i eksploatacyjne materiału dodatkowego
(piasku)
Wpływ współspalania biomasy przeanalizowano na przykładzie pracy kotła fluidalnego [107, 108, 109]. Wynika to z faktu, iż są tu znacznie mniejsze niż w przypadku innych kotłów ograniczenia technologiczne wpływające na wydajność instalacji do prostego współspalania biomasy, gdyż nie posiadają młynów węglowych. W zakresie instalacji podawania paliwa mogą jedynie wystąpić problemy eksploatacyjne związane z współspalaniem biomasy o wysokiej wilgotności, co może się objawiać klejeniem biomasy do ścian zasobnika paliwa (powstawanie nawisów), bądź obklejaniem ślimaków przenośników, co prowadzi do zmniejszenia ich wydajności. Występują też niższe zagrożenia pożarowe i wybuchowe, gdyż brak młynów eliminuje zagrożenia spowodowane stosowaniem wysokotemperaturowego czynnika suszącego. Są też znacznie niższe ograniczenia ilości stosowania biomasy w procesie współspalania. W efekcie w procesie współspalania należy uwzględnić następujące zagadnienia:
• pracą instalacji podawania paliwa,
• system spalania i wymiany ciepła w kotle, • żużlowanie powierzchni ogrzewalnych, • sprawność kotła,
• wskaźniki emisyjne kotła,
• wpływ współspalania biomasy na instalacje DESOX i DENOX.
Jednym z istotnych elementów – pomijanych w dotychczasowych analizach procesów logistycznych biomasy - jest konieczność doboru i dowozu materiału inertnego o odpowiedniej jakości. Materiałem inertnym jest po prostu piasek zawierający krzem. Podstawowe wymagania, umożliwiające zastosowanie piasku przy fluidalnym spalaniu biomasy, określone są w wymaganiach technicznych dostawców kotłów. Najczęściej podaje się krzywa rozkładu ziaren, a zadaniem użytkownika kotła jest znalezienie i dostarczenie piasku o zakładanym rozkładzie.
142
Tabela 62 prezentuje przykładowo wymagane parametry fizykochemiczne piasku kwarcowego dla bloku fluidalnego w Enea Elektrownia Połaniec (dane z Platformy Zakupowej Enea 2019). Piasek dla kotła fluidalnego nie powinien ponadto zawierać chloru oraz słabych zasad rozpuszczalnych w kwasach.
Tabela 62. Wymagania fizykochemiczne piasku kwarcowego dla kotła fluidalnego w EC Połaniec.
Parametr Jedn. miary Wartość typowa Zakres
SiO2 % - > 90,0 Al2O3 % < 9,0 Fe2O3 % < 2,0 CaO % < 2,5 MgO % < 1,0 Na2O % < 3,5 K2O % < 6,0 H2O % 0,1 0,3 Strata prażenia % 0,95 < 1,0 Gęstość nasypowa kg/m3 1500 1300-1700
Zamawiający podaje zwykle wymagania dotyczące dystrybucji ziaren, w postaci tej pokazanej w Tabeli 63. Piasek powinien być przesiany, a nie kruszony. Dostawy miesięczne takiego piasku do elektrowni wynoszą ok 2500 Mg. Pojemność magazynowa piasku to dwa zbiorniki o objętości 150 m3 każdy.
Tabela 63. Dystrybucja wielkości ziaren dla kotła fluidalnego w EC Połaniec.
100% µm < 600
75% μm < 250
50% µm < 180
25% μm < 130
100% µm > 40
Nawet jeśli piasek odpowiada wymaganemu zakresowi wielkości, przez cały okres pracy kotła ziarna piasku zostaną zastąpione ziarna popiołu wytwarzanymi z paliwa. Taka sytuacja ma miejsce w przypadku spalania węgla o znacznej zawartości popiołu, ale ulega ona zasadniczej zmianie kiedy jako paliwo stosowana jest biomasa o niewielkiej zawartości popiołu. W takich sytuacjach wymagane jest stałe dozowanie piasku bądź częste jego uzupełnianie. Ilustruje to Rys. 21, na którym linią ciągłą zaznaczono wymagany przez
143
dostawcę rozkład ziarnowy materiału warstwy fluidalnej. Średnia średnica takiego materiału dla prawidłowej pracy kotła fluidalnego winna się mieścić w zakresie 150-200 µm. Jak widać, zarówno popiół pochodzący ze spalania węgla i biomasy nie uzupełnia tego materiału. Również dostarczany pasek mieści się poza tym zakresem, co wskazuje na niewłaściwy jego dobór jakościowy i nieprawidłowe zarządzanie jego dostawami.
