Alternatív üzemanyagok - a szén alternatívája; EU újrahasznosítás
A biomassza és a hulladékalapú helyettesítő tüzelőanyagok használata a széntüzelésű erőművekben egyre nagyobb jelentőségű. Az RDF együttégetése számos nehézséggel jár, mivel Michael Nolte és Kai Keldenich az esseni Evonik Energy Services GmbH-tól vizsgálta:
A tapasztalatok azt mutatják, hogy a széntüzelésű erőművek nagyon magas követelményeket támasztanak a biomasszával és a hulladékalapú helyettesítő tüzelőanyagokkal szemben. A kritériumok a kémiai összetétel, különös tekintettel a klór, kén és lúg alkotóelemekre, a fűtőértékre és a hamuolvadási viselkedésre, az eltarthatósági időre (biológiai stabilitás és vízállóság), az őrölhetőségre, valamint az állagra és a szemcseméret-eloszlásra. Ezenkívül fontosak a helyszíni viszonyok, például az erőmű égésének típusa (por vagy fluid ágyas égés). A helyettesítő tüzelőanyagoknak szénszerű anyagtulajdonságokkal kell rendelkezniük - minél közelebb kerülnek az RDF anyagi tulajdonságai az elsődleges tüzelőanyag szénéhez, annál könnyebben, olcsóbban és gazdaságosabban integrálhatók a meglévő erőművi folyamatba.
Az erőmű folyamatát az anyagtulajdonságok és a meglévő helyspecifikus határfeltételek vizsgálata előzi meg, mint például a tárolási koncepció, a töltőberendezés, az égés- és gőzfejlesztő kialakítása, a kipufogógáz-tisztítási teljesítmény, az erőmű terhelési működése, valamint a meglévő kiegészítő rendszerek típusa és elhelyezkedése. Ezenkívül figyelembe kell venni az erőművi melléktermékekből, például a gőzfejlesztőből és a pernyéből származó maradványok esetleges újrafeldolgozásának követelményeit. A helyettesítő tüzelőanyagok fűtőértékei viszonylag alacsonyak, ezért alkalmasabbak lignittüzelésre, mint kőszénre. Azonban a lignit biztosításának különösen alacsony költségei miatt az RDF-et ritkán használják a lignit égetéséhez. Kőszén-tüzelés esetén viszont helyettesítő tüzelőanyagot elsősorban fluid ágyas tüzelésnél használnak. Az ehhez szükséges feldolgozási erőfeszítések az RDF esetében általában lényegesen alacsonyabbak, mint a porégetésnél.
Közvetlen, közvetett, párhuzamos együttégetés
A biomassza és/vagy a hulladékalapú helyettesítő tüzelőanyagok integrációja együttégési eljárással történik, amelynek során a fosszilis elsődleges fűtőanyag szén egy részét regeneratív vagy legalább részben regeneratív másodlagos tüzelőanyaggal helyettesítik. Az elmúlt évtizedekben különféle megoldásokat (közvetlen, közvetett, párhuzamos együttégetés) fejlesztettek ki, amelyek mindegyikének különböző hatásai (sajátos előnyei és hátrányai) lehetnek az egyes egységek, valamint a teljes erőmű hatékonyságára, működésére és élettartamára. A közvetlen együttégetés az együttégetés legegyszerűbb és legolcsóbb formája, azonban az anyag heterogén összetétele, tapadó szennyeződések, salak vagy korrózió csökkentheti az együttégetés sebességét és lerövidítheti a szénkazán rendelkezésre állását. Ez különösen a túlhevítők, a levegő előmelegítők és az SCR katalizátorok területére vonatkozik.
Közvetlen együttégetéssel a helyettesítő tüzelőanyagot és a szokásos tüzelőanyagot termikusan átalakítják ugyanabban a reaktorban. Az EBS jellemzőitől és a meglévő gőzfejlesztő típusától függően az előkészítés és az üzemanyag-ellátás eltérő módon alakítható ki. Porral égetett szénkazán esetében általában szükség van az RDF további feldolgozására. Ha ez a szénnel együtt történik, akkor az RDF-et hozzáadják a szénmalom előtt. A szenet és az RDF-et egy malomban együtt őrlik, és közös égőkön keresztül keverékként adagolják a kemencébe.
