Modern Széntüzelésű Erőművek

Átírás

1 Modern Széntüzelésű Erőművek Budaesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem I. félév Katona Zoltán Tel.:

2 Tematika A szén szeree, jellemzői Széntüzelés, tüzelési eljárások Szén tüzelés környezeti hatásai Erőművi széntüzelésű technológiák Szénortüzelés Fluidágyas technológiák Szénelgázosítás Egyéb szénbázisú technológiák 2

3 Fluidizáció hidrodinamikája Önálló részecske fluidizációja Fluidágy viselkedése Heterogén/inhomogén fluidizáció Minimális fluidizációs sebesség számítása Az ágy és a fúvókarács nyomásesése, méretezése Fluidizáció anomáliái 3

4 Fluidizáció hidrodinamikája Fluidizáció: szilárd részecskéket gáz (vagy folyadék) közegben lebegő állaotban tartjuk. A részecskék fluidizált állaotban a folyadékokhoz hasonló tulajdonságokkal rendelkeznek A statikus nyomás megegyezik a ont feletti réteg statikus nyomásával (szilárd anyag súly/m 2 ) A részecskék jól keverednek, egyenletes hőmérséklet eloszlás az ágyban. Az átlagnál nehezebb részecskék kiülnek az aljára, a könnyebb részecskék az ágy tetején helyezkednek el. 4

5 Önálló részecske fluidizációja /1 Fluidizáció: alátámasztjuk a részecskét, kiküszöböljük a gravitáció hatását. Önálló részecskére ható erők: súlyerő = felhajtó erő + áramlási ellenállás v ahol : u :gázsebesség v : részecske sebessége C D g v 24 Re g g C D d 2 4 g u v 2 2 Ha, v,g, C (u - v) áll. D konstansok, akkor erőrőegyensúly esetén edig (u - v) u T (üleedési, vagy határsebesség) 5

6 Önálló részecske fluidizációja /2 Fluidizáció beindítása: A részecskék nyugalomban vannak (v=0) Akkor indul el a fluidizáció, ha (u-v) = konstans, azaz u elér egy a konstansok által meghatározott értéket (részecske sűrűség, térfogat, C D ). Azaz: az a sebesség, amelynél a fluidizáció beindul, egy adott részecskére állandó érték. Részecskék ennek megfelelően csoortosíthatók, abból a szemontból, hogy mennyire fluidizálhatóak. C Túl finom részecskék, nehéz fluidizálni (chaneling) A Jól fluidizálható részecskék, exanzió amíg Umb B Jól fluidizálható részecskék, rögtön buborékos ágy U-nél. D Nehezen fluidizálható durva részecskék, nagy gázsebesség (souted beds) ábra 6

7 Porok fluidizálhatósága 7

8 Ágy fluidizációja /1 Sok részecske, de egymásra hatásukat elhanyagoljuk. A fluidizáció kisebb gázsebességnél (u ) is már beindul, ahhoz kéest, amit az önálló részecskére számoltunk (u T ) u: a mérhető gázsebesség, azaz az ágy felett levő gázsebesség. Részecskék között a gázsebesség nagyobb. A minimális fluidizációs gázsebesség (u ) az a gázsebesség a kazánban, amelynél E minimális hézagtérfogat aránynál, a részecskék között u T gázsebesség alakul ki. E akkor alakul ki, amikor a részecskék már éen nem nyugszanak egymáson. 8

9 Fluidizációs tartományok 9

10 Ágy fluidizációja /2 (homogén fluidizáció) U -hez tartozik egy E, ahol részecskék között a gázsebesség u T Nagyobb tűztérteljesítményhez nagyobb gázsebességek. Ha u nő, erőegyensúly felbomlik és a részecsék felfelé elindulnak. Részecskék eltávolodnak egymástól, közöttük a hézagtérfogat nő és közöttük a gázsebesség lecsökken. Az exanzió csak addig tart, amíg a részecskék között a gázsebesség ismét el nem éri az u T -t, azután az ágy ismét nyugalomba kerül (ábra). Ha u elérte u T -t, akkor a részecskék már biztosan elérték a fluidizáció határát, e feletti sebességnél már sebességgel kell rendelkezniük. Ez könnyebb részecskéknél hamarabb következik be: kilének az ágyból. Ha E közelít 1-hez, akkor már a nagyobb részecskék is rendelkeznek sebességgel. Maximális fluidizációs sebesség: e felett már egy adott részecske nem marad nyugalomban, kilé az ágyból. C D 1 g 2 ha v 0, u max v d d g g 4 6 0,5 d g u max 8 6 C D g g 10

