Nowe technologie wytwarzania energii elektrycznej i ciepła dla modernizacji, rekonstrukcji i budowy nowych źródeł

(1)

ZESZYTY NAUKOWE POLITECHNIKI ŚLĄSKIEJ Seria: ENERGETYKA z. 120

1994 Nr kol. 1260

Tadeusz J. CHM IELNIAK

Instytut M aszyn i U rządzeń Energetycznych, Politechnika Śląska, Gliwice

Jerzy THAMM

Fabryka Kotłów RAFAKO S.A., Racibórz

NOWE TECHNOLOGIE WYTWARZANIA ENERGII ELEKTRYCZNEJ I CIEPŁA DLA M ODERNIZACJI, REKONSTRUKCJI I BUDOWY NOWYCH ŹRÓDEŁ

S tr e sz c z e n ie . W arty k u le dokonano przeglądu technologii w ytw a

rzan ia energii elektrycznej utylizujących paliw a organiczne. R ozpatry

wano ch arakterystyk i ekonomiczne i ekologiczne. Szczególną uwagę zwrócono n a układy gazowo-parowe zintegrowane ze zgazowaniem węgla.

NEW TECHNIQUES OF POWER AND HEAT GENERATION FOR

MODERNIZATION, REPOW ERING AND BUILDING OF NEW ENERGY SOURCES

Sum m ary. The pap er p resen ts a review of power generation techniques using organic fuels. Economical and ecological ch aracteristics have been analyzed em phasizing th e coal-gasification combined cycles.

NEUE TECHNOLOGIEN ZUR EN ERG IE UND W ÄRMEERZEUGUNG FÜR UMBAU, M ODERNISIERUNG UND NEUANLAGEN

Z u sam m en fa ssu n g . Die A rbeit e n th ä lt einen Ü berblick von Energieerzeugungstechnologien zur B enutzung d er Fossilbrennstoffe.

Die Ökonomischen u n d Ekologischen C h a ra k te ristik e n w urden analysiert. Besondere A ufm erksam keit w urde a u f G as-D am pf

turbinenprozesse m it K ohlevergasung gelegt.

(2)

94 Tadeusz J. Chmielniak, Jerzy Thamm

1. WPROWADZENIE

W ostatnim okresie czasu opracowano wiele nowych technologii w ytw arza

nia energii elektrycznej i ciepła. Zapew niają one efektywniejsze w ykorzysta

nie energii chemicznej paliw a oraz g w a ra n tu ją zm niejszenie obciążenia środo

w iska naturalnego. Technologiczną dojrzałość dla energetyki uzyskały: nad- krytyczne bloki z kotłam i pyłowymi i wieloma technologiam i oczyszczania spalin oraz układy gazowo-parowe o różnej stru k tu rz e , w których spalany jest gaz ziem ny i węgieł (w tym także oba paliwa). Równolegle prowadzone są intensyw ne prace nad rozwojem nowych konstrukcji reaktorów jądrow ych z tzw. biernym i system am i bezpieczeństwa, które pozw alają istotnie zmniej

szyć ryzyko ro zprzestrzeniania się skutków ew entualnej aw arii. Z technolo

gicznego p u n k tu widzenia najlepszym paliw em organicznym je s t gaz ziemny.

Również instalacje energetyczne, w których je s t on spalany, charakteryzują się najlepszym i w skaźnikam i ekonomicznymi i ekologicznymi.

Z drugiej strony dla wielu krajów poważny potencjał paliwowy stanowi węgiel kam ienny i b runatny. Jego poważne (dotąd udokum entow ane) zasoby przy m niejszych zasobach gazu i b rak u społecznej akceptacji dla rozwoju energetyki jądrowej stanow ią poważny im puls i motywację rozwoju nowych

„czystych” energetycznych technologii węglowych [1], Potw ierdzają to dane pokazane n a rys. 1 [2] ilustrującym prognozę do 2020 roku udziału pierw ot

nych nośników energii w produkcji energii elektrycznej.

10 PWh/a

4 ■

7,33

5,96

4,47

\

' / / A 1990 £11,7 PW h/a r. 1 2010 2 16,84 PWIya { \ N N 2020 2 2005 PWhyb

302

1,43 1,501,47 1-52 9

%

3,34 n\

\

3,1 5 206

3,06 3,64

I 3)7

1 F I 9,15

0,05 0,4 Q9 1,0 Vo

l .U

Wągiel 01. opałow y Gaz E. jądrowa Woda Odnawialne Rys. 1. Prognoza zmiany struktury zużycia paliw pierwotnych w produkcji energii elektrycznej

Fig. 1. F orecast of th e fuel - consum ption in power g eneration

(3)

Nowe technologie wytwarzania energii elektrycznej.. 95

W ynika z nich nie tylko w zrost znaczenia węgla, ale tak że jego dom inująca rola w grupie paliw organicznych w produkcji energii elektrycznej. W przy

padku gdy nie znajdzie u zn an ia dalszy rozwój energetyki jądrow ej, jego zna

czenie dodatkowo wzrośnie.

W artyk ule przedstaw iono uw agi i dane um ożliw iające ocenę poszczegól

nych rodzajów technologii, w tym tak że określenia ich potencjalnych możliwo

ści na ry n k u produkcji energii elektrycznej.

