Zadanie badawcze „Opracowanie technologii zgazowania węgla dla wysokoefektywnej produkcji paliw i energii elektrycznej” finansowane przez Narodowe Centrum Badań i Rozwoju w ramach strategicznego programu badań naukowych i prac rozwojowych pt.: „Zaawansowane technologie pozyskiwania energii”.

Etap 23

Model reaktora CFB, symulacja układu kogeneracyjnego IGCC, kinetyka zgazowania za pomocą CO2, palnik do spalania gazu niskokalorycznego

WykonawcyWydział Chemiczny – Prof. Andrzej Mianowski

Wydział In żynierii Materiałowej i Metalurgii – Prof. Jerzy Tome czekWydział In żynierii Środowiska i Energetyki – Prof. Andrzej Szlęk

- Prof. Andrzej Zi ębik

POLITECHNIKA ŚLĄSKA

Część tematu badawczego nr 2.2.1Kinetyka procesu zgazowania w ęgla z

wykorzystaniem CO 2 w procesie

Kierownik: Prof. dr hab. in ż. Andrzej Mianowski

Opracowanie i weryfikacja w skali pilotowej technol ogii ciśnieniowego zgazowania w ęgla w reaktorze z

cyrkulacyjnym zło żem fluidalnym przy wykorzystaniu CO2 jako czynnika zgazowuj ącego

w ramach Tematu Badawczego nr 2

Koncepcja IChPW i Politechniki Śląskiej

Węgielbrunatny

Biomasa

ZgazowaniePOX „bis”

H2O (g)WGS

CO2

CO CO + H2

CH3OH

DME

ASUPowietrzeN2

CO2 H2

O2

F – T

Sposób realizacji koncepcji IChPWi Politechniki Śląskiej

An

aliz

a t

echn

iczna

i w

łaściw

ości

ko

kso

wn

icze

Ana

liza e

lem

en

tarn

a

C, H

, N

, S

i S

paln

a

Re

tort

a J

en

kn

era

Karb

oniz

at/koks

(L0, S

BE

Ti S

kin,

ε 0)

Harmonogram wykonania zadania – badania kinetyczne

Kierownik: Prof. dr hab. in ż. Jerzy TOMECZEK

Część tematu badawczego nr 4.2.

Opracowanie modeli palników dostosowanych do spalania gazów o niskiej warto ści opałowej

w ramach Tematu Badawczego nr 4

Opracowanie modeli symulacyjnych dla projektowania i optymalizacji układów kogeneracji i produkcji energii elektrycznej na bazie podziemnego

zgazowania w ęgla

Metodologia pracy

Praca będzie realizowana w oparciu o modelowanie matematyczne właściwości palnych gazów niskokalorycznych otrzymywanych podczas podziemnego zgazowania węgla oraz warunków ich spalania w turbulentnych płomieniach dyfuzyjnych.

CEL TEMATU

Opracowanie palników do spalania gazów niskokaloryczn ych z podziemnego zgazowania w ęgla

Zadania do osiągnięcia

a. Wpływ parametrów gazów niskokalorycznych z podziemnego zgazowania węgla na ich właściwości palne.

b. Opracowanie założeń technologicznych do zaprojektowania i wykonania palników dla instalacji pilotowej o mocy 25-100 MW w spalanym gazie.

c. Wykonanie projektu procesowego palnika o mocy 15 MW na gaz niskokaloryczny z podziemnego zgazowania węgla dla instalacji pilotowej.

Zespół badawczy „Katedry Energetyki Procesowej” zajmuje się od 38 lat zgazowaniem węgla oraz spalaniem gazów przemysłowych. W latach 1976-1990 realizował badania eksperymentalne zgazowania węgla w reaktorach fluidalnych o skali pilotowej, finansowane od roku 1981 przez fundację Krupp von Bohlen und Halbach z Essen. Wynikiem tych badań jest m.in. opracowanie „Zgazowanie Węgla”, w którym rozdział ostatni jest poświęcony zgazowaniu podziemnemu węgla. Wykonano również kompleksowe badania kinetyki zgazowania węgla w atmosferach: CO2, H2O oraz H2.

Badania spalania gazu były prowadzone eksperymentalnie w skali wielkolaboratoryjnej oraz w zakresie modelowania matematycznegotrójwymiarowych płomieni dyfuzyjnych. Zrealizowano wdrożenia własnych konstrukcji palników w przemyśle. Zespół posiada certyfikaty UDT dopuszczające własne opracowania palników o mocy 20 MW do eksploatacji w kotłach energetycznych. Zastosowano również liczne palniki w przemysłowych piecach wysokotemperaturowych.

Dotychczasowe osiągnięcia

Część tematu badawczego nr 5.2.Model numeryczny (CFD) reaktora zgazowania

z cyrkulacyjnym zło żem fluidalnym

Kierownik: Prof. dr hab. in ż. Andrzej Szl ęk

Cel badań:

Budowa numerycznego modelu (CFD) zgazowania węglaw cyrkulacyjnym złożu fluidalnym (CFB)

Prace będą obejmować:

• budowę modelu numerycznego,• badania eksperymentalne.

Instytut Techniki Cieplnej

Model numeryczny

Model CFD zgazowania węgla powinien: • umożliwić symulację zjawisk zachodzących w złożu,• pokazać wpływ tych zjawisk na globalne parametry

pracy złoża,• pozwolić na optymalizację konstrukcji reaktora i parametrów pracy reaktora.

Budowa modelu wymaga:• opracowania, implementacji i rozwiązania zestawu równań opisujących

proces,• przeprowadzenia badań eksperymentalnych (paliwo),• walidacji przez porównanie z wynikami badań eksperymentalnych reaktora.

