RECUWATT Conference - Joan Salvadó lecture

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SECTION VII: EFFICIENT WASTE-TO-ENERGY
“High performance cycles in waste-to-energy” by Mr. Joan Salvadó, Head of the Area of Bioenergy and Biofuels, Catalonia Institute for Energy Research

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RECUWATT Conference - Joan Salvadó lecture

  1. 1. “Ciclos de alto rendimiento en valorización energética de residuos” RECUWATT Joan Salvadó Catedráticotic de Ingeniería Química de la Universitat Rovira I Virgili (Tarragona) Jefe del área de bioenergía i biocombustibles del IREC Mataró, 25 de marzo de 2011 Institut de Recerca en Energia de Catalunya Contexto (desde el punto de vista de rendimiento energético)donde:Ep: Energía producida (Eléctrica x 2.6 + Térmica x 1.1)Ef: Energía del combustible de soporteEi: Otras energías importadasEw: Energía total del combustible (poder calorífico x cantidad)EE > 0.60 para plantas en operación antes del 1 de Enero de 2009EE > 0.65 para plantas en operación después del 31 de Diciembre de 2008 2
  2. 2. Ciclo de Rankine Simple WT Turbina Qin Caldera Qout Condensador Bomba WP 3 MEJOR SOLUCIÓNCOGENERACIÓN (electricidad + calor) 4
  3. 3. Configuración de corrientes en la caldera 9 13 Eco 12 E2 E1 10 SH 5 6 7 8 6 7 1 5 4 11 B -4 T 1 P-3 2 3 C-2 16 15 En rojo: recorrido de gases calientes 5 Perfiles de temperatura 6
  4. 4. Configuración no optimizada (… pero robusta) 7 Diagrama T-S 8
  5. 5. Puntos de mejora (sin cambiar el diseño del ciclo) • Parámetros termodinámicos del ciclo: aumentar T i/o P. OJO! El incremento de presenta ventajas e inconvenientes: o ↑T mejora el rendimiento del ciclo termodinámico o↑T aumenta la corrosión: • Disminución de la fiabilitat en la operación de la planta. • Aumento de horas dedicadas al mantenimiento. • Materiales más caros • Mejorar la recuperación de calor en los intercambiadores de calor (consecuencia: reducción de la temperatura de los gases de salida) • Disminuir la temperatura de condensación (baja la calidad de vapor a la salida de la turbina). • Utilizar turbinas de alto rendimiento. PRECAUCIÓN: Utilizando alguna de las mejoras propuestas se podría dar un título de vapor demasiado bajo a la salida de la turbina 9 Resultados si se consigue mejorar los parámetros propuestos Paràmetres de disseny Resultats T[1] p[1] T[13] eff[1] EE eff x[2] [C] [bar] [C] [-] [-] [-] [-] Situación 365 36 250 0,72 0,47 0,176 0,94 inicial 400 45 250 0,72 0,49 0,185 0,95 380 61 250 0,72 0,51 0,19 0,92 400 45 220 0,8 0,57 0,213 0,92 380 61 220 0,8 0,59 0,219 0,88 400 45 220 0,85 0,61 0,226 0,9 380 61 220 0,85 0,63 0,233 0,86EE>0.60 Título de 400 45 200 0,85 0,62 0,232 0,9 380 61 200 0,85 0,64 0,239 0,86 vapor bajo 10
  6. 6. Diseño alternativo A: Recalentamiento Secció de reescalfament 3 Turbina de baixa pressió 2 WT Q in 1 Turbina 4 Turbina de alta pressió Generador de vapor Qout 6 5 Condensador Bomba WP Expansión del vapor con recalentamiento intermedio 11 Configuración alternativa A 15 13 Eco 14 E2 E1 9 SH1 12 SH2 5 6 7 8 9 7 8 3 6 11 B-10 2 10 1 T1 T2 P-4 5 4 C-3 17 16Esquema de corrientes con un sobrecalentador adicional (SH2) 12
  7. 7. Configuración alternativa A 500 400 1 1 10 b ar 300 3 T [°C] 55 bar 25 bar 200 6 ,22 b a r 2 100 4 5, 6 4 0 ,2 0 ,4 0 ,6 0,8 0 0,0 2,0 4,0 6,0 8,0 10,0 s [kJ/kg-K] Diagrama T-s del ciclo Rankine con recalentamiento 13 Configuración alternativa AEsta opción está típicamente reservada para potenciasrelativamente elevadas.Está por ver si los fabricantes de turbinas detectan unabuena línea de negocio y realizan propuestasinteresantes para producciones de entre 10-15 MW 14
