Rozkład stężeń zanieczyszczeń gazowych w komorze paleniskowej

W celu określen ia rozkładu stężeń składników gazu w kom orze paleniskow ej badanego pierw otnego pow staw ania i redukcji tych zanieczyszczeń gazow ych. W trakcie prow adzonych pom iarów utrzym yw ano niezm ienne obciążenie cieplne k o tła w y noszące 100% poprzez kontrolę strum ienia m asy podaw anego paliw a oraz strum ienia objętości pow ietrza przy zachow aniu niezm iennego rozdziału pom iędzy pow ietrzem pierw otnym a w tórnym . K ażdy z ośm iu punktów w prow adzenia paliw a został rów nom iernie obciążony, tj. po 12,5%

całkow itego strum ienia m asy paliw a. R ozm ieszczenie punktów w prow adzenia: paliw a, m ateriału recyrkulow anego oraz pow ietrza w tórnego przedstaw iono na rysunku 3.6. W arunki prow adzenia badań przedstaw iono na rysunku 3.8. W celu p rzeprow adzenia analizy

porów naw czej w yników badań stężenia poszczególnych składników fazy gazow ej w yrażono j e ja k o w skaźniki, które zdefiniow ano zgodnie z rów naniem 4.17.

N a rysunku 6.10 przedstaw iono rozkład lokalnej w artości w skaźników : N O , C O , 0 2 i S 0 2 w odległości 0,9 m od rusztu kom ory paleniskow ej, tj. w obrębie obszaru gęstego CW F i bezpośrednio nad punktam i w prow adzenia paliwa.

ISL Ó

ścian a tylna

z =

ściana p rzednia

Odległość od ściany komory paleniskowej, r, m Odległość od ściany komory paleniskowej, r,m

10000-p

9000 , 8000.

o 7000

^ 6000

o o

•N c

«3

w 2000

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0

Odległość od ściany komory paleniskowej, r, m

20 TT

0,0 0,5 1,0 1,5 2.0 2,5 3,0

Odległość od ściany komory paleniskowej, r. m

Rys. 6.10. Rozkład lokalnego wskaźnika: NO, CO, 0 2 i S 0 2 w odległości 0,9 m od rusztu komory paleniskowej

Fig. 6.10. Distribution o f the local index o f NO, CO, 0 2 and S 0 2 at a distance o f 0.9 m from the combustion chamber grid

P rezentow ane w yniki na rysunku 6.10 w yraźnie w sk azu ją na obecność obszaru przyściennego, chem icznej strefy przyściennej 8Ch, o grubości 1,5 m. W obszarze tym w skaźniki 0 2 i N O s ą dużo niższe od stężenia CO. W obszarze przyściennym w ysokie stężenie CO w p ły w a korzystnie na redukcję pow stającego N O . W ysokie stężenie N O i S 0 2 p oza obszarem przyściennym w skazuje, że w ym ienione zanieczyszczenia p ow stają głów nie w dolnej części kom ory paleniskow ej. N a rysunku 6.11 przedstaw iono rozkład w skaźników : N O , ¿ O , 0 2 i SO2 w odległości 3,8 m od rusztu kom ory paleniskow ej, tj. na granicy obszaru

gęstego i obszaru rozrzedzonego CW F oraz bezpośrednio pow yżej drugiego poziom u pow ietrza w tórnego.

UST 1 IIST2

— O --- } O — ściana tylna

z = 3 ,8 m

t

II S L Ó ściana przednia Ó IISP

I —■— UST 1 —• — IIST2 IISL — MSP I

0.0 0,5 1.0 1,5 2,0 2,5

Odległość od ściany komory paleniskowej, r, m

Odległość od ściany komory paleniskowej, r, m

0.0 0.5 1,0 1,5 2.0 2,5

Odległość od ściany komory paleniskowej, r, m

Rys. 6.11. Rozkład lokalnego wskaźnika: NO, CO, 0 2 i S 0 2 w odległości 3,8 m od rusztu komory pa­

