förbättrad effektivitet vid befintliga koleldade kraftverk var som helst i världen är en väg utan ånger: ett effektivare kraftverk använder mindre kol, har lägre utsläpp och upplever lägre rörliga kostnader. Great River Energys Coal Creek Station har visat att genom att återvinna lågkvalitativ spillvärme med torrfoder kan den minska utsläppen, inklusive CO2, och förbättra anläggningens prestanda vid förbränning av vått kol.
att effektivisera befintliga kraftverk är ett effektivt och ekonomiskt sätt att minska koldioxidutsläppen (CO2). För en typisk pulveriserad koleldad anläggning resulterar en 1% ökning av nettoenhetens effektivitet i en 2,7% minskning av CO2-utsläpp vid konstant effekt. För att sätta denna effektivitetsökning i perspektiv, USA. Environmental Protection Agency i ett av sina alternativ för att uppfylla statewide energisektorn utsläppsminskningsmål i den föreslagna Clean Power Plan, mål en genomsnittlig 6% förbättring av nettoenhet värmehastighet av koleldade genererande enheter, vilket är ungefär en 2.7% förbättring av nettoenhet effektivitet för en kol flotta med en genomsnittlig värmehastighet på 10,000 Btu/kWh. Det är ett formidabelt mål för den koleldade kraftindustrin.
många Värmehastighetsförbättringsalternativ
kraftindustrin har alternativ. Ett kompendium av potentiella värmehastighetsförbättringar och utsläppsminskningsalternativ sammanfattas i Tabell 1. Graden av möjlig förbättring av värmehastigheten beror emellertid i stor utsträckning på vilken typ av kol som bränns. Det mest önskvärda alternativet för förbättring av värmehastigheten för kraftverk som bränner kol med hög fuktighet är att bedriva koltorkningsteknik med hjälp av återvunnen lågvärdig värme från rökgas. (För mer information om värmeåtervinningsteknik för kraftverk, se” Power 101: Rökgasvärmeåtervinning i kraftverk”, delarna i, II och III, i POWER archives.)
Tabell 1. Många alternativ för förbättring av värmehastigheten. I allmänhet kan enhetens värmehastighet förbättras genom att förbättra pannans förbränningseffektivitet och turbincykeleffektivitet och genom att minska hjälpkraften. Observera att värmehastighetsförbättringar i allmänhet inte är additiva och beror på många platsspecifika faktorer. Källa: öka effektiviteten och minska utsläppen av befintliga pulveriserade koleldade enheter, ICCI-Projektnummer 07-1 / 5.1 A-1
lågrankade kol med hög fuktighet utgör cirka 50% av USA: s och världens kolreserver. Med tanke på överflödet av dessa billiga kol är användningen av kol med hög fuktighet för kraftproduktion vanligt och växande. Bara i USA bränner 279 kraftanläggningar kol med hög fuktighet, såsom brunkol och Pulverflodbassäng subbituminöst kol. Dessa växter producerar nästan en tredjedel av den koleldade elproduktionen i USA, enligt Department of Energy.
när kol med hög fuktighet bränns i elpannor används cirka 7% av bränslevärmetillförseln för att avdunsta och överhetta bränslefuktighet som lämnar rökgasen, med det mesta av denna förlust förknippad med latent förångningsvärme. Vidare resulterar kol med hög fuktighet, lågt värmevärde i högre bränsle-och rökgasflöden, högre hjälpkraftanvändning, högre nettovärmehastighet och högre Kvarn, kolrör och brännarunderhåll jämfört med bituminösa kol. Omvänt förbättrar en minskning av kolfuktinnehållet genom termisk torkning pannans och enhetens effektivitet, anläggningens drift och ekonomi—samtidigt som CO2-utsläppen minskar. Många av de koltorkande termiska processer som hittills utvecklats är emellertid antingen mekaniskt komplexa eller kräver kostsam primärenergi eller ånga för att avlägsna fukt från kolet. Detta ökar avsevärt bränsleförädlingskostnaden, vilket är det största hindret för industrins acceptans.
