Inwentaryzacja popiołów lotnych

Inwentaryzacja popiołów lotnych polegała na porównaniu parametrów jakościowych, takich jak miałkość, zawartość części palnych, amoniaku dla popiołów lotnych, pochodzących z różnych jednostek produkcyjnych oraz różnych miejsc odbioru materiału. Miała na celu określenie charakterystyki PL znajdującego się w dyspozycji Przedsiębiorcy w referencji do wymagań normy PN-EN 450-01 „Popiół lotny do betonu”. Prace w ramach inwentaryzacji wykonano etapami, w latach 2015 – 2021. Do badań wykorzystano popioły lotne krzemionkowe, pochodzące ze spalania węgla kamiennego ze złóż polskich oraz zagranicznych, w kotłach pyłowo-walczakowych, pracujących w pięciu jednostkach produkcyjnych Przedsiębiorcy.

W pierwszym etapie inwentaryzacji (INW 1) przeanalizowano dane zebrane w dedykowanych testach obiektowych, które przeprowadzono w maju 2015 roku. Próbki PL pobierano w JP5, jeden raz dziennie, przez 30 kolejnych dni, bezpośrednio z lejów w trzech strefach elektrofiltrów bloków nr 2, 3, 4 (K2, K3, K4). Przez pierwsze 10 dni próbki pochodziły z ciągów lewych, kolejne 10 dni z ciągów środkowych oraz przez ostatnie 10 dni z ciągów prawych. Schemat poboru próbek dla elektrofiltru kotła K2 przedstawiono na Figurze 9. Analogiczny plan zastosowano do poboru PL z pozostałych dwóch kotłów. W całym okresie trwania testów obiektowych, próbki PL zbierano o tej samej porze

dnia. Sumarycznie zaplanowano pobór 270 próbek po 90 dla każdego z kotłów. Ze względu na wystąpienie w trakcie testów czynników niezależnych (np. okresowe wyłączenie kotła spowodowane zmniejszonym zapotrzebowania na energię, brak materiału w wyznaczonym miejscu poboru) ostatecznie zebrano 239 próbek PL.

Fig. 9. Schemat poboru próbek popiołu lotnego w INW 1.

Dla uzyskanych 239 próbek wykonano oznaczenie TOC (N2) oraz miałkości (N3). Charakterystykę popiołu lotnego w kolejnych strefach EF, wyznaczono w oparciu o matematyczne uśrednianie zmierzonych wartości TOC oraz miałkości. Uśrednianie prowadzono stopniowo, dla każdego z kotłów z którego pochodziły próbki PL osobno.

W pierwszej kolejności dla materiału pobranego przez dziesięć kolejnych dni z tego samego ciągu oraz strefy elektrofiltru, zmierzone wartości uśredniono do jednej. Schemat wykonanych operacji przedstawia Figura 10. W wyniku zastosowania procedury przedstawione na Figurze 10 z trzydziestu próbek PL pobranych z trzech stref, lewego ciągu uzyskano trzy próbki. Reprezentują one uśrednioną za okres 10 dni, informację o materiale z trzech kolejnych stref EF. Operację tę wykonano w taki sam sposób dla pozostałych ciągów (CS i CP). Sumarycznie, dla każdego z kotłów, uzyskano 9 wartości TOC oraz miałkości.

Fig. 10. Schemat pierwszego kroku matematycznego uśredniania próbek popiołu lotnego w INW 1.

W następnym kroku, dziewięć uzyskanych wartości uśredniono wg proporcji wypadu popiołu lotnego w poszczególnych ciągach elektrofiltru (Fig. 7, CL – 37,5%, CS – 25%, CP – 37,5%). Uzyskano w ten sposób trzy wartości reprezentujące informację o jakości popiołu lotnego w kolejnych strefach elektrofiltru w całym okresie prowadzenia poborów. Schemat operacji przedstawia Figura 11. Obliczenia przeprowadzono w jednakowy sposób dla trzech kotłów z osobna.

Fig. 11. Schemat drugiego kroku matematycznego uśredniania popiołu lotnego w INW 1.

W ostatnim kroku, obliczone parametry trzech, teoretycznych próbek popiołu z kolejnych stref EF uśredniono uwzględniając wypad popiołu w kolejnych strefach EF (Fig. 7, S1 – 80%, S2 – 16%, S3 – 4%). Schemat postępowania przedstawia Figura 12. Uzyskano w ten sposób wartości reprezentujące uśrednioną informację o jakości popiołu lotnego dla kotła K2 za cały okres poborów. Czynność powtórzono dla pozostałych dwóch kotłów.

Fig. 12. Schemat trzeciego kroku matematycznego uśredniania popiołu lotnego w INW 1.

Zgodnie z powyższą procedurą logiczną (Figury 10 – 12), w laboratorium wykonano również fizyczne uśrednianie pozyskanego materiału z wykorzystaniem metody kwartowania (Górecka et al., 1979). Sumarycznie dla trzech kotłów z których pochodziły próbki PL, w laboratorium uzyskano 37 uśrednionych próbek, dla których wykonano oznaczenia TOC (N2), LOI (N4) oraz analizę granulometryczną (N5).