leniskowej

Fig. 6.11. Distribution o f the local index o f NO, CO, 0 2 and S 0 2at a distance o f 3.8 m from the com­

bustion chamber grid

C hem iczna strefa przyścienna o grubości 0,5 m rów nież i w tym przypadku je st dostrzegalna. C harakteryzuje się o n a niskim stężeniem 0 2 i w ysokim stężeniem CO. Poza strefą p rzy ścien n ą w idoczny je s t w pływ pow ietrza w tórnego. W skaźnik stężenia tlenu rośnie do w artości ponad 3 i następnie w raz ze w zrostem odległości od ściany kom ory paleniskow ej m aleje do w artości 0,1. Jak w idać na rysunku 6.11, w skaźnik N O je s t niski, czego efektem je st redukcyjny w pływ CO. W artość w skaźnika CO w yniosła od 1 do 2. N ależy nadto

Odległość od ściany komory paleniskowej r,m

75

stw ierdzić, iż głębokość penetracji pow ietrza w tórnego w yniosła tylko 2 m. N a rysunku 6.12 przedstaw iono rozkład lokalnego w skaźnika: N O , CO, 0 2 i S 0 2 w odległości 9,6 m od rusztu kom ory paleniskow ej, tj. w obszarze rozrzedzonym CW F.

IIIST

--- O - H ---ściana tylna

z = 9 ,6 m ii

! ściana przednia

,---o — IIISP

I - « - I I I S T —»— IIISP 1

Odległość od ściany komory paleniskowej, r, m

Odległość od ściany komory paleniskowej, r, m

Odległość od ściany komory paleniskowej, r, m

Odległość od ściany komory paleniskowej, r, m

Rys. 6.12. Rozkład lokalnego wskaźnika: NO, CO, 0 2 i S 0 2 w odległości 9,6 m od rusztu komory pa­

leniskowej

Fig. 6.12. Distribution o f the local index o f NO, CO, 0 2 and S 0 2 at a distance o f 9.6 m from the com­

bustion chamber grid

U zyskane w yniki w sk azu ją na obecność chem icznej strefy przyściennej o grubości 0,5 m na ścianie tylnej w przypadku rozkładów stężenia 0 2 i CO. A nalizując ścianę przednią kom ory paleniskow ej stw ierdzam y, że grubość tej strefy w yniosła około 1 m. W ysoki w skaźnik C O na ścianie przedniej w skazuje na nadal biegnący proces utleniania tego składnika gazu. E fekt ten potw ierdza niska w artość stężenia tlenu w rozpatryw anej części

kom ory paleniskow ej. Z decydow ane w yższe stężenie tlenu na ścianie tylnej kotła w porów naniu ze ścian ą p rzed n ią m ożna w yjaśnić dobrym w ym ieszaniem paliw a, m ateriału w arstwy i pow ietrza w prow adzanych do kom ory paleniskow ej p o przez układ naw rotu (zew nętrzna cyrkulacja), co w konsekw encji prow adzi do w prow adzenia ziaren paliw a w głębsze obszary w arstw y fluidalnej, praktycznie z pom inięciem hydrodynam icznej strefy przyściennej. Jak w ynika z rysunku 6.12, dla ściany przedniej i tylnej poza obszarem przyściennym w ystępuje końcow y etap procesu w iązania siarki i w skaźnik stężenia SO2

przyjm uje w artości rów ne 1, podczas gdy redukcja N O je s t je s z c z e nie zakończona w porów naniu do stężenia uzyskanego na w ejściu do kom ina (w skaźnik pow yżej 1). N a rysunku 6.13 przedstaw iono rozkład lokalnego w skaźnika: N O , C O , O2 i SO2 w odległości 17,7 m od rusztu kom ory paleniskow ej.

o

---ściana tylna

Z = 1 7 , 7 m ~

-i

f ściana przednia

o

---IVSP

I — i v s p —» - i v s t I

Odległość od ściany komory paleniskowej, r,m Odległość od ściany komory paleniskowej, r,m

