Modern Széntüzelésű Erőművek

Modern Széntüzelésű Erőművek Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem 2011-2012 II. félév

Katona Zoltán [email protected] Tel.: 06-30-415 1705

Tematika 

 

      Katona Z, 2008.

A szén szerepe, jellemzői

Széntüzelés, szén égése Szén tüzelés környezeti hatásai Erőművi széntüzelésű technológiák Szénportüzelés Fluidágyas technológiák I. Fluidágyas technológiák II. Szénelgázosítás Egyéb szénbázisú technológiák Modern széntűzelésű erőművek - Szén és tüzeléstechnológia

2

Széntüzelés  

  

Katona Z, 2008.

Szénfajták- a szén összetevői Szénelőkészítés A szén égése Tüzeléstechnika Környezetvédelem

Modern széntűzelésű erőművek - Szén és tüzeléstechnológia

3

A szén összetevői /1  

  

 

  



Tüzelőanyagok minősége: fizikai és kémiai tulajdonságok alapján Fizikai tulajdonságok: apríthatóság, szemcseméret, hamueloszlás/homogenitás, hamuolvadáspont, szénszerkezet (lignit: szálas). Szemcseméret meghatározza a technológiát (porszén-, rostély-, fluidtüzelés) Kémiai minőség: összetétel megállapítása Két módszer: gyors elemzés (immediát analízis) és elemi analízis (laboratóriumi módszer. Elemi analízis (100%): C, H, S, O, N, víz és hamu Ebből számolható a sztöchiometriai egyenlet, meghatározható a fűtőérték, elméleti levegőmennyiség, füstgázmennyiség stb. Az S csak az éghető kenet jelöli, a hamuban kötött kenet nem! Fűtőérték pl. meghatározza az égő/kazán típusát. Immediát analízis (100%): illóanyag, fix karbon, nedvesség, hamu Illó: szén pórusaiban adszorpcióval kötött, gázhalmazállapotú éghető anyagok (főleg szénhidrogének) Fix karbon:száraz desztillációnál visszamaradó szilárd éghető anyag (a koksz éghető része, tartalmaz kevés illót és hamut).

Katona Z, 2008.


4

A szén összetevői /2 Hazai szenek elemi analízise n

h

Cö

H

S

N

O

fűtőérték

%

%

%

%

%

%

%

kJ/kg

Visonta

47,21

20,62

21,86

1,71

1,71

0,39

6,5

6741

Oroszlány

14,8

40

31,5

2,5

3,5

0,4

7,3

10886

Ajka

22,7

30,2

30,5

1,7

3

0,6

11,3

9860

Tiszapalkonya

14,3

47,2

25,8

2,3

4,5

0,4

5,5

8840

Pécs

8,8

47,94

33,1

2,1

1,5

0,9

5,6

12890

MOL Petrolk.

0,4

0,7

91

4,1

2,8

1

0

35390

Katona Z, 2008.


5

A szén összetevői /3 Külföldi szenek immediát analízise Ország/ jellemző

nedvesség

hamu

illó

fix karbon Fűtôérték

%

%

%

%

MJ/kg

Ausztrália

14

30

56

28

Dél-Afrika

16

32

52

27

USA - Ohio

6,3

9,9

35,7

48,1

28,9

USA - Pitsburgh/nagy illó/

1,7

5,4

36,6

56,3

32,7

USA - Pitsburgh /kis illó/

6

5,9

17

71,1

32,4

3,9

34,5

61,6

32,5

5

19,8

29,6

45,6

23,7

Kína Baiyi

2,2

11,2

86,6

28,1

Oroszo. -Fan-Ignok

2,6

57,7

34

Anglia - Littleton Lengyelo. - Jaworcsno

Katona Z, 2008.

