Modelowanie i organizowanie procesów przetwarzania UPS

Prezentacja na temat: "Modelowanie i organizowanie procesów przetwarzania UPS"— Zapis prezentacji:

1 Modelowanie i organizowanie procesów przetwarzania UPS
Jacek M. Łączny Polska Unia Ubocznych Produktów Spalania Konferencja Popioły z Energetyki Sopot, październik 2017

2 Bezodpadowa Energetyka Węglowa (BEW) (T
Bezodpadowa Energetyka Węglowa (BEW) (T. Szczygielski, informacja prywatna) Zakłada, że poza energią elektryczną i ciepłem wytwarzać będzie także surowce i wyroby antropogeniczne. Poprawia procesy energetyczne, aby na ich wyjściu nie było odpadów, ale surowce antropogeniczne o własnościach możliwie bliskich wymogom dla wyrobów budowlanych. Nie posiada składowisk, ale magazyny. W cyklu rocznym nie wytwarza odpadów. Konferencja Popioły z Energetyki Sopot, październik 2017

3 ZERO WASTE COAL POWER – AREAS OF BENFICIAL
T.Szczygielski Beijing, China, July 21 – 24, 2017( Konferencja Popioły z Energetyki Sopot, październik 2017

4 AREAS OF OPTIMISATION OF THE ANTHROPOGENIC MINERALS TREATMENT
T.Szczygielski Beijing, China, July 21 – 24, 2017 1. 2. 3. 4. 56. Handling and transport of fuel (ModFuel) Combustion of fuel in power boiler (ModComb) Capturing CCPs from combustion chamber to silos (ModBreak) Storage and despatching of CCPs (ModSepar) Processing in a special installation nearby the power plant (ModMix) Employing CCPs properties to CO2 capture in a dedicated installation(CaSCO) Konferencja Popioły z Energetyki Sopot, październik 2017

5 Handling and transport of fuel (ModFuel):
AREAS OF OPTIMISATION OF THE ANTHROPOGENIC MINERALS TREATMENT IN POWER ENGINEERING: ModFuel Handling and transport of fuel (ModFuel): pre-treatment of fossil fuel by crushing and homogenisation, special additions to fuel: lime from calcium carbide processing, ground burnt lime, other (as needed to modify ash properties in desirable scope); Konferencja Popioły z Energetyki Sopot, październik 2017

6 UROBEK WĘGLOWY łupek węglowy + iłowce + piaskowce
ModFuel UROBEK WĘGLOWY łupek węglowy + iłowce + piaskowce WĘGIEL HANDLOWY Qir kJ/kg Ar-17,9% Str-0,64% ODPADY GÓRNICZE Kwarc, chalcedon, opal Skalenie Łyszczyki i chloryty Węglany Kaolinit Illit Substancja organiczna Siarczki i siarczany Konferencja Popioły z Energetyki Sopot, październik 2017

7 ENERGETYCZNE PROCESY SPALANIA WĘGLA
ModFuel uboczne produkty spalania ENERGETYCZNE PROCESY SPALANIA WĘGLA UPS są naturalną pochodną składu mineralnego węgla oraz dodatków procesowych. Własności UPS są zależne od: * temperatury spalania * pochodzenia węgla * rodzaju paliwa * zmian technologii ochrony atmosfery, itd. Konferencja Popioły z Energetyki Sopot, październik 2017

8 ModFuel Konferencja Popioły z Energetyki Sopot, październik 2017

9 ModFuel Konferencja Popioły z Energetyki Sopot, październik 2017

10 ModFuel Konferencja Popioły z Energetyki Sopot, październik 2017

11 Moduł topliwości popiołu w węglu
ModFuel Moduł topliwości popiołu w węglu Moduł dla klinkieru Konferencja Popioły z Energetyki Sopot, październik 2017

