Modern Széntüzelésű Erőművek

Modern Széntüzelésű Erőművek Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem 2011-2012 II. félév Katona Zoltán zoltan.katona@eon-energie.com Tel.: 06-30-415 1705

Tematika A szén szerepe, jellemzői Széntüzelés, szén égése Szén tüzelés környezeti hatásai Erőművi széntüzelésű technológiák Szénportüzelés Fluidágyas technológiák I. Fluidágyas technológiák II. Szénelgázosítás Egyéb szénbázisú technológiák Katona Z, 2008. 2

Széntüzelés Szénfajták- a szén összetevői Szénelőkészítés A szén égése Tüzeléstechnika Környezetvédelem Katona Z, 2008. 3

A szén összetevői /1 Tüzelőanyagok minősége: fizikai és kémiai tulajdonságok alapján Fizikai tulajdonságok: apríthatóság, szemcseméret, hamueloszlás/homogenitás, hamuolvadáspont, szénszerkezet (lignit: szálas). Szemcseméret meghatározza a technológiát (porszén-, rostély-, fluidtüzelés) Kémiai minőség: összetétel megállapítása Két módszer: gyors elemzés (immediát analízis) és elemi analízis (laboratóriumi módszer. Elemi analízis (100%): C, H, S, O, N, víz és hamu Ebből számolható a sztöchiometriai egyenlet, meghatározható a fűtőérték, elméleti levegőmennyiség, füstgázmennyiség stb. Az S csak az éghető kenet jelöli, a hamuban kötött kenet nem! Fűtőérték pl. meghatározza az égő/kazán típusát. Immediát analízis (100%): illóanyag, fix karbon, nedvesség, hamu Illó: szén pórusaiban adszorpcióval kötött, gázhalmazállapotú éghető anyagok (főleg szénhidrogének) Fix karbon:száraz desztillációnál visszamaradó szilárd éghető anyag (a koksz éghető része, tartalmaz kevés illót és hamut). Katona Z, 2008. 4

A szén összetevői /2 Hazai szenek elemi analízise n h Cö H S N O fűtőérték % % % % % % % kj/kg Visonta 47,21 20,62 21,86 1,71 1,71 0,39 6,5 6741 Oroszlány 14,8 40 31,5 2,5 3,5 0,4 7,3 10886 Ajka 22,7 30,2 30,5 1,7 3 0,6 11,3 9860 Tiszapalkonya 14,3 47,2 25,8 2,3 4,5 0,4 5,5 8840 Pécs 8,8 47,94 33,1 2,1 1,5 0,9 5,6 12890 MOL Petrolk. 0,4 0,7 91 4,1 2,8 1 0 35390 Katona Z, 2008. 5

A szén összetevői /3 Külföldi szenek immediát analízise Ország/ jellemző nedvesség hamu illó fix karbon Fűtôérték % % % % MJ/kg Ausztrália 14 30 56 28 Dél-Afrika 16 32 52 27 USA - Ohio 6,3 9,9 35,7 48,1 28,9 USA - Pitsburgh/nagy illó/ 1,7 5,4 36,6 56,3 32,7 USA - Pitsburgh /kis illó/ 6 5,9 17 71,1 32,4 Anglia - Littleton 3,9 34,5 61,6 32,5 Lengyelo. - Jaworcsno 5 19,8 29,6 45,6 23,7 Kína Baiyi 2,2 11,2 86,6 28,1 Oroszo. -Fan-Ignok 2,6 39,7 57,7 34 Katona Z, 2008. 6

