TALLINNA TEHNIKAKÕRGKOOL
Arhitektuuri ja keskkonnatehnika teaduskond
Tehnoökoloogia õppetool
Villu Vares ENERGIA ja KESKKONDKonspekt
1
Villu Vares
Energia ja keskkond
Tallinn – 2012
2(113)
Villu Vares
Energia ja keskkond
SISUKORD SISUKORD.............................................................................................................................................................3 SISSEJUHATUS....................................................................................................................................................51 ENERGIAKASUTUS JA MAAILMAS JA EESTIS........................................................................................61.1 ENERGIAKASUTUS MAAILMAS JA EESTIS........................................................................................................6
1.2 MAA
ENERGIAVARUD ....................................................................................................................................10
1.3 ENERGIASEKTORI KESKKONNAMÕJUD..........................................................................................................12
2 ENERGIAALLIKAD .........................................................................................................................................142.1 KÜTUSTE LIIGITUS........................................................................................................................................14
2.2 KÜTUSTE OMADUSED....................................................................................................................................15
2.2.1 Kütteväärtus....................................................................................................................................16
2.2.2 Tuha sulamiskarakteristikud...........................................................................................................17
2.3
NAFTA ...........................................................................................................................................................18
2.4 NAFTA ÜMBERTÖÖTAMINE...........................................................................................................................21
2.5 MAAGAAS.....................................................................................................................................................21
2.6 KIVISÖED......................................................................................................................................................23
2.7 MITTEKÜTUSELISED ENERGIAALLIKAD.........................................................................................................23
3 BIOMASSIPÕHISED KÜTUSED....................................................................................................................243.1 PUITKÜTUSED................................................................................................................................................25
3.1.1 Puitkütuste tootmine.......................................................................................................................26
3.1.2 Vääristatud puitkütuste tootmine....................................................................................................28
3.2
ROHTSED BIOKÜTUSED.................................................................................................................................30
3.3
TURVAS .........................................................................................................................................................31
3.3.1 Turbakütuste tootmine....................................................................................................................31
3.3.2 Vääristatud turbakütused................................................................................................................34
3.3.3 Turba kaevandamise keskkonnamõjud...........................................................................................34
4 PÕLEVKIVI.......................................................................................................................................................354.1 PÕLEVKIVI KAEVANDAMINE.........................................................................................................................35
4.2 PÕLEVKIVIÕLI TOOTMINE..............................................................................................................................35
5 SOOJUSELEKTRIJAAMAD...........................................................................................................................365.1 SOOJUSJÕUSEADMETE RINGPROTSESSID.......................................................................................................36
5.1.1
Carnot ‘
ringprotsess ........................................................................................................................36
5.1.2
Rankine ’i ringprotsess ..................................................................................................................37
5.1.3 Sisepõlemismootorid......................................................................................................................39
5.1.4 Otto ringprotsess.............................................................................................................................40
5.1.5
Diiselmootor . Dieseli ringprotsess ja segaringprotsess..................................................................41
5.1.6 Gaasiturbiinseadme Brayton‘i ringprotsess ...................................................................................43
5.2 AURUJÕUSEADMETEGA
ELEKTRIJAAMAD .....................................................................................................45
5.2.1 Aurugeneraatorid............................................................................................................................45
5.2.2 Tahkekütuse põletustehnoloogiad..................................................................................................46
5.2.3
Restkolded ......................................................................................................................................48
5.2.4 Tahke kütuse eelgaasistamisega soojusjõuseadmed.......................................................................54
5.2.5 Põlemise
soojuskaod ja kasutegur..................................................................................................56
5.2.6 Põlemisprotsessi efektiivsust iseloomustavad näitajad..................................................................57
5.2.7
Auruturbiinid ..................................................................................................................................58
5.2.8 Gaasiturbiinid.................................................................................................................................59
6 SOOJUSE JA ELEKTRI KOOSTOOTMINE ................................................................................................616.1
ELEKTRIENERGIA TOOTMISE JA SOOJUSE VAJADUSE SUHE...........................................................................61
6.2 VASTURÕHUTURBIINIGA AURUJÕUSEADE.....................................................................................................62
6.3 REGULEERITAVATE VAHELTVÕTTUDEGA AURUJÕUSEADE...........................................................................62
3(113)
Villu Vares
Energia ja keskkond
6.4 GAASITURBIINIGA KOOSTOOTMISJAAM........................................................................................................63
6.5
KOMBINEERITUD AURU-GAASITSÜKLIGA SEADE..........................................................................................63
6.6 SISEPÕLEMISMOOTORIGA KOOSTOOTMISE
SEADMED ....................................................................................65
6.7 KÜTUSEELEMENDID......................................................................................................................................67
6.7.1 Kütuseelementide tehnilised lahendused........................................................................................68
6.7.2
Vesinik kütuseelementide kütusena................................................................................................70
7 TAASTUVATE ENERGIAALLIKATE RAKENDAMINE..........................................................................727.1 BIOKÜTUSTE RAKENDAMINE.........................................................................................................................72
7.1.1 Biokütuste
laod ja edastamisseadmed............................................................................................73
7.1.2 Elektri ja soojuse koostootmine biokütuste baasil..........................................................................75
7.2 HÜDROENERGIA............................................................................................................................................78
7.3 TUULEGENERAATORID..................................................................................................................................80
7.3.1
Horisontaalse võlliga propellerturbiiniga tuulegeneraatori ehitus..................................................81
7.3.2 Tuulikute vähemlevinud tehnilised lahendused..............................................................................83
7.4 PÄIKESEELEKTRIJAAMAD..............................................................................................................................83
8 TUUMAELEKTRIJAAMAD ...........................................................................................................................869 ENERGIASÜSTEEMID JA NENDE TOIMIMISE MAJANDUSLIKUD ALUSED.................................919.1 KAUGKÜTTESÜSTEEMID................................................................................................................................91
9.2 ELEKTRIVARUSTUSE ENERGIASÜSTEEMID....................................................................................................93
9.2.1 Eesti elektrisüsteem........................................................................................................................94
9.3 GAASIVARUSTUS...........................................................................................................................................95
10 ENERGIASEKTORI KESKKONNAMÕJUD.............................................................................................9610.1
KASVUHOONEGAASID JA KLIIMAMUUTUSED..............................................................................................96
10.2
GAASILISED JA
TAHKED HEITMED ...............................................................................................................96
10.3 KESKKONNAMÕJUDE LEEVENDAMISE VÕIMALUSED ................................................................................100
10.3.1 Tahkete osakeste püüdmine suitsugaasidest...............................................................................100
10.3.2 Multitsüklonid............................................................................................................................100
10.3.3
Kottfiltrid ....................................................................................................................................101
10.3.4 Elektrifiltrid................................................................................................................................102
10.3.5 Suitsugaaside kondenseerimine..................................................................................................102
10.3.6 Täiendavad meetmed kahjulike atmosfääriheitmete vähendamiseks.........................................104
10.4 SAASTEAINETE HEITKOGUSTE MÄÄRAMINE..............................................................................................105
11 KIRJANDUS...................................................................................................................................................10712 LISAD..............................................................................................................................................................10912.1 KASUTATAVAD ÜHIKUD............................................................................................................................109
12.2 ENERGIASTATISTIKA PÕHIMÕISTED..........................................................................................................109
12.3 ERIHEIDETE TABELID................................................................................................................................111
4(113)
Villu Vares
Energia ja keskkond
SISSEJUHATUS5(113)
Villu Vares
Energia ja keskkond
1
ENERGIAKASUTUS JA MAAILMAS JA EESTIS1.1Energiakasutus maailmas ja EestisEnergiavajadus maailmas kasvab pidevalt ja sellega koos suureneb ka
primaarenergia kasutus
(vt Joonis 1 .1). Energiatarbimise kasvu mõjutab ühelt poolt rahvastiku juurdekasv ja
teiselt poolt majanduse kiire areng arengumaades. Energiavajaduse katmiseks kasutatakse kõige
enam naftat, kuigi nafta osatähtsus primaarenergiaga varustatuses on langenud
1971 . aasta
46,1% tasemelt 34%
tasemele 2007. aastal. Kivisöe osatähtsus primaarenergiavarustatus oli
2007. aastal 26,5%, maagaasil 20,9%, biokütustel ja jäätmetel 9,8%,
tuumaenergial 5,9%,
hüdroenergial 2,2% ja geotermaal-, tuule ja päikeseenergia kokku 0,7%.
Mtoe
Joonis 1.1 Primaarenergia varustatus maailmas ajavahemikus 1971–2009 Mtoe
* –
geotermaalenergia , tuul, päike
Kiiremini kui primaarenergia vajadus on maailmas kasvanud nõudlus elektri järele. Kui
1973.aastal toodeti maailmas 6 116 TWh elektrit, siis 2007. aastal juba 19 771 TWh – seega
üle kolme korra enam (vt Joonis 1 .2). Suur osa elektrist toodetakse maailmas
soojuselektrijaamades (2007. aastal 68%), sh kivisöel või turbal töötavates 41,5%,
naftakütustel 5,6% ja maagaasil 20,9%. Tuumajaamades toodeti 2007. aastal 13,8% elektrist,
hüdrojaamades 15,6%, geotermaal-, päikese-, tuule- biokütustel ning jäätmetel töötavates
elektrijaamades 2,6%.
Primaarenergiaga varustatuse osas erineb Eesti (vt Joonis 1 .3) märgatavalt mistahes
muust maailma piirkonnast, sest see baseerub umbes 60% ulatuses eesti põlevkivil. Kui lisada
põlevkivile teised kohalikud energiaallikad, sh turvas ja biokütused, saame kodumaiste
energiaallikate osatähtsuseks primaarenergia bilansis üle 70%, mis näitab Eesti suhtelist
energeetilist sõltumatust. Eestisse imporditakse
transpordis kasutatavad vedelkütused,
gaas ja
kivisüsi,
kusjuures viimase tarbimine on muutunud marginaalseks.
Väärib märkimist, et Eesti on muutunud vedelate katlakütuste importijast nende eksportijaks,
mis on
setud põlevkiviõli suureneva ekspordiga ja imporditava naftamasuudi tarbimise järsu
langusega.
6(113)
Villu Vares
Energia ja keskkond
Elektri tootmisel on põlevkivi osatähtsus ülisuur ja viimastel aastakümnetel on
põlevkivielekter moodustanud 90 – 99,5% kogu tarbitavast elektrist. Nagu näitab järgnev
joonis (vt Joonis 1 .4), on Eestist elektrit väga olulisel määral ka eksporditud. Alates aastast
2010 on hakanud suurenema puitkütuste ja
tuuleenergia baasil
toodetava elektri osatähtsus,
mis vähendab mõnevõrra põlevkivielektri osatätsust.
Energiasektori seisukohalt on oluline ka see, kus ja mis
otstarbel energiat Eestis vajatakse.
Lisaks elektritarbimisele majandusharude kaupa (vt Joonis 1 .5) pakub huvi ka
soojustarbimine majandusharude kaupa (vt Joonis 1 .6).
TWh
Joonis 1.2 Elektri tootmine maailmas tootmisviisi ja energiaallikate kaupa ajavahemikus 1971–2007 TWh aastas** – geotermaalelektrijaamad, päikese ja tuulejaamad, biokütustel ning jäätmetel töötavad
elektrijaamad
7(113)
Villu Vares
Energia ja keskkond
TJ 300 000
250 000
200 000
Põlevkivi&
biogaas , m ust
leelis Vedelad m ootorikütused
150 000
Vedelad katlakütused
Maagaas&
vedelgaas Puitkütused
Turvas
100 000
Kivisüsi&koks
Põlevkivi
50 000
0
1999
2000
2001
2002
2003
2004
2005
2006
2007
2008
2009
50 000
Joonis 1.3 Primaarenergia varustatus Eestis ajavahemikus 1999–200914 000
Kaod võrkudes
12 000
Elektrijaam ade om atarve
Netoeksport
Tarbim ine
10 000
s 8 000
sta
a
a
h
W 6 000
G4 000
2 000
0
1960 1965 1970 1975 1980 1985 1986 1987 1988 1989 1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009
Joonis 1.4 Eesti elektribilanss ajavahemikus 1960–2009Alates Eesti taasiseseisvumise ajast on
elektritarbimine jaotunud ligilähedaselt võrdselt kolme
majandusharu vahel: tööstus, kodumajapidamised ja muude majapidamisharude vahel,
kusjuures „muude“ all mõistetakse statistikas
teenindust ja avaliku halduse hoonete
8(113)
Villu Vares
Energia ja keskkond
energiakasutust. Põllumajanduse ja transpordi elektrikasutus on praegu suhteliselt
tagasihoidlik , kusjuures eelmise sajandi kaheksakümnendatel aastatel oli põllumajanduse
elektritarve suurem kui kodumajapidamistes ja nn muudes majandusharudes kokku.
Väga drastiliselt on viimase viiekümne aasta jooksul muutunud nii soojustarbimine
tervikuna kui selle jaotus majapidamisharude kaupa(vt Joonis 1 .6). Eelmise sajandi
kaheksakümnendate aastate soojustarbimine oli 21. sajandi esikümne aastatega võrreldes
umbes kaks ja pool korda suurem, seejuures tööstuses isegi üle nelja korra suurem. Enim
tarbivad soojust kodumajapidamised (2009. aastal 42% toodetud soojusest), järgnevad tööstus
koos ehitusega 27%, muud
majandusharud 19% ja põllumajandus 1%. Kaod soojusvõrkudes
on statistika andmetel langenud 11% tasemele.
Soojustarbimise statistilise andmestiku
kasutamisel tuleb silmas pidada asjaolu, et
lokaalkatlamajades ja
kohalikes kütteseadmetes toodetud soojust ei käsitleta statistikas
toodetud soojusena. Statistika käsitleb „soojusena“ ainult müüdud ja ostetud soojust, seega
lokaalkatlamajades ja kohalikes kütteseadmetes kasutatakse kütuseid küll soojuse saamise
eesmärgil, kuid statistikas kajastatakse seda kütuste (ja mitte soojuse!) lõpptarbimisena.
Joonistel (vt Joonis 1 .1 – Joonis 1 .6) esitatud energiastatistilisi andmeid saab värskendada
veebipõhiste statistika andmebaaside abil, mida uuendatakse keskmiselt kord aastas ja mille
baasil koostatakse statistilisi aastaraamatuid. Kogu maailma hõlmava
jooksva energiastatistikaga on
soovitav tutvuda Rahvusvahelise Energiaagentuuri (
International
Energy Agency – IEA) veebist allalaetavate publikatsioonide
Key World Energy Statistics või
eriti põhjaliku
World Energy Outlook kaudu. Euroopa Liidu energiastatistika värskeid
andmeid saab leida statistikaagentuuri
Eurostat ’i energiaportaalist.
Eesti
statistilised andmed, sh ka energiastatistika, on väga mugavalt kättesaadavad Eesti
Statistikaameti veebipõhisest andmebaasist [19], kusjuures kasutaja võib ise välja valida teda
huvitavad andmed ja vaadata neid kas
monitori ekraanil või
laadida oma
arvutisse .
