Wpływ szczelności komory paleniskowej kotła na skuteczność pierwotnych metod denitracji spalin

M arek PRONOBIS

WPŁYW SZCZELNOŚCI KOMORY PALENISKOWEJ KOTLA NA SKUTECZNOŚĆ PIERWOTNYCH METOD DENITRACJI SPALIN

S tr e sz c z e n ie . Przedstaw iono wpływ szczelności komory palenisko­

wej kotła n a możliwości zastosow ania pierw otnych m etod denitracji spalin kotłowych. Stwierdzono, że nieszczelność kom ory znacznie ogra­

nicza możliwości redukcji tlenków azotu, n a to m ia st zastosowanie su ­ szenia węgla powietrzem zm ieszanym ze spalinam i możliwości te zwię­

ksza.

THE INFLUENCE OF COM BUSTION CHAMBER TIGHTNESS ON

T H F . EFFICIENCY OF PRIMARY METHODS OF NO x REDUCTION

Sum m ary. The pap er discusses th e influence of th e furnace tig h t­

ness on th e efficiency of NOx reduction by m eans of p rim ary methods.

U ncontrolled air-flow s caused by the lack of tig h tn ess in th e furnace can bring about an increase of NOx production. The application of flue gas and air m ixture as a drying medium in th e pulverizers can decrease th e production of NOx.

EIN FLU ß D ER BRENNKAM M ERDICHTHEIT AU F DIE EFFEKTIVITÄT VON PRIM ÄREN METHODEN DER STICKOXIDMINDERUNG

Z u sam m en fa ssu n g . Der Z usam m enhang zwischen der K esselbren­

n k am m erd ich theit und der W irksam keit von prim ären M aßnahm en der Stickoxidm inderung w urde gezeigt. Die F alschluftström ung kann das NOx - E n tste h e n verstärk en , w ährend die E inführu ng des R auch­

g a s - Luft Gemisches als T rocknungsm ittel in den M ühlen k a n n die Em ission verm indern.

1. W STĘP

Ilość tlenków azotu em itow anych przez kocioł zależy głównie od charakte­

rystyki paliw a, typu paleniska, determ inującego poziom tem p e ra tu r w komo­

rze oraz koncentracji tle n u w początkowym odcin k u płomienia.

Obniżenie emisji NOx uzyskać m ożna albo poprzez m etody pierwotne, pole­

gające n a ograniczeniu pow staw ania tlenków azotu w palenisku, albo tez stosując m etody w tórne, czyli oczyszczanie spalin opuszczających kocioł. Zna­

cznie niższe koszty powodują, że w pierw szym rzędzie stosuje się metody pierw otne, polegające n a utw orzeniu w kom orze strefy podstechiometryczne- go spalania, w której zachodzi odgazowanie i częściowe wypalenie paliwa.

Paliwo to je s t następ n ie dopalane w górnej części kom ory za pomocą dodatko­

wego pow ietrza doprowadzanego powyżej poziomu palników.

Z asada ta może być realizow ana n a k ilk a sposobów, z których najczęściej spotykany je s t system OFA (Over F ire Air) [1],

Zasadnicze w ym agania dla takiego sposobu sp alan ia są następujące:

— odgazowanie węgla m usi następow ać przy niskim ciśnieniu składniko­

wym 0 2 - rys. 1 i w wysokiej tem p eratu rze [2],

- płom ień bogatej w paliwo m ieszanki pierw otnej m usi zajmować możliwie dużą objętość, zaś pow ietrze dopalające nie może być doprowadzone zbyt wcześnie.

Rys. 1. Emisja NOx i CO w funkcji stosunku nadm iaru powietrza w palniku Fig. 1. NOx and CO emission as a function of the excess of air in the burner

Spełnienie powyższych w arunków m a zapewnić możliwość redukcji tle n ­ ków azotu powstałych w początkowej fazie spalania. Dodatkowo wym agany jest w aru nek , aby powietrze po odgazowaniu paliw a doprowadzane było do obszaru sp alan ia możliwie równom iernie, tak aby nie w ystąpiły lokalne n a d ­ m iary tlenu.