Coal Creek väljer FBD-teknik
en ny koltorknings-och rengöringsprocess med låg temperatur som använder en rörlig bäddfluidiserad bäddtork (FBD) och använder spillvärme för att minska fuktinnehållet i kol med låg rang har nyligen utvecklats och kommersialiserats av Great River Energy vid dess Coal Creek Station. Tekniken är kommersiellt tillgänglig som DryFining Fuel Enhancement Process (DryFining).
för befintliga enheter, beroende på platsspecifikationer, kan torrfoder minska den totala kolfuktigheten med 10 till 15 procentenheter. Den maximala förbättringen som visas i Tabell 2 representerar koltorkning utanför anläggningen och leverans av torrt kol till platsen. Minsta motsvarar grundläggande torrfoder termiska integrationsalternativ. Denna analys är konservativ eftersom den inte tar hänsyn till minskning av systemutkast och därmed minskning av fläkteffekten.
Tabell 2. Termisk torkning av kol med hög fuktighet. Förbättring av värmehastigheten beror på det ursprungliga kolfuktinnehållet, med högre initial fukt vilket resulterar i högre prestandaförbättring, liksom andra platsspecifika faktorer. Pannans konvektionspassgräns kan också begränsa den potentiella förbättringen av enhetens värmehastighet för befintliga enheter. Källa: Great River Energy
termisk integration av torrfoder är mycket platsspecifik och beror på tillgängliga värmekällor, utrymmesbegränsningar och anläggningens allmänna utformning. Fördelarna med koltorkning, såsom förbättring av värmehastigheten, ökar när minskningen av kolfuktigheten ökar. Den uppnåbara minskningen av kolfuktinnehållet kan begränsas av värmeprestanda hos pannkonvektionspasset, mängden tillgänglig värme eller av jämviktsfuktinnehållet i kol.
för den befintliga pannan finns en praktisk gräns för hur mycket värmehastighetsminskning som är möjlig genom att avlägsna fukt från bränslet. När kolfuktinnehållet reduceras ökar kolets värmevärde, vilket minskar mängden torrt kol som matas till pannan. Detta ger i sin tur mindre rökgas med lägre termisk kapacitet och därför reduceras desuperheating sprayflöden. När överhettningsventilerna stängs och brännarna når maximal lutning kan ångtemperaturbörvärdena inte längre bibehållas och ångtemperaturerna börjar minska. Detta driftsförhållande, kallat konvektionspassgränsen, bestämmer den maximala möjliga kolfuktminskningen. Konvektionspassgränsen beror på pannans design, med superkritiska pannor som kan hantera betydligt högre minskningar av kolfuktighet (upp till 20 procentenheter) jämfört med de subkritiska enheterna, som vanligtvis hanterar kolfuktminskningar på cirka 10 procentenheter, utan konvektionspassändringar. Nya pannor konstruerade med integrerad torrfoder är inte föremål för konvektionspassgränsen.
DryFining Bränsleförbättringsprocessen
Great River Energys FBD-design utför två viktiga funktioner: Det rengör kolet genom att avlägsna en betydande del av svavel och kvicksilver från råkolet i det första FBD-steget och torkar kolet i det andra steget. Rengöringsfunktionen särskiljer denna koltorkningsteknik och ger en mycket viktig cobenefit av utsläppsminskning.
en rörlig bädd FBD valdes för Torrfodringsprocessen på grund av dess höga värme-och massöverföringskoefficienter, vilket ger en kompakt torkdesign. Luft används som ett fluidiseringsmedium istället för den vanliga ångan. Potentiell devolatisering av kol under torkningsprocessen undviks genom torkning med lågkvalitativ spillvärme (Figur 1).