12 Combustion of fuel in power boiler (ModComb):
AREAS OF OPTIMISATION OF THE ANTHROPOGENIC MINERALS TREATMENT IN POWER ENGINEERING: ModComb + ModBreak Combustion of fuel in power boiler (ModComb): optimisation of flow of air/fuel mixture in combustion chamber by balancing burners’ operation and steering primary/secondary air to control LOI in CCPs, other Capturing CCPs from combustion chamber to silos (ModBreak): breaking-up ash particles conglomerates, disintegration of ash particles by contact with water at approx. 300oC, pre-hydration and drying of particles on their way to ESP and a silo, separation of particles into a set of fractions, other Konferencja Popioły z Energetyki Sopot, październik 2017

13 Symulacja procesu spalania w kotle energetycznym
Czas przebywania cząstek popiołu w strefie wysokich temperatur rzędu kilku sekund (np. większy niż wartość optymalna dla cenosfer, tj. 200 ms). Konferencja Popioły z Energetyki Sopot, październik 2017

14 Program symulacji topliwości części mineralnej węgla
Konferencja Popioły z Energetyki Sopot, październik 2017

15 Wpływ dodatków na topliwość części mineralnej
MgO ← CaO Na2O Al2O3 Fe2O3 TiO ← K2O SO ← Mn2O3 P2O5 → SiO → Konferencja Popioły z Energetyki Sopot, październik 2017

16 Obszar optymalizacji składu popiołów dla sztucznej pucolany
CaO – MgO – SO3 Konferencja Popioły z Energetyki Sopot, październik 2017

17 Badania rentgenograficzne cenosfer
Konferencja Popioły z Energetyki Sopot, październik 2017

18 Zależność topliwości popiołu od zawartości witrynitu i inertynitu
Konferencja Popioły z Energetyki Sopot, październik 2017

19 Zależność topliwości popiołu od zawartości Fe2O3 ; Al2 O3 ; SiO2 ; CaO
Konferencja Popioły z Energetyki Sopot, październik 2017

20 Problem ustalenia optymalnego składu dla jednej technologii:
Problem optymalizacyjny Problem ustalenia optymalnego składu dla jednej technologii: Mamy n pokładów, każdy o zawartości mi składnika w i wartości wi. Przygotować strumień surowców do obiektów termicznej przeróbki węgla o możliwie największej łącznej wartości. Przestrzeń stanów: wszystkie możliwe podzbiory warstw pokładów. Wielkość przestrzeni stanów: 2n. Funkcja celu: Określić udziały masowe z poszczególnych kopalń dla uzyskania optymalnego składu wyjściowego UPS przy ograniczeniu określonej masy strumienia Konferencja Popioły z Energetyki Sopot, październik 2017

21 dla dla Formalna postać modelu to funkcja celu o standardowej postaci:
Konferencja Popioły z Energetyki Sopot, październik 2017

22 Storage and despatching of CCPs (ModSepar):
AREAS OF OPTIMISATION OF THE ANTHROPOGENIC MINERALS TREATMENT IN POWER ENGINEERING: ModSepar + ModMix Storage and despatching of CCPs (ModSepar): selective storage of varieties of CCPs, mixing with other materials, including ashes, air-separation, granulation, other Processing in a special installation nearby the power plant (ModMix); Konferencja Popioły z Energetyki Sopot, październik 2017

23 Potencjał egzergetyczny UPS
Analiza egzergetyczna zastosowana do oceny przydatności ubocznych produktów spalania, obok tradycyjnych metod, może mieć duże znaczenie przy wskazywaniu kierunków zagospodarowania i wyboru dla tego celu optymalnego procesu. Konferencja Popioły z Energetyki Sopot, październik 2017

24 Bch - egzergia chemiczna
Ogólny wzór na obliczanie egzergii chemicznej, wg prof. J. Szarguta: Bch - egzergia chemiczna ni - liczba kilomoli kolejnego związku chemicznego występującego w rozpatrywanym materiale, bn i - właściwa normalna egzergia chemiczna składnika roztworu (mieszaniny), Tn - temperatura normalna, To - temperatura bezwzględna otoczenia, dn i - entalpia dewaluacji i-tego składnika roztworu (mieszaniny), Ru - uniwersalna stała gazowa. Konferencja Popioły z Energetyki Sopot, październik 2017

