Lukowicz.indd

PRACE NAUKOWE IMiUE POLITECHNIKI ŚLĄSKIEJ 2010

INTERNATIONAL CONFERENCE

ON BOILER TECHNOLOGY 2010

Dr hab. inż. Henryk ŁUKOWICZ, Prof. Pol. Śl. e-mail: henryk.lukowicz@polsl.pl jest kierow-

nikiem Zakładu Cieplnych Maszyn Przepływowych w Instytucie Maszyn i Urządzeń Energe-

tycznych, prof. dr hab. inż. czł. koresp. PAN Tadeusz CHMIELNIAK e-mail: tadeusz.chmiel-

niak@polsl.pl jest profesorem zatrudnionym w Zakładzie Cieplnych Maszyn Przepływowych

w Instytucie Maszyn i Urządzeń Energetycznych, a mgr inż. Andrzej KOCHANIEWICZ oraz

mgr inż. Marcin MRONCZ są doktorantami na Wydziale Inżynierii Środowiska i Energetyki

Politechniki Śląskiej, 44-100 Gliwice, ul. Konarskiego 18.

Henryk ŁUKOWICZ
Tadeusz CHMIELNIAK
Andrzej KOCHANIEWICZ
Marcin MRONCZ
Politechnika Śląska

ANALIZA WYKORZYSTANIA CIEPŁA ODPADOWEGO
ZE SPALIN BLOKU WĘGLOWEGO OPALANEGO
WĘGLEM BRUNATNYM DO SUSZENIE WĘGLA

Streszczenie. Suszenia węgla podawanego do kotła jest bardzo efek-

tywną metodą podnoszenia sprawności wytwarzania energii elektrycz-

nej bloków energetycznych. Dotyczy to zwłaszcza węgla brunatnego,

który zawiera około 50% wilgoci, którą podczas spalania trzeba odpa-

rować w kotle. Ciepło pobrane przez parującą wodę z paliwa zmniejsza

ilość ciepła przekazywanego do czynnika obiegowego w kotle. W arty-

kule przedstawiono analizę wykorzystania ciepła odpadowego spalin

w celu częściowego podsuszania węgla, a także możliwości zasilania

spalinami młyna elektromagnetycznego opracowanego i zbudowanego

w Politechnice Częstochowskiej [5]. Analizowano wpływ podsuszania

węgla brunatnego na podstawowe wskaźniki bloku nadkrytycznego.

AN ANALYSIS OF THE USE OF WASTE HEAT
FROM THE EXHAUST GAS OF THE BROWN
COAL POWER PLANT FOR DRYING COAL

Summary. Drying of a coal supplied to the boiler is a very effective

method of the effi ciency raising of electricity generation power units.

Lukowicz.indd 173

06.10.2010 19:45:46

174

Praca zbiorowa

Especially it deals with drying of a brown coal which contains around

50% moisture, which must be evaporated during combustion process

in a boiler. The heat accumulated by the water from the fuel reduces

the amount of heat transferred to the feed water in the boiler. An ar-

ticle presents the analysis of the use of waste heat gases to the partial

drying of a coal and the possibility of supplying of an electromagnetic

power exhaust mill developed and built at the Technical University of

Czestochowa [5]. The infl uence of brown coal drying on the basis of indi-

cators of the power unit with supercritical parameters was analyzed.

1. Wstęp

Od współczesnych bloków energetycznych wymaga się przede wszystkim

aby były wysokosprawne i jak najmniej uciążliwe dla środowiska. Niestety

te dwa wymagania nie idą ze sobą w parze. Szczególnie energochłonne są

procesy wychwytu dwutlenku węgla, które powodują zmniejszenie sprawno-

ści całkowitej bloku ok. 10% [1]. Wynika z tego, że budowa bloków energe-

tycznych o całkowitej sprawności powyżej 50% będzie możliwa jedynie bez

wychwytu CO

. Główne kierunki zwiększania sprawności wytwarzania ener-

gii elektrycznej obejmują wzrost parametrów pary zasilającej turbinę, dosko-

nalenie struktury technologicznej bloku oraz wykorzystanie ciepła ze spalin

wylotowych z kotła [2]. Ciepło ze spalin odlotowych z kotła wykorzystuje się

w pracujących już i budowanych obecnie blokach do podgrzania wody w ukła-

dzie regeneracji turbiny.

W tym przypadku można uzyskać przyrosty sprawności w zakresie 0,25–1,6

punktu procentowego w zależności od konfi guracji układu odzysku i rodzaju

spalanego węgla [2, 7].

