Warmteproductie, elektriciteitsopwekking en WKK

3.3.1 Warmteproductie in ketelsystemen

Bij verbrandingsprocessen wordt thermische energie (warmte) geproduceerd. Om deze warmte te kunnen benutten, moet de warmte overgedragen worden op een medium, namelijk water, stoom of thermische olie. Er bestaan verschillende keteltypes afhankelijk van de manier waarop de warmte wordt overgedragen.

HOOFDSTUK 3 - PROCESBESCHRIJVING è Vlampijpketel

Een vuurgangvlampijpketel of cilindrische ketel, bevat binnen de cilindrische ketelwand een of meer vuur-gangen, vlampijpen, een vlamkast, water en stoom. Het geheel is van isolatie voorzien. Elke vuurgang heeft een brander.

In een vlampijpketel lopen de rookgassen van de verbranding vanuit de vuurgang doorheen pijpen, welke omgeven zijn door water. De warmte van de rookgassen wordt door thermische geleiding doorheen de wand afgegeven aan het water dat zich in het ketellichaam bevindt. Doorgaans wordt het warme water gebruikt voor verwarmingsdoeleinden of wordt het omgezet tot stoom voor gebruik in processen.

Dit type ketel wordt voornamelijk toegepast voor het produceren van lage- en middendrukstoom van 1-20 bar met vermogens van ca. 0,3–10 MW (meestal processtoom). De wanddikte van de pijpen zal immers toenemen naarmate de stoomdruk (extern) toeneemt. Hoe dikker de wand, hoe trager de warmtegeleiding.

Vlampijpketels bestaan in drietreks- en viertreksuitvoering. Historisch gezien zijn er ook nog de tweetreks-ketels, maar die vindt men vandaag de dag nog zelden. Hoe meer ‘trekken’ een boiler heeft, hoe meer warmte van de rookgassen kan worden overgedragen: de ketel is dus efficiënter.

Figuur 11: Voorbeeld van een drietreks vlampijpketel (Spirax Sarco, 2010)

Meestal vindt men deze ketels in de grotere vermogens terug, bijvoorbeeld voor industriële verwarming of stoomproductie. Uit gesprekken met leveranciers blijken vooral de kleine vermogens voornamelijk en bijna uitsluitend uit condenserende ketels te bestaan. Vanaf een of enkele MW vindt men wel klassieke ketels, voornamelijk vlampijpketels.

è Waterpijpketel

Een waterpijpketel is in feite het omgekeerde van een vlampijpketel. Zoals de naam reeds zegt, bevinden water en stoom zich in deze ketel in de pijpen, omringd met de rookgassen. Na het verlaten van de vuurhaard passeren de verbrandingsgassen doorgaans een of meer economizers en een luchtverhitter.

HOOFDSTUK 3 - PROCESBESCHRIJVING

Figuur 12: Voorbeeld van een waterpijpketel (Spirax Sarco, 2010)

Waterpijpketels kenmerken zich doorgaans door hun grote afmetingen en rechthoekige vormen. De ketels kunnen voorzien zijn van meerdere branders. Deze ketels kennen de meeste toepassingen daar waar nood is aan hogedrukstoom (50-300 bar) met vermogens van 10-1500 MW bij elektrische centrales en industrie, zoals grote papierfabrieken.

Waterpijpketels kennen verschillende uitvoeringen.

è Thermische olieketel

In dit type ketel wordt thermische olie opgewarmd, in plaats van water, en als medium voor warmteover-dracht ingezet. Thermische olieketels worden ingezet waar processen hele hoge temperaturen verlangen.

Warm water ketels gaan typisch tot 110°C, stoom/heet water ketels tot ca. 225°C en met thermische olie kun je processen bedienen tot doorgaans ca. 320°C.

3.3.2 Elektriciteitsopwekking

Elektriciteitsopwekking door verbranding kan gebeuren in gesloten thermische cycli of in open processen.

