Modern Széntüzelésű Erőművek

Átírás

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

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

3 Kombinált ciklusú erőmű integrált szénelgázosítással (IGCC) IGCC kapcsolása IGCC reaktor fajták, technológiák Szénelgázosítás folyamata Környezetvédelem 3

4 IGCC jelenlegi helyzete USA IGCC fejlesztés 166 üzem világszerte Cél: 250 MW-ról 600 MW-ra, 42% hatásfokról 48%-ra %-al magasabb CAPEX mint szénportüz (1400 USD/kW). Cél: Zeró emisszió 4

5 IGCC jelenlegi helyzete A részesedés földrészekre lebontva És országokra 5

6 IGCC jelenlegi helyzete 6

7 IGCC jövőképe 7

8 IGCC kapcsolása IGCC: kombinált ciklusú erőmű integrált szénelgázosítással Magasabb hatásfok csak kombinált ciklusú erőműben érhető el. Feladat: szén alkalmazása kombinált ciklusú erőműben. PFBC hátránya: alacsony füstgázhőmérséklet miatt alacsony hatásfok + hő bypass nagy aránya. IGCC: szén eltüzelése helyett gáznemű tüzelőanyag előállítása szénből és eltüzelés egy CCGT-ben, Szénelgázosítás: magas nyomáson és hőmérsékleten vízgőz és C reakciója + részleges égés = szintézisgáz Szintézisgáz: H2, CO, CH4, H2O, CO2 valamint H2S, N2, Ar, salak IGCC részei: Szénelgázosító egység Oxigén gyár Kombinált ciklusú erőmű Szénelgázosító egység: gázgenerátor reaktor, gázhűtő és gáztisztító berendezés 8

9 IGCC kapcsolása szénfogadás, tárolás szén N 2 szén előkészítés (aprítás, szén-víz emulzió) levegő oxigén gyár O 2 gőz szénelgázosítás üveges salak közepes fűtőértékű gáz gázhűtés és poreltávolítás pernye hulladék víz hűtött pormentes gáz gáztisztítás Claus tisztított gáz kén kombiciklus levegő N 2 villamos energia 9

10 IGCC kapcsolása 10

11 IGCC reaktor fajták Fix ágyas reaktorok: reaktor hőmérséklet: C, de új típusoknál 2000 C Nyomás: bar Szénszemcse méret: 3-30 mm Keletkező gázösszetétel: H2O, CH4, CO2 Fluidágyas reaktorok: reaktor hőmérséklet: C Nyomás: bar Szénszemcse méret: 1-5 mm Keletkező gázösszetétel: H2, CO, H2O, CH4, CO2 Szállóporos (átáramlásos) reaktorok) reaktor hőmérséklet: C Nyomás: bar Szénszemcse méret: 0,1 mm Keletkező gázösszetétel: H2, CO Olvadt vasfürdős reaktor 11

12 Reaktor típusok és technológiák 12

13 Reaktor típusok és technológiák Fix ágyas reaktorok: első reaktor Lurgi, továbbfejlesztve British Gas-Lurgi Fluidágyas reaktorok: Szállóporos U-gas KRW Winkler, tovább fejlesztve HTW Texaco Shell DOW Prenflow GSP VEW 13

14 Reaktor típusok és technológiák 14

15 Reaktor típusok és technológiák Forrás:Third International Conference on Clean Coal Technologies for our Future, May 2007, Sardinia, Italy 15

16 Szénelgázosítás folyamata Szénelgázosítás: igen komplex, eddig még nem teljesen ismert sok egymástól függő reakció jellemzi Elgázosítás két részből áll: kigázosítás (illó távozása) és elgázosítás A kigázosítással nyerhető termékek leginkább a hőmérséklettől függenek C között főleg fenolok, olajok, kátrányok és metán keletkezik. 760 C felett ezek tovább bomlanak és főleg H2 és CO lesz a gázban. Szénelgázosítás egyszerűen: karbon részleges elégetése oxigénhiányos (redukáló) atmoszférában valamint C és vízgőz reakciója. Magas hőmérséklet + szén + víz + O2 (szub-sztöchiometrikus mennyiségben). C, O2, H2O és H2 reakcióiról van szó. H2 magában a folyamatban keletkezik. A keletkező gáz: szintézis gáz CO-ban és H2-ben gazdag közepes fűőértékű gáz. 16

17 Szénelgázosítás folyamata reakció megnevezés típus Energia kj/kg C+O 2 CO 2 égés exoterm + 283, 080 C+1/2O 2 CO Részleges égés exoterm + 110, 720 C+H 2 OCO+H 2 elgázosítás endoterm - 131, 420 C+CO 2 CO Douduard endoterm - 172, 500 CO+H 2 OCO 2 + H 2 vízbontás exoterm + 41, 170 C+2H 2 CH 4 Metán termelés exoterm + 74, 900 CO+3H 2 CH 4 + H 2 O Metán termelés exoterm + 206,

18 Hő bypass A szénelgázosításhoz gőz, hő és magas hőmérséklet szükséges. Ezekből a reakciókból kémiai anyagok és hő keletkezik. Úgy kell a folyamatot szabályozni, hogy több hő keletkezzen, mint amennyi szükséges, illetve felhasznált. Ezt a hőt a szén részleges elégetésével fedezzük. A szén fűtőértékének 10%-át használjuk fel fix ágyas reaktornál a szénelgázosításra. Ez az arány fluidágyas reaktornál 20%, szállóporos reaktornál 30 %. A fűtőérték többi része direktben a gázturbinán hasznosul. Ez az arány leginkább az elgázosítás hőmérsékletétől függ. A szállóporos reaktort kell a legjobban hűteni, a magas elgázosítási hőmérséklet miatt. A hűtéssel elvont hővel gőzt fejlesztünk, ami a gőzturbinán hasznosul. Ezt a hő bypass-t minimalizálni kell, mert ez a hő megkerüli a gázturbinát és így egy alacsonyabb hatásfokú körfolyamatban hasznosul. 18

