Method for aiding power-unit exhaust gasses treatment process with use of thermoacoustic cooling phenomenon
Wprowadzenie
Rosnący popyt na energię elektryczną i restrykcyjne wymagania dotyczące ochrony środowiska wymuszają stosowanie zaawansowanych metod oczyszczania gazów spalinowych, stanowiących produkt uboczny procesu spalania paliw kopalnych. Stosunkowo nowym trendem w tym obszarze jest wykorzystywanie metod redukcji emisji CO2 z przemysłu energetycznego, która realizowana może być poprzez: wychwyt przed spalaniem (ang. pre-combustion), po spalaniu (ang. postcombustion) oraz pośrednio oxy-spalanie (ang. oxy-combustion). Technologie oczyszczania spalin energetycznych zdeterminowane są licznymi ograniczeniami technologicznymi oraz wymaganiami dotyczącymi ochrony środowiska. Dlatego też w tym obszarze prowadzone są szerokie badania, których celem jest zachowanie jak najwyższego możliwego poziomu efektywności produkcji energii elektrycznej i ciepła użytecznego przy jak najmniejszym negatywnym wpływie na środowisko naturalne.
Powstająca podczas spalania paliwa para wodna wpływa destrukcyjnie na parametry eksploatacyjne instalacji oczyszczania gazów, zwłaszcza układów separacji dwutlenku węgla przy zastosowaniu niektórych technologii CCS. Wpływ ten jest szczególnie widoczny dla membranowych technologii wychwytu CO2. Maksymalna zawartość CO2 w spalinach energetycznych jest uzależniona od rodzaju paliwa [1,2]. Przykładowy udział CO2 dla węgla kamiennego wynosi: 18,6÷19,2%, dla węgla brunatnego 8,7÷19,5%, a dla gazu ziemnego: 9,5÷12,5%. Dla paliw charakteryzujących się dużym stosunkiem wodoru do węgla (gaz ziemny wysokometanowy) lub dużą zawartością wilgoci w masie surowej (biomasa), udział pary wodnej w spalinach w skrajnych przypadkach może być równy udziałowi CO2 [2,3]. Udział H2O w spalinach jest tym większy im większa jest wilgotność paliwa oraz ilość opcjonalnie wtryskiwanej wody procesowej w trakcie przygotowania paliwa lub realizacji jego spalania, a także ewentualnie wprowadzanej do spalin na początkowych etapach procesu ich oczyszczania. Dlatego też, w przypadku wielu układów energetycznych zawartość wilgoci w spalinach może stanowić jedną z kluczowych trudności w powszechnej implementacji zaawansowanych technologicznie instalacji wychwytu CO2.
Z tej przyczyny celowym jest usunięcie możliwie jak najwięcej wilgoci ze strumienia spalin, aby zapewnić optymalną pracę układów oczyszczania spalin dedykowanych szczególnie metodom membranowej separacji CO2, które nabierają szczególnego znaczenia w kontekście ograniczania zmian klimatycznych.
Metody membranowej separacji wdrażane są od momentu powodzenia ,,Projektu Manhattan” w latach 40. ubiegłego stulecia. Jednakże, rozwój technologii membranowych, szczególnie membran polimerowych rozpoczął się w latach 80. ubiegłego stulecia. Przyczynił się on do szerokiej komercjalizacji tej techniki separacji [2]. Współcześnie procesy membranowe mają szerokie zastosowanie między innymi w przemyśle spożywczym, petrochemicznym oraz w procesach oczyszczania gazu ziemnego przed jego dalszym przetwarzaniem [1,2].