1. Tvåstegs koltork. Denna schematiska av en rörlig bädd fluidiserad bäddtork visar hur det råa kolet rengörs av svavel och kvicksilver i det första steget och kol torkas i det andra steget. Varm fluidiserande luft tillhandahålls från växt lågkvalitativ spillvärme. Källa: Stor Flodenergi
krossat kol matas till det första steget i den fluidiserade bäddtorken, där icke-fluidiserbart material som stenar och andra fraktioner med högre densitet segregeras i botten av torken, medan mindre täta och mindre partiklar tenderar att flyta. Därför har den segregerade strömmen som släpps ut från torken högre mineralmaterialinnehåll (inklusive pyrit) jämfört med det torkade kolet (produktströmmen). Eftersom det mesta av det oorganiskt associerade svavlet finns i pyritformer, i fallet med North Dakota (ND) brunkol, separeras cirka 30% av svavel och kvicksilver (Hg) från kol i det första steget av FBD.
det fluidiserbara materialet kommer därefter in i torkens andra steg, där ytan och en del av den inneboende kolfuktigheten avdunstas av värmen som tillförs av fluidiseringsluften och värmeväxlaren i sängen. Värmeväxlaren i sängen ökar temperaturen på fluidiserande (torkande) luft och fluidiserad kolbädd, vilket förbättrar torkningskinetiken. Torkningsprocessen påverkar mikrostrukturen hos kolpartiklar som sönderdelas under torkning. Det torrare och finare kolet släpps ut från FBD som produktström. Sängens uppehållstid och temperatur är de viktigaste parametrarna som påverkar kvarvarande fuktinnehåll.
fyra års erfarenhet av drift
tre serier av kontrollerade tester utfördes på Coal Creek Unit 1 vid full belastning (600 MW, brutto), steady state-förhållanden före och efter implementeringen av torrfoder för att kvantifiera förbättringen av enhetens prestanda och utsläpp. Koltorknings-och rengöringssystemet är dimensionerat för 1 100 ton/timme rå nd brunkol med fukthalt i intervallet 38% till 40%. DryFining har varit i kontinuerlig kommersiell drift vid Coal Creek Station sedan December 2009.
testerna med det våta (råa) kolet utfördes i September 2009 för att fastställa baslinjens prestanda och utsläpp. Tester med torrfoder i drift utfördes i mars-April 2010 och oktober 2011. Dessa testresultat sammanfattas nedan. Den fullständiga testrapporten finns på ”Brunkolsbränsle förbättring slutlig teknisk rapport,” DOE Award nummer: DE-FC26-04NT41763, släppt juni 2010.
Driftsförhållanden. Luftförvärmare (APH) luftläckage minskade på grund av de lägre drag med torkat kol. Med torkat kol minskade temperaturen på rökgas vid APH-utgången, vilket resulterade i lägre volymetrisk flöde av rökgas som kommer in i rökgasavsvavlingssystemet (FGD), vilket möjliggör en större andel av rökgasen som ska skrubbas (Coal Creek använder en FGD-gasomgång för att upprätthålla torra stapelförhållanden).
som en följd av det lägre FGD-bypassflödet minskade stapeltemperaturen men förblev långt över mättnadstemperaturen. Även med lägre rökgastemperatur minskade rökgashastigheten genom den elektrostatiska utfällaren (ESP), vilket resulterade i förbättrad partikeluppsamlingseffektivitet och lägre opacitet. Testförhållandena sammanfattas i tabell 3.
tabell 3. Enhet 1 driftsförhållanden under September 2009 och oktober 2011 tester. Källa: Great River Energy
Enhetens Prestanda. Effekten av torrfoder på nettoenhet värmehastighet och pannans effektivitet, bränsle och stack flöde, och kvarn och inducerad utkast (ID) fläkteffekt sammanfattas i Tabell 4. Under testerna i oktober 2011 minskade kolfuktinnehållet med 5 procentenheter eller 13%, vilket resulterade i ~11% ökning av koluppvärmningsvärdet. Ytterligare minskning av bränslefuktighet vid Coal Creek begränsades av ångtemperaturer, som började minska på grund av den lägre flödeshastigheten för rökgas genom pannans konvektiva pass. Ytterligare pannvärmeöverföringsyta planeras för att möjliggöra djupare koltorkning i framtiden.