Rys. 6.13. Rozkład lokalnego wskaźnika: NO, CO, 0 2 i S 0 2 w odległości 17,7 m od rusztu komory paleniskowej

Fig. 6.13. Distribution o f the local index o f NO, CO, 0 2 and S 0 2 at a distance o f 17.7 m from the combustion chamber grid

A nalizując stężenie O2 i CO prezentow ane na rysunku 6.13, nadal w idzim y chem iczną

Rys. 6.14. Rozkład lokalnego wskaźnika 0 2 i CO w odległości 26,7 m od rusztu komory paleniskowej Fig. 6.14. Distribution o f the local index o f 0 2 and CO at a distance o f 26.7 m from the combustion

paliw a do kom ory paleniskow ej, a w ięc słabego procesu bocznego m ieszania paliw a i m ateriału inertnego w arstw y w obszarze rozrzedzonym CW F. N a rysunku 6.15 przedstaw iono rozkład w skaźników stężeń N O i SO2 w odległości 26,7 m od rusztu kom ory paleniskow ej.

V S L 0

VST1 VST2 VST3 VST4

— O--- O— ;— o ---o —

ściana tylna

z = 2 6 ,7 m

ściana przednia

-o - O o

-VSP1 V SP2 V SP3 V SP4 V SP5

■ VST1 - VST2 VST3 - VST4

Odległość od ściany komory paleniskowej, r, m

Odległość od ściany komory paleniskowej, r, m

Odległość od ściany komory paleniskowej, r, m

Odległość od ściany komory paleniskowej, r, m

VSP1 VSP2 VSP3 VSL VSP4 VSP5

Rys. 6.15. Rozkład lokalnego wskaźnika NO i S 0 2 w odległości 26,7 m od rusztu komory palenisko­

wej

Fig. 6.15. Distribution o f the local index of NO and S 0 2 at a distance o f 26.7 m from the combustion chamber grid

W sąsiedztw ie ściany przedniej stężenie N O je s t poniżej w artości uzyskanej przed kom inem , natom iast w pobliżu ściany tylnej w artość stężenia N O je s t w yższa. Identyczna sytuacja w ystępuje w przypadku stężenia S 0 2. W artość średnia stężenia N O i S 0 2 osiąga poziom stężenia końcow ego z procesu spalania, natom iast ja k w idać na rysunku 6.14, stężenie CO je s t je s z c z e dość w ysokie. N a rysunku 6.16 przedstaw iono rozkład w skaźników

stężeń: N O , C O , O2 i SO2 w odległości 36,7 m od rusztu kom ory paleniskow ej, tj. na w ysokości w lotu do cyklonu.

okna w lotow e do cyklonów

____ ._____|_____.____ X ... ...

ściana tylna

z = 3 6 ,7 m

ściana przednia WK

-P-Odległość od ściany komory paleniskowej, r, m

Odległość od ściany komory paleniskowej, r, m

Odległość od ściany komory paleniskowej, r, m

Odległość od ściany komory paleniskowej, r, m

Rys. 6.16. Rozkład lokalnego wskaźnika: NO, CO, 0 2 i S 0 2 w odległości 36,7 m od rusztu komory paleniskowej

Fig. 6.16. Distribution o f the local index o f NO, CO, 0 2 and S 0 2 at a distance o f 36.7 m from the combustion chamber grid

W skaźnik tlenu w rdzeniu obszaru rozrzedzonego w ynosi około 1 i stężenie tlenu je st porów nyw alne ze stężeniem w II ciągu kotła. Stężenie N O osiąga poziom stężenia na w ejściu do kom ina, w skazując na zakończenie procesu redukcji tlenków azotu. Stężenie S 0 2 i CO je st jed n ak nadal zbyt w ysokie, co m ożna tłum aczyć m ożliw ością kontynuacji procesu odsiar­

czania i procesu dopalania tlenku w ęgla w obrębie cyklonów analizow anego kotła. Stan ten potw ierdzić m oże rozkład tem peratury na w locie i w ylocie z cyklonów badanego kotła, który został przedstaw iony na rysunku 6.17. Jak w idać na rysunku 6.17, średnia tem peratura na

