Tema Eu Si Marius

5/12/2018 Tema Eu Si Marius - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/tema-eu-si-marius 1/56

Facultatea de Electronic Comunicaii si Calculatoare

Studeni:

Dumitrescu Adrian

Clin Vasile Marius

Secia Inginerie Electric




Instalaii de producere a energiei electrice pe gaz Pagina 2

CUPRINS 1. INSTALATII DE TURBINE CU GAZE ............................................................................................. 4

1.1. PREZENTAREA INSTALATIEI ............................................................................................. 4

1.2. BILANTUL ENERGETIC AL ITG. RANDAMENTE .................................................................. 7

1.3. POSIBILITATI DE CRESTERE A RANDAMENTULUI TERMIC AL ITG ................................ ...... 9

1. Temperatura dupa camera de ardere........................................................................................ 9

2. Recuperarea interna de caldura ............................................................................................. 10

3. Recuperarea externa de caldura ............................................................................................. 11

1.4. NIVELUL DE PERFORMANTE AL ITG ..................................................................................... 13

1.4. CICLURI COMBINATE GAZE-ABUR......................................................................................... 14

1.4.1. CONSIDERATII TERMODINAMICE .................................................................................. 14

1.4.2 Ciclul combinat gaze-abur fara postcombustie .......................................................................... 15

1.4.2.1 Conceptia de realizare........................................................................................................ 15

1.4.2.2 Bilantul energetic al CCGA fara postcombustie. Performante............................... .................. 17

1.4.3. Ciclul combinat gaze-abur cu postcombustie ............................................................................ 19

1.4.3.1. Conceptia de realizare....................................................................................................... 19

1.4.3.2. Bilantul energetic al CCGA cu postcombustie. Performante............................. .................. 21

1.4.4. CICLUL COMBINAT GAZE-ABUR CU ARDEREA CARBUNELUI ÎN PAT ............................. 23

FLUIDIZAT SUB PRESIUNE ............................................................................................................ 23

1.4.5. CICLUL COMBINAT GAZE-ABUR CU GAZEIFICAREA INTEGRATA A................................ 25

CARBUNELUI ................................................................................................................................... 25

1.4.5. CICLUL COMBINAT GAZE-ABUR CU INJECTIE DE ABUR .............................. .................. 28

2.CENTRALE ELECTRICE CU GAZEIFICARE

INTEGRAT A CRBUNELUI (IGCC) ................................................................................................. 30

2.1 Prezentarea soluiei ..................................................................................................................... 30

2.2 Procesul de gazeificare ................................................................................................................ 34

2.2.1. Gazeificarea cu pat fix.............................................................................................................. 37

2.2.2. Gazeificarea cu pat fluidizat ..................................................................................................... 37





2.2.3 Gazeificarea prin antrenare ..................................................................................................... 38

2.3. Instalaii de rcire i curare a gazului de gazogen .................................................................... 39

2.3.1 Procedee de joas temperatur ................................................................................................. 40

2.3.2 Procedee de înalt temperatur................................................................................................. 42

2.4 Instalaia de separare a aerului.................................................................................................... 43

3. Exemple de centrale echipate cu IGCC .............................................................................................. 45

3.1 IGCC Buggenum.......................................................................................................................... 45

3.2. Centrala electric Polk, Florida (SUA) ....................................................................................... 49

3.3. Centrala electric Puertollano (Spania) ...................................................................................... 49

3.3.1 Descrire general.................................................................................................................. 49

3.3.2 Ciclul combinat ..................................................................................................................... 52

3.3.3 Unitatea de gazeificare.......................................................................................................... 53

3.3.4 Emisiile poluante ale IGCC Puertolano ................................................................................. 54

Bibliografie ........................................................................................................................................... 56





1. INSTALATII DE TURBINE CU GAZE

1.1. PREZENTAREA INSTALATIEI

Instalatia de turbina cu gaze (ITG) este o masina ter mica motoare care realizeaza

conver sia energiei chimice înglobate în com bustibil în energie mecanica. Fluidul de lucr u

utilizat în cadr ul ITG este un gaz: aer, bioxid de carbon, heliu, etc. Pentr u a f unctiona,

instalatiile moder ne de turbine cu gaze utilizeaza un ciclu ter modinamic de tip Brayton

(Joule).

În fig. 1.1. este prezentata schema de principiu pentr u ITG, întâlnita în mod curent în cadr ul

centralelor electrice. Agentul de lucr u utilizat în cadr ul acestei scheme este aer ul atmosferic.

Fig. 1.1. Schema de principiu pentr u o instalatie de turbina cu gaze

FA - filtr u de aer;

K - com presor;

CA - camera de ar dere; TG - turbina cu gaze;

AZ - amor tizor de zgomot:

GE - generator electric

Aer ul este as pirat de catre com presor prin inter mediul filtrului de aer (FA). Acesta





are rolul de a opri eventualele im puritati mecanice ce ar conduce la erodarea si distr ugerea

treptata a paletajului com presor ului.

Compresorul (K) ridica presiunea aer ului pâna la nivelul cores punzator intrarii în

camera de ardere (CA). În acest punct aer ul se amesteca cu com bustibilul si are loc procesul

de ar dere.

Gazele de ar dere evacuate din camera de ar dere se destind în continuare în turbina cu

gaze (TG), producând lucr u mecanic. O par te din lucr u mecanic este utilizat pentr u antrenarea

com presor ului (com presor ul si turbina cu gaze sunt plasate pe aceeasi linie de arbori), iar

restul ser veste la antrenarea generatorului electric (GE).

La esaparea din turbina cu gaze este prevazut un amor tizor de zgomot (AZ). R olul

acestuia este de a limita nivelul de zgomot ( provocat de evacuarea gazelor de ar dere) în cadr ul

unor limite acceptabile. În continuare gazele de ar dere sunt evacuate în atmosfera.

Din punct de vedere ter modinamic, pentr u schema prezentata în figura 4.9. se remar ca

ur matoarele elemente:

Sur sa calda a ciclului ter modinamic cores punde camerei de ar dere. În acest punct

agentul de lucr u (aer ul atmosferic) intra în contact direct cu com bustibilul par ticipând la

procesul de ar dere.

La sur sa rece cir cuitul se închide prin inter mediul atmosferei. În mod conventional o

astfel de instalatie este considerata ca lucreaza în cir cuit deschis.O ITG în cir cuit deschis utilizeaza în mod exclusiv ca agent ter mic aer ul atmosferic.

Desi au proprietati ter modinamice mai bune, bioxidul de carbon si heliul nu pot fi folosite în

astfel de instalatii. Faptul ca agentul de lucr u este evacuat în atmosfera ar im plica existenta

unei sur se de CO2 sau He care sa alimenteze în per manenta com presor ul, element ce ar

conduce la cresterea costurilor de producere a energiei electrice peste limitele acceptabile.

Utilizarea celor doua gaze mentionate mai sus se preteaza pentr u acele ITG care

lucreaza în cir cuit închis (vezi figura 1.2). În acest caz sur sa rece a ciclului este asigurata de

un schim bator de caldura de su prafata în care agentul de lucr u este racit de un fluid exterior .

De asemeni la sur sa calda exista un schim bator de caldura de su prafata, iar agentul de lucr u

nu mai intra în contact direct cu produsele de ar dere. O astfel de schema este folosita izolat,

doar în cadr ul unor filiere de centrale nuclearo-electrice.

În cele ce ur meaza vor fi abor date doar ITG în cir cuit deschis.





\

Fig. 1.2. Schema de principiu pentr u o ITG în cir cuit închis

a - com bustibil;

b - agent de lucr u (C02, He):

c - fluid de racire (apa)K - com presor;

CA - camera de ar dere;

TG - turbina cu gaze;

GE ± generator electric;

R ± racitor





1.2. BILANTUL ENERGETIC AL ITG . RANDAMENTE

În fig. 1.3. este prezentat su b for ma unei diagrame de tip Sank ey bilantul energetic

pentr u o ITG în cir cuit deschis, iar în tabelul 1.1. sunt explicitate principalele categorii de

pier deri si randamentele aferente

Fig. 1.3. Bilantul energetic aferent unei ITG în cir cuit deschis

În fig. 1.3. s-au utilizat ur matoarele notatii:

- puterea ter mica cores punzatoare com bustibilului;

- pier deri de caldura în camera de ar dere;

- pier deri de caldura la sur sa rece a ciclului ter modinamic;

- lucr ul mecanic util produs în cadr ul ciclului ter modinamic;

- pier deri mecanice ale ITG;

- - pier deri în generator ul electric.

S-a neglijat puterea ter mica intrata în contur ul de bilant odata cu aer ul atmosferic.

Ca si în cazul CCA, s-a neglijat puterea ter mica intrata în contur ul de bilant odata cuaer ul atmosferic.

R andamentul de producere a energiei electrice este dat de produsul randamentelor de

mai sus:

=

iar puterea electrica la bor nele generator ului va fi:





=

Tinând seama de consumul ser viciilor proprii electrice se obtine puterea electrica

neta:

=

unde randamentul net de producere a energiei electrice a fost deja definit .

