Układ kondensacji spalin informacje ogólne

1
Układ kondensacji spalin ( UKS )
W wyniku spalania biomasy o dużej zawartość wilgoci: 30 – 50%, w spalinach wylotowych
jest duża zawartość pary wodnej. Prowadzony w UKS proces kondensacji pary wodnej
zawartej w spalinach pozwala na odzyskanie ciepła parowania w niej zawartego.
Teoretyczna ilość energii, jaką można uzyskać podczas kondensacji pary wodnej, jest równa
sumie energii ze schłodzenia wilgotnych spalin do temperatury nasycenia i ciepła parowania
wody.
Temperatura nasycenia jest funkcją zawartości wilgoci w spalinach. Im wyższa zawartość
wilgoci, tym wyższa jest temperatura nasycenia. Na poniższym rysunku przedstawiono
zależność między zawartością pary wodnej w mieszaninie gazowej (w % objętościowych), a
temperaturą nasycenia.
70
Temperatura nasycenia [ o C]
60
50
40
30
20
10
0
0%
5%
10%
15%
20%
25%
30%
Udział pary wodnej [% objętościowy]
Zależność między zawartością pary wodnej, a temperaturą nasycenia
Schłodzenie wilgotnych spalin do temperatury niższej niż temperatura nasycenia
(odpowiadającej wilgoci zawartej w spalinach), powoduje wykroplenie się wody i
wydzielenie ciepła parowania. Im większa jest zawartość wilgoci w dopływających spalinach,
tym więcej pary wodnej można skondensować i więcej ciepła odzyskać.
Wilgotne spaliny dopływają do UKS, gdzie schładzane są przez czynnik odbierający ciepło.
Na skutek schłodzenia spalin do wartości temperatury nasycenia, kondensuje się para wodna i
wydziela się ciepło parowania. W przypadku Elektrociepłowni , odebrane ciepło zostanie
wykorzystane do podgrzania powrotnej wody sieciowej. W zależności od rozwiązań
technicznych UKS, ciepło odebrane ze spalin może być przekazane ze spalin bezpośrednio do
wody sieciowej w wymienniku spaliny/woda sieciowa, lub za pomocą dodatkowego
wymuszonego obiegu kondensatu i zewnętrznego wymiennika ciepła kondensat/woda
sieciowa. Wykroplona para wodna, zwana kondensatem, jest odprowadzana z UKS.
Kondensat, który w zależności od składu spalanej biomasy zawiera szereg zanieczyszczeń,
może być poddany dalszemu oczyszczaniu. Technologia oczyszczania kondensatu zależy od
wymaganego poziomu oczyszczania: do parametrów ścieków oczyszczonych, wody surowej
lub też nawet wody zdemineralizowanej.
Ilość ciepła możliwa do odebrania w UKS związana jest z temperaturą czynnika chłodzącego.
Im niższa jest jego temperatura, tym bardziej można obniżyć temperaturę nasycenia spalin i
skondensować więcej pary wodnej. Skondensowanie większej ilości pary wodnej oznacza
większe ilości wydzielonego ciepła kondensacji. W wyniku chłodzenia spaliny osiągają
temperaturę o kilka stopni wyższą niż czynnik chłodzący. Różnica między temperaturą
schłodzonych spalin, a temperaturą czynnika chłodzącego, dopływającego do UKS, wynosi
od 1oC do 5oC. Różnica ta zależy od rozwiązań technologicznych zastosowanych w UKS:
przepływu czynnika chłodzącego, wielkości i zastosowanego materiału do budowy
wymiennika. Mniejsza różnica temperatur pozwala na większe obniżenie temperatury spalin i
wydzielenie więcej ciepła parowania.
W UKS ciepło kondensacji pobierane jest przez cyrkulujący kondensat, który oddaje je
powrotnej wodzie sieciowej w zewnętrznym wymienniku ciepła.
− W przypadku zastosowania UKS nie odzyskuje się ciepła, gdy temperatura powrotnej
wody sieciowej jest wyższa od temperatury nasycenia. W efekcie czego UKS nie
pracuje dla temperatur powrotnej wody sieciowej powyżej 60oC (dla 40% wilgotności
paliwa).