W pracy przedstawiono metodę wspomagania procesu membranowej separacji CO2 ze spalin energetycznych poprzez wykroplenie zawartej w nich wilgoci z wykorzystaniem ciepła procesowego, opartą o zjawisko chłodzenia termoakustycznego. Ponadto, przedstawiono wyniki wstępnej analizy obliczeniowej, dotyczących zastosowania prezentowanej metody w przykładowym układzie energetycznym i wynikających z tego rozwiązania potencjalnych korzyści
Opis technologii
Zjawisko spontanicznej emisji dźwięku wskutek nierównomiernego ogrzewania ciał stałych zostało pierwotnie zaobserwowane przez dmuchaczy szkła pod koniec XVIII wieku. Zjawisko to nazwano zjawiskiem termoakustycznym. Stanowiło ono przedmiot badań Rotta i Rayleigha, a także naukowców z Los Alamos National Laboratory w latach 80. i 90. ubiegłego wieku [4,5]. Badania te udowodniły, że zaobserwowany efekt można odwrócić – tj. możliwe jest wytworzenie gradientu temperatur w układzie na skutek propagacji fali akustycznej – oraz pozwoliły wyjaśnić mechanizm występowania tego fenomenu na drodze wymuszenia obiegu termodynamicznego zbliżonego do obiegu Stirlinga [4,6,7,8]. Istota zjawiska polega na tym, że w trakcie propagacji fali dźwiękowej małe porcje gazu ulegają kolejnym cyklom sprężenia związanego z wzrostem ich temperatury, przesunięcia, rozprężenia skutkującego ich ochłodzeniem oraz kolejnego przesunięcia [5]. Jeżeli w chwili, gdy porcje gazu są przesuwane, będą one miały kontakt cieplny z ciałem stałym o większej pojemności cieplnej, ciało to zacznie pełnić funkcję regeneracyjnego wymiennika ciepła, a kolejne cykle propagacji fali wywołają pojawienie się stałego gradientu temperatury wzdłuż wymiennika [5,8]. Stąd, elementarne urządzenie termoakustyczne, wykazujące cechy pompy ciepła lub jako chłodziarki, składa się ze źródła fali akustycznej, regeneracyjnego wymiennika ciepła oraz obudowy ograniczającej przestrzeń gazu, w którym propaguje fala akustyczna, zwanej rezonatorem [6,7].
W ubiegłych latach prowadzono szerokie badania nad zastosowaniem urządzeń termoakustycznych. Szczególnie zaawansowane badania prowadzono nad możliwością upowszechnienia technologii niskotemperaturowych chłodziarek termoakustycznych. Wśród badań tych należy wspomnieć badania prototypu chłodziarki spożywczej (119W mocy chłodniczej, minimalna temperatura – 24,6°C) przygotowanej w Penn State University oraz urządzenia dedykowanego skraplaniu gazu ziemnego na potrzeby wytwarzania LNG (7kW mocy chłodniczej, minimalna temperatura – 140°C), skonstruowanego przez badaczy z LANL. Obiecujące rezultaty ostatniego z przytoczonych eksperymentów wykazują możliwość skonstruowania wysokosprawnych urządzeń chłodniczych, dedykowanych prowadzeniu przemiany fazowej [8].
Jedną z przeszkód w powszechnej implementacji membranowych modułów, dedykowanych separacji CO2 ze spalin energetycznych, jest osiągnięcie i utrzymanie wysokiej sprawności procesu separacji gazów spalinowych bez konieczności wykorzystania wielostopniowych sekwencyjnych zestawów membranowych, zabudowanych energochłonnymi sprężarkami spalin, z których ma zostać odseparowany CO2, lub zastępujących je pomp próżniowych. Potencjalną metodą jej pokonania jest wykorzystanie zależności wzrostu parametrów procesu membranowej separacji CO2 przy redukcji udziału pary wodnej w separowanej mieszaninie gazów. W celu redukcji stopnia zawilżenia spalin wykorzystać można zjawisko chłodzenia termoakustycznego. Wskutek obniżenia temperatury spalin w chłodziarce termoakustycznej byłoby możliwe wykroplenie zawartej w nich wody. Istotne obniżenie udziału pary wodnej w spalinach powoduje wzrost parametrów procesu membranowej separacji gazów z wykorzystaniem membran polimerowych, co zostało udokumentowane na podstawie wyników badań eksperymentalnych [2].