39,7


6

A szén összetevői /4         

    

Tüzelési berendezések mérete és teljesítménye: nem az éghető részek szabják meg, hanem a hamu és a nedvesség. Fizikai tulajdonságok: nedvesség és hamu: ballasztanyagok. Égési folyamat intenzitását és a megengedhető hőmérsékletet korlátozza. Nedvességtartalom: Felületi nedvességtartalom és higroszkópikus nedvességtartalom (légszáraz állapothoz közeli) Előkészítés megtervezése. Csak a víz elpárologtatása után lehet 100°C fölé melegíteni a szenet. Nedvességtartalom a füstgáztérfogatot növeli és az elméleti égési hőmérsékletet csökkenti. Vízgőz árnyékol: Tűztérben lesugárzott hő egy részét elnyeli és túlhevítő környékén gázsugárzás formájában leadja. Hamu: tüzelés megtervezése Főleg ásványi anyagokból áll, 1000-1500°C közötti olvadási hőmérséklet. Kénmegkötésre használt anyagok (Ca, Mg) csökkentik ezt a hőmérsékletet. Tűztérhőmérséklet szabályozása, salakosodás elkerülése. Sok salakösszetevő. Eltérő olvadáspontok. Ha az olvadási hőmérsékletek széles tartományban vannak: „hosszú” salak. Ellenkezőleg: „rövid” salak. Pernye: füstgázzal távozó hamu. Salak: tűztér alján összegyűlő, esetleg fuzionált hamu. Salakosodás. Ha szállópernye megolvad és lehűlése előtt „hideg” hőátadófelülettel találkozik, ráragad. Hamu összetétel: erózió (SiO2, Al2O3), korrózió (Vanadiumpentoxid), környezetvédelem (nehézfémek stb.) Modern széntűzelésű erőművek - Szén és

Katona Z, 2008.

tüzeléstechnológia

7

Visontai lignit hamutulajdonságai oxidáló

redukáló

atomszféra zsugorodáspont

940°C

940°C

lágyuláspont

1140°C

1100°C

olvadáspont

1240°C

1130°C

folyáspont

1280°C

1160°C

Katona Z, 2008.

Német kőszén hamutulajdonságai


8

Salakosodás

Katona Z, 2008.


9

Szénelőkészítés /1  



    





Bányászott szén heterogén, külfejtés, mélyművelés Magyaro. vékony széntelepek és azon belül vékony szénrétegek (széntelepek: Visonta: 2-3 m-től 10-15 m, Indonézia: 80 m, szénrétegek Visonta: 0,2 – 2 m), tartalmazhat nagyobb köveket (meddő), bányafát stb. Bánya-osztályozó: szemnagyság szerint. Nagyobb kövek, bányafa eltávolítása. Lakossági célra a 40 mm-nél kisebb rész. Erőművi rész kazántechnológia függő. Rostélytüzelés érzékeny a finomabb frakciókra. Beszállítás az erőműhöz: szállítószalag, vasút, tehergépkocsi. Szénhomogenizálás: több fejtésből származó szénből egy homogén tulajdonságokkal rendelkező szénkeverék. Széntárolás: széntéren, rendeletileg előírt szénkészlet a szállítási problémák áthidalására. Nyers-szénhombárokba szénfeladás. Adagoló továbbítja a malomba, ahol szárítás, őrlés (aprítás). Porszéntüzelés esetén kazánból elszívott forró füstgázt vezetnek a malmon keresztül, a megfelelő méretű kiszárított szénszemcsét a forró füstgáz magával ragadja. Szénportüzelésnél a szemcseméret: 50-250 μm. Kis illótartalmú szeneknél lehetséges további tárolás porszénhombárokban (légszér választja le szénszemcséket a füstgázáramból) egyébként primer-levegővel jut be a porszán a kazánba a porszénégőn keresztül. Nagy nedvességtartalmú szeneknél: malom után két részre választják: nagyobb szemcsék+ kevés pára: főégőkhöz (80% szénmennyiség), kisebb szemcsék + pára: tűztér felső részéhez. Eredmény: stabil láng. erőművek - Szén és Modern széntűzelésű

Katona Z, 2008.

tüzeléstechnológia

10

Szénelőkészítés /2

Forrás: Fachkunde für den –Dampfkraftwerksbetrieb, Vereinigung der Grosskesselbesitzer E.V. Kam, Li; Paul, Priddy: Power Plant System Design; John Wiley and Sons Katona Z, 2008.