A szén összetevői /4 Tüzelési berendezések mérete és teljesítménye: nem az éghető részek szabják meg, hanem a hamu és a nedvesség. Fizikai tulajdonságok: nedvesség és hamu: ballasztanyagok. Égési folyamat intenzitását és a megengedhető hőmérsékletet korlátozza. Nedvességtartalom: Felületi nedvességtartalom és higroszkópikus nedvességtartalom (légszáraz állapothoz közeli) Előkészítés megtervezése. Csak a víz elpárologtatása után lehet 100 C fölé melegíteni a szenet. Nedvességtartalom a füstgáztérfogatot növeli és az elméleti égési hőmérsékletet csökkenti. Vízgőz árnyékol: Tűztérben lesugárzott hő egy részét elnyeli és túlhevítő környékén gázsugárzás formájában leadja. Hamu: tüzelés megtervezése Főleg ásványi anyagokból áll, 1000-1500 C közötti olvadási hőmérséklet. Kénmegkötésre használt anyagok (Ca, Mg) csökkentik ezt a hőmérsékletet. Tűztérhőmérséklet szabályozása, salakosodás elkerülése. Sok salakösszetevő. Eltérő olvadáspontok. Ha az olvadási hőmérsékletek széles tartományban vannak: hosszú salak. Ellenkezőleg: rövid salak. Pernye: füstgázzal távozó hamu. Salak: tűztér alján összegyűlő, esetleg fuzionált hamu. Salakosodás. Ha szállópernye megolvad és lehűlése előtt hideg hőátadófelülettel találkozik, ráragad. Hamu összetétel: erózió (SiO 2, Al 2 O 3 ), korrózió (Vanadiumpentoxid), környezetvédelem (nehézfémek stb.) Katona Z, 2008. 7

Visontai lignit hamutulajdonságai oxidáló redukáló atomszféra zsugorodáspont 940 C 940 C lágyuláspont 1140 C 1100 C Német kőszén hamutulajdonságai olvadáspont 1240 C 1130 C folyáspont 1280 C 1160 C Katona Z, 2008. 8

Salakosodás Katona Z, 2008. 9

Szénelőkészítés /1 Bányászott szén heterogén, külfejtés, mélyművelés Magyaro. vékony széntelepek és azon belül vékony szénrétegek (széntelepek: Visonta: 2-3 m-től 10-15 m, Indonézia: 80 m, szénrétegek Visonta: 0,2 2 m), tartalmazhat nagyobb köveket (meddő), bányafát stb. Bánya-osztályozó: szemnagyság szerint. Nagyobb kövek, bányafa eltávolítása. Lakossági célra a 40 mm-nél kisebb rész. Erőművi rész kazántechnológia függő. Rostélytüzelés érzékeny a finomabb frakciókra. Beszállítás az erőműhöz: szállítószalag, vasút, tehergépkocsi. Szénhomogenizálás: több fejtésből származó szénből egy homogén tulajdonságokkal rendelkező szénkeverék. Széntárolás: széntéren, rendeletileg előírt szénkészlet a szállítási problémák áthidalására. Nyers-szénhombárokba szénfeladás. Adagoló továbbítja a malomba, ahol szárítás, őrlés (aprítás). Porszéntüzelés esetén kazánból elszívott forró füstgázt vezetnek a malmon keresztül, a megfelelő méretű kiszárított szénszemcsét a forró füstgáz magával ragadja. Szénportüzelésnél a szemcseméret: 50-250 μm. Kis illótartalmú szeneknél lehetséges további tárolás porszénhombárokban (légszér választja le szénszemcséket a füstgázáramból) egyébként primer-levegővel jut be a porszán a kazánba a porszénégőn keresztül. Nagy nedvességtartalmú szeneknél: malom után két részre választják: nagyobb szemcsék+ kevés pára: főégőkhöz (80% szénmennyiség), kisebb szemcsék + pára: tűztér felső részéhez. Eredmény: stabil láng. Katona Z, 2008. 10

Szénelőkészítés /2 Forrás: Fachkunde für den Dampfkraftwerksbetrieb, Vereinigung der Grosskesselbesitzer E.V. Kam, Li; Paul, Priddy: Power Plant System Design; John Wiley and Sons Katona Z, 2008. 11

Szénelőkészítés /3 Forrás: Fachkunde für den Dampfkraftwerksbetrieb, Vereinigung der Grosskesselbesitzer E.V. Katona Z, 2008. 12

