Model obliczania efektów ekonomicznych ze wspólspalania mieszanek paliwowych wegiel i odpadki drzewne spalanie ...
[ Pobierz całość w formacie PDF ]
POLITYKA ENERGETYCZNA
Tom 9
Zeszyt specjalny
2006
PL ISSN 1429-6675
Andrzej K
ROWIAK
*, Krzysztof S
TAÑCZYK
**, Marek B
IENIECKI
***
Model obliczania efektów ekonomicznych
ze wspó³spalania mieszanek paliwowych
wêgla kamiennego i odpadów drzewnych
S
TRESZCZENIE
. W artykule przedstawiono metodê oraz model matematyczny liczenia efektywnoœci
ekonomicznej zastosowania mieszanek wêgla i odpadów drewna dla celów energetycznych.
W modelu tym, jako zmienne wystêpuj¹: parametry jakoœciowe i cena wêgla, cechy charak-
terystyczne odpadów drewna, koszty pozyskania odpadów drewna, sprawnoœæ energetyczna
kot³a oraz sprawnoœæ instalacji odpylania. Analizy wariantowe prowadzi siê dla ró¿nych
proporcji wêgla kamiennego i odpadów drewna w mieszance paliwowej oraz dla ró¿nych
zawartoœci wilgoci w odpadach drewna. Wynikiem obliczeñ s¹: koszty graniczne pozyskania
odpadów drewna, przy których efekt ekonomiczny równa siê zero oraz korzyœci ekonomiczne
z zastosowania mieszanek przy ró¿nych cenach pozyskania odpadów drewna.
S
£OWA KLUCZOWE
: paliwa, kocio³, koszt, model matematyczny
Wprowadzenie
Od kilku dobrych lat w prasie specjalistycznej oraz na konferencjach naukowych pro-
wadzi siê dyskusje nad wprowadzaniem do energetyki zawodowej mieszanek paliwowych
zawieraj¹cych oprócz wêgla kamiennego równie¿ i biomasê. W praktyce, w wybranych
* Dr in¿., ** Doc. dr hab. in¿., *** Mgr in¿. — G³ówny Instytut Górnictwa, Katowice.
Recenzent: prof. dr hab. in¿. Wies³aw
BLASCHKE
343
przypadkach, stosuje siê ju¿ takie mieszanki w energetyce zawodowej. Szczególnie obiev-
cuj¹cym sk³adnika mieszanek paliwowych wydaj¹ siê odpadki drewna. Z jednej strony s¹
one na razie relatywnie ³atwo dostêpne i nie wymagaj¹ finezyjnych technologii ich przy-
gotowania do wspó³spalania, a z drugiej stanowi¹ paliwo odnawialne. Ten drugi aspekt jest
szczególnie istotny w kontekœcie stawiania energetyce wymogów produkcji czêœci energii
cieplnej i elektrycznej ze Ÿróde³ odnawialnych.
Oprócz aspektów ekologicznych i technologicznych przygotowania mieszanek pali-
wowych bardzo wa¿nym staje siê efekt ekonomiczny, czyli wskazanie granicy op³acalnoœci
kosztowej stosowania takich mieszanek paliwowych. Dla celów niniejszego artyku³u wpro-
wadzono dwa pojêcia:
Koszt pozyskania
okreœla siê jako sumaryczny koszt zakupu, transportu oraz przygo-
towania komponentu (w tym przypadku odpadów drewna) do spalania.
Koszty graniczne
definiowane s¹ jako suma
kosztu pozyskania
1 Mg komponentu do
mieszanek energetycznych. Przy jego obliczaniu uwzglêdnia siê nie tylko koszt pozyskania
odpadów drewna, ale równie¿ odchylenia jednostkowych op³at za korzystanie ze œrodowiska
wynikaj¹ce ze spalania mieszanek energetycznych w stosunku tylko do spalania wêgla.
