Para technologiczna czyli kilka słów o turbinach gazowych w kontekście dekarbonizacji przemysłu

Czym jest para i dlaczego jej potrzebujemy?

Większości z Nas para wodna kojarzy się z czajnikiem i aromatem herbaty pitej w jesienne wieczory. Dla inżynierów i technologów para jest medium, które umożliwia przekazywanie ciepła bądź stanowi siłę napędową dla wielu urządzeń. Para wodna jest gazem powstającym, gdy woda przechodzi ze stanu ciekłego do stanu gazowego. Na poziomie molekularnym dzieje się tak, gdy cząsteczkom H2O udaje się uwolnić od wiązań (tj. wiązań wodorowych) utrzymujących je razem. W ciekłej wodzie cząsteczki H2O są nieustannie łączone i rozdzielane. Gdy cząsteczki wody są podgrzewane, wiązania łączące cząsteczki zaczynają się rozpadać szybciej, niż są w stanie powstać. Ostatecznie, gdy dostarczona zostanie wystarczająca ilość ciepła, niektóre cząsteczki uwolnią się. Te „wolne” cząsteczki tworzą przezroczysty gaz, który znamy jako parę wodną, a dokładniej suchą parę wodną.

Zastosowania pary w przemyśle i energetyce

Para technologiczna jest wykorzystywana w wielu gałęziach przemysłu. Typowymi zastosowaniami pary są na przykład procesy podgrzewania parą w fabrykach i zakładach przemysłowych oraz zasilanie turbin parowych w elektrowniach, ale zastosowania pary w przemyśle wykraczają daleko poza te ramy.

Na potrzeby tego artykułu podzielmy je na:

• Ogrzewanie / ciepło procesowe — para jest tanim, bezpiecznym i łatwym w kontroli medium procesowym. Ciepłociągi parowe dzięki małej średnicy umożliwiają łatwe dostarczenie ciepła do poszczególnych części procesu. Typowe zastosowanie to chociażby papiernie lub zakłady przetwórstwa gumy
• Sterylizacja – szpitale czy urządzenia procesowe są często odbiorcami pary o wysokiej temperaturze, która umożliwia czyszczenie powierzchni jak i neutralizację drobnoustrojów chorobotwórczych.
• Napęd — para jest wykorzystywana jako siła napędowa od początku rewolucji przemysłowej, silniki parowe były używane do napędzania kolei, statków i fabryk. Para jest wykorzystywana jako siła napędowa turbin parowych do generowania energii elektrycznej w elektrowniach. Aby poprawić wydajność turbin parowych, ciśnienie i temperatura pary są podnoszone do wyższych poziomów. Para jest w stanie przegrzanym przed wlotem do turbiny parowej. Napęd parowy jest również wykorzystywany do zasilania sprężarek, pomp, wentylatorów itp.
• Atomizacja — różne paliwa ciekłe, takie jak olej opałowy, LSHS, LDO, muszą zostać rozpylone w palniku przed spaleniem. Atomizacja parowa to proces mechanicznego rozdzielania płynu na małe cząstki w celu lepszego spalania. Para jest wtryskiwana do paliwa w celu zmaksymalizowania wydajności spalania i zminimalizowania tworzenia się sadzy z powodu niedopalonych węglowodorów.
• Nawilżanie — para jest również szeroko stosowana do podnoszenia wilgoci. Para jest wtryskiwana do procesu, gdzie dodaje wilgoci i ciepła do produktu finalnego bądź prefabrykatu. Przemysłowe instalacje to przede wszystkim młyny papiernicze i młyny do pelletu.

Emisyjność i ślad węglowy instalacji parowych

Podstawowymi źródłami wytwórczymi pary technologicznej w Polsce są kotły gazowe parowe lub biomasowe. Dwa pierwsze są typowymi, konwencjonalnymi źródłami energii. Biomasa w przemyśle ma wiele przeszkód do rozwoju, podstawowym problemem jest bardzo niska gęstość mocy, co wiąże się z koniecznością spalania dużych (objętościowo) ilości paliwa. Dostępność oraz planowane zmiany w systemie ETS również nie sprzyjają  takim inwestycjom.

