STRATEGICZNY PROGRAM BADAWCZY

ZAAWANSOWANE TECHNOLOGIE POZYSKIWANIA ENERGII ZADANIE NR 1:

OPRACOWANIE TECHNOLOGII DLA WYSOKOSPRAWNYCH „ZERO-EMISYJNYCH” BLOKÓW WĘGLOWYCH ZINTEGROWANYCH Z WYCHWYTEM CO2 ZE SPALIN

SEMINARIUM WYBRANE WYNIKI BADAŃ Zadania 1 Warszawa 01 12 2011 Tadeusz Chmielniak

STRATEGICZNY PROGRAM BADAWCZY ZAAWANSOWANE TECHNOLOGIE POZYSKIWANIA ENERGII ZADANIE NR 1:

OPRACOWANIE TECHNOLOGII DLA WYSOKOSPRAWNYCH „ZERO-EMISYJNYCH” BLOKÓW WĘGLOWYCH ZINTEGROWANYCH Z WYCHWYTEM CO2 ZE SPALIN

W zadaniu 1 projektu strategicznego (Lider Politechnika Śląska): Opracowanie technologii dla

wysokosprawnych „zero-emisyjnych” bloków węglowych zintegrowanych z wychwytem CO2 ze spalin, sformułowano tematy, których rozwiązanie jest ukierunkowane na:  Opracowanie i weryfikację nowych koncepcji wzrostu sprawności obiegu siłowni

kondensacyjnych (w tym o najwyższych ultranadkrytycznych parametrach pary),  Opracowanie i sprawdzenie w skali pilotowej procesów wychwytu CO2 ze spalin,  Znalezienie rozwiązań technologicznych dla redukcji strat sprawności spowodowanych

usuwaniem CO2 ze spalin. Osiągnięcie tych celów powinno przyśpieszyć i ułatwić wprowadzenie do polskiego systemu wytwarzania elektryczności niskoemisyjnego bloku węglowego o wysokiej sprawności. Cele te są spójne z polityką energetyczną UE oraz polityką energetyczną Polski do 2030.

STRATEGICZNY PROGRAM BADAWCZY ZAAWANSOWANE TECHNOLOGIE POZYSKIWANIA ENERGII ZADANIE NR 1:

OPRACOWANIE TECHNOLOGII DLA WYSOKOSPRAWNYCH „ZERO-EMISYJNYCH” BLOKÓW WĘGLOWYCH ZINTEGROWANYCH Z WYCHWYTEM CO2 ZE SPALIN

Cele programu są także spójne z: A.KIERUNKAMI ROZWOJU CZYSTYCH TECHNOLOGII WĘGLOWYCH W POLSCE (Warszawa, 2010r. Ministerstwo Gospodarki), które sformułowano następująco: • •

• • •

•

Wniesienie konstruktywnego wkładu w realizację zrównoważonego rozwoju gospodarki poprzez ograniczenie oddziaływania energetyki na środowisko, zgodnie ze zobowiązaniami Traktatu Akcesyjnego i dyrektywami Unii Europejskiej (główne ramy prawne narzuca dyrektywa o geologicznym składowaniu CO2, dyrektywa o ETS oraz nowa dyrektywa o emisjach przemysłowych), Stworzenie warunków dla funkcjonowania mechanizmów przystosowujących polską gospodarkę do nowych • regulacji klimatycznych, także w aspekcie bezpieczeństwa energetycznego Polski, Wsparcie modernizacji i rozbudowy potencjału polskiej energetyki opartej na węglu, • W odniesieniu do całkowicie nowej dla sektora elektroenergetycznego technologii wychwytu i geologicznego • magazynowania dwutlenku węgla (CCS), wsparcie budowy obiektów demonstracyjnych dla przetestowania i ewentualnej komercjalizacji produkcji energii elektrycznej, ciepła i/lub produktów chemicznych z możliwością wychwytu i geologicznego składowania CO2, Wsparcie powstawania obiektów demonstracyjnych/instalacji dla innych czystych technologii węglowych oraz • dla technologii utylizacji dwutlenku węgla.