Tabell 4. Effekten av DryFining på utförandet av Coal Creek Unit 1. Källa: Great River Energy
minskningen av kolflödet berodde på det ökade högre värmevärdet för kolet. Kolet med reducerad fuktighet hade också förbättrad slipbarhet, så kvarnkraften minskade med nästan 10%. Detta gjorde det möjligt för enheten att drivas med sex kvarnar i drift, istället för de vanliga sju eller åtta. Att frigöra ett av bruken som ska användas som reserv förbättrar anläggningens tillgänglighet, eftersom bruken kan roteras in och ut ur drift för rutinunderhåll eller reparation utan att minska bränsleförädlingskapaciteten.
den volymetriska flödeshastigheten för rökgas nedströms APH minskade med den lägre kolflödeshastigheten och rökgastemperaturen, vilket resulterade i lägre dragförluster och lägre ID-fläkthästkraft.
Med torrare kol minskade nettovärmenheten, bestämd av Pannturbincykeleffektivitetsmetoden, med 3,5%. Pannans effektivitet, bestämd av ASME PTC 4, ökade med 3,4%. Förbättringen av nettoenhetens värmehastighet är högre än förbättringen av pannans effektivitet eftersom den använda stationens hjälpkraft med torrare kol är lägre jämfört med det våta kolet.
CO2-utsläpp. Minskningen av CO2-utsläpp med hjälp av prestandatestdata från Tabell 4 var 3,56%, vilket kan jämföras med de förväntade minskningarna som visas i Tabell 2. Att lägga till ytterligare värmeöverföringsyta till pannan möjliggör ytterligare minskning av kolfuktinnehållet, med en beräknad 4,5% värmehastighetsförbättring och en mer än 4,6% minskning av CO2-utsläpp. Genomförandet av torrfoder vid Coal Creek minskade CO2-utsläppsintensiteten med 3,0%.
NOx-Utsläpp. Torrfoder har en signifikant positiv effekt på NOx -, SO2-och totala kvicksilverutsläpp (HGT) (Tabell 5). En minskning av NOx-utsläpp tillskrivs lägre kolingång och lägre flödesförhållande mellan primärluft (PA) och sekundärluft (SA) jämfört med våt koldrift. Det lägre pa-flödet resulterar i lägre NOx-bildning vid brännarna, medan det högre SA-flödet möjliggör djupare ugnsstagning, med mer överbrandsluft tillgänglig. Den resulterande 30% NOx-reduktionen gjorde det möjligt för Coal Creek att uppfylla sina nya NOx-utsläppsgränser genom pannstämning, vilket undviker en kostsam installation av ett selektivt icke-katalytiskt reduktionssystem.
Tabell 5. Effekt av torrfoder på utsläpp vid Coal Creek Unit 1. Observera att Torrfoder av enhet 1 minskade enhetens CO2-emissionsintensitet med 3,0%. Källa: Great River Energy
SO2 utsläpp. SO2 – utsläppsminskningen kan delas upp i tre delar. För det första resulterar den låga flödeshastigheten för torrt kol till pannan i en minskning av mängden svavel som kommer in i pannan. För det andra separeras en betydande del av det oorganiskt bundna svavel (cirka 30%) Från FBD. Svavelsegregering, mätt under torkantagningstesterna, var 33,2%. Slutligen tillåter det lägre volymetriska flödet av rökgas en större andel rökgas att skrubbas, vilket ytterligare minskar SO2-utsläppen (Figur 2).
