1.) Wyjaśnić pojęcia : ciepło spalania, wartość opałowa, temperatura punktu rosy, temperatura zapłonu paliwa, temperatura mięknięcia popiołu, nadmiar powietrza. Wymienić wielkości decydujące o sprawności kotła – uzasadnić ich wpływ ?
Ciepło spalania (Qc) – ilość ciepła, jaka powstaje przy spalaniu całkowitym i zupełnym jednostki masy lub jednostki objętości analizowanej substancji w stałej objętości, przy czym produkty spalania oziębia się do temperatury początkowej, a para wodna zawarta w spalinach skrapla się zupełnie. Jednostką ciepła spalania jest J/kg.
Wartość opałowa - jest to ilość ciepła wydzielana przy spalaniu jednostki masy lub jednostki objętości paliwa przy jego całkowitym i zupełnym spalaniu, przy założeniu, że para wodna zawarta w spalinach nie ulega skropleniu, pomimo że spaliny osiągną temperaturę początkową paliwa.
Temperatura punktu rosy lub punkt rosy – temperatura, w której, przy danym składzie gazu lub mieszaniny gazów i ustalonym ciśnieniu, może rozpocząć się proces skraplania gazu lub wybranego składnika mieszaniny gazu.
Temperatura zapłonu - charakterystyczna temperatura substancji chemicznych. Określa ona przy jak dużej temperaturze ciśnienie par substancji jest na tyle wysokie, aby utworzyć z powietrzem mieszaninę palną.
Temperatura mięknięcia - temperatura przy której materiał zaczyna zmieniać się z ciała stałego w masę plastyczną.
SPRAWNOŚĆ KOTŁA – jest to strumień energii QB dostarczany z paliwem do paleniska jest równoważny strumieniowi energii Qk przyjmowanemu przez czynniki termodynamiczne (parę i wodę) oraz strumieniami strat energii w kotle Δ QB. Pojęcie to dotyczy ustalonych warunków pracy.
ηk=QkQB=1-ΔQkQB
Natomiast jeżeli straty określa się w procesach doprowadzanego ciepła to dla kotła parowego : Qk=mDik-iwz+mDm(im2-im1),
a dla kotła wodnego : Qk=mwiwk-iwz oraz QB=mb×Wr
Gdzie :
mD, mDm- strumień masy pary pierwotnej i wtórnej w [kg/s],
mb- strumień masy paliwa dostarczanego do kotła w [kg/s],
ik,im1,im2- entalpia pary pierwotnej na wylocie z kotła, pary na wlocie i wylocie przegrzewacza wtórnego w [kJ/kg],
iwz- entalpia wody na wylocie z kotła wodnego w [kJ/kg],
Wr- wartość opałowa paliwa w [kJ/kg].
2.) Wyjaśnić dlaczego przy współspalaniu biomasy z węglem może występować szlakowanie powierzchni ogrzewalnych w kotle ?
a. ) Niska wartość opałowa w przeliczeniu na jednostkę objętości (konieczność operowania kilkukrotnie większymi objętościowo ilościami biomasy w celu dostarczania do procesu takiej samej ilości energii jak w węglu)
b.) Wysoka zawartość wilgoci w surowej biomasie (45-60%) wpływa negatywnie na efektywność procesu spalania.
c.) Wysoka zawartość części lotnych (2,5-krotnie wyższa niż w węglu kamiennym) drastycznie zmienia warunki zapłonu i spalania.
d.) Zawartość popiołu w energetycznej przydatnej słomie jest podobnego rzędu jak w węglu kamiennym, natomiast dla roślin energetycznych mieści się w zakresie 2-6% a jedynie dla odpadów drzewnych zawartość popiołu jest bardzo niska i wynosi ≤ 1%.
e.) Zawartość azotu i siarki w biomasie jest niska, ale duża jest zawartość chloru, szczególnie w przypadku słomy, co stwarza duże ryzyko występowania korozji.
f.) Skład substancji mineralnej węgla i biomasy różni się znacznie. Głównymi składnikami popiołu z węgla kamiennego są SiO2, Al2O3 i Fe2O3, natomiast dla biomasy oprócz dużej ilości K2O i SiO2 stwierdza się duże ilości CaO.
g.) Większość typów stałych biopaliw wykazuje stosunkowo niskie temperatury mięknięcia i topnienia popiołu w porównaniu z węglem, głownie z powodu dużej zawartości związków metali alkaicznych.