− Oprócz funkcji odzysku ciepła ze spalin, w UKS spaliny są skuteczniej doczyszczane
. Funkcja ta może być szczególnie przydatna, jeżeli spalane będą zrębki pochodzące z
plantacji energetycznych i zawierające dużo chloru czy metali ciężkich (np. gdy
plantacja energetyczna jest nawożona osadami z oczyszczalni ścieków).
Głównymi korzyściami wynikającymi z zastosowania UKS jest:
− wzrost sprawności wykorzystania energii chemicznej zawartej w spalanej biomasie,
poprzez zwiększoną produkcję ciepła. Dzięki zastosowaniu UKS można osiągnąć do
20% więcej ciepła (dla wilgotności paliwa 40%) niż dla rozwiązań bez UKS, co daje
całkowitą sprawność układu , która dochodzi nawet do 107% (liczoną w odniesieniu
do wartości opałowej paliwa)
− zagospodarowanie powstałego kondensatu i uzyskanie dodatkowego źródła wody.
Układ kondensacji spalin pozwala na odzyskanie do 40% wody zawartej w spalinach
dopływających do UKS.
Czynnikami wpływającymi na opłacalność układu kondensacji spalin (UKS) są:
− Zawartość wilgoci w paliwie,
− Temperatura czynnika odbierającego ciepło – powrotnej wody sieciowej,
− Czas wykorzystania instalacji,
− Relacja pomiędzy nakładami inwestycyjnymi i unikniętymi kosztami wytwarzania
ciepła.
W celu zwiększenia zawartości wilgoci w spalinach dopływających do UKS, a tym samym
ilości ciepła odbieranego w UKS, stosuje się też rozwiązania z nawilżaniem powietrza do
spalania. Zwiększenie zawartości wilgoci, związane z wyższą temperatura nasycenia,
umożliwia wykorzystanie czynnika odbierającego ciepło o temperaturze powyżej 60oC.
1.1
Praca UKS w systemie ciepłowniczym Elektrociepłowni
Ciepło z układu kondensacji spalin będzie odbierane przez wodę sieciową. Ponieważ moc
cieplna UKS związana jest z temperaturą powrotną wody sieciowej, (im niższa temperatura
tym wyższa efektywność pracy UKS), włączenie UKS w układ cieplny elektrociepłowni
powinno być zrealizowane jako pierwszy stopień podgrzewu powrotnej wody sieciowej,
przed wymiennikami podstawowymi.
Rozpatrując włączenie UKS w układ cieplny elektrociepłowni, trzeba wziąć pod uwagę:
− Możliwości zagospodarowania kondensatu powstającego w trakcie pracy UKS.
Technologia oczyszczania kondensatu zależy od wymaganego stopnia oczyszczania
kondensatu i możliwości jego zagospodarowania:
o Oczyszczenie do poziomu czystości umożliwiającego zrzut do odbiornika
ścieków oczyszczonych lub podczyszczenie i zrzut do oczyszczalni ścieków
przemysłowych.
o Oczyszczenie i wykorzystanie jako woda surowa na potrzeby przygotowania
wody procesowej.
o Oczyszczenie do parametrów wody zdemineralizowanej i wykorzystanie jako
wody uzupełniającej w obiegu ciepłowniczym lub obiegu chłodzenia.
Zastosowanie układu podczyszczania kondensatu do stopnia czystości wody surowej, mimo
obowiązujących niskich opłat za pobór wody, może być najlepszym rozwiązaniem
zagospodarowania kondensatu. Przy obecnych tendencjach racjonalnego i oszczędnego
gospodarowania wodą, wykorzystanie kondensatu jako źródła wody surowej może być
jednym z istotnych efektów ekologicznych wykazywanych przy staraniu się o dotację dla
projektu UKS.
Opis technologii
Gazy spalinowe doprowadzone do układu kondensacji są zraszane w lekko nachylonych
rurach, wyposażonych w dużą liczbę dysz doprowadzających cyrkulujący kondensat.
Podgrzany przez spaliny kondensat wpływa do naczynia zbiorczego, skąd jest
przepompowywany do zewnętrznego wymiennika ciepła, w którym oddaje pobrane ciepło
powrotnej wodzie sieciowej. Następnie kondensat ponownie przepływa przez dysze i pobiera
ciepło kondensacji wydzielone podczas chłodzenia spalin.