w ylocie z cyklonu w kierunku II ciągu kotła je s t o 10 stopni w y ższa niż w przypadku w lotu do cyklonu. L ucat w sw ych badaniach [55] przedstaw ił, że stężenie tlenu w zdłuż cyklonu zm ieniało się od 4.8% na w locie do 3.1% na w yjściu, co św iadczyło o przebiegu procesu spalania w tym obszarze kotła. R ów nież w badanich na kotle C hatm an o m ocy 72 M W [13]

w ykazano zn aczn ą redukcję stężenia CO w obszarze cyklonu, ja k i rów nież niew ielkie obniżenie stężenia N O x i SO2. To dow odzić m oże dużego znaczenia cyklonu ja k o części kotła biorącego udział w procesie spalania.

Czas, t, s

Rys. 6.17. Rozkład temperatury w cyklonie dla badanego kotła 670 MW Fig. 6.17. Distribution o f temperaturę in the cyclone for the 670 MW boiler tested

N a podstaw ie przeprow adzonych badań należy stw ierdzić obecność chem icznej strefy przyściennej o grubości 0,5-1,5 m w odniesieniu do rozkładu stężeń składników gazu w kom orze paleniskow ej kotła o m ocy 670 M W . Z auw ażono znaczne różnice stężeń składników gazu pom iędzy obszarem położonym przy ścianie tylnej i ścianie przedniej kom ory paleniskow ej. S tężenia O2 i N O są niższe, natom iast CO je s t w yższe w sąsiedztw ie ściany przedniej niż w przypadku otoczenia ściany tylnej. Efekty te s ą bezpośrednio zw iązane z intensyw nym procesem m ieszania i transportu ziaren paliw a z m ateriałem w arstw y w głąb kom ory paleniskow ej w otoczeniu ściany tylnej, gdzie paliw o w prow adzane je s t w raz z m ateriałem recyrkulow anym z układu naw rotu. W przypadku ściany przedniej paliw o w prow adzane je s t bezpośrednio do kom ory paleniskow ej. N ależy rów nież podkreślić, iż punkty podaw ania paliw a um iejscow ione na ścianie tylnej są w stanie w prow adzić znacznie w ięcej p aliw a niż punkty um iejscow ione na ścianie przedniej, co w konsekw encji m oże zrów now ażyć nierów nom ierny rozkład stężenia składników gazu pom iędzy ścian ą p rzednią i tylną. Słaby proces m ieszania fazy gazow ej w obszarze rozrzedzonym C W F pow odujący nierów nom ierny rozkład składników gazu w przekroju poziom ym kom ory paleniskow ej obserw ow ano rów nież w badaniach na kotle Chatm an o m ocy 72 M W [13] oraz w badaniach na kotle C halm ers o m ocy 12 M W [51]. W pracach tych stw ierdzono, że przepływ poszczególnych składników fazy gazow ej w kierunku w lotu do cyklonu m ożna scharakteryzow ać ja k o przepływ „św iecow y” . U zyskane w yniki badań na kotle 670 M W p o tw ierd zają silny w pływ rozdziału paliw a w dolnej części kom ory paleniskow ej oraz procesu uw alniania części lotnych w sąsiedztw ie punktów w prow adzenia p aliw a na procesy pow staw ania i redukcji zanieczyszczeń gazow ych. D latego też zm iana w arunków

cieplno-81

przepływ ow ych w dolnej części kom ory paleniskow ej, np. rozprow adzenia pow ietrza pierw otnego i w tórnego czy rozdziału paliwa, bezpośrednio w pływ ać będzie na procesy redukcji zanieczyszczeń gazow ych zachodzące w jej górnej części.

