Analýza a porovnanie možností výroby elektrickej energie a tepla pre proces spaľovania a splyňovania čierneho lúhu


Analýza a porovnanie možností výroby elektrickej energie a tepla pre proces spaľovania a splyňovania čierneho lúhu

Čierny lúh predstavuje jeden z obnoviteľných zdrojov energie. Typická väčšia papiereň vyprodukuje približne 1 500 až 2 000 ton čierneho lúhu za deň (s obsahom sušiny 65 – 85 % hm.), čo predstavuje približne 6 až 10 PJ energie ročne (v prepočte na hornú výhrevnosť) použitej na výrobu elektrickej energie a pary. Konštatuje sa to v práci Analýza a porovnanie možností výroby elektrickej energie a tepla pre proces spaľovania a splyňovania čierneho lúhu (Analysis and Comparison of electric energy and heat production in the combustion and gasification of black liquor) od dvojice autorov Michal Hruška a Miroslav Variny (FCHPT STU).

„Čierny lúh sa tradične spaľuje v regeneračných kotloch, v ktorých dochádza k regenerácii chemikálií aj energie. Vysokotlaková para odchádzajúca z kotla sa vedie do parnej turbíny, kde sa jej expanziou na rôzne tlakové úrovne vyrába elektrická energia. Splyňovanie čierneho lúhu spolu s kombinovaným cyklom výroby elektrickej energie a tepla by potenciálne mohlo nahradiť technológiu spaľovania, z dôvodu vyšších účinností výroby elektrickej energie a tepla. V našej práci sa zaoberáme porovnaním spaľovania čierneho lúhu s jeho splyňovaním s rôznymi variantmi nakladania so vzniknutým syntéznym plynom. Zároveň bude tiež vypočítaná aj jednoduchá návratnosť kúpy splyňovača.“

Autori príspevku ďalej uvádzajú, že viac než 70 % papiera v Európe sa vyrába chemickým (sulfátovým) spôsobom. Dôležitou súčasťou chemickej výroby papiera je podľa nich regeneračný cyklus, ktorý predstavuje ekonomické aj environmentálne výhody – regenerácia použitých chemikálií, menšie množstvo odpadov vypúšťaných do životného prostredia, úspora financií z hľadiska regenerácie chemikálií a výroby elektrickej energie. „Hlavným procesom výroby papiera chemickým spôsobom je varenie drevných štiepok spolu s varným lúhom (zmes varných chemikálií nazývaná tiež biely lúh) pri zvýšenej teplote a tlaku. Biely lúh rozpúšťa lignín, ktorý spája celulózové vlákna. Tie sa potom oddelia od lignínu a varných chemikálií a vedú sa ďalej na výrobu papiera. Zmes obsahujúca použité varné chemikálie, vodu a lignín sa nazýva slabý čierny lúh. Tento lúh sa ďalej zahusťuje v sérii odpariek s cieľom zvýšenia obsahu sušiny v čiernom lúhu z 15 % na 65 až 85 %. V súčasnosti sa čierny lúh spaľuje v regeneračných kotloch, ktoré predstavujú regeneráciu energie aj varných chemikálií. Energia zo spaľovania čierneho lúhu sa využíva na výrobu vysokotlakovej pary (tlak 4 až 10 MPa), ktorá sa vedie do kondenzačno-odberovej parnej turbíny. Expanziou pary na rôzne tlakové úrovne (10 – 12 bar pre strednotlakovú paru a 4 – 5 bar pre nízkotlakovú paru) sa v turbíne vyrába elektrická energia.“

Michal Hruška a Miroslav Variny tvrdia, že splyňovanie čierneho lúhu je vhodnou alternatívou k jeho spaľovaniu v regeneračných kotloch, pretože predstavuje výhody vo využití energetického potenciálu čierneho lúhu. „Splyňovanie je proces, pri ktorom z čierneho lúhu premenou biomasy pri vysokých tlakoch a redukčných podmienkach vzniká syntézny plyn. Existujú dva základné typy splyňovania – nízkoteplotné splyňovanie pri teplote nižšej ako je teplota tavenia anorganických solí (700 – 750 °C) a vysokoteplotné splyňovanie, ktoré prebieha pri teplotách vyšších, ako je teplota tavenia anorganických solí (nad 950 °C). Výhodou nízkoteplotného splyňovania je lepšia separácia anorganických látok v tuhom skupenstve, no nevýhodou je nižší stupeň premeny látok, čo má za následok zväčšenie veľkosti zariadenia, nedokonalú premenu uhlíka a redukciu síranov. Pri vysokoteplotnom splyňovaní je výhodou množstvo splynenej síry menšie a stupeň konverzie látok je vyšší, čiže stačí menší reaktor s menším zdržným časom. Naopak nevýhodou je, že roztavené anorganické látky v reaktore môžu spôsobovať jeho rýchlejšiu koróziu.“

