A.Erić, R.Mladenović, B.Repić, D.Đurović, D.Dakic;

Size: px

Start display at page:

Download "A.Erić, R.Mladenović, B.Repić, D.Đurović, D.Dakic;"

Kerry Wright
6 years ago
Views:

1 RAZVOJ TEHNOLOGIJE ZA PROIZVODNJU TOPLOTNE ENERGIJE KORIŠĆENJERM OTPADNE POLJOPRIVREDNE BIOMASE KAO I MOGUĆNOST KOMBINOVANE PROIZVODNJE TOPLOTNE I ELEKTRIČNE ENERGIJE DEVELOPMENT OF TECHNOLOGY FOR HEAT ENERGY PRODUCTION USING AGRICULTURAL BIOMASS BY PRODUCTS AND POSSIBILITY OF COMBINED HEAT AND POWER PRODUCTION A.Erić, R.Mladenović, B.Repić, D.Đurović, D.Dakic; Institut Vinča- Laboratorija za termotehniku i enrgetiku, Beograd, PF 522, erica@vin.bg.ac.yu Apstrakt: Biomasa kao gorivo, pored energetskih, ima značajne prednosti sa aspekta očuvanja životne sredine, jer se njenim korišćenjem ne povećava koncentracija ugljen dioksida u atmosferi, što se u potpunosti se uklapa u Kjoto sporazum, čiji je potpisnik i Republika Srbija. Imajući u vidu ovo, kao i to da grupa saradnika Intituta za nuklearne nauke Vinča - Laboratorija za termotehniku i energetiku, zajedno sa fabrikom TIPO-Remont-Kotlogradnja, poslednjih nekoliko godina ulaže ogromne napore u promovisanju korišćenja otpadne biomase, razvijeno je ložište za sagorevanje balirane poljoprivredne biomase. Ložište je potpuno originalne konstrukcije i plod domaćeg razvoja potpomugnutog od strane resornog Ministarstva. Sagorevanje balirane biomase se odvija po principu sagorevanja cigarete i dogorevanja koksnog ostatka u fluidizovanom sloju sopstvenog pepela. Prvo postrojenje-kotao ovog tipa, snage 1,5 MW je izgrađeno i pušteno u rad u poljoprivrednom kombinatu PKB. Prednost ovog načina sagorevanja je minamalan utrošak električne energije za pripremu goriva, zadovoljavanje ekoloških kriterijuma sagorevanja, niski eksploatacioni i investicioni troškovi i mogućnost potpune automatizacije rada postrojenja. Ovakva ložišta se mogu primeniti u svim vrstama kotlova kao i agregata za proizvodnju toplog, odnosno, verelog vazduha ili gasa. Ukoliko se navedeni način sagorevanja balirane biomase iskoristi u kotlu za zagrevanje termalnog ulja, onda se zagrejano termalno ulje može iskoristiti za isparavanje silikonskog ulja čija para može učestvovati u Rankin-Klauzijusovom ciklusu u cilju proizvodnje električne energije. U radu će biti prikazan razvijeni način sagorevanja balirane biomase, prvi rezultati ispitivanja sa industrijskog postrojenja, kao i mogućnost povezivanja u sistem za proizvodnju električne energije. Parne turbine malih snaga (200kW-2MW) pogonjene parom silikonskog ulja su razvijene i primenjene na više od 70 postrojenja, novina je što se u ovom slučaju povezuju sa kotlom u kome se sagoreva balirana biomasa po navedenom principu. Ključne reči: biomasa, cigaretno sagorevanje, sojina slama, kombinovana proizvodnja 1. Uvod Sadašnja potrošnja energenata u Srbiji je na nivou od 15 miliona tona ekvivalentne nafte (Mtoe), od toga je 7,4 Mtoe neto potrošnja i 3 Mtoe potrošnja električne energije. Od totalne potrošnje 7,9 Mtoe (52%) je iz uglja, 4 Mtoe (27%) tečnog goriva, 2,1 Mtoe (14%) prirodni gas i 1 Mtoe (7%) hidro energija. Vidi se da je od ukupne potrošnje samo 7% od obnovljivih izvora, koji se odnose na velike hidroelektrane [1]. Sa druge strane procenjeno je da Srbija raspolaže sa 3,2 Mtoe u obnovljivim izvorima energije, koji se koriste u zanemarljivoj količini. Što se tiče potencijala obnovljivih izvora energije 2,6 Mtoe čini biomasa, 0,15 Mtoe male hidroelektrane, 0,18 Mtoe geotermalna energija i 0,1 Mtoe sunčevu energiju. Podaci su dobijeni od Agencije za energetsku