Jak przedstaw iono w rozdziale 6.2, ponad 90% ziaren paliw a spalane je s t w obszarze gęstym i obszarze dolnym C W F. W obszarze gęstym dom inuje rów nież uw alnianie części lotnych, co potw ierdza uzyskany profil CO na rysunku 6.10. Pierw otne form ow anie NO następuje rów nież w obszarze gęstym , głów nie w jeg o głębi, gdzie przebiega znacząca część procesu spalania ziaren paliw a. Pow oduje to w ysoką zaw artość N O w dolnej części kom ory paleniskow ej. W trakcie przepływ u gazu w zdłuż w ysokości kom ory paleniskow ej stężenie N O m aleje w w yniku biegnących reakcji rozpadu, szczególnie reakcje redukcji N O na ziarnach koksiku i w obecności CO pow inny dom inow ać nad reakcjam i tw orzenia NO, pow odując ostatecznie obniżenie stężenia N O na w yjściu z kom ory paleniskow ej. R ów nież chem iczna strefa przyścienna je s t regionem o działaniu redukcyjnym w stosunku do NO.

W yższe stężenia ziaren m ateriału w arstw y i ziaren koksiku w stosunku do rdzenia i niższa tem peratura w sąsiedztw ie ścian kom ory paleniskow ej tw o rzą o bszar o niskim stężeniu tlenu co zw iększa reakcje redukcji N O . Profil stężenia tlenu w skazuje, że pow ietrze w tórne, w prow adzane do kom ory paleniskow ej na w ysokości 2.9 m, je s t w ym ieszane ze spalinam i na w ysokości około 10 m od rusztu kom ory paleniskow ej. Co w ięcej, pęd strum ienia masy pow ietrza w tórnego, m im o znacznych prędkości w ylotow ych z dysz (prędkość na w ylocie z dyszy ~20 m s '1) i skierow aniu ich w ylotów w dół, był niedostateczny dla penetracji w głąb obszaru gęstego CW F. N a rysunku 6.18 i rysunku 6.19 przedstaw iono rozkład stężenia N 20 dla kilku badanych poziom ów w funkcji odległości od ściany kom ory paleniskow ej.

O d le g ło ść od ścian y ko m ory pale n isko w ej, r, m

Rys. 6.18. Rozkład lokalnego stężenia N20 w funkcji odległości od ściany komory paleniskowej dla:

z=3.8 m, z=9.6 m, z=17.7 m

Fig. 6.18. Distribution o f local N20 concentration as a function o f the distance from the combustion chamber wali for: z=3.8 m, z=9.6 m, z=17.7 m

Z danych tych w ynika, że w przypadku N 20 pierw otny o bszar tw orzenia tego składnika fazy gazow ej to rów nież obszar gęsty CW F, z dom inującym znaczeniem strefy przyściennej, tj. regionu zlokalizow anego w bliskim sąsiedztw ie punktów w prow adzenia paliw a i u w alniania części lotnych. R ozw ażając profil N 20 i N O w zdłuż w ysokości komory p aleniskow ej, w przeciw ieństw ie do w yników badań uzyskanych na kotle 12 M W prezento­

w anych w pracy [51], w idzim y, że zachow anie się tych składników gazu nie różni się m iędzy

pow ietrza w tórnego w przypadku kotła 670 M W w yniosła tylko 0.18 De. W artość ta była niższa od obserw ow anych głębokości w prow adzenia pow ietrza w tórnego w kotle 12 MW [51]. E fekt niew ystarczającego m ieszania składników fazy gazow ej potw ierdzają rów nież nie zakończone procesy utleniania CO i redukcji SO2 na w ysokości w lotu do separatora badanego kotła. T rzecia strefa procesu spalania to obszar separatora. O becność tej strefy dow odzi, że funkcja separatora nie ogranicza się tylko do oddzielania ziaren m ateriału w arstw y ze strum ienia gaz-ziarna, ale rów nież stanow i on obszar CW F, w którym p rzeb ieg ają procesy re­

dukcji zanieczyszczeń gazow ych, tj. utlenianie CO i w iązanie SO2.

U

Rys. 6.20. Charakterystyczne obszary procesu spalania w strukturze CWF Fig. 6.20. Characteristic regions o f the combustion process in the CFB structure

6.5. W pływ warunków ciepłno-przepływowych w komorze paleniskowej na