Cota de ser vicii proprii pentr u o ITG este relativ redusa, nedepasind în general valoarea

de 0,05.

Confor m datelor din tabelul 1.1, cea mai scazuta valoare din expresia 4.7 cores punde

randamentului ter mic. Deci, pentr u a mari randamentul de producere a energiei electrice

trebuie actionat în primul r ând asu pra .

Tabelul 1.1.





1.3. POSIBILITATI DE CRESTERE A RANDAMENTULUI TERMIC AL ITG

1. Temperatura dupa camera de ardere

Tem peratura gazelor de ar dere du pa camera de ar dere reprezinta tem peratura maxima

atinsa de agentul de lucr u în cadr ul ciclului ter modinamic. Cresterea acesteia va conduce în

mod nemijlocit la cresterea atât a randamentului ter mic, cât si a puterii unitare. O crestere cu

370C poate avea ca rezultat marirea puterii unitare si a randamentului ter mic cu 10-13%Ã

res pectiv 2 - 4%.

Exista o serie de restrictii si conditionari în ceea ce priveste cresterea tem peraturii

maxime a ciclului:

Tem peratura du pa camera de ar dere este limitata su perior de rezistenta materialelor

din care sunt confectionate paletele rotorice si statorice ale turbinei cu gaze. În conditiile

utilizarii unor oteluri puter nic aliate si a unor sisteme perfor mante de racire interioara a

paletajului turbinei cu gaze, la ora actuala valoarea acestei tem peraturi nu depaseste în mod

uzual 13500C.

Pentr u a obtine efectul maxim, cresterea tem peraturii maxime a ciclului trebuie

corelata cu cresterea rapor tului de com presie al aer ului în com presor . În fig. 1.4. este prezentata variatia randamentului ter mic în f unctie de rapor tul de com presie pentr u diferite

valori ale tem peraturii du pa camera de ar dere.

Se poate obser va ca pentr u o tem peratura data exista o valoare a rapor tului de

com presie pentr u care randamentul ter mic devine maxim. Aceasta valoare a rapor tului de

com presie creste odata cu tem peratura.

Deci, este indicat ca odata cu cresterea tem peraturii du pa camera de ar dere, rapor tul

de com presie sa creasca la r ândul sau pâna la atingerea punctului de maxim. În felul acesta

cresterea tem peraturii maxime a ciclului are un efect maxim asu pra randamentului ter mic.





Fig. 1.4. Variatia randamentului termic în functie de raportul de compresie si de

temperatura

maxima a ciclului

2. Recuperarea interna de caldura

În fig. 1.5. este prezentata schematic o instalatie de turbina cu gaze cu recu perare

inter na de caldura.

Înainte de a intra în camera de ar dere, aer ul ref ulat de com presor este preîncalzit într un

recu perator de caldura (RC) pe seama caldurii continuta în gazele de ar dere esapate din

turbina cu gaze. Deci, se obtine o crestere a tem peraturii aer ului introdus în CA.

R andamentul ter mic al ITG poate fi scris si su b for ma:

unde: - reprezinta lucr ul mecanic produs în turbina cu gaze;

- lucr ul mecanic consumat de com presor;

- puterea ter mica preluata de agentul de lucr u la sur sa calda a ciclului

=





Fig. 1.5. ITG cu recu perare inter na de caldura

FA - filtr u de aer; CA - camera de ar dere;

TG - turbina cu gaze; RC - recu perator de caldura

Introducerea recu perarii inter ne de caldura nu are nici un efect asu pra lucr ului mecanic

produs de turbina cu gaze, res pectiv consumat de com presor . În schim b, prin cresterea tem peraturii aer ului introdus în camera de ar dere, în conditiile unei aceleiasi tem peraturi a

gazelor de ar dere iesite din aceasta, scade consumul de com bustibil Ã deci scad valorile lui Qo,

res pectiv Q1. În consecinta, confor m relatiei privind randamentul total, introducerea recu perarii

inter ne de caldura conduce la cresterea randamentului ter mic al ITG.

3. Recuperarea externa de caldura

Gazele de ar dere esapate din turbina de gaze se caracterizeaza printr -un potential

ter mic destul de ridicat. În mod uzual tem peratura în acest punct al cir cuitului se situeaza în

inter valul (400 - 600) 0C. În aceste conditii devine interesanta solutia de a recu pera caldura

continuta în gazele de ar dere în scopul alimentarii unui consumator ter mic exter n. În fig. 1.6

este prezentata o astfel de schema.





Gazele de ar dere esapate din turbina cu gaze intra într -un cazan recu perator (CR).

Acesta este un schim bator de caldura de su prafata în care, pe baza caldurii continuta în

gazele

de ar dere, se prepara un agent ter mic (abur, apa fierbinte, apa calda) ce este ulterior trimis

catre consumator ul exter n.

Cantitatea de caldura transferata între cei doi agenti în cazanul recu perator este

considerataa un efect util, reducându-se în acest mod pier derile de energie ter mica la sur sa

rece a ciclului.

Fig. 1.6. ITG cu recuperare externa de caldura


K - com presor;



GE - generator electric;

CR - cazan recu perator; a - agent ter mic

R andamentul ter mic al ciclului este exprimat în acest caz de relatia:

Unde reprezinta puterea ter mica schim bata în cazanul recu perator în scopul alimentarii





consumator ului exter n.

1.4. NIVELUL DE PERFORMANTE AL ITG

Desi primul brevet privind realizarea unei instalatii de turbina cu gaze dateaza de la

sf âr situl secolului XVIII, de abia în ultimii 50 de ani se poate vorbi de o veritabila dezvoltare

a acestei filiere energetice.

Initial, instalatiile de turbine cu gaze erau destinate strict doar acoperirii vârf ului

curbei de sar cina. ITG era recomandata pentr u acest mod de f unctionare îndeosebi prin tim pii

foar te scur ti necesari por nirii instalatiei (aproximativ 30 min fata de 8 - 12 h în cazul CCA).

De asemeni, nivelul randamentelor (<25 %) nu favoriza utilizarea ITG în regim de f unctionare continua, la baza curbei de sar cina.

Progresele înregistrate îndeosebi în domeniul tehnologiei materialelor au per mis

ulterior cresterea nivelului de tem peratura la iesirea din camera de ar dere si im plicit a

randamentelor de f unctionare. În acest mod ITG devine o solutie tentanta de acoperire a

curbei de sar cina în zona de semibaza si chiar baza.

În tabelul 1.2. sunt prezentate perfor mantele pentr u o serie de ITG din ultima generatie.

Du pa cum se poate obser va din tabelul de mai sus, perfor mantele ITG au devenit

com parabile cu cele ale CCA.

Un element ce a limitat ras pândirea ITG este necesitatea de a utiliza un com bustibil

Äcurat´ din punct de vedere al continutului de cenusa. Agentul de lucr u intra în contact direct

cu produsele de ar dere. În aceste conditii, prezenta de cenusa în gazele de ar dere (ce se

destind cu mare viteza prin turbina) ar conduce la fenomene de accentuata eroziune si

deteriorare a paletajului acesteia. Deci, în camera de ar dere a ITG se poate introduce doar gaz

natural sau pacura usoara, utilizarea directa a carbunelui fiind practic exclusa.





Tabelul 1.2

Perf ormante ale ITG din ultima generatie

1.4. CICLURI COMBINATE GAZE-ABUR

1.4.1. CONSIDERATII TERMODINAMICE

În tabelul 1.3 sunt prezentate valorile uzuale ale tem peraturilor extreme între care

lucreaza agentul ter mic în cadr ul unei centrale conventionale cu abur (CCA), res pectiv

instalatie de turbina cu gaze (ITG).

Tabelul 1.3

Temperaturi extreme af erente unei CCA, respectiv ITG

Din tabelul de mai sus se poate obser va ca tem peratura minima aferenta unei ITG este

de acelasi or din de marime cu tem peratura maxima cores punzatoare unei CCA. Deci, devine

interesanta realizarea unui ciclu com binat gaze-abur (CCGA) su b for ma unei cascade

ter modinamice în care treapta su perioara de tem peratura sa fie ocu pata de ITG, iar cea

inferioara de catre CCA.

În felul acesta, energia primara introdusa la sur sa calda a ITG poate





fi utilizata eficient si în zona tem peraturilor medii si mici ce caracterizeaza f unctionarea CCA.

În f unctie de modul de realizare practic, exista o mare varietate de com binatii posibile

între un ciclu cu gaze si unul cu abur . În cele ce ur meaza vor fi trecute în revista cele mai

im por tante filiere energetice din aceasta categorie.

1.4.2 Ciclul combinat gaze-abur fara postcombustie

1.4.2.1 Conceptia de realizare

În fig. 1.7 este prezentata schema sim plificata pentr u un ciclu com binat gaze-abur

fara postcom bustie.

Fig. 1.7. Schema de principiu pentr u un ciclu com binat gaze-abur fara

postcom bustie


K - com presor;







GE -generator electric;

CR - cazan de abur recu perator;

TA - turbina cu abur;

KA - condensator de abur;

PA - pom pa de alimentare

Confor m celor deja prezentate , potentialul ter mic al gazelor de ar dere esapate din TG per mite

obtinerea unei cantitati însemnate de abur în cadr ul unui cazanrecu perator (CR).

