Universitatea Politehnica BucurestiFacultatea Ingineria Sistemelor BiotehniceCicluri combinate gaze-abur pe carbune, gazeificare Tema de casa - Studenta: Colan Alina FlorentinaMaster, anul I specializarea IMPM1.Consideraii generale

Cu o pondere de aproape 80 % din rezervele planetare de combustibili fosili; crbunele prezint un mare interes pentru producerea energiei termice i electrice. La acest prim argument se adaug i altele cum ar fi preul relativ mai mic i mult mai stabil dect al combustibililor lichizi sau gazoi. Toate acestea explic de ce n prezent, ct i n viitor, crbunele ocup i i va menine o pondere important comparativ cu celelalte tipuri de combustibili utilizai n centralele termoelectrice aa cum rezult i din Tabelul 1.Tabelul 1: Ponderea energetic a diverilor combustibili utilizai n centralele termoelectrice

In ultimele decenii pe lng o ardere ct mai complet i perfect a crbunilor se remarc o permanent preocupare privind minimizarea emisiei de noxe, n special a oxizilor de sulf i de azot. De asemenea se constat preocuparea pentru nlocuirea n msura posibilitilor a ciclurilor clasice ale centralelor termice pe crbune cu ciccluri clasice ale combinate gaze-abur, bazate pe cogenerare, care pot realiza randamente efective la bornele generatoarelor de curent electric mult mai ridicate.Ciclurile moderne

Dintre ciclurile moderne utilizate n present se remarc:

Ciclul combinat gaze-abur cu arderea crbunelui n strat fluidizat sub presiune PFBC;

Ciclul combinat gaze-abur cu gazeificare integrat a crbunelui IGCC

Ciclul combinat gaze-abur cu ardere extern EFCC1.1 Ciclul combinat gaze-abur cu arderea crbunelui n strat fluidizat sub presiune (PFBC)

Focarele cu arderea crbunelui n strat fluidizat pot funciona i la presiuni mai mari dect cea atmosferic, cuprinse n intervalul (10 20) bari sau chiar mai mult. Arderea sub presiune ridic ns unele probleme dificil de rezolvat, legate n special de alimentarea cu crbune a focarului i evacuarea cenuii formate n urma arderii. Alimentarea cu crbune s-a rezolvat prin amestecarea particulelor de crbune avnd max = 5 mm, cu ap i un absorbant care fixeaz sulful, iar pasta obinut se injecteaz n focar cu ajutorul unei pompe de tipul pompelor pentru noroi, folosite la evacuarea zgurii i cenuii din centralele termice pe crbune. Evacuarea cenuii fierbii din zona de ardere sub presiune se face printr-un sistem tip ecluz. Acelai sistem tip ecluz poate fi utilizat i pentru alimentarea cu crbune a focarului. n condiiile rezolvrii acestor probleme dificile, focarele ASFC pot constitui instalaii ce pot furniza pe de o parte gaze de ardere la presiuni i temperaturi ridicate capabile s antreneze o turbin cu gaze, iar pe de alt parte-abur supranclzit care s se destind ntr-o turbine cu abur. Se ntrunesc astfel elementele de baz ale unui ciclu combinat gaze-abur, reprezentat schematic n Figura 2.

Funcionarea focarului ASFC

n stratul fluidizat, cu nlimea de (3 4) m, sunt imersate vaporizorul i supranclzitorul cazanului de abur. Dup ce prsesc focarul gazele de ardere, ncrcate cu praf de cenu i particule de crbune nearse, intr n separatorul tip ciclon (vezi i Figura 1) unde are loc separarea fazei solide de cea gazoas. Gradul de separare al ciclonului fiind mai mic de 100 %, o parte din faza solid este evacuat mpreun cu gazele de ardere. Pentru a proteja mpotriva eroziunii mecanice att conducta de transport, dar mai ales turbina cu gaze, se impune o desprfuire ct mai bun a gazelor de ardere. n acest scop se prevede o instalaie de filtrare n dou trepte, alctuit dintrun filtru ciclon i filtre ceramice, care rein particulele cu dimensiuni mai mari de 10 m, aflate n gazele de ardere la ieirea din focarul ASFC.