Koszt graniczny okreœla koszt maksymalny pozyskania komponentu jaki mo¿na ponieœæ,
aby uzyskaæ efekt ekonomiczny równy 0.
W niniejszym artykule opisano model matematyczny wyliczania kosztów granicznych
oraz oszczêdnoœci ekonomicznych z zastosowania mieszanek paliwowych. Przedstawiono
równie¿ przyk³adowe wyniki obliczeñ wykonane w oparciu o ten model.
Opis metody liczenia oraz wyniki obliczeñ
Analiz¹ objêto mieszanki wêgla kamiennego z odpadami drewna. Rozpatrywano pro-
porcje udzia³u komponentów w mieszance w przedziale od 0 do 21% wielkoœci wagowej,
z podzia³k¹ co 1%. Uwzglêdniano równie¿ wilgotnoœæ odpadów drewna w przedziale od 10
do 60% wartoœci wagowej, z podzia³k¹ co 10%.
Dla emisji zanieczyszczeñ analizowano wielkoœæ emisji i koszty op³at œrodowiskowych
dla: py³ów, dwutlenku wêgla, dwutlenku siarki, tlenków azotu.
Algorytm obliczeñ sk³ada siê z nastêpuj¹cych kroków:
bilanse energii,
bilanse emisji zanieczyszczeñ (py³y, dwutlenek wêgla, dwutlenek siarki, tlenki azotu),
obliczanie op³at œrodowiskowych,
obliczanie odchyleñ op³at œrodowiskowych przy wspó³spalaniu mieszanek paliwowych
w odniesieniu do spalania tylko wêgla kamiennego,
obliczenia kosztów granicznych pozyskania odpadów drewna,
obliczenia efektów ekonomicznych przy wspó³spalaniu mieszanek energetycznych przy
zak³adanych ró¿nych kosztach pozyskania odpadów drewna.
Do obliczeñ symulacyjnych przyjêto nastêpuj¹ce parametry wêgla kamiennego: wartoœæ
opa³owa Q
r
i
= 22 870 kJ/kg, zawartoϾ siarki w stanie roboczym S
r
t
= 0,71%, zawartoϾ
344
popio³u w stanie roboczym A
r
= 15,25%, zawartoœæ pierwiastka wêgla w stanie roboczym c
r
= 58,68%.
Za³o¿ono nastêpuj¹ce parametry wyjœciowe odpadów drewna: wilgotnoœæ 10%, zawar-
toœæ wodoru h = 6%, ciep³o spalania Q = 18 000 kJ/kg, wartoœæ opa³owa Q
r
i
= 16 445,9 kJ/kg.
Przyjêto równie¿, ¿e:
zawartoœæ czêœci palnych w odpadach paleniskowych unoszonych do atmosfery – 25%;
sprawnoœæ cieplna kot³a brutto
k
= 92%,
sprawnoϾ instalacji odpylania spalin
odp
= 92%,
zawartoϾ siarki w drewnie wynosi 0,71%,
cena zakupu wêgla wraz z transportem wynosi 184 z³/Mg,
stawka jednostkowa op³aty œrodowiskowej za emisjê py³ów wynosi 0,27 z³/kg,
stawka jednostkowa op³aty œrodowiskowej za emisjê dwutlenku wêgla wynosi 0,00022 z³/kg,
stawka jednostkowa op³aty œrodowiskowej za emisjê dwutlenku siarki wynosi 0,41 z³/kg,
stawka jednostkowa op³aty œrodowiskowej za emisjê NOx wynosi 0,41 z³/kg,
dla mieszanek energetycznych wêgla i odpadów drzewnych przyjmowano, ¿e czêœæ
emisji dwutlenku wêgla wynikaj¹cej ze spalania drewna wynosi 0 (energia zielona).
