Współspalanie

Współspalanie to jednoczesne spalanie dwóch (lub więcej) różnych rodzajów materiałów. Jedną z zalet współspalania jest możliwość wykorzystania istniejącej instalacji do spalania nowego paliwa, które może być tańsze lub bardziej przyjazne dla środowiska. Na przykład biomasa jest czasami współspalana w istniejących elektrowniach węglowych zamiast w nowych elektrowniach na biomasę. Innym przykładem jest współspalanie pierwotnych frakcji paliwowych z biomasy z paliwami pochodzącymi z odpadów w elektrowniach na biomasę, co prowadzi do przyjaznego dla środowiska niszczenia frakcji odpadów i opłacalnej produkcji ciepła i energii elektrycznej. Współspalanie może być również wykorzystane do poprawy spalania paliw o niskiej wartości energetycznej. Na przykład gaz wysypiskowy zawiera dużą ilość dwutlenku węgla , który jest niepalny. Jeśli gaz wysypiskowy jest spalany bez usuwania dwutlenku węgla, sprzęt może nie działać prawidłowo lub może wzrosnąć emisja zanieczyszczeń. Współspalanie go z gazem ziemnym zwiększa zawartość ciepła w paliwie oraz poprawia spalanie i wydajność urządzeń. Dopóki energia elektryczna lub ciepło wytwarzane z biomasy i gazu wysypiskowego byłyby w innym przypadku wytwarzane z paliw nieodnawialnych, korzyści są zasadniczo równoważne, niezależnie od tego, czy są one współspalane, czy spalane osobno. Współspalanie może być również stosowane w celu obniżenia emisji niektórych zanieczyszczeń . Na przykład współspalanie biomasy z węglem skutkuje mniejszą siarki niż spalanie samego węgla.

Pochodzenie

Współspalanie (nazywane również spalaniem komplementarnym lub współspalaniem) to spalanie dwóch różnych paliw w tym samym systemie spalania. Paliwa mogą być paliwami stałymi , ciekłymi lub gazowymi, a ich źródłem są paliwa kopalne lub odnawialne . Dlatego stosowanie ciężkiego oleju opałowego wspomagającego elektrownie węglowe można technicznie uznać za współspalanie. Jednak termin współspalanie jest używany w obecnych ramach technologicznych do określenia łącznego spalania dwóch (lub więcej) paliw podtrzymywanego w czasie, jako normalnej codziennej praktyki.

Zainteresowanie współspalaniem i używaniem tego terminu pojawiło się w latach 80. w USA i Europie i odnosiło się konkretnie do wykorzystania stałych pozostałości odpadów (papier, plastik, rozpuszczalniki, smoły itp.) lub biomasy w energetyce węglowej które były przeznaczone wyłącznie do spalania węgla, i próbowały, ze względu na istnienie tych nowych paliw alternatywnych, przeprowadzić spalanie skojarzone w celu zwiększenia marży korzyści. Zainteresowanie współspalaniem wzrosło w ostatniej dekadzie głównie ze względu na rosnące obawy społeczne związane z globalnym ociepleniem i emisjami gazów cieplarnianych (GHG) . Konsekwencją tego niepokoju są nowe polityki dotyczące energii i środowiska, mające na celu ograniczenie emisji. Współspalanie postrzegane jest jako wielka szansa na zastąpienie węgla (stałe paliwo kopalne ) wykorzystywanego do produkcji energii paliwami odnawialnymi (biomasa) przy niższych kosztach i bezpośrednim zmniejszeniu emisji gazów cieplarnianych . W ciągu ostatnich kilkudziesięciu lat badania dostarczyły bardzo różnorodnych rozwiązań współspalania biomasy w elektrowniach węglowych o ograniczonym wpływie na sprawność, eksploatację i żywotność.