Figura 1: Schema de principiu a unui focar cu strat fluidizat circulant

1 camera de aer, 2 grtar, 3 aer primar, 4 crbune, 5 carbonat de calciu, 6 arztor de pornire, 7 schimbtor de cldur, 8 evi de ecran, 9 ciclon, 10 canal de evacuare a gazelor de ardere, 11 i 13 canal pentru returnarea cenuii n focar, 12 clapet de reglare, 14 schimbtor de cldur extern pentru rcirea cenuii, 15 grtar pentru cenu, 16 aer secundar, 17 canal pentru evacuarea cenuii, 18 aer secundar centra Gazele de ardere, curate de praf, se destind n turbina cu gaze, dup care se rcesc n economizor, prenclzind apa de alimentare a cazanului. Pentru a se respecta normele privind concentraia maxim a prafului la emisie n atmosfer, nainte de a fi evacuate pe co, gazele sunt din nou desprfuite, fie cu ajutorul unui electrofiltru, fie cu filtre sac confecionate din material textil.

Figura 2: Schema de principiu a unui ciclu combinat gaze-abur cu arderea crbunelui n strat fluidizat sub presiune:

1 compresor, 2 focar ASFC, 3 pomp, 4 vaporizor, 5 supranclzitor, 6 filtru n dou trepte, 7 turbina cu gaze, 8 i 11 generator electric, 9 motor electric, 10 turbina cu abur, 12 condensator abur, 13 pomp, 14 economizor, 15 electrofiltru, 16 evacuare gaze de ardere, 17 i 18 evacuare cenu. Datorit nclzirii naintate a apei n economizor, prenclzirea regenerativ cu abur prelevat din turbin este redus. De altfel, din motive de simplificare a schemei, nu s-au mai reprezentat prizele de abur, prenclzitoarele de joas i nalt presiune, respectiv degazorul dei acestea exist, dar, aa cum s-a precizat i mai nainte, ntr-un numr ceva mai mic dect n cazul centralelor clasice cu abur. Valorile randamentului actualelor central termice, care funcioneaz dup un ciclu combinat gaze-abur PFBC, se situeaz n intervalul (35 45) %, fiind comparabile cu cele obinute n ciclurile convenionale cu abur i chiar mai mici dect cele ale instalaiilor cu parametrii supracritici ai aburului. Trebuie ns reinut c la PFBC aceste valori pot fi obinute chiar i pentru grupuri energetice cu puteri relativ sczute (sub 100 MW). Table 2: Exemple de centrale cu ciclu combinat gaze-abur cu arderea crbunelui n pat fluidizat sub presiune

1.2 Ciclul combinat gaze-abur IGCC

Schema de principiu a instalaiei unui ciclu combinat gaze-abur cu gazeificarea integrate a crbunelui (IGCC), prezentat n Figura 3, se compune din dou pri i anume:

- instalaia de gazeificare a crbunelui (A);

- instalaia ciclului combinat gaze-abur fr postcombustie (B).Instalaia de gazeificare a crbunelui

La rndul su instalaia de gazeificare a crbunelui este foartecomplex i cuprinde:

- staia de preparare a crbunelui, n care cel mai adesea crbunele este concasat la dimensiunea (0 20 )mm sau, mai rar, mcinat la dimensiunea medie a particulelor de circa 100 m;

- fabrica de oxigen produs din aerul comprimat livrat de compresoarele grupului STAG;

- gazogenul, reprezentat de instalaia n care are loc procesul de gazeificare; gazul obinut este denumit gaz de gazogen sau gaz de sintez;

- instalaia de rcire a gazului de gazogen, cldura schimbat fiind folosit pentru transformarea unui anumit debit de ap n abur; gaze

- instalaia de filtrare avnd ca scop reinerea impuritilor mecanice din gazul de gazogen.

Figura 3: Schema de principiu a unui ciclu combinat gaze-abur cu gazeificarea integrate a crbunelui (IGCC):A-instalaia de gazeificare a crbunelui, B-instalaia ciclului combinat gaze-abur fr post combustie: 1 staia de preparare a crbunelui, 2 gazogenul, 3 instalaia de rcire a gazului de gazogen, 4 instalaia de filtrare, 5 grup energetic STAG, 6 fabrica de oxigen. Instalaia ciclului combinat gaze-abur este de asemenea foarte complex i cuprinde, aa cum se observ n Figura 4, urmtoarele utilaje i agregate:

- compresoare pentru aer i azot;

- camera de ardere, n care se introduce gaz de gazogen, azot, gaz natural i aer;

- turbina cu gaze i generatorul electric;

- cazanul recuperator;

- turbina cu abur, generatorul electric, condensatorul de abur, pompe de alimentare i circulaie, schimbtoare de cldur regenerative, etc. Compresorul alimenteaz cu aer att camera de ardere, ct i fabrica de oxigen. n gazogen se introduc fluxurile de crbune, praf de calcar sau alt substan desulfurant, abur i oxigen, respectiv se evacueaz gazul de gazogen i zgur mpreun cu cenu. Gazul de gazogen, rcit cu ap care se transform n abur, este condus la staia de filtrare pentru eliminarea prafului de cenu, i a compuilor nocivi de sulf, flor, clor i metale alealine. Prin tratarea chimic cu amine se elimin compui de sulf: H2S, CS2, .a. De cele mai multe ori pentru absorbirea hidrogenului sulfurat se utilizeaz un amestec de oxizi de zinc i de titan, care dup saturare se poate regenera prin oxidare n aer, iar cldura rezultat este transmis unui amestec de abur i aer.

Figura 4: Schema termic simplificat a ciclului combinat gaze-abur cu gazeificarea integrat a crbunelui1 compresor de aer, 2 fabric de oxigen, 3 compresor de azot, 4 compresor de oxigen, 5 gazogen, 6 zgur, 7 flux crbune, 8 calcar, 9 abur, 10 gaz de gazogen, 11 ap, 12 rcitor gaz de gazogen, 13 filtru, 14 compui nocivi, 15 camer de saturare cu ap sau cu abur, 16 azot, 17 gaze naturale, 18 aer, 19 camera de ardere, 20 turbina de gaze, 21 i 25 generator electric, 22 gaze de ardere, 23 cazan recuperator, 24 turbina cu abur, 26 condensator, 27 pomp de alimentare, 28 economizor, 29 pomp circulaie, 30 tambur, 31 vaporizator, 32 supranclzitor. Combinarea celor dou categorii de procedee de desulfurare conduce la obinerea unei eficiene de 99 % . nainte de a fi introdus n camera de ardere gazul de gazogen trece printr-o instalaie de saturare cu ap sau cu abur, n scopul reducerii emisiilor de NOx. Printr-o judicioas reglare a debitelor gazului natural, gazului de gazogen, azotului i aerului se poate menine sub control att temperature n camera de ardere, ct i producia de NOx.2. Bazele termochimice ale gazeificrii crbunilor

Gazeificarea crbunilor reprezint procesul termochimic complex de transformare, pe ct posibil integral, a masei organice a combustibililor solizi n gaze combustibile sub aciunea agentului de gazeificare. Ca ageni de gazeificare sunt utilizai: aerul, oxigenul, aburul, bioxidul de carbon, hidrogenul sau amestecul acestora. Combustibilii solizi utilizai la gazeificare sunt n deosebi crbunii, alturi de semicocs, cocs i lemn. n procesul de gazeificare pe lng gazul de gazogen, care reprezint produsul de baz, rezult ca subproduse gudroane, uleiuri uoare i mijlocii, compui fenolici i bineneles cenua sau zgura, care provine din calcinarea masei minerale necombustibile. n urma gazeificrii rezult amestecuri de gaze combustibile (CO, CH4, H2 i H2S) i gaze inerte din punct de vedere a arderii (CO2, N2, H2O, O2) cu predominarea unora sau altora, funcie de parametrii procesului: temperatura, presiunea, agentul de gazeificare i modul de conducere al procesului. n practic se disting urmtoarele categorii de gaze obinute prin gazeificarea crbunilor:

