|
Aktualności
|
|
Informacje
Numery
Numer 01/2006
Technika plazmowa wkracza do energetyki
|
|
|
Na podstawie artykułu S. Pietrowa, W. Litowkina K woprosu o primienienii płazmy dla effiektiwnogo sżiganija nizkoreakcjonnych uglej, „Energetika i Elektrifikacija”.
|
Rozpalanie kotłów... prądem elektrycznym
Od dziesiątek lat strategia rozwoju energetyki dawnego ZSRR, a obecnie krajów powstałych po jego rozpadzie, opierała się na rosnącym udziale gazu ziemnego i oleju opałowego w ogólnym bilansie paliwowym. Tendencja ta wynikała z przyjętej polityki cenowej oraz z nierozwiązanych problemów technologii spalania węgli. Jednak obecnie w krajach byłego ZSRR coraz głośniej mówi się o schyłku tej koncepcji. Dokument „Energetyczna strategia Rosji do 2020 r.” przewiduje zrównanie cen węgla i gazu ziemnego już ok. 2006-2007 r. i dalszy, dwukrotnie szybszy wzrost cen paliwa gazowego do 2020 r.
Decydującym argumentem za zwrotem w polityce energetycznej państw tego regionu (a wkrótce zapewne i w innych) są z jednej strony zdecydowanie większe zasoby węgli, a z drugiej – doskonalenie technologii ich utylizacji. Wyraźna poprawa ekologii spalania węgla kamiennego stała się możliwa dzięki wdrożeniu szeregu nowych rozwiązań, m.in. komór paleniskowych z usuwaniem żużla w stanie płynnym, cyklonowych palenisk pyłowych, skuteczniejszych elektrofiltrów, instalacji odsiarczania i odazotowania spalin. Jednak nadal, mimo wprowadzania nowych konstrukcji palników wirowych, problemem energetyki byłego ZSRR pozostaje niecałkowite spalanie węgli; pozostałości części palnych w odpadach paleniskowych na blokach wszystkich mocy sięgają nawet kilkunastu procent. W rezultacie na przyelektrownianych składowiskach odpadów nagromadziły się już dziesiątki milionów ton niewykorzystanych węgli.
Dla ograniczania strat niecałkowitego spalania węgla kamiennego w radzieckich kotłach rutynowo stosowano – nie licząc się z ekonomią - dopalanie za pomocą palników mazutowych i gazowych. Dopiero w latach 80. wobec rosnących cen ropy i gazu zintensyfikowano poszukiwania nowych sposobów rozpalania i stabilizacji spalania w kotłach węglowych. Po 1985 r. w ZSRR wyodrębniły się dwa kierunki technologii tzw. stopniowego spalania z termochemicznym przygotowaniem pyłu węglowego: z użyciem retortowych palników mazutowych i gazowych wbudowanych współosiowo w wirowe palniki pyłowe oraz z użyciem palników wyposażonych w generator plazmy (plazmotron) i komorę termochemicznego przygotowania paliwa węglowego.
W radzieckich badaniach priorytet uzyskały projekty o niskich kosztach i krótkim cyklu inwestycyjnym możliwe do wdrożenia już w pracujących elektrowniach. Do sprawdzonych technologii spełniających wymienione warunki należą układy plazmowego rozpalania i podtrzymywania spalania kotłów pyłowych. Technika plazmowa znalazła już szerokie zastosowanie w przemyśle, lecz niestety wciąż pozostaje niedoceniana w elektroenergetyce. Tymczasem plazmowe układy palnikowe na bazie plazmotronów łukowych i kompleksowe układy plazmowego zgazowania mają zalety, którymi nie dysponują tradycyjne rozwiązania, a mianowicie rozpalanie kotłów pyłowych i stabilizację płomienia bez użycia mazutu i gazu, obniżenie strat niecałkowitego spalania, zmniejszenie emisji tlenków siarki i azotu.
Zastosowanie plazmy do spalania węgla opiera się na jego termochemicznym przygotowaniu. Proces przygotowania polega na nagrzewaniu plazmą łuku elektrycznego mieszaniny pyłowo-powietrznej do temperatury, w której następuje wydzielanie części lotnych i częściowe zgazowanie pozostałości stałej. W rezultacie, niezależnie od gatunku i jakości węgla, z mieszaniny pyłowo-powietrznej powstaje dwuskładnikowe paliwo o wysokiej zdolności reagowania – gorący gaz i koksowa pozostałość. To paliwo, po zmieszaniu z powietrzem wtórnym w komorze paleniskowej, ulega stabilnemu spalaniu bez potrzeby wspomagania tradycyjnymi nośnikami jak mazut czy gaz.
