Alternatívne palivá - alternatíva k uhliu; Recyklácia v EÚ
Používanie biomasy a odpadových náhradných palív v uhoľných elektrárňach nadobúda na význame. Spoluspaľovanie RDF je spojené s mnohými ťažkosťami, ako skúmali Michael Nolte a Kai Keldenich zo spoločnosti Evonik Energy Services GmbH v Essene:
Skúsenosti ukazujú, že uhoľné elektrárne majú veľmi vysoké požiadavky na biomasu a odpadové náhradné palivá (RDF). Kritériá sú chemické zloženie, najmä čo sa týka zložiek chlóru, síry a zásad, výhrevnosť a správanie pri topení popola, doba použiteľnosti (biologická stabilita a odolnosť proti vode), mletosť, konzistencia a distribúcia veľkosti zrna. Okrem toho sú dôležité miestne podmienky, ako napríklad typ spaľovania v elektrárni (prach alebo spaľovanie vo fluidnom lôžku). Náhradné palivá by mali mať materiálové vlastnosti podobné uhliu - čím bližšie sú materiálové vlastnosti RBP k vlastnostiam primárneho palivového uhlia, tým ľahšie, lacnejšie a teda ekonomickejšie ich možno integrovať do existujúceho procesu v elektrárni.
Procesu elektrárne predchádza preskúmanie materiálových vlastností a existujúcich okrajových podmienok špecifických pre dané miesto, ako je koncepcia skladovania, nabíjacie zariadenie, konštrukcia spaľovacieho a parného generátora, výkon čistenia výfukových plynov, prevádzka záťaže elektrárne a druh a umiestnenie existujúcich pomocných systémov. Mali by sa navyše brať do úvahy požiadavky na možnú recykláciu odpadu z vedľajších produktov elektrárne, ako sú parný generátor a popolček. Výhrevnosť náhradných palív je pomerne nízka, čo ich robí vhodnejšími na použitie pri spaľovaní hnedého uhlia ako pri spaľovaní čierneho uhlia. Avšak kvôli obzvlášť nízkym nákladom na poskytnutie hnedého uhlia sa RDF zriedka používa pri spaľovaní hnedého uhlia. Naproti tomu v prípade spaľovania čierneho uhlia sa náhradné palivo používa predovšetkým pri spaľovaní vo fluidnom lôžku. Úspešnosť spracovania vyžadovaná pre RDF je zvyčajne výrazne nižšia ako pri vypaľovaní prachu.
Priame, nepriame, paralelné spoluspaľovanie
Integrácia biomasy a/alebo odpadových náhradných palív sa uskutočňuje procesom spoluspaľovania, pri ktorom je časť fosílneho primárneho paliva nahradená regeneračným alebo aspoň čiastočne regeneratívnym sekundárnym palivom. V posledných niekoľkých desaťročiach boli vyvinuté rôzne riešenia (priame, nepriame, paralelné spoluspaľovanie), z ktorých každé môže mať rôzne účinky (konkrétne výhody a nevýhody) na účinnosť, prevádzku a životnosť jednotlivých blokov, ako aj celej elektrárne. Priame spoluspaľovanie je najjednoduchšia a najlacnejšia forma spoluspaľovania. Avšak heterogénne zloženie materiálu, priľnutie nečistôt, trosky alebo korózia môžu znížiť rýchlosť spoluspaľovania a skrátiť dostupnosť uhoľného kotla. To platí najmä pre oblasti prehrievačov, predhrievačov vzduchu a katalyzátorov SCR.
Pri priamom spoluspaľovaní sa náhradné palivo a štandardné palivové uhlie tepelne premieňajú v rovnakom reaktore. V závislosti od charakteristík RDF a typu dostupného parného generátora môže byť príprava a dodávka paliva navrhnuté inak. V prípade prachového kotla na uhlie je zvyčajne potrebné ďalšie spracovanie RBP. Ak sa to robí spolu s uhlím, pridá sa RDF pred uhoľný mlyn. Uhlie a RBP sa spoločne melú v mlyne a pomocou spoločných horákov sa privádzajú do pece ako zmes.
Ak sa RDF spracúva v samostatnej jednotke (napríklad v kladivovom mlyne), RDF sa zvyčajne pridáva do uhlia až po uhoľnom mlyne a potom sa na neho privádza palivo pomocou bežných horákov v peci. RDF možno tiež privádzať do pece nezmiešanej ako samostatný samostatný prúd buď prostredníctvom samostatných privádzacích zariadení na existujúcich horákoch, alebo prostredníctvom úplne samostatných horákov alebo rúrok RDF. Ak je RDF privádzaný prostredníctvom samostatných horákov/dýz, môžu sa stechiometrické podmienky spaľovania na horákoch/dýzach prispôsobiť príslušnému palivu. V prípade spaľovania s fluidným lôžkom môžu byť rôzne možnosti privádzania do uhoľného kotla uskutočňované bez ďalšej mechanickej predbežnej úpravy. Ukázalo sa, že fluidné spaľovanie je pružnejšie, čo sa týka spektra zrnitosti, ako spaľovanie prachu.