Prezentowana metoda wspomagania procesu oczyszczania spalin zintegrowanego z separacją dwutlenku węgla polega na jednoetapowym osuszeniu spalin, pochodzących bezpośrednio ze źródła energetycznego, poprzez ich ochłodzenie do temperatury niższej od temperatury punktu rosy dla danych warunków otoczenia. Obniżenie temperatury spalin ma miejsce w jednym z wymienników zintegrowanego termoakustycznego urządzenia chłodniczego, zasilanego ciepłem procesowym w postaci spalin o wysokich parametrach. Spaliny te dostarczone są bezpośrednio ze źródła energetycznego (np. kotła). Osuszone spaliny transportowane są do sprężarki w celu podwyższenia ich ciśnienia do poziomu wymaganego do pracy modułu membranowej separacji CO2. Gazy spalinowe pod podwyższonym ciśnieniem transportowane są do modułu membranowego, wyposażonego w zestaw membran polimerowych, dedykowanych selektywnej separacji dwutlenku węgla.
Zaletami wykorzystania tej metody są: wzrost parametrów procesowych separacji (w porównaniu do wykorzystywania spalin wilgotnych) oraz redukcja energochłonności sprężarek spalin przed modułem separacji membranowej.
Przykłady zastosowania
Ze względu na relatywnie wysoką zdolność adaptacyjną urządzeń termoakustycznych [8], prezentowaną metodę zastosować można w systemach powszechnie stosowanych w blokach ciepłowniczych i elektrociepłowniach, np. układach opartych o kotły OP-140. Poglądowy schemat układu, dedykowanego do wykraplania wilgoci ze spalin z wykorzystaniem zjawiska termoakustycznego, zabudowanego w układzie kotła OP-140, przedstawiono na rys. 1.
Prezentowany układ realizuje jednoetapowe osuszenie spalin opuszczających kocioł zabudowany regeneracyjnym obrotowym podgrzewaczem powietrza (ROPP), poprzez ich ochłodzenie w chłodziarce termoakustycznej (7) poniżej temperatury punktu rosy. Chłodziarka połączona jest trwale z silnikiem termoakustycznym (9) stanowiącym jednostkę napędową. Silnik ten wykorzystuje ciepło o wysokich parametrach (T>500°C), którego źródło stanowią spaliny pobrane bezpośrednio z kanału spalinowego kotła. Literatura przedmiotu [9] dostarcza danych wykazujących, iż w obrębie kotła OP-140 spaliny charakteryzują się średnią temperaturą przekraczającą 500°C w całym obszarze komory paleniskowej i kanału spalinowego, zabudowanego przegrzewaczami pary. Dlatego też możliwy jest pobór gorących spalin z przestrzeni kanału położonej między I stopniem przegrzewacza pary a ekonomizerem (rys. 2, punkt 1, temperatura spalin 509°C [9]), co pozwoliłoby istotnie zredukować obciążenie inwestycyjne związane z ingerencją w układ kotła. Należy podkreślić, iż parowa część kotła stanowi z punktu widzenia omawianej metody odrębną instalację, co skutkuje brakiem konieczności jakiejkolwiek jej modyfikacji. Istotnym elementem układu jest układ żaluzji (8), realizujący odbiór i wyprowadzenie skroplin z ciągu spalinowego. Może on występować samodzielnie lub być zintegrowany z zimnym wymiennikiem ciepła (6) w obszarze chłodziarki. Konstrukcja żaluzji oraz materiał ich wykonania zależy od charakterystyki składu spalin oraz parametrów znamionowych układu, zwłaszcza strumienia masowego spalin oraz przewidywanego strumienia odbieranych skroplin. Osuszone spaliny podlegają sprężeniu w sprężarce układu membranowego (12), która może być zintegrowana z układem separacji lub występować samodzielnie. Wskutek zastosowania omawianej metody, brak jest konieczności odbioru ciepła ze spalin w obrębie sprężarki – wzrost temperatury spalin o kilkanaście-kilkadziesiąt stopni Celsjusza w tym elemencie układu jest korzystny z punktu widzenia parametrów pracy membran polimerowych [1,10]. Sprężone spaliny przekazywane są do separatora membranowego (13), gdzie gaz o podwyższonym stężeniu dwutlenku węgla, stanowiący permeat (14), odbierany jest do dalszej sekwestracji. Zdekarbonizowane spaliny transportowane są do dalszych instalacji oczyszczania lub bezpośrednio do komina.
