Układy kogeneracyjne ORC z kotłem na biomasę

ORC współpracujący z kotłem oleju termalnego

Energia elektrycznaGorąca woda 80/90oC

ORC

Obieg temperatury niskiej

Obieg temp. wysokiej

Kocioł Sugimat

Biomasa

Olej silikonowy

Olej termalny

Dwa niezależne obiegi

Kocioł olejowy na biomasę z układem ORC

Kocioł (wymiennik)

Silos

ElektrofiltrKomin

ORC

Komora spalania

Podajnik paliwa

Wentylator

System śluzy z dwoma klapami.

Ekonomizer

Regenerator Turbina Generator prądu

Skraplacz

Pompa obiegowa

Parownik

Co to jest ORC?

Do procesu ORC jest doprowadzany olej termalny, który podgrzewa w parowniku odpowiedni organiczny czynnik roboczy i zamienia go w parę (8→3→4). Para czynnika roboczego napędza turbinę (4→5), połączoną za pomocą sprzęgła elastycznego bezpośrednio z generatorem prądu. Para wylotowa z turbiny wpływa do regeneratora (5→9), podgrzewając kondensat czynnika roboczego (2→8). Następnie para ulega skropleniu w skraplaczu, który jest chłodzony powrotem gorącej wody (9→6→1). Na koniec kondensat jest podawany pompą obiegową (1→2) poprzez regenerator do parownika i tym samym cykl termodynamiczny w układzie zamkniętym zostaje zakończony.

Co to jest ORC?

Zalety:• wysoka sprawność procesu termodynamicznego,• wysoka sprawność turbiny,• niskie obciążenie mechaniczne i niskie obroty turbiny, brak przekładni redukcyjnej - cichobieżna praca,• w czasie rozprężania nie występuje ciecz (nie zachodzi erozja łopatek turbiny),• łatwe uruchamianie i zatrzymywanie urządzenia,• ciągła i w pełni automatyczna praca,• małe potrzeby osobowe: ok. 3 – 5 godz. w tygodniu,

Co to jest ORC?

100% energii z kotła Sugimat

ORC2%

straty

80% ciepło

18% elekt. brutto

• niskie koszty serwisu i utrzymania,

• wysoka niezawodność (ponad 50 000 h pracy, dyspozycyjność 98 %,)

• praca z obciążeniem częściowym do 35 % mocy kotła lub 10% mocy układu,

• wysoka sprawność również przy obciążeniu częściowym,• wysoka żywotność urządzenia.

Gabaryty przykładowego układu ORC?

Czynniki jakie należy rozważyć przy wyborze biomasy:

• popiół (elementy stałe nie spalone podczas spalania całkowitego, czym większy zawartość popiołu w paliwie tym niższa sprawność),

• wilgotność (czym mniejsza tym lepsze spalanie, problem CO),

• substancje lotne (kombinacje węgla, wodoru i innych

gazów, powyżej 65% substancji lotnych sprzyja spalaniu),• zawartość węgla,• wartość opałowa.

Paliwo – biomasa.

Koncepcja technologiczna całej instalacji.

Silos zasypowy biomasy (ruchome podłogi)

Popychacze

Siłowniki hydrauliczneSilos pracuje ciągnąc paliwo.

Podajnik biomasy

Przenośnik taśmowy z poprzeczkami (zabierakami)•System doprowadzenia paliwa do paleniska nie powinien być chłodzony

woda.•Rozmiar pojedynczych elementów paliwa do 500 mm długości.

Podajnik biomasy

System śluzy z dwoma klapami (otwierającymi się naprzemiennie)

•Reguluje podawanie paliwa.•Służy jako wydajny system chroniący przed płomieniem wstecznym.•Posiada bardzo dużą odporność•Umożliwia wprowadzanie większych elementów paliwa

Ruszt w kotłach biomasowych z olejem termalnym

Ruszt mechaniczny schodkowy Sugimat•Większa wytrzymałość dzięki zastosowanemu systemowi

przesuwnemu Carros (kule zamiast łożysk), które nie potrzebują konserwacji,

•Możliwa wilgotność maksymalna paliwa - 50% •Elementy rusztu wysokiej jakości z minimalną zawartością chromu

27% (wytrzymałość na wysoką temperaturę); stop Ni Mo (dające wytrzymałość na uderzenia i naprężenia mechaniczne),

•Pojedynczy element rusztu maks. 500 mm długości,•Kocioł(wymiennik) nie powinien być umieszczony bezpośrednio nad

rusztem, •Tylko ruszty skośne, płaskie – NIE•Ruszt chłodzony powietrzem (schłodzone wodą+odlewy niższej

jakości grozi utworzeniem się rozżarzonej masy wewnątrz paleniska przez co ruszt pozostaje bez chłodzenia co powoduje znaczne zużywanie się, niszczenie).