- gaz combustibil srac

- gaz combustibil mijlociu

- gaz combustibil bogat Gaz combustibil srac, rezultat prin gazeificare cu aer i abur sau cu aer i bioxid de carbon, avnd o putere calorific inferioar sub 6000 kJ/m3N, datorit coninutului ridicat de azot i bioxid de carbon, care dilueaz componentele combustibile: monoxid de carbon, hidrogen i puin metan. Gazul srac se preteaz la ardere n vecintatea zonei de producie. Gaz combustibil mijlociu, rezultat din gazeificarea crbunilor cu oxigen i abur sau cu oxigen i bioxid de carbon, avnd puteri calorifice inferioare de (1000014000) kJ/m3N, sensibil majorate fa de gazul combustibil srac datorit lipsei azotului, coroborat cu creterea coninutului de metan. Gazul combustibil mijlociu, datorit coninutului de hidrogen i monoxid de carbon se preteaz ca materie prim n chimie, dar poate fi utilizat i pentru ardere. Gaz combustibil bogat, rezultat prin hidrogazeificarea crbunilor sau metanarea gazului brut mijlociu, avnd puteri calorifice inferioare apropiate de cele ale gazelor natural (3000035000) kJ/m3N, utilizabil ca substitut de gaze naturale (SNG) n chimie i n energetic. Principalele reacii chimice, care apar la gazeificare, mpreun cu efectele lor termice sunt redate pe baza elementelor chimice pure i se pot grupa astfel:

a) Reacii heterogene solid-gazb) Reacii omogene de gazeificare

Reacii heterogene solid-gaz:- reacia de oxidare total (ardere perfect): C + O2 = CO2 + 409153 [kJ/kmol] (1)- reacia de oxidare parial (ardere imperfect): C + 1/2O2 = CO 123312 [kJ/kmol] (2)- reacia Baudouard reducerea bioxidului de carbon: C + CO2 = 2CO - 162530 [kJ/kmol ] (3)- reacia de gazeificare cu vapori de ap: C + H2O = CO + H2 118912 [kJ/kmol ] (4)- reacia de hidrogenare: C + 2H2 = CH4 + 74420 [kJ/kmol ] (5)- reacia de oxidare a sulfului: S + O2 = SO2 + 292462 [kJ/kmol ] (6)Reacii omogene de gazeificare:

- reacia de oxidare a monoxidului de carbon cu vapori de ap: CO + H2O = CO2 + H2 + 43618 [kJ/kmol] (7)- reacia de metanare: CO+ 3H2 = CH4 + H 2O+ 204053 [kJ/kmol] (8)- reacia de oxidare a monoxidului de carbon: CO + 1/2O2= CO2 + 285842 [kJ/kmol ] (9)- reacia de oxidare a hidrogenului: H2 + 1/2O2 = H 2O + 242224 [kJ/kmol ] (10)- reacia de oxidare a metanului: CH4 + 2O2 = CO2 + 2H 2O+ 806156 [kJ/kmol] (11)- reacia de oxidare a hidrogenului sulfurat: H 2S + 3/2O2 = SO2 + H 2O + 518475 [kJ/kmol ] (12) Desfurarea proceselor termodinamice complexe de gazeificare este determinat de urmtoarele reacii de baz: oxidarea perfecta i imperfect a carbonului (1) i (2), reacia de hidrogenare (5), reacia de gazeificare cu vapori de ap (4), reacia Boudouard (3) i combinaii ale acestora. n funcie de reacia chimic de baz i agentul de gazeificare se poate prelimina comportarea teoretic a gazogenului. Se deosebesc urmtoarele situaii:A. Gazeificare cu aer, caz n care reacia de gazeificare este (2) care se desfoar la temperaturi mai mari de 9000C, conform relaiei:2C + O2 + 3,76N2 = 2CO+ 3,76N2 + 246624 [kJ/kmol] (13)rezultnd compoziia teoretic a gazului de gazogen CO=34,7 % i N2=65,3 %, cu puterea calorific inferioar Hi = 4395,3 kJ/m3N i cantitatea de gaze rezultate din 1 kg de carbon Vgg = 5,38 m3N/kg.B. Gazeificarea cu oxigen se bazeaz pe reacia (2), gazul rezultat fiind compus n totalitate din CO, cu puterea calorific inferioar Hi = 12752,8 kJ/m3N i cantitatea de gaze rezultat din 1 kg de carbon Vgg = 1,87 m3N/kg.