Schéma spaľovania čierneho lúhu v regeneračnom kotle a parného hospodárstva

Cieľom tejto práce bolo porovnať účinnosť splyňovania čierneho lúhu voči jeho spaľovaniu na základe účinnosti výroby elektrickej energie a tepla. „Vypočítaním materiálových a energetických bilancií procesu spaľovania čierneho lúhu spolu s kogeneračnou výrobou elektrickej energie a tepla sme vypočítali množstvá nízkotlakovej a strednotlakovej pary, ktoré predstavujú potreby podniku (tieto množstvá teda musia byť dosiahnuté aj pri procese splyňovania čierneho lúhu). Porovnaním údajov je zrejmé, že pri splyňovaní čierneho lúhu je množstvo vyrobenej elektrickej energie väčšie ako pri spaľovaní. Zároveň je vidieť, že pri použití syntézneho plynu v peci na vápno je množstvo vyrobenej elektrickej energie približne o 8 MW menšie na úkor ušetreného zemného plynu. Vypočítaná jednoduchá návratnosť kúpy splyňovača oproti regeneračnému kotlu sa pre modelové ceny elektrickej energie a zemného plynu pohybuje v rozmedzí 5 až 14 rokov,“ uvádzajú autori práce v závere.

Takto dlhá návratnosť je pre investorov väčšinou neatraktívna a preto by sa v papierni rozhodli pravdepodobne pre kúpu regeneračného kotla, dodávajú. „Syntézny plyn môže byť využitý aj iným spôsobom, ako len na výrobu elektrickej energie a tepla. Môže byť použitý na vydelenie a výrobu čistého vodíka alebo biopalív, ako napríklad metanol alebo dimetyléter. Tieto metódy nakladania so syntéznym plynom môžu zvýšiť zisky, čo sa odrazí na kratšej dobe návratnosti, a teda sa celý projekt stane pre investorov atraktívnejší. Zároveň pre zníženie množstva emisií je tu možnosť zachytávania a uskladňovania oxidu uhličitého, čím sa zníži environmentálny dopad daného procesu.“

Príspevok vyšiel v rámci zborníka Študentskej vedeckej konferencie 2018 Fakulty prírodných vied UKF v Nitre a Fakulty prírodných vied UMB v Banskej Bystrici. (zborník)

Študentské vedecké konferencie sú jedinečnou príležitosťou pre študentov prezentovať výsledky svojej vedecko-výskumnej práce, vyskúšať si a zažiť jedinečnú atmosféru vedeckej konferencie a v neposlednej miere aj získať možnosť publikovať svoj prvý príspevok. Pre mnohých študentov je to možno prvá, avšak veľmi dôležitá osobná skúsenosť s vedeckým životom.

Tentokrát mali možnosť stretnúť sa študenti Fakulty prírodných vied UKF v Nitre a Fakulty prírodných vied UMB v Banskej Bystrici na spoločnej Študentskej vedeckej konferencii (ŠVK). Konferenciu hostila Fakulta prírodných vied UKF v Nitre. Študenti bakalárskeho, magisterského a prvého ročníka doktorandského štúdia úspešne prezentovali výsledky svojho výskumu v sekciách konferencie: Biológia; Ekológia a environmentalistika; Fyzika, Chémia a Matematika; Geografia a regionálny rozvoj; Informatika; Didaktika biológie, geografie; Didaktika matematiky, fyziky, informatiky a techniky.

 

Informačný a foto zdroj:

https://konferencie.ukf.sk/index.php/svk/svk2018 (september 2018)

autori príspevku: Michal Hruška – Miroslav Variny; Školiteľ: Miroslav Variny

Spracovala: Slávka Cigáňová (Habrmanová), NCP VaT pri CVTI SR

Ilustračné foto: Pixabay.com /Didgeman/

Uverejnila: VČ

Hore
Vedec roka 2018
Veda v Centre
kúpa časopisov jún 2016
Atmosféra počas TVT 2018
Publikácie Veda v CENTRE
QUARK
Aurelium - centrum vedy
FVF 2019
Prechod VK na VND - jar
TVT 2018 články
TAG Centrum vedy
TAG Mládež
TAG QUARK
TAG Ženy vo vede
TAG Spektrum vedy
TAG Slovenská veda
TAG História
TAG Rozhovor
TAG Publikácia
TAG Zaujímavosti vo vede
banner záhrady
Zaujímavosti vo vede
Kovy majú jednu veľmi veľkú výhodu, dajú sa veľmi ľahko recyklovať.
Zistite viac