2. RODZAJE TECHNOLOGII ENERGETYCZNYCH SPALAJĄCYCH PALIWA ORGANICZNE

2.1. K la sy c z n y b lo k k o n d e n sa c y jn y

Sprawność netto konw ersji energii chemicznej w ęgla w układzie parowym z kotłem i tu rb in ą kondensacyjną może (już po uw zględnieniu s tr a t energii w układach odazotow ania i odsiarczania spalin) osiągnąć w artość 42,5 — 43%

(blok 5 E lektrow ni STAUDINGER, [2], p a ra m e try początkowe p ary 262 bar, 545/562C). D ane przedstaw ione n a rys. 2 [3] p okazują granice w zrostu spraw ności tego uk ład u energetycznego. Postęp w inżynierii m ateriałow ej i w dyscy

plinach naukow ych ważnych dla rozwoju m aszyn i u rządzeń energetycznych spraw ia, że w najbliższym czasie możliwe stan ie się uzyskanie spraw ności termicznej przekraczającej 45 (47)% [2, 3]. Znacznie p rzesunęła się dziś g ran i

ca stosowalności stali ferrytycznych; dla nowej 10-procentow ej stali chromo

wej (P91) m ożna przy tym sam ym stan ie n ap rężeń podwyższyć te m p e ra tu rę o 20°C w porów naniu ze stosow anym i m ateriałam i. W tym w ypadku za opty

m alne p a ra m etry obiegu zaleca się przyjmować 25 M Pa i 580°C. D la stali austenitycznych (np. X3CrNiMoN1713) m ożna ju ż obecnie przyjąć 31 MPa, 630°C.

Inform acje te w skazują, że klasyczny blok kondensacyjny (upustow o-kondensacyjny) opalany węglem może n ad al być rozpatryw any jako konkurencyj

n a technologia w y tw arzania energii elektrycznej i ciepła.

2.2. U k ła d y g a z o w o -p a r o w e o p a la n e g a z e m z ie m n y m

U kład gazow o-parow y (UPG) będący kom binacją in stalacji tu rb in y gazo

wej opalanej gazem lub lekkim olejem opałowym (spalanie w ew nętrzne) oraz kotła odzyskowego je s t najprostszym technologicznie oraz najefektyw niej

szym term odynam icznie, ekonomicznie i ekologicznie układem energetycz

nym. Jego cechami charakterystycznym i są: duży udział mocy tu rb in y gazo

wej w ogólnej mocy u k ład u - stą d isto tn a zależność spraw ności od te m p e ra tu ry spalin przed tu rb in ą gazową; w części parowej: b ra k rozbudow anej regene

racji, zazwyczaj b rak w tórnego przegrzew u, złożona s tr u k tu ra kotła odzysko

wego (jednociśnieniowe, d w u - i trójprężne instalacje). Spraw ność netto eks

ploatowanych siłowni gazowo-parowych sięga obecnie 52-53% (zobacz np.

(4)

10.0 r

g5.0

e

CLCO

(Baza) 0

Druga generacja parametrów ( Przysztość)

V 5

649/649/649°C^

621/621/621’°C /

q621/621/621 °C

- i

593/593/593 “C / , / I 621/621

593/593/K3°C J

^-Pierwsza generacja parametrów

^ 5 6 6 /5 6 6 ^. /Aktualne \ 5 66°C / możliwości j / ytechnotogiczney

503/993 °Cw566/566/566°C

\ As Parametry konwencjonalne

5 6 k /5 r ~ '1 '

24.1 31.0 34.5

P ( MPa)

Rys. 2. Potencjalne możliwości w zrostu spraw ności bloku kondensacyjnego Fig. 2. Expected grow th possibilities of th e efficiency of condensing u nits

E lektrow nia A m barli - Turcja, moc sum aryczna trzech bloków: 1350MW, tu rb in a gazowa V 94,2 - KWU, moc części gazowej w bloku NTG = 2 ^X150 = 300 MW, Ntg /N tp = 1,8 - 2,0). Program y doskonalące U PG dotyczą zarówno części gazowej (opracowanie nowych konstrukcji tu rb in gazowych um ożliwia

jących w zrost tem p e ra tu ry spalin przed tu rb in ą gazową, nowe system y chło

dzenia, nowe komory spalania, nowe układy łopatkowe, nowe m ateriały itd.;

w prowadzenie regeneracji i wielomodułowego sp rężan ia itd.), ja k i części parowej (nowe konstrukcje kotłów odzyskowych: wieloprężność, zm niejszanie m inim alnych różnic tem p e ra tu r w procesie w ym iany ciepła itd., przesunięcie

(5)

Nowe technologie wytwarzania energii elektrycznej. 97

procesu odgazowania wody zasilającej do skraplacza, doskonalenie układu chłodzenia skraplacza itd.). Oferowane przez czołowe firm y tu rb in y gazowe (ABB - tu rb in y typu GT26 i GT13E2, GE - tu rb in y ty p u MS9001FA, Siem ens (kWU) tu rb in y z serii V. 94, W estighouse - tu rb in y serii 502FCC) um ożliw iają uzyskanie przy zastosow aniu nowoczesnych trójprężnych kotłów odzysko

wych i zoptymalizowanego u k ładu tu rb in y parowej spraw ności netto p rze k ra czającej 55-55%. N iektóre am erykańskie program y badawczo-rozwojowe za

kładają uzyskanie po 2005 roku spraw ności (odniesionej do dolnej w artości opałowej paliw a gazowego) 60% [4] (proponowany układ zakłada regenerację w części gazowej, chłodzenie m iędzykadłubowe w procesie sp rężan ia i parowe chłodzenie tu rb in y gazowej).

