Υποκατάσταση γαιάνθρακα από εναλλακτικά και υποστηρικτικά καύσιμα σε λέβητες κονιοποιημένου καυσίμου για τη μείωση εκπομπών CO₂

Abstract

Scope of the present thesis is to assess the potential of two different brown coal substitution concepts as possible options to reduce CO₂ emissions in existing pulverised brown coal power plants. The substitution of brown coal by alternative fuels is the first concept examined. Alternative fuels are non-fossil fuels with a high biogenic share. Agricultural or forest residues, which are fully biogenic, as well as waste derived fuels, which may have a high biogenic content, are considered as alternative fuels. In the present work a particular category of waste derived fuels, the Solid Recovered Fuels (SRF), which possess specific quality characteristics, are investigated. The second concept regarded is the substitution of raw brown coal by pre-dried brown coal, which is considered as supporting fuel and the respective integration of a fluidised bed drying system in the existing plant steam cycle. The first concept is demonstrated in a 600 MWₑ pulverised brown coal boiler in Germany, while dry coal co-firing is demonstrated in a 75 MWth brown coal boiler in Greece. Since the integration of a brown coal pre-drying system in an existing power plant utilising low temperature steam, has not been fully demonstrated in the large scale yet, the particular concept is investigated by thermal cycle calculations. The evaluation and comparison of the two concepts proposed is based on specific environmental, technological and economical parameters. In order to assess the performance of the two co-firing concepts in respect with the decided criteria, different analysis approaches are used. Apart from the large scale experimental activities numerical simulations based on Computational Fluid Dynamics (CFD) analysis are also carried out for the two boilers. Through the simulations additional co-firing modes are assessed, which cannot be realised in the large scale. Different injection locations for the alternative fuel are numerically examined in the case of the 600 MWₑ boiler, while the numerical investigations of the 75 MWth boiler focus on the evaluation of the boiler’s combustion behaviour under elevated dry coal co-firing thermal shares. Thermodynamic calculations are also carried out, so as to assess the expected plant efficiency increase by the integration of the fluidized bed drying concept in an existing Greek power plant. The conducted small scale investigations are used as supporting work for the assessment of the co-firing concepts in the large scale. A dedicated model on SRF combustion is developed and validated against available lab scale data. The SRF combustion model is further used in the co-firing simulations of the industrial boiler. Lignite drying tests are also carried out in a lab scale fluidised bed dryer, in order to evaluate the drying behaviour of Greek lignite in comparison with the Rhenish one. An extensive experimental campaign on Greek pre-dried lignite combustion is carried out in a 1 MWth experimental combustor. The experimental campaign is accompanied by numerical simulations and the simulation results are compared with the available experimental data. The simulation set up is used then in the large scale dry coal co-firing simulations. Beyond the environmental and technological aspects investigated, the economic feasibility of the regarded coal substitution concepts is also assessed by economic performance indices. The additional costs and revenues expected by applying SRF or dry lignite co-firing in the large scale are presented and compared. The respective CO₂ avoidance costs are calculated for each concept and economic indices are used for the evaluation of both co-firing scenarios in terms of return on investment. The overall assessment implies that the realisation of both co-firing concepts in the large scale is feasible. Environmental, technical and economic aspects are thoroughly studied. Co-firing of alternative fuels in low thermal shares in existing boilers may be applied without negative impact on the boiler’s operational behaviour or environmental performance. Some technological aspects have to be further examined, in order to assure the reliable boiler operation under continuous co-firing conditions. The control of chlorine induced corrosion at the boiler’s heat exchanger surfaces through online monitoring tools and a continuous monitoring system of alternative fuel’s quality are the recommended practices towards this direction. Considering the economic potential of SRF co-firing it is regarded as a highly profitable investment with a short payback period, due to the subsidized electricity price and the zero fuel price and has a considerable potential for reduction of CO₂ emissions. The integration of a pre-drying concept in existing lignite power plants and the implementation of dry lignite co-firing is a more complex application, which requires increased efforts on careful planning and detailed engineering. A considerable reduction in CO₂ emissions may be achieved, if elevated co-firing thermal shares up to 25% are applied. The boiler’s combustion behavior is influenced in this way in terms of furnace temperature distribution, emissions and heat balance. The performed investigations on pre-dried lignite co-firing in the case of a Greek power plant showed that large scale implementation of pre-dried lignite co-firing is feasible without specific negative impacts in terms of environmental or technological aspects. Expected changes in the boiler’s heat balance may influence the overall mass balance of the power plant; a positive effect is however expected from this change, i.e. the increase of plant efficiency. The increase tendency of NOₓ emissions has to be mitigated by a rearrangement of the firing system and the application of increased air staging conditions. From an economic point of view, the financial evaluation of the pre-drying concept indicates that it is not suitable as a retrofitting option for aged power plants, due the long investment payback period. It should be more regarded as an option to increase plant efficiency in new power plants or even in projects that are still in the design phase. Considerable reductions of the additional investment costs may be achieved through the effective dimensioning of the conventional milling and drying system in respect of dry lignite co-firing and the fluidised bed dryer operation. Concluding, the evaluation and comparison of two different coal substitution practices is attempted in the present thesis. Environmental, technological and economic aspects are taken into account and several parameters are used as evaluation indices. No final result for or against a particular technology may come out from this detailed analysis. The identification and in depth investigation of positive or problematic aspects of both concepts should be considered as the main contribution of this work.