11


Forrás: Fachkunde für den –Dampfkraftwerksbetrieb, Vereinigung der Grosskesselbesitzer E.V. Katona Z, 2008.


12


Katona Z, 2008.

széntűzelésű erőművek - Vereinigung Szén és Forrás: Fachkunde für Modern den –Dampfkraftwerksbetrieb, der Grosskesselbesitzer E.V. tüzeléstechnológia

13

Szénelőkészítés /5 Légszér

Golyósmalom

Katona Z, 2008.

Malom-ventilátor Modern széntűzelésű erőművek - Szén és tüzeléstechnológia

Porszénégő 14

A szén égése /1  









Hüvelykujj-szabály: a megfelelő tüzelés három alapfeltétele: idő, hőmérséklet és turbulencia Azaz, szén jellemzőin és a kazánkonstrukción kívül a szén égése függ a tűztérhőmérséklettől,az oxigén éghető felülethez jutásának sebességétől, az égéstermékek eltávozásának körülményeitől. A szén égésének lépései:  Felhevítés és szárítás (gyulladási hőmérsékletig)  Illó távozása és illó égése  Szemcse duzzadás és elsődleges fregmentáció  Koksz égése és másodlagos fregmentáció  Salakképződés Folyamatok részben párhuzamosan történnek, egyes szakaszok hossza függ a szénösszetevőktől (pl. nedvesség - szárítás) és a tűztéri kondícióktól (szénportüzelés vagy fluidágy). A tűztérbe (reaktorba) a szén 70-400°C-on lép be (technológia függő). A gyulladáspont eléréséig szükséges hő: nedvesség elpárologtatás, szénfelmelegítés, égési levegő felmelegítés. A gyulladáshő jelentős része a levegő felmelegítéséhez kell. Először a nagy-molekulájú szénhidrogének távoznak és gyulladnak. Az első stabil illó felszabadulás 500-600°C körül történik, a második lécső 800-1000 °C körül következik be. Kigázosodás után a félkoksz gyullad meg, majd a koksz. Végül a hidrogén, szén-monoxid, metán.

Katona Z, 2008.


15

A szén égése /2

szénszemcse égése fluidágyban 1400

600

400

másodlagos fregmentáció

800

elsődleges fregmentáció

illó távozása

szárítás és felmelegedés

hőmérséklet, °C

1000

gyulladás

1200

koksz égése

200

0 0 Katona Z, 2008.

3

15

Modern széntűzelésű erőművek - Szén és idő, s tüzeléstechnológia

200 16

A szén égése /3 











 

Illó égése láncreakció szerű. Gyulladási hőmérséklet: ahol az égés sebessége ugrásszerűen megnő, a termelt hő jelentősen meghaladja az elvont hő mennyiségét. Az égés különböző fázisaiban egyszerre homogén (gáz/gáz) és heterogén (szilárd/gáz) reakciók is. Illó égése homogén reakcióként, koksz gyulladása és égése heterogén reakcióként zajlik. Az illó égésének a sebessége az illó felszabadulásának és az oxigén diffúziójának sebességétől függ. Kedvezőtlen viszonyok között (nagy részecske, alacsony hőmérséklet: fluid ágy) az illónak nincs ideje távozni a tűztérben. Szén égése a heterogén reakció miatt nagyságrenddel lassabb mint a szénhidrogének égése. Szilárd fázisú koksz és gáz fázisú oxigén rendkívül bonyolult közbenső fázisokon keresztül lép reakcióba, a szilárd koksz (külső és belső) felületén heterogén folyamatként játszódik le. Két modell: zsugorodó szénszemcse modell; porózus szénszemcse modell. Oxigén konvekcióval és diffúzióval jut a szilárd felülethez.

Katona Z, 2008.


17

A szén égése – reakciókinetika /1 A karbon égése során két termék keletkezik elsődlegesen, azután a CO tovább ég. C + O2 = CO2 (12 kg + 32 kg = 44 kg) 2C + O2 =2CO (24 kg + 32 kg= 56 kg) C + CO2 = 2CO (12 kg + 44 kg = 56 kg) Az elsődleges reakcióból származó termékek arányát az alábbi képlet adja meg (ahol Ts a karbon felületének hőmérséklete). 1000 °C felett az elsődleges termék általában CO.