Ha az RDF-et külön egységben dolgozzák fel (például kalapácsmalomban), akkor az RDF-et általában csak a szénmalom után adják a szénhez, majd a kemencében lévő közös égőkön keresztül táplálják a szénnel. Az RDF önállóan önálló áramként keverhető a kemencébe akár a meglévő égőkön lévő külön adagolóeszközökön keresztül, akár teljesen különálló RDF égőkön vagy lándzsákon keresztül. Ha az RDF-et külön égőkön/lándzsákon keresztül táplálják be, az égők/lándzsák sztöchiometrikus égési körülményei a megfelelő üzemanyaghoz igazíthatók. Fluid ágyas tüzelés esetén a szénkazán különféle betáplálási lehetőségei további mechanikus előkezelés nélkül történhetnek. A fluid ágyas égés szemcseméret-spektrumát tekintve rugalmasabbnak bizonyul, mint a porégetés.
Sokkal költségesebb és összetettebb közvetett együttégetés esetén a szénkazánban történő égést megelőzi az RDF hőkezelése gázosító vagy pirolízis formájában. A kapott szintézisgáz és bio-olaj/bio-koksz keveréket előzetesen megtisztíthatják, majd külön égőkkel elégethetik a szénkazánban. A mechanikus RDF feldolgozás elhagyható. Elkerülhető a potenciális szennyező anyagok, például nehézfémek vagy más nemkívánatos szervetlen vegyületek szén-kazánba kerülése, az együttégetési ráta magasabb, és a szénkazánt nem érinti hátrányosan.
A párhuzamos együttégetés esetében, amely messze a legköltségesebb változat, a szén és az RDF hőátalakítása két külön égetési rendszerben történik, amely magában foglalja a teljes kipufogógáz-tisztítást is. A két áramkör csak a gőz oldalán van összekapcsolva. Az EBS gőzfejlesztő víz-gőz áramköre be van építve a szénkazán víz-gőz áramkörébe. A különálló EBS gőzgenerátort kifejezetten az EBS-hez tervezték. A víz-gőz cikluson keresztüli kizárólagos kapcsolásnak köszönhetően az RDF gőzfejlesztőből nem jutnak kipufogógázok a szénkazánba. Ezeket külön tisztítják az EBS gőzfejlesztő kipufogógáz-tisztító rendszerén keresztül. Az RDF-vel kapcsolatos szennyeződés, salakképződés és korróziós jelenségek a szénkazánban teljes mértékben elkerülhetők. Nincs közvetlen kapcsolat az RDF égéséből származó kipufogógáz és a szénégetés kipufogógáza között. A párhuzamos együttégetés hátránya - a szénkazánok gőzbefecskendezési pontjától függően - a közvetett együttégetéshez képest lényegesen alacsonyabb együttégetési ráta.
A korrózió problémája
A széntüzelésű erőművekben a korróziós folyamatok elsősorban a gőzfejlesztő területén mennek végbe, és elemi összetétele miatt az RDF hozzáadásával fokozhatók. A reagensektől függően ez kémiai, elektromos vagy fém-fizikai folyamat lehet. A korrózió kockázatát lényegében az égési viszonyok, a cső falának hőmérséklete és a korrózió szempontjából lényeges elemek tartalma határozza meg. A korrózió szempontjából fontos anyagparaméterek például az üzemanyag klór- és kéntartalma, valamint a nehézfémvegyületek, alkáli és alkáliföldfémvegyületek aránya a hamuban.
Ezekkel az üzemanyag- és hamuelemekkel korróziós mutatók határozhatók meg - a korrózió várható kockázatának jelzésére. A meglévő kemencében és a meglévő gőzfejlesztőben bekövetkező korróziós folyamatok nem zárhatók ki korróziós mutatókkal. Korrózió előfordulhat a gőzfejlesztő különböző területein, és különböző mechanizmusok okozhatják. Megemlítendő az oxigénhiány, az olvadt só, a magas hőmérsékletű klór és a harmatpont korrózió.
Oxigénhiányos korrózió: Oxigénhiányos kipufogógáz-atmoszférák CO szálak formájában jelen lehetnek, különösen az égő közelében lévő gőzfejlesztő égéstérének falain. A nem teljes oxidáció megtámadhatja a Fe2O3 védőréteget a gőzfejlesztő falán, vagy akadályozhatja annak felépülését. A klór jelenléte akár elősegítheti a folyamatot.
Olvadt só korrózió: Az égéstér falainak területén klór- és lúgos kénvegyületek lehetnek agresszív, olvadt formában, amelyeket a kén vagy annak égéstermékei, SO2 és SO3, és a hamuban előforduló oxidokkal, például Na2O és K2O közötti reakciók okoznak. A nehézfém-oxidok, mint a CuO, PbO vagy ZnO, fokozhatják ezt a korróziós folyamatot.