25 Entalpia swobodna oraz stałe równowagi wybranych reakcji karbonizacji
Równanie reakcji chemicznej G298, kJ/mol lnK298 Portlandyt Ca(OH)2+CO2(g) = CaCO3+H2O(c) -74,61 30,11 Etringit 1/3(3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O)+CO2(g) = = CaCO3+CaSO4·2H2O+2/3Al(OH)3+23H2O(c) -42,96 17,34 Wollastonit CaO·SiO2+CO2(g) = CaCO3+SiO2 -41,18 16,62 Konferencja Popioły z Energetyki Sopot, październik 2017

26 2CaSO4 + 2Na +1/2O2 + 2H2O + CO2 → CaSO4·2H2O + CaCO3 + Na2SO4
Przykładowe reakcje z udziałem dwutlenku węgla Portlandyt: Ca(OH)2 + CO2 → CaCO3 + H2O Gips: 2CaSO4 + 2Na +1/2O2 + 2H2O + CO2 → CaSO4·2H2O + CaCO3 + Na2SO4 Ettringit: 3CaO·Al2O3·2CaSO4·32H2O + 3CO2 + SiO2 + O2 → 3CaCO CaSO4·2H2O + Al2SiO5 + 30H2O Krzemian wapnia: CaSiO3 + CO2 → CaCO3 +SiO2 Konferencja Popioły z Energetyki Sopot, październik 2017

27 Równanie kinetyczne transportu masy w układzie trójfazowym
a b c gdzie poszczególne człony określają: a - gęstość strumienia masy dopływającej do cieczy b - gęstość strumienia masy przepływającą przez warstwę ekranującą c - reakcja na powierzchni ciała stałego. natomiast: Ch - stężenie badanego związku w warstwie ekranującej (kg  m3); h - grubość warstwy ekranującej (m); CR - stężenie na powierzchni reakcji (kgm3); n - współczynnik potęgowy w kinetycznym równaniu reakcji; Konferencja Popioły z Energetyki Sopot, październik 2017

28 Ao - objętość ciała stałego, V - objętość wody,
Modelowanie procesów chemicznych z udziałem UPS Równanie kinetyczne: Ao objętość ciała stałego, V objętość wody, n współczynnik stechiometryczny (n=1), CR/CR* - stosunek najniższego ciśnienia CO w układzie do najwyższego Konferencja Popioły z Energetyki Sopot, październik 2017

29 Równanie różniczkowe bilansu masy:
Modelowanie transportu masy w barierach na bazie UPS Równanie różniczkowe bilansu masy: C - stężenie danego jonu w wodach porowych C* - ilość jonu zaabsorbowanego na jednostkę objętości CS - ilość fazy stałej związku chemicznego na jednostkę objętości t - współrzędna czasowa xi - współrzędna przestrzenna Dij - współczynnik dyspersji hydrodynamicznej Vi - średnia prędkość przepływu wód porowych Bd - gęstość warstwy  - porowatość objętościowa warstwy rxn - ogólny indeks oznaczający przebieg reakcji chemicznej między jonem związkiem chemicznym Konferencja Popioły z Energetyki Sopot, październik 2017

30 Wnioski Oczekiwania wynikające ze spełnienia postulatu gospodarki o obiegu zamkniętym w skojarzonym układzie elektrownia-kopalnia możliwe są w dużym stopniu są do zrealizowania pod następującymi warunkami: Starannej analizy jakości węgla uwzgledniającej, oprócz dotychczasowych analiz, także skład petrograficzny Organizowanie i grupowanie procesów przetwarzania UPS jest niezbędnym warunkiem ich zagospodarowania. Dotyczy to zarówno obszaru samej elektrowni jak i organizowania otoczenia zewnętrznego Optymalizacja przetwarzania ups wiąże się z wykorzystaniem ich potencjału egzergetycznego oraz modelowaniem procesów na każdym etapie przetwarzania Konferencja Popioły z Energetyki Sopot, październik 2017

31 Dziękuję za uwagę Konferencja Popioły z Energetyki
Sopot, październik 2017