CO  2400 CO2  Katona Z, 2008.

 51830    8, 31Ts 


18

A szén égése – reakciókinetika /2 Gázsebesség

égési zóna magassága

gáz tartózkodási idő

m/s

m

s

FBC

2

1,5

0,8

CFBC

7

40

5,7

PC

25

45

1,8

w  hm  c g  cs 

hm 

12ShDg d c RTm

ahol : hm a tömeg transzfer együttható c g , cs az oxigén koncentráció a gázban és a szénfelületén  : 1 ha az elsőlsődle termék CO 2 és 2 ha CO Dg az oxigén diffúziós tényezőté (m2/s) d c a karbonszemcse átmérőtm Sh a Sherwood szám Katona Z, 2008.

Reakciósebesség: befolyásolja a tervezési paramétereket. Verseny a szénszemcse égése és a tűztérben való tartózkodási idő között. Reakciósebesség = koncentráció időbeni változása

w

dc  k  c dt

k: reakciósebességi állandó, E: aktiválási energia

k  k0  e



E RT

Két égési tartomány: kinetikus és diffúziós Kinetikus tartomány: kinetikus égés, gyulladás utáni fázis (600900°C porózus/nemporózus), alacsony hőmérsékletek miatt reakciósebesség határozza meg az égést, az oxigén „végtelen” mennyiségben rendelkezésre áll (van ideje az oxigénnek a részecskéhez diffundálni, nagy légfelesleg, jó keveredés). Reakciósebesség a hőmérséklettől exponenciálisan függ. Diffúziós tartomány: reakciósebesség exponenciális felfutását az oxigén rendelkezésre állása korlátozza, hőmérséklet növekedésével a gázok viszkozitása nő, nehezebben jut levegő a tüzelőanyaghoz. Oxigén diffúzió útján jut a részecskéhez a tüzelőanyagot körülvevő határrétegen keresztül. Itt a fizikai ellenállások korlátozzák a reakciósebességet. Modern széntűzelésű erőművek - Szén és tüzeléstechnológia

19

Sztöchiometria /1 Reakcióegyenletek:

C  O2  CO2  32790 kJ/kg karbon m m  Cn H m   n  O2  nCO2  H 2O  hő 4 2  S  O2  SO2  9260 kJ/kg kén CaCO3  CaO  CO2  1830 kJ/kg CaCO3 MgCO3  MgO  CO2  1183 kJ/kg MgCO3 1 CaO  SO2  O2  CaSO4  15141 kJ/kg kén 2

Fűtőérték meghatározása:

O  HHV  33823C  144249 H    9418S kJ/kg 8  LHV  HHV  22604 H  2581Mf kJ/kg Katona Z, 2008.


20

Sztöchiometria /2 Az elemi analízis alapján a teljes égéshez szükséges fajlagos száraz-levegő mennyiség számolható:

  O  M da  11.53C  34.34 H    4.34S  A  S  8   

kg levegő /kg szén

ahol: Mf a szén nedvességtartalma Mda a fajlagos szárazlevegő mennyisége C, H, O, S a szén elemi analízisből a karbon, hidrogén, oxigén és kén tömegszázaléka A egy szorzó-szám arra az esetre, ha a kenet kalciumszulfátként kötjük meg. Egyébként ez az érték 0. Értékét a következő reakcióegyenletből számolhatjuk: CaO + SO2 +1/2O2 = CaSO4 (itt A=2,17)

Katona Z, 2008.


21

Sztöchiometria /3 jó hatásfokú égéshez légfelesleg kell, ezért a teljes fajlagos szárazlevegő mennyiség:

Mtotal  1. 2  Mda Figyelembe kell még venni az égési levegő nedvesség tartalmát, hogy a teljes nedves égési levegőmennyiséget megkaphassuk. A fajlagos nedveslevegő-mennyiség 0.01kg/kglevegő nedvességet feltételezve:

M wa  M total  1 0.010

Katona Z, 2008.