Przepływ wody sieciowej, jako czynnika odbierającego ciepło z UKS wynosi np. 1800 m3/h.
Układ taki pozwala na osiągnięcie różnicy temperatur około 3oC pomiędzy temperaturą
powrotnej wody sieciowej, a temperaturą spalin wypływających z UKS. Dla przepływu wody
sieciowej wynoszącego około 1800 m3/h dobiera się rurociągi DN 500. Opór przepływu w
wymienniku po stronie wody sieciowej wynosi około 80 – 100 kPa.
Opory przepływu po stronie spalin wynoszą około 1,2 kPa . Zakres dostawy obejmuje
również dostawę wentylatora spalin, dobranego do proponowanego skrubera.
Zakres dostawy obejmuje również klapę trójdrożną.Klapa umożliwia skierowanie spalin do
modułu UKS, lub ominięcie modułu UKS i skierowanie spalin do kanału odprowadzającego
spaliny do komina.
Zakres dostaw nie obejmuje wykonania płyty fundamentowej i wymaganego zadaszenia dla
zabudowy skraplacza.
Na poniższych rysunkach przedstawiono ilość ciepła możliwą do odzyskania przy
zastosowaniu UKS rozwiązanego jako skruber dla przyjętych parametrów pracy kotła
biomasowego, w zależności od temperatury powrotnej wody sieciowej dopływającej
rurociągiem DN 500, dla paliwa o wilgotności umownej 40%.
20
18
16
14
[MW]
12
10
8
6
4
2
0
40
45
50
55
60
o
Temperatura [ C]
Ilość ciepła możliwa do odzyskania przy zastosowaniu skrubera w zależności od temperatury
powrotnej wody sieciowej
16
14
UKS [MW]
12
10
8
6
4
2
0
1
1001
2001
3001
4001
5001
6001
7001
8001
[h]
Wykres uporządkowany ilości ciepła możliwego do odzyskania przy zastosowaniu skrubera
W okresie letnim (przez około 3760h) odbiór ciepła z UKS będzie jednak niższy, co związane
jest z ograniczonym zapotrzebowaniem na ciepło w tym okresie.
W celu utrzymania pH kondensatu na poziomie obojętnym, stosowane jest dawkowanie 50%
roztworu NaOH. Nadmiar kondensatu jest odprowadzany rurą o średnicy DN 50 do układów
oczyszczania kondensatu.
Nadmiar kondensatu odprowadzany z układu kondensacji spalin podlega oczyszczeniu w
osadniku lamelowym i filtrze piaskowym. Po oczyszczeniu, kondensat charakteryzuje się
następującymi parametrami:
− zawiesina ogólna
<10 mg/l
− pH
6,5 – 7,5
− temperatura.
35-45oC
− zanieczyszczenia olejowe
brak
Powstały szlam z oczyszczania kondensatu może być zmieszany z popiołem.
Kondensat o takich parametrach może być również wykorzystany jako woda surowa
podawana do stacji uzdatniania wody.
Efekty ekologiczne
Zastosowanie UKS ma wpływ na strukturę zużycia paliw pierwotnych w Elektrociepłowni .
Dzięki zmniejszeniu zużycia np. węgla, zmniejszą się emisje szkodliwych związków do
atmosfery – SO2, NOx, CO, CO2 oraz pyłów. Nastąpi także redukcja ilości powstającego
popiołu i żużla.
Potrzeby własne układu kondensacji spalin są stosunkowo niewielkie w porównaniu z
nakładami koniecznymi do wyprodukowania tej samej ilości energii cieplnej w układzie
elektrociepłowni.
W przypadku spalania w kotle biomasowym paliwa o wysokiej zawartości zanieczyszczeń,
układ kondensacji spalin będzie spełniał również rolę kolejnego etapu oczyszczania spalin. Ze
względu na zastosowaną technologię płukania spalin, w układzie ze skruberem usuwana jest
większa ilość zanieczyszczeń.
Skuteczny proces oczyszczania kondensatu pozwala na wykorzystanie kondensatu
opuszczającego UKS jako wody surowej. Przyczynia się to do zmniejszenia wydobycia wód z
ujęć podziemnych.