3.) Omówić powstawanie i możliwości ograniczania emisji tlenków azotu NOX ze spalin. Podać odpowiednie równania stechiometryczne i schematy realizacji instrukcji ograniczających emisję NOX ?
Tlenki azotu łączą się z wodą tworząc kwasy azotowe. Unoszą się do atmosfery tworząc kwaśne deszcze. Niszczą w ten sposób roślinność przedmioty martwe, hemoglobinę w organizmach żywych. Utleniając się z ozonem O3 niszczą warstwę ozonową naszej planety. Tlenki azotu powstają przy spalaniu wszystkich rodzajów paliw energetycznych (przy spalaniach w kotłach udział dwutlenków azotu jest rzędu 5-10%). W rezultacie utleniania azotu zawartego w powietrzu doprowadzonym do spalania powstają NOX termiczne : Rys. 1
Tlenki NOX paliwowe, których udział jest największy w ogólnej emisji NOX z kotła powstają z azotu zawartego w paliwie i bardzo łatwo wchodzi w reakcję z tlenem. Tlenki NOX paliwowe powstają w znacznie niższej temperaturze niż NOX termiczne. Podczas podgrzewania i odgazowywania części lotnych z paliwa w pierwszym etapie spalania części azotu paliwowego przechodzą do fazy gazowej postaci cyjanowodoru HCN i amoniaku NH3, a część zostaje zatrzymana w postaci koksowej. Następnie w wyniku złożonego łańcuch przemian poprzez rodniki HCN i NH3, zależnie od atmosfery otaczającej spalające się paliwo może dojść do :
- Powstania NO, przy atmosferze utleniającej (λ>1) :
2HCN+2,5O2→2NO+2CO+2H2O
2NH3+2,5O2→2NO+3H2O
- Redukcja tlenku NO powstałego w pierwszym etapie spalania do azotu molekularnego N2, przy atmosferze silnej redukcji (λ≈0,7) :
2HCN+2NO+0,5O2→2N2+2CO+2H2O
Utlenianie NH3 lub N zawartych w pozostałościach koksu prowadzi również do powstania NO. Rys. 2
Dalsza redukcja NO zachodzi przy pojawieniu się rodników węglowodorowych (np. : metanu CH4)
2NO+2CH4+3O2→N2+2CO2+4H2O
lub na powierzchni cząstek węgla :
2NO+C→N2+CO2
2NO+2C→ N2+CO
Ograniczanie tworzenia się NOX termicznych jest możliwe poprzez zapobieganie powstawania w płomieniu lokalnie temperatury powyżej 1300oC i zmniejszenie udziału O2 w strefie najwyższych temperatur. Pogorszenie warunków powstawania tlenków azotu otrzymujemy poprzez :
a.) Zmniejszenie obciążania cieplnego powierzchni ogrzewalnych w komorze paleniskowej.
b.) Bardziej równomierne rozłożeni obciążania cieplnego w przestrzeni komory paleniskowej (w wyniku stosowania palników narożnych).
c.) Spowodowanie procesu spalania przez lokalne obniżenie temperatury na powierzchni cząstek paliwa przy jednoczesnym zmniejszeniu koncentracji wolnego tlenu w bezpośrednim ich otoczeniu.
d.) Zastosowanie recyrkulacji spalin.
e.) Zastosowanie palenisk fluidalnych.
Istnieją jeszcze dwie metody obniżania emisji tlenków azotu :
a.) Metoda stopniowania powietrza (realizowana na podział powietrza na trzy stopnie : powietrze pierwotne transportujące pył, powietrze wtórne i powietrz doprowadzające).
b.) Metoda stopniowania paliwa i powietrza.
Rys. 3
4.) Narysować schemat ideowy odsiarczania spalin metodą mokrą i półsuchą. Wytłumaczyć zalety i wady tych metod oraz uzasadnić potrzebę o sposoby podgrzewania spalin wyprowadzonych z tych IOS ?
