med de forventede reduksjonene vist i Tabell 2. Å legge til ekstra varmeoverføringsoverflate til kjelen vil tillate ytterligere reduksjon av kullfuktighetsinnholdet, med en forventet 4,5% varmeforbedring og en mer enn 4,6% reduksjon AV CO2-utslipp. Implementeringen av Tørrfining ved Coal Creek reduserte CO2 – utslippsintensiteten med 3,0%.
Nox-Utslipp. Tørrfining har en signifikant positiv effekt på nox -, SO2-og totalt kvikksølv (Hgt) – utslipp (Tabell 5). En reduksjon I nox-utslipp tilskrives lavere kullinngang og lavere primærluft (PA) til sekundærluft (SA) strømningsforhold, sammenlignet med våtkulldrift. Den nedre pa-strømmen resulterer i lavere nox-formasjon ved brennerne, mens den høyere sa-strømmen gir dypere ovnsstaging, med mer overfire luft tilgjengelig. Den resulterende 30% nox-reduksjonen tillot Coal Creek å oppfylle sine nye nox-utslippsgrenser ved kjeleinnstilling, og unngår en kostbar installasjon av et selektivt ikke-katalytisk reduksjonssystem.
Tabell 5. Effekt Av DryFining på utslipp Ved Coal Creek Unit 1. Merk at Tørrfining Av Enhet 1 reduserte enhetens CO2 – utslippsintensitet med 3,0%. Kilde: Stor Elv Energi
So2 Utslipp. SO2 utslippsreduksjon kan deles inn i tre deler. For det første resulterer den lave strømningshastigheten av tørrkull til kjelen i en reduksjon i mengden svovel som kommer inn i kjelen. For det andre er en betydelig del av det uorganisk bundet svovelet (ca.30%) segregert ut fra FBD. Svovel segregering, målt under tørketrommel aksept tester, var 33.2%. Til slutt gir den lavere volumetriske strømmen av røykgass en større andel røykgass som skal skrubbet, noe som reduserer SO2-utslippene ytterligere (Figur 2).
2. BETYDELIG SO2 reduksjon. SO2 fjerning i FGD før og etter implementering Av DryFining er vist. Den resulterende reduksjonen I so2-utslipp tillot Coal Creek-Stasjonen å møte DE nye so2-utslippsstandardene uten å installere en ekstra skrubbemodul. De blå stolpene representerer resultattestresultater. Røde streker representerer gjennomsnittlige årlige data. Kilde: Great River Energy
Kvikksølvutslipp. Røykgass kvikksølvkonsentrasjon og artsdannelse ble målt ved hjelp av våt impinger-baserte semi-kontinuerlige utslipp skjermer PÅ APH innløp, FGD innløp og utløp, fgd bypass, og stack. Sorbentfelle-målingene ble utført for kvalitetskontroll. Anlegget continuous emissions monitoring system ble brukt til kontinuerlig måling Av HgT i stabelen.
reduksjonen på 35% til 40% i HgT-utslipp produsert Ved Tørrfining skyldes lavere strømningshastighet av tørket kull inn i anlegget, fjerning av ca. 30% av pyrittbundet kvikksølv fra kullet I FBD ved gravitasjonssegregering, endring i kvikksølvspesifikasjon og økt strømningshastighet av røykgass gjennom FGD, hvor oksidert kvikksølv (Hg2+) fjernes. Reduksjonen I HgT-utslipp har gjort Det mulig For Coal Creek Station å møte nye utslippsgrenser med fgd-tilsetningsstoffer for å redusere Hg2+ re-utslipp, og dermed unngå injeksjon av pulverisert aktivert karbon.
Samlet unngikk Great River Energy $366 millioner i investeringsutgifter, som ellers ville være nødvendig for å overholde utslippsforskriften.
Langsiktig Driftserfaring
DryFining har vært i kontinuerlig kommersiell drift På Coal Creek Station i over fire år, oppnå tilgjengelighet høyere enn 95%, og ikke forårsaker en enkelt enhet strømbrudd. Stasjonens nettogenerasjon har også økt siden implementeringen Av Tørrfining.
Ytelse og Utslipp. Ytelsen til Begge Coal Creek enheter fortsetter å forbedre siden kommersiell drift Av DryFining begynte i desember 2009. Figur 3 gir en sammenligning av månedlige gjennomsnittlige netto enhet varme rate verdier, bestemt av input / output metoden. Den gjennomsnittlige årlige forbedringen i netto enhetsvarmefrekvens For Enhet 1 er 3,4% – nesten det samme som målt under grunnlinjetestene. Varmefrekvensforbedringen For Enhet 2 på 5,8% er høyere fordi den også inkluderer effekten av en dampturbinoppgradering. Siden 2009 har stasjonens ekstra kraftbruk av hver enhet redusert 5 MW.
