recyrkulacja.pdf
(
108 KB
)
Pobierz
recyrk3
Wst
ę
pna ocena wpływu recyrkulacji powietrza podmuchowego na prac
ę
kotła rusztowego
dr hab. inŜ. Andrzej Szlęk
Instytut Techniki Cieplnej
Politechnika Śląska w Gliwicach
Streszczenie
Niniejszy artykuł przedstawia efekty stosowania systemu recyrkulacji powietrza
podmuchowego, zasysającego nadmiarowe powietrze z wnętrza kotła rusztowego i
mieszającego go z powietrzem podmuchowym. Efektem takiego rozwiązania jest
zmniejszenie całkowitego stosunku nadmiaru powietrza w kotle, dzięki czemu zmniejsza się
strata wylotowa fizyczna, a tym samym rośnie sprawność. Równie waŜnymi efektami
działania systemu jest radykalne obniŜenie emisji tlenku węgla oraz znaczne obniŜenie emisji
pyłu przy niezmiennych poziomach emisji tlenku azotu oraz dwutlenku siarki.
1.Problemy eksploatacji kotłów rusztowych
Kotły rusztowe są szeroko rozpowszechnionymi urządzeniami słuŜącymi zarówno do
produkcji ciepłej wody grzewczej jak i pary technologicznej [1]. Ich popularność wynika z
prostej budowy oraz stosunkowo nieskomplikowanej eksploatacji, a przede wszystkim z faktu
moŜliwości zastosowania najtańszego z dostępnych paliw kopalnych jakim jest węgiel. Do
podstawowych wad tego typu urządzeń zaliczyć naleŜy stosunkowo niską sprawność
energetyczną oraz względnie wysokie emisje substancji toksycznych, których eliminacja
metodami wtórnymi wiąŜe się ze znacznymi kosztami inwestycyjnymi oraz
eksploatacyjnymi. Dla wyjaśnienia przyczyn wymienionych wad kotłów rusztowych
konieczna jest dogłębniejsza analiza przebiegu procesu spalania w warstwie stałej, zalegającej
na przesuwającym się ruszcie.
1.1
Proces spalania paliwa stałego w kotle rusztowym
Węgiel w czasie procesu spalania w kotle przechodzi przez kilka charakterystycznych
etapów, które zostały zobrazowane na rysunku 1. Na rysunku tym dodatkowo przedstawiono
poglądowo skład gazu opuszczającego warstwę paliwa. Pierwszym etapem (I) jest zapłon, w
czasie którego węgiel podlega nagrzewaniu poprzez promieniowanie pochodzące od
sklepienia zapłonowego [2]. W efekcie w górnej warstwie węgla rozpoczynają się procesy
termicznego rozkładu substancji węgla, w rezultacie których uwalniają się lotne związki
organiczne, przede wszystkim węglowodory. Ich ilość jest tym większa im większa jest
zawartość części lotnych w paliwie, a więc im młodszy geologicznie jest węgiel. Uwolnione
węglowodory, w obecności powietrza dostarczanego do spodu warstwy, ulegają zapłonowi
stając się tym samym dodatkowym źródłem nagrzewania wierzchniej warstwy węgla. W
procesie zapłonu zbyt duŜa ilość dostarczanego powietrza jest przyczyną wychładzania złoŜa i
tym samym opóźnienia zapłonu. Z tego względu w kotłach rusztowych do przedniej części
rusztu doprowadza się ograniczoną ilość powietrza. Proces zapłonu moŜna uznać za
zakończony, gdy w węglu ukształtowany zostanie front spalania. Wyniki badań [3] wskazują,
Ŝe front taki rozprzestrzenia się w kierunku dolnej krawędzi warstwy z prędkością rzędu kilku
milimetrów na minutę. PoniŜej frontu paliwo pozostaje zimne, a co za tym idzie nie zachodzą
w nim Ŝadne reakcje chemiczne. Natomiast w samym froncie następuje uwalnianie części
lotnych w kolejnych warstwach paliwa, a do ich spalania zuŜywany zostaje cały dostarczany
w powietrzu tlen. Nad frontem spalania w paliwie pozostaje mieszanka popiołu i pierwiastka
węgla, pozostałego po przejściu frontu. W mieszance tej zachodzą reakcje zgazowania, w
efekcie których dwutlenek węgla wytworzony we froncie zamieniany jest częściowo na tlenek
węgla. Rozprzestrzenianie się frontu spalania oraz towarzyszące mu procesy składają się na
drugi etap spalania, a skład gazu i temperaturę w złoŜu w trakcie tego etapu spalania
przedstawiono na rysunku 2. Front spalania dociera po pewnym czasie do rusztu i nie mogąc
rozprzestrzeniać się dalej zanika. Rozpoczyna się trzeci etap spalania, w którym reakcja
między powietrzem, a pierwiastkiem węglem pozostałym w złoŜu po przejściu frontu
spalania, zachodzi w całej wysokości złoŜa. W miarę wypalania się pierwiastka węgla reakcja
ta zachodzi coraz wolniej, czego konsekwencją jest wzrost zawartości tlenu w gazach
opuszczających warstwę, oraz spadek temperatury warstwy. Dla przeciwdziałania
przechłodzenia złoŜa, które moŜe prowadzić do przerwania reakcji w czasie gdy w złoŜu jest
jeszcze sporo pierwiastka węgla, korzystnie jest zmniejszyć dopływ powietrza do tylnej
części rusztu. Spadająca temperatura złoŜa prowadzi do powstawania tlenku węgla.
