Žilinská univerzita v Žilině
Strojnícka fakulta
Katedra energetickej techniky
Zdroje tpla
Přednáška 4.
Splyňování paliva
- vysoko teplotní termochemický proces za přítomnosti malého množství
kyslíku (méně než vyžaduje dokonalé spalování)
- výsledkem je směs hořlavých plynů (oxidu uhelnatého, vodíku, metanu)
a oxidu uhličitého
- pokud by se využíval jen čistý kyslík, směs plynů by dosahovala vyšší
výhřevnost (vzduch zapříčiňuje vznik směsi plynů zředěných dusíkem)
- zplyňování: dřeva (dřevoplyn, dřevěné uhlí) a uhlí - pod tlakem (plyn s
vysokým obsahem CO, H2), vysoká míra odsiření (99,9 %)
(klasické odsiřování spalin 90 - 92 %)
- síra z uhlí konvertuje na H2S
2/27
- horký plyn se následně využívá v paroplynovém cyklu
- nižší produkce emisí (především prachových) oproti spalování
- v současnosti tři zůsoby zplyňování: sesuvné lože, fluidní a hořákové
Hořákové zplyňování
- mleté i méně kvalitní uhlí
- velmi čistý plyn, vysoká teplota, vysoká spotřeba kyslíku
- vysoký stupeň konverze uhlíku
3/27
Zplyňování při nižších teplotách (850 až 950 °C)
- generátory s fluidní vrstvou paliva: stacionární nebo cirkulující
- fluidizace: stav, kdy se pevné částice v důsledku kontaktu s plynem chovají
jako kapalina
- zplyňování s fluidní vrstvou: v zplyňovacích generátorech při atmosferickém
tlaku nebo v tlakových generátorech (tlak 1,5 až 2,5 MPa) nad 60 MWe.
- generátorový plyn při zplyňovaní dřeva (zařízení s fluidní vrstvou): 20 % CO,
15 % H, 12 % CO2, 50 % N2 a cca 3 % CH4
- z 1 kg dřeva se uvolní 1,5 až 2,0 m3 dřevoplynu (generátorový plyn)
- nevýhody fluidních zplyňovacích zařízení: obsah dechtů a velké množství
unášených částic v plynu, vysoká teplota plynu
- odstraňování dechtů: termické štěpení (reaktor) a dočišťování - praní v ledové
vode (teplota asi +5 °C).
4/27
Zplyňovací zařízení s cirkulující fluidní vrstvou za atmosferického tlaku
5/27
Zplyňovací zařízení se stacionární fluidní vrstvou
6/27
Zplyňování při vyšších teplotách (cca 1200 °C)
- generátory s pevnou vrstvou paliva: vzestupné, sestupné nebo příčné
Vzestupný zplyňovač (protiproudný) s pevným roštem
- palivo zhora dolů, plyn proti palivu
- účinnost (teplý plyn) 90 – 95 %
- vlhkost paliva 40 – 60 %
- teplota plynu 200 - 400 °C
- vysoký obsah dehtu v plynu
7/27
Sestupný splyňovač (souproudný) s pevným roštem
- palivo i vzduch zhora dolů, tok paliva a plyn stejným směrem
- získává se plyn s nízkým obsahem dehtu
- účinnost (teplý plyn) 85 – 90 %
- vlhkost paliva 12 – 25 %
- teplota plynu 700 °C
8/27
Příčný zplyňovač (souproudný) s pevným roštem
- pro zplyňování dřevěného uhlí při teplotách až 1500 °C
- účinnost (teplý plyn) 75 – 90 %
- vlhkost paliva 10 – 20 %
- teplota plynu 1250 °C
9/27
Technologické schema koncepce zplyňovacího zařízení
10/27
Pyrolýza
- fyzikálně-chemický dej ze skupiny termických procesů
- termický rozklad materiálů za bez přístupu kyslíku pyrolýzních pecích
- podstatou je ohřev materiálu nad mez termické stability přítomných
organických sloučenin
štěpení až na nízkomolekulární produkty a
tuhý zbytek
Pyrolýza uhlí:
- zahřívání uhlí v neoxidační atmosféře za tvorby plynů, kapalin a pevných
zbytků (koks)
- pyrolýza uhlí při vysoké teplotě = karbonizace
- teplota spalných plynů – 1150 až 1350 °C po dobu 14 – 24 hodin
Proces koksování: zavážení komor práškovým uhlím (70 – 80 % pod 3 mm)
11/27
- ohřívání / zapalování komor – palivo vyčištěný koksárenský plyn
- koksování (karbonizace) – odvádění plynu a vlhkosti
- vytlačování a hašení koksu, třídění a drcení
Surový koksárenský plyn: poměrně vysoká výhřevnost = přítomnost H2, CH4,
CO a CxHy...obsahuje i dehet a lehký olej, S, NH3
- na každou tunu vyrobeného koksu lze získat cca 35-45 kg dehtu
- z dehtu: asfalt, antracénový olej, prací olej, naftalenový olej, karbolový olej
(fenol) a lehký olej.