În cadr ul unui ciclu com binat gaze-abur, aceasta cantitate de abur se destinde în

continuare într -o turbina, producând lucr u mecanic.

Se pot face ur matoarele obser vatii privind conceptia de ansam blu a unui CCGA fara

postcom bustie:

Tem peratura abur ului produs în cazanul recu perator este limitata de valoarea

cores punzatoare gazelor de ar dere esapate din turbina cu gaze. În CR nu se efectueaza nici un

fel de ar dere su plimentara ( postcom bustie) în scopul maririi tem peraturii initiale a ciclului cu

abur .

Limitarea tem peraturii initiale a ciclului cu abur conduce în mod automat si la o

limitare a presiunii abur ului produs în CR. În caz contrar umiditatea abur ului la esaparea din

turbina cu abur ar depasi limitele admisibile .Indiferent de modul în care este conceputa schema ter mica, presiunea initiala pe par tea de abur în cadr ul unui CCGA fara postcom bustie nu

depaseste în mod uzual 110 - 120 bar .

Functionarea ciclului cu abur (Hir n) este strict dependenta de cea a ciclului cu gaze

(Brayton), ea putând fi posibila exclusiv pe seama recu perarii de caldura din gazele de ar dere

esapate din TG. Deci, în momentul în care ITG nu f unctioneaza, nici turbina cu abur nu poate

f unctiona. În schim b, ITG poate f unctiona independent, în acest caz gazele de ar dere fiind

evacuate direct în atmosfera, fara a mai trece prin cazanul recu perator .

Du pa cum s-a afir mat mai sus, ciclul cu abur din cadr ul CCGA fara postcom bustie

este strict recu perativ. Pentr u a creste perfor mantele de ansam blu, tendinta este de a recu pera

o cantitate cât mai mare de caldura din gazele de ar dere esapate din TG. În acest caz tem peratura

apei de alimentare a CR trebuie sa fie cât mai mica. În consecinta, s pre deosebire de CCA,





sistemul de preîncalzire regenerativa a apei de alimentare va fi extrem de redus, el putând lipsi

chiar cu desavâr sire.

1.4.2.2 Bilantul energetic al CCGA fara postcombustie . Performante

În fig. 1.8 este prezentat su b for ma unei diagrame de tip Sank ey bilantul energetic

pentr u CCGA fara postcom bustie.

Celor doua categorii de pier deri de mai sus le cores pund randamentul de transf er de

caldura în CR (), res pectiv gradul de recuperare al caldurii din gazele de ardere

evacuate din TG ().

Tinând seama de cele de mai sus, puterea electrica dezvoltata la bor nele generator ului TA este data de relatia:

Fig. 1.8. Bilantul energetic al unui CCGA f ara postcombustie

(QCR - pier deri de caldura ale CR prin convectie si radiatie catre mediul am biant;

(Qcos - pier deri de caldura odata cu gazele de ar dere evacuate la cosul CR.

În tabelul 1.3 au fost deja prezentate valorile uzuale pentr u o serie de randamente





aferente ITG. În tabelul 1.4 sunt date inter valele de valori pentr u randamentele

cores punzatoare par tii cu abur a unui CCGA fara postcom bustie. Se poate face ipoteza ca

randamentul mecanic si cel al generator ului electric sunt de acelasi or din de marime în cazul

atât al ITG, cât si al TA.

Pot fi remar cate valorile reduse ale randamentului ter mic al ciclului cu abur în

com paratie cu CCA. Acest lucr u se datoreaza parametrilor initiali ai ciclului ( presiune,

tem peratura) mult mai cobor âti, pe de-o par te, si gradului redus de preîncalzire regenerativa,

pe de alta par te.

Valori uzuale pentru randamentele af erente partii cu abur din cadrul unui CCGA f ara

postcombustie

Tabelul 1.4

Valori uzuale pentr u indicatorii aferenti unui CCGA fara postcom bustie





Se fac ur matoarele obser vatii:

CCGA fara postcom bustie reprezinta la ora actuala filiera energetica care atinge cele

mai ridicate valori ale randamentului de conver sie a energiei primare în energie electrica.

Valoarea puterii electrice obtinute în cadr ul ciclului cu abur este strict dependenta de

cea cores punzatoare ITG, reprezentând aproximativ 50% din aceasta. Deci, puterea unitara a

CCGA fara postcom bustie (ITG + TA) este dictata în primul r ând de puterea ITG, nedepasind

la ora actuala 370 MW. Pentr u a creste aceasta valoare este posibila însa cu plarea mai multor perechi ITG + CR la o singura TA.

1.4.3. Ciclul combinat gaze-abur cu postcombustie

1.4.3.1. Conceptia de realizare

Excesul de aer în camera de ar dere a ITG are valori relativ ridicate: peste 2,5 fata de

1,05 ± 1,4 în cazul cazanelor de abur din cadr ul CCA. Deci, în gazele de ar dere evacuate din

ITG exista o cantitate suficienta de oxigen astfel încât sa fie posibila ar derea unei cantitati

su plimentare de com bustibil.

În fig. 1.9 este prezentata o astfel de unitate energetica cunoscuta su b denumirea de

ciclu combinat gaze-abur cu postcombustie.





Fig. 1.9. Schema de principiu pentru un ciclu combinat gaze-abur cu postcombustie

FA - filtr u de aer:

K - com presor;



GE -generator electric;

C - cazan de abur;

TA - turbina cu abur; KA - condensator de abur;

PC - pom pa de condensat;

PJP - preîncalzitoare regenerative de joasa presiune:

DT - degazor ter mic;

PA - pom pa de alimentare;

PIP - preîncalzitoare regenerative de înalta presiune;

BITG -debit de com bustibil introdus în CA;

BITA - debit de com bustibil introdus direct în cazanul de

abur .

Se pot face ur matoarele obser vatii privind conceptia de ansam blu a unui CCGA cu

postcom bustie:





Prin postcom bustie excesul de aer din gazele de ar dere este adus la valoarea

cores punzatoare cazanelor de abur din cadr ul CCA.

Ar derea unei cantitati su plimentare de com bustibil conduce la cresterea sensibila a

tem peraturii gazelor de ar dere din interior ul cazanului de abur . Potentialul ter mic ridicat al

gazelor de ar dere per mite obtinerea pe par te de abur a unor parametri initiali înalti ( presiune,

tem peratura), com parabili cu cei întâlniti în cazul CCA.

Ciclul cu abur nu mai are un caracter strict recu perativ, existând o cota de energie

primara (BITA) care este introdusa direct în cazanul de abur . Conceptia de realizare a par tii de

abur este cea cores punzatoare CCA. În consecinta, cir cuitul ter mic este dotat cu un sistem de

preîncalzire regenerativa bine dezvoltat.

Atât ciclul cu gaze, cât si cel cu abur pot f unctiona independent. În cazul în care ITG

nu f unctioneaza, str uctura cazanului de abur per mite totusi ar derea unei cantitati de

com bustibil. În acest caz aer ul necesar ar derii este asigurat de catre un ventilator separat.

Unul din marele avantaje ale acestui tip de CCGA este faptul ca nu exista restrictii

în ceea ce priveste tipul com bustibilului introdus în cazanul de abur . În acest sens, CCGA cu

postcom bustie reprezinta o modalitate de utilizare eficienta a carbunelui.

1.4.3.2. Bilantul energetic al CCGA cu postcombustie . Performante

În fig. 1.9.1 este prezentat su b for ma unei diagrame de tip Sank ey bilantul energetic

pentr u CCGA cu postcom bustie.

Str uctura cazanului de abur este total diferita fata de cea întâlnita în cazul CCGA fara

postcom bustie, ea fiind asemanatoare cu cea cores punzatoare CCA. Deci, pier derile ((QC AZ)

si randamentul cazanului (LC AZ

) sunt definite în confor mitate cu cele prezentate.





.

Fig. 1.9.1 Bilantul energetic al unui CCGA cu postcombustie

În tabelul 1.5. sunt date valorile uzuale rezultate pentr u randamentul electric br ut,

res pectiv rapor tul puterilor electrice br ute, în cazul CCGA cu postcom bustie .

Tabelul 1.5.

Valori uzuale pentru indicatorii af erenti unui CCGA cu postcombustie

Indicator Ordin de marime

R andamentul electric br ut 0,40 ± 0,48

R apor tul puterilor electrice

br ute

0,15 - 0,30

Se fac ur matoarele obser vatii: Energia primara introdusa direct în cazanul de abur (QTA 0 ) nu par curge am bele trepte

ale cascadei ter modinamice, neputând fi utilizat în mod eficient întregul sau potential ter mic.

În consecinta, randamentele vor fi mai scazute decât în cazul CCGA fara postcom bustie.

Cresterea tem peraturii pe par te de gaze de ar dere în interior ul cazanului per mite

s porirea considerabila a productiei de abur si im plicit a puterii electrice dezvoltate la bor nele





TA. Acest fapt genereaza o valoare scazuta a rapor tului de puteri în com paratie cu CCGA fara

postcom bustie.