Zalety odsiarczania spalin metodą mokrą :
a.) Najbardziej skuteczna ze wszystkich metod usuwania SO2 poniżej 200mg/m3. Jej skuteczność wynosi 90-95% przy małym nadmiarze absorbentu oraz dużej niezawodności ruchowej instalacji.
b.) Ze spalin są usuwane również związki HCl i HF oraz popiół.
c.) Odzysk ciepła ze spalin przed ich odsiarczeniem w wymiennikach (spaliny/spaliny) statycznych lub obrotowych podgrzewaczy regeneracyjnych.
d.) Z metody mokrej uzyskuje się materiały budowlane.
e.) Małe koszty eksploatacyjne.
Wady odsiarczania spalin metodą mokrą :
a.) Mała rozpuszczalność kamienia wapiennego CaCO3 w wodzie w porównaniu z wapnem palonym lub kredą, gdy stosujemy CaCO3 jako absorbent.
b.) Powstawanie ścieków, które należy oczyszczać. W skład ścieków wchodzi chlor i fluor, które powstają w procesie odwadniania gipsu.
c.) Absorber oraz kanały spalin wprowadzają na drodze dodatkowe opory i do ich pokonania instaluje się wspomagający wentylator spalin, który wraz z innymi urządzeniami pomocniczymi instalacji powiększa zużycie energii na potrzeby własne bloku energetycznego.
d.) Duże zużycie wody w stosunku do metod suchych i półsuchych.
e.) niewiele większa emisja pyłów do atmosfery w stosunku do metod suchych i półsuchych.
f.) Duże koszty inwestycyjne.
Aby uniknąć korozji kanałów ciągu spalin przy tak niskich temperaturach spalin oczyszczone spaliny muszą być ponownie podgrzewane o min. 10K w stosunku do temperatury punktu rosy kwasu siarkowego. Temperaturę spalin oczyszczonych można podnieść (najczęściej do 95oC) przy mieszaniu spalin oczyszczonych odpowiednią objętością strumienia spalin gorących (nieoczyszczonych), pobieranych z kotła, lub z ciepłym powietrzem pobranym zza obrotowego podgrzewacza powietrza.
Rys. 7
Zalety odsiarczania spalin metodą półsuchą :
a.) Sorbent w postaci wodnej zawiesiny rozpyla się bezpośrednio w strumieniu spalin. Nawilżeni spalin powoduje obniżeni ich temperatury. Im niższa jest temperatura spalin, tym otrzymuje się większą skuteczność odsiarczania.
b.) W metodzie półsuchej dozujemy tak strumień wody, aby końcowy produkt procesu był suchy, a temperatura spalin była powyżej wodnego punktu rosy. Co powoduje, że nie musimy podgrzewać spalin przed wprowadzeniem ich do komina.
c.) Wykorzystanie zjawiska absorpcji (zatrzymanie zanieczyszczę gazowych na powierzchni zewnętrznej i wewnętrznej ciała stałego).
d.) Niektóre metody półsuche dają możliwość wielokrotnej recyrkulacji sorbentu, poprawia to efektywność metody.
e.) Nie występują ścieki.
f.) Mniejsze zużycie wody w porównaniu do metody mokrej.
g.) Średni i małe koszty inwestycyjne.
Wady odsiarczania spalin metodą półsuchą :
a.) W tej metodzie stosuje się Ca(OH)2, który jest 2-3 razy droższy od CaCO3.
b.) Mniejsza skuteczność odsiarczania spalin w porównaniu do metody mokrej. Pociąga to za sobą zwiększoną emisję SO2 do atmosfery.
c.) Mniejsza skuteczność usuwania chloru i fluoru (HCl i HF).
d.) Duże koszty eksploatacyjne.
Rys. 6.1, 6.2, 6.3
Wyróżnia się wiele odmian IOS z wykorzystaniem metody półsuchej, różniących się rozwiązaniami aparaturowymi oraz wskaźnikami techniczno-ekonomicznymi.
5.) Wyjaśnić zasady działania urządzeń do zmniejszania emisji pyłu z palenisk kotłów ?