- na tunu vyrobeného koksu připadá cca 3 kg NH3 a 2,5 kg sirovodíku
odsiřování plynu (mokré procesy) = vysoce kontaminovaná odpadní voda,
nutný proces úpravy
12/27
Složení surového koksárenského plynu
Výtěžek surového plynu
m3/hod/ t uhlí
12 – 25
Hustota plynu
kg/Nm3
0,53 – 0,62
Vodík
% obj.
39 – 65
Methan
% obj.
32 – 42
Uhlovodíky (CxHy)
% obj.
3,0 – 8,5
CO
% obj.
4,0 – 6,5
Sirovodík
% obj.
3–4
BTX (benzen, toluen, xyleny)
g/ Nm3
23 – 30
PAH (polycyklické aromatické uhlovodíky)
mg/ Nm3
není k dispozici
Čpavek
g/ Nm3
6–8
Oxid uhličitý
% obj.
2-3
13/27
Pyrolýza dřeva
- vznik plynných, kapalných a tuhých (dřevěné uhlí) produktů
Pyrolýzní procesy:
- nízkoteplotní = teplota pod 500 °C (karbonizace)
- středněteplotní = teplota 500- 800 °C (rychlá pyrolýza – kapalné produkty 70 %)
- vysoceteplotní = teplota nad 800 °C (rychlá pyrolýza – plynné produkty > 80 %)
14/27
Pro výrobu plynných produktů se pyrolýza prakticky vůbec nevyužívá existují výhodnější možnosti = zplyňování
Dřevěné uhlí
Chemické složení dřevěného uhlí při určitých teplotách
Obsah
prvků
[%]
Teplota
původní
do 200 °C
do 300 °C
do 350 °C
do 400 °C
do 450 °C
Uhlík
50,42
52,08
56,35
66,7
77,15
92,13
Vodík
6,7
6,42
5,35
5,75
4,59
3,88
Kyslík
42,15
41,23
37,44
27,27
17,82
3,6
Dusík
0,65
0,27
0,39
0,28
0,44
0,39
Síra
0,08
-
-
-
-
15/27
Pyrolýzní biooleje
- viskózní a kyselé produkty tmavo hnědé barvy s obsahem určitého množství
tuhých látek a vodou (udržuje tyto oleje v tekutém stavu, 20 % vody)
Chemické složení pyrolýzních bioolejů v porovnaní s motorovou naftou
Obsah prvků
[%]
BTG
borovice
Ensyn
FENOS
Pomalá
pyrolýza
Nafta
Uhlík
54,8
59,6
54,4
61,9
85,9
Vodík
6,6
6,0
6,1
6,0
13,3
Kyslík
38,3
33,8
39,1
29,5
-
Dusík
0,4
0,3
0,4
1,05
0,25
Síra
0,11
-
-
0,03
0,3
Popel
0,02
-
-
1,5
16/27
Pomalá pyrolýza (karbonizace) při výrobě elektrické energie
17/27
Schema stanice na získávání biooleje s cyklónovým pyrolýzním reaktorem
18/27
Schema pyrolýzní stanice s reaktorem se stacionární fluidní vrstvou
19/27
Schema pyrolýzní stanice s reaktorem s cirkulující fluidní vrstvou
20/27
Parní cyklus
Proces výroby elektřiny z páry tvoří čtyři části:
- subsystém ohřevu ( palivo k výrobě páry)
- parní systém (kotel a systém přívodu páry)
- parní turbina
- kondenzátor (pro kondenzaci využívané páry)
21/27
- pára, která se žene z vysokotlakého kotle do nízkotlakého kondenzátoru
roztáčí lopatky turbiny, které pohánějí generátor elektřiny
- pára expanduje a pracuje
konci páry širší,
z toho důvodu je turbina na výstupním
- teoretická tepelná účinnost jednotky: závisí na vysokém tlaku a teplotě v
kotli a nízké teplotě a tlaku v kondenzátoru,
- nízkotlaká pára z turbiny vstupuje do ústrojí kondenzátoru a kondenzuje na
jeho potrubí (ochlazováno chladicí vodou),
- pára se ochladí natolik, že zkondenzuje
přeprava kondenzátu
kotlovým systémem napájecí vody zpět do kotle
- Chladicí okruh: otevřený (řeka, moře…), uzavřený (chladicí věže, nádrže)
22/27
Kotel - s přirozeným oběhem, nuceným oběhem a průtočné kotle - dnes
zaujímají téměř 70 % světového trhu
Přirozený oběh - k oběhu využívá rozdílů hustoty mezi párou o vysoké
teplotě a párou o teplotě nízké a vodou.