Inną propozycją jest wykorzystanie ciepła odpadowego spalin do zasilania

obiegów z czynnikami niskowrzącymi tzw. obiegów ORC [3].

Podczas odparowywania wilgoci z węgla tracone jest ok. 20–25% ciepła ze

spalania [6].

Zmniejszenie tej wilgotności będzie powodować przyrost sprawności kotła,

a tym samym bloku. Rozwijane są obecnie różne technologie suszenia.

Podział metod suszenia wg [4]

1. Termiczne

CFB-PW – oparami – parą niskoprężną w złoży fl uidalnym

–

WT-PW – para wysokoprężną w rurosuszarce

–

WT-S – gorącymi spalinami w rurosuszarce

–

CFB-S – spalinami zza kotła w złożu fl uidalnym

–

2. Chemiczne

3. Mechaniczno-termiczna

W pracy przedstawiono propozycję suszenia węgla brunatnego za pomocą

młyna elektromagnetycznego przedstawionego w publikacji [5].

Lukowicz.indd 174

06.10.2010 19:45:54

177

Analiza wykorzystania ciepła odpadowego...

Założono, że cały strumień spalin kierowany jest do suszenia węgla i spa-

liny schładzane są z temperatury 170 do 120

C. Jest to zbadanie potencjału

tkwiącego w spalinach odlotowych do podsuszenia paliwa.

Przeprowadzono również obliczenia parametryczne dla bloku porównaw-

czego pracującego przy zmienionej zawartości wilgoci w paliwie.

Energia chemiczna paliwa

ch pal

pal

(1)

gdzie:
G

pal 1

– strumień paliwa surowego [kg/s],

– wartość opałowa paliwa surowego [kJ/kg].

Bilans energii dla bloku wyjściowego:

ch pal

spalin

(2)

gdzie:
Q

spalin

– suma strat strumieni ciepła w spalinach wychodzących z kotła

(na rys. 2 zaznaczono stratę wylotową Q

spalin 1

z uwagi na największe

znaczenie strat energetycznych kotła) [kW].

– moc elektryczna na zaciskach generatora [kW],

o – strumień ciepła tracony w skraplaczu [kW].

W równaniu pominięto straty ciepła do otoczenia z urządzeń bloku (turbi-

na, rurociągi) oraz straty związane z ubytkami czynnika.

Sprawność wytwarzania energii elektrycznej dla osłony nr 1 poprowadzo-

nej jak na rys. 2.

_ _

w en el

pal

= o

(3)

Sprawność kotła zdefi niowano jako:

kot

pal

= o

(4)

gdzie:

o – strumień ciepła doprowadzony do pary wodnej w kotle [kW].

Na rys. 3 przedstawiono ideowy schemat bloku cieplnego wyposażonego

w instalację suszenia węgla brunatnego. W tym wypadku układ wyodrębnio-

no na cztery osłony bilansowe.

Bilans cieplny dla suszarki według osłony nr 3:

spalin

fiz

odparowania

(5)

gdzie:
Q

spalin1

– strumień ciepła spalin dopływających do suszarni [kW],

spalin2

– strumień ciepła spalin wypływających z suszarni [kW],

fiz1

o – entalpia fi zyczna węgla surowego [kW],

fiz2

o – entalpia fi zyczna podgrzanego węgla [kW],

Lukowicz.indd 177

06.10.2010 19:45:55

178

Praca zbiorowa

odparowania

– ciepło odparowania [kW].

Równanie (5) ma na celu wyodrębnienie jaka część ciepła jest wykorzysta-

na do podgrzania paliwa, a jaka część ciepła wykorzystana do odparowania
wilgoci.

(

)

(

)

c t

fiz

pal

odn

pal

odn

(6)

gdzie:

– ciepło właściwe wilgotnego węgla [kJ/kgK],

pal 2

– strumień paliwa za suszarnią [kg/s],

w_2

– założona temperatura podgrzanego paliwa [

C],

w_1

– temperatura paliwa surowego [

C],

odn

– temperatura odniesienia [

C].

Do obliczeń założono, że temperatura t

w_1

= t

odn

stąd I

fiz1

Ciepło spalin odlotowych z kotła jest znane i wyznaczone dla układu wyjścio-
wego (rys. 2)

(

)

n H

spalin

pal

spalin

(7)

gdzie:
H

spalin 1

– entalpia spalin o temp. 170 [

C] przed suszarką [kJ/kg],

spalin 2

– entalpia spalin o temp. 120 [

C] za suszarką [kJ/kg],

"
s

– jednostkowa ilość spalin wilgotnych [kmol/j.p.].

Wyznaczenie ciepła odparowania pozwoli na określenie ilości ubytku wil-

goci w paliwie.