Tak więc dobranie wielkości ziaren piasku jest bardzo istotne dla bezawaryjnej pracy fluidalnego kotła na biomasę. Niepewność utrzymania właściwej granulacji może doprowadzić do gromadzenia nadmiernych cząstek w komorze spalania. Gdy nagromadzą się ziarna o dużych rozmiarach, należy wówczas odprowadzić je z komory poprzez system wyprowadzania popiołu z dna komory paleniskowej. Mniejsze ziarna piasku mogą być wywiane z paleniska co pogarsza wymianę ciepła w komorze i może prowadzić do niepożądanego wzrostu temperatury.
Rys.21. Rozkłady ziarnowe materiałów dostarczanych do kotła [materiał własny].
Zarządzając dostawami biomasy należy również zwrócić uwagę na jakość jej dostaw bowiem w jej składzie może pojawić się piasek i kamienie, co obrazuje Rys. 22. Zakontraktowana wartość popiołu powinna wynosić 5%, a tymczasem dostarczano biomasę zabrudzoną o wartościach znacznie przekraczających wartość kontraktową. Taki stan powoduje poważne zakłócenia w pracy nie tylko kotła, ale układy dozowania biomasy powodując silne zużycie erozyjne elementów układu i częste ich wymiany.
144
Rys. 22. Przykład dostaw biomasy zabrudzonej piaskiem i kamieniami [materiał własny, punkty na
wykresie oznaczają dostawy biomasy].
Bardzo duży wpływ na rozkład ziarnowy materiału warstwy ma zdolność do rozpadania i ścierania się popiołu i sorbentu. W przypadku spalania biomasy o niskiej zawartości popiołu materiał warstwy fluidalnej będzie głównie utworzony przez piasek podawany do kotła razem z paliwem. Na Rys. 23 pokazano zalecane przez producenta kotła rozkłady ziaren piasku oraz sorbentu (kamienia wapiennego – limestone). Na rysunku tym widoczny jest również rzeczywisty rozkład ziaren piasku, który znacznie odbiega od zalecanego. Wynika z tego, że ewentualne problemy ruchowe kotła w przypadku podawania biomasy mogą być niewłaściwym rozkładem piasku, który jest zbyt gruby. Na rozkład ziaren materiału tworzącego warstwę może wpływać popiół pochodzący ze spalania biomasy. Rozkład ziaren popiołu pochodzącego ze spalania drewna pokazano na Rys. 24.
145
Rys.24. Rozkład ziaren popiołu pochodzącego ze spalania drewna [badania własne].
Popiół jest bardzo drobny, a gdy zostanie poddany burzliwemu ruchowi w przestrzeni komory paleniskowej ulegnie dalszemu rozdrobnieniu w wyniku ścierania i wtórnej fragmentacji. Tak drobny materiał będzie wynoszony z komory paleniskowej, nie będzie tworzył materiału cyrkulującego w kotle fluidalnym. To piasek podawany wspólnie z biomasą będzie decydował o właściwym (bądź niewłaściwym) rozkładzie ziaren i temperaturze w komorze paleniskowej, zwłaszcza że materiał ten jest znacznie grubszy niż ten pokazany na Rys. 25. Wynika to z rodzaju paleniska fluidalnego. W tym przypadku przedstawiony układ technologiczny dotyczy paleniska z tzw., warstwą pęcherzykową, gdzie wymagane są znacznie grubsze ziarna piasku. Rys. 25 dotyczy natomiast palenisk z warstwą cyrkulacyjną, gdzie średnia średnica piasku wynosi ok 200 μm. Wynika stąd, iż zaopatrzenie kotła fluidalnego opalanego biomasą w materiał inertny (piasek) winno uwzględniać charakter procesu spalania. Drobniejszy piasek będzie wymagany dla kotłów fluidalnych z warstwą cyrkulacyjną.
Podobny przypadek pokazano na Rys. 25. Dotyczy on dostaw piasku do kotła fluidalnego opalanego 100% biomasą. Zalecany przedział rozkładu ziarnowego zaznaczono linią niebieską. Jak widać, dostarczano piasek o rozkładzie odbiegającym od zalecanego i wszystkie krzywe mieściły się poniżej rozkładu zalecanego.
