Υποκατάσταση γαιάνθρακα από εναλλακτικά και υποστηρικτικά καύσιμα σε λέβητες κονιοποιημένου καυσίμου για τη μείωση εκπομπών CO₂
Authors: Αγρανιώτης Μιχαήλ 
Published: January 2014

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.