2 efikasnost Republike Srbije (SEEA) i mogu se smatrati zvaničnim. Iz ove analize se može videti da je biomasa osnovni potencijal Republike Srbije u obnovljivim izvorima energije. Od procenjene količine biomase 60% se odnosi na biomasu poljoprivrednog porekla, dok se 40% odnosi na šumsku biomasu. Postrojenja za sagorevanje šumske biomase su, u svetu, dovedena do visokog nivoa, dok su postrojenja za korišćenje poljoprivredne biomase još uvek u razvoju, ne samo kod nas nego i mnogo šire. Razloga za to ima mnogo, što nije predmet ovog rada. Predstavljena slika energetske potrošnje i potencijalnih resursa u obnovljivim izvorima energije su bili orjentir Laboratorije za termotehniku i energetiku Instituta Vinča, kao i oblast delatnosti Laboratorije, u razvoju termoenergetskih postrojenja za iskorišćenje biomase kao izvora energije. 2. Tehnologija Prilikom određivanja u kom će se pravcu usmeriti istraživačko razvojne aktivnosti Laboratorije za termotehniku i energetiku vodilo se računa o tome da je poljoprivredna biomasa sa energetskog stanovišta veoma malo iskorišćena, ali i da bi se korišćenjem primarnog dela biomase narušio održivi razvoj. Velika pažnja poklanjana je razvoju tehnologije koja iziskuje najmanje energije za pripremu biomase za proces sagorevanja, a pomoću koje će se dobiti najviše energije po jedinici površine zemljišta. Takođe, je vođeno računa o ispunjavanju normi u pogledu visoke efikasnosti i zaštite životne sredine. 16 C Section C-C A 7 9 A C 12 5 Section A-A Slika 1. Šema eksperimentalnog ložišta snage 1-1,5 MW, 1-balirana biomasa, 2-uvodnik bala, 3-dozator bala, 4-zaptivni element, 5-šiber, 6-zone: sušenja biomase devolatilizacije, sagorevanja, 7-regulator količine biomase u procesu sagorevanja-regulator snage, 8-uvodnik sekundarnog vazduha ujedno i čistač vrha bale od pepela, 9-rešetka ložišta, 10-uvodnik tercijalnog vazduha za fluidizaciju, 11-fluidizovani sloj sopstvenog pepela, 12-pužni izvlakač pepela, -uvodnici primarnog vazduha, 14-komora za raspodelu sekundarnog vazduha, 15-uvodnik povratne struje dimnog gasa, 16-izlaz dimnih gasova, Šrafura: kose crte-zona sušenja, horizontalne crte-zona devolatilizacija, zatamnjeno zona sagorevanja

Od mogućih ostataka poljoprivredne proizvodnje (slame žitarica i soje, stabljike kukuruza i suncokreta i slično) velika većina se skuplja mehanizovano i kasnije transportuje do privremenih skladišta

direktnom sagorevanju biomase u formi bala po principu sagorevanja cigarete i dogorevanju u fluidizovanom sloju.

Laboratorije za termotehniku i energetiku. Na Slici 1 prikazana je šema eksperimentalnog ložišta realnih razmera (1-1,5 MW). Slika 2.