Bilanse energii
W obliczeniach zastosowano nastêpuj¹ce wzory:
PP W
r
a a
(
100
) /
100
(1)
gdzie:
P
r
— sk³ad masowy poszczególnych sk³adników paliwa – zawartoœæ wilgoci, wodoru, siarki
pierwiastka wêgla, ciep³o spalania w stanie roboczym [%],
P
a
— zawartoœæ wilgoci, siarki pierwiastka wêgla, ciep³o spalania w stanie analitycznym [%],
W
a
— zawartoœæ wilgoci higroskopijnej (analitycznej) [%].
Q
r
i
=
Q
a
i
(100 –
W
a
)/100 – 24,42
W
a
(2)
gdzie:
Q
r
i
— wartoœæ opa³owa w stanie roboczym [kJ/kg],
Q
a
i
— wartoœæ opa³owa w stanie analitycznym [kJ/kg].
Q
a
i
=
Q
a
s
– 24,42
(8,94
H
a
+
W
a
)
(3)
gdzie:
Q
a
s
— ciep³o spalania w stanie analitycznym [kJ/kg],
H
a
—zawartoœæ wodoru w stanie analitycznym [%].
Wyliczenia jednostkowej wartoœci opa³owej drewna w stanie roboczym liczonej w kJ/kg,
w zale¿noœci od zawartoœci wilgoci, zawiera tabela 1. W tabelach 2 podano bilans energii
u¿ytkowej powstaj¹cej przy spalaniu 1 Mg mieszanki wêgla i odpadów drewna — przy
ró¿nych proporcjach komponentów i dla ró¿nych zawartoœci wilgoci w drewnie. Ilustracjê
graficzn¹ zale¿noœci z tabel 2 pokazano na rysunku 1.
345
Bilanse emisji zanieczyszczeñ (py³y, dwutlenek wêgla, dwutlenek
siarki, tlenki azotu)
W obliczeniach wielkoœci emisji zanieczyszczeñ do atmosfery wykorzystano nastê-
puj¹ce wzory:
E
co
2
=
ICO2
B
(4)
ICO
2=(
M
CO2
/
M
c
)
(
c
r
–
c
odp.pal
)
(5)
c
odp.pal
=
a
A
r
c
œ
r
/(100 –
c
œr
)
(6)
gdzie:
E
co
2
— wielkoœæ emisji dwutlenku wêgla [Mg],
ICO
2 — wskaŸnik emisji dwutlenku wêgla (dla wêgla kamiennego: 3,677 c
r
, dla odpadów
drewna 0) [kg/Mg],
B
— zu¿ycie danego sk³adnika paliwa [Mg],
M
CO
2
— masa cz¹steczkowa dwutlenku wêgla,
M
c
— masa cz¹steczkowa wêgla,
c
r
— zawartoœæ pierwiastka wêgla w paliwie,
c
odp.pal
— zawartoœæ pierwiastka wêgla w odpadach paleniskowych,
a
— wspó³czynnik kontrakcji popio³u (dla wêgla kamiennego: 0,9, dla drewna 0,65),
Ar
— zawartoœæ popio³u w paliwie w stanie roboczym [%],
c
œr
— zawartoœæ pierwiastka wêgla w mieszaninie ¿u¿la i popio³u lotnego [%].
E
SO
2
=
IS
B
(7)
gdzie:
IS
— wskaŸnik emisji dwutlenku siarki (dla wêgla kamiennego i odpadów drewna: 16*S
r
)
[kg/Mg],
S
r
— zawartoœæ siarki ca³kowitej [%].
E
NO
X
=
IN
B
(8)
gdzie:
E
NO
X
— wielkoœæ emisji tlenków azotu,
IN
— wskaŸnik emisji tlenków azotu (dla wêgla kamiennego 4, dla drewna 2) [kg/Mg],
B
— zu¿ycie danego sk³adnika paliwa [Mg].