19 Hő bypass 19

20 Szénelgázosítás, folyt. A szintézisgáz összetétele attól függ, melyik reakció lesz gyorsabb a másiknál. Ez függ a: Hőmérséklettől Nyomástól A betáplált anyagok kémiai összetételétől A keletkező szintézisgáz összetételétől Nagyobb nyomáson és alacsony hőmérsékleten a metántermelés a hangsúlyosabb (70 bar, C) Alacsony nyomás, magas hőmérséklet (<70 bar, >1000 C): szénelgázosítási reakció, azaz magasabb H2 és CO koncentráció az eredmény (mivel endoterm, több hő kell). 20

21 Szénelgázosítás, folyt. 21

22 Gáztisztítás Lényeges különbség van a magas és alacsonyhőmérsékletű gáztisztítás között: hő bypass Nem célunk, hogy lehűtsük a gázokat. A technológia viszont megkíván valamekkora hőelvonást. Elgázosító falának hűtése + hőmérsékletszabályozás Füstgázmosás (szállópor és kátrány eltávolítása) Füstgáztisztító berendezések védelme Gázturbina hőmérséklet korlátja Olyan technológiát kell kifejleszteni, amely magas hőmérsékleten tudja a szintézisgázt tisztítani 22

23 Hideg gáztisztítás 150 C alatt A feladat függ a szénelgázosító típusától: más a gázösszetétel Kettős feladat: környezetvédelem, tisztító utáni berendezések védelme (különösen a gázturbina védelme). A gázturbinát különösen a szállóportól kell védeni: erózió és porlerakódás a lapátokon, valamint korrózió a lekondenzálódó aerosolok és alkáli fémsók. Gázturbina védelmi koncentráció értékei: Por <40 micron: mg/m3 Alkáli fémek, Na, K: 0,05-0,08 ppm Halogének, Cl, F: 0,4-0,6 ppm Vanádium: 0,03-0,05 ppm 23

24 Hideg gáztisztítás Szennyező anyagok: Por: hamu + el nem gázosodott szénpor Kéntartalmú gázok: főleg H2S (90-95%, kb ppm tisztítás előtt), COS, CS2. Nox CO2 Szállópor eltávolítás Ciklon Gázmosás Védi az utána jövő gáztisztító berendezéseket a szilárd anyagoktól és el nem reagált szerves anyagoktól (kátrányok, olajok), amelyek ott lerakódnának. A leválasztott finom szénport és el nem reagált szénhidrogéneket visszavisszük a reaktorba. Gázmosás közben a poron kívül más, vízben jól oldódó anyag is eltávolítható (NH3, HCN és savas halogének: HCl, HF, HI) 24

25 Hideg gáztisztítás 25

26 Hideg gáztisztítás Savas gázok eltávolítása Folyékony oldószerekkel vonjuk ki a savas gázokat a poreltávolító gázmosás után. Fizikai abszorpció: megnöveljük a gáz oldódó képességét (hőmérséklet és nyomás változással) Kémiai abszorpció: kémiai reakcióba lép az oldószerrel Nagy kontakt felületre van szükség: vékony filmet hozunk létre a tisztító tornyokban. Az üzemi nyomás, hőmérséklet, ph határozzák meg alapvetően, hogy milyen vegyületeket tudunk kivonni. Ha eladható vegyületet akarunk kinyerni (pl. tiszta kénsav), akkor az oldószert különálló tartályban, megfelelő körülmények között kell regenerálnunk. A fizikai és kémiai oldószerek közötti választás függ az adott gáz koncentrációjától, parciális nyomásától. Fizikai oldószereket általában nyomás csökkentésével, kémiai oldószereket melegítéssel lehet regenerálni. 26

27 Hideg gáztisztítás 27

28 Hideg gáztisztítás Fizikai oldószerek: Erőteljesebb hűtést igényel: lehet 10/-30 C-tól (Rectisol) 40 C-ig (Selexol). Nyomás: bar Főleg H2S eltávolítására (magas parciális nyomás). Szerves oldószerekkel működnek: pl. metanol., polietilén glikol dimetilétere Kémiai oldószerek: Pl. kálium karbonát vizes oldata. Hőmérséklet: max. 90 C Nyomás: 22 bar Eljárások: Benfield, Stretford Regeneráció: felforralják. Káliumnak nem szabad a turbinára jutnia! 28

29 Forró gáztisztítás C között Részei: részleges hűtő Ciklon és filter Halogén eltávolítás Kén eltávolítás Filter: legelterjedtebb a kerámia gyertyás megoldás Sűrű cake alakul ki a felületén, ez fog szűrni A finom karbonszemcséket nehezen tudja kiszűrni A szűrő SiC és alumínium szilikát tartalma krakkolja a kátrányokat 98,6-99,5% hatásfok érhető el. Problémák: törékeny, a hősokkot és fizikai igénybevételt nem bírja: magas karbantartási költség. 29

30 Forró gáztisztítás Kéntelenítés: Fluidágyas reaktorban: mészkő és dolomit hozzáadás Gáztisztítás szorbensekkel: Vasoxid, cinkoxid, cinkferrit, cinktitanát 30

31 Forró gáztisztítás 31

32 Környezetvédelem 32

33 Környezetvédelem 33

34 CCS oxyfuel oldószerek (tüzelés utáni leválasztás) 34

35 CCS 35

36 CCS 36

37 CCS 37

38 CCS 38