Pierwszy etap inwentaryzacji uzupełniono o analizę wyników pozyskanych w trakcie kampanii uzupełniającej, przeprowadzonej w JP5 w dniach 7 – 9.10.2015. Próbki PL pobrano osobno z każdego z ciągów oraz stref elektrofiltrów bloków nr 2, 3, 7 oraz 8 (K2, K3, K7, K8). Pierwszego dnia pobór zrealizowano w godzinach 12:00, 16:00 oraz 20:00, natomiast trzeciego dnia pobór zrealizowano w godzinach 00:00, 04:00, 08:00. Schemat postępowania dla kotła K2 i wybranej godziny przedstawia Figura 13. Sumarycznie pozyskano 215 próbek PL. Wykonano dla nich analizy laboratoryjne pod kątem TOC (N2), miałkości (N3).

Fig. 13. Schemat poboru próbek popiołu lotnego w INW 1 – kampania uzupełniająca.

Drugi etap inwentaryzacji popiołów lotnych (INW2) oparty był na materiale pobranym w okresie 03.11 – 14.12.2015 w JP4. Pobory realizowano dla jednego z kotłów trzy razy dziennie, bezpośrednio z lejów elektrofiltru, oddzielnie dla każdej ze stref (Fig. 14). JP4 dysponuje elektrofiltrami o odmiennej konstrukcji w porównaniu do urządzeń analizowanych w pierwszym etapie inwentaryzacji. Są to elektrofiltry dwuciągowe, o wspólnej rynnie odbiorczej dla stref 1, 2, 3 (Fig. 14).

W oparciu o wyniki pozyskane w INW1, zdecydowano o poborze próbek popiołu z jednego, tego samego ciągu, przez cały okres trwania testów. W trakcie prowadzenia testów obiektowych, w kotle nr 2 (K2) z węglem kamiennym współspalana była biomasa (pelet z pozostałości zielnych) w udziale w mieszance paliwowej wynoszącym 10 – 30% wagowych. Sumarycznie w trakcie testów obiektowych pobrano 356 próbek popiołu lotnego.

Fig. 14. Schemat poboru próbek popiołu lotnego w INW 2.

Dla wszystkich pobranych próbek popiołu lotnego wykonano oznaczenie TOC (N2) oraz miałkości (N3). W celu uzyskania uśrednionej informacji na temat jakości popiołu w strefach EF, w kolejnych tygodniach testów obiektowych, w laboratorium przeprowadzono zabieg uśredniania próbek popiołu lotnego metodą kwartowania. Schemat wykonanych uśrednień dla przykładowego tygodnia przedstawia Figura 15. Taki sam system uśredniania zastosowano do próbek popiołu lotnego pobranego w kolejnych tygodniach testów, uzyskując sumarycznie 18 próbek popiołu lotnego (6 tygodni x 3 strefy EF). Dla próbek tych wykonano analizy TOC (N2), miałkości (N3) oraz rozkładu ziarnowego (N5).

Fig. 15. Schemat uśredniania próbek popiołu lotnego w INW 2.

Trzeci etap inwentaryzacji (INW3), realizowany w latach 2016 – 2021, polegał na monitorowaniu jakości popiołu lotnego powstającego w pięciu jednostkach produkcyjnych Przedsiębiorcy (JP1 – JP5).

Analizę prowadzono w kierunku wychwycenia zmian w trendach, które określono we wcześniejszych etapach inwentaryzacji oraz identyfikacji ewentualnych zagrożeń procesowych dla jakości popiołu.

W każdej z jednostek prowadzone są systematyczne i z góry zaplanowane pobory próbek szerokiej grupy materiałów poczynając od dostarczanego węgla, przez paliwo z procesu, wodę surową, UPS, aż po ścieki. Częstotliwość wykonywania poborów, zakres analiz oraz wykorzystywane urządzenia są zróżnicowane i właściwe dla poszczególnych lokalizacji. Analizy parametrów jakościowych prowadzone są w zakładowych laboratoriach ruchowych. W przypadku popiołu lotnego prace te mają na celu kontrolę procesu spalania, weryfikację poprawności działania automatycznych systemów pomiarowych, kontrolę jakości materiału trafiającego do zbiorników retencyjnych. Monitorowanie

wyników uzyskiwanych w poszczególnych laboratoriach umożliwiło obserwację zmienności jakości popiołu lotnego w dłuższej perspektywie czasu. Dodatkowo w ramach trzeciego etapu inwentaryzacji wykorzystano wyniki analiz parametrów jakościowych popiołu lotnego pozyskane przy okazji innych prac badawczych Przedsiębiorcy, niebędących przedmiotem niniejszej pracy doktorskiej, jak również dane dostarczane okresowo przez Managera Produktu. Przeanalizowano wyniki:

 analiz TOC (N2) oraz LOI (N4),

 analiz granulometrycznych (N5) oraz miałkości oznaczanej na sitach (N3),

 oznaczeń zawartości związków amonowych (metoda zależna od źródła pochodzenia danych).