3. Varmefrekvens i gjennomgang. Månedlig gjennomsnittlig netto enhet varme priser for raffinert (2013, etter tre års drift) og våt (2009, før implementering Av Tørrfining) kull er vist. Kilde: Great River Energy
Årlig Gjennomsnittlig nox-og SOx-utslipp For Enheter 1 og 2 Ved Coal Creek er presentert i Figur 4 for tidsperioden 2005 til 2013. Etter implementering av DryFining ble sox-utslippene redusert med 44% til 46%, Mens nox-utslippene ble redusert med 24% til 25%, sammenlignet med gjennomsnittet for 2005-2009. Den langsiktige reduksjonen i NOx var mindre sammenlignet med testresultatene presentert i Tabell 5 fordi endringer i enhetsbelastning og forbrenningsinnstillinger, opplevd i vanlig drift, øker NOx.
4. Før Og etter Tørking. SO2S gjennomsnittlige årlige utslippsreduksjon mellom 2009 og 2013 var 45,6%. Den Gjennomsnittlige årlige nox-utslippsreduksjonen fra 2009 til 2013 var 24,7%. Kilde: Great River Energy
Effekter Av Kulltørking På Anleggsdrift
Ved Hjelp Av DryFining har påvirket ytelsen til komponenter i gassbanen, fra kjelen til stakken.
Kjele. Den lavere strømningshastighet av raffinert kull og dens lavere fuktighetsinnhold har redusert konvektive banen røykgass flyt, varmekapasitet av røykgassen, og konveksjon varmeoverføringskoeffisient. For å opprettholde de oppvarmede damptemperatursettpunktene har forbrenningskontrollsystemet økt hovedbrennerventiler og lukkede ventilventiler. Total sootblowing dampstrømmen har vært konstant, selv om bruken delt endret. Hyppigheten av rengjøring ovn vannvegger redusert mens rengjøring frekvens for konvektive banen økt for å forbedre damptemperaturer og lavere brenner vipper.
Luft Forvarmer. Før DryFining opplevde APHs høyt differensialtrykk over primærluft-og røykgassektoren. Dette var et resultat av høye strømmer og begroing av varmeoverføringspassasjer I APH – kaldenden. Det høye fuktinnholdet i røykgassen sammen med sesongvariasjoner i luftinnløpstemperaturene var store skyldige i begroing og korrosjon av VARMEOVERFØRINGSFLATENE I APH – kjøleenden, som ble erstattet hvert tredje år. Høyt trykkfall også produsert overdreven luft til gass-side lekkasje. DryFining nesten eliminert disse problemene, samt betydelig redusere primær luftstrøm OG DERFOR ID fan makt (Tabell 6).
Tabell 6. Luftforvarmere og driftsparametere for primærluft før Og etter Tørrfining. Kilde: Great River Energy
Møller Og Kullrør. Før Tørrfining ble det normalt kjørt syv møller (åtte var nødvendig for full belastning i kaldt vær). Feeder turer, forårsaket av store biter av kull, steiner, og tramp jern stalling materen var hyppige forekomster, noe som resulterer i last derate og mange mater belte erstatninger. Høye PA-strømmer, som kreves for å opprettholde mølleutgangstemperaturer, resulterte i høye hastigheter i kullrørene og økt erosjon. Også, på grunn av den høye pa flyt, møllen klassifiserere ble satt for lav til å øke intern mill sirkulasjon og opprettholde kull finhet resulterer i økt mill kraftbehov.
DryFining har tillatt hver enhet Ved Coal Creek å operere ved full belastning med seks møller og redusert pa-strømning. Med lavere pa-strømning var det en økning i møllekapasiteten og en reduksjon i møllekraft og vedlikehold av møllen. Mill mater turer har blitt eliminert, og anlegget tilgjengelighet har forbedret (Tabell 7).
Tabell 7. Mill driftsparametere før Og Etter Tørrfining. Kilde :Stor Elv Energi
ID-Fans. Fordi en vifte er en volumetrisk enhet, resulterer økningen i sugetrykk, reduksjon i innløpstemperatur og økning i gassdensitet i lavere viftekraftkrav. ETTER implementering av Tørrfining reduserte ID-vifteffekten 2 MW til 4 MW per enhet på grunn av lavere røykgassstrømningshastighet, høyere røykgassdensitet og redusert APH-begroing.
FGD. Hver enhet På Coal Creek er utstyrt med en fire-modul våt scrubber stand til å skrubbe 75% av røykgassen. Lavere røykgassstrøm og temperatur fra Tørrfining har økt skrubbet strømning til 85% til 100% av den totale røykgassstrømmen, noe som eliminerer behovet for å installere en femte modul.
Elektrostatisk Utfelling. Den eksisterende kaldsiden ESP fungerer bra til tross for reduksjonen i svovelinnholdet i kullet som behandles ved Tørrfining. Reduksjonen i røykgasstemperaturen har redusert resistiviteten til flyveasken, og dermed forbedret ESP-ytelsen. Også redusert volum av røykgassen reduserte hastigheten og økt oppholdstid. Begge effektene bidro til å forbedre ESP-innsamlingseffektiviteten de siste fire årene. ■