Wyznaczenie masy odparowanej wilgoci.

(

)

r c

odparowania

(8)

gdzie:
Q

odparowania

– ciepło odparowania [kW],

– ciepło właściwe pary wodnej [kJ/kgK],

r – entalpia parowania [kJ/kg],

't – przyrost temperatury pary wodnej pochodzącej z węgla [

C].

Wyznaczenie wilgotności paliwa za suszarką:

w G

pal

(9)

gdzie:
w – udział wilgoci w surowym węglu.
Dla osłony nr 4 (bilans cieplny kotła) wyznaczono strumień paliwa osuszonego

[

(

)

(

)

(

)

]

(

)

n H

u p c

u p c t

pal

spalin

spal ot

pop

spalin

zuz

fiz

(10)

Lukowicz.indd 178

06.10.2010 19:45:55

179

Analiza wykorzystania ciepła odpadowego...

gdzie:

o – strumień ciepła doprowadzony do pary wodnej w kotle [kW],

pal 2

– strumień paliwa osuszonego [kg/s],

– wartość opałowa paliwa osuszonego [kJ/kg],

spal_ot

– entalpia spalin o temperaturze otoczenia [kJ/kg],

pop

– udział popiołu w substancji niepalnej,

pop

– ciepło właściwe popiołu [kJ/kgK],

p – udział popiołu w paliwie,

zuz

– udział żużla w substancji niepalnej,

zuz

– temperatura żużla [

C],

pop

– ciepło właściwe żużla [kJ/kgK],

– straty ciepła do otoczenia w kotle,

– ciepło właściwe wilgotnego węgla [kJ/kgK],

w_2

– temperatury paliwa za suszarnią [

C],

odn

– temperatura odniesienia [

C].

Wyznaczenie nowego strumienia paliwa surowego z bilansu wilgoci:

pal_1*

< G

pal_1

(

)

(

)

_ *

pal

(11)

gdzie:

– udział wilgoci w węglu na końcu procesu suszenia,

w – udział wilgoci w surowym węglu,

Dla osłony nr 1 zdefi niowano sprawność bloku następująco:

_ _

w en el

pal

= o

(12)

Sprawność kotła obliczono według osłony nr 2:

kot

pal

= o

(13)

4. Wyniki obliczeń

W przypadku bloku wyposażonego w suszarkę sprawności wytwarzania

energii elektrycznej jest zdecydowanie większa niż bloku pracującego bez su-
szenia węgla tablica 1. Przyrost sprawności kotła wyniósł 3,33 punktu pro-
centowego, natomiast przyrost sprawności bloku 1,68 punktu procentowego.

W tablicy 2 zaprezentowano wyniki wskaźników pracy bloku w przypadku

zmniejszenia udziału wilgoci paliwie.

Na skutek zmiany wilgotności paliwa, wartość opałowa paliwa rośnie, co

przekłada się na wzrost sprawności kotła (rys. 6). Jeżeli sprawność kotła ro-
śnie, wówczas następuje wzrost sprawności bloku (rys. 7).

Lukowicz.indd 179

06.10.2010 19:45:55

180

Praca zbiorowa

Tablica 1

Wyniki obliczeń wskaźników pracy w przypadku bloku pracującego z suszarką

węgla oraz bez suszarki

[–]

0,259

0,019

0,004

0,012

0,099

0,086

0,521

0,277

0,020

0,004

0,013

0,106

0,092

0,487

kot

Δη

kot

ele

Δη

ele

spal

pal

kJ/kg

kg/s

7962

88,41

0,00

44,53

0,00

835,59

169,22

8715

91,74

3,33

46,21

1,68

790,93

151,56

Tablica 2

Wyniki obliczeń wskaźników pracy w przypadku zmiany udziału wilgoci w pali-

wie

[–]

0,259

0,019

0,004

0,012

0,099

0,086

0,521

0,291

0,021

0,005

0,013

0,112

0,097

0,462

0,308

0,022

0,005

0,014

0,118

0,102

0,430

0,327

0,023

0,005

0,015

0,126

0,109

0,394

0,350

0,025

0,006

0,016

0,134

0,116

0,354

0,375

0,027

0,006

0,017

0,144

0,124

0,307

kot

Δη

kot

ele

Δη

ele

spal

pal

kJ/kg

kg/s

7962

88,41

0,00

44,53

0,00

835,59

169,22

9276

89,18

0,77

44,92

0,39

782,33

143,99

9944

89,50

1,09

45,08

0,55

760,54

133,84

10657

89,80

1,39

45,23

0,70

740,54

124,46

11641

90,13

1,72

45,40

0,87

718,08

113,53

12668

90,43

2,02

45,55

1,02

697,58

103,97

Lukowicz.indd 180

06.10.2010 19:45:55

182

Praca zbiorowa

Przeprowadzono analizę pracy bloku nadkrytycznego o strukturze jak na

rys. 1 i mocy 900 MW, opalanego węglem brunatnym, którego część byłaby
suszona w młynie elektromagnetycznym.