Wykorzystanie w omówionym układzie dwóch urządzeń termoakustycznych – chłodziarki (7) oraz silnika (9), zintegrowanych ze sobą w pojedyncze urządzenie, obarczone jest nie tylko korzyściami, ale i szeregiem ograniczeń. Wśród najistotniejszych zalet można wymienić bezpośrednie wykorzystanie ciepła procesowego (w postaci gorących spalin) do realizacji osuszania gazów spalinowych, co jest trudne lub nawet niemożliwe do osiągnięcia w przypadku stosowania komercyjnie dostępnych układów sprężarkowych.
Ponadto, prosta konstrukcja zintegrowanego urządzenia termoakustycznego oraz zastosowanie w nim gazów chemicznie obojętnych jako mediów roboczych (np. helu) skutkuje niską awaryjnością układu, przewidywanym długim czasem eksploatacji oraz zniwelowaniem ryzyka wybuchu lub zatrucia pracowników obiektu w razie rozszczelnienia.
Należy podkreślić możliwość samoregulacji układu – mniejsze obciążenie bloku skutkuje redukcją strumienia spalin w punkcie ich poboru, co przekłada się ma obniżenie ilości ciepła przekazywanego do silnika termoakustycznego, a w konsekwencji na spadek mocy chłodziarki. Ponadto, proponowane rozwiązanie charakteryzuje się relatywnie niewielką ingerencją w pierwotny układ – kluczowe dla funkcjonowania układu zespoły urządzeń, w szczególności całość części parowej kotła oraz instalacja doprowadzenia powietrza, nie są w żaden sposób modyfikowane. Jednakże, istotnym zagadnieniem technicznym, wciąż nierozwiązanym w satysfakcjonującym stopniu, jest właściwa konstrukcja i umiejscowienie układu żaluzji (8), zapewniającej efektywny odbiór skroplin w trakcie rozruchu urządzenia i obniżenie ryzyka korozji zimnego wymiennika ciepła chłodziarki. Istotnym problemem może być także relatywnie niewielka sprawność dotychczas skonstruowanych zintegrowanych urządzeń termoakustycznych. Niska sprawność urządzeń skutkuje koniecznością odbioru znacznej ilości gorących spalin w celu zasilania silnika, aby zapewnić osiągnięcie założonego ochłodzenia strumienia spalin wylotowych. Ponadto, ograniczeniem o potencjalnie kluczowym znaczeniu jest niemożność wykorzystania spalin o wysokim stopniu zanieczyszczenia, zarówno gorących, zasilających silnik termoakustyczny (9), jak i zimnych, doprowadzonych do chłodziarki (7). Ograniczenie to wynika z konstrukcji wymienników ciepła (5,6) umieszczonych w obrębie zintegrowanego urządzenia termoakustycznego – ze względu na parametry wykorzystywanego zjawiska termoakustycznego oraz konieczność uzyskania wysokich strumieni ciepła, wymienniki te charakteryzują się najczęściej konstrukcją płytowo- żebrową lub do niej zbliżoną, z odstępami między kolejnymi płytami rzędu milimetrów lub nawet dziesiątych części milimetrów. Z tej przyczyny, możliwe są trzy warianty doprowadzenia spalin, pobranych z kotła, do zintegrowanego urządzenia termoakustycznego. W przypadku, gdy spaliny charakteryzują się wysokim udziałem pyłu lotnego, związków siarki, kropel fazy ciekłej i podobnych zanieczyszczeń, zarówno spaliny dostarczone do części silnikowej urządzenia (9), jak i części chłodniczej (7), muszą zostać odpylone i odsiarczone, czemu odpowiada przebieg odpowiednio ścieżką gorącą II (dla spalin gorących) i ścieżką III (dla spalin zimnych pobranych zza podgrzewacza powietrza). Jeżeli wykorzystywane w układzie paliwo zapewnia niską ilość pyłów lotnych, transportowanych przez spaliny, oraz brak znaczących ilości związków siarki w nich występujących, spaliny mogą zostać doprowadzone do zintegrowanego urządzenia termoakustycznego z pominięciem instalacji ich oczyszczania. Ponadto, dla spalin zimnych wyróżniono trzeci wariant doprowadzenia do układu membranowego z pominięciem układu osuszania (ścieżka I). Należy podkreślić, iż niedogodnością, związaną z zastosowaniem omawianej metody w układach wykorzystujących kotły na paliwa stałe, może być konieczność zabudowania dodatkowych sprężarek spalin gorących (15) i zimnych (16), w celu wyrównania strat ciśnienia występujących w obrębie ciągu spalinowego. Montaż sprężarek może być niezbędny ze względu na relatywnie wysokie straty ciśnienia w wymiennikach urządzeń termoakustycznych, sięgające do 25 hektopaskali [11,12].