V prípade oveľa nákladnejšieho a zložitejšieho nepriameho spoluspaľovania predchádza spaľovaniu v uhoľnom kotle tepelné predpríprava RDF vo forme splyňovača alebo pyrolýzy. Výsledný syntézny plyn a zmes bio-oleja/bio-koksu je možné vopred vyčistiť a potom spáliť v kotli na uhlie pomocou samostatných horákov. Mechanické spracovanie RDF možno vynechať. Je možné zabrániť prenosu potenciálnych znečisťujúcich látok, ako sú ťažké kovy alebo iné nežiaduce anorganické zlúčeniny, do kotla na uhlie, rýchlosť spoluspaľovania je vyššia a kotol na uhlie nie je nepriaznivo ovplyvnený.
V prípade paralelného spoluspaľovania, ktoré je zďaleka nákladovo najnáročnejším variantom, prebieha tepelná premena uhlia a RBP v dvoch samostatných spaľovacích systémoch, ktoré zahŕňajú aj úplné čistenie spalín. Dva okruhy sú spojené iba na strane pary. Okruh vodnej pary parného generátora EBS je integrovaný do okruhu vodnej pary kotla na uhlie. Samostatný generátor pary EBS je špeciálne navrhnutý pre EBS. Vďaka exkluzívnemu spojeniu prostredníctvom cyklu voda-para sa do kotla na uhlie nedostávajú žiadne výfukové plyny z parného generátora RDF. Čistia sa osobitne prostredníctvom systému čistenia výfukových plynov parného generátora EBS. Kontaminácii, troskám a korózii v uhoľnom kotle súvisiacim s RDF sa dá úplne vyhnúť. Medzi výfukovými plynmi zo spaľovania RDF a výfukovými plynmi zo spaľovania uhlia nie je žiadny priamy kontakt. Nevýhodou paralelného spoluspaľovania je - v závislosti od bodu vstrekovania pary v kotli na uhlie - výrazne nižšia rýchlosť spoluspaľovania v porovnaní s nepriamym spoluspaľovaním.
Problém korózie
V uhoľných elektrárňach sa korózne procesy vyskytujú predovšetkým v oblasti parného generátora a môžu sa zosilniť pridaním RDF kvôli jeho elementárnemu zloženiu. V závislosti od reaktantov to môže byť chemický, elektrický alebo kovovo-fyzikálny proces. Riziko korózie je v podstate určené podmienkami horenia, teplotou steny potrubia a obsahom prvkov dôležitých pre koróziu. Dôležitými parametrami materiálu dôležitými pre koróziu sú napríklad obsah chlóru a síry v palive a podiel zlúčenín ťažkých kovov, zlúčenín alkalických kovov a kovov alkalických zemín v popole.
U týchto zložiek paliva a popola je možné určiť korózne indikátory - ako indikáciu očakávaného rizika korózie. Pomocou indikátorov korózie nemožno vylúčiť korózne procesy v súčasnej peci a existujúcom parnom generátore. Korózia sa môže vyskytnúť v rôznych oblastiach generátora pary a môže byť spôsobená rôznymi mechanizmami. Je potrebné spomenúť nedostatok kyslíka, roztavenú soľ, vysokoteplotný chlór a koróziu rosného bodu.
Korózia spôsobená nedostatkom kyslíka: Môže sa nachádzať atmosféra výfukového plynu chudobná na kyslík vo forme prameňov CO, najmä na stenách pece generátora pary v blízkosti horáka. Neúplná oxidácia môže napadnúť ochrannú vrstvu oxidu Fe2O3 na stene generátora pary alebo brániť jej hromadeniu. Prítomnosť chlóru môže tento proces dokonca podporiť.
Korózia pre roztavenú soľ: V oblasti stien spaľovacej komory môžu byť chlór a alkalické zlúčeniny síry prítomné v agresívnej, roztavenej forme, ktorá je spôsobená reakciami medzi sírou alebo jej produktmi spaľovania SO2 a SO3 s oxidmi, ako sú Na2O a K2O, ktoré sa vyskytujú v popole. Oxidy ťažkých kovov ako CuO, PbO alebo ZnO môžu tento proces korózie zintenzívniť.