Analiza dotyczy wpływu częściowego suszenia paliwa (węgla brunatnego)

kierowanego do kotła. Częściowe suszenia paliwa umożliwia zwiększenie
wartości opałowej paliwa spalanego w kotle.

Młyn elektromagnetyczny zasilany jest prądem trójfazowym.
Dane techniczne młyna elektromagnetyczny (dane podane przez autorów

[5]):
1.

Moc

2. Wydajność

t/h

Do obliczeń przyjęto następujący skład węgla brunatnego, tablica 3.

Tablica 3

Skład pierwiastkowy węgla brunatnego

Wd [kJ/kg]

0,259

0,0185

0,0043

0,0118

0,0994

0,086

0,521

7962

Po wysuszeniu części węgla uzyskano następujący nowy skład węgla bru-

natnego, tablica 4.

Tablica 4

Skład pierwiastkowy wysuszonego węgla brunatnego

Wd [kJ/kg]

0,498

0,036

0,008

0,023

0,191

0,165

0,080

17664

Badanie wpływu suszenia węgla prowadzono dla bloku na parametry nad-

krytyczne o mocy 900 MW (rys. 1).

Dane techniczne bloku:
Moc elektryczna

900 MW,

–

Ciśnienie pary pierwotnej

30 MPa,

–

Temperatura pary pierwotnej

600

–

Temperatura pary wtórnej

620

–

Ciśnienie w skraplaczu

4,4 kPa.

–

Z bilansu kotła wyznaczono nowy strumień paliwa doprowadzonego do ko-

tła (rys. 8).

0,521

)

(

)

W u

n H

pal

spalin

spalin ot

(

)

(

)

udz pop p c

udz zuz p c

p pop

spal

zuz

$ $

o o

[

0,521

)]

W u

(14)

Lukowicz.indd 182

06.10.2010 19:45:55

183

Analiza wykorzystania ciepła odpadowego...

Rys. 8. Schemat wyznaczenia nowego strumienia paliwa dla osłony kontrolnej jak na ry-

sunku

gdzie:

o – strumień ciepła doprowadzony do pary wodnej w kotle [kW],

– udział paliwa suszonego,

– wartość opałowa paliwa wilgotnego [kJ/kg],

– wartość opałowa paliwa podsuszonego [kJ/kg],

spalin_1

– entalpia spalin na wylocie z kotła [kW],

spal_ot

– entalpia spalin w temperaturze otoczenia [kW],

udz pop– udziały popiołu,

udz zuz

o o

– udziały żużla,

p pop

zuz

o o

– ciepło właściwe odpowiednio; popiołu i żużla [kJ/kgK],

spal

– temperatury spalin na wylocie z kotła,

, t

żuż

– temperatury odpowiednio: otoczenia i żużla [

C],

– strata ciepła do otoczenia,

0,521

–

masa

węgla po odparowaniu wilgoci (z 1 kg pozostaje 0,521 kg).

Na rysunkach 9 i 10 przedstawiono wpływ udziału suszonego paliwa na

sprawność kotła oraz bloku. Założono że maksymalny udział suszonego węgla
wynosi 30%.

Sprawność bloku netto obliczona zostanie z poniższego wzoru:

G W

_ _

w en el

pal

(15)

Lukowicz.indd 183

06.10.2010 19:45:55

186

Praca zbiorowa

Założono, że udział strumienia spalin kierowanego do suszarni odpowia-

da takiemu samemu udziałowi paliwa kierowanego do suszenia. Rozpatrzono
udziały 10, 15 i 20%.

Dla bloku wyjściowego sprawność kotła oraz bloku wynoszą odpowiednio:
sprawność bloku

44,556%

–

sprawność kotła 88,411%

–

6. Podsumowanie

Poprzez wykorzystanie ciepła odpadowego ze spalin odlotowych z kotła

do suszenia węgla brunatnego (o składzie wyjściowym podanym w tab. 1 –
wiersz 1), zmniejszył się udział wilgoci w paliwie z 52,1 do 48,7%. Zmniej-
szenie udziału wilgoci w paliwie spowodowało zwiększenie jego wartości
opałowej z 7962 do 8715 kJ/kg. Ponadto część ciepła została wykorzystana
do podgrzania węgla kierowanego do kotła i tym samym zwiększona została
entalpia fi zyczna paliwa.