I
II
III
O2
CO
CH
P
C
Rysunek.1 Strefy podczas spalania na ruszcie. I- strefa zapłonu, II – strefa propagacji frontu
spalania, III – strefa dopalania, P-świeŜe paliwo, C-mieszanka popiołu i pierwiastka węgla
po przejściu frontu, O2,CO,CH – profile tlenu, tlenku węgla oraz węglowodorów w gazie
wypływającym z górnej powierzchni węgla.
W czasie kaŜdego z wymienionych etapów spalania z warstwy paliwa emitowany jest takŜe
pył. W czasie propagacji frontu spalania występują największe prędkości powietrza spalania,
a tym samym największe jest prawdopodobieństwo uniesienia drobnych frakcji węgla. Emisja
pyłu następuje jednak równieŜ z tylnej części rusztu, gdyŜ tam znajduje się pozostałość po
spaleniu paliwa, charakteryzująca się mniejszą gęstością, a w czasie wypalania pierwiastka
węgla następuje rozpad ziaren paliwa.
h
C
P
V
T
Rysunek.2 Przebieg temperatur w złoŜu
podczas fazy rozprzestrzeniania się frontu
spalania
Rysunek 3 Charakter zaleŜności sprawności
kotła od strumienia powietrza podmuchowego
Na opisane powyŜej zjawiska nakładają się procesy zachodzące w fazie gazowej, a przede
wszystkim zjawisko spalania gazów palnych emitowanych z górnej powierzchni warstwy
węgla. Jak widać z rysunku 1 dla efektywnego zajścia tego spalania konieczne jest by tlen,
będący w nadmiarze w strefie III dotarł do stref z niedoborem tlenu, czyli strefy I i II. Często
dla zwiększenia obecności tlenu w tych dwóch strefach stosuje się wentylator powietrza
wtórnego.
NaleŜy przy tym uwzględnić, Ŝe kontrola nad ilością powietrza dostarczanego do
poszczególnych części rusztu jest ograniczona, gdyŜ po pierwsze ilość stref podmuchowych
jest ograniczona, a po drugie pomiędzy nimi istnieją dość duŜe nieszczelności. Dodatkowo
podciśnienie panujące w kotle jest przyczyną zasysania powietrza fałszywego przez wszelkie
nieszczelności kotła.
1.2
Ź
ródła strat energii i emisji substancji szkodliwych
Przebieg procesu spalania na ruszcie ma bezpośredni wpływ na sprawność energetyczną
osiąganą przez kocioł, gdyŜ determinuje dwie podstawowe straty – fizyczną w spalinach
(zaleŜną dodatkowo od wymiany ciepła w kotle) oraz chemiczną w ŜuŜlu. Zbyt duŜa ilość
powietrza spalania powoduje zwiększenie straty fizycznej w spalinach gdyŜ zwiększa ilość
gazów spalinowych, a dodatkowo skraca czas ich pobytu w strefie wymienników ciepła co
prowadzi do podwyŜszenia temperatury na wylocie z kotła. DuŜa ilość powietrza w ostatniej
strefie moŜe dodatkowo prowadzić do zwiększenia straty chemicznej w ŜuŜlu poprzez
nadmierne wychładzanie warstwy w czasie gdy znajdują się w niej jeszcze znaczne ilości
pierwiastka węgla. Zbyt mała ilość powietrza spalania sprawia, Ŝe proces spalania przebiega
zbyt wolno, a co za tym idzie paliwo na końcu rusztu zawiera w sobie jeszcze znaczące ilości
substancji palnej, co jest przyczyną wysokiej straty chemicznej w ŜuŜlu. W efekcie zaleŜność
sprawności kotła od ilości powietrza podmuchowego ma charakter krzywej, pokazanej
poglądowo na rysunku 3 [4].