Zastosowanie: • kora,• biomasa leśna,• paliwa generujące popiół.

Ruszty firmy Sugimat został zainstalowany w ponad 350 kotłach obecnie pracujących o mocy od 1 MW do 50 MW.

Najważniejsze elementy do rozważenia przy doborze rusztu:• powierzchnia rusztu uzależniona od spalanego paliwa,• ruszt chłodzony powietrzem,• możliwe ruszty do spalania biomasy i węgla (zalecane oddzielnie),• jest możliwe spalanie rożnego rodzaju biomasy...

...ale należy rozważyć:• granulacje,• wartość opałowa,• zawartość popiołu w paliwie i jego punkt płynięcia.

Ruszt w kotłach biomasowych z olejem termalnym

Przez system mogą przejść w małych ilościach niektóre kawałki:•kamieni - o wielkości myszy komputerowej,•grudy błota o średnicy do 100 mm,•małe metalowe kawałki <sześcian o boku 35-40 mm.

W tych trzech przypadkach te elementy zostaną odprowadzone z systemem odpopielania.

Najważniejsze elementy do rozważenia przy doborze komory spalania:

• W całości zbudowana z cegły szamotowej, beton tylko w przewodach spalinowych lub komorze adiabatycznej,

• Grubość ściany min. 500mm,• W przypadku spalania biomasy

istnieje problem CO a nie NOx,• czym większa wilgotność paliwa

tym większy problem z CO i trzeba stosować komorę adiabatyczna,

• słoma - trudne paliwo......problemy:

• punkt płynięcia popiołu,• chlor,• nie można spalać w komorze z cegły.

Komora spalania.

Komora spalania i ruszt – PROBLEMY w innych rozwiązaniach

Nagromadzenie popiołu

Ruszt, komora spalania.

Komora adiabatyczna

• umieszczona jest bezpośrednio nad komorą spalania, • samooczyszcząca,• dzięki przepływowi spalin przez komorę adiabatyczną otrzymuje się

niską emisje CO w spalinach na wylocie z komina,• jest ona wykonana z materiałów ogniotrwałych oraz izolacyjnych,• zawiera kołnierz, który umożliwia zainstalowanie w przyszłości

dodatkowego palnika, jeśli zajdzie potrzeba dodatkowej redukcji emisji CO

• posiada sklepienie do wymuszenia obiegu spalin, co skutkuje dopaleniem cząstek CO oraz opadaniem bezpośrednio na ruszt i usunięciem ich razem z żużlem.

Komora adiabatyczna

Komora adiabatyczna (dopalająca) jest to pionowa komora cylindryczna umieszczona powyżej komory spalania. Jej zadaniem jest obniżenie poziomu emisji CO dzięki zasadzie 3T: temperatura, czas przebywania i turbulencje (min. 850°C, min. 2/3 sekundy).

Jest to prostokątny kanał, którego strop składa się z ogniotrwałego betonu, a podłoże i ściany wykonane są z cegieł.  

Kanał łączący pokryty betonem.

Kocioł olejowy – wymiennik wysokotemperaturowy

Kocioł oleju termalnego.

Zabrania się montować kocioł oleju termalnego pionowo nad rusztem (chodzi oto aby niedopalony popiół nie wpadał od razu do kotła i go nie brudził, zapychał).

Kocioł jest markowany znakiem CE, zatwierdzony przez Notify Organism TÜV SÜDDEUTSCHLAND nº 0036.

Najważniejsze elementy do rozważenia przy doborze kotła:• powierzchnia grzewcza kotła (wymiennika),• grubość ścianki rury, • obowiązkowy system kontroli przepływu w każdej rurze wystawionej na

radiacje płomienia albo na temperaturę powyżej 900 ⁰C,• system czyszczenia sprężonym powietrzem bez zatrzymywania kotła.

Kocioł oleju termalnego.

Ekonomizer jest wymiennikiem niskotemperaturowym. Powinien pracować w przepływie krzyżowym (gaz pionowo a olej/rury poziomo) co jest najlepszym inżynierskim rozwiązaniem, gdyż wtedy otrzymujemy najlepszy odbiór ciepła i ekonomizer się nie zapycha, nie ma akumulacji pyłu. Ekonomizer Sugimat ma otwory do ręcznego czyszczenia sprężonym powietrzem. Jest to tańsze rozwiązanie od systemu automatycznego, niemniej jednak Sugimat montuje w ekonomizerze otwory do montażu systemu automatycznego.

Ekonomizer.