Szénelőkészítés /4 Forrás: Fachkunde für Modern den Dampfkraftwerksbetrieb, széntűzelésű erőművek - Vereinigung Szén és Katona Z, 2008. der Grosskesselbesitzer E.V. 13

Szénelőkészítés /5 Légszér Golyósmalom Malom-ventilátor Porszénégő Katona Z, 2008. 14

A szén égése /1 Hüvelykujj-szabály: a megfelelő tüzelés három alapfeltétele: idő, hőmérséklet és turbulencia Azaz, szén jellemzőin és a kazánkonstrukción kívül a szén égése függ a tűztérhőmérséklettől,az oxigén éghető felülethez jutásának sebességétől, az égéstermékek eltávozásának körülményeitől. A szén égésének lépései: Felhevítés és szárítás (gyulladási hőmérsékletig) Illó távozása és illó égése Szemcse duzzadás és elsődleges fregmentáció Koksz égése és másodlagos fregmentáció Salakképződés Folyamatok részben párhuzamosan történnek, egyes szakaszok hossza függ a szénösszetevőktől (pl. nedvesség - szárítás) és a tűztéri kondícióktól (szénportüzelés vagy fluidágy). A tűztérbe (reaktorba) a szén 70-400 C-on lép be (technológia függő). A gyulladáspont eléréséig szükséges hő: nedvesség elpárologtatás, szénfelmelegítés, égési levegő felmelegítés. A gyulladáshő jelentős része a levegő felmelegítéséhez kell. Először a nagy-molekulájú szénhidrogének távoznak és gyulladnak. Az első stabil illó felszabadulás 500-600 C körül történik, a második lécső 800-1000 C körül következik be. Kigázosodás után a félkoksz gyullad meg, majd a koksz. Végül a hidrogén, szén-monoxid, metán. Katona Z, 2008. 15

hőmérséklet, C szárítás és felmelegedés illó távozása elsődleges fregmentáció másodlagos fregmentáció gyulladás A szén égése /2 szénszemcse égése fluidágyban 1400 1200 1000 800 koksz égése 600 400 200 0 0 3 15 200 Katona Z, 2008. idő, s 16

A szén égése /3 Illó égése láncreakció szerű. Gyulladási hőmérséklet: ahol az égés sebessége ugrásszerűen megnő, a termelt hő jelentősen meghaladja az elvont hő mennyiségét. Az égés különböző fázisaiban egyszerre homogén (gáz/gáz) és heterogén (szilárd/gáz) reakciók is. Illó égése homogén reakcióként, koksz gyulladása és égése heterogén reakcióként zajlik. Az illó égésének a sebessége az illó felszabadulásának és az oxigén diffúziójának sebességétől függ. Kedvezőtlen viszonyok között (nagy részecske, alacsony hőmérséklet: fluid ágy) az illónak nincs ideje távozni a tűztérben. Szén égése a heterogén reakció miatt nagyságrenddel lassabb mint a szénhidrogének égése. Szilárd fázisú koksz és gáz fázisú oxigén rendkívül bonyolult közbenső fázisokon keresztül lép reakcióba, a szilárd koksz (külső és belső) felületén heterogén folyamatként játszódik le. Két modell: zsugorodó szénszemcse modell; porózus szénszemcse modell. Oxigén konvekcióval és diffúzióval jut a szilárd felülethez. Katona Z, 2008. 17

A szén égése reakciókinetika /1 A karbon égése során két termék keletkezik elsődlegesen, azután a CO tovább ég. C + O 2 = CO 2 (12 kg + 32 kg = 44 kg) 2C + O 2 =2CO (24 kg + 32 kg= 56 kg) C + CO 2 = 2CO (12 kg + 44 kg = 56 kg) Az elsődleges reakcióból származó termékek arányát az alábbi képlet adja meg (ahol Ts a karbon felületének hőmérséklete). 1000 C felett az elsődleges termék általában CO. CO 51830 8, 31 Ts CO 2 2400 Katona Z, 2008. 18