Korózia chlóru pri vysokej teplote: V oblasti vyhrievacích plôch prehrievača môžu chloridy alkalických kovov, najmä NaCl a KCl, kondenzovať a sírovať v dôsledku oxidácie síry SO2 v oxidačnej atmosfére. Pri sulfatácii alkálií v popolovom kryte sa uvoľňuje elementárny chlór, ktorý reaguje so železom na povrchu materiálu za vzniku chloridu železa a odparuje sa v závislosti od prevládajúcej teploty steny. Rozklad chloridu železa následnými reakciami s kyslíkom a oxidmi síry vedie k opätovnému uvoľňovaniu elementárneho chlóru, takže na vykurovacích plochách prehrievača parného generátora môže vzniknúť vnútorný korózny cyklus.
Korózia rosného bodu: Ak teplota v dôsledku ochladenia klesne pod hranicu teploty, môžu sa v oblasti ekonomizéra (ECO) vytvárať usadeniny a môže dôjsť k predhrievaču vzduchu a kondenzácii kyselín (najmä H2SO4 a HCl). Výsledná kyselina napáda kovový povrch príslušného komponentu systému.
Čo tiež zohráva úlohu
Kam smeruje trend - flexibilné uhoľné elektrárne
Na pozadí rámca energetickej politiky v Nemecku Michael Nolte a Kai Keldenich tvrdia, že prevádzka elektrární na čierne uhlie bude pravdepodobne ešte častejšie charakterizovaná prevádzkami s čiastočným/nízkym zaťažením a prestojmi elektrární ako predtým. Zároveň sa zvýši dopyt po reagovaní na výkyvy v energii z obnoviteľných zdrojov, ktoré súvisia s počasím, rýchlym zvýšením alebo znížením záťaže alebo rýchlym spustením a odstavením elektrárne, aby sa vyrovnal dopyt po elektrine a stabilizovali sa prenosové siete.
V budúcnosti by sa na trhu presadili najmä uhoľné elektrárne, „ktoré sa okrem nízkych nákladov na výrobu elektriny (Merrit Order) vyznačujú aj rýchlym a lacným nábehom/odstavením, prevádzkou pri nízkom zaťažení s čo najmenším možným celkovým zaťažením a flexibilnou prevádzkou s rýchlymi zmenami zaťaženia. Časté spúšťanie a vypínanie, ako aj časté režimy jazdy s čiastočným alebo nízkym zaťažením vedú v konečnom dôsledku k významne zníženiu prevádzkových hodín (Vh) plného zaťaženia v konvenčných elektrárňach. Napríklad prevádzkové hodiny pri plnom zaťažení v určitých lokalitách elektrární už klesli pod 4 000 Vh a očakáva sa, že tento trend sa ešte zvýši. “V časoch s vysokým podielom solárnej a veternej energie mohli uhoľné elektrárne stáť niekoľko po sebe nasledujúcich dní. . Z dlhodobého hľadiska nemožno predvídať požiadavku na uhoľnú elektráreň na výrobu elektriny.
Dáva to zmysel iba v kombinovanej výrobe tepla a elektrickej energie
Pri zvažovaní možného použitia náhradných palív v existujúcej uhoľnej elektrárni je preto potrebné vziať do úvahy, ako vyzerá súčasná a očakávaná budúca prevádzková situácia uhoľnej elektrárne, aby bolo možné spoluspaľovanie realizovať ekonomicky a v zmysle licenčného zákona. V prípade elektrární, ktoré majú veľmi flexibilné kritériá požiadaviek, je proces ekonomického spoluspaľovania výrazne sťažený. Časté režimy jazdy pri čiastočnom/malom zaťažení by dokonca mohli úplne zabrániť paralelnému spoluspaľovaniu, v závislosti od bodu spojenia v cykle voda - para uhoľnej elektrárne. Michael Nolte a Kai Keldenich sa preto domnievajú, že budúce využitie EBS má zmysel iba v elektrárňach s kombinovanou výrobou tepla a elektriny, ktoré majú stále nadpriemerný prevádzkový čas. V uhoľných elektrárňach bez ťažby tepla sa spoluspaľovanie RBP skôr zníži ako zvýši.
Celý článok „Alternatívne palivá v kombinácii s uhoľnými elektrárňami - budúce využitie náhradných palív z pohľadu technológie elektrární“ od Michaela Nolteho a Kaia Keldenicha si môžete prečítať v časopise Energy from Waste, zväzok 12, vyd. autor K. J. Thomé-Kozmiensky, TK Verlag Karl Thomé-Kozmiensky 2015, ISBN 978-3-944310-18-3