8 000
Muud m aj andusharud
7 000
Kodum aj apidam
ised Transport
Põllum ajandus
Tööst us j a ehitus
6 000
5 000
s
sta
a 4 000
a
h
W
G3 000
2 000
1 000
0
1960 1965 1970 1975 1980 1985 1986 1987 1988 1989 1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009
Joonis 1.5 Elektritarbimine Eestis majandusharude kaupa ajavahemikus 1960–20099(113)
Villu Vares
Energia ja keskkond
30 000
Kadu soojusvõrkudes
25 000
Muud m aj andusharud
Kodum ajapidam ised
Põllum ajandus
Tööst us ja ehitus
20 000
s
sta
a 15 000
a
h
W
G10 000
5 000
0
1960 1965 1970 1975 1980 1985 1986 1987 1988 1989 1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009
Joonis 1.6 Soojustarbimine Eestis majandusharude kaupa ja kaod soojusvõrkudes ajavahemikus 1960–20091.2Maa energiavarudEnergiavarude hulka loetakse tavaliselt need varud, mida on sel ajal kehtivate piirangutega
tehniliselt võimalik kasutusele võtta. Kuigi kehtivad piirangud ja keskkonnakaitselised
nõuded karmistuvad pidevalt, suurenevad samaaegselt tehnilised võimalused energiavarude
ohutuks kasutuselevõtuks. Seetõttu on maa energiavarude suurus ajas muutuv.
Energiavarusid jagatakse taastuvateks ja taastumatuteks.
Taastumatute energiavarude hulka
kuuluvad aegade jooksul maapõues moodustunud fossiilsed kütused, samuti tuumkütused.
Suurem osa inimkonna energiavajadusest kaetakse praegu taastumatute energiaallikatega,
mille hulka kuuluvad kivisöed ja pruunsöed, põlevkivi, nafta ja õliliivad ning maagaas.
Enamikes riikides loetakse ka turvas taastumatute fossiilsete kütuste hulka, kuigi turba
moodustumine on pidev protsess ja kaevandamine toimub juurdekasvu ulatuses.
Maailma energiavarude võrdlemisel aastase tarbimisega (vt Tabel 1 .1, Tabel 1 .2 ja Tabel 1
.3) selgub, et fossiilkütustest
ammendub kõige kiiremini praegustes tingimustes kasutatavaks
hinnatud naftavaru (umbes 40 aastaga). Aasta aastalt paranevad aga kütuse ammutamise
tehnilised võimalused seni probleemseteks peetud geoloogilistes ja klimaatilistes oludes, mis
lubab täiendavat varu järk järgult ümber hinnata kasutatavaks
varuks ja isegi kasvava
tarbimise tingimustes peaks naftavarusid jätkuma pikemaks kui 40 aastaks, samas on
paratamatu selle hinna pidev tõus. Kivisöevarud on naftavarudest märgatavalt suuremad ja
seetõttu püsib kivisöe hind suhteliselt stabiilsena juba pika aja jooksul.
Taastuvate energiaallikate kasutamine jääb võrreldes
kasutatava varuga väga väikeseks, seega
oleksid varud piisavad inimkonna energiavajaduse täielikuks rahuldamiseks. Kahjuks on
taastuvenergia
rakendamise tehnoloogiad ressursimahukad ja lähiajal pole fossiilkütuste
põletamisest loobumine veel võimalik.
10(113)
Villu Vares
Energia ja keskkond
Tuumkütustest on seni kasutatavad
uraan ja
toorium , mille varud on suhteliselt suured, kuid
edusammud
termotuumareaktsiooni (nn tuumafusiooni) rakendamise valdkonnas
võimaldaksid kasutusele võtta praktiliselt piiramatud raske vee (deuteeriumi) varud. Praegu
on tuumafusiooni suudetud rakendada vaid katseseadmetes ja lähiajal selles valdkonnas kiiret
progressi prognoosida ei ole võimalik.
Tabel 1.1 Maailma fossiilkütuste varud ja tarbimine 2003.a seisugaKasutatav varu Täiendav varu 2003. aasta toodang EJEJEJKivisüsi
68 527
90 421
114
Pruunsüsi
11 108
74 653
17
Nafta
6 184
38 103
152
Maagaas
4 895
11 724
88
Turvas
2 052
8 265
1
Põlevkivi ja õliliivad
147
5 862
1
Fossiilkütused kokku92 913229 028373Tabel 1.2 Maa taastuvate energiavarude hinnangPotentsiaalne Kasutatav varu 2003. aasta toodang ressurss EJEJEJPäikesekiirgus
88
0,3
Biomass 352
176
17,6
Tuul
94
32
0,2
Hüdroenergia
94
47
9,7
Geotermaalenergia
62
21
1,8
Tõus ja mõõn
1
1
0,003
Tabel 1.3 Tuumkütuste hinnangulised varud maailmasKasutatav varu Täiendav varu 2003. aasta toodang EJEJEJUraan
1817
850
26
Toorium
440
146 550
0
Deuteerium + liitium 6
> 3 000 000
> 3 000 000
–
Eestis puuduvad kivisöe-, maagaasi- ja
naftavarud , kuid on olemas suhteliselt suured ja kõrge
kvaliteediga põlevkivivarud. Eestis on kahte liiki põlevkivi:
•
kukersiit , tuntakse laiemalt eesti põlevkivina, kasutatakse nii elektrijaamade kütusena
kui põlevkiviõli tootmiseks ja
11(113)
Villu Vares
Energia ja keskkond
• diktüoneemaargilliit, on väga madala kütteväärtusega ja ei sobi põletamiseks.
Parim põlevkivi paikneb Ida-Virumaal ja selle kaevandamisväärne ehk aktiivne varu on
2,2 miljardit tonni.
Lisaks põlevkivile on Eestis veel suhteliselt suured
turbavarud . Taastuvate energiaallikate
osas on eelkõige tänu kõrgele metsasusele tähtsamal kohal biokütused. Suhteliselt head
tuuletingimused on võimaldanud tuuleenergeetika kiiret arengut.
1.3Energiasektori keskkonnamõjudSO2 heitmed,NOx heitmed,Tahked osakesed,kokku 82 184 tkokku 17 045 tkokku 18 941 tMuud
majandussektorid
7%
Muud saasteallikad
16%
Muud saasteal ikad
24%
Kütuse põletamine
Kütuse põletamine
Kütuse põletamine
76%
93%
84%
Joonis 1.7 Atmosfääriheitmed paiksetest saasteallikatest 2010. aastal Eestis80
70
60
50
tonnides40
tuhandetes
x
O 30
NLiiklusvahend
20
10
Paikne saasteallikas
0
1990
1991
1992
1993
1994
1995
1996
1997
1998
1999
2000
2001
2002
2003
2004
2005
2006
2007
2008
2009
Joonis 1.8 Lämmastikoksiidide heitmed paiksetest saasteallikatest ja liiklusvahenditest12(113)
Villu Vares
Energia ja keskkond
40 000
Kokku
Kütuse põletamisest
30 000
Tööstuslikest protsessidest
Lahus te ja toodete kasutusest
Süsiniku sidumine ökosüsteemide poolt
20 000
onnidesekvivalen 10 000
2eitkogused
HCO0
tuhandetes1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009
-10 000
-20 000
Joonis 1.9 Kasvuhoonegaaside heitkoguste muutumine Eestis ajavahemikus 1990 – 200913(113)
Villu Vares
Energia ja keskkond
2
ENERGIAALLIKADEnergia saamiseks kasutatakse nii kütuseid kui mittekütuselisi energiaallikaid. Energia ja
energiaallikad võivad olla kas taastumatud või
taastuvad . Taastumatud on sellised
(maakoorega seotud) energiaallikad, mida tarbitakse rohkem, kui loodus neid taastoota
suudab (nafta, maagaas, kivisüsi, põlevkivi, uraan jne). Peamisteks taastuvateks energia–
allikateks on otsene päikeseenergia ning sellega seotud energiallikad: hüdroenergia,
tuuleenergia, biomassi energia ning maa
siseenergia . Taastuvate allikate hulka kuuluvad need,
mille kasutamine ei ületa nende looduslikku juurdekasvu.
2.1Kütuste liigitusKütuste
liigitamine võib toimuda väga
erineval viisil. Üheks võimaluseks on kütuste
liigitamine agregaatoleku järgi.
•
Tahked kütused:
o kivisüsi, antratsiit, pruunsüsi, ligniit;
o põlevkivi;
o puitkütused (hakkpuit,
halupuit , briketid, pelletid jt);
o turvas (freesturvas, tükkturvas, turbabrikett) jt.
•
Vedelkütused:
o katlakütused:
naftakütused (raske ja kerge vedelkütus;
põlevkiviõli;
o mootorikütused:
bensiin ;
diislikütus;
lennukipetrool jt.
•
Gaaskütused:
o maagaas;
o vedelgaas (enamasti
propaan või propaani ja
butaani segu);
o biogaas;
o tehisgaasid:
põlevkivi uttegaas;
kõrgahju gaas jt.
Teiseks liigituse aluseks võib olla kütuse taastuvus.
•
Taastumatud kütused, st fossiilkütused:
o kivisüsi, antratsiit, pruunsüsi, ligniit;
o põlevkivi;
o naftakütused;
o maagaas jne.
•
Taastuvkütused, st biokütused:
o puitkütused;
o
rohtne biomass, näiteks õled;
o biogaas.
Kütuseid võib liigitada ka saamisviisi järgi.
14(113)
Villu Vares
Energia ja keskkond
•
Looduslikud kütused:
o kivisüsi ja teised söed;
o põlevkivi;
o maagaas;
o kütteturvas, st frees- ja tükkturvas jt.
•
Muundatud kütused:
o põlevkiviõli;
o raske ja kerge vedelkütus, diiselkütus, bensiin jt naftakütused;
o põlevkivigaas;
o turbabrikett.
•
Tehiskütused:
o sünteetiline gaaskütus;
o vesinik jne.
2.2Kütuste omadusedKütuste omaduste määratlemisel on määramisel on erinevusi erinevusi tahkete, vedelate ja
gaasiliste kütuste korral. Kõigepealt
vaatleme tahkete kütuste omadusi iseloomustavaid
parameetreid:
•
kütuste keemiline koostis, st kütuse vesiniku- (H), hapniku- (O), lämmastiku-
(N), väävli- (S), kloori- (Cl) ja teiste elementide sisaldus;
•
kütuse maht ja
mahukaal •
niiskusesisaldus (W);
•
tuhasisaldus (A);
•
lendaine sisaldus (V);
•
kütteväärtus (Q);
•
raskmetallide sisaldus;
•
tuha
sulamistemperatuur jmt.
Gaaskütuste jaoks on olulised järgmised parameetrid:
•
kütteväärtus, avaldatakse tavaliselt normaalkuupmeetri kohta;
•
koostis, sh metaani- (CH4) ja teiste süsivesinike sisaldus, vesiniku- (H2),
süsihappegaasi- (CO2), lämmastiku- (N2) ja teiste gaaside sisaldus,
niiskusesisaldus jne.
Vedelkütuste korral tuleb vahet teha eri otstarbel kasutatavate kütuste vahel, seega
transpordikütuste (bensiin, diiselkütus jt) ning katlakütuste (raske ja kerge naftapõhine
vedelkütus, põlevkiviõli jt). Katlakütuste puhul on olulisemateks järgmised näitajad:
•
viskoossus ja selle sõltuvus temperatuurist;
•
väävlisisaldus;
•
kerge vedelkütuse temperatuurikindlus kasutamiseks suve või
talvetingimustes ,
kusjuures talvekütuse korral peaks olema antud minimaalne temperatuur, mille
juures kütus pumbatav on;
•
leektäpp jt.
Väävlisisaldus pakub kütuses huvi eelkõige väävliheitmete tekkimise seisukohalt, kuid
kõrgema väävlisisalduse korral võib mõjutada ka madalatemperatuurilist korrosiooni suitsu-
käikudes ja korstnas. Kuna
kloor võib samuti põhjustada küttepindade korrosiooni, siis on
15(113)
Villu Vares
Energia ja keskkond
oluline teada ka kütuse kloorisisaldust. Kloorisisaldus võib probleeme põhjustada näiteks
okaspuu hakke põletamisel, kui
okaste osatähtsus kütuses on suur. Rangemate
keskkonnanõuete korral tuleb arvestada raskmetallide sisaldusega.
Kütuse tuha-, niiskuse-, lendaine- ja seotud süsiniku1 sisalduse väljendamiseks on mitu
võimalust (vt puitkütuste komponente Joonis 2 .10):
•
sisaldus massiprotsentides
kuivaine (d) kohta;
•
sisaldus massiprotsentides niiske kütuse e tarbimiskütuse (ar) kogumassi kohta;
•
sisaldus massiprotsentides tuhavaba kuivaine e põlevaine (daf) kohta.
Joonis 2.10. Tahke kütuse komponendidKütuse niiskusesisaldus on muutuv suurus ning sellepärast eelistatakse teatmetabelites kütuse
tuha- ja lendosadesisalduse esitamist kuivaine (d) massiühiku kohta, kuid praktilistes
arvutustes katlamajas esitatakse niiskusesisaldus enamasti siiski vastuvõetud niiske kütuse e
tarbimiskütuse (ar) massiühiku kohta.
Kuivaine tuhasisalduse ja tarbimiskütuse tuhasisalduse vahel kehtib järgmine seos:
Ad = Aar•100/(100 – War),
kus A tähistab tuha- ja W niiskusesisaldust.
Kütuse niiskusesisaldus määratakse kütuseproovi kuivatamisel
kuivatuskapis 105±2°C juures
püsiva massini:
War = (m1 – m2)/m1•100, kus
War on niiskusesisaldus tarbimiskütuses, st märjas kütuses (%),
m1
on tarbimiskütuse proovi mass (g),
m2
on kuivatatud kütuseproovi mass (g).
Kütuse niiskusesisalduse määramine on oluline
protseduur kütuse vastuvõtul katlamajja, eriti
kui kütuse kogus määratakse kaalumise teel.
2.2.1 Kütteväärtus
Kütteväärtuseks nimetatakse kütuse massiühiku põlemisel vabanevat soojushulka ja tema
määramine toimub nn „kalorimeetrilises pommis”. Kalorimeetrilises pommis määratud kütte-
väärtuse kaudu arvutatakse kütuse ülemine ehk
bruto ja alumine ehk
neto kütteväärtus
(vastavalt Qgr ja
Qnet ).
Ülemine kütteväärtuse arvutamisel eeldatakse, et nii kütuse niiskusest kui vesiniku
1 seotud süsinikuks loetakse seda süsinikku, mis jääb järele pärast lendaine (süsivesinike) eraldamist
16(113)
Villu Vares
Energia ja keskkond
põlemisproduktina suitsugaasidesse sattunud veeaur täielikult kondenseerub. Alumises
kütteväärtuses suitsugaasides sisalduva veeauru kondenseerumissoojust ei arvestata. Mida
suurem on kütuse niiskus ja vesinikusisaldus, seda suurem on erinevus ülemise ja alumise
kütteväärtuse vahel.