2.3. U k ła d y k o m b in o w a n e g a z o w o -p a r o w e u ty liz u ją c e gaz z iem n y i w ę g ie l

Rozpatrzymy dwa układy kom binowane dwupaliwowe (gaz ziemny, wę

giel) - rys. 3. Pierw szy z nich (rys. 3a) je s t układem szeregowym czołowej turbiny gazowej i pyłowego kotła węglowego. W tym przypadku spaliny wylo

towe z tu rb in y gazowej (posiadające 13-15% tlen u) zasilają palniki kotła pyłowego (instalacja może współpracować tak że z kotłem fluidalnym ). P ra k ty cznym przykładem instalacji tego typu je s t blok K w Elektrow ni W erne (Gersteinwerk, Niemcy) [5]. Przy sp alan iu węgla kam iennego ze śred n ią za

wartością części lotnych w celu zapew nienia prawidłowego procesu spalania układ m usi być wyposażony w w entylator pow ietrza. Konieczna ilość powie

trza przy zastosow aniu w ysokoparam etrow ych tu rb in gazowych (tem p eratu ra wlotowa do tu rb in y gazowej t > 1100°C, te m p e ra tu ra spalin wylotowych z turbiny gazowej t = 540-590°C) stanow i 1/4 całej m ieszaniny: spaliny + powietrze. F a k t ten, zwiększając potrzeby w łasne, obniża spraw ność układu w porównaniu z UPG. O siągalna spraw ność (zależna od NTG/N TP oraz tem p e ra tury n a wlocie do tu rb in y gazowej, param etró w p a ry świeżej i stru k tu ry części parowej itd.) je s t rzędu 45-47%. N iew ątpliw ą w adą u k ład u je s t konieczność stosowania (przy istniejących i przew idyw anych norm ach emisji) układów odsiarczania i odazotow ania (nie w ystarczają m etody czynne). Ze względu n a rodzaj najczęściej stosow anych katalicznych m etod odazotow ania (technologie SCR) celem uniknięcia kłopotów eksploatacyjnych instalacje u su w an ia NOx powinny być lokowane za in stalacją odsiarczania, co w ym aga dodatkowego podgrzewu spalin (rys. 2b) i tym sam ym obniża spraw ność netto układu. Za zaletę u kład u m ożna uważać stosunkowo duże możliwości połączenia z istn ie

jącymi układam i konwencjonalnymi. Zauważmy, że uk ład może być szczegól

nie interesujący dla węgli b ru n atn ych (duża zaw artość części lotnych, nieko

nieczne stosow anie m etod biernych u su w an ia NOx).

Drugi uk ład (rys. 3b) je s t rozw ażany od nied aw na (początek la t dziewięć

dziesiątych [2, 6]). J e s t on sprzężeniem u k ład u gazowego z kotłem odzysko

wym z klasycznym układem parowym z węglowym kotłem paleniskowym .

(6)

co00

Rys. 3. a. U kład z czołową tu rb in ą gazową; b. Sprzężony układ dwupaliwowy (gaz, węgiel): TG - tu rb in a gazowa, KP - kocioł parowy, W P - w en ty lato r pow ietrza, WP, SP, N P - w ysokoprężna, śred n io p rężn a i nisk o p rężn a część tu rb in y parow ej, P P - przegrzew acz

pary, KO - kocioł odzyskowy, INS.ODS - instalacja odsiarczania, GAVO - obrotowy w ym iennik ciepła, EF - elektrofiltr Fig. 3. a. System w ith prim ary gas tu rbine; b. Connected tw o - fuel system TG - gas tu rb in e, KP - steam boiler, WP - a ir fan, WP, S P , N P - steam tu rb in e p arts, P P - su p e rh e ate r, KO - h e a t recovery boiler INS.ODS - d esulphurization, GAVO - regenerative h e a t

exchanger, E F - electrostatic precipitator

TadeuszJ. Chmielniak, Jerzy Thamm

(7)

Nowe technologie wytwarzania energii elektrycznej.. 99

Kombinowany uk ład sprzężony może osiągać wyższe spraw ności niż prosty układ z tu rb in ą czołową. F a k t ten w ynika ze zm niejszenia strę ty wylotowej w drugim układzie. Rysunek 4 zaczerpnięty z [2] orientuje o możliwych spraw nościach obu układów dla bloku o mocy 600 MW w porów naniu z UPG. Mniej intensywna zm iana spraw ności u k ład u z tu rb in ą czołową ze w zrostem stosu n

ku PT(/Pbiok je s t n astępstw em konieczności zastosow ania in stalacji odazoto- wania spalin za in stalacją odsiarczania.