Instytut Techniki Cieplnej

Badania laboratoryjne

Celem badań laboratoryjnych jest uzyskanie niezbędnych informacji na temat kinetyki procesu zgazowania węgla.

Badania laboratoryjne konieczne są dla uzyskania wysokiej wiarygodności modelowania, ze względu na brak precyzyjnych modeli fizycznych procesów fizykochemicznych rozkładu węgla.

Badania laboratoryjne zostaną wykonane przy użyciu termograwimetru sprzężonego ze spektrofotometrem podczerwieni.

Instytut Techniki Cieplnej

Badania laboratoryjne

Wykorzystanie analizy termicznej jaką jest

termograwimetria umożliwia badanie paliw stałych pod

względem ich energetycznego wykorzystania, a

dodatkowo w wyniku sprzężenia ze spektroskopem

podczerwieni umożliwia badanie powstałego składu gazu.

Analiza termograwimetryczna umożliwia prowadzenie

badań w kontrolowanej atmosferze utleniającej lub/i

obojętnej oraz zadanym programie temperaturowym.

Wykonane badania laboratoryjne pozwolą na stworzenie

modelu kinetyki chemicznej procesu zgazowania.

Instytut Techniki Cieplnej

Część tematu badawczego nr 5.4„Modelowanie i optymalizacja kogeneracyjnego bloku

energetycznego opartego o układ IGCC ”

w ramach Tematu Badawczego nr 5Opracowanie modeli symulacyjnych dla projektowania i

optymalizacji układów zgazowania naziemnego dla zastosowa ń w energetyce i chemii

Kierownik: Prof. dr hab. in ż. Andrzej Zi ębik

Instytut Techniki Cieplnej

Cel części tematu badawczego 5.4

Opracowanie koncepcji i optymalizacja integracji procesu ciśnieniowego zgazowania węgla z elektrociepłownią gazowo-parową.

Podstawę do wyboru optymalnej struktury elektrociepłowni będą stanowiły wyniki obliczeń modelowych i badań eksperymentalnych procesu ciśnieniowego zgazowania węgla uzyskane z IChPW. Do powstałego w ich rezultacie układu technologicznego zgazowania węgla wraz z systemem chłodzenia i oczyszczania gazu zostanie zaproponowany układ elektrociepłowni gazowo-parowej.

Przeprowadzona zostanie optymalizacja sposobu poboru ciepła z różnych punktów instalacji, przy uwzględnieniu między innymi układu chłodzenia i oczyszczania gazu syntezowego, wymienników spalinowych oraz układu usuwania CO2

Instytut Techniki Cieplnej

Koncepcja kogeneracyjnego układu IGCC

• pobór ciepła z turbiny parowej,• wykorzystanie entalpii spalin za kotłem odzyskowym,• wykorzystanie ciepła odpadowego z układu kondycjonowania syngazu,• wykorzystanie ciepła odpadowego z chłodnic sprężarek CO2 i sprężarek powietrza w tlenowni.

Instytut Techniki Cieplnej

Instytut Techniki Cieplnej

Ewaluacja termodynamiczna i ekonomiczna•Analiza skojarzonego wytwarzania ciepła i elektryczności według DYREKTYWY 2004/8/WE PARLAMENTU EUROPEJSKIEGO I RADY z dnia 11 lutego 2004 r. w sprawie wspierania kogeneracji w oparciu o zapotrzebowanie na ciepło użytkowe na rynku wewnętrznym energii oraz zmieniającą dyrektywę 92/42/EWG

•Analiza zdyskontowanych przepływów pieniężnych

rch

skch

E

E

HefR

CHPE

HefR

CHPHPES −=

+−= 1

11

ηη

ηη

Nt

tt 0

NCFNPV

(1 r )=

=+∑

Metoda właścicielska (FCFE):

Metoda klasyczna (FCFF):

NCF’t=Ot – It + Pt – Wt – Ft – Rt – T’t

NCF’’ t= – I t + Pt – Wt – T’’ t

Instytut Techniki Cieplnej

Potencjalne miejsca poboru ciepła sieciowego

Instytut Techniki Cieplnej

Wymierny efekt

Przedstawiona propozycja bloku ciepłowniczego opartego o integracjęinstalacji ciśnieniowego zgazowania węgla i elektrociepłowni gazowo-parowej może być uznana jako przedsięwziącie innowacyjne zarówno w kraju, jak i za granicą. Realizacja elektrociepłowni w technologii IGCC przyczyni się do zwiększania wykorzystania potencjału wysokosprawnej kogeneracji w Polsce, ponieważ wskaźnik PES (Primary Energy Saving) jest wyjątkowo korzystny dla układu gazowo-parowego. Dodatkowych korzyści można oczekiwać w wyniku wykorzystania ciepła odpadowego z układu chłodzenia i oczyszczania gazu syntezowego.

Rezultatem końcowym tematu badawczego będzie propozycja optymalnej struktury elektrociepłowni zintegrowanej z ciśnieniowąinstalacją zgazowania węgla stanowiącą podstawę do opracowania projektu gazowo-parowego bloku ciepłowniczego zintegrowanego z instalacją zgazowania węgla.

Zadanie badawcze „Opracowanie technologii zgazowania węgla

dla wysokoefektywnej produkcji paliw i energii elektrycznej”

finansowane przez Narodowe Centrum Badań i Rozwoju w ramach

strategicznego programu badan naukowych i prac rozwojowych

pt.: „Zaawansowane technologie pozyskiwania energii”.