Enamasti väljuvad suitsugaasid katlast korstnasse üle 100°C temperatuuril, st kastepunktist
tunduvalt kõrgemal temperatuuril ja sellistes tingimustes veeauru kondensatsioonienergia jääb
kasutamata. Mõnede nn „puhaste kütuste”, näiteks maagaasi ja puitkütuste korral on võimalik
suitsugaase 40 – 60°C-ni jahutades saada veeauru kondenseerumise tõttu umbes 15 – 20 %
täiendavat soojust. Seega „
tavalistes ” kateldes kasutatakse alumist (neto) kütteväärtust ja
suitsugaasidest veeauru kondenseerimisega
seadmetes ülemist kütteväärtust.
Praktikas on juurdunud tava, et katla
kasuteguri arvutamisel võetakse kütuse kütteväärtuseks
alumine kütteväärtus, mille korral veeauru kondenseerimisega katelde kasuteguriks võib
kujuneda üle 100 %! Loomulikult pole tegemist energia jäävuse seaduse rikkumisega, vaid
traditsiooni ja kokkuleppega, mis võimaldab katlatüüpide efektiivsust omavahel võrrelda.
Kütteväärtus väljendatakse enamasti MJ/kg või kJ/kg, kusjuures mass võib olla nii niiske (ar),
kuiva (d) kui kuiva tuhavaba (daf) kütuse mass. Kasutades kuiva kütuse vesinikusisalduse
tähistamiseks massiprotsentides tähist Hd, saaksime alumise ja ülemise kütteväärtuse jaoks
kasutada järgmisi
seoseid (kütteväärtus MJ/kg):
Qgr,ar = Qgr,d•(1 – Mar/100)
Qgr,d = Qgr,daf•(1 – Ad/100)
Qnet,d = Qgr,d – 2,442•8,936•Hd/100
Qnet,ar = Qnet,d•(1 – War/100) – 2,442•War/100
Qnet,ar = Qgr,ar – 2,442•{8,936•Hd/100•
(1 – War/100) + War/100}
Kui kütteväärtus määratakse ja tuuakse käsiraamatutes enamasti massiühiku kohta, siis
katlamajas on sageli otstarbekas väljendada kütteväärtust selle koguseühiku kohta, mida
saabuva kütuse arvelevõtuks kasutatakse, näiteks on selleks ühikuks
puiduhakke korral sageli
puistekuupmeeter või tihumeeter. Et massi- ja mahuühiku kohta esitatud kütteväärtuste
andmeid omavahel seostada, peaksime teadma vastava kütuse mahukaalu ja tihedust.
Enamasti esitatakse kütuse kütteväärtus niiske kütuse massiühiku kohta, kuid kütuse
niiskusesisalduse kõikumiste korral võib selline esitusviis põhjustada tuntavat ebatäpsust.
Teiseks võimaluseks on väljendada kütteväärtus kuivaine kilogrammi kohta.
2.2.2 Tuha sulamiskarakteristikud
Kuigi puitkütuste ja ka muude tahkete biokütuste tuhasisaldus on madal (kuni mõni protsent),
mõjutavad tuha sulamiskarakteristikud otseselt katla tööd. Tuha
sulamine võib põhjustada
kolde šlakkumist ja konvektiivküttepindadele tugevate sadestiste tekkimist.
Tuha sulamiskarakteristikute määramiseks on olemas mitmeid standardeid. Järgnevas näites
(vt Joonis 2 .11) määratakse sulamiskarakteristikud
standardse kujuga tuhakoonuse kuju-
muutuste alusel kuumutamisel hapendavas (oksüdeerivas) keskkonnas:
•
1 – lähteolukord, enne kuumutamist on tuhakoonuse tipp terav;
•
IT – deformatsiooni alguspunkt,
koonuse terav tipp ümardub;
•
ST – pehmenemistemperatuur, tuhakoonus
deformeerub sel määral, et
koonus vajub kokku ja moodustise kõrgus kahaneb selle läbimõõduni (H = B);
17(113)
Villu Vares
Energia ja keskkond
•
HT – hemisfääriline e poolsfääri moodustumise punkt, koonus vajub kokku
poolkeraks (H = 1/2∙B);
•
FT – voolamistemperatuur vedel
tuhk valgub pinnale laiali.
Eri kirjandusallikate järgi kõiguvad näiteks puidu tuha sulamiskarakteristikud järgmistes
piirides:
•
deformatsiooni algus IT = 1150 –
1490 °C;
•
pehmenemistemperatuur ST = 1180 – 1525°C;
•
poolsfääri moodustumise punkt HT = 1230 –
1650 °C;
•
voolamistemperatuur FT =
1250 – 1650°C.
Joonis 2.11. Standardse tuhakoonuse kujumuutused kuumutamisel oksüdeerivas keskkonnasVedelkütuste korral kasutatakse omaduste iseloomustamiseks põhiliselt samu parameetreid,
mis tahkete kütuste korral, kuid täiendavalt on vaja teada veel järgmist;
•
kütuse viskoossus ja selle sõltuvus temperatuurist;
•
kergel vedelkütusel soovitav kasutusaeg, st suve- või talvekütus jmt.
Gaaskütuste jaoks on olulised järgmised parameetrid:
•
kütteväärtus, avaldatakse tavaliselt normaalkuupmeetri kohta;
•
koostis, sh metaani- (CH4) ja teiste süsivesinike sisaldus, vesiniku- (H2),
süsihappegaasi- (CO2), lämmastiku- (N2) ja teiste gaaside sisaldus.
2.3NaftaNaftat loetakse strateegiliseks
tooraineks , millest toodetud kütustest sõltub täielikult
tänapäeva transport. Maailma naftavarud on koondunud väga suures osas Pärsia lahe
äärsetesse maadesse (vt Joonis 2 .12 ja Joonis 2 .13), naftarikkad piirkonnad on veel Lõuna-
Ameerika põhjaosa (Venetsueela, Kolumbia) ja
Mehhiko laht, Põhja-Aafrika (Liibüa),
Venemaa Lääne-Siber ja Azerbaidžan. Euroopa naftavarud on tagasihoidlikud ja
nendest arvestatav osa kuulub Norrale, lisaks ammuatatakse naftat veel Põhjamere piirkonnas mitme
riigi majandustsoonis (
Suurbritannia , Taani). Vähesel määral kammutatakse naftat ka Leedus.
Naftatoodangut mõõdetakse barrelites, mille suurus ei ole üheselt määratletud. Naftabarreli
suuruseks on 158,987 l, mille suurus on 115,627 l, kuid tuntakse veel mitmeid
puisteainete barreleid, näiteks jõhvikabarreli on 95,47 l.
Barrelit lühendatakse bbl. Oletatavasti on b kahekordne mitmuse rõhutamiseks (1 bl, 2 bbl).
Samuti on võimalik, et teine b on lisatud selleks, et vältida segiajamist paberirullidega, mille
lühend on bl (sõnast
bale).
18(113)
Villu Vares
Energia ja keskkond
Joonis 2.12 Maailma naftavarude jaotumine riikide kaupaJoonis 2.13 Nafta, maagaasi ja kivisöe kaevandamine ja kaubanduse. Sinised jooned iseloomustavad naftakaubandust, oranžid maagaasi- ja mustad kivisöe
kaubandustNaftat ammutatakse puuraukude kaudu mitme kilomeetri sügavuselt. Nafta jõuab maapinnale
kas pinnase või naftakihti pumbatava vee
survest tingitud rõhu toimel, samuti kasutatakse
laialdaselt spetsiaalseid nafta pumpasid (vt Joonis 2 .14).
Nafta puuraugud võivad
asuda nii maismaal kui merel. Viimasel juhul korraldatakse nii
puurimine kui nafta ammutamine naftaplatvormidelt (vt Joonis 2 .15).
19(113)
Villu Vares
Energia ja keskkond
Joonis 2.14 Nafta ammutamise viisid: vasakul – rõhu tekitamine vee pumpamisega naftakihi alla; paremal – nafta pumpamine puuraugust spetsiaalse
pumbasüsteemi abilNii nafta ammutamisel, transpordil kui ümbertöötamisel on suured keskkonnariskid. 2010.
aasta Mehhiko lahe naftapuurtorniga aset leidnud katastroofis voolas nafta merre mitmete
kuude jooksul, kuigi naftavoolu peatamiseks tehti pööraselt suuri investeeringuid. Meri
suudab mingil määral merre voolanud naftat lagundada, siiski on keskkonnakahjud tohutud ja
sellele lisandub veel väga suur majanduslik kahju.
Joonis 2.15 Naftaplatvorm20(113)
Villu Vares
Energia ja keskkond
2.4Nafta ümbertöötamineJoonis 2.16 Nafta ümbertöötamise põhimõtteline skeem2.5Maagaas21(113)
Villu Vares
Energia ja keskkond
Joonis 2.17 Euroopa maagaasitorustikud ja selle arendamise plaanid 2003.a detsembri seisuga Joonis 2.18 Maagaasi transportimine veeldatud kujul 22(113)
Villu Vares
Energia ja keskkond
Joonis 2.19 Veeldatud maagaasi tanker2.6Kivisöed2.7Mittekütuselised energiaallikad23(113)
Villu Vares
Energia ja keskkond
3
BIOMASSIPÕHISED KÜTUSEDTahkete biokütuste klassifitseerimine algab päritolu määramisest, mille alusel kütused
jaotatakse järgmisteks gruppideks:
•
puidupõhine biomass;
•
rohtne biomass;
•
puuviljade biomass;
•
lisanditega ja
segatud biokütused.
Katlakütusena on Balti mere äärsetes maades praktilises kasutuses väga mitmesugused
puidupõhised kütused ning mõned rohtse päritoluga kütused (eelkõige õled).
Puidupõhine biomass kujutab endast puudest või põõsastest pärinevat biomassi, kusjuures
biomass võib olla saadud otse
metsast või istandusest (nn energiametsast), puidutööstuse
jääkidest, korduvakasutusega biomass jne (vt Joonis 3 .20).
Nii puidupõhised kui rohtsed (
herbaceous) kütused võivad olla keemiliselt töödeldud ja
sisaldada lisandeid ja kemikaale, mis mõjutavad nende materjalide kasutatavust kütusena.
Korduvakasutusega puidus võivad lisanditeks olla näiteks naelad, elektrijuhtmete
metall ning
vaigud ja
liimid (lammutuspuit), puidutööstuse jäätmetes vaigud ja liimid jne. Selliste
lisandite sisaldus tuleb lähtuvalt keskkonnaohtlikkusest eriti täpselt klassifitseerida.
Biokütuseid toodetakse, turustatakse ja kasutatakse küllaltki mitmesugustes nn
kaubanduslikes vormides, mille tüüpilised näited on esitatud tabelis (vt Tabel 3 .4).
Tabel 3.4. Biokütuste kaubanduslike vormide tüüpilised näitedKütuse nimetusTüüpilised osakeste mõõtmed Levinud ettevalmistuse viisBriketid
Ø > 25 mm
Mehaaniline kokkupressimine
Pelletid
Ø CO2 +
soojus 2H2 + O2 -> 2H2O +
soojus S + O2 -> SO2 +
soojusPõlemisel kasutatakse õhuhapnikku ja põlemisproduktideks on süsihappegaas (CO2) veeaur
(H2O) ja vääveldioksiid (SO2). Kuigi väävli põlemisel eraldub samuti kasulikku soojust,
loetakse väävlit keskkonnamõjude ja ka küttepindade korrosiooniohu tõttu äärmiselt eba-
soovitavaks kütuse lisandiks.
Tahkekütuse põletustehnoloogiate hulka kuuluvad:
•
põletamine restil;
•
tolmpõletamine;
•
põletamine keevkihis;
•
tahke kütuse gaasistamine, kusjuures saadud gaasi võib põletada katlas, aga ka
kasutada gaasimootori või gaasiturbiini kütusena.
Põletamine restilRestil põletamine on ajalooliselt esimene tahke kütuse põletusviis. Tänapäeval kasutatakse
põletamist restil väikestes küttekateldes ja eelkõige biokütuste korral, aga ka turba ja kivisöe
korral.
Niiske tahke kütuse põlemist on ülevaatlik vaadelda just restil põletamise näite
varal , kus osa
protsesse toimuvad kütuse kihis ja osa kolderuumis.
Restil leiavad aset järgmised protsessid (vt joonis 3.13):
•
kuivamine algab kohe kütuse sattumisel restile, sest kihi temperatuur hakkab
tõusma;
•
kui kütuse temperatuur jõuab 100 – 105°C-ni, algab lendaine (eelkõige süsi-
vesinike) eraldumine. Kütuseosakeste struktuur muutub selle protsessi tulemusena
poorseks;
•
kütus süttib sõltuvalt kütuse liigist temperatuuril vahemikus 220 – 300°C – okas-
puu 220°C juures, lehtpuu kuni 300°C juures ja kuiv turvas 225 – 280°C juures;
•
süsiniku põlemine lõpeb temperatuuril 800 – 900°C ja tuhk langeb restilt alla
tuharuumi.
Restil asetleidvad protsessid jagunevad kaheks: endotermilisteks e soojust neelavateks
(kuivamine ja pürolüüs) ning eksotermilisteks e soojust andvateks (põlemine). Kuna
põlemistsooni kütuseosakeste ja kuivamistsooni osakeste vahel puudub otsene kontakt, saab
kuivamistsoon ja pürolüüsi tsooni ülemine osa (alguseosa) vajaliku soojuse põhiliselt
leegi ja
kuumade koldepindade kiirguse teel.
Mida niiskemat kütust põletatakse, seda enam soojust vajatakse kütuse kuivatamiseks ja
süttimistemperatuurini kuumutamiseks. Seega niiske kütuse põletamiseks ettenähtud koldes
küttepinnad (st jahutatavad pinnad) puuduvad või on nende osatähtsus väike. Kuumade
keraamiliste koldeseinte püsivalt kõrge temperatuur on vajalik selleks, et kuivamistsoon jääks
soovitud piiridesse resti ülemisse otsa ning et kütus õigeaegselt süttiks.
47(113)
Villu Vares
Energia ja keskkond
Joonis 5.47. Niiske biokütuse põlemistsoonid kaldrestil
Kuiva kütuse põletamisel võib koldeseinte
jahutamine vastupidiselt niiske kütuse
põletamisele vajalikuks osutuda. Kuiva kütuse korral vajatakse kuivamiseks ja kütuse
kuumutamiseks vähe soojust ning kuumad kiirgavad pinnad ning leegi kiirgus võivad
kütusekihi temperatuuri tõsta tasemini, mil tuhk muutub kleepuvaks või sulab. Tuha sulamine
ummistab ja rikub resti, lisaks võib ka keraamiliste koldepindade temperatuur jõuda ohtlikult
kõrgeks ja
keraamika ei pea sellele vastu ja võib hakata sulama. Seega iga kolde
konstruktsioon on ette teatud niiskusega kütuste põletamiseks.