3 Od mogućih ostataka poljoprivredne proizvodnje (slame žitarica i soje, stabljike kukuruza i suncokreta i slično) velika većina se skuplja mehanizovano i kasnije transportuje do privremenih skladišta u formi bala, što isto važi i za energetske biljke (razne konoplje, sirak, trska, miscanthusgigantus i slično) koje bi se mogle gajiti na zapuštenom zemljištu, pa je odlučeno da se razvoj usmeri ka direktnom sagorevanju biomase u formi bala po principu sagorevanja cigarete i dogorevanju u fluidizovanom sloju. Pomenuta tehnologija cigaretnog sagorevanja je preporučena kao najbolja za sagorevanje te vrste biomase od strane EU [2,3] dok je dogorevanje u fluidizovanom sloju potpuno originalna ideja saradnika Laboratorije za termotehniku i energetiku. Na Slici 1 prikazana je šema eksperimentalnog ložišta realnih razmera (1-1,5 MW). Slika 2. Eksperimentalno postrojenje Nakon izgradnje eksperimentalnog postrojenja i dobijanja zadovoljavajućih rezultata [4,5] prišlo se projektovanju i izradi industrijskog, demonstracionog i eksperimentalnog vodogrejnog kotla snage 1,5 MW za zagrevanje 1 ha plastenika u okviru korporacije PKB. Kotao je pušten u rad početkom februara tekuće godine i radio je, manje-više kontinualno, do kraja aprila. Na Slikama 3, 4, 5 i 6 vidi se izgled izgrađenog postrojenja. Princip rada industrijskog postrojenja je identičan onom sa Slike 1. Razlika se satoji u tome što je rad predmetnog kotla povezan sa vodenim akumulatorom tolote (rezervoar od 100 m 3 ). Akumulator toplote je uveden radi ispravljanja pikova u potrošnji energije. Kod plastenika se može javiti potreba za viškom grejanja tokom noći i mankom za vreme dana, naročito ukoliko su dani sunčani. Akumulator služi da u toku tih pikova u potrošnji primi odnosno isporuči višak/manjak energije, bez zaustavljanja rada kotla. Tokom rada kotla ustanovljeno je da se njegovim radom štedelo od /dan, u zavisnosti od vremenskih uslova. Na bazi toga je izračunato da se celokupna investicija ovakvog postrojenja isplati za približno 150 dana rada pri nominalnoj snazi. Ovde su se se računali samo efekti u razlici cene goriva, zeleni bonus bodovi, raniji izlazak na tržište proizvoda iz plastenika, ljudski rad i slično nije uneto u kalkulaciju. 3. Eksperiment na realnom postrojenju Za vreme izgradnje kotla, u PKB korporaciji su pripremljene bale sojine slame dimenzija 0,7x1,2x2,7m. Prosečna donja toplotna moć goriva je 686kJ/kg, a gustina 2,27kg/m 3. Šema kotla prikazana je na Slikama 3 i 4. Gorivo, odnosno balirana sojina slama (pozicija 1) se dovodi prema ložištu (pozicija 7) pomoću dozatora bala (pozicija 6) koji je pogonjen elektromotorom, a protok goriva se reguliše promenom broja obrtaja pomoću frekventnog regulatora. Deo kanala (pozicija 4) u blizini ložišta napravljen je od duplih čeličnih zidova između kojih struji primarni vazduh, koji ujedno i hladi zidive kanala. Kompletno ložište je napravljeno od šamota (pozicija 8) i kompletno izolovano (pozicija 9). Predgrejani primarni vazduh (pozicija 11) se u ložište uvodi okolo bale, a deo ispod vodom hlađene rešetke (pozicija 12). Sekundarni vazduh (pozicija ) se u

4 zonu sagorevanja uvodi pomoću pokretnog uvodnika sekundarnog vazduha sa čeone strane bale, slično kao kod eksperimentalnog ložišta. Ovaj uvodnik sekundarnog vazduha ujedno služi i za pozicioniranje bale u ložištu (regulacija snage) i za skidanje delimično sagorelog dela goriva sa čela bale. Dimni gasovi koji napuštaju ložište najpre prolaze kroz vodom hlađenu plameno-dimnu cev, a zatim ulaze u prvu sekciju razmenjivača (pozicija 14), zatim kroz separator krupnih čestica pepela (pozicija 15), pa kroz drugu sekciju razmenjivača (pozicija 16). Nakon prolaska kroz multiciklon (pozicija 18), gasovi se pomoću ventilatora dimnog gasa (pozicija 19), kroz dimnjak (pozicija 20) izbacuju u atmosferu. Pepeo se iz ložišta izbacuje pomoću transportera (pozicija 10). Rad svih uređaja kotla se može regulisati pomoću SCADA sistema preko računara Slika 7. Slika 3. Vertikalni presek postrojenja Slika 4. Horizontalni presek postrojenja