În f unctie de tipul de ITG utilizata puterea unitara a unui CCGA cu postcom bustie

poate depasi valoarea de 600 MW .

1.4.4. CICLUL COMBINAT GAZE-ABUR CU ARDEREA CARBUNELUI ÎN PAT

FLUIDIZAT SUB PRESIUNE

Carbunele reprezinta aproape 80% din totalul resur selor mondiale de com bustibili

fosili. Devine deci interesanta dezvoltarea unor tehnologii care sa per mita utilizarea acestui tip

de com bustibil în com binatie cu o instalatie de turbina cu gaze. Una din solutii este utilizarea unor sisteme de ar dere în pat fluidizat su b presiune.

În fig. 1.9.2 este prezentata schema de principiu pentr u un ciclu com binat gaze-abur cu

ar derea carbunelui în pat fluidizat su b presiune.

Fig. 1.9.2 Ciclul combinat gaze-abur cu ardere în pat fluidizat sub presiune


K - com presor;





FAP - focar cu ar dere su b presiune;

FC - filtr u de cenusa;


R - recu perator de caldura;


KA - condensator deabur;


a - carbune;

b - cenusa;

c ± zgura .

În cadr ul instalatiei prezentate în fig. 1.9.2 se disting trei com ponente principale: instalatia de

turbina cu gaze, focar ul cu ar dere su b presiune (FAP) si instalatia de turbina cu gaze.

Aer ul evacuat din com presor la o presiune de aproximativ 12 - 16 bar este introdus înFAP unde are du blu rol: asigura procesul de ar dere, pe de-o par te, si realizeaza un pat

fluidizat com pus din par ticule de carbune, pe de alta par te. Par ticulele de carbune (având

dimensiuni de maxim 5 mm) sunt mentinute în interior ul acestui pat fluidizat datorita

interactiunii dintre doua for te de sens contrar: for ta ascensionala (datorata aer ului insuflat pe

la baza FAP), res pectiv for ta de gravitatie a par ticulelor .

Gazele de ar dere sunt evacuate din FAP la o tem peratura cu prinsa în inter valul 850 -

9000C. Înainte de a se destinde în turbina cu gaze ele trec printr -un filtr u (FC) unde sunt

retinute par ticulele de cenusa. Pentr u recu perarea caldurii din gazele de ar dere esapate din TG

este prevazut un recu perator (R) în care este preîncalzita apa de alimentare.

Tem peratura în interior ul FAP este mentinuta constanta în inter valul mentionat mai

sus cu ajutor ul unor serpentine imer sate în patul fluidizat. Aceste serpentine sunt racite la

interior de agentul apa-abur . A bur ul produs în FAP se destinde în continuare în TA.





Par ticularitatea ter modinamica cea mai im por tanta a unui astfel de ciclu com binat este

faptul ca exista o singura sur sa calda - FAP - atât pentr u ciclul cu gaze, cât si pentr u cel cu

abur .

R andamentul unei astfel de instalatii nu depaseste 41 - 42%Ã valoare sensibil mai

redusa decât în cazul ciclului com binat gaze-abur fara postcom bustie. Avantajul major al

acestei filiere energetice este însa faptul ca poate utiliza un com bustibil ief tin, carbunele, în

com binatie cu o instalatie de turbina cu gaze. De asemeni, nivelul de tem peratura din

interior ul FAP per mite aplicarea unor procedee de desulf urare de înalta eficienta. Deci ciclul

com binat gaze-abur cu ar derea carbunelui în pat fluidizat su b presiune este avantajos si din

punct de vedere al im pactului asu pra mediului încon jurator .

1.4.5. CICLUL COMBINAT GAZE-ABUR CU GAZEIFICAREA INTEGRATA A

CARBUNELUI

O alta cale de a utiliza carbunele în cadr ul unor centrale electrice echipate cu instalatii

de turbine cu gaze este gazeificarea. Gazeificarea este un proces în care are loc o ar dere

incom pleta a carbunelui, rezultând un amestec de gaze com bustibile: CO, H2, CH4, etc.

Aceste gaze sunt introduse în continuare în camera de ar dere a ITG. Rezulta o ardere în

doua trepte a carbunelui: prima (incompleta) în cadrul unui gazogen, iar a doua în

camera de ardere a ITG. În fig. 1.9.3 este prezentata schema de principiu pentr u un ciclu

com binat gaze-abur cu gazeificare integrata a carbunelui.

Pentr u f unctionarea gazogenului este necesara prezenta unui agent de oxidare. În

mod uzual sunt utilizati aer ul sau oxigenul, care sunt introdusi în gazogen odata cu carbunele.

Daca se utilizeaza oxigen (vezi fig 1.9.3), acesta este preparat în cadr ul unui modul

su plimentar s pecializat (FO) pe baza unei par ti din aer ul ref ulat din com presor . Pentr u a se





mentine echilibr ul masic al întregii instalatii, azotul rezultat din f abrica de oxigen este

directionat catre camera de ar dere a ITG.

Gazul combustibil evacuat din gazogen contine o serie de im puritati mecanice si

chimice: com pusi ai sulf ului (H2S), ai azotului (HCN, NH3), metale grele si alcaline, cenusa,

zgura topita. Din considerente ecologice si de protectie a instalatiilor îm potriva coroziunii,

prezenta acestor im puritati îm piedica utilizarea gazului de gazogen direct în camera de ar dere

a ITG. Este necesara introducerea unei trepte de filtrare: FG.

În f unctie de tipul gazogenului, tem peratura gazului com bustibil rezultat din acesta are

o valoare cu prinsa în inter valul 600 - 10000C. Procesul de filtrare im plica o cobor âre a acestei

tem peraturi pâna la aproximativ 50 - 3000C. Pentr u racire este utilizata apa prelevata din

cir cuitul ter mic al TA. Potentialul ter mic al gazului com bustibil evacuat din gazogen per mite

transfor marea acestei ape în abur, care este la r ândul sau reintrodus în cir cuitul TA.

Du pa filtrare, gazul de gazogen poate fi introdus în camera de ar dere a ITG unde se

amesteca cu aer provenit din ref ularea com presor ului si cu azotul rezultat de la fabrica de

oxigen.

Se mentioneaza faptul ca o par te din cenusa dezvoltata în gazogen este evacuata su b

for ma de zgura pe la baza acestuia.

Schema prezentata în fig. 2.3 reprezinta o com binatie între un sistem de gazeificare a

carbunelui (com pus din FO, G, FG) si un CCGA fara postcom bustie.Integrarea sistemului de gazeificare în cadr ul CCGA se realizeaza în

principal prin:

Prelevarea agentului de oxidare din ref ularea com presor ului ITG;

Utilizarea apei de alimentare a CR pentr u racirea gazului de gazogen înainte de

operatia de filtrare.





Fig . 1.9.3. Schema de principiu pentru un ciclu combinat gaze-abur cu gazeificare

integrate a carbunelui


K - com presor;

FO - fabrica de oxigen;

G - gazogen;

FG - filtr u gaz de gazogen;



GE ± generator electric;

CR - cazanrecu perator;


KA - condensator de abur;

a - carbune;

b - agent de oxidare;





c - gaz de gazogen nefiltrat;

d - gaz de gazogen curat;

e - abur;

f - azot;

g - zgura si cenusa;

h - apa pentr u racirea gazului de gazogen.

La nivelul anului 2004 ciclul com binat gaze-abur cu gazeificare integrata a carbunelui

se gaseste înca în faza demonstrativa.

R andamentele estimate pentr u aceasta filiera energetic se situeaza în inter valul 44 - 46 %

în f unctie de tem peratura de intrare în turbina cu gaze.

1.4.5. CICLUL COMBINAT GAZE-ABUR CU INJECTIE DE ABUR

În fig. 1.9.4. este prezentata schema de principiu pentr u un ciclu com binat gaze-abur cu

in jectie de abur .

Schema poate fi asimilata unei ITG cu recu perare exter na de caldura.

Diferenta consta din faptul ca, în momentele în care sar cina consumator ului ter mic este

scazuta, excesul de abur poate fi in jectat în as piratia turbinei cu gaze. Îm preuna cu gazele de

ar dere iesite din CA, abur ul se va destinde în TG producând lucr u mecanic.

Prin in jectie de abur în as piratia TG, puterea electrica si randamentul ITG pot creste

cu 50%Ã res pectiv 20% . Acest tip de ciclu com binat se preteaza foar te bine în cazul existentei

unor consumatori ter mici cu variatii mari de sar cina





Fig. 1.9.4. Schema de principiu pentru un ciclu combinat gaze-abur cu injectie de abur


K - com presor;




CR - cazan recu perator;

CT - consumator ter mic;

a ± apa de alimentare;

b ± abur

Principalul dezavantaj al schemei de mai sus consta în faptul ca abur ul este evacuat înatmosfera odata cu gazele de ar dere. Se pier de astfel o cantitate însemnata de apa tratata

chimic, a car ui preparare este destul de costisitoare.