1. Multicyklon - składa się z trzech części: wlot i wylot spalin, separatora cząsteczek stałych oraz zbiornika pyłu. Separator cząstek stałych składa się z mikrocyklonów. Spaliny wprowadzane są przez górna strefę cylindryczną mikrocyklonów, cząsteczki wyseparowane zsypywane są przez dolną strefę stożkową. Spaliny wychodzą przez górne kanały wylotowe w kierunku głównego wyjścia kolektora. Wszystkie wyseparowane cząstki z części stożkowej będą składowane w jednym wspólnym zbiorniku. Gwarantowany poziom emisji to: 150 do 250 mg/m³.

2. W przypadku innych lokalnych przepisów wymagających niższej emisji, konieczne jest zainstalowanie filtra workowego lub elektrofiltru. Można zamontować filtr workowy jeżeli będzie się spalać tylko pelety. W przeciwnym razie Sugimat sugeruje elektrofiltr który jest droższym rozwiązaniem w nakładach inwestycyjnych ale tańszym biorąc pod uwagę eksploatacje. Filtr workowy trzeba wymieniać co 12.000/14.000 godzin, poza tym istnieje ryzyko eksplozji, jeżeli paliwo nie spala się do końca i dochodzą elementy do worka.

Układ oczyszczania i odprowadzania spalin.

Przykładowy układ Sugimat z kotłem olejowym na biomasę

Wygarniacz popiołu

Podstawowe zalety:• możliwość pracy z obciążeniem częściowym do 35% mocy nominalnej kotła przy

utracie tylko 3% sprawności,• elastyczność pracy,• automatyczna współpraca z ORC.

Ruszt

Komora spalania

Kom. adiabatyczna Kocioł (wymiennik)

Podajnik biomasy

Wygarniacz popiołu

Układ oczyszczania i odprowadzania spalin

Ekonomizer

Kanał łączący

Charakterystyka handlowa jednostek ORC

Moc elektryczna jednostek:Standardowe jednostki ORC produkowane są z zakresie 0,6 - 3 MWe. Większe, nawet do 15 MWe są produkowane i dostosowywane na specjalne zamówienie klienta.

Czas oczekiwania na zamówienie:Małe jednostki - czas dostawy 10-11 miesięcy plus 4 tygodnie montażu na miejscu. Duże jednostki - czas dostawy do 15 miesięcy plus 10-14 tygodni montażu na miejscu. Jednostki niestandardowe, na specjalne zamówienie – do ustalenia

Eksploatacja:Czas życia urządzeń 20-25 lat przy poprawnej eksploatacji. Po 10 latach zdarza się konieczność polerowania łopatek turbiny. Możliwość pracy ciągłej przez cały rok, ale też duża elastyczność w razie potrzeby.

Typoszereg standardowych jednostek ORC firmy Turboden

  TD6CHP TD7CHP TD10CHP TD14CHP TD18CHP TD22CHP TD30CHP WEJŚCIE – OLEJ TERMALNY

Temperatura nominalna

(wejście/wyjście)°C 302/242 302/242 300/240 300/240 300/240 300/240 310/231

Moc cieplna kW 3340 3895 5140 6715 9790 12020 17571 WYJŚCIE – GORĄCA WODA

Temperatura gorącej wody (wejście /wyjście) °C 60/80 60/80 60/80 60/80 60/90 60/90 65/95

Moc cieplna oddawana gorącej wodzie kW 2664 3117 4081 5313 7834 9601 14499

OSIĄGIMoc elektryczna brutto kW 643 739 1016 1339 1863 2304 3143Sprawność elektryczna

brutto   19.3% 19.0% 19.8% 19.9% 19.0% 19.2% 17,9%Zużycie na potrzeby

własne kW 32 37 48 58 79 97 197Moc elektryczna netto kW 611 702 968 1281 1784 2207 2946Sprawność elektryczna

netto   18.3% 18.0% 18.8% 19.1% 18.2% 18.4% 16,8%

Generator prądu   50Hz, 400V 60Hz, 480V

50Hz, 400V 60Hz, 480V

50Hz,400V 60Hz,480V

50Hz,400V 60Hz,480V

50Hz, 660V 60Hz,4160V

50Hz, 660V 60Hz,4160V

50Hz, 6kV 60Hz,4160V

Konsumpcja biomasy* kg/h 1606 1873 2471 3228 4707 5779 8448* Przyjęta wartość opałowa biomasy – 2,6 kWh/kg i sprawność kotła – 0,80

Współpraca kotła biomasowego z układem ORC do sieci miejskiej

Technologia z zastosowaniem kotła na biomasę z turbogeneratorem pracującym w oparciu o proces ORC, wytwarzając energię elektryczną i cieplną, wpisuje się idealnie w zasadę działania zakładów ciepłowniczych.