Zapotrzebowanie na parę wiąże się przeważnie z dużym zapotrzebowaniem na energię elektryczną, EneriaCAT ma doskonałą odpowiedź na wyzwania przyszłości. Możemy wytwarzać parę w kogeneracji przy użyciu turbin gazowych Caterpillar Solar Turbines. W takim zastosowaniu turbiny pokazują swoją przewagę nad silnikami gazowymi, gdzie możliwości wytwarzania pary są skromne. Oferowane przez nas jednostki nie będą wymagały wymiany na nowe w sytuacji kiedy do gazociągów będzie zatłaczany wodór lub biometan. Takie urządzenie to prosta redukcja emisji o ponad 50% w sytuacji wytwarzania pary w kotłach konwencjonalnych i zakupie energii z sieci. Dla większości klientów przemysłowych jesteśmy w stanie wykazać simple pay – back na poziomie 2-3 lat, przy uwzględnieniu dofinansowań jeszcze bardziej poprawiamy ten wynik.

Jak Turbina Gazowa wytwarza energię elektryczną i parę?

Turbina Gazowa jest urządzeniem przetwarzającym moc chemiczną zawartą w paliwie na energię mechaniczną (obrót wału) i cieplną (gorące spaliny). Przy zastosowaniu dodatkowych urządzeń można zamienić energię mechaniczną w elektryczną a ciepło odebrać w postaci pary technologicznej. Żeby wprawić turbozespół w ruch potrzeba powietrza [1], które jest zasysane przez sprężarkę [2], tutaj następuje zmniejszenie objętości gazu. Sprężone powietrze jest podawane do komory spalania [4] gdzie mieszane jest z paliwem [3] (gazem sieciowym, olejem napędowym, LPG czy biogazem). W komorze spalania [4] następuje zapłon mieszanki paliwowej, gorący gaz powstający w wyniku spalania przechodzi przez kolejne stopnie turbiny [5] gdzie jest rozprężany. Spaliny przechodzące przez turbinę [5] zmniejszają swoje ciśnienie i temperaturę, ich energia kinetyczna jest odbierana przez łopatki, co wymusza obrót wału turbiny gazowej. Obracający się wał napędza generator [6], w ten sposób energia mechaniczna zostaje zamieniona na energię elektryczną [7]. Gorące spaliny o dużym przepływie masowym (energia cieplna) trafiają do wytwornicy pary [8]. Woda zasilająca wytwornicę pary jest podgrzewana spalinami aż do wrzenia, czyli zmiany stanu skupienia z ciekłego na gazowy. W ten sposób otrzymana jest para technologiczna [9]. Ochłodzone spaliny [10] uchodzą do atmosfery przez komin.

W sytuacji kiedy zapotrzebowanie na parę jest większe, niż możliwe do wygenerowania przez turbinę gazową to można zastosować dodatkowe dopalanie w celu zapewnienia żądanych parametrów. W sytuacji kiedy do procesów technologicznych potrzeba i gorącego powietrza i pary to można energię cieplną odebrać w dwóch postaciach jednocześnie.

Poszczególne turbiny gazowe Caterpillar Solar Turbines mają różne możliwości generacji pary technologicznej.

Co oferujemy naszym klientom?

Przed podjęciem decyzji o  takiej inwestycji przygotujemy kompleksową analizę rozwiązań, pomożemy z dofinansowaniami oraz przygotujemy ofertę budżetową na pełny zakres “pod klucz”. Zapraszamy do współpracy każdą firmę oraz instytucję szukającą rzeczywistej i opłacalnej dekarbonizacji.

mail: jbigoszewski@eneria.pl

Autor: Jakub BIGOSZEWSKI

Kierownik produktu, Ekspert ds. Turbin Gazowych