22

Sztöchiometria /4 A füstgáz tömegárama jó közelítéssel számítható a keletkezett CO2, vízgőz, SO2 és pernye valamint a füstgáz N2 és O2 tömegáramainak összegéből.

Wc  M wa  0.2315M da  3.66C  9 H  M f  Lq X ml  N  O  2.5S (1  Esor )  1.375S  R(1 

X MgCO3 X CaCO3

)  ac ASH

 kg füstgáz     kgszén 

ahol: Mf X ml

ac

M wa  0.2315M da 

9H  M

3. 66C f

: a szén nedvesség tartalma (0.4 kg/kg) : a mészkő nedvességtartalma (tömegre vonatkoztatva)

(0.071 kgnedvesség/kgmészkő)

: a szálló hamu (pernye) aránya a teljes hamu mennyiséghez képest (0.1 kg/kg) : a betáplált égési levegő a felhasznált oxigén tartalommal csökkentve (a sztöchiometriai levegő a [Mda] oxigén tartalmával csökkentve) : 1 kg karbonból a keletkező CO2 mennyisége (44/12)

 Lq X ml  : keletkező vízgőz (a levegő vízgőztartalmát az Mda-ban vettük figyelembe)

N, O 0.5S 1  Esor 

2S 1  Esor 

: a szénben kötött nitrogén és oxigén mennyisége : a meg nem kötött kén miatt szabadon maradt oxigén mennyisége (CaO + SO2 + 0.5O2 = CaSO4) : a füstgázban maradt, meg nem kötött SO2 mennyisége

X MgCO3

44 SR (1  ) : a CaCO3 és a MgCO3 kalcinálásával keletkező CO2 mennyisége 32 X CaCO3 Katona Z, 2008.


23

Környezetvédelem Részletesen lásd: Gács - Katona: Környezetvédelem című jegyzetet       



Szennyezők: szénalkotók, égés során keletkezők Éghető kénből: SO2, SO3 Szénben kötött N: NO, NO2, N2O Levegő N: NO, NO2, N2O Karbonból, illóból: CO, CO2 Illóból: elégetlen poliaromatikus CxHy Hamuból: por/pernye/salak, nehézfémek, Ca2SO3, vízben oldódó vegyületek Megoldás:    

Katona Z, 2008.

Alacsony szennyező-tartalmú szenek használata Szennyezők eltávolítása tüzelés előtt Kialakulás meggátlása és szennyező-megkötés tüzelés közben Megkötés, leválasztás tüzelés után


24

Környezetvédelem EU irányelvek: 3 x 20

Mit?  az üvegházhatást okozó gázok (ÜHG) kibocsátásának legalább 20%-kal való csökkentése az 1990-es szinthez képest 



a megújuló energiaforrások arányának 20%-ra való növelése a teljes energiatermelésben, az energiafogyasztás 20 %-kal való csökkentése a 2020-ra előrejelzett szinthez képest.

Hogyan?  az energiahatékonyság növelése, energiaszükséglet csökkentése,  megújuló energiaforrások alkalmazása,  kibocsátott CO2 leválasztása és földalatti elhelyezése

Katona Z, 2008.


25

Környezetvédelem CO2 kibocsátás-csökkentés

European Union Emmission Trading Scheme (ETS)  Korlátozás és kereskedés elve  Emmission Allowance Unit (EAU) = kvóta  Phase I. (2005-2007)  A kibocsátók összegyűjtése  20 MWth input felett  EU CO2 kibocsátásának 40%-át fedi le  Phase II. (2008-2012)  Kiosztott kvóták  Fölösleggel lehet kereskedni  Átvihetők Phase III.-ba  Büntetés (100 EUR/t)  Phase III. (2013-2020)  Az ipar más szektoraiban több engedmény:  2013-tól 20% aukción  2020-ig 70%  2027-ig 100%  Villamosenergia-termelőknek teljes kvóta vásárlás  2013-tól 100%-ot aukción  Engedmények lehetnek  2013-tól min. 30% aukción  2020-ig 100% Katona Z, 2008.


26

CCS Technológiák

Katona Z, 2008.