W obecnym kontekście definicja współspalania mogłaby brzmieć następująco: Jednoczesne wykorzystanie dwóch (lub więcej) paliw, z których podstawowym jest kopalny, a wtórnym z innego źródła (odnawialnego lub pozostałościowego), w kotle pierwotnie zaprojektowanym na paliwa kopalne albo przy użyciu oryginalnego układu spalania lub dodatkowych urządzeń.

typy

Koncepcja współspalania jest dość prosta. Polega na wykorzystaniu dwóch lub więcej paliw wewnątrz tego samego urządzenia spalającego. Ma zastosowanie do wszystkich rodzajów systemów spalania tradycyjnie stosowanych do wytwarzania energii elektrycznej (spalanie paliwem pyłowym, spalanie w złożu fluidalnym i palenisko rusztowe ). Współspalanie w piecach cementowych jest już dość powszechnym rozwiązaniem do waloryzacji głównie surowców odpadowych , a także biomasy . Przemysł hutniczy ( wielkopiecowy ) oraz sektor bytowy ( piece węglowe ) to również sektory, w których można wdrożyć współspalanie.

Wykorzystanie paliwa wtórnego ( biomasy lub odpadów ) zastępującego część pierwotnego paliwa kopalnego może wymagać drobnych zmian w obiekcie lub całkowitej modernizacji z ważnymi reformami. Modyfikacje będą uzależnione od charakterystyki paliw, oryginalnej technologii spalania, układu instalacji oraz rodzaju i lokalizacji instalacji pomocniczych. Procent zastępowanego pierwotnego paliwa, zwany także współczynnikiem współspalania (wyrażony masowo lub energetycznie), jest ponadto definitywnym parametrem ograniczającym rozwiązania techniczne obowiązujące dla konkretnej instalacji.

Układy współspalania, zgodnie z aktualnym stanem techniki i perspektywami na przyszłość, można podzielić na technologie współspalania bezpośredniego i pośredniego . Te pierwsze dotyczą układów, w których spalanie obu paliw odbywa się jednocześnie na tym samym urządzeniu spalania lub w tym samym kotle. Paliwo wtórne (biomasa, odpady) może być albo mieszane z węglem przed rozpoczęciem spalania, albo podawane przez oddzielne urządzenie, np. specjalne palniki na biomasę. Pośrednie współspalanie, wręcz przeciwnie, oddziela spalanie obu paliw stałych, chociaż gazy spalinowe mogą być później mieszane.

bezpośredniego współspalania biomasy niosą ze sobą zalety prostoty i ekonomii. Jednak systemy bezpośredniego współspalania są również bardziej wrażliwe na zmiany jakości i niejednorodność paliwa. Dodatkowo inne problemy ograniczają tempo zastępowania paliw wtórnych pierwotnych paliw kopalnych. Na przykład osadzanie się popiołu ( zanieczyszczanie i żużlowanie) oraz korozja zwykle nasilają się przy stosowaniu biomasy i odpadów zastępujących węgiel, co może skracać żywotność różnorodnych urządzeń mających kontakt z gazami spalinowymi , takich jak przegrzewacze , wymienniki ciepła , selektywna redukcja katalityczna (SCR) itp. Układy współspalania bezpośredniego obejmują następujące rozwiązania technologiczne:

Współmielenie (w przypadku paliw stałych): mieszanie paliwa pierwotnego (węgiel) i wtórnego (biomasa lub odpady), mielenie kombinowane (w oryginalnym układzie) i wtrysk przez palniki węglowe (lub układ podawania)
Współzasilanie: oddzielna obróbka paliw pierwotnych i wtórnych (mielenie w przypadku paliw stałych) oraz wprowadzenie paliwa wtórnego do strumienia głównego. W przypadku paliw stałych mieszanie odbywa się za młynem węglowym.
Palnik kombinowany: paliwa poddawane są oddzielnej obróbce (w przypadku paliw stałych mielone) i transportowane do palnika, gdzie paliwo pierwotne wykorzystuje oryginalne otwory, a paliwo wtórne wykorzystuje nowe otwory lub nieużywane kanały. W tym przypadku, chociaż podawanie nie wiąże się z fizycznym mieszaniem paliwa, etapy spalania odbywają się jednocześnie iz zachowaniem aerodynamiki zbliżonej do pierwotnej konstrukcji.
Nowe palniki: paliwa wykorzystują niezależne linie zasilające. Paliwo pierwotne wykorzystuje oryginalny układ wtryskowy, natomiast paliwo wtórne jest transportowane do dedykowanych palników lub otworów wlotowych wnikających do komory spalania. Nowe palniki (układy wtryskowe) mogą zastąpić dotychczasowe palniki pierwotnego paliwa kopalnego lub mogą być instalowane w nowych miejscach w komorze spalania. Ta opcja może wiązać się z zastosowaniem różnych systemów spalania. Na przykład w elektrowni pyłowej na dnie komory spalania można zainstalować palenisko rusztowe, jednak jest to rozwiązanie rzadkie.