2. Betydande SO2-minskning. SO2-borttagning i FGD före och efter implementering av torrfoder visas. Den resulterande minskningen av SO2-utsläpp gjorde det möjligt för Coal Creek Station att uppfylla de nya SO2-utsläppsnormerna utan att installera en extra skrubbermodul. De blå staplarna representerar prestandatestresultat. Röda staplar representerar genomsnittliga årliga data. Källa: Great River Energy
Kvicksilverutsläpp. Rökgas kvicksilverkoncentration och speciering mättes med hjälp av våta impinger-baserade halvkontinuerliga utsläppsmonitorer vid APH-inloppet, FGD-inloppet och utloppet, FGD-bypass och stack. Mätningarna av sorbentfällan utfördes för kvalitetskontroll. Anläggningens kontinuerliga utsläppsövervakningssystem användes för kontinuerlig mätning av HgT i stapeln.
35% till 40% minskning av HgT-utsläpp som produceras genom torrfoder beror på den lägre flödeshastigheten för torkat kol i anläggningen, avlägsnande av cirka 30% av det pyritbundna kvicksilveret från kolet i FBD genom gravitationssegregering, förändring av kvicksilverspeciering och ökat flöde av rökgas genom FGD, där oxiderat kvicksilver (Hg2+) avlägsnas. Minskningen av HgT-utsläpp har gjort det möjligt för Coal Creek Station att uppfylla nya utsläppsgränser med FGD-tillsatser för att minska HG2+ – utsläpp och därigenom undvika injektion av pulveriserat aktivt kol.
sammantaget undvek Great River Energy 366 miljoner dollar i investeringar, vilket annars skulle behövas för att följa utsläppsreglerna.
långsiktig driftserfarenhet
torrfoder har varit i kontinuerlig kommersiell drift vid Coal Creek Station i över fyra år och uppnått tillgänglighet högre än 95% och orsakar inte en enda enhetsavbrott. Stationens nätgenerering har också ökat sedan implementeringen av torrfoder.
prestanda och utsläpp. Prestandan för båda Coal Creek-enheterna fortsätter att förbättras sedan kommersiell drift av torrfoder började i December 2009. Figur 3 ger en jämförelse av månatliga genomsnittliga nettoenhetens värmehastighetsvärden, bestämda av input/output-metoden. Den genomsnittliga årliga förbättringen av nettoenhetens värmehastighet för Enhet 1 är 3,4%—praktiskt taget samma som uppmätt under baslinjetesterna. Värmehastighetsförbättringen för Enhet 2 på 5,8% är högre eftersom den också inkluderar effekten av en ångturbinuppgradering. Sedan 2009 har stationens hjälpkraftanvändning av varje enhet minskat 5 MW.
3. Värmehastighet i granskning. Månatliga genomsnittliga nettoenhetsvärmehastigheter för raffinerad (2013, efter tre års drift) och våt (2009, före genomförandet av torrfoder) kol visas. Källa: Great River Energy
årliga genomsnittliga NOx-och SOx-utsläpp för enheterna 1 och 2 Vid Coal Creek presenteras i Figur 4 för tidsperioden 2005 till 2013. Efter genomförandet av torrfoder minskade SOx-utsläppen med 44% till 46%, Medan NOx-utsläppen minskade med 24% till 25% jämfört med genomsnittet 2005-2009. Den långsiktiga minskningen av NOx var mindre jämfört med testresultaten som presenteras i Tabell 5 Eftersom förändringar i enhetsbelastning och förbränningsinställningar, som upplevs vid regelbunden drift, ökar NOx.
4. Före och efter torrfoder. SO2: s genomsnittliga årliga utsläppsminskning mellan 2009 och 2013 var 45,6%. Den genomsnittliga årliga utsläppsminskningen från 2009 till 2013 var 24,7%. Källa: Great River Energy
effekter av Koltorkning på anläggningens drift
användning av torrfoder har påverkat prestandan hos komponenter i gasvägen, från pannan till stapeln.
panna. Den lägre flödeshastigheten för raffinerat kol och dess lägre fuktinnehåll har minskat rökgasflödet för konvektiv väg, rökgasens värmekapacitet och konvektionsvärmeöverföringskoefficient. För att bibehålla de återuppvärmda ångtemperaturbörvärdena har förbränningskontrollsystemet ökat huvudbrännarens lutningar och stängda försökventiler. Totalt sotblåsande ångflöde har förblivit konstant, även om användningsdelningen ändrats. Frekvensen för rengöringsugnens vattenväggar minskade medan rengöringsfrekvensen för den konvektiva vägen ökade för att förbättra ångtemperaturerna och lägre brännarlutningar.