Slika 5. Dozator bala Slika 6. Razmenjivač tolpte Slika 7. SCADA kontrolna tabla Slika 8.

će plamen prodrti u uvodnik. Ostali parametri su praćeni na SCADA kontrolnoj tabli.

Ovi problemi bili su prouzrokovani gorivom nezadovoljavajućeg kvaliteta, jer su bale bile suviše vlažne (preko 60%),

5 Slika 5. Dozator bala Slika 6. Razmenjivač tolpte Slika 7. SCADA kontrolna tabla Slika 8. Kotao sa akumulatorom u radu Ukupno 3 eksperimenta su izvršena, od toga dva sa baliranom sojinom slamom i treći sa kukuruzovinom u cilju sagledavanja mogućnosti korišćenja balirane kukuruzovine za sagorevanje u ložištu ovakvog tipa [5]. U toku prvog eksperimenta (Slika 9) merene su temperature u: fluidizovanom sloju sopstvenog pepela, samom ložištu na dva nivoa, plameno-dimnoj cevi i uvodniku bala u cilju sagledavanja trenutka kada će plamen prodrti u uvodnik. Ostali parametri su praćeni na SCADA kontrolnoj tabli. Tokom eksperimenta javilo se nekoliko problema, kao što su: loše sagorevanje, blokada rada pokretnog uvodnika sekundarnog vazduha, prodor plamena u uvodnik bala. Ovi problemi bili su prouzrokovani gorivom nezadovoljavajućeg kvaliteta, jer su bale bile suviše vlažne (preko 60%), sa dosta nesagorivog materijala (ostaci zemlje, itd.). Mnogo homogenije i suvlje bale sojine slame korišćene su za drugi eksperiment, a dobijeni rezultati su očekivano bolji (Slika 10), viša temperatura ložišta ( o C)je dostizana mnogo brže za oko 120 min. Prosečna koncentracija kiseonika u dimnom gasu bila je oko 11% (Slika 11). Pri nižim temperaturama koncentracija ugljen monoksida je bila iznad dozvoljenih granica, dok je emisija azotnih oksida bila sve vreme zadovoljavajuće niska (Slika 12). Тreći eksperiment je izvršen sa kukuruzovinom i rezultati su pokazivali veliku sličnost sa rezultatima dobijenim sagorevanjem sojine slame, iz čega se može izvesti zaključak da se i kukuruzovina može uspešno koristiti pri sagorevanju u ložištima cigaretnog tipa (Slike -15).

6 Slika 9. Eksperiment 1 Soja - temperature Slika 10. Eksperiment 2 soja - temperature Slika 11. Eksperiment 2 Soja O 2 [%] Slika 12. Eksperiment 2 Soja CO, NO, NO 2 [%] Slika. Eksperiment 3 kukuruzovina - temperature Slika 14. Eksperiment 3 kukuruzovina - O 2 [%]

7 Slika 14. Eksperiment 3 kukuruzovina - CO, NO, NO 2 [%] 4. Mogućnost proizvodnje električne energije primenom opisane tehnologije sagorevanja balirane biomase Tehnologija, prikazana u prethodnim poglavljima, je uspešno testirana u tromesečnoj eksploataciji, tako da postoje ozbiljna interesovanja stranih partnera da se pomenuta tehnologija poveže sa novom generacijom parno turbinskih agregata za proizvodnju električne energije. Novi agregati su razvijeni u Italiji i Švajcarskoj i rade pomoću pare silikonskog ulja. Isparavanje pare silikonskog ulja se vrši pomoću termalnog ulja koje se može zagrevati u opisanom kotlovskom postrojenju. Postoji više od 70 opisanih parno turbinskih postrojenja, ali ni jedno od njih ne radi sa baliranom biomasom. Slika 7.Šema turbinskog postrojenja