Ο σκοπός της παρούσας διατριβής είναι η αξιολόγηση δύο διαφορετικών τεχνολογιών υποκατάστασης άνθρακα ως επιλογές για την εξοικονόμηση εκπομπών CO₂ σε υπάρχοντες λιγνιτικούς σταθμούς. Η υποκατάσταση λιγνίτη από εναλλακτικά καύσιμα είναι το πρώτο τεχνολογικό σενάριο υποκατάστασης που εξετάζεται. Εναλλακτικά καύσιμα θεωρούνται τα μη ορυκτά καύσιμα με υψηλό βιογενές μέρος. Τα γεωργικά και δασικά υπολείμματα που είναι πλήρως βιογενή, όπως και τα ανακτηθέντα από απορρίμματα καύσιμα που είναι σε μεγάλο μέρος βιογενή λογίζονται ως εναλλακτικά καύσιμα. Στην παρούσα εργασία εξετάζεται μία συγκεκριμένη κατηγορία των καυσίμων από απορρίμματα, τα στερεά ανακτηθέντα καύσιμα (Solid Recovered Fuels, SRF), τα οποία έχουν συγκεκριμένα ποιοτικά χαρακτηριστικά. Η δεύτερη τεχνολογία αφορά στην υποκατάσταση του φυσικού λιγνίτη από προξηραμένο λιγνίτη, που θεωρείται ως υποστηρικτικό καύσιμο, και την ενσωμάτωση του αντίστοιχου συστήματος ρευστοποιημένης κλίνης για προξήρανση λιγνίτη στον υπάρχοντα κύκλο ατμού του υπό εξέταση λιγνιτικού σταθμού. Η επιδεικτική δράση υποκατάστασης λιγνίτη από SRF λαμβάνει χώρα σε γερμανικό λέβητα κονιοποιημένου λιγνίτη εγκατεστημένης ισχύος 600 MWₑ ενώ η υποκατάσταση φυσικού λιγνίτη από προξηραμένο λαμβάνει χώρα σε ελληνικό λέβητα εγκατεστημένης ισχύος 75 MWth. Εφόσον η επιδεικτική δράση του συστήματος προξήρανσης σε υπάρχοντα λιγνιτικό σταθμό, δεν έχει ολοκληρωθεί ακόμα η ενσωμάτωση της τεχνολογίας προξήρανσης σε υπάρχοντα κύκλο ατμού θα διερευνηθεί μέσω υπολογισμών θερμοδυναμικού κύκλου. Η αξιολόγηση και η σύγκριση των δύο προτεινόμενων τεχνολογιών βασίζεται σε συγκεκριμένες περιβαλλοντικές, τεχνολογικές και οικονομικές παραμέτρους. Για να αξιολογηθούν οι επιδόσεις των δύο τεχνολογιών σε σχέση με τα δεδομένα κριτήρια, χρησιμοποιούνται διαφορετικά μεθοδολογικά εργαλεία. Εκτός από τις πειραματικές μετρήσεις στην βιομηχανική κλίμακα, πραγματοποιούνται και για τους δύο υπό εξέταση λέβητες αριθμητικές προσομοιώσεις βασισμένες σε εργαλεία Υπολογιστικής Ρευστοδυναμικής (CFD). Μέσω των υπολογιστικών προσομοιώσεων αξιολογούνται περαιτέρω σενάρια υποκατάστασης, τα οποία δεν μπορούν να υλοποιηθούν στην πράξη. Διαφορετικές θέσεις εισόδου εξετάζονται για την περίπτωση των στερεών ανακτηθέντων καυσίμων (SRF), ενώ για την περίπτωση μικτής καύσης ξηρού λιγνίτη με φυσικό εξετάζεται η επίδραση αυξημένων ποσοστών θερμικής υποκατάστασης στη συμπεριφορά καύσης στο λέβητα. Ακόμη, μέσω θερμοδυναμικών υπολογισμών εκτιμάται η δυνητική αύξηση του βαθμού απόδοσης υπάρχοντος λιγνιτικού σταθμού με την ενσωμάτωση του ξηραντήρα ρευστοποιημένης κλίνης στον υπάρχοντα κύκλο ατμού. Οι