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

Abstract

Σκοπός της διατριβής είναι η αξιολόγηση δύο διαφορετικών τεχνολογιών υποκατάστασης άνθρακα ως επιλογές για την εξοικονόμηση εκπομπών CO2 σε υφιστάμενους λιγνιτικούς σταθμούς. Η υποκατάσταση λιγνίτη από στερεά ανακτηθέντα καύσιμα (Solid Recovered Fuels, SRF) είναι η πρώτη τεχνολογία υποκατάστασης που εξετάζεται. Η δεύτερη τεχνολογία αφορά στην υποκατάσταση του φυσικού λιγνίτη από προξηραμένο λιγνίτη και στην ενσωμάτωση συστήματος ρευστοποιημένης κλίνης για προξήρανση λιγνίτη σε κύκλο ατμού υφιστάμενου 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 εγκατάσταση και λειτουργία συστήματος προξήρανσης σε υφιστάμενο λιγνιτικό σταθμό, δεν έχει ολοκληρωθεί ακόμα η ενσωμάτωση της τεχνολογίας προξήρανσης σε κύκλο ατμού διερευνάται μέσω υπολογισμών θερμοδυναμικού κύκλου. Η αξιολόγηση και η σύγκριση των δύο προτεινόμενων τεχνολογιών βασίζεται σε συγκεκριμένες περιβαλλοντικές, τεχνολογικές και οικονομικές παραμέτρους και μεθοδολογικά εργαλεία. Εκτός από τις πειραματικές μετρήσεις στην βιομηχανική κλίμακα, πραγματοποιούνται αριθμητικές προσομοιώσεις βασισμένες σε εργαλεία Υπολογιστικής Ρευστοδυναμικής (CFD). Μέσω των υπολογιστικών προσομοιώσεων αξιολογούνται περαιτέρω σενάρια υποκατάστασης, τα οποία δεν μπορούν να υλοποιηθούν στην πράξη. Επιπλέον διερευνήσεις στη μικρή κλίμακα, χρησιμοποιούνται υποστηρικτικά για την αξιολόγηση των πρακτικών υποκατάστασης στη βιομηχανική κλίμακα. Αναπτύσσεται ένα νέο μοντέλο καύσης για τα στερεά ανακτηθέντα καύσιμα (SRF), του οποίου η ακρίβειά πιστοποιείται με διαθέσιμα πειραματικά δεδομένα, ενώ πραγματοποιούνται δοκιμές ξήρανσης και καύσης ελληνικού λιγνίτη σε πειραματικές εγκαταστάσεις στη Γερμανία. Επιπλέον εξετάζεται η οικονομική βιωσιμότητα των προτεινόμενων τεχνολογιών και αξιολογούνται τα πρόσθετα λειτουργικά κόστη και έσοδα και το κόστος αποφυγής CO2 από την εφαρμογή των τεχνολογιών υποκατάστασης. Η συνολική αξιολόγηση υποδεικνύει ότι η εφαρμογή των δύο πρακτικών υποκατάστασης στη μεγάλη κλίμακα είναι εφικτή. 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.

Τhe thesis intends 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 Solid Recovered Fuels (SRF) produced from different fractions of mixed and mono waste streams is the first concept examined. The second concept regarded is the substitution of raw brown coal by pre-dried brown coal produced in a fluidised bed drying system to be integrated in the existing plant steam cycle. SRF co-firing is demonstrated in a 600 MWe pulverised brown coal boiler in Germany, while dry coal co-firing is demonstrated in a in a 75 MWth pulverised lignite 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 and on different analysis approaches. Apart from the large scale experimental activities numerical simulations based on Computational Fluid Dynamics (CFD) analysis are also carried out in the two boilers. Through the simulations additional co-firing modes are assessed, which cannot be realised in the large scale. Small scale investigations are also performed for the further assessment of the co-firing concepts. A dedicated model on SRF combustion is developed and validated against available lab scale data, while drying and combustion tests of Greek lignite are carried out in experimental facilities in Germany. Beyond the environmental and technological aspects investigated, the economic feasibility of the regarded coal substitution concepts is also assessed. The additional operational costs and revenues and the CO2 avoidance costs are assessed for each co-firing concept examined. The overall assessment implies that the realisation of both co-firing concepts in the large scale is feasible in the short term. Environmental, technological and economic aspects are regarded 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.