2.CENTRALE ELECTRICE CU GAZEIFICARE INTEGRAT A CRBUNELUI (IGCC)

2.1 Prezentarea soluiei

O central cu ciclu com binat cu gazeificare integrat a crbunelui (IGCC) este o unitate

energetic care în locul folosirii gazului natural ca energie primar, utilizeaz un gaz de sintez

(CO + H2). Acesta este obinut în ur ma gazeificrii carbonului într -o atmosfer de oxigen sau

aer, i în prezena vaporilor de ap ca agent. IGCC per mite astfel trecerea de la utilizarea gazului

natural la cea a crbunelui. Pentr u gazeificarea com bustibilului solid este necesar ataarea la

centrala cu ciclu com binat a unei ³uzine chimice´ care s dis pun pe lâng tehnologia de

gazeificare i de mijloace de curare a gazului de sintez de par ticulele solide, precum i de ali

poluani. Este necesar totodat rcirea gazului de sintez în f uncie de tem peratura cu care iese

din proces, cldura recu perat astfel ser vind la producerea de abur (saturat sau su praînclzit) ce

poate fi utilizat într -un ciclu R ank ine-Hir n. Principalele com ponente ale instalaiei de ciclu

com binat gaze-abur cu gazeificarea integrat a crbunelui, IGCC, sunt artate în Figurile 2.1 i

2.2.

La limit, IGCC poate fi considerat un ciclu com binat fr postcom bustie cr uia i s-a

ataat o instalaie de gazeificare a crbunelui în care este preparat com bustibilul "curat" necesar

f uncionrii ITG.

La realizarea IGCC se ur mrete integrarea cât mai str âns a sistemului de gazeificare a

crbunelui în cadr ul ciclului com binat gaze-abur . În acest sens, se remar c:

y Utilizarea aer ului com primat provenit din ITG ca agent oxidant în gazogen;

y R ecu perarea cldurii provenite din rcirea gazului de gazogen în scopul producerii de

abur; y R ecu perarea în ITG a azotului provenit de la uzina de preparare a oxigenului.

Azotul este folosit la creterea debitului masic prin turbin cu gaze, în s pe a puterii la





bor ne, precum icamas iner t în camera de ar dere, la reglarea emisiilor de NOx.

Fig. 2.1 Schema de principiu a instalaiei IGCC

1 - preparare crbune; 2 - gazogen; 3 - rcire gaz de gazogen; 4 - filtrare gaz de gazogen;

5 - ciclu com binat gaze-abur fr postcom bustie; 6 - instalaie de preparare a oxigenului;

a - crbune; b - gaz de gazogen; c - aer; d - oxidant; e - azot; f ± abur





Fig. 2.2 Schema termic simplificat a IGCC (surs Siemens)

1 - com presor de aer; 2 - com presor de azot; 3 - fabric de oxigen; 5 - zgur; 6 - gazogen; 7 - flux

de crbune; 8 - abur; 9 - rcitor gaz de gazogen; 10 - filtrare gaz de gazogen; 11 - sulf; 12 -

cenu; 13 - saturare cu ap; 14 - gaz natural; 15 - camer de ar dere ITG; 16 - turbin cu gaze;

17 - cazan recu perator; 18 - turbin cu abur





La ieirea din gazogen, gazul com bustibil conine im puriti mecanice (cenu antrenat)

i chimice (com pui de sulf, fluor, clor, metale alcaline .a.) Acestea trebuiesc îndepr tate în

vederea protejrii turbinei cu gaze i în scopul reducerii emisiilor de su bstane poluante în

atmosfer. Curarea gazului de gazogen înainte de intrarea în ITG se poate face în instalaii

f uncionând la tem peratur cobor ât - tehnologie uzual - sau la tem peratur înalt - tehnologie

nou, avansat. Un as pect extrem de avantajos al IGCC este acela c operaia de curare se face

asu pra gazului de gazogen aflat su b presiune i care are un debit volumetric de aproximativ

2 % din cel al gazelor de ar dere eapate la presiune atmosferic. Astfel scade gabaritul instalaiei

de curare, reducându-se investiia s pecific .

Du p curare, gazul com bustibil poate trece printr -o instalaie de saturare cu ap sau

abur, în scopul reducerii emisiilor de NOX. A poi, gazul intr în camera de com bustie a ITG

îm preun cu aer ul de ar dere eapat de com presor i cu azotul rezultat de la uzina de preparare a

oxigenului.

Gazele de ar dere rezultate se destind în turbina cu gaze. Cldura lor rezidual este

recu perat într -un cazan de abur . La r ândul lui, abur ul se destinde într -o turbin cu abur .

Cldura recu perat în instalaia de rcire a gazului com bustibil - în cazul currii

acestuia prin metode de joas tem peratur - este utilizat tot la producerea de abur .

Într ucât ciclurile com binate fr postcom bustie au depit randamentul global de 55 %,

iar sistemele de gazeificare au randamente de or dinul 80 ± 85 %, rezult o valoare scontat a

randamentului global al IGCC de 44 ± 46 %, pentr u tem peraturi ale gazelor de ar dere la

intrarea în turbina cu gaze de 1100 - 1300 °C. Prin creterea gradului de integrare a

sistemului de gazeificare i a celui de rcire a gazului com bustibil în cadr ul instalaiei de ciclu

com binat, randamentul global al IGCC se poate majora cu 2 %.





2.2 Procesul de gazeificare

Gazeificarea reprezint procesul prin care un com bustibil solid sau lichid este transfor mat

într -un gaz com bustibil. Procesul are loc printr -o oxidare parial, cu

for mare de monoxid de carbon i hidrogen.

Ca ageni de gazeificare (sau ageni oxidani) se utilizeaz: oxigenul, aer ul, vaporii de

ap, dioxidul de carbon, hidrogenul.

Instalaia în care are loc procesul de gazeificare se numete gazogen, iar

com bustibilul gazos obinut este denumit gaz de sintez sau gaz de gazogen. În Tabelul 2.1 este

dat com poziia volumic standar d i puterea calorific a gazului de gazogen obinut prin

oxidarea crbunelui cu oxigen, res pectiv aer, curat de im puriti i saturat cu vapori de ap.

Tabelul 2.1 Compoziia volumic standard i puterea calorific inf erioar a gazului de

gazogen





Gazeificarea se poate face:

y exoter m - prin oxidare parial (deci agent de gazeificare oxigenul);

- prin hidrogazeificare (agent de gazeificare hidrogenul);

y endoter m - prin reacie cu vapori de ap sau CO2

Din multitudinea de reacii paralele i/sau consecutive, cele mai im por tante sunt ur mtoarele:

R eaciile carbonului:

R eaciile monoxidului de carbon:

Monoxidul de carbon, hidrogenul i metanul obinui din reaciile de mai sus constituie

elementele com bustibile ale gazului de gazogen.

R andamentul ter mic al instalaiei de gazeificare este dat de relaia:





iar randamentul chimic al gazeificrii este dat de:

În relaiile anterioare s-au utilizat ur mtoarele notaii:

- puterea calorific inferioar a gazului de gazogen i a

crbunelui, kJ/ N, res pectiv kJ/k g;

- entalpia sensibil a gazului de gazogen, kJ/ N;

- entalpia sensibil a agentului de gazeificare, kJ/ N;

- entalpia sensibil a crbunelui, kJ/k g;

- volumul s pecific de gaz de gazogen, N/k g;

- volumul s pecific de agent de gazeificare, N/k g.

O bser vaii:

a) R andamentul global al unui proces de gazeificare depinde de modul de recu perare a cldurii

sensibile a gazului de sintez, într ucât aceasta reprezint mai mult de 10% din puterea calorific

a crbunelui.

b) Gazeificarea este eficient atunci când are loc la tem peraturi ridicate.

Majoritatea instalaiilor de gazeificare lucreaz în domeniul de tem peraturi cu prinse între 1300 i

1600 °C.

Exist trei tipuri de procese de gazeificare care se afl astzi în stadiul comer cial: cu pat fix,

cu pat fluidizat i prin antrenare . Schemele de principiu ale acestora sunt prezentate in

figura 2.3.





2.2.1. Gazeificarea cu pat fix

Brichetele de crbune (6 50 mm) sunt introduse pe la par tea su perioar a gazogenului.Zgura/cenua este evacuat pe la par tea inferioar, iar gazul de sintez rezultat strbate în

contracurent patul de crbune, fiind evacuat pe la par tea su perioar. În acest mod gazul se

rcete, iar crbunele se înclzete. Agentul de gazeificare poate fi abur, aer sau oxigen i este

introdus prin par tea de jos a gazogenului. Gazul obinut are o tem peratur cobor ât, decir ca 500

°C.

Fig. 2.3 Schemele de principiu ale principalelor procedee de gazeificare

a) cu pat fix; b) cu pat fluidizat; c) prin antrenare.

2.2.2. Gazeificarea cu pat fluidizat

Crbunele trebuie s aib o granulaie mai mic decât cea necesar la procedeul cu pat

fix (6 10 mm). Agentul oxidant - abur, aer sau oxigen, este introdus prin partea inferioar

a gazogenului. Gazul rezultat are o temperatur relativ ridicat, de ordinul 900 - 1100 °C i

este evacuat pe la partea superioar a reactorului. Temperatura în patul fluidizat este

meninut la valori inferioare celei de topire a cenuei.