Podstawowym założeniem jest praca instalacji w maksymalnym punkcie sprawności tj. z całkowitym wykorzystaniem ciepła do sieci miejskiej. Całkowita moc cieplna odebrana z układu ORC kierowana będzie do miejskiej sieci ciepłowniczej poprzez system wymienników. Z racji parametrów produkowanego ciepła (90/70 °C) proponowane włączenie zrealizowane byłoby na powrocie sieci ciepłowniczej. Dzięki takiemu rozwiązaniu zapewnione zostaną parametry pracy sieci w lecie, natomiast w okresie zimowym, kiedy temperatura zasilania sieci ciepłowniczej jest wyższa niż 90 °C uzyskamy podgrzanie wody powrotnej, która następnie skierowana zostanie na kotły gazowe w celu uzyskania wymaganych parametrów temperatury.

Zasady doboru jednostek ORC do sieci ciepłowniczej

Minimalna ekonomicznie moc elektryczna:Minimalna ekonomicznie moc elektryczna to 1 MW. Wynika to ze stosunku nakładów do mocy i wielkości produkcji.

Optymalny dobór mocy cieplnej do pracy całorocznej;Moc minimalnego odbioru w okresie letnim – do 50% mocy, granicznie do 35% mocy.

Optymalny dobór mocy cieplnej do pracy sezonowej Czas pracy jednostki z pełnym obciążeniem od 4 500 – 5 000 godzin.

Przykładowe dobory do rzeczywistych systemów ciepłowniczych .Przykład 1. Dobrano CHP 10 – dobór optymalny – moc letnia -50 % mocy.

Możliwy dobór alternatywny- CHP14 – 37% mocy letniej.Przykład 2. Dobrano CHP 30 – najlepszy ekonomicznie dobór – moc letnia

75-80%. Możliwy dobór alternatywny CHP 50 – moc letnia ok-40 % mocy.

Praca instalacji z zastosowaniem ORC TD 10 CHP

1 8 15 22 29 36 43 50 57 64 71 78 85 92 99 106

113

120

127

134

141

148

155

162

169

176

183

190

197

204

211

218

225

232

239

246

253

260

267

274

281

288

295

302

309

316

323

330

337

344

351

358

3650

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

22

Kocioł na biomasę z układem ORC Kotły gazowe

Moc t

erm

iczna

[MW

]

ZAŁOŻENIA Roczna ilość godzin pracy układu ORC h 8 000 Sprawność kotła na biomasę % 83 Kaloryczność biomasy kJ/kg 15 000 Kaloryczność gazu kJ/Nm3 34 400 Sprawność kotłów gazowych % 90

PRODUKCJARoczna produkcja ciepła z układu ORC GJ 93 742Roczna produkcja energii elektrycznej netto MWh 5 699Roczne zużycie biomasy t 9 177Roczna produkcja ciepła z gazu GJ 156 258Roczne zużycie gazu tys.

Nm3 5 047

Praca instalacji z zastosowaniem ORC TD 30 CHP

ZAŁOŻENIA Roczna ilość godzin pracy układu ORC h 8 000 Sprawność kotła na biomasę % 83 Kaloryczność biomasy kJ/kg 15 000 Kaloryczność gazu kJ/Nm3 34 400 Sprawność kotłów gazowych % 90

PRODUKCJARoczna produkcja ciepła z układu ORC GJ 368 687Roczna produkcja energii elektrycznej netto MWh 20 415Roczne zużycie biomasy t 35 516Roczna produkcja ciepła z gazu GJ 656 715Roczne zużycie gazu tys.

Nm3 21 212

1 8 15 22 29 36 43 50 57 64 71 78 85 92 99 106

113

120

127

134

141

148

155

162

169

176

183

190

197

204

211

218

225

232

239

246

253

260

267

274

281

288

295

302

309

316

323

330

337

344

351

358

3650

5101520253035404550556065707580859095

Kocioł na biomasę z układem ORC Kotły gazowe

Moc t

erm

iczna

[MW

]

Szacunkowe nakłady inwestycyjne na budowę instalacji z kotła na biomasę z układem ORC

 Układ ORC

Moc elektryczna brutto Koszty budowy instalacji

kW €/kWel €

Turboden 22 CHP 2304 3523 8 116 500

Turboden 18 CHP 1863 3898 7 261 800

Turboden 14 CHP 1339 4426 5 926 500

Turboden 10 CHP 1016 5118 5 200 000

Turboden 7 CHP 739 6116 4 519 800

Turboden 6 CHP 643 6642 4 271 100

Tabela przedstawia szacunkowe całkowite nakłady oraz zależność , że im większa moc układu tym mniejszy jednostkowy nakład na 1 kW mocy elektrycznej zainstalowanej.

Przedstawiciel handlowy

Firmy Sugimat

CRB Energia Sp. z o.o.

ul. Narutowicza 18/6

33-100 Tarnów

Polska

Tel.: +48 14 623 24 20

Fax: +48 14 623 24 20

E-mail: crbenergia@crbenergia.pl