(
E
py³ wk
=
IP
wk
B
(100 –
odp
)/(100 –
k
)
(9)
gdzie:
E
py³ wk
— wielkoœæ emisji py³ów,
Ip
wk
— wskaŸnik emisji py³ów (dla wêgla kamiennego: 2,5*A
r
, dla drewna 15) [kg/Mg],
B
— zu¿ycie danego sk³adnika paliwa [Mg],
A
r
— zawartoœæ popio³u w stanie roboczym [%].
Jednostkowe emisje zanieczyszczeñ liczone w odniesieniu do 1 GJ wytworzonej energii
podaj¹ odpowiednio tablice: dla emisji py³ów — tabele 3, dla emisji dwutlenku wêgla —
tabele 4, dla emisji dwutlenku siarki — tabele 5 i dla tlenków azotu — tabele 6.
346
Obliczanie op³at œrodowiskowych
Sumaryczne jednostkowe op³aty w z³otych za emisjê ze spalania mieszanki wêgla i od-
padów drzewnych w przeliczeniu na 1 GJ wytworzonej energii przedstawiono w tabelach 7.
Obliczanie odchyleñ op³at œrodowiskowych przy wspó³spalaniu mieszanek paliwowych
w odniesieniu do spalania tylko wêgla kamiennego.
W tabelach 8 zawarte s¹ odchylenia sumarycznej jednostkowej op³aty œrodowiskowej za
emisjê ze spalania mieszanki wêgla i odpadów drzewnych liczone w z³/GJ wytworzonej
energii. Wartoœci ujemne oznaczaj¹ korzyœæ ekonomiczn¹ powstaj¹c¹ przy spalaniu mie-
szanek w porównaniu do spalania tylko wêgla. Przebiegi zmiennoœci odchyleñ podanych
w tabelach 8 pokazano na rysunku 2.
Obliczenia kosztów granicznych pozyskania odpadów drewna
Koszty graniczne pozyskania odpadów drewna przy spalaniu mieszanki wêgla i od-
padów drzewnych, wyliczane w z³/Mg, dla ró¿nych proporcji komponentów i ró¿nej za-
wartoœci wilgoci w drewnie zawarte s¹ w tabelach 9.
Obliczenia efektów ekonomicznych przy wspó³spalaniu mieszanek
energetycznych przy zak³adanych ró¿nych kosztach pozyskania
odpadów drewna
Oszczêdnoœci w kosztach paliwa przy spalaniu mieszanki wêgla i odpadów drzewnych
liczone w z³/GJ przy ró¿nych kosztach pozyskania odpadów drewna pokazano w tabelach 10
(koszt pozyskania 60 z³/Mg) i tabelach 11 (koszt pozyskania 100 z³/Mg). Na rysunkach 3 i 4
przedstawiono zale¿noœci graficzne danych z tabel 10 i 11.
Oszczêdnoœci w kosztach paliwa przy spalaniu mieszanek wêgla z odpadami drewna
mo¿na opisaæ funkcjami zbudowanymi na danych z tabel 12:
y
= (-0,0101*
z
+ 0,0587)*
x
+ (0,01212*
z
– 0,0705) dla wilgotnoœci odpadów drzewnych 10%;
y
= (-0,0101*
z
+ 0,0504)*
x
+ (0,0131*
z
– 0,0643) dla wilgotnoœci odpadów drzewnych 20%;
y
= (-0,0105*
z
+0,0428)*
x
+ (0,014*
z
– 0,0569) dla wilgotnoœci odpadów drzewnych 30%;
y
= (-0,0107*
z
+0,0343) + ( 0,0151*
z
– 0,048) dla wilgotnoœci odpadów drzewnych 40%;
y
= (-0,011*
z
+0,0256)*
x
+ (0,0161*
z
– 0,0375) dla wilgotnoœci odpadów drzewnych 50%;
y
= (-0,0112*
z
+0,0163)*
x
+(0,0173*
z
– 0,025) dla wilgotnoœci odpadów drzewnych 60%;
347
[ Pobierz całość w formacie PDF ]