A szén égése reakciókinetika /2 Gázsebesség égési zóna magassága gáz tartózkodási idő m/s m s FBC 2 1,5 0,8 CFBC 7 40 5,7 PC 25 45 1,8 Reakciósebesség: befolyásolja a tervezési paramétereket. Verseny a szénszemcse égése és a tűztérben való tartózkodási idő között. Reakciósebesség = koncentráció időbeni változása dc w k c dt k: reakciósebességi állandó, E: aktiválási energia k k 0 e E RT w h ahol : h c, c g és a szénfelületén :1ha az elsőlsődle D d g c s m c m Sh a Sherwood szám g c s 12ShD d RT a tömeg transzfer együttható az oxigén koncentráció a gázban termék CO az oxigén diffúziós tényezőté (m2/s) a karbonszemcse átmérőtm h m c 2 m g és 2 ha CO Két égési tartomány: kinetikus és diffúziós Kinetikus tartomány: kinetikus égés, gyulladás utáni fázis (600-900 C porózus/nemporózus), alacsony hőmérsékletek miatt reakciósebesség határozza meg az égést, az oxigén végtelen mennyiségben rendelkezésre áll (van ideje az oxigénnek a részecskéhez diffundálni, nagy légfelesleg, jó keveredés). Reakciósebesség a hőmérséklettől exponenciálisan függ. Diffúziós tartomány: reakciósebesség exponenciális felfutását az oxigén rendelkezésre állása korlátozza, hőmérséklet növekedésével a gázok viszkozitása nő, nehezebben jut levegő a tüzelőanyaghoz. Oxigén diffúzió útján jut a részecskéhez a tüzelőanyagot körülvevő határrétegen keresztül. Itt a fizikai ellenállások korlátozzák a reakciósebességet. Katona Z, 2008. 19

Sztöchiometria /1 Reakcióegyenletek: C O C Fűtőérték meghatározása: n H m S O 2 2 CaCO n SO 3 MgCO CO 3 CaO SO 2 2 2 32790 CaO CO 1 2 2 2 MgO CO 2 kj/kg m O2 nco2 4 9260 kj/kg O CaSO 4 kén karbon 1830 kj/kg 2 1183 kj/kg m H 2 O CaCO 15141 kj/kg 3 MgCO hő 3 kén O HHV 33823C 144249 H 9418S 8 LHV HHV 22604H 2581Mf kj/kg kj/kg Katona Z, 2008. 20

Sztöchiometria /2 Az elemi analízis alapján a teljes égéshez szükséges fajlagos száraz-levegő mennyiség számolható: M da 11 O.53C 34.34 H 4.34S A S 8 kg levegő /kg szén ahol: M f a szén nedvességtartalma M da a fajlagos szárazlevegő mennyisége C, H, O, S a szén elemi analízisből a karbon, hidrogén, oxigén és kén tömegszázaléka A egy szorzó-szám arra az esetre, ha a kenet kalciumszulfátként kötjük meg. Egyébként ez az érték 0. Értékét a következő reakcióegyenletből számolhatjuk: CaO + SO2 +1/2O2 = CaSO4 (itt A=2,17) Katona Z, 2008. 21

Sztöchiometria /3 jó hatásfokú égéshez légfelesleg kell, ezért a teljes fajlagos szárazlevegő mennyiség: M total 1. 2 M da Figyelembe kell még venni az égési levegő nedvesség tartalmát, hogy a teljes nedves égési levegőmennyiséget megkaphassuk. A fajlagos nedveslevegő-mennyiség 0.01kg/kglevegő nedvességet feltételezve: M wa M total 1 0.010 Katona Z, 2008. 22