![Rys. 1 Schemat przykładowego układu do realizacji metody wspomagania oczyszczania spalin z wykorzystaniem zjawiska chłodzenia termoakustycznego w bloku wykorzystującym kocioł OP-140 (na podst. [9]); 1 – punkt poboru gorącego strumienia spalin, 2 – „gorący” kanał spalinowy, 3 – układ odpylania spalin gorących, 4 – układ desulfuryzacji i usuwania smół spalin gorących, 5 – wymiennik ciepła zasilający silnik termoakustyczny, 6 – wymiennik ciepła zasilający chłodziarkę termoakustyczną, 7 – część chłodnicza zintegrowanego urządzenia termoakustycznego, 8 – żaluzje i odprowadzenie skroplin, 9 – część silnikowa zintegrowanego urządzenia termoakustycznego, 10 – układ odpylania spalin zimnych, 11 – układ desulfuryzacji i usuwania smół w ciągu spalin zimnych, 12 – sprężarka układu separacji membranowej, 13 – układ membranowy, 14 – odprowadzenie wychwyconego CO2, 15 – dodatkowa sprężarka spalin gorących, 16 – dodatkowa sprężarka spalin zimnych](https://informacjainstal.com.pl/wp-content/uploads/2020/02/Wspomaganie-membranowej-separacjirys1.jpg "Wspomaganie membranowej separacji,rys1")
Schemat przykładowego układu do realizacji metody wspomagania oczyszczania spalin z wykorzystaniem zjawiska chłodzenia termoakustycznego w bloku wykorzystującym kocioł OP-140 (na podst. [9]); 1 – punkt poboru gorącego strumienia spalin, 2 – „gorący” kanał spalinowy, 3 – układ odpylania spalin gorących, 4 – układ desulfuryzacji i usuwania smół spalin gorących, 5 – wymiennik ciepła zasilający silnik termoakustyczny, 6 – wymiennik ciepła zasilający chłodziarkę termoakustyczną, 7 – część chłodnicza zintegrowanego urządzenia termoakustycznego, 8 – żaluzje i odprowadzenie skroplin, 9 – część silnikowa zintegrowanego urządzenia termoakustycznego, 10 – układ odpylania spalin zimnych, 11 – układ desulfuryzacji i usuwania smół w ciągu spalin zimnych, 12 – sprężarka układu separacji membranowej, 13 – układ membranowy, 14 – odprowadzenie wychwyconego CO2, 15 – dodatkowa sprężarka spalin gorących, 16 – dodatkowa sprężarka spalin zimnych
Schemat przykładowego układu do realizacji metody wspomagania oczyszczania spalin z wykorzystaniem zjawiska chłodzenia termoakustycznego w bloku gazowo-parowym; 1 – sprężarka układu TG, 2 – komora spalania, 3 – ekspander układu TG, 4 – kocioł odzyskowy, 5 – układ wymienników ciepła kotła odzyskowego, 6 – odprowadzenie spalin, 7 – część chłodnicza zintegrowanego urządzenia termoakustycznego, 8 – żaluzje i odprowadzenie skroplin, 9 – część silnikowa zintegrowanego urządzenia termoakustycznego, 10 – sprężarka nadawy, 11 – membranowy układ separacji, 12 – odprowadzenie zdekarbonizowanych spalin, 13 – odprowadzenie spalin bogatych w CO2
Ze względu na przedstawione trudności, zastosowanie prezentowanej metody wydaje się być szczególnie korzystne w układach zasilanych gazem ziemnym (kotłach gazowych turbinach gazowych i układach gazowo-parowych), ze względu na znaczny udział pary wodnej w spalinach (w skrajnych przypadkach wynoszący do 5%mol w przeliczeniu na spaliny mokre i równy udziałowi dwutlenku węgla [13]) oraz ułatwiony dostęp do spalin o wysokich parametrach, pozwalających na wykorzystanie silnika termoakustycznego.