B. KRAJOWYM PROGRAMEM BADAŃ(ZAŁOŻENIAMI POLITYKI NAUKOWO – TECHNICZNEJ I INNOWACYJNEJ PAŃSTWA, Załącznik do uchwały nr 164/2011 Rady Ministrów z dnia 16 sierpnia 2011 r.), gdzie znajdujemy m. in. stwierdzenia: Energetyka krajowa wykorzystuje jedne z największych na świecie zasobów węgla kamiennego i brunatnego. Z tego względu Polska powinna stać się krajem promującym i rozwijającym technologie czystego węgla. Wykorzystanie węgla do produkcji czystej energii elektrycznej, syntetycznych paliw oraz substancji chemicznych wymaga rozwijania bezpiecznych dla ludzi i środowiska technologii czystego węgla.

KONSORCJUM

• • • • • • • • • • • • •

Politechnika Śląska Politechnika Wrocławska Politechnika Częstochowska Politechnika Krakowska Politechnika Łódzka Politechnika Warszawska Akademia Górniczo - Hutnicza Instytut Maszyn Przepływowych PAN Instytut Chemicznej Przeróbki Węgla TAURON Polska Energia S.A. TAURON Wytwarzanie S.A. RAFAKO S.A. EUROL Innovative Technology Solutions Sp. z o. o.

WSPÓŁUDZIAŁ PRZEMYSŁU

TAURON Polska Energia S.A. TAURON Wytwarzanie S.A. RAFAKO S.A. EUROL Inni: Elektrownia Stalowa Wola, El. Skawina, Kogeneracja – Wrocław Około 15 mln zł. • • • • •

STRATEGICZNY PROGRAM BADAWCZY ZAAWANSOWANE TECHNOLOGIE POZYSKIWANIA ENERGII ZADANIE NR 1:

OPRACOWANIE TECHNOLOGII DLA WYSOKOSPRAWNYCH „ZERO-EMISYJNYCH” BLOKÓW WĘGLOWYCH ZINTEGROWANYCH Z WYCHWYTEM CO2 ZE SPALIN

STRATEGICZNY PROGRAM BADAWCZY ZAAWANSOWANE TECHNOLOGIE POZYSKIWANIA ENERGII ZADANIE NR 1:

OPRACOWANIE TECHNOLOGII DLA WYSOKOSPRAWNYCH „ZERO-EMISYJNYCH” BLOKÓW WĘGLOWYCH ZINTEGROWANYCH Z WYCHWYTEM CO2 ZE SPALIN

A. Opracowanie i weryfikację nowych koncepcji wzrostu sprawności obiegu siłowni kondensacyjnych (w tym o najwyższych ultranadkrytycznych parametrach pary) Wzrostu sprawności wytwarzania energii elektrycznej w układach siłowni parowych można oczekiwać jako następstwo: • • • • •

Wzrostu parametrów pary pierwotnej i temperatury pary wtórnej, Doskonalenia struktury obiegu, Optymalizacji parametrów obiegu (np. dobór ciśnienia wtórnych przegrzewów, dobór przyrostów temperatury w podgrzewaczach), Zmniejszania ciśnienia w skraplaczu łącznie z optymalizacją wylotów z turbiny, Doskonalenia maszyn i urządzeń obiegu.