2.2.3 Gazeificarea prin antrenare

Aceast metod este printre cele mai utilizate, crbunele fiind introdus sub form

pulverizat împreun cu oxigenul în reactorul de gazeificare printr-unarztor. Crbunele

utilizat are o granulaie extrem de fin (90 m) i este gazeificat rapid la temperature inalta.

Datorit temperaturii ridicate, consumul de oxigen este în general mai ridicat decât la

alte sisteme de gazeificare, iar o mare parte din reziduul solid este evacuat sub form de zgur

topit, rcit ulterior cu ap i solidificat, o mic parte fiind antrenat odat cu gazul. Gazul de

sintez produs prsete gazogenul cu o temperatur înalt, de aproximativ 1300 1600 °C.

Î n tabelul 2.2 sunt date principalele caracteristici ale celor mai reprezentative sisteme de

gazeificare din lume.





Se constat c, gazul de gazogen este curat prin procedee de înalt tem peratur

în cazul gazeificrii cu pat fluidizat i prin procedee umede, de joastem peratur, la gazeificarea

prin antrenare.

Gazogenul integrat într -un ciclu com binat gaze-abur lucreaz la o presiune ridicat, de cir ca 20 bar . În aceste condiii, un element cheie al fiabilitii IGCC este reprezentat de instalaia

de alimentare cu crbune, care poate fi realizat prin:

Amestecarea crbunelui cu ap;

Antrenarea crbunelui cu agent provenit de la uzina de separare a aer ului;

Un sistem de tip ecluz.

La utilizarea aer ului ca agent oxidant se produce un gaz de sintez cu o putere calorific

sczut (aproximativ o optime din puterea calorific inferioar a gazului natural). Dac drept

agent oxidant se folosete oxigenul, atunci gazul obinut are o putere calorific mai ridicat

(aproximativ o treime din puterea calorific inferioar a gazului natural).

Aadar, pentr u o putere dat a IGCC, instalaiile de gazeificare i curare a gazului de

gazogen sunt mai voluminoase în cazul utilizrii aer ului. În schim b, la gazeificarea cu ajutor ul

oxigenului este necesar prevederea unei uzine de separare a acestuia din aer . Decizia privind

adoptarea soluiei optime (aer sau oxigen ca agent oxidant) se ia în ur ma efecturii unui calcul tehnico-economic.

2.3. Instalaii de rcire i curare a gazului de gazogen

Gazul br ut rezultat din reactor ul de gazeificare are în com poziie o serie de poluani care trebuie

eliminai înainte de admisia în turbina cu gaze.

Com puii poluani sau periculoi pentr u instalaia de turbin cu gaze sunt eliminai succesiv

printr -una dintre cele dou metode existente: La rece (Cold Gas Cleaning) sau la cald (Hot Gas

Cleaning).





2.3.1 Procedee de joas temperatur

Procedeele de curare a gazului de gazogen la tem peratur cobor ât sunt cele mai

rs pândite în prezent, dar se caracterizeaz prin pier deri exergetice im por tante. Figura 5.4

prezint schema de principiu a unei instalaii de curare.

Fig. 2.3 Schema de principiu a currii la rece a gazului de sintez

Înainte de a fi introdus în instalaia de curare, gazul trebuie s fie rcit pânl a o

tem peratur de cir ca 50 °C. Cldura cedat de gaz este recu perat:

a) în instalaia de gazeificare, fiind utilizat la preînclzirea com bustibilului;

b) în instalaia de ciclu com binat gaze-abur, fiind folosit la producerea de abur care ulterior se

destinde în turbina cu abur .

Instalaia de curare propriu-zis este com pus dintr -o:

y Instalaie de eliminare a par ticulelor solide cu ajutor ul unuor procedee uscate -

trecerea gazului printr -un ciclon separator, prevzut cu recir cularea în gazogen a

crbunelui near s, sau procedee umede - trecerea gazului printr -un scr u bber .





y Unitate de s plare acid ce are ca scop diluarea com puilor solu bili în ap(alcali,

halogenuri, amoniac etc.) i precipitarea metalelor grele;

Unitate de hidroliz pentr u transfor marea sulf urii de carbonil (COS) în acid sulf uros

(H2S) i pentr u solu bilizarea acidului cianhidric (HCN);

Instalaie de absorbie la rece a com puilor de sulf (H2S, CS2 .a.) cuajutor ul unei amine

selective, solventul îm bogit cu H2S fiind regenerat la cald într -o coloan de desorbie. Pân la

99,5 % din sulf ul coninut în com bustibil se poate recu pera ca sulf elementar vandabil industriei

chimice.

Unitatea de gazeificare mai trebuie prevzut cu:

Instalaie de conver sie a H2S în sulf solid elementar cu ajutor ul procedeului Claus,

ur mat de o tratare a gazelor reziduale (tail gas unit).

Un sistem de tratare a efluenilor lichizi.

Toate aceste echipamente sunt dis ponibile fiind deja folosite în rafinrii.

Ca par ticularitate, la gazeificarea prin antrenare - unde gazul obinut are o tem peratur

ridicat - în scopul recu perrii cât mai eficiente a cldurii gazului se utilizeaz mai întâi un

schim btor de cldur prin radiaie; acesta rcete gazul pân la o tem peratur de aproximativ800 °C, fiind ur mat de un schim btor convectiv. R citor ul de radiaie are tendina de mur drie cu

par ticulele vâscoase prezente în gazul de gazogen. În plus, acest schim btor are i un gabarit

mare. El poate fi înlocuit printr -o rcire prin recir culare a gazului rece, cu dezavantajul existenei

unor pier deri exergetice ridicate i al unui consum mare de energie pentr u recir culare.





2.3.2 Procedee de înalt temperatur

Utilizarea procedeelor de curare a gazului de sintez la tem peratur ridicat elimin din

schema IGCC rcitoarele de gaz care sunt destul de costisitoare i conduce la realizarea unui

s por de randament global de pân la 3 % prin reducerea pier derilor exergetice aferente rcirii.

Cldura sensibil, ridicat, a gazului este cedat direct turbinei energetice. Se limiteaz totodat

costurile cu investiia i exploatarea recu peratoarelor de cldur ce lucreaz în condiii avansate

de uzur (atmosfer reductoare, eroziune ± coroziune...). Aceast modalitate de tratare este înc

în stadiul de dezvoltare, instalaiile aflâdu-se înc în stadiul demonstrativ. S pre exem plu, centrala

IGCC aparinând Tam pa Electric în Florida, dis pune de un pilot ce poate trata 10 % din gazul

br ut.

În general procesul de curare are loc la tem peraturi de 400 650 °C i presiuni

cu prinse între 10 i 20 bar . Valorile relativ ridicate ale presiunii de lucr u fac ca volumul s pecific

al gazului su pus currii s fie mai redus, ceea ce conduce la micorarea gabaritului instalaiei.

Filtrele de des prf uire la tem peratur înalt prin care este trecut gazul de sintez la ieirea din

gazogen sunt de ur mtoarele tipuri:

y filtre - sac;

y ceramice (cu pat de granule, tip "lumânare");

y ciclon.

Pentr u eliminarea com puilor de sulf din gazul de sintez se utilizeaz:

y procedee de desulf urare de înalt tem peratur care se îm par t în dou categorii:

y desulf urarea în tim pul procesului de gazeificare (în gazogen);

Prima categorie de procedee const în adugarea de calcar, dolomit sau oxid de calciu în

gazogen.Pentr u mrirea eficienei desulf urrii, gazului de sintez este curat i el, într ucât

hidrogenul sulf urat H2S remanent în acesta poate atinge o concentraie de 500 1200 ppm,

în f uncie de com bustibil i de procedeul de gazeificare. Drept absorbant se utilizeaz de

obicei un amestec de oxizi de zinc i de titan care, du p ce acioneaz cu H2S, necesit o treapt





de oxidare în scopul regenerrii lor . Oxidantul poate fi aer ul, iar cldura obinut prin oxidarea

exoter m a absorbanilor este transmis unui amestec de abur i aer .

Com binarea celor dou categorii de procedee de desulf urare de înalt

tem peratur conduce la obinerea unei eficiene de 99 %.

Observaii:

a) Controlul emisiilor de NOX se realizeaz în camera de ar dere a ITG din ciclul

com binat prin reducerea tem peraturii, utilizând in jecia de ap/abur sau adugarea de azot

provenit de la uzina de preparare a oxigenului. In acelai scop, gazul de sintez poate fi saturat

cu ap sau cu abur înainte de a intra în camera de ar dere a ITG. De asemenea, ar derea în trepte

poate conduce la reducerea emisiilor de NOX su b 20 ppm.

b) La tem peraturi su b 550 - 650 °C, vaporii de com pui ai metalelor grele ialcaline

(NaCl, KCl, NaOH, KOH) condenseaz în cea mai mare par te i sunt evacuai odat cu

par ticulele solide.

c) R educerea emisiei de CO2 se realizeaz prin creterea randamentuluiglobal al

instalaiei IGCC.