Na rysunku 2 zaprezentowano schemat poglądowy instalacji do realizacji omówionej metody, zaimplementowanej w obrębie układu gazowo-parowego. Analogicznie, jak w przypadku układu współpracującego z kotłem na paliwo stałe, układ składa się z co najmniej jednego zintegrowanego urządzenia termoakustycznego, składającego się z chłodziarki termoakustycznej (7) połączonej trwale z silnikiem termoakustycznym (9), układu żaluzji dedykowanych do odprowadzenia skroplin (8) oraz modułu membranowego (11) zabudowanego sprężarką nadawy (10). Wszystkie elementy układu usytuowane są w ciągu kanału spalinowego kotła odzyskowego. Należy podkreślić brak elementów instalacji, dedykowanych pierwotnemu oczyszczeniu spalin zasilających zintegrowane urządzenie termoakustyczne, umotywowany śladową zawartością lotnych pyłów i smół w spalinach, pochodzących ze spalania gazu ziemnego [13].
Wstępne badania obliczeniowe
W celu oszacowania parametrów pracy prezentowanego układu wspomagania oczyszczania spalin zintegrowanego z wychwytem CO2 poprzez wykroplenie zawartej w spalinach pary, przeprowadzono wstępną analizę obliczeniową instalacji współpracującej z przykładowym blokiem gazowoparowym. Przeanalizowany układ przedstawiono schematycznie na rys. 3.
Obliczenia przeprowadzono dla wartości charakterystycznych parametrów układu gazowo-parowego, przedstawionych w tablicy 1, oraz założonych parametrów operacyjnych zintegrowanego urządzenia termoakustycznego, zaprezentowanych w tablicy 2. Kluczowymi parametrami układu gazowo-parowego są temperatura i ciśnienie spalin za ekspanderem zespołu turbiny gazowej. Wartości wymienionych parametrów przekładają się na wartość współczynnika wnikania ciepła w obrębie silnika termoakustycznego, bezpośrednio wpływając także na jego sprawność [11] oraz możliwość przetłoczenia spalin przez wąskie kanały wymienników ciepła.
Istotną funkcję w układzie pełni zawór dławiący, którego rolą jest redukcja ciśnienia spalin za kotłem odzyskowym w celu dostosowania jego wartości do ciśnienia spalin na wylocie z gorącego wymiennika ciepła silnika termoakustycznego (rys. 2, punkt 9). Należy podkreślić, iż przedstawione parametry urządzenia termoakustycznego, przyjęto na podstawie wyników badań eksperymentalnych, przedstawionych w literaturze [11,12]. Dane te jednakże odpowiadają urządzeniom w skali laboratoryjnej – dotychczas nie przeprowadzono szerokich badań dla urządzeń w skali półprzemysłowej i przemysłowej, których wyniki pozwoliłyby na zidentyfikowanie wartości wymienionych parametrów. Istotę przeprowadzonych badań obliczeniowych stanowiło rozwiązanie układu równań, składającego się ze zdefiniowanych bilansów masy i energii strumienia spalin w sześciu charakterystycznych punktach układu, przedstawionych na rys. 3. W trakcie obliczeń, udział pary wodnej w spalinach za zimnym wymiennikiem ciepła chłodziarki termoakustycznej wyznaczano iteracyjnie. Dla uproszczenia obliczeń przyjęto, że wilgotne spaliny energetyczne o niskiej temperaturze (rys.2, punkt 6) charakteryzują się zbliżonymi właściwościami fizycznymi do powietrza wilgotnego o analogicznym stopniu zawilżenia. Założono ponadto, że sprawność procesu odbioru skroplin w obrębie układu żaluzji jest stuprocentowa.
Wartości najistotniejszych parametrów instalacji, wyznaczone na podstawie przeprowadzonej analizy, przedstawiono w tablicy 3. Przedstawione ubytki mocy i sprawności układu gazowo-parowego wyznaczono w sposób szacunkowy, w oparciu o literaturę przedmiotu [3] i dane katalogowe zespołu turbiny gazowej [15]. Należy jednak podkreślić, że prezentowane wartości tych parametrów mają charakter poglądowy.