8 Na slici 7. prikazana je šema turbinskog postrojenja povezana sa kotlom na biomasu [6]. Korišćenje termalnog ulja između ložišta za sagorevanje biomase i ORC (Organic Rankine Cycle) turbo-generatora, nudi niz prednosti u odnosu klasična parno-turbinska postrojenja, kao što su: Odsustvo generatora pare visokog pritiska (termalno ulje se zagreva bez promene faze); Jednostavna i laka za čišćenje geometrija zagrejača ternalnog ulja spiralnog tipa, dok je geometrija klasičnih vodenih isparivača prilično komplikovana; Turbina može raditi i na delimičnim opterećenjima, korišćenjem trokrakog ventila u cilju snižavanja temperature termalnog ulja, kao kod klasičnih kotlova; Automatski povremeni rad u modulu proizvodnje toplote i električne energije; Dug radni vek i niski troškovi održavanja komponenata celokupnog sistema. Razvijene turbine koje rade pomoću pare silikonskog ulja imaju stepen iskorišćenja maksimalno 18%, zato nikad ne rade samo radi dobijanja električne energije već je kod takvih sistema primarni cilj dobijanje toplotne energije. U tako kombinovasnom ciklusu stepen iskorišćenja toplote predate od strane kotla je oko 97%, gde su 3 % toplotni gubici u sistemu. Opisana turbinska postrojenja su razvijena za opseg snaga na električnom generatoru od kw, pa su sa te strane izuzetno pogodna za razuđenu proizvodnju toplotne i električne energije, što odgovara uslovima iskorišćenja biomase. Zaključak Pokazalo se da je razvijena tehnologija sagorevanja balirane biomase veoma jednostavna, sa malom sopstvenom potrošnjom električne energije za manipulaciju biomasom, što znači da su niski investicioni i eksploatacioni troškovi. Kao takva može se proizvoditi i u domaćim fabrikama. Pored toga, jasno je pokazano da se ova tehnologija može spojiti sa novom generacijom parno turbinskih postrojenja za kombinovanu proizvodnju toplotne i električne energije. Literatura: 1. D.Dakic, B.Kragic: Biomass by products used as a fuel in PKB corporation, BIOSYNERGY enlargement and Integration Workshop, April 2008., JRC institute for Energy, Petten, Holland 2.B.Kavalov, S.D.Peteves: Bioheat applications in the European Union: an analysis and perspective for 2010, Europea Comission, EUR EN, pp R.Marutzky, K.Seeger: Energie aus Holz und anderer Biomasse, ISBN , DRW Verlag Weinbrenner (ed.), Leinfelden-Echtlingen, Germany, D. Đurović: Prilog razvoju sagorevanja balirane biomase iz poljoprivredne proizvodnje, Magistarska teza, Mašinski fakultet u Beogradu, jun R.Mladenović, A.Eric, M.Mladenovic, B.Repic, D.Dakic: Energy Production Facilities of Original Concept for Combustion of Soya Strow Bales, 16th European Biomass Conference, Valencia, Spain, 2-6 Jun I.Obernberger, P.Thonhofer, E.Reisenhofer: Description and evaluation of the new 1,000 kw Organic Ranking Cycle process integrated in the biomass CHP plant in Lienz, Austria, Euroheat&Power, Volume 10/2002

ANALIZA PRIMJENE KOGENERACIJE SA ORGANSKIM RANKINOVIM CIKLUSOM NA BIOMASU U BOLNICAMA

ANALIZA PRIMJENE KOGENERACIJE SA ORGANSKIM RANKINOVIM CIKLUSOM NA BIOMASU U BOLNICAMA Nihad HARBAŠ Samra PRAŠOVIĆ Azrudin HUSIKA Sadržaj ENERGIJSKI BILANSI DIMENZIONISANJE POSTROJENJA (ORC + VRŠNI KOTLOVI)