Proces spalania ma równieŜ bezpośredni wpływ na poziom emisji substancji szkodliwych. Im
większy strumień powietrza spalania tym większa emisja pyłów, co wynika z większego
unoszenia pyłu ze złoŜa oraz mniejszej moŜliwości opadania grubszych pyłów w komorze
paleniskowej. Szczególnie istotny jest strumień powietrza docierający do tylnej części rusztu
ze względu na fakt, Ŝe w tym obszarze pył ma najmniejszą gęstość, a zatem unoszony jest
szczególnie łatwo. Emisja tlenków węgla ma swoją przyczynę, zgodnie z rysunkiem 1, przede
wszystkim w II i III strefie rusztu, przy czym tlenek węgla tworzony w strefie II ulega prawie
całkowitemu spaleniu dzięki kontaktowi z tlenem penetrującym ze strefy III. Znacznie
mniejsze szanse dopalenia ma tlenek węgla powstający nad końcem strefy III. Panuje tam
niŜsza temperatura, a dodatkowo brak jest rodników OH, pochodzących ze spalania części
lotnych, które odgrywają bardzo istotną rolę w procesie dopalania tlenku węgla [5]. W efekcie
duŜa część tlenku węgla przedostaje się do gazów spalinowych.
2. Recyrkulacja powietrza spalania jako sposób poprawy funkcjonowania kotła
2.1 Opis wpływu recyrkulacji na prac
ę
kotła
Opisane wcześniej zjawiska zachodzące wewnątrz i powyŜej warstwy paliwa składają się na
obraz procesu, w którym niedoskonałości konstrukcyjne kotła takie jak szczeliny pomiędzy
rusztem a strefami podmuchowymi oraz nieszczelności konstrukcji, uniemoŜliwiają pełną
kontrolę ilości powietrza w poszczególnych strefach. MoŜna przy tym stwierdzić, Ŝe
niedoskonałości te prowadzą do nadmiaru powietrza w tylnej części kotła, którego
konsekwencją jest wyŜsza emisja tlenków węgla oraz wyŜsza emisja pyłów.
1
2
Rys.4 Schemat układu recyrkulacji powietrza podmuchowego. 1- wentylator podmuchowy,
2-wentylator recyrkulacji powietrza.
Te niekorzystne zjawiska ograniczyć moŜna poprzez zastosowanie recyrkulacji powietrza.
Układ recyrkulacji składa się z wentylatora zasysającego powietrze z tylnej części rusztu.
Powietrze to w duŜej części jest wynikiem wspomnianych niedoskonałości konstrukcyjnych.
Strumień tego powietrza mieszany jest z głównym strumieniem powietrza podmuchowego,
kierowanego do stref podmuchowych, co pokazuje rysunek 4. Dzięki takiemu rozwiązaniu
spodziewać się moŜna następujących korzyści:
·
Zmniejszeniu ulega strumień spalin emitowanych z kotła, co prowadzi do
zmniejszenia straty wylotowej fizycznej, jednocześnie nie ulega zmniejszeniu
strumień gazów przepływających przez warstwę paliwa, co mogłoby prowadzić do
zwiększenia straty w ŜuŜlu,
·
Zassany zostaje tlenek węgla powstający nad końcem rusztu i zawrócony do strefy
spalania, gdzie ma szansę ulec spaleniu.
·
Dzięki mniejszemu strumieniowi spalin w całym kotle zwiększa się moŜliwość
opadania części grubszych pyłów unoszonych z warstwy, a dzięki zmniejszeniu
powietrza w tylnej części rusztu zmniejsza się ilość pyłów unoszonych z tej części
rusztu.
Zmniejszeniu ulega moc potrzebna do zasilania wentylatora wyciągowego. Co prawda
jednocześnie zwiększa się nieco moc potrzebna do napędu wentylatora powietrza
recyrkulacyjnego, jednakŜe ze względu na mniejszą gęstość spalin w porównaniu z
gęstością powietrza recyrkulacyjnego, sumaryczne zuŜycie mocy ulega zmniejszeniu.
W zakresie emisji pozostałych podstawowych substancji toksycznych, to jest tlenków azotu
oraz dwutlenku siarki system powietrza recyrkulacyjnego powinien być neutralny, to jest ani
nie zwiększać ani nie zmniejszać emisji. System recyrkulacji powietrza spalania jest
chroniony przez zgłoszenie patentowe [6].