2.4 Instalaia de separare a aerului

În cazul adoptrii tehnologiei de gazeificare cu oxigen, acesta este f ur nizat de o instalaie de

separare a aer ului. Pincipiul de f uncionare este cel al separrii prin distilare fracionat

criogenic. Este un procedeu curent folosit în rafinrii i sider urgie.

Aer ul este com primat fie utilizând un com presor separat, fie prelevând aer deja com primatdin com presor ul ITG. Dac întreaga cantitate de aer este prelevat din ITG, atunci instalaia de

separare a aer ului este total integrat în centrala IGCC (ex. Buggenum, Puer tollano). Avantajul

este dat de reducerea investitiiei i de com pactitate. Experiena a artat îns, c integrarea total

limiteaz flexibilitatea în f uncionare i com plic manevra de por nire (com presor ul de azot fiind





utilizat pentr u aer ). Pentr u a micora tim pul de demarare trebuie gsite diver se strategii (rezer v

de oxigen, meninerea în f unciune a instalaiei de separare a aer ului la minim tehnic,

surplusul de gaz de sintez folosindu-se pentr u producerea de metanol).

În general oxigenul produs este com primat la presiunea din reactor ul de gazeificare. Puritatea sa este de 8595 %.

O cot din azotul separat (i el cu o puritate ridicat) este folosit pentr u presurizarea i

trans por tul cbunelui. R estul este com primat pentr u a fi rein jectat la intrarea camerei de ar dere a

ITG pe post de moderator a tem peraturii flcrii i ca msur de limitare a for mrii NOx.O

tendin a productorilor de IGCC se îndreapt ctre o integrare parial,aer ul provenind atât de

la o priz a com presor ului ITG cât i de la un com presor adiional, aceast for mul conducând la

un randament optim îm preun cu o flexibilitate mai mare a centralei.





3. Exemple de centrale echipate cu IGCC

3.1 IGCC Buggenum

În 1993 s-a dat în f unciune o central electric IGCC la Buggenum (Olanda) cu o putere

electric de 252 MW i un randament global de 46,2 %. Într ucât 60 % din puterea electric este

produs în ITG, necesar ul de ap de rcire se reduce la mai puin de jumtate din cel al unei

centrale convenionale cu abur . Eficiena desulf urrii este de 99,8 %, emisiile de NOX sunt

foar te sczute (0,3 - 0,5 g/kWh),iar cantitatea de CO2 per kWh este cu 15 % mai mic decât cea

rezultat într -o central convenional pe crbune, datorit creterii randamentului global. Emisia

de praf este cu un or din de mrime mai mic decât cea cores punztoare unei centrale

convenionale. În figura 5.4 se prezint schema de conver sie a crbunelui în energia electric în

centrala Buggenum ur mat de schema tehnic de principiu din Figura 5.5.

Crbunele pulverizat este introdus în gazogen prin 4 in jectoare i gazeificat în prezena

oxigenului i a vaporilor de ap. Parametrii de lucr u sunt 1500 C / 28 bar . R ata de conver sie este

de peste 99 %. Cenua se deplaseaz în stare topit s pre par tea inferioar a reactor ului unde este

rcit într -o baie de ap i evacuat în stare solid printr -un sas de depresurizare.

Gazul de sintez br ut este amestecat cu o fracie de gaz de sintez des prf uit i rcit

pentr u a-i diminua tem peratura i solidifica astfel cenua zburtoare. Trece apoi de la 900 C la

230 C prin rcitor ul de gaz (generator de abur pe dou niveluri de presiune), du p care este

filtrat, s plat i desulf urat. Este diluat cu azot, saturat cu vapori de ap i reînclzit înainte de

admisia în camera de ar dere a ITG (Siemens V94.2). Se reduce astfel NOx ter mic i se

mrete puterea turbinei prin creterea debitului masic de gaz fr a com prima vaporii de ap

(economie de lucr u mecanic de com presie). Tem peratura gazelor ar se la intrarea în turbina cugaze este de 1050 C.





Fig. 3.1 Conversia crbunelui în energie electric - IGCC Buggenum

Puterea calorific inferioar a gazului curat, înainte de diluie, este de aproximativ

11 500 kJ/k g ajungând la turbina cu gaze cu 4 300 kJ/k g. Com poziia sa este:

- 25 % CO:

- 12 % H2;

- 42 % N2;

- 19 % H2O;

- 2 % ali com pui.

Principalele modificri ale turbinei cu gaze sunt:

y priz aer la ieirea din com presor ul ITG,

y mrirea diametrelor conductelor de com bustibil,

y adaptarea arztoarelor la un com bustibil cu putere calorific mai redus decât cea a

gazului natural



Facultatea de Electronic Comunicaii si Calculatoa

Instalaii de producere a energiei electrice pe gaz

Fig. 3.2. Schema termo-mecanic a centralei IGCC Buggenum





Instalaia de separare a aer ului este alimentat cu aer com primat de la com presor ul ITG. Un

com presor de oxigen asigur necesar ul gazogenului, în tim p ce altul asigur in jecia cu azot de

diluie. Astfel, centrala de la Buggenum este total integrat pe par te de aer .

În ceea ce privete par te de ciclu cu abur, acesta este cu recu perare (2 recu peratoare în paralel)

i dou presiuni de producere a abur ului: 120 bar / 510 C, res pectiv 29 bar / 510 C.

Emisiile poluante pentr u o concentraie a oxigenului de 6 % sunt:

y NO ± 105 mg/ Nm3, 320 mg/kWh . Prin in jecie de azot i de vapori de ap înainte de

camera de ar dere a TG se limiteaz tem peratura i astfel este inhibat for marea

com puilor de azot, vezi i figura 6.11.

y SO ± 39 mg/ Nm3, 39 mg/kWh . La folosirea unui crbune cu 1 % sulf .

y Praf ± 2 mg/ Nm3, 5 mg/kWhe. Prin filtre umede i s plare a gazului chiar înainte de

com bustie.

y CO2 ± 800 g/ kWhe pentr u un randament net de 42 43 %.

Pân în prezent au fost gazeificate 5 tipuri de crbune iar emisiile poluante au fost mult su b

limitele admisibile. S-a obser vat dis ponibilitatea insuficient datorat în principal turbinei cu gaz

(adaptarea la gazul de sintez) i sasului de evacuare a reziduurilor, probleme depite la

momentul actual. Gradul mare de integrare pe par te de aer limiteaz flexibilitatea în exploatare

( por nirea). Variaia încr crii este similar celei unui ciclu com binat clasic. O prirea în perioada

de gol de sar cin nu este economic din cauza necesitii meninerii în f unciune a instalaiei de

separare a aer ului.

Cea mai mare par te a acestor inconveniente sunt inerente caracter ului de prototip al centralei

i îi au originea într -o concepie sau dimensionare eronat, dar uor de depit. În ceea ce

privete staia de separare a aer ului, soluia va fi dat de conceptul de integrare parial.





3.2. Centrala electric Polk, Florida (SUA)

Const într -o instalaie IGCC alctuit dintr -un gazogen Texaco care utilizeaz

oxigen drept agent oxidant, dou ITG tip MS - 7001E General Electric, o ITA General Electric i

o instalaie de separare a aer ului. Crbunele utilizat are o cot mare de sulf, provenind din

bazinele Pitts burgh, Illinois i K entuck y. Puterea electric total este de 250 MW. Curarea

gazului de sintez se face la tem peratur înalt (desulf urare la 540 °C). În 1995 s-a dat în

exploatare instalaia de turbin cu gaze care a f uncionat în regim de vârf pe com bustibil lichid,

iar un an mai târziu au fost puse în f unciune instalaia de gazeificare i ciclul com binat.

3.3. Centrala electric Puertollano (Spania)

3.3.1 Descrire general

In cazul sistemului energetic European ca exem plu de centrala IGCC poate fi menionat cea

de pe am plasamentul Puer tolano din S pania. Sistemul de gazeificare aplicat este cel Prenflo modificat pentr u a procesa un amestec de 50/50% crbune local i cocs de rafinrie.

Puterea instalat neta este de 300 MWe cu un randament de aproximativ 45 %. Centrala este de

concepie total integrat i iaaînceput f uncionarea în 1996 pe gaz natural, trecând pe crbune în

mar tie 1997. Principalele sale echipamente provin din Ger mania (Prenflo, Steinmüller, Siemens).

Aceast central prezint aceleai avantaje com parativ cu o centrala clasic

pe crbune:

y Posibilitatea utilizrii unei game variate de com bustibili fosili.

y R andament crescut.

y Costuri de producie mai sczute.

y Emisii reduse de su bstane poluante

y Deseuri finale mai puine i reciclabile.





y Poate f unciona i pe gaz natural natural în totalitate sau doar parial.

y Centrala este com pus dintre 3 uniti principale (Figura 5.6):

y Unitateaenergetic, cea de gazeificare i cea de producere a oxigenului (separare a

aer ului). G

radu

lmare

de int

egrarei op

timizare

a acestor

3 uniti

este

cheia

cre

terii

eficienei centralei.