146
Rys. 25. Przykład niewłaściwego zarządzania dostawami piasku do kotła fluidalnego [materiał
własny].
Na Rys. 25 zestawiono również zalecane przez producenta kotła fluidalnego, graniczne parametry rozkładu ziarnowego materiału warstwy. Jak widać, rzeczywiste krzywe rozkładu ziarnowego piasku mieszczą się poniżej zakresu zalecanego przez producenta kotła co świadczy o niewłaściwym doborze piasku przez elektrociepłownię.
5.1. Analiza jakości materiału inertnego (piasku) na pracę elektrociepłowni
Analizując zestawione dane można zaobserwować, iż piasek dodawany do kotła częściowo nie mieścił się w zakresie zalecanym, zawierając zbyt dużo materiału grubego. Z kolei analiza materiału warstwy wykazała, iż materiale cyrkulującym w kotle występuje nadmiar frakcji drobnych (Rys. 26).Można zaobserwować wyraźne przesunięcie krzywej odnoszącej się do dodawanego piasku, w stosunku do krzywej reprezentującej rozkład ziarnowy materiału warstwy, w szczególności pomiędzy wartościami sumy odsiewów 10 – 70%. Dane zestawione na rysunku sugerują, iż dodawany piasek o rozmiarze ok. 200 µm ulega ścieraniu, tak że średnica ziarna zmniejsza się o ok. 70 μm, natomiast ziarna o rozmiarze 400 µm ulegają ścieraniu o ponad 100 µm. Na podstawie zgromadzonych danych można tylko częściowo wytłumaczyć procesy erozji
147
niewłaściwym rozkładem ziarnowym piasku. Nadmiar materiału grubego ma wpływ na intensyfikację procesów erozji. Co prawda podawany materiał jest częściowo zbyt gruby, jednakże materiał cyrkulujący w komorze paleniskowej, na skutek ścierania, jest z kolei zbyt drobny w stosunku do wartości projektowych.
W następnej kolejności porównano projektowy skład chemiczny piasku, z rzeczywistym składem chemicznym materiału warstwy. Wyniki tego porównania zestawiono na Rys. 27. Wartości projektowe przedstawiono słupkami w kolorze zielonym i czerwonym, opisanymi Min i Max, natomiast rzeczywisty skład chemiczny przedstawiono za pomocą słupków niebieskich.
Rys. 26. Analiza rozkładu ziarnowego piasku i materiału warstwy
148
Można zaobserwować, iż odnośnie najważniejszego składnika materiału warstwy (SiO2) wymagania projektowe zostały spełnione. Na uwagę zasługuje zbyt niska zawartość Al2O3 w stosunku do wartości projektowej (2,54%mas. w stosunku do zalecanego zakresu 6 – 15 %mas.), jak również zbyt wysoka zawartość CaO (5,64 %mas. w stosunku do zalecanych 0,3 – 2,5 %mas.; oś rzędnych nie została oznaczona z uwagi na tajemnice handlowe).
5.2. Symulacje modelowe zarządzaniem materiałem uzupełniającym
(piasek) dostawy biomasy niezbędnym dla prawidłowej pracy bloku
energetycznego
Zarządzaniem materiałem uzupełniającym (piasek) dostawy biomasy niezbędnym dla prawidłowej pracy bloku energetycznego wymaga dostarczania do użytkownika kotła piasku o odpowiedniej granulacji określanej rozkładem ziarnowym. W przypadku używania piasku jako materiału inertnego należy używać ziaren o odpowiednim rozkładzie ziarnowym. Zwykle producenci kotła dostarczają specyfikację takiego materiału. Cząstki te mają zasadniczo okrągły kształt, ale mogą pojawiać się ziarna kanciaste, które mogą wzmagać zjawisko erozji powierzchni w komorze kotła.
Wyznaczenie rozkładu ziarnowego polega na rozdziale materiału (piasku) na frakcje zawierające ziarna o różniej wielkości, poprzez przesiewanie przez zestaw sit, w wyniku czego ziarna o odpowiednich średnicach pozostają na kolejnych sitach (o coraz mniejszych oczkach). Po zważeniu poszczególnych klas ziarnowe określa się ile procent materiału pozostało na każdym sicie w stosunku do całości materiału. Krzywa składu ziarnowego polega na graficznym przedstawienie uziarnienia. Wyznaczana jest na podstawie wykonanej wcześniej analizy sitowej, której wyniki nanoszone są na specjalną siatkę półlogarytmiczną. W wyniku tej operacji otrzymuje się ciągłą krzywą uziarnienia dla piasku.