współspalania pośredniego implikują zwykle bardziej złożone i droższe rozwiązania, ale zwykle zmniejszają problemy związane z korozją, zanieczyszczeniami, żużlem itp. To a priori pozwala na współspalanie z większymi wskaźnikami niż w systemach bezpośrednich, czyli większymi procentami węgla zastąpione biomasą lub odpadami. Ponadto układy pośredniego współspalania są ogólnie lepsze w przypadku mieszanek paliwowych, w których paliwo wtórne może zawierać potencjalne zanieczyszczenia, takie jak metale ciężkie lub inne niebezpieczne związki nieorganiczne.

Poniżej wymieniono główne systemy współspalania pośredniego:

Spalanie rozdzielone: spalanie paliwa wtórnego w oddzielnym kotle lub instalacji i wprowadzanie spalin za część promieniującą pierwotnego kotła.
Instalacja sprzężona: oddzielne spalanie w nowym kotle specjalnie zaprojektowanym i zbudowanym do spalania paliwa wtórnego. Oryginalny i nowy system łączą ze sobą obiegi płynu grzewczego. Gazy spalinowe nie mieszają się, a gazy spalinowe muszą być oczyszczane oddzielnie.
zgazowania : paliwo wtórne jest przetwarzane na gaz (o wartości opałowej ) za pomocą generatora gazu . Powstały gaz syntezowy jest wtryskiwany bezpośrednio lub po uprzedniej obróbce do oryginalnej komory spalania lub kotła przez nowe dedykowane kanały.
Piroliza : biomasa jest przekształcana w mieszaninę gazu, bioolejów i karbonizatu za pomocą pirolizy . Frakcje można rozdzielać i wprowadzać do kotła w różnych miejscach.

Zalety współspalania

Wykorzystanie biomasy we współspalaniu obejmuje dodatkowe korzyści środowiskowe, społeczno-ekonomiczne i strategiczne dotyczące wykorzystania biomasy w dedykowanych zakładach na biomasę. W przypadku pozostałości odpadów nie ma dodatkowych korzyści, jednak spalanie odpadów może zmienić przepisy dotyczące emisji w celu spełnienia bardziej rygorystycznych przepisów. Na przykład limity emisji określone w przepisach środowiskowych dla obiektów spalania na dużą skalę są bardziej liberalne niż przepisy dotyczące spalarni. Oprócz wcześniejszej wady związanej ze współspalaniem odpadów, wspólne dla współspalania odpadów i biomasy są następujące zalety:

Specyficzna inwestycja (na jednostkę zainstalowanej mocy): mniejsza w porównaniu z konwencjonalnymi instalacjami na biomasę, ponieważ elektrownia wykorzystująca paliwa kopalne już istnieje i wymagane są tylko różne modyfikacje
Wytwarzanie energii z lepszą wydajnością: generalnie elektrownie na biomasę wytwarzają energię elektryczną ze stosunkowo niską wydajnością (18 do 22%) w porównaniu z ogromnymi blokami węglowymi (32 do 38%) przy zoptymalizowanych cyklach, biorąc pod uwagę ekonomię skali
Elastyczne działanie: oryginalna instalacja może nadal pracować przy 100% obciążeniu paliwem kopalnym. Obiekt do współspalania jest mniej wrażliwy na sezonowość produkcji biomasy oraz dostępność i cenę biomasy
Marchewka dla rozwoju rynków biomasy: różne kraje europejskie dowiodły, że promowanie współspalania jest kluczem do rozwoju rynków biomasy, a także do tworzenia wiedzy eksperckiej w zakresie przetwarzania i spalania biomasy

Linki zewnętrzne