Luftförvärmare. Före torrfoder upplevde APHs högt differenstryck över de primära luft-och rökgassektorerna. Detta var ett resultat av höga flöden och nedsmutsning av värmeöverföringspassagerna i APH-kalla änden. Rökgasens höga fuktinnehåll tillsammans med säsongsvariationer i luftinloppstemperaturerna var stora synder för nedsmutsning och korrosion av APH-kalla ändvärmeöverföringsytorna, som ersattes vart tredje år. Det höga tryckfallet gav också överdriven luft till gasläckage. DryFining praktiskt taget elimineras dessa problem, samt avsevärt minska primära luftflödet och därmed ID fläktkraft (Tabell 6).
Tabell 6. Luftförvärmare och primära luftoperationsparametrar före och efter torrfoder. Källa: Great River Energy
kvarnar och kolrör. Före torrfoder kördes normalt sju kvarnar (åtta krävdes för full belastning i kallt väder). Feeder resor, orsakade av stora bitar av kol, stenar, och tramp järn stalling mataren var frekventa händelser, vilket resulterar i belastning derate och många matarbälte ersättare. Höga pa-flöden, som krävs för att upprätthålla kvarnens utgångstemperaturer, resulterade i höga hastigheter i kolrören och ökad erosion. På grund av det höga pa-flödet sattes också kvarnklassificerarna för låga för att öka den inre kvarncirkulationen och upprätthålla kolfinhet vilket resulterade i ökade krav på kvarnkraft.
DryFining har gjort det möjligt för varje enhet vid Coal Creek att arbeta vid full belastning med sex kvarnar och minskat pa-flöde. Med lägre pa-flöde var det en ökning av kvarnkapaciteten och en minskning av kvarnkraft och kvarnunderhåll. Mill feeder resor har eliminerats, och anläggningens tillgänglighet har förbättrats (Tabell 7).
Tabell 7. Mill driftsparametrar före och efter torrfoder. Källa: stor flod energi
ID Fans. Eftersom en fläkt är en volymetrisk anordning resulterar ökningen av sugtrycket, minskningen av inloppstemperaturen och ökningen av gastätheten i lägre fläkteffektbehov. Efter implementering av torrfoder minskade ID-fläkteffekten 2 MW till 4 MW per enhet på grund av lägre rökgasflöde, högre rökgasdensitet och minskad APH-nedsmutsning.
FGD. Varje enhet på Coal Creek är utrustad med en våtskrubber med fyra moduler som kan skrubba 75% av rökgasen. Lägre rökgasflöde och temperatur från torrfoder har ökat skrubbat flöde till 85% till 100% av det totala rökgasflödet, vilket eliminerar behovet av att installera en femte modul.
Elektrostatisk Utfällare. Den befintliga KALLSIDAN ESP fungerar bra trots minskningen av svavelhalten i kolet som behandlas genom torrfoder. Minskningen av rökgastemperaturen har minskat flygaskaens resistivitet, vilket förbättrar ESP-prestanda. Dessutom minskade volymen av rökgasen dess hastighet och ökad uppehållstid. Båda effekterna bidrog till att förbättra ESP-insamlingseffektiviteten under de senaste fyra åren.
—Nenad Sarunac ([email protected]) är episk docent i maskinteknik och ingenjörsvetenskap vid University of North Carolina i Charlotte. Mark Ness ([email protected]) är principingenjör och Charles Bullinger ([email protected]) är principingenjör med stor Flodenergi.