In de gesloten thermische cycli, met de stoomturbine als één van de voornaamste toepassingen, zijn de verbrandingsprocessen en de stroomgeneratie fysisch van elkaar afgesloten. De warmte van het hete verbrandingsgas wordt via een warmtewisselaar afgestaan aan het procesmedium in een tweede cyclus.

Op deze manier staat de stoomturbine/motor enkel in contact met een schoon procesmedium en kunnen ongewenste elementen in de brandstof en vliegassen de stoomturbine/motor niet beschadigen. Vandaar dat deze gesloten cycli vooral geschikt zijn voor verbranding van vaste brandstoffen. Open cycli worden vooral toegepast voor gasvormige en vloeibare brandstoffen gebruikt in interne verbrandingsmotoren en gasturbines.

Voor verdere informatie verwijzen we naar de BBT studie voor grote stookinstallaties en stationaire moto-ren uit 2002 (Goovaerts, et al., 2002).

3.3.3 WKK

(COGEN Vlaanderen, 2006)

Warmtekrachtkoppeling of WKK is de gecombineerde, gelijktijdige opwekking van warmte en elektriciteit.

HOOFDSTUK 3 - PROCESBESCHRIJVING Eenzelfde installatie kan dus de volledige energiebehoefte, onder de vorm van warmte en elektriciteit, op-vangen. Omdat warmte moeilijk te transporteren is, bevindt de installatie zich dicht bij de warmteverbruiker.

De hoogwaardige warmte (1200°C) die vrijkomt bij het verbranden van de brandstof wordt eerst gebruikt voor het produceren van mechanische energie die dan verder via een alternator wordt omgezet in elektri-citeit. De laagwaardige restwarmte die overblijft (met een temperatuur tussen 80°C en 500°C) wordt dan gebruikt om te voldoen aan de specifieke warmtevraag van een glastuinbouwbedrijf, een ziekenhuis,…

Het grote voordeel van warmtekrachtkoppeling is dat bij gezamenlijke opwekking van warmte en elektrici-teit de in de brandstof aanwezige nuttige energie veel beter wordt benut. Bij cogeneratie is daarom minder brandstof nodig dan bij een gescheiden productie van eenzelfde hoeveelheid warmte en elektriciteit.

Figuur 13: Vergelijking van de brandstofbenutting bij gescheiden opwekking van warmte en elektriciteit, en bij WKK De meeste WKK’s werken op fossiele brandstoffen, maar het is ook mogelijk om hernieuwbare energiebron-nen als brandstof te gebruiken (bv. biomassa of biogas). Een dergelijke uitvoering biedt dan een dubbel voordeel: er wordt niet alleen een milieuvriendelijke brandstof gebruikt, maar deze wordt ook optimaal benut.

Minder brandstofverbruik heeft nog een ander belangrijk voordeel, namelijk dat de uitstoot van schadelijke stoffen (roet, PM, NOx, SO2, CO,…) gereduceerd wordt.

Randvoorwaarden bij het gebruik van WKK is dat er een permanente en vrij constante afname van warmte van een voldoende capaciteit nodig is.

Warmtekrachtkoppeling kan op verschillende manieren worden uitgevoerd.

Omdat vaste brandstoffen meestal direct verbrand worden, worden deze doorgaans ingezet voor warm-teproductie. Met behulp van stoomturbines kan ook hier elektriciteit opgewekt worden en wordt WKK mogelijk. Stoomturbines worden algemeen gezien gekoppeld aan een warmtebron, zoals een boiler, waarin verschillende brandstoffen (zoals vaste) gestookt kunnen worden.

Ook vloeibare brandstoffen in bijvoorbeeld dieselmotoren komen in aanmerking voor toepassing in een WKK. Belangrijk bij het gebruik van dieselmotoren als warmtebron is de afkoeling van de rookgassen.

Indien deze te ver worden afgekoeld zullen ze condenseren met de mogelijke vorming van zwavelzuur tot gevolg wat kan leiden tot corrosieproblemen. Dit is te wijten aan het doorgaans hogere zwavelgehalte van de vloeibare brandstoffen. In vele gevallen worden gasmotoren of gasturbines gebruikt in WKK’s.