Spoluzplyňování tuhých odpadů s uhlím a zplyňování kapalných odpadů v technologiích...

Spoluzplyňování tuhých odpadů s uhlím a zplyňování kapalných odpadů v technologiích SUAS

Ing. Petr Mika, Ph.D., Ing. Zdeněk Bučko, Sokolovská uhelná, právní nástupce, a. s.

Technické systémy pro energetické využití odpadů prostřednictvím energetického zplyňováníTechnické systémy pro energetické využití odpadů prostřednictvím energetického zplyňováníEKIS, Jihlava, 10. 12. 2009

Spoluzplyňování tuhých odpadů s uhlím a zplyňování kapalných odpadů v technologiích SUASIng. Petr Mika, Ph.D., Ing. Zdeněk Bučko, Sokolovská uhelná, právní nástupce, a. s.



Hlavní aktivity společnosti

• Těžba a zpracování hnědého uhlí• Výroba elektřiny a tepla ve dvou elektrárnách• Výroba chemických produktů, zpracování

odpadů a doprovodných surovin• Rekultivace a zemědělská výroba


Společnost vytěží ročně zhruba 10 mil. tun uhlí a vyrobí přibližně 3,6 TWh elektřiny.Ze tří hnědouhelných společností na trhu je nejmenší, připadá na ni cca 20 % těžby hnědého uhlí.Ve výrobě elektrické energie je v postavení největšího nezávislého výrobce elektřiny na trhu - cca 4% produkce elektřiny v ČR a má významný podíl na službách soustavě.


Z roční těžby 10 mil. tun uhlí se ve vlastních technologiích spotřebuje:

- cca 1,7 mil. tun v klasické elektrárně - cca 1,7 mil. tun v tlakové plynárně pro

výrobu energoplynu pro PPZ Vřesová- 0,5 mil. tun pro výrobu briket


Využití uhlí jako příležitost

- Cena uhlí je dlouhodobě stabilní a relativně nízká.

- Zdroje vyrábějící elektřinu z uhlí jsou velmi spolehlivé.

- Poměrně značné zásoby a těžební kapacity jak v evropském, tak i ve světovém měřítku.

- Domácí uhlí může zabezpečit zaměstnanost a regionální prosperitu.

- Uhlí je dobře skladovatelné, zásoby mohou být využívány v případě potřeby.

- Uhlí lze dobře využívat pro společné zpracování s např. biomasou, odpady v různých a dnes již dobře dostupných technologiích.


Zpracovatelská část SUAS ve Vřesové

• Úpravna uhlí – sušárna, briketárna

• Tlaková plynárna s čištěním plynu

• Klasická teplárna 220 MWe

• Paroplynové zařízení 2 x 200 MWe


Výroba energetického plynu (tzv. energoplynu) ve Vřesové zplyňováním hnědého uhlí v tlakových generátorech

LURGI




Tlakový generátor LURGI 1 – uhelný bunkr 2 – svodky se šoupátky 3 – nástřik TDK 4 – odsávání UV 5 – HKU (horní kuželový uzávěr UV) 6 – UV (uhelná vpust) 7 – DKU 8 – sběrný kotlík plášťové páry 9 – „vlastní“ pára10 – nástřik SFV do SP a PCH11 – hrdlo surového plynu (SP)12 – předchladič13 – vodní plášť generátoru14 – retorta15 – sušicí pásmo16 – karbonizační pásmo17 – redukční pásmo18 – oxidační pásmo19 – popelové pásmo20 – sestava otočného roštu21 – pohon roštu22 – variátor pohonu roštu23 – napájecí voda pláště24 – „cizí“ zplyňovací pára25 – zplyňovací kyslík26 – výstup SP z PCH27 – odvod kondenzátu z PCH28 – HKP (horní kuželový uzávěr PV)29 – PV (popelová výpust)30 – DKP

31 – svodky do plavicího popelového kanálu Spoluzplyňování tuhých odpadů s uhlím a zplyňování kapalných odpadů v technologiích SUAS