Badanie geometrycznych właściwości materiałów: Część 1 : Oznaczanie składu ziarnowego. Metoda przesiewania określa norma PN EN 933- 1.
Zamawiając dostawy piasku do kotła fluidalnego należy przestrzegać rozkładów ziarnowych zalecanych przez producenta kotła. Rozkład ziarnowy piasku winien spełniać następujące wymagania:
100% poniżej 600 m, 75% poniżej 250 m, 50% poniżej 180 m,
149 25% poniżej 130 m.
Przykładowe rozkłady ziarnowe piasku dostarczanego dla elektrociepłowni Fortum pokazano na Rys. 28.
Rys. 28. Rozkład ziarnowy piasku dostarczanego do elektrociepłowni Fortum [materiał własny].
Utrzymanie prawidłowych osiągów kotłów cyrkulacyjnych wymaga przeciwdziałania znacznym wahaniom temperatury w komorze paleniskowej oraz nierównomiernościom w rozkładzie temperatur wzdłuż wysokości komory paleniskowej. Można na to wpływać poprzez m.in. dostarczanie do komory paleniskowej piasku o wymaganych rozkładzie ziarnowym zalecanym przez producenta kotła. Z całą odpowiedzialnością można wysunąć tezę, że odpowiedni dobór materiału inertnego (piasku) ma kluczowe znaczenie dla pracy kotła
cyrkulacyjnego opalanego biomasą, dlatego powinien być uwzględniany w modelu logistycznym i traktowany jako czynnik kluczowy w zarządzaniu procesem.
150
5.3. Opis modelu i wyniki z symulacji
Symulacje modelowe zarządzania dostawami piasku i jego wpływu na eksploatacje przykładowego bloku fluidalnego opalanego biomasą prowadzono wykorzystując oprogramowanie CFD Ansys. Zarówno temperatury jak i prędkości gazu wybrano jako typowe dla tej klasy kotłów tzn., temperaturę warstwy fluidalnej na poziomie 850 oC, a prędkość 5 m/s. Wpływ rozkładu ziarnowego piasku na strukturę wewnątrz komory paleniskowej kotła CFB pokazano graficznie na Rys. 29. Obliczenia prowadzono dla trzech przypadków:
1. piasek o zalecanym rozkładzie ziarnowym ze średnią średnicą ziaren wynoszącą 200 m,
2. piasek o średniej średnicy ziaren 350 m, czyli niewiele ponad rozkład zalecany, 3. piasek gruby o średniej średnicy wynoszącej 750 m.
Taki dobór piasku wynikał z jego dostępności na rynku dostaw.
152 Piasek – frakcja 350 m
153
Piasek – frakcja 700 m (takie średnice ziaren są typowe dla kotłów z warstwą pęcherzykową, natomiast nie mogą być stosowane w kotłach z cyrkulacyjną warstwą fluidalną; są zbyt grube).
Rys. 29. Symulacje numeryczne rozkładu gęstości materiału wypełniającego komorę kotła
154
Z przedstawionych symulacji numerycznych wyraźnie widać, iż w przypadku dostaw piasku 700 m można zaobserwować zjawisko segregacji materiału w komorze, tzn., grube ziarna pisaku gromadzą się w dolnej części komory paleniskowej. Taka segregacja prowadzi do niepożądanego wzrostu temperatury i poważnych problemów eksploatacyjnych, które najczęściej kończą się poważną awarią kotła. Użytkownik kotła nie powinien nigdy akceptować dostaw takiego piasku, a jego potencjalna akceptacja świadczy o niezrozumieniu zjawisk fluidyzacji.
1. Utrzymanie prawidłowych osiągów kotłów cyrkulacyjnych wymaga przeciwdziałania znacznym wahaniom temperatury w komorze paleniskowej oraz nierównomiernościom w rozkładzie temperatur wzdłuż wysokości komory paleniskowej. O rozkładzie tym decyduje w przypadku spalania drewna rozkład ziaren materiału inertnego (piasku). 2. Dostawy zbyt grubego piasku mogą prowadzić do poważnych problemów
eksploatacyjnych kotła opalanego biomasą.
3. Popiół pochodzące ze spalania biomasy jest drobny i nie ma znaczenia na tworzenie materiału warstwy fluidalnej. Stąd konieczność uzupełniania komory paleniskowej piaskiem o właściwym rozkładzie ziarnowy.
155