Sztöchiometria /4 A füstgáz tömegárama jó közelítéssel számítható a keletkezett CO2, vízgőz, SO2 és pernye valamint a füstgáz N2 és O2 tömegáramainak összegéből. W c M ahol: M 0. 2315 M f X ml a c wa M da 9H M 44SR 32 3. 66C f L q X 0.5S 1 E sor 2S 1 E sor X ml wa 0.2315M da 3.66C 9H M : a szén nedvesség tartalma (0.4 kg/kg) N O 2.5S(1 E : a mészkő nedvességtartalma (tömegre vonatkoztatva) (0.071 kgnedvesség/kgmészkő) : a szálló hamu (pernye) aránya a teljes hamu mennyiséghez képest (0.1 kg/kg) : a betáplált égési levegő a felhasznált oxigén tartalommal csökkentve (a sztöchiometriai levegő a [M da ] oxigén tartalmával csökkentve) : 1 kg karbonból a keletkező CO2 mennyisége (44/12) : keletkező vízgőz (a levegő vízgőztartalmát az M da -ban vettük figyelembe) N, O : a szénben kötött nitrogén és oxigén mennyisége 3 ( 1 ) X MgCO f L X : a meg nem kötött kén miatt szabadon maradt oxigén mennyisége (CaO + SO2 + 0.5O2 = CaSO4) : a füstgázban maradt, meg nem kötött SO2 mennyisége q ml X ) 1.375S R(1 X : a CaCO3 és a MgCO3 kalcinálásával keletkező CO2 mennyisége sor MgCO CaCO 3 3 ) a ASH CaCO3 Katona Z, 2008. 23 c kg kg füstgáz szén

Környezetvédelem Részletesen lásd: Gács - Katona: Környezetvédelem című jegyzetet Szennyezők: szénalkotók, égés során keletkezők Éghető kénből: SO 2, SO 3 Szénben kötött N: NO, NO 2, N 2 O Levegő N: NO, NO 2, N 2 O Karbonból, illóból: CO, CO 2 Illóból: elégetlen poliaromatikus C x H y Hamuból: por/pernye/salak, nehézfémek, Ca 2 SO 3, vízben oldódó vegyületek Megoldás: Alacsony szennyező-tartalmú szenek használata Szennyezők eltávolítása tüzelés előtt Kialakulás meggátlása és szennyező-megkötés tüzelés közben Megkötés, leválasztás tüzelés után Katona Z, 2008. 24

Környezetvédelem EU irányelvek: 3 x 20 Mit? az üvegházhatást okozó gázok (ÜHG) kibocsátásának legalább 20%-kal való csökkentése az 1990-es szinthez képest a megújuló energiaforrások arányának 20%-ra való növelése a teljes energiatermelésben, az energiafogyasztás 20 %-kal való csökkentése a 2020-ra előrejelzett szinthez képest. Hogyan? az energiahatékonyság növelése, energiaszükséglet csökkentése, megújuló energiaforrások alkalmazása, kibocsátott CO2 leválasztása és földalatti elhelyezése Katona Z, 2008. 25

Környezetvédelem CO 2 kibocsátás-csökkentés European Union Emmission Trading Scheme (ETS) Korlátozás és kereskedés elve Emmission Allowance Unit (EAU) = kvóta Phase I. (2005-2007) A kibocsátók összegyűjtése 20 MWth input felett EU CO2 kibocsátásának 40%-át fedi le Phase II. (2008-2012) Kiosztott kvóták Fölösleggel lehet kereskedni Átvihetők Phase III.-ba Büntetés (100 EUR/t) Phase III. (2013-2020) Az ipar más szektoraiban több engedmény: 2013-tól 20% aukción 2020-ig 70% 2027-ig 100% Villamosenergia-termelőknek teljes kvóta vásárlás 2013-tól 100%-ot aukción Engedmények lehetnek 2013-tól min. 30% aukción 2020-ig 100% Katona Z, 2008. 26

CCS Technológiák Katona Z, 2008. 27

CCS Technológiák szállítás Csővezetéken Felkomprimált állapotban, víztől mentesítve Legelterjedtebb, költséghatékony Kevesebb energiát igényel mint a földgázszállítás Katona Z, 2008. 28