Nejdůležitější chemické reakce charakterizující zplyňování uhlí

C + O2 = CO2 - 393,5 kJ/mol2C + O2 = 2 CO - 110,5 kJ/molC + CO2 = 2 CO + 174,2 kJ/molC+H2O = CO + H2 + 131,3 kJ/molCO+H2O = CO2 + H2 - 41,1 kJ/molC + 2 H2 = CH4 - 74,8 kJ/mol2CO + O2 = 2 CO - 566,0 kJ/molCO+3 H2 = CH4 + H2O - 206,1 kJ/molCO2+4 H2 = CH4 + 2 H2O - 165,0 kJ/mol


Průběh teplot v generátoru LURGI


Pásmo Sušicí Karbonizační Reakční (redukční)

Oxi

dač

ní

Pope-lové

Postup paliva (S = pevná fáze)Rošt

Plyn (G = plynná fáze) Pára & kyslík

t (°C)

Kapacitní možnosti společného zplyňování

Ročně je možno v technologii společného zplyňování s uhlím zpracovat až 150 kt paliv vyrobených zpracováním tříděných komunálních odpadů – to je ca 10 % vsázky uhlí.


Zájmové území projektu INSNO


Odpady: vlastní, cizí, i s obsahem PCB

Příklad materiálu čísla dle k. o. 19 12 04 (B 3010):Obsahuje plasty - AB styrol, PS, PP, PE, malý podíl PVCSíra 0,04 %Chlór 1,84 %Obsah vody 1,3 %Chróm 59 mg/kgNikl 28 mg/kgZinek 375 mg/kgArzén 0 mg/kgBróm 1,08 mg/kgJód 0,25 mg/kgKadmium 5 mg/kgRtuť 0 mg/kgOlovo 217 mg/kgVýhřevnost 27686 kJ/kgBezprašný a mytý materiál je podrcen na velikost cca 1 cm


Chemický a palivářský rozbor paliva

Stanovení JednotkaVzorek původní

Vzorek bezvodý

Hořlavinadaf

Vyhodnocení

Voda W % 7,35 - - vyhovuje

Popel A % 17,70 19,10 - vyhovuje

Hořlavina (100-W-A)

% 74,95 80,90 100,00 vyhovuje

Spalné teplo Qs MJ/kg 19,68 21,24 26,25 vyhovuje

Výhřevnost Qi MJ/kg 18,20 19,83 24,51 vyhovuje

Vodík H % 5,97 6,44 7,96 vyhovuje

Uhlík C % 44,70 48,25 59,64 vyhovuje

Síra organická So % 0,73 0,79 0,98 vyhovuje

Dusík N % 1,32 1,43 1,77 vyhovuje

Kyslík O % 21,09 22,76 28,13 vyhovuje

Chlór Cl % 1,14 1,23 1,52 Hodnoty původní /r/ se rozumí v dodaném stavu vzorku


Palivo A&S pro kogasifikaci

Spoluzplyňování ( kogasifikace ) paliva A&S ve směsi s uhlím SUAS v doporučeném poměru max. 5% paliva A&S a min. 95% generátorového

uhlí SUAS nepřinese žádné měřitelné navýšení jakýchkoliv sledovaných atmosférických emisí oproti zplyňování samotného uhlí SUAS.

Technologické schéma zařízení pro příjem a dávkování odpadů


Začlenění hořákového generátoru do technologie


Schema hořákového (entrained flow)

generátoru


parn í buben

vyrovn ávací zásobn ík

vyrovn ávací zásobn ík

H G D

FK , S B , O L

p á rakys líkd u s íkzem n í p lyn

n a p á jec í vo d a

h ořáky

reak tor

quen ch ersu ro vý

p lyn

s tru ska , vo d a

p á ra0 ,6 M Pa1 5 9 °C

ch lazen í,kon den zace

p lyn o vý ko n d en zá t

pračka su rovéh op lyn u

expan dér(m ez istupeň )

výs tu p sa zo vé vo d y

kon den zá tor

expan dér0 ,15 M Pa

112 °C

expan dérch lad ič

12 ,5 kPa50 °C

kon den zá tor

va ku u m

zásobn ík kon den zá tu

n a p á jec í vo d a

q u en ch o vá vo d a

zásobn íkquen ch .

vody

m ísicí n ádrž

zah ušťovač

před loh ačerpad lasuspen ze

ka lolis

kon tejn ern a sazový koláč

o d p a d n ísa zo vá vo d a

flo ku la n t

Z je d n o d u še n é sc h e m a h o řá k o v é h o g e n e rá to ru , S o k o lo v sk á u h e ln á , a . s .