Întreaga cantitate de aer necesar este extras de la evacuarea com presor ului ITG, la o

presiune de 16 bar (aceasta fiind i presiunea de

la intrarea în turbina cu gaze).

y Azotul separat este amestecat, ca în cazul unitii de la Buggenum, cu gazul curat de

sintez la intrarea în camera de ar dere a turbinei cu gaze. Scopul este scderea tem peraturii flcrii pentr u limitarea for mrii NOx. A bur ul obinut în gazogen, pe

dou niveluri de tem peratur, este su praînclzit i destins în turbine cu abur a ciclului

com binat.

Pentr u centrala de la Puer tollano, avantajul integrrii avansate se concretizeaz într -o

cretere de randament de 1 % fa de alte centrale IGCC cu un grad mai sczut de integrare.

Perfor manele IGCC Puer tolano sunt sintetizate în Tabelul 2.3.





Fig. 2.6 Schema simplificat a centralei IGCC Puertollano

ì





3.3.2 Ciclul combinat

Din punct de vedere al echiprii energetice centrala dis pune de:

y turbin cu gaze Siemens V94.3 de 200 MWe (ISO).

y Un generator de abur cu trei nivele de producere (Babcock), cu su praînclzire

inter mediar capabil sa ridice parametrii abur ului obinut în prealabil în gazogen.

y turbin cu abur în dou corpuri Siemens de 135 MWe.

Com presor ul de aer al ITG alimenteaz camera de ar dere a TG i instalaia de separare a

aer ului. În afar de refolosirea azotului obinut prin separare, gazul de sintez este saturat cu abur

pentr u diminuarea emisiei de NOx.

Com presor ul este în 17 trepte cu un rapor t de com presie de 16:1. Ultimele trepte au admisii

reglabile pentr u f uncionarea la sar cin parial de pân la 75% din încr carea nominal.

Aceasta conduce la o tem peratur constant a gazelor la eaparea din TG pe o plaj larg de

variaie a încr crii, începând cu 60 % din cea nominal. Controlul debitului de aer per mite

obinerea unor randamente globale ridicate ale ciclului com binat chiar la sar cini pariale. Primele

4 trepte de presiune ale turbinei cu gaze sunt rcite cu aer, s pre deosebire de Buggenum unde

rcirea se fcea cu azot, mai puin paletele celei de-a patra trepte. Aer ul de rcire pentr u admisia

i paletele primei trepte ale turbinei cu gaze este extras din com presor i rcit în prealabil.

Turbina cu abur este cu condensaie în dou corpuri. Primul corp conine de fapt i par tea de

medie presiune iar cel de-al doilea, de joas presiune, este în du blu flux. A bur ul de la eaparea

CIP este su praînclzit inter mediar i trimis în CMP, iar abur ul de pe cel de-al treilea nivel de

presiune de la generator este amestecat cu cel de la eaparea CMP i introdus în CJP. Evacuarea

cldurii de la condensator se realizeaz cu tur n de rcire.





3.3.3 Unitatea de gazeificare

Unitatea de gazeificare se bazeaz pe sistemul Prenflo (PR essurized ENtrained-FLOw ±

antrenare su b presiune). Unitatea poate procesa 2 600 t/zi de com bustibil, care este, du p cumaminteam mai sus, un amestec în pri egale de lignit cu o par ticipaie mare de anorganice, i

pcur grea cu un coninut ridicat de sulf . Unitatea poate procesa o gam larg de produi

gazeifiabili (Tabelul 2.4).

Tabelul 2.4 Plaja de variaie a combustibilului admis spre gazeificare

Com bustibilul este iniial descr cat apoi aditivat cu piatr de var (CaO) pentr u a mri

vâscozitatea namolului for mat în ur ma procesului de gazeificare. Amestecul este apoi adus la

presiunea de 30 bar (cu 5 bar su perioar presiunii de lucr u a reactor ului). Ur meaz apoi procesul propriu-zis în prezena oxigenului (85 % puritate), cu o par ticipaie f uncie de

condiiile stoechiometrice i ter mice ale sistemului. Au loc o serie de reacii exo i endoter me ce

aduc gazogenul la aproximativ 1500 ºC, suficient pentr u a asigura topirea cenuii. Aceast

tem peratur ridicat asigur absena hidrocarburilor com plexe cum ar fi fenolii. Se obine o rat

de conver sie a carbonului de cir ca 90 %. Zgura curge s pre par tea inferioar a gazogenului, pe

perei, i este succesiv rcit i granulat înainte de evacuare.

Gazul de sintez br ut (cu o com poziie 59 % CO, 22 % H2 i o putere calorific inferioar de 10 600 kJ/k g) prsete gazogenul prin par tea su perioar a acestuia du p ce este

adus la 240 ºC cu ajutor ul unei cote de gaz de sintez care a fost deja filtrat i rcit în

schim btoare de cldur.





Des prf uirea gazului obinut se face în dou filtre ceramice de tip lumânare la aproximativ

240 ºC. Gazul este apoi Äs plat´ într -un scr u bber pentr u a înltura alcalii i halogenurile (NH3,

HCl, HF), care vor fi apoi tratate într -o unitate de tip Claus.

Par cur sul gazului de sintez continu în instalaia de desulf urare ±

recu perare ce folosete methyldiethanolamin (MDEA). Deoarece COS reprezint o cot

im por tant a gazului, hidroliza sa pentr u a obine H2S are loc înainte deinstalaia de

desulf urare. Desulf urarea are loc într -o coloan cu transfer de masunde H2S i o par te din CO2

sunt absorbite de soluia de MDEA, rezultând un gaz curat.

Ur meaz apoi saturarea cu abur i diluia cu azot înainte de camera de ar dere a turbinei cu

gaze. Puterea calorific inferioar a gazului la intrarea în camera de ar dere este de aproximativ 4

240 kJ/k g, având ur mtoarea com poziie de baz: 29% CO, 10,5% H2 i 52.5% N2.

3.3.4 Emisiile poluante ale IGCC Puertolano

Emisiile de NOx sunt controlate, aflându-se la un nivel foar te sczut datoritsaturrii cu abur

i diluiei cu azot înainte de com bustie.

În ceea ce privete SO2, mai mult de 99 % din sulf ul coninut în crbune este îndepr tat în

procesul de gazeificare i izolat în stare pur pentr u a fi vândut.

Zgura este evacuat prin par tea inferioar a gazogenului la aproximativ

1200ºC i este vitrificat, înglobând astfel metalele grele. Mai puin de 1 % din carbon este

eliminat pe aceast cale. Cenua zburtoare antrenat cu gazul de sintez este recir culat în

gazogen.

Dei CO2 nu este un poluant clasic, datorit problemelor de înclzire global a atmosferei

devine im por tant cunoaterea i creterea eficienei de conver sie a ciclurilor ter modinamice. În

orice caz IGCC produce o cantitate mai sczut de CO2, rapor tat la kWe produs, decât oricare

dintre centralele clasice pe crbune.





Emisiile principalilor poluani sunt prezentate în Tabelul 2.5 In ciuda folosirii unor com bustibili

cu o mare cantitate de sulf i anorganice, emisiile se situeaz su b limitele admisibile

Tabelul 2.5 Emisiile poluante (6% oxigen) pentru IGCC Puertollano

.





Bibliografie

1. Managementul resurselor energetice, Editura Tehnica, Bucuresti, 1997

2. Colectia revistei ³Energie PlusÄÃ 1992 - 1996

3.Motoiu, C. CTH - Centrale termo - si hidroelectrice. EDP, Buc. 1974

4. Manualul inginerului termotehnician, Editura Tehnica, Bucuresti, 1986

5.R.W. Haywood - Analysing of engineering cycles, Pergamon Press, Londra, 1991

6.F. J. Brooks - GE gas turbine performance characteristics, GE Mar k eting Communications,

GER ² 3567, 1993

7.G. Darie - Optimizarea ciclurilor mixte abur-gaze de speta I pentru termoficare, Teza de

doctorat, UPB, 1 9978.Colectia revistei ÄModer n Power Systems ,́ 1993 ± 1997

9. Colectia revistei ³Energ´, 1986 - 1990

10.Brown, J.G., s.a. - Centrale hidroelectrice de mare putere. Bucuresti, Editura Tehnica,

1970

11.Dumitrescu, D., s.a. - Manualul inginerului hidrotehnician. Bucuresti, Editura Tehnica,

1969

12.Priscu, R. - Constructii hidrotehnice, Bucuresti, Editura didactica si pedagogica, 1974

13. Energetica în Europa. Bucuresti, RENEL, 1995

14. Prescriptii tehnice de exploatare. Bucuresti, RENEL, 1995

15.Hoeller, H. K., Grein, H. Utilization of Water Power by Means of Hydraulic Machines

SULZER ESCHER WYSS, 1989

16. Turbines - pompes GEC Alsthom, documentatie de fir ma, 1996

17. http://www.google.ro/

18. http://ro.wikipedia.org

Tema Eu Si Marius

Documents

Transcript of Tema Eu Si Marius