52

Hiętto

% 50

49

48

47

46

45

44

43

420 Q1 0.2 03 0,4 0.5 0.6 Q7

^Tg/ P Blok

Rys. 4. Porów nanie spraw ności U PG, układ z tu rb in ą czołową (K) i sprzężonego dwupali- wowego (S)

Fig. 4. Com parison of com bined cycles, system w ith p rim a ry tu rb in e (K) an d connected tw o - fuel system (S)

- / / z "

/ ^/

.../ ■ /

/ \ N

/^' ^/ / ^/.^I^t^'S

/ y y , K

= a n n m wV

y _{Tp =10°C}

/// /

/// / _{k "}

s

0/

(8)

2.4. T e c h n o lo g ie w ę g lo w e w u k ła d a c h z tu r b in a m i g a z o w y m i

Cztery podstawowe technologie (posiadające różne odm iany) są przedmio

tem studiów i zastosowań:

- Ciśnieniowe spalanie węgla w kotłach fluidalnych (ze złożem stałym i cyrkulacyjnym), rys. 5a,

- Całkowite i częściowe zgazowanie w ęgla zintegrow ane z układem gazowo- parowym, rys. 5b,

- Bezpośrednie (ciśnieniowe) spalanie węgla w instalacji tu rb in y gazowej, rys. 5c,

- Zam knięte układy tu rb in gazowych ze spalaniem zew nętrznym , rys. 5d.

- W stadium budowy i eksploatacji są głównie instalacje wchodzące w dwie pierw sze w ym ienione grupy (rys. 6 i 7 [2]).

Porównanie ogólnych charak tery sty k u k ład u z ciśnieniowym kotłem flui

dalnym (pierwszej generacji) oraz in stalacji gazowo-parowej zintegrow anej ze zgazowaniem węgla zilustrow ano n a rys. 8 [7].

Sugeruje ona w yraźną przew agę technologiczno-eksploatacyjną układu ze zgazowaniem węgla. Należy jed n a k pam iętać, że nie dysponujem y dotąd w szystkim i danym i (zwłaszcza ekonomicznymi), aby dokonać pełnej analizy obu układów. Mimo to pewne fakty w ydają się bezsporne. I tak: układ z ciśnieniowym kotłem fluidalnym (ze złożem stałym ) w swym klasycznym rozw iązaniu (bez nadbudow y gazowej lub integracji ze zgazowaniem węgla) je s t mało konkurencyjny z p u n k tu w idzenia spraw ności i w artości mocy jedno

stkowej. Zastosowanie cyrkulacyjnego (większa elastyczność przy zmiennym obciążeniu, większe obciążenie cieplne do 60 MWth/m) ko tła fluidalnego zwię

ksza konkurencyjność tego rozw iązania.

T ab lica 1

~ —— --- Paliwo

P aram e try ' — ___ ____ Węgiel kam ienny Węgiel b ru n atn y

W artość opałowa kJ/kg 21 740 7 375

Zawartość wilgoci qs 22,7 (zawiesina) 60

T urbina gazowa

- T em p eratu ra n a wlocie, °C 848 855

- Moc, MW 102,9 140,2

T urbina parow a

- T em peratura, °C 580/580 580/580

- Ciśnienie, M Pa 25/6 25/6

- Moc, MW 409,5 239,7

- Ciśnienie w skraplaczu, M Pa 0,00655 0,00655

Blok (układ gazowo-parowy)

- Moc, MW 512,4 379,9

- Potrzeby w łasne, MW 23,3 18,5

- Sprawność netto, % 45,5 47,1

(9)

1 GENERACJA

Rys. 5. a. Ciśnieniowe spalanie węgla w kotle fluidalnym , b. In stalacja połączona ze zgazowaniem w ęgla, c. Bezpośrednie spalanie w ęgla w tu rb in ie gazowej, d. Z am knięte u kłady ze spalaniem zew nętrznym . CKF - ciśnieniowy kocioł fluidalny, WTOG — wysokotem

peraturow e oczyszczanie gazu, S — sp rężark a, TG — tu rb in a gazowa, U P — u kład parowy, KS — kom ora spalania, CWS — ceram iczny w ym iennik ciepła, OG - oczyszczanie gazu

Fig. 5 a. PFBC, b. coal-gasification system , c. coal com bustion in th e gas turbine, d. external com bustion cycle, CKF - PFBC - boiler, WTOG - high te m p eratu re gas cleaning, S - com pressor, TG - gas turbine, UP - steam system , KS - com bustion cham ber, CWS -

ceram ic h e a t exchanger, OG - gas cleaning

(10)

102 Tadeusz J. Chmielniak, Jerzy Thamm

600

iiC

N U>- +JL r—łoS

OJ uo

n

• Liruch.i w b u d o w i e O p r o j e k t y

□ stu d i a

O Kanta. ABB

Osaki.Babcock/Hitachi 0 0

-Spanien, ABB -

Q V E A G . BabcockySiem ens

Vaortan, ABB ^ ^ £

Tidd, ABB Wakamalsu, ABB

O T o m a a tsu m a , MHI

1975 1985 L a t a

Rys. 6. In stalacja z ciśnieniowymi kotłam i fluidalnym i (uruchom ione, w budowie, planowa

ne i będące przedm iotem studiów)

Fig. 6 PFBC system s (in operation, in construction, p lanned an d investigated)