Põhiline osa biokütustest ja turbast saadavast soojusest eraldub mitte kütusekihis, vaid
kolderuumis, sest nende kütuste lendainesisaldus on kõrge. Pürolüüsi tulemusel gaasistunud
lendaine põlemine algab kolderuumis temperatuuril 500 – 600°C. Et lendaine süttiks, on
vajalik piisavalt kõrge temperatuur ja lisaks tuleb kolderuumi anda värsket hapnikurikast
õhku. Kui resti alla antavat põlemisõhku nimetatakse tavaliselt primaarõhuks e altõhuks, siis
lendaine põlemiseks vajalikku lisaõhku nimetatakse sekundaarõhuks e pealtõhuks, kusjuures
sekundaarõhu vajadus ületab nende kütuste põletamisel primaarõhu vajaduse.
5.2.3 Restkolded
Ajalooliselt jagati restkoldeid käsitsi teenindatavateks ja automaatse söötmisega kolleteks.
Käesoleval ajal on käsitsi teenindavate kollete osa jäänud väga väikeseks ja isegi
üheperemajade kateldes kasutatakse sobiva kütuse korral üha enam automaatset kütuse
etteannet, kuid tuhaeraldus toimub väikese tuhasisaldusega puitkütuste korral käsitsi isegi
üsna suurte katelde korral.
Kuigi erinevaid restitüüpe on väga palju, võib nad jagada järgmiselt:
•
liikumatu
rest ;
•
mehaaniline kaldrest;
•
kettrest;
•
spetsiaalrestid
eriomadustega kütuste, näiteks jäätmete, põletamiseks.
Eriotstarbeliste restidega ja kettrestiga koldeid käesolevas õppematerjalis lähemalt ei
puudutata. Jäätmete põletamine nõuab nii põletustehniliselt kui kahjulike
heitmete vähendamiseks
komplitseeritud tehnoloogiat, mille valik ja seadmete käivitamine peab
toimuma vastavate spetsialistide järelevalve või juhendamise all.
48(113)
Villu Vares
Energia ja keskkond
Enamasti on liikumatu rest paigutatud koldesse sellise nurga all, mis tagab kütuse varisemise
mööda resti kuivamistsoonist allapoole kuni süsiniku (
koksi ) põlemise tsoonini (vt joonis
3.13). Liikumatu kaldrestiga kolde kaldenurk on ligikaudu võrdne kasutatava kütuse
varisemisnurgaga.
Võrreldes liikumatu restiga kolletega võimaldab restielementide liigutamine paremini
kontrollida kütusekihi edasiliikumist ja ühtlasemat jaotust restil ning kokkuvõttes saavutada
efektiivsemat põlemist ja alandada kahjulike heitmete (eriti CO) sisaldust suitsugaasides.
Mehaanilise restiga kolde tüüpiliseks näiteks on Rootsi firma KMW
kolle TRF (vt joonis
3.14), mille resti liigutatavad elemendid vahelduvad liigutatavatega. Malekorras
restielementide liigutamine tagab kütusekihi ühtlase paksuse ja edasiliikumise.
Joonisel (vt joonis 3.14) kujutatud kolle on eelkolle ja see komplekteeritakse eraldi katlaga.
Eelkolde seinad on ilma küttepindadeta, mis sobib niiske kütuse (35 – 55 %) põletamiseks.
Kolde keraamilisi seinu jahutatakse põlemisõhuga, mis annab õhule ettesoojenduse ja
parandab ühtlasi põlemistingimusi.
Väga niiske kütuse korral on kolde seinad üldreeglina ilma jahutuseta ja valmistatud
keraamilistest
materjalidest , mille töötemperatuur on piisavalt kõrge selleks, et seinte kiirgus
annaks piisavalt soojust kütuse kuivatamiseks, lendaine eraldamiseks ja
sobivate põlemistingimuste loomiseks nii restil kui lendaine põlemise tsoonis. Kui sellises ilma
jahutuseta koldes kasvõi lühiajaliselt põletada kuiva kütust, siis temperatuur hakkab kiiresti
tõusma nii kütuse kihis kui kolde ruumis.
Tulemusteks võivad olla tuha sulamine, resti ja selle
õhuavade šlakkumine, samuti kolde müüritise
kahjustumine või isegi sulamine.
Wärtsilä patenteeritud
koonilise restiga altsöötmisega BioGrate kolle (vt joonis 3.15)
võimaldab efektiivselt põletada väga mitmesuguste omaduste kütuseid, sh isegi kuni 65 %
niiskusega kütust. BioGrate põletustehnoloogia korral söödetakse kütus tigusöötjaga koonilise
resti
keskossa , kust see koonuse pinda mööda allapoole valgub. Kasutatavad on praktiliselt
mistahes biokütused, mida saab tigusöötjaga koldesse anda.
Kui biokütuste ja turba põletamiseks sobivad kolded on konstrueeritud eelkoldena, siis tuleb
see katlamajas ühendada sobiva katlaga. Paljud tootjad konstrueerivad ja tarnivad kolde ja
katla ühtse tervikuna, eriti väiksemate võimsuste korral. Sellistes seadmetes on lihtsam
organiseerida näiteks tuhaärastust nii resti alt, vertikaalsetest suitsutorudest kui suitsugaaside
puhastusseadmete alt.
Kui katlas soovitakse põletada kuiva kütust, tuleb kolde seinu jahutada sinna paigutatud
küttepindade abil. Kolde seinte jahutustingimustest sõltub otseselt see, millist ja millise
niiskusega kütust selles koldes põletada saab. Kuiva kütuse, näiteks pelletite, aga ka
laudsepa -
või mööblitööstuse jääkide põletamisel hoiavad kolderuumi temperatuuri sobivates piirides
eelkõige jahutatavad koldeseinad, lisaks võib olla vajalik kujundada lendaine põlemise tsoon
selliselt, et leegi kiirgus täies ulatuses kütusekihile ei
langeks .
Sellises jahutatavas koldes
niisket kütust põletades jäävad temperatuurid restil madalaks, sest
kütuse kuivamistingimused pole piisavad. Tulemuseks on põlemata kütuseosakeste sattumine
tuhka ja lendaine mittetäielik põlemine, mis järsult alandavad põlemise efektiivsust ja
tahma ning põlemata gaaside sattumist korstnasse, samuti võivad küttepinnad ja suitsukäigud
pigituda.
Kolde seintes võivad paikneda põlemisõhu kanalid, mille abil seinu mõningal määral
jahutatakse, kuid samas soojendatakse põlemisõhku ette ja see parandab märja kütuse
põlemistingimusi. Sellised kolded on väga levinud ja sobivad hästi mõõdukalt niiskete kütuste
korral, näiteks metsahakke põletamiseks, mille tüüpiline niiskuse vahemik on 35 – 55 %.
49(113)
Villu Vares
Energia ja keskkond
Joonis 5.48. Malekorras liigutatavate resti- Joonis 5.49. Wärtsilä patenteeritud elementidega kolle TRF, Rootsi koonilise restiga alt-firma KMW ENERGI ABsöötmisega kolle BioGrateJoonis 5.50. Soome firma Putkimaa OY tahkekütuse põletamise kompleksne PMA tüüpi katelseade võimsustele 1 – 10 MWKettrestid sobivad hästi suuremate võimsuste korral mitmete kütuste põletamiseks samas
koldes. Näiteks 1984. aastal Boråsi (Rootsi) rekonstrueeritud kahe kettrestkoldega
aurukatla tootlikkus on sõltuvalt kütusest
kummalgi 60 – 90 tonni auru tunnis. Selle katla restiosa lõige
on toodud joonisel (vt joonis 3.17). Põhikütuseks on hakkpuit, kuid lisaks on võimalik
kasutada ka
turvast ja kivisütt.
Kettresti liikumise kiiruse varieerimisega on võimalik väga paindlikult reguleerida kütuse
sobiva kiirusega edasiliikumist kuivamistsoonist kuni süsiniku täieliku põlemiseni ja
põlevainevaba tuha eemaldamiseni. Üleminekul ühelt kütuselt teisele, näiteks hakkpuidult
kivisöele, tuleb muuta resti liikumise kiirust ning põlemisõhu koguseid ja vahekordi.
50(113)
Villu Vares
Energia ja keskkond
Joonis 5.51. Kettrest Boråsi (Rootsi) energiakeskuse katlas
Kivisöe kasutamiseks Boråsi energiakeskuses on huvitav põhjus. Kahe võimsa põhiliselt
hakkpuidul töötava katla varustamiseks hakkpuiduga tuleb ööpäevas kohale toimetada
mitukümmend koormat kütust. Veokijuhtide ja kütuseveo tasud puhkepäevadel on tunduvalt
kõrgemad kui tööpäevadel. Sellise suure mehhaniseeritud hakkpuidu lao ehitamine, mis
mahutaks mitme järjestikuse puhkepäeva kütusevaru, on majanduslikult ebaratsionaalne.
Kütuse transpordikulude optimeerimiseks viiaksegi
katlad mitme järjestikuse puhkepäeva
korral kivisöe küttele, näiteks Jõulude, Uusaasta või Lihavõttepühade ajaks.
5.2.3.1 Tolmpõletamine
Tahkete kütuste (kivisöe, põlevkivi) tolmustatud kujul põletamise
tehnoloogia e nn
tolmpõletuse tehnoloogia on hästi tuntud ja soojuselektrijaamades väga laialdaselt kasutatav
tehnoloogia. Kivisöe või põlevkivi tolmpõletuskatelde jaoks peab elektrijaama tehnoloogilises
skeemis olema ette nähtud veskid kütuse jahvatamiseks vajaliku peensusega kütusetolmuks.
Sõltuvana elektrijaama saabuva kütuse osakeste
suurusest on elektrijaama tehnoloogilises
skeemis vaja lisaks veskitele ette näha ka nn eelpurustid (näit valtspurustid). Eelpurustites
kütuse tükid peenendatakse mõõtmeteni, millised on sobivad kütusetolmu tootmiseks (kütuse
jahvatamiseks) veskites. Sõltuvana kütusetükikeste
mehaanilisest tugevusest, kasutatakse
kütuse jahvatamiseks kas kuulveskeid või haamerveskeid. Ka teised võimalikud variandid
võivad sõltuvalt kütuse iseloomust kasutusel olla, näiteks jahvatavad ventilaatorid.
Kütuse tolmpõletamise korral söödetakse kütusetolm spetsiaalsete kütusesööturite abil (nn
vahepunkritega variandi korral) või transporditakse kütuseveskist primaarõhuga katla
koldekambrisse, kus ta põleb kõrgel temperatuuril, temperatuur leegi südames võib
ulatuda 1400 – 1450 ºC-ni. Kütusetolmu põletamine kõrgel temperatuuril tagab intensiivse soojus-
vahetuse koldekambris. Kütuse tolmpõletamisega võivad kaasneda ka olulised probleemid,
näiteks küttepindade intensiivne saastumine, lämmastikoksiidide intensiivne tekkimine katla
koldekambris, tehnoloogilised raskused suitsugaaside puhastamisel ja kahjulike heitmete
vähendamisel.
5.2.3.2 Keevkihttehnoloogiad
Keevkihttehnoloogiad omandavad tahkete kütuste põletamisel iga aastaga üha suuremat
levikut. Keevkihis on võimalik edukalt põletada väheväärtuslikke kütuseid, sh näiteks mäe-
tööstuse rikastamisjäätmeid, keemiatööstuse ja olmejäätmeid, põlevaid jääke jne.
Keevkiht -
põletamise tehnoloogia
eeliseks on ka asjaolu, et see võimaldab oluliselt vähendada kütuse
põlemisel tekkivaid
kahjulikke heitmeid, ilma et selleks oleks vaja kasutada spetsiaalseid ja
väga kalleid koldegaaside puhastusseadmeid.
51(113)
Villu Vares
Energia ja keskkond
Keevkihtkolde oluliseks konstruktsioonielemendiks on selle all asuv rest, mille läbi antakse
koldesse kütuse põletamiseks (või gaasistamiseks) õhku. Viimane erineb tavalise restküttega
kolde restist oma konstruktsiooni lihtsuse ja tunduvalt väiksema vaba ristlõike pindala
poolest. Keevkihtrest moodustab seda läbivale õhule eeltakistuse, mis on vajalik õhu
ühtlaseks jagunemiseks kogu resti pindala ulatuses.
Tahkete osakeste nn keemine algab restil juhul, kui osakesi läbiva õhu kiirus on piisavalt suur
restil paikneva peeneteralise materjali ja selle kihi paksuse jaoks. Keevkihis põletamiseks
ettevalmistatud kütused sisaldavad osakesi, millede läbimõõt on mõnest mikromeetrist kuni
10 mm-ni ja veelgi rohkem. Enamike kütuste põletamiseks keevkihis on vaja nn kandevkihti,
milleks lisatakse koldesse peeneteralist inertset materjali, mis
keeb koos kütuseosakestega.
Keevkihti läbiva õhu (gaasi) kiiruse järgi võib kütuste keevkihtpõletamise tehnoloogia jagada
järgmisteks
alaliikideks (vt joonis 3.18):
• klassikaline (mulliv e aeglane) keevkiht;
• turbulentne (kiire) keevkiht;
• tsirkuleeriv keevkiht.
Keevkihtkolded võivad töötada kas atmosfääri rõhul või ka ülerõhu all. Laialdase leviku on
seni saavutanud atmosfääri rõhul töötavad keevkihtkolletega katlad.
Joonis 5.52. Mulliva (A) ja tsirkuleeriva (B) keevkihiga kollete põhimõttelised skeemid
1 – kütus; 2 – primaarõhk; 3 – sekundaarõhk; 4 – põlemisgaasid; 5 – põhjatuhk.
Klassikaline keevkihtKeevkihtkoldega katlaid iseloomustab rida üldiseid positiivseid näitajaid, milledest
olulisemad on järgmised.
• Kütuse osakeste intensiivne segunemine ja suur soojusülekande tegur keevkihis
võimaldavad selles efektiivselt põletada väga erineva kvaliteediga kütuseid.
•
Tingituna madalatest põlemistemperatuuridest keevkihis (800 – 900 °C) on põle-
misel tekkivate lämmastikoksiidide (NOx) tase madal ja tingimused kütuses
sisalduva vääveloksiidide (SO2) sidumiseks kütusele lisatava või kütuse
52(113)
Villu Vares
Energia ja keskkond
mineraalosas leiduvate karbonaatsete ühenditega äärmiselt soodsad. Seetõttu ei ole
vaja ehitada eraldi väävlipüüde seadmeid. Ainult tahkete osakeste eraldamiseks
suitsugaasidest on vaja kas elektri- või kottfiltreid.
• Keevkihtkoldega katelagregaadi koormust on võimalik paindlikult reguleerida
suurtes piirides, ilma et see oluliselt mõjutaks katla kasutegurit.
Keevkihtkoldega katelagregaatidele on valmistajafirmad andnud erinevaid konstruktiivseid
lahendusi eesmärgiga tõsta katelagregaatide kasutegurit, parandada nende töökindlust ja
suurendada katelde universaalsust.