πραγματοποιθείσες διερευνήσεις σε μικρή κλίμακα, χρησιμοποιούνται υποστηρικτικά για την αξιολόγηση των πρακτικών υποκατάστασης στη βιομηχανική κλίμακα. Ένα νέο μοντέλο καύσης για τα στερεά ανακτηθέντα καύσιμα (SRF) αναπτύσσεται. Η ακρίβεια των προλέξεων του μοντέλου πιστοποιείται με διαθέσιμα πειραματικά δεδομένα από εγκατάσταση καύσης εργαστηριακής κλίμακας. Το αναπτυχθέν μοντέλο χρησιμοποιείται στη συνέχεια στις υπολογιστικές προσομοιώσεις μικτής καύσης SRF και λιγνίτη στο βιομηχανικό λέβητα. Δοκιμές ξήρανσης λιγνίτη πραγματοποιούνται σε ξηραντήρα ρευστοποιημένης κλίνης εργαστηριακής κλίμακας, με σκοπό την εκτίμηση της συμπεριφοράς ξήρανσης ελληνικού λιγνίτη σε σύγκριση με το λιγνίτη από την περιοχή της Βόρειας Ρηνανίας Βεστφαλίας. Παρουσιάζονται στη συνέχεια τα αποτελέσματα από σειρά πειραμάτων με καύση ελληνικού προξηραμένου λιγνίτη σε πειραματική εγκατάσταση καύσης ισχύος 1 MWth. Ακολουθεί η αριθμητική προσομοίωση της εγκατάστασης και τα αποτελέσματα της προσομοίωσης συγκρίνονται με τα υπάρχοντα πειραματικά δεδομένα. Οι παράμετροι της προσομοίωσης που επιβεβαιώθηκαν από τα πειραματικά δεδομένα χρησιμοποιούνται έπειτα στις προσομοιώσεις μικτής καύσης ξηρού λιγνίτη με φυσικό στη βιομηχανική κλίμακα. Πέρα από τις περιβαλλοντικές και τεχνολογικές παραμέτρους που εξετάζονται, αξιολογείται και η οικονομική βιωσιμότητα των προτεινόμενων τεχνολογιών μέσω δεικτών απόδοσης. Τα επιπλέον κόστη και έσοδα από την εφαρμογή μικτής καύσης SRF ή ξηρού λιγνίτη σε υπάρχοντα θερμικό σταθμό παρουσιάζονται και συγκρίνονται. Το κόστος αποφυγής CO₂ υπολογίζεται για κάθε τεχνολογία και οικονομικοί δείκτες χρησιμοποιούνται για την αξιολόγηση των δύο τεχνολογιών από την σκοπιά της οικονομικότητας και της απόδοσης της επένδυσης. Η συνολική αξιολόγηση υποδεικνύει ότι η εφαρμογή των δύο πρακτικών υποκατάστασης στη μεγάλη κλίμακα είναι εφικτή. Περιβαλλοντικές, τεχνολογικές και οικονομικές πτυχές εξετάζονται συστηματικά. Η μικτή καύση εναλλακτικών καυσίμων σε χαμηλά ποσοστά θερμικής υποκατάστασης σε υπάρχοντες λέβητες μπορεί να εφαρμοστεί χωρίς επίπτωση στην λειτουργική συμπεριφορά του λέβητα ή την περιβαλλοντική του επίδοση Συγκεκριμένα τεχνικά ζητήματα πρέπει να εξεταστούν με σκοπό να διασφαλιστεί η ασφαλής λειτουργία ενός λέβητα σε περίπτωση συνεχούς λειτουργίας σε συνθήκες μικτής καύσης με SRF. Ο έλεγχος των φαινομένων διάβρωσης λόγω χλωρίου στις επιφάνειες των εναλλακτών θερμότητας μέσω μετρητικών ληπτών συνεχούς καταγραφής και η διασφάλιση ποιότητας του καυσίμων είναι οι προτεινόμενες πρακτικές προς αυτή την κατεύθυνση. Σχετικά με την οικονομική βιωσιμότητα ενός σεναρίου μικτής καύσης λιγνίτη