27

CCS Technológiák szállítás

Csővezetéken Felkomprimált állapotban, víztől mentesítve Legelterjedtebb, költséghatékony Kevesebb energiát igényel mint a földgázszállítás

Katona Z, 2008.


28

Tárolás    

Leművelt olaj és földgáztelepekben Mély, sósvizes tárolókban (aquiferek) Leművelésre alkalmatlan széntelepeken Óceánokban

Tárolás leművelt olaj és földgáztelepekben 

 



Ami alkalmas olaj és gáztárolásra, az alkalmas CO2 tárolásra is. Hasonló mint a földgáz tárolás A szénhidrogén kitermelés fokozására felhasznált CO2 segíti a módszer elterjedését, illetve költséghatékonnyá válását. A CO2 tárolási potenciál számításához nem megfelelőek azok a tárolók: amelyeket manapság földgáz tárolás céljából vizsgálunk vagy használunk illetve azok, amelyek kevesebb, mint 1millió t CO2 tároló kapacitásúak, sűrűn lakott területen helyezkednek el.

Tárolás leművelt olaj és földgáztelepekben Hazánkban 26 CO2 tárolásra alkalmas rezervoár található, 150 millió tonna maximális tárolási kapacitással

Tárolás mély, sósvizes tárolókban 

 

800 méternél mélyebben fekvő, porózus, magas sótartalmú oldattal telített üledékes kőzetekben A CO2 a pórusokban nyelődik el Az alkalmazás feltétele, hogy felülről tömör fedőréteg határolja a réteget, valamint, hogy a kiszoruló magas sótartalmú oldat a lehető legkisebb mértékben jusson a talajvízbe

Tárolás mély, sósvizes tárolókban 

A sós víztestben történő tárolási potenciál Magyarországon egy nagyságrenddel nagyobb lehet, mint a CH - telepekben.

Tárolás mély, sósvizes tárolókban

Elméleti tárolási maximum hazánkban 2510 Milliót CO2. • Szolnok Formáció 2090 Mt • Újfalu Formáció 424 Mt

Tárolás leművelésre alkalmatlan széntelepeken 







A CO2 a szén felszínén abszorbeálódva kötődik, illetve a repedésekben található meg. Amennyiben CO2-ot sajtolunk egy széntelepbe, akkor az képes helyet cserélni az ott abszorbeálódott metánnal, ami kitermelhetővé is válhat. Felsőmiocén lignit formációk potenciális CO2 tárolók, tektonikailag nyugodtak. A becsült hazai CO2 tárolási potenciál maximum 300Mt.

Kibocsátási határértékek Szilárd tüzelőanyagokkal üzemelő berendezésekre 10/2003. (VII. 11.) KvVM rendelet alapján

Üzemben levő berendezésekre:

Új berendezésekre:

Kibocsátási határérték [mg/Nm3] Szennyező anyag

Szennyező anyag

50 < Pth < 100

100 < Pth < 500

Pth > 500

Szilárd anyag

100

50

50

Szén-monoxid (CO)

250

250

250

Nitrogén-oxidok (NO2ben kifejezve)(1)

600(2)

500(2), (3)

50 < Pth < 100

Pth > 100

Szilárd anyag

50

30

Szén-monoxid (CO)

250

250

Nitrogén-oxidok (NO2-ben kifejezve)(8)

400

200(9)

850(10)

200

200

100

30

15

Kén-dioxid és kén-trioxid (SO2-ben kifejezve)(11)

2000

(4)

400

Kén-dioxid és kén-trioxid (SO2-ben kifejezve)(11)

Kloridok (vízoldhatók, HCl-ben kifejezve)

200

100

100

Kloridok (vízoldhatók, HCl-ben kifejezve)

Fluoridok (vízoldhatók, HF-ben kifejezve) Katona Z, 2008.

30

15

Katona Z, 2008.

Kibocsátási határérték [mg/Nm3]

Fluoridok (vízoldhatók, HF-ben

Modern15széntűzelésű erőművek - Szén és kifejezve) Modern széntűzelésű tüzeléstechnológia erőművek - Szén és tüzeléstechnológia

36 36

Modern Széntüzelésű Erőművek

Recommend Documents