Schemat układu poddanego wstępnej analizie obliczeniowej wraz z zaznaczonymi charakterystycznymi punktami, w których określono parametry spalin, a następnie wykorzystano w układzie równań
![Tablica 1. Założone wartości charakterystyczne układu gazowo-parowego [3,9,14]](https://informacjainstal.com.pl/wp-content/uploads/2020/02/Wspomaganie-membranowej-separacjitab1.jpg "Wspomaganie membranowej separacji,tab1")
Założone wartości charakterystyczne układu gazowo-parowego [3,9,14]
Założone parametry zintegrowanego urządzenia termoakustycznego [11,12
Rezultaty analizy obliczeniowej
Analizując wyniki przeprowadzonych badań, można stwierdzić, iż obniżenie temperatury spalin o 40°C pozwala na wykroplenie większości pary wodnej w nich zawartej. Przy wykorzystaniu prezentowanej metody obniżono udział pary wodnej w spalinach o 4,22 punktu procentowego, co stanowi ponad 84% wartości początkowej. W celu wychłodzenia spalin w przestrzeni zimnego wymiennika ciepła chłodziarki termoakustycznej, do silnika termoakustycznego dostarczono prawie 26MW mocy w postaci gorących gazów spalinowych. Wartość ta przełożyła się na strumień spalin, o zadanych parametrach wynoszący nieco ponad 42kg/s i pobierany zza ekspandera turbiny gazowej. Pobranie spalin w przedstawionej ilości, stanowiącej pośrednio funkcję sprawności zintegrowanego urządzenia termoakustycznego, skutkowało spadkiem mocy turbiny parowej, przekładającym się na szacunkowy ubytek mocy całego układu energetycznego wynoszący blisko 1,5% mocy nominalnej. Ubytek ten przełożył się na obniżenie sprawności bloku o około 1 punkt procentowy względem wartości początkowej.
Podsumowanie
Zaletą omawianej metody wspomagania procesu membranowej separacji CO2 jest uzyskanie wzrostu parametrów procesowych separacji w porównaniu do przypadku wykorzystania spalin wilgotnych, dowiedzione wynikami badań eksperymentalnych w skali laboratoryjnej. Ponadto, w przypadku wykorzystania spalin niewymagających zaawansowanych układów oczyszczania, metoda ta pozwala na zmniejszenie zużycia energii elektrycznej potrzebnej na sprężanie spalin do wysokiego ciśnienia wymaganego do optymalnej pracy procesu separacji CO2 w stosunku do spalin wilgotnych.
Prezentowana metoda wykazuje szczególnie korzyści przy aplikacji w układach zasilanych gazem ziemnym (turbinach gazowych, przemysłowych kotłach gazowych, układach gazowo-parowych), ze względu na znaczny udział pary wodnej w spalinach, brak konieczności stosowania układów ich oczyszczania oraz bezpośredni i stosunkowo łatwy dostęp do użytecznego źródła ciepła procesowego w postaci spalin o wysokiej temperaturze, pozwalających na wykorzystanie silnika termoakustycznego [16].
Na podstawie przeprowadzonych badań można wnioskować o możliwości ułatwionego zastosowania omawianej metody w układach zasilanych gazem ziemnym (szczególnie turbinach gazowych, przemysłowych kotłach gazowych, układach gazowo-parowych). Umotywowane jest to bezpośrednim dostępem do użytecznego źródła ciepła procesowego w postaci spalin o wysokiej temperaturze, pozwalających na wykorzystanie silnika termoakustycznego i wysokim udziale pary wodnej w spalinach z tych układów. Wstępne wyniki badań potwierdzają, iż wykorzystując prezentowaną metodę przy założonych parametrach eksploatacyjnych urządzenia termoakustycznego i parametrach układu gazowoparowego, można zredukować zawartość pary wodnej w spalinach o 84% (do końcowej wartości równej 0,78% H2O). Wynik ten otrzymano przy akceptowalnym obciążeniu układu energetycznego przy spadku mocy generowanej jedynie o około 1,5% mocy nominalnej. Należy jednak podkreślić, że uzyskanie takiego rezultatu w warunkach rzeczywistych uzależnione jest dostępnością spalin o ciśnieniu wystarczającym na pokrycie wysokich strat ciśnienia w wymiennikach ciepła urządzenia termoakustycznego, redukcji strat akustycznych w samym urządzeniu i maksymalizacji sprawności odbioru skroplin ze spalin.
