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

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 soporte
Ei: Otras energías importadas
Ew: Energía total del combustible (poder calorífico x cantidad)
EE > 0.60 para plantas en operación antes del 1 de Enero de 2009
EE > 0.65 para plantas en operación después del 31 de Diciembre de 2008
2

2. Ciclo de Rankine Simple
WT
Turbina
Qin
Caldera
Qout
Condensador
Bomba
WP
3
MEJOR SOLUCIÓN
COGENERACIÓN
(electricidad + calor)
4

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. Configuración no optimizada (… pero robusta)
7
Diagrama T-S
8

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 0,86
EE>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. 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 16
Esquema de corrientes con un sobrecalentador adicional (SH2)
12

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 A
Esta opción está típicamente reservada para potencias
relativamente elevadas.
Está por ver si los fabricantes de turbinas detectan una
buena línea de negocio y realizan propuestas
interesantes para producciones de entre 10-15 MW
14

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
tancat
Qin
Qout
Caldera Condensador
Bomba
WP
Regeneración en ciclo cerrado
(intercambiador de calor)
16

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 5
9 6
C-3
10
22 23
Regeneración en ciclo cerrado
(intercambiador de calor)
18

10. Combinaciones de configuraciones
Se pueden realizar combinaciones de
recalientamiento, regeneración abierta i
regeneración cerrada que pueden aumentar
significativamente el rendimiento termodinámico.
Las configuraciones complejas están reservadas
para 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. 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
21
Regeneraciones 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. C
Paràmetres d’operació Eficiències energètiques EE
T gas R Oberta R Tancada
eff Cicle Reescal- Regen. Regen
T[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 0,513
400 45 220 0,8 0,571 0,601 0,621 0,608 0,632 0,617
380 61 220 0,8 0,588 0,612 0,647 0,626
400 45 220 0,85 0,607 0,635 0,656 0,641 0,668 0,651
380 61 220 0,85 0,625 0,648 0,683 0,661
400 45 200 0,85 0,621 0,650 0,671 0,656 0,684 0,667
380 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. Patrones:
Con la financiación de:
GRACIAS POR SU ATENCIÓN
Joan Salvadó
Área de Bioenergía y Biocombustibles
jsalvado@irec.cat