Plazmowe układy zasilania paliwem węglowym zostały przetestowane na 26 kotłach energetycznych o wydajności pary od 75 do 670 t/h i wyposażonych w różne typy palników pyłowych (przepływowe, retortowe i wirowe). Podczas prób spalano wszystkie używane rodzaje węgli (kamienny, antracyt, brunatny) i ich mieszaniny. Testowane węgle zawierały 4-50% części lotnych, 15-48% popiołów, a ich wartość kaloryczna wynosiła od 1600 do 6000 kcal/kg. Próby w elektrowniach byłego ZSRR, Słowacji, Korei, Mongolii i Chin potwierdziły następujące zalety plazmowych układów zasilania węglem w stosunku do tradycyjnych rozwiązań palników pyłowych:
-
wielokrotne zmniejszenie zużycia mazutu i gazu;
-
3-4 krotnie wyższa sprawność energetyczna układu dzięki niskiej mocy plazmotronu (w porównaniu z cieplną wydajnością palnika mazutowego);
-
obniżenie emisji tlenków azotu o 40-50% dzięki przekształcaniu azotu zawartego w węglu w azot cząsteczkowy w strefach zubożonych w tlen;
-
redukcja emisji tlenków siarki o 30-40% i w niewielkim stopniu także dwutlenku węgla;
-
możliwość rozpalania kotłów energetycznych bez udziału pary wodnej;
-
możliwość czystszego spalania węgli wszelkiego rodzaju oraz ich mieszanin z torfem i biomasą;
-
poprawa jakości odpadów paleniskowych przez obniżenie zawartości części palnych.
Zasadniczym problemem hamującym, jak na razie, wdrażanie nowych układów zasilania węglem jest konieczność stosowania plazmotronów o dostatecznie dużej mocy, czyli powyżej 200 kW. Zauważmy, że jest to jednak wartość wielokrotnie niższa od cieplnej wydajności palników mazutowych i sięga zaledwie 1,5-2,0% mocy palnika węglowego. Plazmotrony takiej wielkości nie wykazują żywotności dłuższej niż 200-300 godzin, przy czym elementem ograniczającym ich trwałość jest szybkie zużywanie miedzianych elektrod emisyjnych. Szybkość erozji elektrod wykonanych z tego metalu zależy od wielu czynników, z których najważniejsze jest natężenie prądu łuku elektrycznego. Dlatego droga do wydłużenia żywotności tych krytycznych elementów plazmotronu prowadzi przez zmniejszenie mocy (a tym samym i prądu) o rząd wielkości tj. z ok. 300 kW do 30 kW. Obniżenie mocy elektrycznej pobieranej przez plazmotron pozwoli zarazem podnieść sprawność procesu termochemicznego przygotowania węgla, ponieważ ciepło pochodzące z prądu elektrycznego jest znacznie droższe od ciepła wytwarzanego przez spalanie węgla.
Zaawansowane prace badawcze nad zastosowaniem plazmotronów w energetyce prowadzi od lat Instytut Gazu Akademii Nauk Ukrainy. Jednym z celów poszukiwań jest obniżenie mocy generatora plazmy (a tym samym mocy zainstalowanej urządzeń elektrycznych) z zapewnieniem stabilnego palenia strumienia mieszaniny pyłowo-powietrznej. Zadanie to zrealizowano przez podniesienie szybkości spalania niskoreaktywnych węgli. Następnym celem jest doprowadzenie w reaktorze plazmowo-strumieniowym do wysokotemperaturowej konwersji parowej z uzyskaniem gazu syntezowego oraz niespalonych pozostałości. Doświadczenia wykazały, że reaktory plazmowo-chemiczne wbudowane w palniki pyłowe o mocy cieplnej 50-100 MW pozwalają na realizację procesu tzw. plazmopirolizy w obecności pary wodnej doprowadzanej z zewnątrz. W tych warunkach z 1 kg węgla uzyskano 1,5-1,8 m sześc. gazu syntezowego zawierającego do 98% tlenku węgla i wodoru. Mieszanina wymienionych gazów palnych wydzielana w plazmowym palniku z powodzeniem zastępuje stosowany obecnie gaz i mazut do rozpalania i stabilizacji płomienia kotła.
Doświadczenia z prób i eksploatacji licznych układów plazmowych w rosyjskich i zagranicznych elektrowniach węglowych oraz najnowsze badania naukowe dowiodły, że obecnie nie ma praktycznie żadnych fizycznych i technologicznych ograniczeń dla upowszechnienia zaprezentowanych technologii. Zainteresowanych nowymi rozwiązaniami układów zasilania paliwem węglowym zniechęca na razie względnie wysoki ich koszt. Niestety bez poniesienia tych nakładów dokonanie oczekiwanego przełomu w gospodarce paliwowej nie będzie możliwe. Należy przy tym zaznaczyć, że plazmotrony instalowane w palnikach pyłowych można wykorzystywać także do celów remontowych. Po nieznacznym uzupełnieniu plazmowej instalacji można ją będzie wykorzystywać także do wykonywania cięcia metali i nanoszenia powłok ochronnych. Nakłady na wdrożenie nowej technologii będą pokryte przez oszczędności uzyskane z wyeliminowania coraz droższych nośników energii, jakimi stają się ropa naftowa i gaz ziemny. Ocenia się, że przy wytwarzaniu 1 MWh energii elektrycznej zaoszczędzi się co najmniej 8 USD. Obliczono, że w zależności od spalanych rodzajów węgla, okres zwrotu poniesionych nakładów inwestycyjnych wyniesie od kilku miesięcy do kilku lat.
Dokończenie znajdziesz w wydaniu papierowym. Zamów prenumeratę miesięcznika ENERGIA GIGAWAT w cenie 108 zł za cały rok, 54 zł - za pół roku lub 27 zł - za kwartał. Możesz skorzystać z formularza, który znajdziesz tutaj
Zamów prenumeratę
|
|
|
|