και SRF, αυτό θεωρείται ως επικερδές επενδυτικό σενάριο με μικρή περίοδο αποπληρωμής, λόγω της επιδοτούμενης τιμής ηλεκτρικής ενέργειας και του μηδενικού κόστους καυσίμου, ενώ επίσης κατέχει και σημαντικό δυναμικό για την μείωση των εκπομπών CO₂. Η ενσωμάτωση της τεχνολογίας προξήρανσης σε υπάρχοντα λιγνιτικά εργοστάσια και η μικτή καύση ξηρού λιγνίτη με φυσικό είναι μια πιο περίπλοκη εφαρμογή με αυξημένες απαιτήσεις στον αρχικό σχεδιασμό και την τελική μελέτη του συστήματος. Μια σημαντική μείωση σε εκπομπές CO₂ μπορεί να επιτευχθεί, εάν εφαρμοστούν υψηλά θερμικά ποσοστά υποκατάστασης έως 25%. Η συμπεριφορά καύσης στο λέβητα επηρεάζεται με αυτόν τον τρόπο όσον αφορά την κατανομή της θερμοκρασίας στο θάλαμο καύσης, τις εκπομπές ρύπων και το θερμικό ισοζύγιο. Η πραγματοποιθείσα διερεύνηση για τη περίπτωση των ελληνικών λιγνιτικών σταθμών καταδεικνύει ότι η εφαρμογή της συγκεκριμένης τεχνολογίας στη βιομηχανική κλίμακα είναι εφικτή χωρίς συγκεκριμένες αρνητικές επιπτώσεις σε σχέση με περιβαλλοντικές ή τεχνολογικές πτυχές. Οι αναμενόμενες αλλαγές στο θερμικό ισοζύγιο του λέβητα μπορούν να επηρεάσουν το θερμικό ισοζύγιο σε ολόκληρο το σταθμό, που εκτιμάται ότι θα οδηγήσει σε αύξηση του βαθμού απόδοσης. Η τάση αύξησης εκπομπών NOₓ πρέπει να ελεγχθεί και να μειωθεί με τον ανασχεδιασμό του συστήματος καύσης και την εφαρμογή αυξημένης διαβάθμισης στον αέρα καύσης. Από οικονομική σκοπιά, η οικονομική αξιολόγηση της τεχνολογίας προξήρανσης υποδεικνύει ότι αυτή δεν είναι κατάλληλη ως επιλογή μετασκευής σε υφιστάμενους λιγνιτικούς σταθμούς μεγάλης ηλικίας, λόγω της απαιτούμενης μεγάλης περιόδου αποπληρωμής κεφαλαίου. Θα πρέπει να θεωρείται περισσότερο ως επιλογή βελτίωσης του βαθμού απόδοσης σε νέους σταθμούς ή ακόμα σε νέα έργα υπό σχεδιασμό. Στο στάδιο σχεδιασμού είναι δυνατό να επιτευχθούν σημαντικές μειώσεις στο συνολικό κόστος επένδυσης μέσω της αποτελεσματικής διαστασιολόγησης των συμβατικών συστημάτων άλεσης και ξήρανσης λαμβάνοντας υπόψη τη λειτουργία του ξηραντήρα ρευστοποιημένης κλίνης και του συστήματος καύσης ξηρού λιγνίτη. Εν κατακλείδι, στην παρούσα διατριβή επιχειρείται η αξιολόγηση και σύγκριση δύο διαφορετικών πρακτικών υποκατάστασης λιγνίτη. Περιβαλλοντικές, τεχνολογικές και οικονομικές πτυχές λαμβάνονται υπόψη και διαφορετικές παράμετροι χρησιμοποιούνται ως δείκτες αξιολόγησης. Από τη συγκεκριμένη ανάλυση δεν μπορεί να προκύψει κάποιο αποτέλεσμα υπέρ ή κατά μίας τεχνολογίας. Ο εντοπισμός και η σε βάθος διερεύνηση των θετικών και προβληματικών ζητημάτων που προκύπτουν από αυτές τις πρακτικές υποκατάστασης αποτελούν την κύρια προσφορά της συγκεκριμένης εργασίας.