  8. 8. Diseño alternativo B:Regeneraciones en ciclo abierto o cerrado WT Turbina Bescanviador obert Q in Caldera Qout Condensador Bomba 2 Bomba 1 W P2 W P2 Regeneración en ciclo abierto (mezcla de corrientes) 15 Configuració alternativa B WT Turbina Bescanviador tancatQin QoutCaldera Condensador Bomba WP Regeneración en ciclo cerrado (intercambiador de calor) 16
  9. 9. Disseño alternativo B:Regeneraciones en ciclo abierto o cerrado 20 18 Eco 19 E2 E1 13 SH1 5 6 7 8 11 12 10 16 B-10 1 P-12 15 9 H-4 T1 T2 7 2 P-11 C-3 6 5 22 23 Regeneración en ciclo abierto (mezcla de corrientes) 17 Configuracions alternativa B 18 20 Eco 19 E2 E1 SH1 5 6 7 8 1 12 13 14 B-10 15 16 11 HE T1 T2 4 7 2 P-11 59 6 C-3 10 22 23 Regeneración en ciclo cerrado (intercambiador de calor) 18
  10. 10. Combinaciones de configuracionesSe pueden realizar combinaciones derecalientamiento, regeneración abierta iregeneración cerrada que pueden aumentarsignificativamente el rendimiento termodinámico.Las configuraciones complejas están reservadaspara potencias elevadas 19 Combinaciones de configuraciones 18 20 Eco 19 E2 E1 SH1 SH2 4 17 5 6 7 8 9 12 13 14 16 11 B-10 15 3 1 HE 4 8 T1 T2 7 P-11 2 9 6 5 C-3 10 22 23 Combinación de sobrecalentamiento y una regeneración en ciclo cerrado 20
  11. 11. Regeneraciones con ciclo abierto y ciclo cerrado sin recalentamiento T 25 = 220 [C] 23 25 Eco 24 E2 E1 SH1 T1 = 380 [C] 8 9 10 18 11 p1 = 61 [bar] 16 17 1 15 21=22 P-15 B-13 20 m 1 = 10,74 [kg/s ] T2 = 237 [C] 14 T 14 = 134 [C] T 20 = 1064 [C] p 2 = 18 [bar] eff1 = 0,84 HE eff2 = 0,81 7 e ff16 = 0,2 42 T T T eff3 = 0,78 T 13 = 72 [C] EE16 = 0,6 47 1-2 3 4 eff4 = 0,71 13 2 5 y1 = 0,1127 T 4 = 134 [C] P 4 = 3 [bar] 4 7 W1 = 2621 [kW] W2 = 2886 [kW] HE y2 = 0,02832 T6 = 77 [C] P6 = 0,4155 [bar] W3 = 2249 [kW] 6 6 W4 = 748,4 [kW] 10 8 T8 = 58 [C] P-14 p8 = 0,18 [bar] 11 9 T 11 = 77 [C] C-5 x8 = 0,87 12 26 27 21Regeneraciones con ciclo abierto y ciclo cerrado con recalentamiento T25 = 220 [C] 23 25 Eco 24 E2 E1 SH1 22 SH2 8 9 10 11 12 16 17 18 3 T3 = 380 [C] 15 21 p 3 = 18,39 [bar] P-15 B-13 20 m 1 = 9,565 [kg/s] 14 T14 = 134 [C] T1 = 380 [C] 1 2 T20 = 1064 [C] eff1 = 0,84 HE p 1 = 61 [bar] eff2 = 0,81 7 eff 16 = 0,2465 T T T T2 = 242 [C] T1 eff3 = 0,775 T13 = 71 [C] EE16 = 0,661 P 2 = 18,89 [bar ] 2 3 4 eff4 = 0,71 13 2 5 y1 = 0,103 T4 = 195 [C] 4 P4 = 3 [bar ] 7 W1 = 2253 [kW] W2 = 3370 [kW] HE y2 = 0,02476 T6 = 76 [C] P6 = 0,4066 [bar] W3 = 2319 [kW] 6 6 W4 = 723,1 [k W] 10 8 T8 = 58 [C] P-14 p 8 = 0,18 [bar] 11 9 C-5 T11 = 76 [C] x8 = 0,9544 12 26 27 22
  12. 12. C Paràmetres d’operació Eficiències energètiques EE T gas R Oberta R Tancada eff Cicle Reescal- Regen. RegenT[1] p[1] sortida Amb Amb turbina Bàsic fament Oberta Tancada caldera reescalf reescalf[C] [bar] [C] [-]365 36 250 0,72 0,473 0,499 0,517 0,507 0,524 0,513400 45 220 0,8 0,571 0,601 0,621 0,608 0,632 0,617380 61 220 0,8 0,588 0,612 0,647 0,626400 45 220 0,85 0,607 0,635 0,656 0,641 0,668 0,651380 61 220 0,85 0,625 0,648 0,683 0,661400 45 200 0,85 0,621 0,650 0,671 0,656 0,684 0,667380 61 200 0,85 0,640 0,663 0,700 0,677 23 AGRADECIMIENTOS Dr. Dieter Boer (DEM-URV) PASCH (Antoni Puig i Francesc Robles) 24
  13. 13. Patrones:Con la financiación de: GRACIAS POR SU ATENCIÓN Joan Salvadó Área de Bioenergía y Biocombustibles jsalvado@irec.cat

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