11 Ágy fluidizációja /3 (heterogén fluidizáció) Elméletben az ágy addig exandál homogén tartományban, amíg u=u T nem lesz. A gyakorlatban buborékok keletkeznek, egy bizonyos, a orra jellemző sebesség elérése után. Kétfázisú folyamatok: buborék fázis és emulzió Az emulzió fázis nem exandál olyan mértékben, mint ahogy az annál az adott sebességnél elvárható lenne. Általában E és u közeli érték jellemzi ezt a fázist. A gáz többi része megkerüli az ágyat (emulziót) buborék formájában. Ahol a buborékkéződés elkezdődik, az az Umb. Umb leginkább a részecske átmérőtől és sűrűségtől függ (ábra). "A"tíusú részecskékre : u mb 2,07 ex 0,06 0,716Fd g / 0,347 ahol : F : 45m nél kisebb részecskék tömegarán ya ha F, u mb 11

12 dh/h Ágy fluidizációja /3 (heterogén fluidizáció) "A" osztályú részecske "B" osztályú részecske u u mb 12

13 Nyomás fluktuáció Ágy fluidizációja /4 turbulens ágy) Tovább növelve a sebességet, turbulens ágy jön létre. A buborékok már felszakadnak, az ágy felszíne intenzív mozgásban van. A nyomásesés fluktuációja állandósul. átmenet buborékos ágyból turbulens ágyba Turbulens ágy gázsebesség Uc Uk 13

14 Cirkulációs fluidizáció: gyors fluidizáció Ágy fluidizációja /5 (gyors fluidizáció) Az üleedési sebességnél nagyobb gázsebesség a részecskéket elragadja. Vissza kell cirkulálni. Gyors fluidizáció: a turbulens fluidizáció és a neumatikus szállítás közötti fluidizációs állaot. Egyik definíció szerint a gyors fluidizáció kezdete: a transzort sebesség (u tr ). Meghatározása: ha a gázsebesség jóval az üleedési sebesség felett van, az össze szilárd részecskét kihordja a gáz egy véges idő alatt. Csökkentve a gázsebességet, elérve egy kritikus sebességet (az u tr sebességet), a kihordási idő ugrásszerűen megnő. A gyors fluidizáció jellemzői: A orsűrűség sem axiálisan, sem radiális sem állandó (szemben a szállítással) Nagy sebességkülönbség a részecskék és a gáz között Részecske oszlook kialakulása 0,484 g g utr 1,45 Ar, Ar 2 d g gd 3, 20 Ar

15 Fluidágy állaotdiagramjai 15

16 nyomásesés Az ágy nyomásesése Az ágy nyomásesése + a fúvókarács nyomásesése ágy 1 E g H g ágy nyomásesése fúvókarács nyomásesése eredő ha ágy áll E H áll általánosan u gázsebesség, u 1 E H áll. 16

17 Az ágy nyomásesése CFBben CFB nyomásesésének rofilját a relatív hézagtérfogat tényező axiális és radiális eloszlása határozza meg. Befolyásoló tényezők: részecske araméterek, gázsebesség, szekunder levegő bevezetési helye, magassága, külső és belső részecske cirkuláció, tűztérkialakítás. FA AB BC CD DE EF 17

18 A fúvókarács nyomásesésének méretezése A fúvókák méretezése taasztalati értékek alaján történik. Ökölszabály: a fúvókarácson a nyomásesés = az ágy nyomásesésének 10-30%-a. Lehetőleg ne legyen nagyobb, mint 2500 Pa (Reményi). Nyugvó fluidágyra: f. rács 0,01 0,21 e ágy ahol : D :az ágy átmérőtm Nyugvó ágy esetén, az ágy nyomásesése: H 2 D H :a minimális fluidizációhoz tartozóágymagasság ágy u 1 E u 2 1 E g ha u 5 m/s H g CFBC esetén a szekunder levegő-bevezetés alatti zónát lehet így számolni, a felett a neumatikus szállítás nyomásesésével kell. 18

19 A minimális fluidizációs sebesség számítása Ergun egyenlet /1 Mind fix ágyra, mind nyugvó fluidágyra fel tudjuk írni a nyomásesés egyenleteit. U ontban a két nyomásesésnek meg kell egyeznie. Fluidágy nyomásesése: mint előbb. Fix ágy nyomáseése: Ergun egyenlet: d dz int egrálva u átrendezv e: d 3 Ar 150 fixágy u g 2 1 E u 1 E 2 1 E u 1 E g 1 E u d u d H E esetén : E g 1 E 1,75 2 E 3 re: Re d 2 fluidágy 1,75 E E d ,75 fixágy Re E 3 E g g 3 u d 2 g 1,75 E 3 u d 2 H 2 g 19