Klassikalist keevkihti nimetatakse ka mullivaks või aeglaseks keevkihiks. Selle keev-
kihttehnoloogia puhul on õhu (gaasi) kiirused keevkihis kõige väiksemad. Aeglase
keevkihi puhul kandub
kihist välja vähe sinna
juhitud kütuse osakesi ja ülejäänud kütuse mass põleb
keevkihi
mahus . Et hoida kihi temperatuuri soovitud piires (800 – 900 °C), tuleb enamikel
juhtudel kihti paigutada soojusvahetuspinnad. Klassikalise keevkihtkoldega katla üheks
positiivseks näitajaks võib pidada asjaolu, et otse koldest eraldatav tuha kogus on tunduvalt
suurem kui näiteks tsirkuleeriva keevkihtkoldega katla puhul.
Kui
klassikalises keevkihis suurendada õhu (gaasi) kiirust, siis osakeste ümberpaiknemise
iseloom kihis intensiivistub ja kihist väljakandunud kütuse osakeste hulk suureneb oluliselt
võrreldes klassikalise keevkihtkoldega. Koos gaaside kiiruse suurenemisega kolde kihi
pealses ruumis väheneb gaasidega kaasa kandunud kütuse osakeste koldes viibimise aeg ja
osa nendest ei jõua kolde mahus lõpuni põleda. Lõpuni põlemata kütuse osakesed (koks)
püütakse koldele järgnevas tsüklonis kinni ja juhitakse koldesse tagasi, kus toimub nende
lõplik põlemine. Turbulentset keevkihtkoldega katelt võib pidada üleminekuvariandiks
klassikalise keevkihtkoldega katlalt tsirkuleeriva keevkihtkoldega katlale.
Atmosfääri rõhul töötav tsirkuleeriva keevkihiga kolle
Tsirkuleeriva keevkihiga koldes (näit joonis 3.19) on resti läbiva õhu (gaasi) kiirus kaks ja
enam korda suurem kui klassikalises keevkihtkoldes. Tsirkuleeriva keevkihi puhul on gaaside
kiirus kihis ja kolde ristlõikes sedavõrd suur, et enamik kütuseosakesi kantakse kihist välja ja
nad täidavad kogu kolde mahu. Neile lisanduvad veel tuha- ja koksiosakesed, mis
tsirkulatsiooni tõttu uuesti koldesse satuvad. See võimaldab oluliselt paremini ära kasutada
kogu kolde mahu kütuseosakeste põletamiseks, aga samuti väävliühendite sidumiseks
kütusele lisatud või kütuse mineraalosas endas karbonaatsete ühenditega. Tsirkuleeriva
keevkihi puuduseks tuleb pidada mõningate kütuste tuhaosakeste ülemäärast peenenemist
tsirkulatsiooni käigus mistõttu kuumast tsüklonist väljuvates suitsugaasides sisalduv tuhk on
väga peeneteraline. Põlevkivi põletamise katsed tsirkuleerivas keevkihis (
Foster Wheeler‘i,
Lurgi Lentjes‘i ja
AAB Combustion Engineering katsestendides) näitasid selle tuha
intensiivset peenenemist. Peenenemisprotsessi tulemusena suureneb oluliselt peeneteralise
tuha mass, mis ei separeeru suitsugaasidest välja katla konvektiivsetes suitsukäikudes ega
multitsüklonis. See tekitab probleeme lendtuha väga peene fraktsiooni püüdmisel ja
suitsugaaside puhastamisel.
53(113)
Villu Vares
Energia ja keskkond
Joonis 5.53. Tsirkuleeriva keevkihiga põlevkivil- aurukatel 215 MW elektrilise võimsusega energiaplokile. Katla nominaalne aurutootlikkus on 90 kg/s, auru
rõhk, 12,74 MPa, temperatuur 535 ºC, toitevee temperatuur ökonomaiserisse
sisenemisel 250 ºC1 – kütuse punker; 2 – kütuse söötja; 3 – kolderest; 4 – koldekamber; 5 – separatsioonikamber; 6 –
keevkiht-
soojusvaheti ; 7 – separaator; 8 – auru ülekuumendi; 9 – ökonomaiser; 10 – õhueelsoojendi;
11 – elektrifilter.
Keevkihtpõletamine rõhu all
Rõhu all töötav keevkihtkolle on paigutatud
terasest kõrgsurve mahutisse. Selles
mahutis paiknevad ka kuumade koldegaaside puhastusseadmed (tsüklonid). Kütuste põletamine rõhu
all
olevas keevkihis võimaldab energiat toota kombineeritult. Koldest väljuvad rõhu all olevad
gaasid puhastatakse tuhaosakestest, leelismetallidest ja teistest lisanditest. Kuumade gaaside
täiendavaks
puhastamiseks kasutatakse veel ka keraamilisi filtreid, mis asuvad väljaspool
kõrgsurve mahutit. Seejärel gaasid paisuvad gaasiturbiinis, mis käivitab elektrigeneraatori ja
õhukompressori. Viimasega antakse põlemisõhku kõrgsurve mahutisse ja sealt koldesse.
Gaasiturbiinist väljuvad gaasid läbivad enne atmosfääri juhtimist ökonomaiseri, kus
soojendatakse ette aurukatla toitevett. Koldes moodustunud aur
paisub tavalises auruturbiinis,
mis käivitab teise elektrigeneraatori. Toodetud energiast on gaasiturbiini poolt toodetud
energia osatähtsus 20 – 25% ja auruturbiini poolt toodetud energia osa on 75 – 80%.
Kokkuvõtteks võib öelda, et põletamine rõhu all olevas keevkihis on üks progressiivsemaid
põletamise
tehnoloogiaid ja selle uurimiseks, täiustamiseks ja rakendamiseks tehakse suuri
jõupingutusi kogu maailmas. Eesti põlevkivi põletamiseks rõhu all töötavas keevkihis ei ole
veel olemas lõplikult väljatöötatud tehnilisi lahendusi.
5.2.4 Tahke kütuse eelgaasistamisega soojusjõuseadmed
Biomassi gaasistamise põhimõtted on tuntud juba alates
XVIII sajandi lõpust, kuid algul
rakendati seda tehnoloogiat ainult gaasilaternate varustamiseks
gaasiga . Teise Maailmasõja
päevil rakendati biomassi gaasistamise seadmeid mootorikütustele asenduskütuse saamiseks.
54(113)
Villu Vares
Energia ja keskkond
Ka kahekümnenda sajandi seitsme- ja kaheksakümnendate aastate energiakriisi ajal käsitleti
biomassi gaasistamist kui alternatiivi kallinenud naftakütuste asendamiseks, kuid lisaks sellele
ilmusid ka gaasistamisseadmed, mida rakendati energia tootmiseks.
Madala kütteväärtuse ja kvaliteediga kütuse gaasistamist rakendatakse põhiliselt järgmistel
eesmärkidel:
•
madalakvaliteedilise kütuse kasutamiseks tööstuses, eriti keemiatööstuses;
•
erivajadusteks puhta kütuse tootmiseks;
•
olemasoleva lihtsa ja otstarbeka katla üleviimiseks tülikate omadustega kütusele;
•
elektri
ja soojuse koostootmiseks sisepõlemismootorites või
gaasiturbiinseadmetes.
Kaugkütte katlamajades on gaasitamist hakatud praktiliselt
rakendama suhteliselt
hiljuti ,
näiteks Soomes alates 1982. aastast. Seadmete kõrge maksumuse tõttu pole biomassi
gaasistusseadmed eriti laialdast kasutamist siiani veel leidnud. Gaasistusreaktorite tõenäoliselt
kõige perspektiivsem kasutusvaldkond on mitmete ekspertide arvates biokütuste gaasistamine
sisepõlemismootorite või gaasiturbiinide baasil elektri ja soojuse koostootmise seadmete
jaoks.
Liikumatu kütusekihiga biomassi gaasitamise reaktorisse antakse kütus ülalt ja tekkinud
gaasid liiguvad kas kütuse liikumisega
vastassuunas (nn
vastuvoolu skeem) või samas suunas
(nn pärivoolu skeem, vt joonis 3.20).
Joonis 5.54. Vastuvoolu (A) ja pärivoolu (B) gaasistusreaktorite põhimõttelised skeemid
Vastuvoolu skeemi korral sisaldavad gaasid nii pürolüüsi protsessis tekkinud tõrva, tahma kui
tuhka, samas võimaldab see tehnoloogia gaasitada ka madala kvaliteediga, st kõrge niiskuse-
ja tuhasisaldusega kütuseid. Saadav gaas sobib põletamiseks, kuid gaasikanaleid tuleb
perioodiliselt (umbes kord nädalas)
puhastada . Gaasi jahutamise ja lisanditest puhastamise
järel võimaldaks gaasi
puhtus seda kasutada ka sisepõlemismootorite kütusena.
Pärivoolu gaasistusreaktorid annavad tõrvavaba kuuma gaasi, kuid see vajab ikkagi tahmast ja
tuhast puhastamist, ühtlasi eeldab see gaasistamisviis suhteliselt kuiva ja väikese tuha-
sisaldusega kütuste kasutamist.
Liikumatu kütusekihiga gaasistusseadmete võimsused on enamasti üle 1 MW (kütuse järgi2)
2 Gaasistusreaktorite võimsus määratakse reaktorisse antava kütuse energiasisalduse alusel
55(113)
Villu Vares
Energia ja keskkond
ja ulatuvad umbes 10 MW (pärivoolu skeem) või 20 MW (vastuvoolu skeem). Suuremate
võimsuste korral rakendatakse keevkihis gaasistamise tehnoloogiat (umbes 7 – 100 MW).
Järgneval joonisel (vt joonis 3.21) on toodud Soome firma
Condens OY gaasistusreaktori
Novel
skeem. Reaktori võimsus on 1 – 10 MW, kasutatava hakkpuidu,
saepuru , koore või jäätmete
tükisuurus 0 – 50 mm ja tarbimiskütuse niiskus 0 – 60 %.
Joonis 5.55. Soome firma Condens OY gaasistusreaktor Novel võimsusega 1 – 10 MW5.2.5 Põlemise soojuskaod ja kasutegur
Põlemisel esinevate soojuskadude arvutamisel on võimalik lähtuda kas niiske või kuiva
suitsugaasi analüüsi tulemustest. Siinkohal vaadeldakse kadusid kuiva suitsugaasi analüüsist
lähtuva metoodika alusel, sest see meetod ühildub hästi kaasaegse mõõtetehnikaga ja
võimaldab hästi välja tuua kütuse niiskuse ja vesiniku põlemisel tekkinud veeauru rolli
kadudes.
Põlemise soojuskadude hulka kuuluvad:
•
soojuskadu kuiva suitsugaasi füüsikalise
soojusega ;
• soojuskadu vingugaasi (CO), süsivesinike (CmHn) ja teiste põlevate gaasiliste
komponentide sisaldusest kuivas suitsugaasis. Kadu kujutab endast keemiliselt
mittetäielikust põlemisest saamatajäänud soojust;
• soojuskadu tuha ja lendtuhaga, mis koosneb kahest osast – tuha füüsikalisest
soojusest ja
tuhas sisalduva põlemata süsiniku tõttu saamata jäänud soojusest;
• kütuse niiskusest põlemisel tekkinud veeauru sisaldusest tingitud soojuskadu.
Tavaliselt esineb veeaur suitsugaasides ülekuumendatud auru kujul, seega kujutab see kadude
komponent endast veeauru energiasisaldust (täpsemalt, aurustumissoojust ja veeauru
ülekuumenduse soojust) ning seda võetakse arvesse siis, kui põlemise kasuteguri arvutamisel
soovitakse lähtuda kütuse ülemisest (bruto) kütteväärtusest.
Põlemise kasuteguri määramisel rakendatakse nn kaudse soojusbilansi meetodit:
kasutegur = 100
– summaarsed kaod(5.0)
kus summaarsed kaod ja kasutegur on väljendatud protsentides.
56(113)
Villu Vares
Energia ja keskkond
Põlemise soojuskadusid ei tohi samastada katla ja
katlamaja soojuskadudega, sest
viimased sisaldavad täiendavalt veel mitmeid kadusid, näiteks katla välisjahtumiskadu (kutsutakse
sageli radiatsioonkaoks), aurukatla korral läbipuhkest tingitud kadu, mitme katla korral õhu
läbivoolust läbi reservis oleva katla jne.
5.2.6 Põlemisprotsessi efektiivsust iseloomustavad näitajad
Praktiline põlemise soojuskadude määramine toimub suitsugaaside analüüsi abil, milleks
rakendatavad kaasaegsed mõõteriistad
esitavad tulemused numbrilisel kujul, kusjuures
tulemustes
kajastub enamasti ka kadude protsent.
Suitsugaaside analüüsis määratakse otseselt suitsugaaside temperatuur, CO2 või O2 sisaldus ja
CO sisaldus, mille alusel on soojuskadude põhiosa lihtsalt arvutatav ja millega praktikas
enamasti ka piirdutakse.
Kõige
suuremaks soojuskaoks on tavaliselt kadu suitsugaasi füüsikalise soojusega ja see
sõltub lisaks temperatuurile veel liigõhutegurist λ, mis on määratud tegeliku ja põlemiseks
teoreetiliselt vajaliku põlemisõhu suhtena ja mida kasutatakse ühe olulisema põlemist
iseloomustava suurusena.
Suitsugaasi analüüsi alusel on liigõhuteguri määramiseks sobiv kasutada järgmist lihtsustatud
seost:
λ = CO2,max/CO2, mõõdetud
(5.0)
kusjuures
CO2,max kujutab endast maksimaalset võimalikke süsihappegaasi sisaldust antud
kütuse korral ja selle väärtused sõltuvad kütusest ja on mõnede kütuste jaoks leitavad tabelist
(vt tabel 3.1).
Tabel 5.6 Mõningate kütuste CO2,max väärtusedKütus
CO2, max %
Kivisüsi
18,8
Kütteõlid
15,9
Puit
20,2
Turvas
19,6
Maagaas
12,1
Paljud gaasianalüsaatorid ei mõõda otseselt süsihappegaasi sisaldust, vaid arvutavad selle
hapnikusisalduse kaudu:
CO2,mõõdetud = CO2,max ∙ (1 – O2/20,94)
(5.0)
Otstarbekas liigõhuteguri väärtus sõltub tugevasti nii põletustehnoloogiast kui kütusest, kuid
täieliku põlemise jaoks peab alati olema suurem kui 1. Puit- ja turbakütuste põletamisel on
suhteliselt raske tagada põlemisõhu väga ühtlast jaotust kogu põlemistsooni ulatuses ja
seepärast vajatakse täieliku põlemise saavutamiseks liigõhutegurit sageli alates väärtusest 1,4.
Samas vedel- ja gaaskütuse põletamisel on optimaalne liigõhutegur enamasti piirides 1,02 –
1,1.
Keemiliselt mittetäielikust põlemisest tingitud soojuskadu on suure täpsusega määratav
suitsugaaside CO sisalduse põhjal. Kõrge CO sisaldus (alates 0,5 %)
viitab ka põlemata
süsinikuosakeste võimalikule sisalduse suitsugaasides, mis on suitsu tumeda värvi tõttu
57(113)
Villu Vares
Energia ja keskkond
kergesti märgatav. Kuigi siinkohal piirdutakse CO sisalduse ja kadude vahelise seosega,
piiravad paljud riigid CO emissiooni ka tingituna tervishoiu ja keskkonnakaitselistest
nõudmistest.
5.2.7 Auruturbiinid
Auruturbiin on soojusjõumasin auru potentsiaalse energia muundamiseks esmalt
kineetiliseks ja seejärel pöörleva rootori mehaaniliseks energiaks. Veeaur siseneb auruturbiini
aurujaotusklappide kaudu ja voolab pidevalt läbi
turbiini , paisudes selle rõhuastmetes.
Rõhuastme moodustavad liikumatud düüsid, mis tõstavad auru kiirust, ja rootori töölabad, mis
asuvad düüsidest väljuva auru
voolus . Töölabadevahelistes kanalites voolates avaldab aur
töölabadele jõudu, mis paneb rootori pöörlema. Eristatakse
aktiiv - ja reaktiivturbiine (vt
joonis 3.22).
Aktiivturbiini rõhuastmes paisub aur ainult liikumatutes düüsides ja auru kineetiline energia
suunatakse rootori labadele ning muundatakse rootori pöörlemise mehaaniliseks energiaks.
Reaktiivturbiini rõhuastmes mõjub rootori töölabadele lisaks auru kineetilisele energiale veel
auru
paisumise reaktiivjõud. Aktiivturbiinimõõtmed on suhteliselt väikesed, tema
ekspluateerimine on lihtne, ta on ökonoomne ning võimaldab kasutada kõrgparameetrilist
auru, saada puhast kondensaati ning lisaks elektri genereerimisele anda tarbijatele erinevate
parameetritega auru. Võimsates auruturbiinides on mitukümmend rõhuastet, mis
konstruktsioonilistel põhjustel võivad olla jaotatud mitme korpuse vahel. Tüüpiliselt
moodustavad võimsate auruturbiinide kõrgrõhuosa aktiivastmed ja madalrõhuosa
reaktiivastmed. Enamik nüüdisaegsetest auruturbiinidest on nn aksiaalturbiinid, milles aur
voolab rootori
pikitelje sihis. Märgatavalt vähem kasutatakse nn radiaalturbiine, milles aur
voolab telje
risttasapinnas keskelt väljapoole või vastupidi.
Auruturbiine kasutatakse nii statsionaarsete soojusjõumasinate kui ka laeva soojus-
jõuseadmetena. Auruturbiinid on muutunud põhiliseks soojusmootoriks soojuselektrijaamades
ning praktiliselt täielikult asendanud
aurumasina , sest tal on kõrgem
termiline kasutegur ja
suurem võimsus massiühiku kohta.
Statsionaarsed auruturbiinid jagunevad
kondensatsioon -
turbiinideks, millest kogu atmosfäärirõhust madalama rõhuni paisunud aur suunatakse
kondensaatorisse, auru vaheltvõtuga kondensatsioonturbiinideks, mille vaheastmetest antakse
osa auru tarbijatele, vasturõhuturbiinideks, mille viimasest
astmest väljuva auru rõhk on
kõrgem atmosfäärirõhust ja mida kasutatakse kas tehnoloogilise auruna või kaugküttevee
soojendamiseks. Soojuselektrijaamade auruturbiinide pöörlemissagedus on enamasti kas 3000
pööret
minutis (st 50 pööret sekundis 50 Hz elektrivõrgu sagedusega maades, sh Eestis ja
Euroopa riikides) või 3600 pööret minutis (st 60 pööret sekundis 60 Hz elektrivõrguga
maades, näiteks Ameerika Ühendriikides). Auruturbiinide võimsused ulatuvad mõnest kilo-
vatist kuni umbes 1500 MW-ni, siseneva auru rõhk võib ulatuda üksikute turbiinide korral
kuni 34,5 MPa-ni ja temperatuur kuni 650 ºC-ni. Eesti Elektrijaama keevkihtkatlaga ühes
energiaplokis töötava auruturbiini K-200-130 võimsuseks on pärast rekonstrueerimist 215
MW, nominaalne siseneva auru rõhk 12,74 MPa ja temperatuur 535 ºC. Esimese kaasaegse
auruturbiini ehitas 1884. a Briti insener Charles Algernon Parson (
mitmeastmeline reaktiivturbiin). 19. sajandi kaheksakümnendatele aastatel konstrueeris rootslane Carl G. P. de
Laval väikese kiirete pööretega (40 000 pööret minutis) reaktiivturbiini, mis käivitas
koorelahutajat, ja üheastmelise aktiivturbiini. Umbes samal ajal töötas Ameerika insener
Charles Gordon Curtis välja kaheks või kolmeks kiiruseastmeks jaotatud rõhuastmega
turbiini, nn Curtise ratta, mida võib kasutada iseseisva väiketurbiinina või paljude
rõhuastmetega auruturbiini esimese, nn reguleerimisastmena. 1896. aastal ehitas
prantslane C.
E. A. Rateau mitmeastmelise auruturbiini. Rootslastest vennad Birger ja Fredrik Ljungström
töötasid välja ühe tuntuima radiaalturbiini, mis patenteeriti 1894.a.
58(113)
Villu Vares
Energia ja keskkond
Joonis 5.56. Skeem aktiiv- ja reaktiivturbiini Joonis 5.57. Kaasaegse auruturbiini tööpõhimõtete selgitamiseks rootor 5.2.8 Gaasiturbiinid
Energeetilisi gaasiturbiine kasutatakse kiire käivitusvõimaluse ja suhteliselt madalate
investeeringukulude tõttu sageli energiasüsteemides tipukoormuse katmiseks. Gaasiturbiinid
kuuluvad ka kombineeritud tsükliga energiaplokkide koosseisu.
Energeetilistes gaasiturbiinseadmetes kasutatakse kütusena enamasti maagaasi, biogaasi või
tahke kütuse gaasistamisel saadud gaasi. Paljud gaasiturbiinid võivad kasutada ka puhtaid
vedelkütuseid. Kütused juhitakse rõhu all töötavasse põlemiskambrisse, kuhu antakse
kompressoriga ka põlemisõhk. Põhiliseks kompressoritüübiks on telgkompressor, mis on
ühenduses gaasiturbiiniga.
Ehituselt erineb
gaasiturbiin auruturbiinist suhteliselt palju. Kasutatav entalpialang on
gaasiturbiinides mõõdukas ja seetõttu on gaasiturbiini astmete arv väike, kuid gaasi
erikulu suur ning ületab vastava võimsusega auruturbiini auru erikulu umbes kümnekordselt.
Gaasi kõrge temperatuuri tõttu töötab gaasiturbiin termiliselt väga
rasketes tingimustes, mis
nõuab eriteraste ja -sulamite kasutamist ning rasketes tingimustes töötavate sõlmede
jahutamist. Samas on gaasi rõhk siin märgatavalt madalam kui auru rõhk auruturbiinis ja
seetõttu kujuneb gaasiturbiin kergemaks ja metallikulu väiksemaks. Massiivsete osade
puudumine kiirendab gaasiturbiini soojenemist ja lühendab käivitusaega.
Energeetikas kasutatavate gaasiturbiinide ühikvõimsused algavad mõnekümnest kilovatist ja
võivad ulatuda sadadesse kilovattidesse. Üks Maailma võimsamaid gaasiturbiine (375 MW)
on üles seatud Irschingi
elektrijaamas Saksamaal (vt joonis 3.24), mis kuulub 570 MW
koguvõimsusega kombineeritud gaasi-aurujõuseadme koosseisu. Selle kombineeritud tsükliga
energiaploki kasutegur küünib üle 60%.
59(113)
Villu Vares
Energia ja keskkond
Joonis 5.58. Siemensi võimsa gaasiturbiini SGT5-8000H (375 MW) rootor60(113)
Villu Vares
Energia ja keskkond
6
SOOJUSE JA ELEKTRI KOOSTOOTMINEElektrienergia ja soojuse kombineeritud tootmine (
CHP, cogeneration heat and power ) on
protsess, kus ühest tehnoloogilisest protsessist ja seadmest väljastatakse nii soojust kui
elektrit.
Soojuse ja elektrienergia kombineeritud tootmise eesmärk on alandada energia tootmiseks
vajaliku kütuse kogust ja vähendada kahjulike ühendite emissiooni energiaühiku kohta.
Koostootmisel saab kasutada kütust, mida lokaalkatlamajas kasutada ei saa või mille kasuta-
mine on keerukas (kivisüsi,
masuut , hakkpuit, turvas).
Enamasti kavandatakse koostootmine vastavalt soojuskoormusele ja selle koormusgraafikule.
Suurematest koostootmisjaamadest väljastatav soojus suunatakse enamasti kaugküttesse.
Väiksemad koostootmisjaamad võivad varustada soojusega ka üksiktarbijaid, näiteks hotellid,
kaubanduskeskused jne. Lokaalsetes kootootmisjaamades kasutatakse tüüpiliselt
gaasimootoreid ja kütusena maagaasi.
Aurujõuseadmega elektrijaamade kasutegur kondensatsioonrežiimil on 35 – 42%, gaasi-
turbiinidega elektrijaamade kasutegur 30 – 39% ja kombineeritud auru- gaasiturbiinidega
elektrijaamade kasutegur 45 – 60%. Kaod tekivad põhiliselt madalatemperatuuriliste
soojusheitmetega.
Elektrienergia ja soojuse tootmise protsessi kombineerimisel on võimalik saada kütuse
kasutamise kogukasuteguri
tunduv tõus. Soojuse tootmiseks saab kasutada elektrienergia
tootmise jääksoojust. Põhiliseks kaoks jääb lahkuvate suitsugaaside soojus temperatuuril 100
– 180 °C. Sellise protsessi kasutegur on kuni 85 – 92%, mis tähendab tunduvat kütuse
kokkuhoidu võrreldes elektrienergia ja soojuse eraldi tootmisega ja vähendab ümbruskonda
paisatavate kahjulike gaaside hulka ning on tavaliselt ka ökonoomiliselt kasulik.
Elektrienergia ja soojuse kombineeritud tootmist piirab mõnevõrra see, et kütteks kasutatav
soojusvajadus muutub sõltuvalt välistemperatuurist
aastaringselt .
6.1Elektrienergia tootmise ja soojuse vajaduse suheKuigi elektrienergia ja soojuse koostootmisel kogukasutegur tõuseb ja väheneb atmosfääri
paisatavate kahjulike ainete kogus energiaühiku kohta, tuleb meeles pidada, et on olemas
sõltuvus protsessi kasuteguri ja genereeritava elektrienergia ning soojuse koguse vahel.
Tavaliselt on teada aastane soojusvajadus ja tema ajaline muutus (
soojuskoormuse graafik ).
Praktikas kasutatakse koostootmise seadmete iseloomustamiseks suhet toodetava elektri-
energia ja soojuse vahel:
α
= E / Qs kus
E ja
Qs on vastavalt elektriline- ja soojustoodang.
Kuna elektrienergia on väärtuslikum energialiik, siis on soovitav selle suhte võimalikult kõrge
väärtus. α väärtus sõltub sellest, millist koostootmise protsessi kasutatakse, aga ka
koostootmise protsessi tingimustest.
Elektrienergiat ja soojust tootva seadme kogukasutegur:
η = (E+Qs) /Qkütus
(6.0)kus
Q
kütus on kasutatava kütuse
energiasisaldus Põhiline kadu on kadu lahkuvate gaaside soojusega. Jämedalt on see kadu sama suur, kui
61(113)
Villu Vares
Energia ja keskkond
oleks kadu sama kütust kasutaval ainult soojust tootval
seadmel . Elektrienergia ja soojuse
koostootmisel lisanduvad mõningad mehaanilised ja elektrilised kaod.
6.2Vasturõhuturbiiniga aurujõuseadeTavalises, ainult elektrienergiat tootvas kondensatsioonelektrijaamas aurukatlas genereeritud
kõrgete parameetritega aur (
t = 510 – 565 °C,
p = 9 – MPa) paisub auruturbiinis rõhuni 2 – 5
kPa. Töötanud aur jahutatakse (kondenseeritakse) kondensaatoris ja tema soojus kantakse ära
jahutusveega. Jahutusveega kantakse ära kuni pool kütuse soojusest. Vasturõhuturbiinis
paisub aur suurema lõpprõhuni. Vasturõhu auru kasutatakse kas tööstuslike protsesside
läbiviimiseks, tavaliselt millegi soojendamiseks, või kaugkütte soojuse saamiseks soojus-
vahetis. Kaugkütte soojusvõrku antava vee temperatuur sõltub välisõhu temperatuurist.
Näiteks on tüüpiline soojusvõrgust tagastuva vee temperatuur 50…60 °C, soojusvõrku antava
vee temperatuur 80…90 °C. Turbiini läbiv auru kogus ja elektriline võimsus on määratud
soojusnõudlusega.
Joonis 6.59 Vasturõhuturbiiniga aurujõuseade
Mida kõrgem on soojusvõrku antava vee temperatuur, seda kõrgem peab olema turbiini
vasturõhk ja seda väiksem on soojuskoormuse baasil toodetud elektrienergia kogus. Viimane
sõltub ka auru parameetritest turbiini ees. Ökonoomilistel ja tehnilistel põhjustel pole
mõnekümne megavatilise elektrilise võimsusega vasturõhuturbiinidel otstarbekas kasutada
kõrgeid auru algparameetreid. Ka ei kasutata vasturõhuturbiinidel kasutegurit tõstvat auru
vaheülekuumendust turbiini astmete vahel. Seetõttu on toodetud elektrienergia ja soojuse suhe
alla 0,5. Tavaliselt on soojuskoormuse tipu katmiseks eraldi veesoojenduskatel. Vasturõhu-
turbiiniga seadme võimsus võib olla 1 – 200 MW. Kütusena saab kasutada kõiki kütuseid.
6.3Reguleeritavate vaheltvõttudega aurujõuseadeSoojustarbimiseks võetakse auru kondensatsioonturbiini reguleeritavaist vaheltvõttudest,
mida on üks või kaks, enne turbiini viimaseid astmeid ja kondensaatorit. Seda vaheltvõtuauru
kasutatakse tööstuses või kaugkütteks. Mitu auru vaheltvõttu võimaldavad soojusvõrku antava
vee
astmelist soojendust. Võrreldes vasturõhu turbiiniga aurujõuseadmega on eeliseks see, et
elektriline võimsus ei sõltu välisest soojuskoormusest. Vaheltvõttudest võetav auru kogus on
reguleeritav. Soojuskoormuse puudumisel töötab
turbiin kondensatsioonrežiimil, kuid
62(113)
Villu Vares
Energia ja keskkond
reeglina väiksema kasuteguriga kui ainult elektrienergia tootmiseks ehitatud aurujõuseade.
Reguleeritavate vaheltvõttudega auruturbiin on projekteeritud nii, et turbiini suhteline
sisemine kasutegur on maksimaalne reguleeritavate vaheltvõttude koormamisel. Teiseks
paikneb reguleeritavate vaheltvõttudega aurujõuseade soojustarbijaile võimalikult lähedal.
Tuleb kasutada kondensaatori jahutusvee jahutamist gradiiris.
Kasutatakse ka reguleeritavate vaheltvõttudega turbiine, mis võimaldavad töötada väikese
vasturõhuga. Siis on soojusvõrgu vee
soojendamine mitmeastmeline. Selleks on turbiini
kondensaatorisse monteeritud spetsiaalne torukimp.
Joonis 6.60 Vaheltvõtu ja vasturõhuga auruturbiin
Seadmete elektriline võimsus on piirides 25 – 250 MW. Auru algparameetrid on sama suured,
kui ainult elektrienergiat väljastavas aurujõuseadmes. Ei kasutata auru vaheülekuumendust.
Elektrienergia osa kogu kasulikust energiast (α) on väiksem kui 55%.
6.4Gaasiturbiiniga koostootmisjaamLihtsa ja suhteliselt odava koostootmisjaama saame kasutades gaasiturbiini ja utiliseerides
temast väljuvate gaaside soojuse veesoojenduskatlas. Selleks veesoojenduskatlaks tavaliselt ei
sobi kaugkütteks kasutatav veesoojenduskatel oma suure aerodünaamilise takistuse tõttu.
Maagaasi kasutamisel sõltub utilisatsioonikatlast lahkuvate gaaside temperatuur
soojusvõrgust tagastuva vee temperatuurist ja on tüüpiliselt vahemikus 60 – 100 °C.
Elektrienergia ja soojuse koostootmiseks kasutatakse kuni mõnekümne megavatilise
elektrilise võimsusega ja lihtsa konstruktsiooniga gaasiturbiine. Põlemiskambrist gaasiturbiini
sisenevate gaaside temperatuur on 750 – 900 °C. Gaasiturbiinist väljuvad gaasid sisaldavad
kuni 15% hapnikku. See annab võimaluse põletada soojuskoormuse
suurenemisel utilisatsioonikatlas täiendavalt kütust. Soojuskoormuse puudumisel saab
seadet kasutada
elektrilise tippkoormuse katmiseks, juhtides gaasiturbiini järel suitsugaasid atmosfääri.
6.5Kombineeritud auru-gaasitsükliga seadeKombineeritud tsükliga energiatootmise seadmed olid kasutuses juba möödunud sajandi
kolmekümnendail aastail, kuid laialdaselt hakati neid rakendama alles selle sajandi lõpus.
Algselt oli kasutuses mitmeid kombineeritud seadmete
skeeme .
Kaasajal enim kasutatud
kombineeritud tsükliks on aurutsükli peale ehitatud gaasitsükkel (vt joonis). Kuna
gaasiturbiinist väljuvate gaaside temperatuur on kõrge (500 – 550 ºC), siis on nende gaaside
63(113)
Villu Vares
Energia ja keskkond
soojusega võimalik toota auru ja käivitada auruturbiin. Sellistes uuemates auru-gaasitsükliga
seadmetes on saavutatud 58 – 60% elektriline kasutegur. Kombineeritud tsükliga
elektrijaamas töötavad üks või rohkem gaasiturbiini koos ühe auruturbiiniga. Gaasiturbiinist(-
dest) lahkuvate gaaside soojus utiliseeritakse auruprotsessis. Auru-gaasitsükliga seadmete
kasutamine võimaldab oluliselt tõsta kasutegurit ja atmosfääri paisatavate kahjulike ainete
sama koguse juures oluliselt tõsta elektrienergia toodangut.
Kombineeritud auru-gaasitsükliga seadmed on viimasel kümnel aastal teinud läbi kiire
arengu. Seda eeskätt oluliste edusammudega energeetiliste gaasiturbiinide tööparameetrite ja
töökindluse tõstmisel. Seda on soodustanud gaasiturbiinide kasutamine lennukitel, laevadel,
maagaasi laialdane kasutamine kütusena. Suure tõuke kombineeritud seadmete
väljatöötamisele andis 1992. aastal USA Energeetikaministeeriumi programm kombineeritud
seadmete väljatöötamiseks. Seadmete väljatöötamiseks moodustati kaheksast juhtivast
gaasiturbiine tootvast kompaniist konsortsium. Tööst võttis osa 95 ülikooli. Eesmärkideks oli
tõsta selliste seadmete kasutegurit 60%-ni, hiljem 70%-ni, toodetava elektrienergia
maksumuse alandamine 10%, NOx heitmete vähendamist kuni 9 ppm jne.
Joonis 6.61 Kombineeritud auru- gaasitsükliga soojuse ja elektrienergia koostootmisseadeAlates üheksakümnendate aastate keskpaigast ületab uute kombineeritud auru-gaasitsükliga
elektrijaamade tellimuste arv maailmas traditsiooniliste aurujõujaamade oma. Põhiliselt kasu-
tatakse seadmeid elektrienergia tootmiseks, kuid neid saab ökonoomselt kasutada ka elektri-
energia ja soojuse koostootmiseks.
Kasuteguri tõus
saavutatakse :
• gaasiturbiintsükli ehitamisega aurutsükli peale;
• lahkuvate gaaside suhtelise koguse vähenemisega.
Gaasiturbiintsükli ehitamine aurutsükli peale on võimalik, kuna nii gaasiturbiini siseneva kui
ka lahkuva gaasi temperatuur on kõrgem auru temperatuurist auruturbiintsüklis.
64(113)
Villu Vares
Energia ja keskkond
Kombineeritud auru-gaasitsükli elektriline kasutegur:
(6.0) kus
EGT ja
EAT on vastavalt gaasi ja auruturbiini elektritoodangud
Qkütus – gaasiturbiini põlemiskambrisse antava kütuse soojus.
Kogukasutegur, kui väljastatakse soojust ka kaugkütte jaoks:
Väljastatava elektrienergia ja väljastatava soojuse suhe:
(6.0)
Kombineeritud tsükli
elektrilist kasutegurit võib väljendada ka gaasi- ja auruturbiini
kasutegurite kaudu:
(6.0) Gaasiturbiini kasutegurit saab tõsta gaasiturbiini sisenevate gaaside temperatuuri tõstmisega.
Ilma gaasiturbiini
labade jahutust kasutamata võib gaaside temperatuur olla kuni 850 – 900
°C. Põlemiskambri ja gaasiturbiini düüside ning labade õhkjahutusel kuni 1400 °C. General
Electric uus gaasiturbiinil
MS 9001 H on gaasiturbiini sisenevate gaaside temperatuuri
1430 °C ja kombineeritud tsükli elektriline netokasutegur 60%. Selles turbiinis on kasutatud
põlemiskambri ja gaasiturbiini esimese osa kinnist auruga jahutamise süsteemi. Auru
saadakse ja hiljem kasutatakse aurutsüklis. Seadme hinna alandamiseks on uuematel
seadmetel paigutatud gaasi- ja auruturbiinid ühele võllile.
Kombineeritud tsükkel on äärmiselt paindlik. Teda võib kasutada mitte ainult elektrienergia
tootmiseks, vaid väljastada ka soojust kas otse utilisatsioonikatlast või auruturbiini
vaheltvõtust või vasturõhust. Samuti on võimalik aurutsükli elektrilise võimsuse tõstmiseks
või soojusväljastuse
suurendamiseks põletada utilisatsioonikatlas täiendavalt kütust. Võimalik
on ka töötamine ainult gaasiturbiiniga, juhtides temast väljuvad gaasid otse korstnasse.
Aurutsükli võimalik skeem võib olla lihtne üherõhuline aurutsükkel või kompleksne
kolmerõhuline vaheülekuumendusega aurutsükkel. Lõplik variandi valik sõltub
tehnilis -
majanduslikest teguritest, põhiliselt kütuse
hinnast ja omadustest. Kütusena saab kasutada
kõiki gaasiturbiinile lubatud kütuseid.
Kombineeritud auru-gaasitsüklis toodetakse umbes 2/3 elektrienergiast gaasiturbiiniga ja 1/3
auruturbiiniga. Võrreldes auruturbiinelektrijaamaga väheneb vastavalt ka jahutusvee kulu.
Enamik kombineeritud tsükli elemente on standardsed moodulid, mille tõttu on nad
töökindlad ja suhteliselt odavad. Nende valmistamine, paigaldamine, teenindamine ja
remont on lihtne, üleandmisaeg lühike.
6.6Sisepõlemismootoriga koostootmise seadmedGaasimootoriga seadmed põhinevad Otto protsessil, nagu ka bensiinimootorid. Gaas süüda-
takse süüteküünlaga ja põletatakse väga
lahja seguna. Lahja kütteseguga mootori (ingl
leanburn) eeliseks on madal põlemistemperatuur ja väike NOx tekkimine. Pole vaja gaaside
katalüütilist puhastust.
Lahja kütteseguga töötavad mootoreid valmistatakse ilma eelkambrita. Nende konstruktsioon
põhineb tavalistel diiselmootoritel, alandatud on kompressiooniastet. Gaasimootorid on ette-
nähtud töötamiseks looduslikul gaasil (
pure energy plant ). Nad on odavamad
diiselmootoritest,
milledes kasutatakse tavaliselt kaheastmelist põletamist ja vajalik on
65(113)
Villu Vares
Energia ja keskkond
kompressor ja katalüsaatoriga gaasipuhastus.
Nende elektriline kasutegur on piirides 35…42%. Soojust väljastatakse peale mootorist välju-
vate gaaside soojusvaheti ka mootoriploki- ja õlijahutist. Lahkuvad gaasid jahutatakse 400 °C
kuni 70 °C, väljuva vee temperatuur on kuni 115 °C. Toodetud elektrienergia ja soojuse suhe
on natuke alla ühe. Seadme kogukasutegur on 85…92%. Mootorist lahkuvate gaaside
temperatuur on madalam, kui gaasiturbiinidel. Ei esine kõrgetemperatuurilist korrosiooni.
Joonis 6.62 Sisepõlemismootoriga koostootmisseade
Tippkoormuse (nii elektrilise kui ka soojusliku) katmiseks kasutatakse kiirekäigulisi diisel-
mootoreid. Kiired pöörded on valitud investeerimiskulude vähendamiseks. Neis kasutatakse
tavaliselt vedelkütust. Agregaate kasutatakse põhiliselt varuseadmetena. Neid saab käivitada
ka ilma elektrimootorita suruõhuga (
black start).
Elektrienergia tootmiseks kasutatakse ka suure võimsusega diiselelektrijaamu. Seadmete
ühikvõimsus on kuni 50 MW. Üheksa silindriga 24 MW agregaadil on silindri
diameeter 800
mm. 1995 – 1998 ehitatud 50 – 125 MWe diiselelektrijaamade hinnad on vahemikus 1100 –
1300 USD/kW (900 – 1050 €/kW).
Elektrienergia ja soojuse tootmiseks projekteeritud kombineeritud gaasimootoriga elektri-
jaamad toodavad odavat elektrienergiat baas- ja pooltippkoormusel (2000 – 8000 h/a). Väide-
takse, et sõltuvalt valitud seadmetest on nende poolt toodetud elektrienergia 10 – 30%
odavam, kui kondensatsioonijaamas. Tippkoormusel kasutatavad diiselagregaadid on oma
hinnalt võrreldavad gaasiturbiinidega, gaasimootorid on tunduvalt odavamad. Puuduseks on,
et nad on tunduvalt keerukamad ja metallimahukamad, kui auru ja gaasiturbiinid. Müratase on
suurem, kui gaasiturbiinil ja seda on raskem summutada. Kui puudub
soojuskoormus , siis on
vajalik jahutusvesi.
Nende kasutuselvõtt on viimastel aastatel hoogustunud paljudes maades.
66(113)
Villu Vares
Energia ja keskkond
Tabel 6.7 Kuni 3000 kWe võimsusega elektrienergiat ja soojust koostootvate seadmete põhimõttelised karakteristikudMootorGaasiturbiinDiiselmootorOtto mootorÜhikvõimsus
0,5 – 3 MW
kuni 1MW
üle
kuni
üle
1 MW
0,5 MW
0,5 MW
Pöörete arv minutis
50 000 – 14
1 500
1 000
1 500
1 000
000
Soojus/elektrienergia
2,5 – 3,6
1,4 – 1,5
1,1 – 1,3
1,4 – 1,7
1,2 – 1,5
1,9 – 2,3
Elektriline kasutegur %
15 – 27
35 – 36
36 – 37
32 – 34
33 – 35
Soojuskasutegur %
43 – 55
50 – 53
50 – 52
51 – 55
51 – 55
50 – 59
Kogukasutegur %
58 – 70
85 – 89
86 – 89
83 – 89
84 – 90
77 – 86
Soojus, %:
madalatemperatuuriline
–
62 – 65
54 – 57
42 – 52
42 – 45
kõrgetemperatuuriline
100
35 – 38
43 – 46
48 – 58
55 – 58
Kütus
maa- või
diiselkütus diiselkütus
maagaas
biogaas
biogaas
Tunde kapitaal-
20 000 – 40
25 000
45 000
35 000
55 000
remondini
000
Tabel 6.8 Näited Eestis töötavatest gaasimootoriga koostootmisjaamadestÜhikAS Kunda Nordic AS Grüne FeePõlva linnTsementEhitamise aeg
aasta
1998…1999
1997…1998
1999
Investeering M€
2,88
0,89
1,02
Mootor
1 × Wärtsila 16V2556 2×Catepillar 3516
1×Jenbacher JMS
320GS-NLC
Elektriline
MWe
3,1
2×1,030
0,922
võimsus
Soojuslik MWs
3,3
2×1,460
1,250
võimsus
Heitmetest: Otto mootoril lahja gaasisegu põletamisel ei teki oluliselt lämmastikoksiide.
Diiselmootori korral kasutatakse Saksamaal suitsugaaside katalüütilist puhastust.
Müranivoo: Soomes taolistes elektrijaamades teostatud mõõtmised näitavad, et nad sobivad
kasutamiseks elurajoonides. 50 m kaugusel mõõdetud müranivoo on väiksem lubatust (35 dB).
Gaasimootoriga koostootmisjaama hoolduskulud on keskmiselt 2% investeeringust aastas. Eestis, kus
töötavaid seadmeid on vähe, võivad hoolduskulud ulatuda 3 – 4% investeeringust.
6.7KütuseelemendidKütuseelement on akupatareiga sarnane
elektrokeemiline seade, mis genereerib maagaasist
67(113)
Villu Vares
Energia ja keskkond
või teistest süsivesinikest elektrienergiat. Enamik kütuseelemente tarbib kütusena vesinikku.
Vesinikku saab toota maagaasist, või ka elektrienergiat kasutades vee hüdrolüüsimisel.
Viimasel juhul on tegemist energia salvestamisega.
Auru- ja gaasiturbiinides ning sisepõlemismootoris muudetakse kütuse keemilise energia
algul soojuseks, siis mehaaniliseks ja lõpuks elektrienergiaks. Kütuseelemendis muutub
kütuse keemiline energia suhteliselt madalal temperatuuril otse elektrienergiaks.