2.2 Opis prób pracy instalacji powietrza recyrkulacyjnego
Próby działania opisanej instalacji przeprowadzono w elektrociepłowni wyposaŜonej w dwa
kotły wodne WR-25 oraz dwa kotły parowe OR-32. Ze względu na sumaryczną moc
·
zainstalowanych kotłów elektrociepłownia wyposaŜona została w system ciągłego
monitoringu spalin obejmujący pomiar stęŜenia zarówno wszystkich podstawowych
składników gazowych jak i pyłu. Pomiary przeprowadzono w okresie letnim, gdyŜ wtedy
zapotrzebowanie mocy pokrywane jest przez jeden z kotłów, a co za tym idzie system
ciągłego monitoringu analizuje spaliny pochodzące wyłącznie z pracującego kotła. Wadą
przeprowadzenia pomiarów w tym czasie było niskie obciąŜenie kotła, oraz fakt Ŝe spaliny w
kominie obarczone były względnie duŜą ilością powietrza fałszywego dosysanego w układzie
odprowadzenia spalin.
Na rysunku 5 przedstawiono wykres obrazujący moc kotła WR-25, prędkość rusztów,
wysterowanie falownika wyciągu spalin, podciśnienie w komorze spalania, średnią
temperaturę spalin za kotłem oraz udział tlenu w spalinach. Wykres dotyczy jednego dnia
pomiarowego, przy czym w fazie A wentylator recyrkulacyjny był wyłączony, w fazie B był
stopniowo włączany, a w fazie C pracował w normalnym trybie. Jak moŜna zauwaŜyć moc
kotła podczas prób pozostawała na mniej więcej stałym poziomie przy stałej prędkości rusztu.
Podczas całej próby podciśnienie w komorze spalania utrzymywane było na stałym poziomie,
jedynie pewne wahania zaobserwować moŜna w momentach zmian wysterowania
wentylatorów kotła. Włączenie wentylatora powietrza recyrkulacyjnego spowodowało spadek
wysterowania wentylatora wyciągowego co świadczy o mniejszym strumieniu
przepływających spalin. Zmniejszenie strumienia spalin wynika z faktu, Ŝe część gazów
dostarczanych do kotła tłoczonych jest przez wentylator powietrza recyrkulacyjnego. Ze
względu na większą gęstość powietrza recyrkulowanego w porównaniu ze spalinami,
sumaryczna moc konieczna do przetłaczania gazów w kotle ulega pewnemu zmniejszeniu. W
wyniku włączenia wentylatora recyrkulacji spadła temperatura spalin za kotłem, co wynika z
lepszego ich schłodzenia na powierzchniach wymiany ciepła, osiąganego dzięki zmniejszeniu
strumienia. Oznacza to, Ŝe dzięki pracy opisywanego układu zmniejsza się strata wylotowa
fizyczna spalin.
A
B
C
10
Q, MW
w, m/h
6
8
Q
4
6
4
2
w
2
0
0
0
D
p, Pa
D
p
f
, %
60
-10
40
-20
-30
20
-40
f
-50
0
120
t
sp
,
o
C
O2, %
20
t
sp
18
100
16
80
O2
14
t
, min
60
12
Rysunek.5 Wykres podstawowych parametrów pracy kotła. Q-moc, w – prędkość rusztu,
0
400
800
1200
1600
D
p
- wysterowanie falownika wentylatora wyciągu, tsp –
temperatura spalin, o2- stęŜenie tlenu w spalinach. A- wyłączony wentylator recyrkulacji, B-
stopniowe włączanie wentylatora, C-normalna praca układu recyrkulacji.
f
– podciśnienie w komorze spalania,
Plik z chomika:
GUMA1975
Inne pliki z tego folderu:
SCHEMAT PRZEPŁYWU CO2(1).jpeg
(30 KB)
RYSUNEK POGLĄDOWY KOTŁA BIOMASY Z RECYRKULACJĄ.jpeg
(43 KB)
RYSUNEK POGLĄDOWY KOTŁA BIOMSY NR2.jpeg
(39 KB)
RYSUNEK POGLĄDOWY KOTŁOWNI BIOMASY.jpeg
(31 KB)
Współspalanie biomasy z węglem.pdf
(196 KB)
Inne foldery tego chomika:
1- hasła jak nazwa Chomika
39 i pół MP3
8.1
ACAD2009
Agnieszka Chylinska
Zgłoś jeśli
naruszono regulamin