600

400 -

m

c N

^ 300 -ML

a: QJ QJ

UO

71 200

100

G u r u c h . i w b u d o w i e

O p r o j e k t y

□ s t u d i a

O Lünon/D

N ew arW U SA

O

O W isconsin/USA

□ JAPAN D adri-lll/IN KoBra/D

— □ i Q

Plaquemine/USA Q

Cool Walor/USA ©

O S ardinia/I- Puedollano/E -

Buggonum/NL © i \ ^ P olk City/USA Terre Haule/USA

□

Delaware/USA

Tinjchirapalli (IN )^

Japan

©

Springfiold/USA

□

1—

1970 1975 1980 1985 1990 1995

j — j

2000 “ 3 2005

Rys. 7. Instalacje ze zgazowaniem w ęgla (uruchomione, w budowie, planow ane i będące przedm iotem studiów)

Fig. 7 Coal - gasification system s (in operation, in construction, plan n ed a n d investigated)

(11)

UPG zintegrowany ze ZW ( IGCC )

CKF ( PFBC)

KO

GG OG

i— KS

S

I /

T U R B I N A G A Z O W A C u d z i a ł m o c y )

TG

6 5 X g 2 0 X C 5 0 X, z d o p a l a n i e m )

K o n s t r u k c j a u n i w e r s a l n a B wyk . s p e c j a l n e

3 0 la t p r a c y B 2 0 tys. h p r a c y

O C Z Y S Z C Z A N I E B B e z m e t a l i a l k a l i c z n y c h B P o d w o j o n a i l o ś ć o d p a d ó w s t a ł y c h

P e ł n e o d p y l a n i e

O c z y s z c z a n y strumiert p a l i w a - 1/ 8

GAZ, P. C I E K L E W Ę G I E L

P a r y m e t a l i a l k a l i c z n y c h

D o d a t k o w e f i l t r y w o r k o w e

P e ł n y strumiert s p a l i n

Węgi el

D Y S P O Z Y C Y J N O Ś Ć

Rys. 8. Porów nanie bloku z ciśnieniowym kotłem fluidalnym i in stala cji parow o-gazowej zintegrow anej ze zgazowaniem w ęgla

Fig. 8 Com parison of P F B C - u n it an d coal- gasification com bined cycle p la n t

Szczególnie interesujące są własności tego u k ład u w przypadku spalan ia paliwa o dużej zaw artości wilgoci (np. węgla brunatnego). O dparow ana woda zwiększa bowiem stru m ień m asy czynnika i moc tu rb in y gazowej (i w konse

kwencji stosunek P t g / P t p ) , co prowadzi do w zrostu spraw ności całego układu.

(12)

Tablica 1 zaw iera dane porów nania instalacji, w których sp ala się węgiel kam ienny i b ru n atn y (dla obu in stalacji stru m ień m asy przez tu rb in ę gazową wynosi 510 kg/s [2]).

3. UKŁADY GAZOWO-PAROWE ZINTEGROWANE ZA ZGAZOWANIEM WĘGLA (UPGzZW)

Technologia zgazowania węgla, sposób utylizacji ciepła w generatorze gazu oraz sposób oczyszczania spalin decydują o stru k tu ra c h obecnie budowanych, planow anych instalacji ze zgazowaniem węgla. Ogólne schem aty tych ukła

dów z oceną kosztów poszczególnych węzłów p rzedstaw ia rys. 9. Inform uje on także o przewidywanych okresach technologicznej dojrzałości poszczególnych rozw iązań. Główny wysiłek badawczy i konstrukcyjny koncentrow any jest wokół problemów oczyszczania gazu oraz optym alizacji stru k tu ry u k ładu cie

plnego. W tablicy 2 podano ogólne dane o rozw ijanych system ach zgazowania węgla, rys. 10 ilu stru je schem at instalacji P uertollano (H iszpania, Hnetto = 44%, Pk = 0,00715 MPa). J e s t ona ch arakterystyczna dla tendencji zauw ażal

nych obecnie w budowie układów tego rodzaju siłowni.

Obok technologii zgazowania całkowitego opracowano także procesy i in sta

lacje odgazowania częściowego, które stanow ią podstaw ę m iędzy innym i tzw.

hybrydowych układów energetycznych. In teresu jącą propozycję takiego ukła

du p rzedstaw ia rys. 11 (VEW - V ereinigte E le k tr iz itä ts w e rk e W estfalen

A g , [8]).

Szerszą dyskusję możliwych układów ze zgazowaniem węgla zawierają opracow ania [1, 7, 9, 10, 11].

4. UWAGI O CHARAKTERYSTYKACH EKONOMICZNYCH I EKOLOGICZ

NYCH NOWYCH TECHNOLOGII ENERGETYCZNYCH

J a k ju ż stwierdzono, jed n ą z motywacji rozwoju nowych technologii energe

tycznych je s t ograniczenie ich wpływu n a środowisko n a tu ra ln e .

D ane pokazane n a rys. 12 um ożliw iają względne porów nanie emisji SOx, NOx, pyłów i odpadów stałych dla podstawowych technologii dyskutowanych w tym artykule. Związane z tym koszty obciążenia środow iska dla bloku 500 MW m ożna prześledzić n a podstawie rys. 13 [7],

Porów nanie emisji C 0 2 pokazano n a rys. 14 i 15. Pierw szy z nich przed sta

w ia wielkości w skaźnika kg C 0 2/kW hel dla poszczególnych technologii [2], drugi ilu stru je zależność tego samego w skaźnika od spraw ności netto danej technologii [11, 13].

