recyrkulacja.pdf

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.

III

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.

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.

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.

Q, MW

w, m/h

D p, Pa

D p

f , %

-10

-20

-30

-40

-50

120

t sp , o C

O2, %

t sp

100

, min

Rysunek.5 Wykres podstawowych parametrów pracy kotła. Q-moc, w – prędkość rusztu,

400

800

1200

1600

- 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.

– podciśnienie w komorze spalania,

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: