Lagiszan voimalaitoksessa otettiin vuonna 2009 käyttöön maailman ensimmäinen superkriittinen kiertoleijukattila (Circulating Fluidized Bed boiler, CFB). Kattilan toimittajana toimi Foster Wheeler. Kiertoleijukattila on sähköteholtaan 460 MW, joka tekee siitä yhä suurimman kiertoleijukattilan Kiinan ulkopuolella.
Laitoksen historia
Laitoksen historia on mielenkiintoinen, sillä se sai alkunsa 1960-luvulla, kun ensimmäiset alikriittiset kattilat rakennettiin. 2000-luvun taitteessa voimalaitoksella oli seitsemän 120 MW tehoista kattilaan, jotka perustuivat hiilipölyn polttoon. Tällöin kuitenkin päätettiin hankkia suurempia voimalaitoskattiloita, jotta hyötysuhdetta saataisiin parannettua. Ennen superkriittisen CFB-kattilan rakentamisen muita vaihtoehtoja pohdittiin laajasti. Uudenlaisen kattilatyypin hankkiminen toi tietyt riskinsä, teknologia ei ollut kypsää eikä käyttökokemusta juuri ollut.
CFB-kattilan hankkimista kuitenkin puolsi sen investointikustannukset, jotka olivat noin 15 % prosenttia vastaavaa hiilipölyn polttoon tarkoitettua kattilaa matalammat tuotettua energiamäärää kohden. Edistyneen polttotekniikkansa ansiosta CFB ei myöskään tarvitse kallista märän rikin poistojärjestelmää, eikä kattilansisäistä rikin ja typen oksidien vähennystekniikkaa.
CFB-kattilassa voidaan myös polttaa erilaisia polttoaineita, mikä antaa sille joustavuutta ja keinon varautua eri polttoaineiden saatavuus- ja hintariskeille.
CFB-kattilan rakennus
Kattilan suunnittelusta rakennuksesta vastasi Foster Wheelerin tytäryhtiö Foster Wheeler Energy Polska ja Foster Wheeler Energia OY, joka nykyään kuuluu Wood Groupille. Rakennuskustannusten hillitsemiseksi toimittajat ja urakoitsijat valittiin huolella. Alstom Power toimitti turbiinilaitteiston, Elektrobudowa S.A. Katowice sähköjärjestelmän ja tuhkankäsittelyjärjestelmän Mostostal Krakow ja Energo-Eko-System Katowice. Myös Suomalainen Metso osallistui projektiin.
Projekti onnistui ja se maksoi suunniteltua vähemmän. Kokonaisbudjetti oli 422 miljoonaa euroa, joka rahoitettiin omistajana toimivan Tauron Wytwarzanie S.A:n ja useiden ympäristörahastojen voimin. Rakentaminen alkoi tammikuussa 2006 ja saatiin päätökseen kesäkuussa 2009. Projektiin osallistui yhteensä jopa 2000 ihmistä.
CFB-kattilan tekniikka
Superkriittinen CFB-kattila perustuu Foster Wheelerin toisen sukupolven kiertoleijuteknologiaan. Kattilassa vesihöyryn tila nostetaan superkriittiseksi yli 220 barin paineeseen, joka mahdollistaa pienemmän polttoaineen kulutuksen saman tehomäärän saamiseksi. Ylikriittinen CFB-kattila toimii siis korkealla hyötysuhteella. Superkriittisyys on fluidin lämpötilan ja paineen funktio, erittäin korkealla paineella voidaan käyttää matalampaa lämpötilaa, jotta vesihöyryn entalpia nousee kuitenkin tarpeeksi korkeaksi. Tässä kattilassa lämpötila on suhteellisen matala, noin 850 °C.
Matala palamislämpötila minimoi typen oksidien syntymisen ja sallii optimaalisen rikinpoiston prosessista, joka vähentää rikin oksidien syntymistä. CFB-kattilassa polttoaine poltetaan sykloonissa, joka parantaa lämmönsiirtoa tulipesästä veteen. Polttotekniikka luo tulipesästä melko tasaisen lämpövirran, joka mahdollistaa pienen vesihöyryn massavirran käytön ilman pelkoa ylikuumenemisesta.
Kattilan höyryntuotanto
Vesihyöryn tuotanto tapahtuu kattiloissa yleensä joko rummun avulla, tai once-through – tekniikalla, eli vain kiertämällä keittoputkiston läpi yhden kerran, jolloin vesi höyrystyy ja tulistuu haluttuun tasoon. Lämmönsiirto keittoputkistoon tapahtuu lämpöpintojen avulla kattilasta. Lämpöpintojen oikeellisella mitoituksella vesihöyry saadaan tulistettua. Mitä enemmän lämmönsiirtopinta-alaa on, sitä kuumemmaksi höyry tulistuu. Lämmönsiirto puolestaan perustuu kaikkiin kolmeen lämmönsiirtotapaan, johtumiseen, konvektioon ja säteilyyn.
CFB-kattilassa on käytetty höyrystystekniikka on once-through tekniikka, sillä tällöin vesikierto ei ole riippuvainen veden ja vesihöyryn paine-erosta. Näin prosessi voi toimia superkriittisellä alueella. Paineennousulla tyypillisestä 167 barin paineesta 250 barin paineeseen voidaan saavuttaa jopa 3 % prosentin parannus hyötysuhteessa, ilman että investointikustannukset merkittävästi nousevat.
CFB-kattilan toimita-arvoja
- Sähköntuoton hyötysuhde käytettäessä polttoaineen alempaa lämpöarvoa: 45 %
- Tuorehöyryn massavirta: 361 kg/s
- Höyrynpaine turbiinin sisääntulossa: 27,5 MPa
- Tuorehöyryn (primääri) lämpötila turbiinin sisääntulossa: 560 °C
- Tuorehöyryn (sekundääri) lämpötila turbiinin sisääntulossa: 580 °C
- Savukaasujen lämpötila kattilan ulostulossa: 130 °C
- Savukaasujen lämpötila lämmön talteenoton jälkeen: 85 °C
Vaikka CFB-kattilaa voidaan käyttää joustavasti eri polttoaineiden polttoon, käytetään sen polttoaineena kuitenkin useimmiten hiiltä. Polttoaineen lämpöarvo vuonna 2015 oli keskimäärin 20,5 MJ/kg, josta 19,2 % oli tuhkaa, 1 % rikkiä ja 14,5 % kosteutta.
Johtopäätökset CFB-kattilasta
Nyt jo noin 10 vuotta toiminnassa ollut kattila on osoittautunut hyväksi investoinniksi jokaiselta näkökannalta. Rakentamisen kustannukset pysyivät aisoissa, ja laitos maksanee investointikustannuksensa näillä näkymin helposti takasin. Kattilan on tarkoitus olla toiminnassa vuoteen 2046 saakka. Tulevaisuudessa laitos on tarkoitus muuttaa CHP-laitokseksi, eli sähkön ja lämmön yhteistuotantolaitokseksi. CHP-laitosten kokonaishyötysuhde, eli tuotetun lämmön ja sähkön suhde polttoainetehoon on jopa 90 %.
On kuitenkin epäselvää on lämmöntuotannolle tarvetta. Se kuitenkin selvinnee tulevaisuudessa. Lagiszan laitoksen CFB-kattilan tulevaisuus näyttää joka tapauksessa lupaavalle. Se luo vahvan näytön Foster Wheelerin osaamisesta.