Identyfikacja parametrów o kluczowym znaczeniu dla zapewnienia wysokiej sprawności procesu ochładzania spalin do temperatury poniżej temperatury punktu rosy oraz analiza szacunkowych parametrów procesowych dla wykorzystania metody w układach energetycznych innych typów – to obszary dedykowane przeprowadzeniu poszerzonych badań, które stanowiłyby istotny krok w dalszej analizie prezentowanej metody.
L I T E R AT U R A
[1] Kotowicz J., Janusz-Szymańska K., Wiciak G., Technologie membranowe wychwytu dwutlenku węgla ze spalin dla nadkrytycznego bloku węglowego, Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, 2015, Gliwice
[2] Wiciak G., Wpływ zawartości wilgoci w mieszaninie gazowej CO2/N2 na wybrane parametry separacji CO2 membrany polimerowej kapilarnej, Membrany i procesy membranowe w ochronie środowiska. MEMPEP 2018. XII Konferencja naukowa, 13-16 czerwca 2018 r., Zakopane
[3] Chmielniak T., Technologie energetyczne, Wydawnictwo WNT, 2013, Warszawa
[4] Hariharan N.M., Sivashanmugam P., Kasthurirengan S., Influence of stack geometry and resonator length on the performance of thermoacoustic engine, Applied Acoustics 73 (2012), s. 1052-1058
[5] Zink F., Vipperman J., Schaefer L., CFD simulation of thermoacoustic cooling, International Journal of Heat and Mass Transfer 53 (2010) s. 3940-3946
[6] Bassem M. M., Thermoacoustic Stirling Heat Pump Working as a Heater, Applied Physics Express, vol. 4, 2011, s. 107301/1-3
[7] Kikuchi R., Measurement of performance of thermoacoustic heat pump in a −3 to 160 °C temperature range, Japanese Journal of Applied Physics, vol. 54, 2015, s. 117101/1-4
[8] Grzywnowicz K., Remiorz L., Thermoacoustic cooling – numerical model of elementary device, Rynek Energii, nr 4 (141), 2017, s. 63-68
[9] Jagodzińska K., Hernik B., Pronobis M.: Analiza współspalania węgla i gazu w kotle OP 140, Energetyka gazowa 2016. Materiały VI konferencji naukowo-technicznej, 20-22 kwietnia 2016, Zawiercie, Wydawnictwo Instytutu Maszyn i Urządzeń Energetycznych, 2016, s. 231-244
[10] Janusz-Szymańska K., Wpływ membranowej separacji CO2 na efektywność nadkrytycznego bloku węglowego, rozprawa doktorska, Politechnika Śląska, 2010, Gliwice
[11] Spoelstra S., THermoAcoustic Technology for Energy Applications (THATEA) Project Final Report, Energy Research Centre of the Netherlands, 2012, Petten
[12] Tijani M.E.H., Loudspeaker-driven thermoacoustic refrigeration, rozprawa doktorska, Eindhoven University of Technology, 2001, Eindhoven
[13] Pavri R., Moore G.D., Gas Turbine Emissions and Control, GE Energy Services, 2001, Atlanta
[14] Topolski J., Badur J., Efficiency of HRSG within a Combined Cycle with gasification and sequential combustion at GT26 Turbine, Instytut Maszyn Przepływowych, 2000, Gdańsk
[15] SGT-8000H gas turbine series – proven in commercial operations, broszura informacyjna Siemens AG [dostęp online dn. 1.09.2018r], https://www.siemens.com/global/ en/home/products/energy/power-generation/ gas-turbines/sgt5-8000h.html#!/
[16] Wiciak G., Grzywnowicz K., Remiorz L.: Metoda wspomagania oczyszczania energetycznych gazów spalinowych z wykorzystaniem zjawiska chłodzenia termoakustycznego – wybrane zagadnienia, Międzynarodowa XIII Konferencja Kotłowa ICBT Poland 2018, 23-26.10.2018r, Szczyrk