η = 45% η = 50% η = 55%

e=0.742 kg/kWh e=0.668 kg/kWh e=0.607 kg/kWh

Zastąpienie bloków o sprawności 36% blokami o sprawności 45% zmniejsza roczną emisję CO2 o 1.5-1.7 mln ton na każde 1000MW zainstalowanej mocy

STRATEGICZNY PROGRAM BADAWCZY ZAAWANSOWANE TECHNOLOGIE POZYSKIWANIA ENERGII ZADANIE NR 1:

OPRACOWANIE TECHNOLOGII DLA WYSOKOSPRAWNYCH „ZERO-EMISYJNYCH” BLOKÓW WĘGLOWYCH ZINTEGROWANYCH Z WYCHWYTEM CO2 ZE SPALIN

OBIEG WYJŚCIOWY

Parametry pary zasilającej turbinę: Ciśnienie pary pierwotnej – 30 MPa Temperatura pary pierwotnej – 650 oC Temperatura pary wtórnej – 670 oC

Wpływ temperatury pary świeżej i wtórnie przegrzanej na sprawność bloku

Sprawność bloku (brutto) *%+

49,50

49,06

49,00

48,50

48,04

48,11

48,00

47,50 600/610

600/620

650/670 o

Wpływ temperatury pary świeżej i wtórnie przegrzanej na strumień produkowanego CO2

180,07 Strumieo CO2 [kg/s]

181,00

179,81

180,00 179,00 178,00

176,30

177,00 176,00 175,00 174,00 600/610

600/620

650/670

Temperatura pary świeżej i wtórnie przegrzanej * oC]

Temperatura pary świeżej i wtórnie przegrzanej * C]

Sprawność obiegu

50.92

%

Moc elektryczna brutto (na zaciskach generatora) Sprawność bloku brutto (dla węgla kamiennego) Moc elektryczna netto (wskaźnik potrzeb własnych: 0.075) Sprawność bloku netto

900.0 49.1

MW %

832.5

MW

45.42

%

Jednostkowe zużycie ciepła

6928.8

kJ/kWh

WZROST EFEKTYWNOŚCI ISTNIEJĄCYCH I NOWYCH BLOKÓW ENERGETYCZNYCH

STRATEGICZNY PROGRAM BADAWCZY ZAAWANSOWANE TECHNOLOGIE POZYSKIWANIA ENERGII ZADANIE NR 1:

OPRACOWANIE TECHNOLOGII DLA WYSOKOSPRAWNYCH „ZERO-EMISYJNYCH” BLOKÓW WĘGLOWYCH ZINTEGROWANYCH Z WYCHWYTEM CO2 ZE SPALIN

WYKORZYSTANIE CIEPŁA ZE SPALIN WYLOTOWYCH Z KOTŁA – OCENA POPRAWY SPRAWNOŚCI BLOKU 1.Wykorzystanie ciepła odpadowego do podgrzania kondensatu obiegu głównego Przyrost sprawności bloku wykorzystującego ciepło spalin wylotowych wynosi odpowiednio od ok. 0,25 do ok. 0,7 punktu procentowego. Sprawdzenie na obiekcie pilotowym Mokre czynniki robocze

2.Wykorzystanie ciepła ze spalin w obiegach ORC

Suche czynniki robocze

12,52 12,07

12,80

12,77

12,61

12,21

12,10

3.Zastosowanie spalin wylotowych do suszenia węgla

Moc wewnętrzna turbiny ORC, MW

13,0

Opracowanie i zbudowane urządzenia w skali półtechnicznej przed-prototypowej.

12,5

11,72

11,54

12,0

11,40

11,10

11,5

10,92

11,0 10,5 10,0 9,5 etanol

46,23

amoniak

freon 123

izopentan

R141b

heptan

46,00 91,74

44,55

45,00

92,00

44,50 44,00 43,50 unit without a drier

unit with a drier

Opracowanie innowacyjnego sposobu suszenia i jednoczesnego mielenia węgla z wykorzystaniem młyna elektromagnetycznego.

boiler efficiency %

unit efficiency %

46,50

45,50

pentafluoropropan

Porównanie mocy turbiny ORC dla rozważanych czynników niskowrzących w przypadku wykorzystania spalin z węgla brunatnego