(13)

T a b lic a 2 T e c h n o lo g ia S p o s ó b

z a s i l a n i a

U t l e n i a c z

T y p g e n e r a t o r a

W y m i a n a c i e p ł a

O c z y s z c z a n i e g a z u

TEXACO Z a w ie sin a

w o d n a

0 2 S tru m ien io w y (E n trein ed , F lu g stro m )

P ro m ie n io w a n ie K o n w e k c ja lub su c h e g a sz e n ie

M o k re/

N isk o te m p .

DOW Z a w ie sin a

w o d n a

0 2 S tru m ien io w y 2 -s to p n io w e M okre/

N isk o te m p .

SHELL 0 2 S tru m ien io w y G a sz e n ie z

re c y rk u la c ją + K o n w ek cja

M o k re/

N isk o te m p .

BGL S u ch y stru m ień

p aliw a

0 2 Z ło ż e sta le K o n w e k c ja M o k re/

N isk o te m p .

PRENFLOW N2- j a k o

suchy n o śn ik p aliw a

0 2 S tru m ien io w y P ro m ie n io w a n ie K o n w ek cja

M o k re/

N isk o te m p .

D E U T.B A B C O C K S u ch y strum ień p aliw a

0 2 S tru m ien io w y P ro m ie n io w a n ie K o n w ek cja

M o k re/

N iskotem p.

C O M B U STIO N EN G IN E ER IN G

S u ch y stru m ień p aliw a

P o w . S tru m ien io w y 2 -sto p n io w e / K o n w e k c ja

S u ch e/

W y so k o tem p . RH E IN B R A U N /

HTW

S u ch y stru m ień paliw a

P o w . F lu id a ln e zło ż e p ę c h e rz y k o w e

K o n w ek cja S u ch e/

W y so k o tem p .

LURGI S u ch y strum ień

p aliw a

P o w . F lu id a ln e złoże p ę c h e rz y k o w e

Z ło ż e k am ien ia w ap.

TA M PELLA S u ch y strum ień

p aliw a

P o w . F lu id a ln e zło że p ę c h e rz y k o w e

K o n w e k c ja S u ch e/

W y so k o tem p .

MHI S u ch y strum ień

p aliw a

P o w . S tru m ien io w y 2 -s to p n io w e / K o n w ek cja

S u ch e/

W y so k o tem p .

KRW Su ch y stru m ień

p aliw a

P o w . F lu id aln e zło że p ę c h e rz y k o w e

K o n w e k c ja S u c h e / W y so k o tem p . A H L STR O M Su ch y strum ień

p aliw a

P o w . F lu id a ln e z ło ż e p ę c h e rz y k o w e

K o n w ek cja S u ch e/

W y so k o tem p .

Porównanie kosztów inwestycyjnych określonych w edług ak tualnych analiz (1993) zestawiono n a rys. 16 [2]. W skazują one n a w y raźn ą przew agę U PG z gazem ziemnym oraz porównywalne koszty inwestycyjne dla pozostałych techno

logii.

(14)

T = 1 2 6 0 °C

T = 1 3 7 0 °C

Przyg. paliw a

S100/KW

Sep. azotu

Gen. gazu

S150/KW WC

S100/KW B lok energet.

S500/KW

Pó źn e la ta 9 0 -siąte S1 130-1330/K W 4 6-50%

Rys. 9. Ogólne schem aty układów gazowo—parowych połączonych z instalacją zgazowania węgla

Fig. 9. Coal - gasification combined cycle plants

(15)

P a r a NP

K o nd.

I n s t .C l a u s a

D a/npfiurttn®

S p a l i n y

Rys. 10. Schem at u kładu gazowo-parowego ze zgazow aniem węgla. E lektrow nia Puertollano, a. P a ra średnioprężna, b. Część opromieniowania, c. Część konwekcyjna, d. S ep arato r pyłu, e. Płuczka V enturiego, f. Popiół, g. Ścieki, h. P a ra niskoprężna, i. P a ra

niskoprężna. ODS - odsiarczanie

Fig. 10. C oal- gasification combined cycle p lan t Puertollano

Nowe technologiewytwarzania energii elektrycznej... 107

(16)

5. UWAGI O POTENCJALNYCH MOŻLIWOŚCIACH SEPARACJI C 0 2 ZE SPALIN

Z badań wpływu różnych technologii em itujących gazy odpowiedzialne na efekt cieplarny wynika, że „wkład” energetyki je s t rzęd u 12%. Poprawa sprawności konwersji energii chemicznej paliw organicznych je s t obecnie pod-

Rys 11. U kład gazow o-parowy zintegrow any z ciśnieniowym częściowym zgazowaniem wę

gla (koncepcja VEW). CFBC - ciśnieniowy kocioł fluidalny, VOG - oczyszczalnie gazu, GG - g enerator gazu, SP - sp rężark a pow ietrza

Fig. U . Com bined cycle h ig h -p re ssu re coal gasification p la n t (VEW - idea)

(17)