Uzyskany w wyniku suszenia węgla wzrost sprawności kotła wyniósł 3,33

punktu procentowego, co spowodowało przyrost sprawności bloku o 1,68
punktu procentowego w porównaniu do układu wyjściowego.

W przypadku zastosowania młyna elektromagnetycznego analiza wykaza-

ła wzrost sprawności koła a tym samym bloku, wartość przyrostu zależy od
udziału suszonego paliwa.

Analiza wykazała, że możliwe są do uzyskania przyrosty sprawności bloku

nawet powyżej 2 punktów procentowych (w przypadku 30% udziału suszenia
węgla).

Wyniki te wskazują, że spośród różnych metod wykorzystania niskotempe-

raturowego ciepła ze spalin wylotowych z kotła, suszenie węgla jest najbar-
dziej efektywnym sposobem podnoszenia sprawności bloku.

Abstract

An article presents an analysis of the use of the heat from exhaust

gas from boiler to drying a coal. As a result of drying the change of an

elemental composition of the fuel was done. It has resulted in a net

calorifi c value and it has improved fuel quality. The increase in fuel

quality has been changed into an effi ciency increase of the boiler and

the same electricity generation.

These effi ciency gain results from reduced demand for fuel. The pa-

per analyzed two ways to use waste heat from the exhaust. In the fi rst

method, the total gas fl ow was directed to the drying of coal. For this

operation, the following effects:

increase in calorifi c value of 753 kJ / kg

–

increase boiler effi ciency of 3.33 percentage points

–

Lukowicz.indd 186

06.10.2010 19:45:56

187

Analiza wykorzystania ciepła odpadowego...

increase the effi ciency of electricity generation 1.68 percentage

–

points

The second method was to use an electromagnetic mill developed

and built at the Technical University of Czestochowa. In this case, the

exhaust gases serve as a medium of receiving evaporated moisture.

The effect of the participation of dried fuel increases the effi ciency elec-

tricity generation for 5% of the increase in the effi ciency of coal-dried

electricity generation was 0.38 percentage points, while for 30% of the

dried fuel was obtained 2.29 percentage points.

Parametric calculations were also carried out for the block compari-

son with the revised working moisture content in the fuel.

An additional advantage of drying the fuel is to reduce CO

emis-

sions.

Przedstawione w artykule wyniki zostały uzyskane w badaniach

współfi nansowanych przez Narodowe Centrum Badań i Rozwoju
w ramach umowy SP/E/1/67484/10 – Strategiczny Program Badawczy –
– Zaawansowane technologie pozyskiwania energii: Opracowanie
technologii dla wysokosprawnych „zero-emisyjnych” bloków węglo-
wych zintegrowanych z wychwytem CO

ze spalin.

Literatura
[1] Łukowicz H., Chmielniak T., Mroncz M.: Badanie wpływu sorbentu (ami-

na, amoniak) na zakres modernizacji turbiny zintegrowanej z instalacją
separacji CO

, Konferencja „Problemy Badawcze Energetyki Cieplnej

2009”, Warszawa 8–11.12.2009 r., Zeszyty naukowe – Konferencje z. 26,
s. 113–122.

[2] Chmielniak T., Łukowicz H., Kochaniewicz A.: Analiza nadkrytycznych

układów siłowni parowych z odzyskiem ciepła ze spalin. Archiwum Ener-
getyki tom XXXVIII(2008), nr 2, 31–39.

[3] Łukowicz H., Kochaniewicz A.: Wykorzystanie ciepła odpadowego ze

spalin kotłów bloków węglowych w obiegu z organicznym czynnikiem,
IX Konferencja Problemy Badawcze Energetyki Cieplnej, Warszawa 08-
11.12.2009 r. Politechnika Warszawska. Prace naukowe, konferencje,
z.26, s. 211–218, 2009.

[4] Kruczek H.: Poprawa sprawności bloku siłownianego poprzez wykorzysta-

nie ciepła oparów z suszenia węgla brunatnego. Materiały zamieszczone
w internecie http://www.klaster-energia.wroc.pl/storage/File/download/
case_turow.pdf

[5] Sławiński K., Nowak W., Szymanek P.: Suszenie węgla brunatnego przy

użyciu młyna elektromagnetycznego. Prezentacja zamieszczona w In-
ternecie http://www.plan-rozwoju.pcz.pl/dokumenty/konferencja/artyku-
ly/28.pdf

Lukowicz.indd 187

06.10.2010 19:45:56