Magas hőmérsékletű klór-korrózió: A túlhevítő fűtőfelületek területén az alkáli-kloridok, különösen a NaCl és a KCl, oxidálódó atmoszférában kondenzálódhatnak és szulfátozhatnak az SO2 miatt. A hamufedélben lévő lúgok szulfatálása során elemi klór szabadul fel, amely viszont az anyag felületén lévő vassal vaskloridot képez és az uralkodó fal hőmérsékletétől függően elpárolog. A vas-klorid bomlása az oxigénnel és a kén-oxidokkal történő későbbi reakciók révén az elemi klór megújult felszabadulásához vezet, így belső korróziós ciklus alakulhat ki a gőzfejlesztő túlhevítő fűtőfelületein.
Harmatpont-korrózió: Ha a hőmérséklet a lehűlés miatt a hőmérsékleti határ alá csökken, lerakódások alakulhatnak ki az ekonomizátor (ECO) területén, és a levegő előmelegítője és a savkondenzáció (különösen a H2SO4 és a HCl) keletkezhet. A kapott sav megtámadja a rendszer rendszerelemének fémfelületét.
Ami szintén szerepet játszik
Ahol a trend halad - rugalmas szénerőművek
A németországi energiapolitikai keretek hátterében Michael Nolte és Kai Keldenich kijelentik, hogy a kemény széntüzelésű erőművek működését valószínűleg még korábbinál is gyakrabban jellemzik részleges/alacsony terhelésű műveletek és üzemszünetek. Ugyanakkor megnő a kereslet a megújuló energiák időjárás okozta ingadozásaira való reagálásra a terhelés gyors növelésével vagy csökkentésével, vagy az erőmű gyors beindításával és leállításával az áramigény kompenzálása és az átviteli hálózatok stabilizálása érdekében.
A jövőben különösen a széntüzelésű erőművek érvényesülnének a piacon ", amelyek az alacsony villamosenergia-termelési költségek mellett (Merrit Order) a gyors és olcsó beindítási/leállítási eljárással, a legkisebb összterheléssel járó alacsony terhelésű működéssel és a gyors terhelésváltozással járó rugalmas működéssel is jellemezhetők. A gyakori indítási és leállítási folyamatok, valamint a gyakori részleges/alacsony terhelésű vezetési módok végül a hagyományos erőműveknél lényegesen alacsonyabb teljes terhelésű üzemórákhoz (Vh) vezetnek. Például egyes erőművek teljes terhelési üzemideje már 4000 Vh alá csökkent, és ez a tendencia várhatóan még tovább fog növekedni. ”A nap- és szélerőművek nagy arányában a széntüzelésű erőművek több egymást követő napig állhatnak. . A széntüzelésű erőmű villamosenergia-termelésre vonatkozó követelményét hosszú távon nem lehet megjósolni.
Csak kombinált hő- és áramenergiában van értelme
A meglévő széntüzelésű erőműben a helyettesítő tüzelőanyagok lehetséges felhasználásának mérlegelésekor ezért figyelembe kell venni a széntüzelésű erőmű jelenlegi és várható jövőbeni működési helyzetét annak érdekében, hogy gazdaságosan és az engedélyezési törvény szempontjából megvalósíthassuk az együttégetést. A nagyon rugalmas követelmény-kritériumokkal rendelkező erőművek esetében a gazdasági együttégetés folyamata jelentősen megnehezül. A gyakori részleges/alacsony terhelésű üzemmódok akár teljesen megakadályozhatják a párhuzamos együttégést, a szénerőmű víz-gőz ciklusának kapcsolási pontjától függően. Michael Nolte és Kai Keldenich ezért úgy gondolja, hogy az EBS jövőbeni használatának csak a kapcsolt hő- és villamos energiát termelő erőműveknél van értelme, amelyek továbbra is az átlagosnál magasabb üzemidővel rendelkeznek. A hőtermelés nélküli szénerőművekben az RDF együttégetése inkább csökken, mint nő.
Michael Nolte és Kai Keldenich "Alternatív üzemanyagok szénerőművekkel kombinálva - Helyettesítő üzemanyagok jövőbeli felhasználása az erőművi technológia perspektívájából" című teljes cikkét olvashatjuk a Energy from Waste, 12. kötet, szerk. készítette: K. J. Thomé-Kozmiensky, TK Verlag Karl Thomé-Kozmiensky 2015, ISBN 978-3-944310-18-3