Vyzdívka reaktoru- tři druhy použitých materiálů:

a) v tepelně nejvíce namáhaných partiích s teplotou kolem 2000 °C a výše jde o téměř stoprocentní korund (99,5 Al2O3)b) ve spodní části: chromité (Cr2O3) materiályc) zirkonové (ZrO2) materiály

Korund: odolný proti otěru a proti struskám. Negativní vliv - obsah vanadu v popelovinách (vzniklý oxid snižuje odolnost vyzdívky vůči žáru, odolnost klesá v povrchové vrstvě až k druhému eutektiku a k tečení).

Chromité a zirkonové materiály: odolné proti kyselým i bazickým taveninám, zirkonové dále proti borosilikátovým sklovinám. Alkálie obsažené v popelovinách média (Na, K, Ca) ve formě oxidů interagují se spojovacími šamotovými materiály a způsobují dodatečné slinutí a smršťování doprovázené poklesem žáruvzdornosti a nežádoucími objemovými změnami materiálu vyzdívky.


Vlastní zplyňovaná médiaHnědouhelný generátorový dehetměrná hmotnost (20 °C) 994±12 kg/m3

destilát do 350 °C min. 62 %výhřevnost min. 36 MJ/kgkinematická viskosita (20 °C) max. 55 mm2/sdtto (50 °C) 7±2,4 mm2/sneutrální podíl 50 - 58 %(tvořen je velmi pestrou směsí identifikovaných látek: z aromatických jsou výrazněji zastoupeny benzen, toluen, xyleny, naftalen, anthracen, fenanthren a jejich homology, z alifatických látek pak alkany C 9 až C29 a cyklany)kyselý podíl 7 - 12 % (fenol, kresoly a xylenoly)zásaditý podíl 0,5 % (velmi malé podíly pyridinu, anilinu a chinolinu a jejich homologů)obsah: uhlíku cca 84 %

vodíku 9 – 10 %kyslíku 4 – 5 %síry 0,5 %

Dehet je klasifikován jako látka hořlavá, toxická, karcinogenní kategorie 1, R-věta 45.

Surový benzin (měrná hmotnost (20 °C) = 785±20 kg/m3, kinematická viskosita (20 °C) = 0,5 mm2/s)organické látky z procesu odčpavkování (měrná hmotnost (20 °C) = 890±10 kg/m3, kinematická viskosita (40 °C) = 2 mm2/s)Fenolový koncentrát bude nadále předmětem obchodu SUAS.


Jmenovité a procesní hodnotyJmenovité výkony zařízení: 12 t/h dehtu a 3 t/h sekundárních palivPotřeby dalších médií: kyslík max. 15 500 m3(n)/h

zplyňovací pára max. 7000 kg/hnapájecí voda max. 18 000 kg/hdusík max. 500 m3(n)/h

Spotřeba zemního plynu v pilotním hořáku po spuštění čtyř hořáků zplyňovaných látek a při provozu reaktorového systému v regulační oblasti 45 - 120 % jmenovitého výkonu: 100 m3(n)/hRychlost změny zatížení: 6 % jmenovitého výkonu za minutu

Proces: rozštěpení média rozprášeného v hořáku pomocí kyslíku a vodní páry za tlaku 2,8 MPa při velmi vysoké rovnovážné reakční teplotě (1400 - 1500 °C, u ústí hořáku > 2000 °C)Vznik syntézního plynu obsahujícího jako hlavní složky H2, CO a CO2, téměř žádné vyšší uhlovodíky (obsah uhlovodíků vyšších než C3 bude max. 0,1 % obj.) a rovněž obsah CH4 se bude blížit nuleMnožství vyrobeného suchého plynu (při jmenovitém výkonu): 37 - 42,3 tis. m3(n)/hVýhřevnost: 12,2 MJ/m3(n)Přítomné prvky N, S a Cl přecházejí v důsledku převažující redukční atmosféry v oblasti mimo plamen (po proběhnutí krakovacích a oxidačních reakcí) na NH3, HCN, H2S, COS (případně CH3SH) a HCl


Vybrané parametry energoplynu a syntézního plynu z nové jednotky

% Vol. Natural gas Energy gas EFG gas mix min. mix max.