20 A minimális fluidizációs sebesség számítása Ergun egyenlet /2 Ahhoz, hogy u -et megkajuk Re -re kell felírnunk az egyenletet: Re ha : E Re mivel : Re 85,711 0,4 25,7 E 85,711 E u d 1 5,3310 g 5 Ar u 2 1 Re d g 2 3 E 4 1,75 Ar 20

21 FBC kazánok erőművi kacsolása 21

22 FBC kazánok 22

23 Fluidágy htt:// Ludquist at al: Major ste forward the suercritical CFB boiler, PowerGen

24 CFBC kazánok CFBC fejlődése CFBC részei, kialakításai Fúvókarács kialakítások Tűztér kialakítás Ciklon kialakítás Ágyanyaghűtők Szifon Szuerkritikus CFBC 24

25 Szuerkritikus CFBC MW e Második Generációs kazán Első Generációs kazán Forrás: S. J. Goidich at al: Design Asects of the Ultra-suercritical CFB Boiler,

26 CFBC kazánok 26

27 CFBC kazánok 27

28 CFBC kazánok hőátadó felületei 28

29 CFBC kazánok hőátadás a tűztérben 29

30 CFBC kazánok szabályozása 30

31 CFBC kazánok hézagtérfogat axiális és radiális eloszlása a tűztérben 31

32 CFBC kazánok fúvóka és levegőszekrény kialakítások 32

33 CFBC kazánok helyes és helytelen tűztérfalazat kialakítás 33

34 CFBC kazánok ciklonkialakítása 34

35 CFBC kazánok - szifonkialakítások 35

36 Szuerkritikus CFBC Eddigi FBC technológia: nehezen tüzelhető tüzelőanyagok Jelenleg: szénortüzeléssel akar versenyezni: erőmű méret és hatásfok Lagisza rojekt, PKE, feketeszén Foster Wheeler tíus (komakt szilárd leválasztók) 460 MWe, kényszerátáramlású (OTU) 275 bar, 560 C/580 C Siemens Benson technológia Függőleges tűztércsövezés: Sima falú és belső bordázású csövek, alacsony tömegáram (kb. 50%): kisebb nyomásesés, egyenletes hőfluxus, kevesebb csőtúlhevülés (simafalú csövek falakon). 36

37 Szuerkritikus CFBC Méretnövelés: 6 db. teljes-magasságú közbülső elválasztó elgőzölögtető hőcserélőanel. Nincs szükség közbülső víz-gőz keverék elosztó rendszerre. Konvencionális szerkezeti anyagok. Alacsonyabb CAPEX (nincs FGD és denox), olcsóbb szorbens (mészkő) Több szilárdhulladék. Nettó hatásfok 0,4%-al magasabb (PC hasonló gőzaraméterekkel) Rugalmas tüzelőanyagválasztás (l. max. 30% nedves szénisza) Szerződés: 2002 december, gyártás kezdete:

38 Hőfluxus eloszlása a kazán magassága mentén Kazán magasság (%) Forrás: S. J. Goidich at al: Design Asects of the Ultra-suercritical CFB Boiler, 2005 Hőfluxus (szénortüz max. %- ában) 38

39 CFBC hőátadó felületek Forrás: S. J. Goidich at al: Design Asects of the Ultra-suercritical CFB Boiler,

40 PFBC kazánok - erőművi körfolyamat 40

41 PFBC kazánok - tűztér 41

42 PFBC kazánok - referenciák 42

43 PCFB kazánok- erőművi kacsolás 43

44 és környezetvédelem Kénmegkötés: mészkő adagolással Kalcinálódás (CaCO3-ból CaO) után szulfáció (kénmegkötés) Redukáló zónában fordított szulfáció (kerülendő): CaSO4 + CO = CaO + SO2 + CO2 Lassú reakciók: a szorbensnek akár 40 erc is kell a kalcinációhoz és néhány óra is kellhet a szulfációhoz A szorbens egy része hasznosul csak: Ca/S arány: 1,5-2,5 CFB-ben. Szorbens reaktivitás függ: Szemcsemérettől Hőmérséklettől CO2 koncenctrációtól (kalcináció) Porozitástól (órus méret és eloszlás) 44

45 és kénmegkötés 45

46 Fluidizációs rendellenességek Egyenetlen fluidlevegő bevezetés, buborék kéződés, kis ellenállás, levegő byass Ágyanyaginhomogenitás, sűrűség és méret szerinti szétválás, ágyanyagkihordás, részecske kiülés Ágyanyagösszesülés Chanelling Slugging (kis átmérőjű tűztér) Boltozódás, fal súrlódás 46