91,00 90,00

88,41

89,00 88,00 87,00 86,00 unit without a drier

unit with a drier

PROJEKT INSTALACJI BADAWCZEJ SUSZENIA WĘGLA Z WYKORZYSTANIEM MŁYNA ELEKTROMAGNETYCZNEGO

Schemat instalacji: 1 – Podajnik paliwa 2 – Młyn elektromagnetyczny 3 – Komora odprowadzania wyparów

STRATEGICZNY PROGRAM BADAWCZY ZAAWANSOWANE TECHNOLOGIE POZYSKIWANIA ENERGII ZADANIE NR 1:

OPRACOWANIE TECHNOLOGII DLA WYSOKOSPRAWNYCH „ZERO-EMISYJNYCH” BLOKÓW WĘGLOWYCH ZINTEGROWANYCH Z WYCHWYTEM CO2 ZE SPALIN

STRATEGICZNY PROGRAM BADAWCZY ZAAWANSOWANE TECHNOLOGIE POZYSKIWANIA ENERGII ZADANIE NR 1:

OPRACOWANIE TECHNOLOGII DLA WYSOKOSPRAWNYCH „ZERO-EMISYJNYCH” BLOKÓW WĘGLOWYCH ZINTEGROWANYCH Z WYCHWYTEM CO2 ZE SPALIN

WZROST EFEKTYWNOŚCI ISTNIEJĄCYCH I NOWYCH BLOKÓW ENERGETYCZNYCH c.d. Przegrzew wewnętrzny Określenie potencjalnych możliwości zastosowania przegrzewu wewnętrznego w nowych instalacjach i blokach istniejących z uwzględnieniem ograniczeń technologicznych i analizy ekonomicznej.

W przypadku turbiny o mocy 460 MW zysk sprawnościowy wynosi 0.7%, natomiast zysk w jednostkowym zużyciu ciepła jest na poziomie 109 kJ/kWh. Studium wykonalności technicznej przegrzewu wewnętrznego dla bloków istniejących i nowoprojektowanych.

Opracowanie projektów koncepcyjnych bloków nadkrytycznych (wyniki RAFAKO S.A.)

STRATEGICZNY PROGRAM BADAWCZY ZAAWANSOWANE TECHNOLOGIE POZYSKIWANIA ENERGII ZADANIE NR 1:

OPRACOWANIE TECHNOLOGII DLA WYSOKOSPRAWNYCH „ZERO-EMISYJNYCH” BLOKÓW WĘGLOWYCH ZINTEGROWANYCH Z WYCHWYTEM CO2 ZE SPALIN Ok.120 m

WYSPA KOTŁOWA BLOKU NA PARAMETRY USC SCR Założenia dla kotła na parametry USC (1)

Kocioł Kocioł przepływowy (typu Benson), wieżowy, jednociągowy z pojedynczym przegrzewem pary międzystopniowej, bez rusztu LUVO opalającego, o następujących parametrach: ESP Temperatura pary pierwotnej - 653°C Temperatura pary wtórnej - 672°C Ciśnienie pary pierwotnej - 303 bar Ciśnienie pary wtórnej - 60 bar Wydajność kotła przy nominalnym obciążeniu bloku - ca 2250 t/h Sprawność kotła przy nominalnym obciążeniu bloku - 94,3 % 70 m (odniesiona od temperatury spalin za LUVO) Temperatura spalin za obrotowym podgrzewaczem powietrza - 120 °C SCR - emisja NOx - 100 mg/mn3 przy CCS - 30 mg/mn3 Temperatura wody zasilającej - 315 °C IOS - emisja SO2 - 100 mg/mn3 przy CCS - 25 mg/mn3 Stężenie pyłu za elektrofiltrem - 30 mg/mn3 przy CCS - 10 mg/mn3 Stężenie pyłu za IOS - 10 mg/mn3 przy CCS - 5 mg/mn3 Stężenie CO