125

100

75

50

25

SO NO C O n

ODPADY STALE

ZUŻYCIE PYŁ.Y

WODY

a

KP KFC ZUPG KP KFC ZUPG KP KFC ZUPG KP KFC ZUPG KP KFC ZUPG KP KFC ZUPG

Rys. 12. E m isja zanieczyszczeń: KP - blok kondensacyjny, KFC - kocioł fluidalny ciśnie

niowy, ZUPG - instalacja gazow o-parow a ze zgazow aniem węgla

Fig. 12. Em ission of th e p o llu tan ts - KP - conventional condensation u n it, KFC - PFBC, ZUP - combined cycle coal gasification p la n t

stawowym działaniem zmniejszającym em isję C 0 2. U ruchom ienie nowych instalacji dodatkowo zmniejszy w tym zakresie obciążenie środow iska przez energetykę (rys. 14,15). Niezależnie jed n a k od tych zabiegów dyskutow ane są obecnie także inne przedsięw zięcia służące redukcji ilości C 0 2 em itow anych do atm osfery. Polegają one głównie n a separacji C 0 2 ze spalin, jego zestalan iu i składow aniu poza atm osferą (np. w oceanach). R ysunek 17 [12] ilu stru je dwa możliwe rozw iązania separacji C 0 2 w instalacjach parow o-gazow ych zinte

growanych z odpowiednio prowadzonym i technologiam i zgazow ania węgla.

Pierwszy z nich (rys. 17 a) dotyczy procesu produkcji CO i jego sp alan ia w obecności tle n u w celu uzyskan ia spalin z dużą zaw artością d w utlen ku węgla, który n astęp n ie może być sk rap lan y lub zestalan y [12].

N a rys. 17 b pokazano instalację z produkcją bogatego w H 2 gazu syntetycz

nego i separacją C 0 2 i produkcji suchego lodu. W pierw szym przypadku sprawność n etto instalacji dla gazowego C 0 2 wynosi ok. 43%, dla ciekłego C 0 2 - 38,5%, stałego C 0 2 - 32%. W drugim rozw iązaniu spraw ność netto je s t rzędu 34% (węgiel kam ienny) i 38% (węgiel brunatny). W analizie przyjęto, że skraplanie C 0 2 wym aga 0,1 kW heł/kg C 0 2, a jego zestalenie 0,26 kW hel/kg C 0 2 [12].

(18)

6. UWAGI KOŃCOWE

- N astępuje ciągły rozwój konwencjonalnych bloków kondensacyjnych.

- W k rajach o wysokim rozwoju gospodarczym opracowano wiele propozycji technologicznych umożliwiających racjonalniejsze (z ekonomicznego i eko

logicznego p u n k tu widzenia) energetyczne w ykorzystanie węgla.

- Wiele z nich stanow i spraw dzoną podstaw ę m odernizacji istniejących ele

ktrow ni, odbudowy mocy i budowy nowych źródeł w ykorzystania energii elektrycznej i ciepła.

- W Polsce, z powodu b rak u konsekw entnej stra te g ii rozwoju nowych (włas

nych) technologii energetycznych, proces m odernizacji energetyki jest opóźniony.

- N ależy oczekiwać dużego współzawodnictwa m iędzy poszczególnymi fir

m am i n a rynku nowych technologii. O stateczna selekcja zależeć będzie od poziomu rozw iązań technicznych, skuteczności elim inacji zagrożeń ekolo-

C N T /K W h

t e c h n o l o g ie e n e r g e t y c z n e

Rys. 13. Porów nanie kosztów obciążenia środowiska: 1. In stalacja z kotłem pyłowym i oczyszczaniem spalin, 2. In stalacja z atm osferycznym kotłem fluidalnym , 3. In stalacja z ciśnieniowym kotłem fluidalnym , 4—6. Różne generacje układów zintegrow anych ze zgazo-

w aniem węgla, 7. U kład gazowo-parowy opalany gazem ziemnym

Fig. 13. E nvironm ental costs: 1. pulverized fuel fired boiler an d flue gas cleaning, 2. atm ospheric fhiidized bed boiler, 3. PFBC, 4 -6 v arious com bined cycle coal gasification

p lan ts, 7 - n a tu ra l gas fired combined cycle p la n t

(19)

Nowe technologie wytwarzania energii elektrycznej. 111

« 1.0-

<-> 08-

0^.6^-

Q4-

0^.2^-

1,02

0.87

2

0,19

0,73

2

0,62

0,55

3 4

0,41

5

0,37

6

Paliwo węgiel brun. węgi-el k o m . g o2 /

■w- k a m ienny g a z ziemny

tprawnoic 3 9 % 4 6 % V 4 2 % 1 45% i ) 4 5 % 3 5 % 1 4 6 % 52%

Rys. 14. Porów nanie emisji CO2 dla różnych paliw i technologii energetycznych: 1. Blok kondensacyjny, 2. U kład gazow o-parow y ze zgazow aniem w ęgla, 3. Sprzężony u kład dwupaliwowy, 4. T u rb in a gazowa, 5. Sprzężony u k ła d jednopaliwowy, 6. U kład gazowo-parowy.

1) - z instalacją oczyszczania spalin, 2) - spraw ność term iczna, 3) - Ptp/Ptp = 4/1 Fig. 14. CO2 em issions for various fuels an d technologies: 1. Condensation u nit, 2. combined cycle coal gasification p lan t, 3. two - fuel connected system , 4. gas tu rb in e, 5. single fuel connected system , 6. com bined cycle, 1) w ith flue gas cleaning, 2) - th e rm a l effectivity,

3) Ptp/Pt p = 4/1

gicznych i zasobów kapitałow ych um ożliw iających budowę instalacji de

m onstracyjnych.