1.) Odpylacz cyklonowy – są stosowane najczęściej do odpylania spalin za kotłami rusztowymi. Do górnej cylindrycznej części cyklonu doprowadza się zapylone spaliny z odpowiednią prędkością, aby wlot następował stycznie do płaszcza cyklonu. Na ziarno pyłu działają dwie siły. Siła odśrodkowa (bezwładności) F0 i siła dynamiczna oporu ośrodka Fs. Ziarno pyłu o większej masie, dla którego siła bezwładności jest większa od siły dynamicznej oporu ośrodka zostaje odrzucone w kierunku płaszcza cyklonu i po zetchnięciu się ze ścianką wytraca swoją prędkość wskutek tarcia, a następnie ruchem spiralnym wpadają do zbiornika pyłu. Lżejsze ziarna poruszają się torem spiralnym, zostaną unoszone przez spaliny do centralnie umieszczonego komina, na zewnątrz odpylacza. Obraz zjawisk zachodzących w cyklonie jest bardzo złożony ponieważ ziarna pyłu mogą się łączyć z większymi ziarnami lub na skutek wzajemnego tarcia zmniejszając swoje wymiary. Rys. 8
6.) Paleniska fluidalne, zasada działania i ich oddziaływania na środowisko. Wyjaśnić jak są realizowane niskoemisyjne technologie spalania paliwa w tych paleniskach ?
Na nieruchomej płycie rusztowej znajduje się rozdrobniona mieszanina węgla (2-3%), sorbetu odsiarczającego i inertu (piasek, popiół) tworząc złoże. Doprowadzone od dołu powietrze przepływa w wolnej przestrzeni kanałami między cząstkami stałymi przez nieruchome złoże. Przy zwiększaniu strumienia przepływu powietrza złoże pozostaje nieruchome, wzrasta spadek ciśnienia w złożu. Gdy nadciśnienie powietrza zrówna się z ciśnieniem statycznym słupa ciała stałego (zrównanie spadku ciśnienia w złożu z ciężarem materiału złoża) wówczas zaobserwujemy rozszerzanie się złoża. Dalsze zwiększanie prędkości powietrza (prędkość krytyczna fluidyzacji) powoduje zwiększeni złoża przy stałym nadciśnieniu powietrza. W pewnym przedziale prędkości przepływu powietrza materiał w złożu osiągnie taki stan rozluźnienia, że ziarna ciał stałych zaczynają wykonywać ruch i przesuwają się względem siebie. Zauważa się wtedy proces fluidyzacji. Przy dalszym zwiększaniu prędkości powietrza materiał w złożu zaczyna cyrkulować (podobnie jak wrząca ciecz). W takich warunkach złoże składa się z dwóch faz (fazy gęstej i fazy pęcherzyków powietrza wolnych od cząsteczek). Gdy prędkość powietrza przekroczy prędkość swobodnego opadania ziaren ciał stałych wówczas kończy się proces i następuje uniesienie cząstek stałych ze złoża (całkowite uniesienie złoża). Zapłon złoża odbędzie się za pomocą palnika pyłowego, olejowego bądź gazowego ogrzewającego złoże od góry, bądź doprowadzenie od dołu gorących spalin o t=800oC. Początek procesu spalania przebiega w niższych temperaturach niż w kotle rusztowym. Spalanie odbywa się w przedziale temperatury 750 do 950oC. Poniżej przedziału pogarszają się warunki utleniania węgla, powyżej przedziału następuje spiekanie i mięknięcie popiołu. Optymalną temperaturą jest wartość 850oC, gdyż przy niej najlepiej siarka wiąże się z kamieniem wapiennym. Rys 4 i 5
Spalanie paliwa w warunkach cyrkulacyjnej warstwy fluidalnej przebiega w dwóch obszarach : redukcyjnym w dolnej strefie komory paleniskowej i utleniającym ponad poziomem doprowadzania powietrza wtórnego. Taki rozdział powietrza sprzyja niskiej emisji NOX. W dolnej części komory tworzy się gęsta warstwa, która zachowuje się podobnie jak warstwa pęcherzykowa. Recyrkulujący strumień masy odbiera ciepło z dolnej części komory paleniskowej w celu utrzymania temperatury w tej strefie na poziomie 850oC, przenosi to ciepło i przekazuje do powierzchni ogrzewalnych wzdłuż komory paleniskowej. Po drodze następuje transport przereagowanego i nieprzereagowanego sorbentu wiążącego dwutlenek siarki oraz procesy wypalania ziaren paliw.
edu_psk