Tárolás Leművelt olaj és földgáztelepekben Mély, sósvizes tárolókban (aquiferek) Leművelésre alkalmatlan széntelepeken Óceánokban

Tárolás leművelt olaj és földgáztelepekben Ami alkalmas olaj és gáztárolásra, az alkalmas CO2 tárolásra is. Hasonló mint a földgáz tárolás A szénhidrogén kitermelés fokozására felhasznált CO2 segíti a módszer elterjedését, illetve költséghatékonnyá válását. A CO2 tárolási potenciál számításához nem megfelelőek azok a tárolók: amelyeket manapság földgáz tárolás céljából vizsgálunk vagy használunk illetve azok, amelyek kevesebb, mint 1millió t CO2 tároló kapacitásúak, sűrűn lakott területen helyezkednek el.

Tárolás leművelt olaj és földgáztelepekben Hazánkban 26 CO2 tárolásra alkalmas rezervoár található, 150 millió tonna maximális tárolási kapacitással

Tárolás mély, sósvizes tárolókban 800 méternél mélyebben fekvő, porózus, magas sótartalmú oldattal telített üledékes kőzetekben A CO2 a pórusokban nyelődik el Az alkalmazás feltétele, hogy felülről tömör fedőréteg határolja a réteget, valamint, hogy a kiszoruló magas sótartalmú oldat a lehető legkisebb mértékben jusson a talajvízbe

Tárolás mély, sósvizes tárolókban A sós víztestben történő tárolási potenciál Magyarországon egy nagyságrenddel nagyobb lehet, mint a CH - telepekben.

Tárolás mély, sósvizes tárolókban Elméleti tárolási maximum hazánkban 2510 Milliót CO2. Szolnok Formáció 2090 Mt Újfalu Formáció 424 Mt

Tárolás leművelésre alkalmatlan széntelepeken A CO2 a szén felszínén abszorbeálódva kötődik, illetve a repedésekben található meg. Amennyiben CO2-ot sajtolunk egy széntelepbe, akkor az képes helyet cserélni az ott abszorbeálódott metánnal, ami kitermelhetővé is válhat. Felsőmiocén lignit formációk potenciális CO2 tárolók, tektonikailag nyugodtak. A becsült hazai CO2 tárolási potenciál maximum 300Mt.

Kibocsátási határértékek Szilárd tüzelőanyagokkal üzemelő berendezésekre 10/2003. (VII. 11.) KvVM rendelet alapján Üzemben levő berendezésekre: Új berendezésekre: Szennyező anyag Kibocsátási határérték [mg/nm 3 ] 50 < P th < 100 100 < P th < 500 P th > 500 Szennyező anyag Kibocsátási határérték [mg/nm 3 ] 50 < P th < 100 P th > 100 Szilárd anyag 100 50 50 Szén-monoxid (CO) 250 250 250 Szilárd anyag 50 30 Szén-monoxid (CO) 250 250 Nitrogén-oxidok (NO 2 - ben kifejezve) (1) 600 (2) 500 (2), (3) Nitrogén-oxidok (NO 2 -ben kifejezve) (8) 400 200 (9) Kén-dioxid és kén-trioxid (SO 2 -ben kifejezve) (11) 2000 (4) 400 Kén-dioxid és kén-trioxid (SO 2 -ben kifejezve) (11) 850 (10) 200 Kloridok (vízoldhatók, HCl-ben kifejezve) 200 100 100 Kloridok (vízoldhatók, HCl-ben kifejezve) 200 100 Fluoridok (vízoldhatók, Fluoridok (vízoldhatók, HF-ben 30 15 Modern 15 széntűzelésű erőművek - Szén és 30 15 Katona HF-ben Z, 2008. kifejezve) kifejezve) 36 Modern széntűzelésű erőművek - Szén és Katona Z, 2008. 36