CO2 0.30 24.52 10.25 23.09 15.96

CO - 14.78 49.75 18.28 35.76

H2 - 47.56 38.88 46.69 42.35

N2 1.26 0.14 0.88 0.21 0.58

CH4 97.38 12.10 0.005 10.89 4.84

C2H4 0.13 - 0.12 0.05

C2H6 0.70 0.61 0.001 0.55 0.24

C3H6 0.03 - 0.027 0.012

C3H8 0.20 0.09 - 0.08 0.04

C4Hx 0.08 0.005 - 0.004 0.002

Ar 0.003 - 0.003 0.001

O2 - 0.03 0.00 0.027 0.012

density (computed) 0.569 0.629

combustion heat [MJ/m3(n)]

35.71 11.94 10.48mix min.: 90 % energy gas + 10 % EFG gasmix max.: 40 % energy gas + 60 % EFG gas


Blokové schema zpracovatelských technologií


Specifikace požadavků na vlastnosti cizích médií

Viskosita: určující fyzikálně-chemický parametr pro výběr vhodného substituenta - ovlivňuje podmínky dopravy, skladování a použití daných látek, tedy ekonomiku celého řetězce od výroby po spotřebu.

Horní hranice teploty pro zahřátí média ve vyrovnávací nádrži před nástřikem do hořákového generátoru: 130 - 150 °C (většina relevantních substituentů hnědouhelného generátorového dehtu je o odpovídající viskositě). Nutno zvažovat pracovní podmínky čerpadel náhradního média - zejména pracovní teplotu cirkulačních čerpadel.Při 100 °C by měla kinematická viskosita být pod 10 mm2/s s ohledem na alespoň minimální základní výtěžnost procesu.

Požadavky na média: obsah mechanických nečistot kolem 0,2 % hm., max. (dle složení popelovin) 0,5 % hm.V a Ni: max. 5 mg/kg původního vzorkuCelkový obsah alkáliíObsah fosforu je krajně nežádoucí

Možné zdroje: rafinerie, strojírenský průmysl, koksovny apod.Příklad: destilátové topné oleje mají malou viskositu, dobře se rozprašují, jsou frakčně lehké, snadno přecházejí v páry, čistě se spalují a zplyňují a jsou bez popela. Jsou dražší, odpadá však problém s předehřevem.Zbytkové oleje (po destilaci a krakování ropy) jsou viskósní, bod tuhnutí je obvykle vysoký, musí se předehřívat. Je nutné u nich sledovat obsah síry, popelovin a vody (pod 1 % hm.).Významná je velmi pravděpodobná nutnost výstavby nového tanku s nucenou cirkulací a ohřevem - při objemu 4000 m3 lze investiční náklady odhadnout na 25 - 28 mil. Kč (materiál + realizace).


Podmínky zplyňování cizích médiíHořákový generátor instalovaný na tlakové plynárně ve Vřesové je schopen zpracovávat alternativní kapalná paliva (včetně odpadů) v širokém spektru jejich složení zplyněním v objemu do 15 t/h. K tomu, aby bylo možné uvažovat o takovém využití tohoto zařízení, je nezbytné splnění následujících podmínek:

- stabilizace procesu v době trvání garancí

- zvládnutí variant technologického procesu

- konzistence uvažovaných kapalných látek (zejm. kinematická viskozita) by měla být zhruba shodná s látkami, pro něž byly konstruovány hořáky, případně musí být upravena předehřevem (jde o prosazení potřebného objemu do reaktoru)

- alternativní kapalné látky nesmí obsahovat abrazivní částice a případně obsažené popeloviny nesmí mít chemický vliv na vyzdívku použitou v reaktoru

- limitován bude rovněž obsah halogenů.


Děkuji za pozornost

Sokolovská uhelná, právní nástupce: www.suas.czIng. P. Mika, Ph.D.: [email protected], tel.: 352 46 4480

Ing. Z. Bučko: [email protected], tel.: 352 46 2161


Date post:	30-Jan-2016
Category:	Documents
Upload:	cid
View:	50 times
Download:	0 times

Spoluzplyňování tuhých odpadů s uhlím a zplyňování kapalných odpadů v technologiích...

Documents