C. Gazeificarea cu aer i abur are loc reacia chimic (4),aportul termic este furnizat de oxidarea carbonului (1),rezultnd pe baza bilanului reacia global:

4,44C + O2 + 3,76N2 + 3,44H 2O = CO2 + 3,76N2 + 3,44CO +3,44H2 (14)

Se obine aa numitul gaz mixt cu compoziia teoretic: CO = 29,55 %, H2 = 29,55 %, CO2 = 8,6 % i N2 = 32,3 % avnd puterea calorific inferioar Hi = 6962 kJ/m3N i cantitatea de gaze rezultat din 1 kg de carbon Vgg = 4,89 m3N/kg.

De menionat c n acest caz gazeificarea cu aer i abur poate fi realizat n dou etape, prima n care se insufl aer i are loc arderea carbonului, urmnd ca la insuflarea aburului s rezulte gazul de ap care se recolteaz separat. D. Gazeificarea cu oxigen i abur se bazeaz pe reaciile (1) i (4) rezultnd reacia global:

4,44C + O2 + 3,44H 2O = CO2 + 3,44CO + 3,44H2 (15)

Se obine un gaz de gazogen cu compoziia teoretic: CO = 43,65 % , H2 = 43,65 %, CO2 = 12,7 % i cu puterea calorific inferioar Hi = 10283,8 kJ/m3N, n cantitatea Vgg = 3,31 m3N/kg. Procesele de gazeificare prezentate anterior (cazurile A, B, C i D) sunt autoterme, energia termic fiind obinut prin arderea unei fraciuni din carbonul introdus, ceea ce confer autonomie termic procesului complex de gazeificare. n ultimul timp, la generaia III-a de gazogene, se folosesc ntr-o pondere tot mai mare procese aloterme, bazate pe furnizarea din exterior a fluxului termic necesar reaciilor endoterme de gazeificare.E. Gazeificare cu bioxid de carbon, bazat pe reacia Boudouard (3), are loc la temperature de peste 800 0C i determin apariia unui gaz de gazogen compus integral numai din CO cu puterea calorific inferioar Hi = 12752,8 kJ/m3N, n cantitatea Vgg = 3,76 m3N/kg i care necesit fluxul termic din exterior Qe = 3625,6 kJ/m3N gaz respectiv Qe=13544,2 kJ/kg carbon.F. Gazeificarea cu abur are loc n conformitate cu relaia (4), gazul rezultat avnd compoziia CO = 50 % i H2 = 50 %, cu puterea calorific inferioar Hi = 11779,8 kJ/m3N, n cantitatea Vgg = 3,74 m3N/kg i care consum fluxul de cldur Qe = 2652,6 kJ/m3N gaz, respective Qe = 9909,3 kJ/kg carbon.G. Obinerea metanului se bazeaz pe combinarea reaciilor (4), (7), (8), (5), care pot fi prezentate global sub forma:2C + 2H 2O = CH4 + CO2 + 9847 [kJ/kmol] (15)rezultnd compoziia teoretic a gazului: CH4 = 50 % i CO2 = 50 % cu puterea calorific inferioar Hi = 17983,3 kJ/m3N, n cantitatea Vgg =1,87 m3N/kg.Deosebirile dintre funcionarea real i cea teoretic a generatorului

Determinarea parametrilor pe baza bilanului masic i termic, prezentat anterior ofer indicii de ansamblu asupra posibilitilor de gazeificare pe baza carbonului, funcionarea real a generatorului deosebindu-se de cea teoretic, n special prin urmtoarele:

a) Crbunele gazeificat nu este format din elemente chimice pure, ci din combinaii ale acestora, precum i din compuii masei minerale necombustibile;

b) Reaciile chimice, care au loc la gazeificare, nu sunt att de simple, ele depind de temperatur i presiune, de posibilitatea atingerii echilibrului, cinetica reaciilor care au loc la suprafaa de separaie solid- gaz depinznd de granulaia i porozitatea crbunelui, de viteza de insuflare a agentului de gazeificare, etc;

c) Gazeificarea este nsoit de apariia unor subprodui secundari ca gudroane, fenoli, uleiuri grele i mijlocii.