Kui juhtida elektrit vette, paigutades sinna kaks elektroodi, siis tekib vees keemiline
reaktsioon, ühel
elektroodil eraldub vesinik, teisel hapnik. Pöördprotsessi, kütuse keemilise
energia otse elektrienergiaks muutmise võimaluse avastas vesinik-hapnik kütuseelemendil
1839. aastal Sir William Grove. Vesinik reageerib ühel ja hapnik teisel elektroodil ja tekib
elektrivool . Avastust kasutati kaua kui laboratoorset kurioosumit. Praktilist
kasutust hakkas
kütuseelement leidma kolm-nelikümmend aastat tagasi USA kosmoselaevade elektrienergia
allikana . Alates sellest ajast on kütuseelementide kasutuselevõtt olnud üheks raskeimaks
tehniliseks probleemiks. On väljatöötatud mitmeid kütuseelemendi tüüpe, kuid esialgu on nad
energia allikana kallid. Kuid kütuseelemendid on arenev tehnoloogia, mis viimastel aastatel
on jõudsalt arenenud eriti seoses autotööstuse
huviga selle jõuallika suhtes.
Statsionaarse seadmena saab kütuseelementi kasutada elektrienergia ja soojuse koostootmiseks.
6.7.1 Kütuseelementide tehnilised lahendused
Kütuseelement koosneb katalüsaatorit (
plaatina ,
nikkel ) sisaldavatest poorsetest
elektroodidest, mille vahel on elektrolüüt- ioonmembraan. Väga kõrgel temperatuuril
töötavatel kütuseelementidel võib katalüsaator ka
puududa . Kütuseelemente liigitatakse
vastavalt kasutatavale elektrolüüdile (tabel 4.4).
Elektrolüütideks kasutatakse: fosforhapet, vedelaid karbonaate,
tahkeid oksiide ja polümeer-
membraane. Vastavalt sellele on erinevad ka kütuseelementide töötemperatuurid 50 °C kuni
1000 °C. Vesinik ja hapnik (tavaliselt õhk) juhitakse erinimelistele poorsetele katalüsaatorit
sisaldavatele elektroodidele. Kütuseelemendi elektrienergia genereerimise kasutegur on
tüüpiliselt 40 – 60%. Kõrgetemperatuurilistes kütuseelementides toimub maagaasist vesiniku
tootmine kütuseelemendis endas.
Kui primaarkütusena kasutatakse maagaasi, siis tema ümbertöötamisel vesinikuks vabaneb
süsihappegaas sarnaselt maagaasi põlemisele. Atmosfääri paisatava süsihappegaasi kogus
toodetava energiaühiku kohta võib väheneda ainult kasuteguri suurenemise arvel.
Kütuseelemendil pole liikuvaid osi ja ta võib remondita töötada pikka aega, palju kauem kui
turbiin või sisepõlemismootor. Kütuseelemendi kasutegur ei sõltu põhimõtteliselt seadme
suurusest. Kombineerides kütuseelementi gaasiturbiiniga on võimalik saavutada üle 70%
elektrienergia tootmise kasutegur.
Vesiniku põlemisreaktsioonis peavad vesinik ja hapnik kontakteeruma ja vahetama elektrone.
Kütuseelemendis on elektronide vahetus eraldatud aatomite kontaktist. Vesinik ja hapnik
sisestatakse erinevatele kütuseelemendi elektroodidele. Kahte elementi eraldav elektrolüüt
lubab ühte kahest, kas vesiniku või hapniku ioonil läbida elektroodidevaheline vahemik.
Reaktsiooniks vajalik elektronide vahetus vesiniku ja hapniku vahel ei toimu mitte läbi
elektrolüüdi, vaid välist elektriringi pidi. Tekib alalisvool. Sobiva elektrolüüdi leidmine, mis
lubaks
liikuda hapniku või vesiniku
aatomitel , kuid väldiks elektronide liikumise on üheks
võtmeküsimuseks kütuseelementide väljatöötamisel.
AFC (
alkaline fuel cell) – leeliselektrolüüdiga kütuseelement. Elektrolüüdiks on 30%
kontsentratsiooniga KOH lahus. Reagentideks on puhas hapnik ja vesinik. Kasutatakse
kosmosesõidukites.
68(113)
Villu Vares
Energia ja keskkond
PEMFC (
polymer electrolyte membranes fuel cell) – polümeer elektrolüüdiga - membraaniga
kütuseelement. Elektrolüüdiks on õhuke plaat – polümeermembraan, mis asetseb kahe
peenikesi plaatinaosakesi kui katalüsaatorit sisaldavate poorsete
grafiit - elektroodide vahel.
Elektroodidele juhitase hapnik ja vesinik Maagaas peab eelnevalt reformeris olema muudetud
vesinikuks.
PAFC (
phosphoric acid fuel cell) – fosforhappe (H3PO4) elektrolüüdiga kütuse element.
Vesinikku toodetakse maagaasist või metanoolist väljaspool kütuseelementi asetsevas
reformeris. Oksüdeerijaks on õhk. Praegusel ajal on ta kõige enamarendatud tehnoloogia
statsionaarsetes seadmetes kasutamiseks. Euroopas, Ameerika Ühendriikides ja
Jaapanis on
kasutusel 25 kW - 11 MW demonstratsioonseadmed. Kuni 200 °C töötemperatuuri tõttu on
sobiv kasutada elektrienergia ja soojuse koostootmiseks.
MCFC (
molten carbonate fuel cell) – sula
karbonaat elektrolüüdiga kütuse element.
Elektrolüüdiks on
eutektiline segu 68%
Li2CO3 ja 32% K2CO3, mis töötemperatuuril 650 –
700 °C on vedelas olekus. Kütuseks on gaaside H2, CO ja CO2 segu, mis saadakse maagaasi
või ka kivisöe gaasi reformimisel. Ei kasutata kallist katalüsaatorit. Kõrge töötemperatuuri
tõttu on võimalik kütuseelemendi sisene kütuse
reformimine . Seega kasutab kütuseelement
osaliselt ka ise vabanevat soojust.
SOFC (
solid oxide fuel cell) tahke
oksiid elektrolüüdiga kütuse element. Elektrolüüdiks on
tahke
keraamiline materjal – ütrium oksiidiga stabiliseeritud tsirkooniumoksiid (Y2O3 – ZrO2).
Kütuseks kasutatakse H2 ja CO segu, mis saadakse hüdrokarbonaatide kütuseelemendi välise
reformimisega. Kütuseelement on kasutatav suure võimsusega (mitukümmend megavatti)
energeetilise seadmena. Süsteemist saab kõrgetemperatuurilist jääksoojust, mida võib
kasutada elektrienergia tootmiseks gaasi või aurutsüklis või ka soojusvarustuseks.
Joonis 6.63. Sula karbonaat (MCFC, vasakul) ja tahke oksiid (SOFC) elektrolüüdiga kütuseelementide põhimõttelised skeemidÜks kütuseelement genereerib elektrivoolu pingega ~ 1 V või vähem. Pinge on võrdeline
välise koormusega. Seetõttu kasutatakse kütuseelemendi patareisid, kus üksikud kütte-
elemendid on ühendatud järjestikku. Tüüpiline kütuseelement on umbes 5 mm paksune plaat
(on ka silindrilisi kütuseelemente). 400 üksikust kütuseelemendist 230 V pinget andev
patarei on 3 meetri paksune (kaasa arvatud ka plaate kinni hoidvad ja üksteise vastu suruvad rakised.
Reaktsiooniks kütuseelemendisse
gaase sisse- ja ärajuhtivad kanalid kinnitatakse
69(113)
Villu Vares
Energia ja keskkond
kütuseelemendi külge tihenditega. Peab olema tagatud
kanalite elektriline
isoleerimine ja
soojuspaisumine. Võib olla ka, et gaasid juhitakse sisse- ja ära kütuseelemendi siseste kanalite
kaudu.
Kuna vastavalt kütuseelemendi kasuteguri suurusele eraldub suur osa energiast soojusena,
peab kütuseelementi jahutama. Jahutusagent – vesi, õli või gaas voolab patareis
olevates jahutusplaatides. Kõrgetemperatuurilisi kütuseelemente jahutatakse õhuga ja endotermiliste
kütuse reformimise (muundamise) reaktsioonidega. Vabanevat soojust kasutatakse
soojusvarustuseks.
Kütuseelement lubab vesiniku kujul akumuleerid ja hiljem sobival ajal kasutada elektri-
energiat, mida toodetakse näiteks tuule-, vee- tuuma- või päikeseenergia abil.
Kütuseelementide laialdast levikut takistab nende praegune kõrge hind. Tehakse laialdasi
uurimistöid hinna alandamiseks ja kütuseelementide kasutamiseks transpordis ja ka elektri
ning soojusvarustuses. Autodel kasutamiseks on väljatöötatud
etanoolil töötavad kütuse-
elemendid.
Kõrgetemperatuuriliste kütuseelementide puuduseks on asjaolu, et konstruktsiooni-
materjalidena ei saa kasutada
roostevaba terast, vaid tuleb kasutada keraamilisi materjale.
Sobivate, paljudele termilistele tsüklitele vastupidavate keraamiliste materjalide
väljatöötamine on ka üheks probleemiks kütuseelementide töökindluse tõstmisel.
6.7.2 Vesinik kütuseelementide kütusena
Tööstuslikus kasutuses olevate kütuseelementide jaoks on võimalik vesinikku saada
maagaasist. Seejuures eraldub samapalju CO2-te, kui oleks eraldunud tema põletamisel. Siiski
võib kütuseelemendi kasutamisega saavutada väiksema emissiooni, kui maagaasi põletamisel,
sest tarbija vahetus läheduses paiknemise tõttu puuduvad elektrienergia ja soojuse
ülekandekaod. Kasutatavad kütuseelemendid on suhteliselt väikese võimsusega.
Teine võimalus on vee hüdrolüüs. Elektrolüütiliselt tasub vesinikku toota ainult odava
elektrienergia – tuule-, hüdro-, päikese-, aga ka
tuumaenergia abil. Viimasel 25-el aastal on
elektrolüüsiks kasutuselevõetud täiesti uued tehnoloogiad. On selge, et elektrienergiaga
toodetud vesinik pole kunagi konkurentsivõimeline metaanist toodetava vesinikuga.
Kütuseelement annab siin võrreldes teiste meetoditega suhteliselt odava lahenduse energia
salvestamiseks (akumuleerimiseks) vesiniku näol. Seega võib kütuseelementide ja
elektrolüüserite kasutuselevõtt nende töökindluse ja hinna alanedes mõjuda positiivselt ka
alternatiivsetel allikatel baseeruva energia tootmisele.
Kuigi vesinik on kütuseelemendile kõige
sobivam kütus, katsetatakse ka metanooli ja maa-
gaasi kasutamisega kütuseelemendi kütusena. Ka sel juhul muudetakse kütus kas kütuse-
elemendi sees või eraldi
asuvas muunduris vesinikuks.
Tabel 6.9 Kütuseelementide põhiandmedTüüp Tempera - Elektro-KütusOksü-Elektriline Märkusedtuurlüüt deerija kasutegur % ºCAFC
50 – 250
KOH
Puhas H2
O2
~70
Plaatina katalüsaator
70(113)
Villu Vares
Energia ja keskkond
PEMFC
50 – 100
Polü-
H2
O2,
40 – 50
Plaatina katalüsaator
meerne
õhk
membraa
n
PAFC
150 – 200
Maagaas,
õhk
40 – 80
Elektri ja soojuse
väävlivaba
koostootmine, 100
bensiin, H
kW – 1 MW
2
MCFC
~650
Maagaas
õhk
60 – 80
Elektri ja
kõrgetemperatuuri-
lise soojuse koostoot-
mine, kuni 2 MW
SOFC
500 –
Maagaas,
õhk
73
Elektri ja kõrge-
1 000
kivisöe-gaas
60 – 65
temperatuurilise
soojuse koos-
tootmine, 10 – 100
kW
Tabel 6.10 Kütuseelementide tüüpilised rakendusedTüüpiline Portatiivsed
Autod,
Elektri ja soojuse
rakendus elektroonikaseadmed,
paadid,
koostootmine,
kosmosetehnika
lokaalne elektri ja
bussid soojuse koos-
tootmine
EelisedSuurem energiatihedus Potentsiaalselt
Kõrge efektiivsus,
kui keemilistel
emissioonide
vähe heitmeid,
elementidel,
puudumine,
vaikne töö
Kiire laadimine
kõrge efektiivsus
Võimsus1
10
100
1
10
100
1
10
W
W
W
kW
kW
kW
MW
MW
Iga ACF MCFCkütuseelemendi
klassi rakenduste SOFCvõimsuste vahemik PEMFC PAFC71(113)
Villu Vares
Energia ja keskkond
7
TAASTUVATE ENERGIAALLIKATE RAKENDAMINE7.1Biokütuste rakendamineBiokütuseid kasutatakse laialdaselt kaug- ja lokaalkütte soojusallikatena. Põhiline osa
biokütustel töötavatest kateldest on soojaveekatlad, aurukatlad on kasutusel tööstusettevõtetes
ning soojuse ja elektri koostootmise jaamades.
Sõltuvalt biokütuse liigist ning seadme võimsusest on enamlevinud järgmised põletustehno-
loogilised lahendused.
1. Hakkpuit:
• küttekatlad võimsusega 0,2 – 2 MW: liikumatu kaldrestiga või mehaanilise
(liigutatavate elementidega) restiga kolle;
• küttekatlad võimsusega 2 – 8 MW: mehaaniline restkolle;
• küttekatlad ja aurukatlad võimsusega üle 8 MW: keevkihtkolded.
2. Pelletid:
• küttekatlad võimsusega 10 kW – 0,5 MW;
• küttekaminad üksiku ruumi või väikemaja kütmiseks.
3.
Halupuud : käsitsi teenindatavad küttekatlad võimsusega 20 kW – 200 kW.
Biokütuste kasutamisel on võrreldes enamiku teiste kütustega eripäraks asjaolu, et biokütustel
on väga madal mahuline energiasisaldus (vt joonis 5.1). Nii näiteks kerge kütteõli 1 m3 vastab
16 puistekuupmeetri ja 30 m3 pressitud õlgede energiasisaldusele. Seega tuleb biokütuste
kasutamisel teha märgatavalt
suuremaid kulutusi kütuse laole ja teisaldamisseadmetele.
35
20%
30 t
ah 30
25
istem
u40%
e p 20
16 45%
telin 15
h35%
25%
11 10
7,6 7,8 se su
50 punkti
Autor soovib selle materjali allalaadimise eest saada 50 punkti.
~ 113 lehte
Lehekülgede arv dokumendis
2013-02-24
Kuupäev, millal dokument üles laeti
63 laadimist
Kokku alla laetud
0 arvamust
Teiste kasutajate poolt lisatud kommentaarid
tunniplaan
Õppematerjali autor
annaabi.ee 
Kõik kommentaarid