Nucený oběh - kromě rozdílnosti hustoty je navíc podporován cirkulačními
čerpadly.
Průtočný kotel - průtok vody určují napájecí čerpadla, voda se během
jediného průchodu odpaří (výroba páry o jakémkoliv tlaku).
Kotel (parogenerátor) - kombinace ekonomizéru (ohříváku napájecí vody),
výparníku, přehříváku a přihříváku.
23/27
Hlavní rozdíly mezi koncepcí kotle s přirozeným oběhem a průtočným kotlem
Ekonomizér
- za okruhem voda/pára se napájecí voda ohřívá v ekonomizéru na teplotu
10ºC pod bod nasycení
- první tepelný výměník (na výstupu z kotle) = využití nízkoteplotních spalin
24/27
Výparník
- uvolňování chemicky vázané energie paliva ve spalovací komoře
- přes stěny výměníku tepla je ohříván okruh voda/pára
- odpařování vody (přinejmenším) na nasycenou páru (podkritické podmínky
tlaku vody/páry) nebo na přehřátou páru (nadkritické podmínky).
- trubky výparníku ve stěnách spalovací komory: vertikální uspořádání nebo
ve spirále
Přehřívák
- výroba přehřáté páry = využití nejvyšší teploty spalin v prostoru kotle
- teplota přehřáté páry - značně nad tlakově závislou kondenzační teplotou
zabránění kondenzaci při expanzi páry ve
vysokotlakém dílu parní turbiny
25/27
Přihřívák
- soustava ohříváků opakovaně spalinami ohřívající velká množství páry
- uvolnění další práce, dosáhnutí vyšší účinnosti v středotlakém dílu parní
turbiny
Parní turbina
- přeměna tepelné energie páry na mechanickou práci = rotace turbinové
hřídele…k pohonu se využíva expanze páry
- expanze páry adiabatická - teplota klesá v souvislosti s tlakovou ztrátou =
300 na 0,03 bary (velká moderní spalovací zařízení)
- k tomu dochází mezi místem vstupu páry a kondenzátorem
- následkem velkého rozdílu tlaku působí expanze páry běžně v parních
turbinách ve třech stupních – vysokotlaká, středotlaká a nízkotlaká.
- stupňovitost (většinou) umožňuje ohřát páru v přihřívácích před jejím
vstupem do následujícího nižšího tlakového stupně.
26/27
Po expanzi v parní turbině zbývá v páře určitá kondenzační a kinetická
energie, která se nepřenáší do energie mechanické...
…přeměnu páry zpět na vodu umožňuje kondenzátor
- umístněný za nízkotlakou částí turbiny
- účinné kondenzační systémy umožňují snížení tlaku parní turbiny značně
pod atmosférický tlak (0,03 bar)
…to maximalizuje odběr mechanické energie z expanze páry v turbině.
Při odstraňování kondenzační energie z páry, tj. termodynamicky
nevyužitelné energie procesu, se uplatňují chladící techniky.
techniky
27/27
Download

Zdroje tpla Přednáška 4. - Strojnícka fakulta