- W rozw iązaniu polskich zadań energetycznych w ażn ą rolę powinny speł

niać środow iska naukow o-techniczne w skazujące n a k ieru n k i rozwoju i w drożenia nowych technologii.

(20)

EmisjaCO2 lg/kWh]

1 1 2 Tadeusz J. Chmielniak, Jerzy Thamm

Rys. 15. Zależność w skaźnika em isji CO2 od sprawności technologii w ytw arzania energii elektrycznej

Fig. 15. CO2 emission coefficient as a function of the power generation effectivity

(21)

Rys. 16. Koszty inw estycyjne i spraw ność różnych technologii energetycznych: 1 - U kład gazowo-parowy opalany gazem ziemnym, 2 - Sprzężony u k ła d dw upaliwow y (gaz/węgiel kam ienny), 3 - Blok kondensacyjny, 4 - U kład gazow o-parow y ze zgazowaniem węgla, 5 -

U kład z ciśnieniowym kotłem fluidalnym

Fig. 16. C a p ita l in v e stm e n t an d th e effectivity of v ario u s pow er g e n e ra tio n technologies:

1. n a tu ra l gas fired combined cycle p la n t, 2. two - fuel connected system (gas, black coal), 3. condensation u n it, 4. combined cycle coal gasification p lan t, 5. PFBC.

(22)

Siarko

Rys. 17. a. U kłady gazowo-parow e ze zgazowaniem w ęgla u kierunkow ane n a ułatw ienie separacji CO2 ze spalin

Fig. 17. a. combined cycle coal gasification p la n ts m odificated for b e tte r sep aratio n of CO2 from th e flue gas

LITERATURA

[1] Clean Coal Technology. D em onstration Program US D epart, of Energy.

F ebru ary 1991.

[2] Rukes B.: K raftw erkskonzepte für fossile Brennstoffe. VDI Berichte 1029. VDI Verlag, 1993.

[3] Mosiya S., M araguchi M., Y am azaki Y.: High efficiency technology of steam turbines. H itachi Rewiew, Vol. 42, No 1, 1993, 31—36.

[4] B au n ister R.L. i inni: Development requ irem ents for an advanced gas tu rb in e system , ASME P ap er 94-G T-388.

[5] G ästenkors Th., Köster K.: E rfahru ng en und Ergebnisse eines vierjährigen Betriebes des 765-M W -K om bi-Blockes m it Steinkohle

feuerung im K raftw erk W erne. VGB K raftw erkstechnik 69, H. 5, 1989, 483-490.

[6] Lovis M., Rukes B., W ittchow E.: K raftw erkskonzepte m it G asturbinen.

Energie, 43, H eft 9, 1991, 26—32.

[7] Todd D.M.: Clean Coal Technologies for Gas T urbines. GE Power G eneration, GER-36508, 1992.

[8] Weinzierl K.: Weiterentwicklung des kom binierten Gas/Dam pfturbinen- K raftw erkes (GDK) m it In te g rie rte r Kohlenvergasung. VGB K raftw er

kstechnik 69, H. 7, 1989, 635-640.

(23)

[9] M iller A., Lewandow ski J.: U kłady gazow o-parow e n a paliwo stałe.

WNT, W arszaw a 1993.

[10] K raftw erkstechnik 2000. V ortrage V G B-K onferenz 21/22 F e b ru a r 1990 (VGB-TB 120).

[11] Moszyński K.: R aport techniczny n t. Kotłów odzysknicowych do współ

pracy z tu rb in am i gazowymi. T l, T2 (KKZ/OR-001), Racibórz 1993.

[12] P ruschek R., D eljeklaus G.: P o ten tial C 0 2 Em ission R eduction Processes [W] K raftw erkstechnik 2000. V ortrage V G B-K onferenz (VGB-TB-120), 182-188.

[13] Gawęd K. i inni: Ekonomiczne asp ek ty czystych technologii sp alan ia węgla w energetyce. [W] Wpływ nowych „czystych” technologii wykorzy

s ta n ia węgla n a jego rynek. Sympozjum PA W K SA ., 22.X.1991, Katowice.

Recenzent: Prof, dr hab. inż. W ładysław GAJEWSKI

Wpłynęło do Redakcji 18. 08. 1994 r.

A bstract

The p a p e r p resen ts a review of power g eneration techniques usin g organic fuels. Economical and ecological characteristics (also problem of C 0 2 - separation from th e flue gas) have been analyzed em phasizing th e coal-gasification combined cycles. The analysis re su lts in following conclusions:

- continuous developm ent of conventional condensation emits is observed, - a significant num ber of advanced technologies for b e tte r u tilizatio n of coal

is dem onstrated. M any of those technologies can be used for m odern

ization, repow ering as well as for new power p lan ts,

- Poland having not a consequent stra te g y of own technological develop

m ent, is regressed in th e m odernization,

- strong com petition betw een th e com panies on new technology m ark e t is expected. Final selection will depend on comm ercial m a tu rity and capital capacity, which m ake possible to construct dem o- in stallations.