Konieczność precyzyjnego dostarczania określonych ilości pow ietrza do k onkretnych miejsc komory paleniskowej powoduje, że zasadniczego znacze­

nia n a b ie ra ograniczenie niekontrolowanych p rzyssań fałszywego pow ietrza w komorze.

2. ZASADY DOPROWADZANIA POWIETRZA DO KOMORY PALENISKOW EJ

System y spalan ia pozwalające n a obniżenie em isji NOx w ym agają znaczne­

go rozbudow ania instalacji doprowadzenia powietrza w stosu nk u do spotyka­

nej w klasycznym kotle pyłowym, gdzie w zasadzie w ystępuje tylko powietrze pierw otne i wtórne.

Spalanie niskoem isyjne wym aga dodatkowo rozdzielenia pow ietrza II na dwie lub trzy stru g i (dochodzi tzw powietrze rdzeniowe dopływające do wiru recyrkulacji w ew nętrznej w paln ik u i płaszczowe, doprow adzane poza począt­

kowym odcinkiem płomienia). Ponadto pojawiają się co najm niej dwa rodzaje pow ietrza dopalającego: powietrze górne (OFA) i dolne wprow adzane od stro ­ ny leja żużlowego. W szystkie wymienione rodzaje pow ietrza m uszą być dopro­

w adzane do kom ory paleniskowej w ściśle określonej proporcji.

B ilans pow ietrza doprowadzonego do komory paleniskowej kotła pyłowego przedstaw ia się następująco:

Vkpw = VpI + V pii + V pd + VpZ (1)

lub

^ k p w — ^ p l ^ p l l ^ p d ^ p z

gdzie przez V oznaczono ilości pow ietrza doprowadzanego w różny sposób do kom ory paleniskowej, n ato m iast jako X stosunki n a d m ia ru pow ietrza (sto­

sunki lokalnie doprowadzanej ilości powietrza do jego ilości teoretycznie po­

trzebnej do spalania). Użyte indeksy oznaczają:

- kpw - n a końcu komory paleniskowej, - p i - powietrze pierwotne,

- p il - powietrze wtórne, - pd - powietrze dodatkowe, - pz - przyssane zimne powietrze.

Zastosow anie sp alania niskoem isyjnego w kotle z szczelnymi ścianami m em branow ym i je s t ułatw ione, ponieważ p rzy ssania fałszywego powietrza są niew ielkie (A,pz = 0,03) i nie zakłócają przebiegu spalania. Znaczne problemy pow stają n ato m iast w przypadku zastosow ania pierw otnych m etod redukcji NOx w starszych kotłach, w których niedopuszczenie do niekontrolowanych p rzyssań pow ietrza je st praktycznie niemożliwe.

3. OCENA WPŁYWU PRZYSSAŃ ZIMNEGO POWIETRZA NA MOŻLIWOŚCI OGRANICZENIA E M ISJI NO

Z badań [1], [3] wynika, że stosunek n a d m ia ru pow ietrza w palniku Apai = kpi + kpn nie powinien przekraczać w artości stechiometrycznej. Jeżeli konstru kcja kotła um ożliwia zapew nienie atm osfery utleniającej w pobliżu ścian komory, co zabezpiecza przed korozją r u r ek ran u , korzystne (ze względu n a ograniczenie emisji NOx) je s t obniżenie kpai poniżej 1. Resztę, w stosunku do w artości kkpw, powinno stanow ić pow ietrze dopalające oraz zamykające bilans powietrze przyssane, którego ilość pow inna być możliwie najmniejsza.

Ilość pow ietrza pierwotnego je s t zdeterm inow ana przez w ym aganą wenty­

lację młynów i zależy od tego, czy czynnikiem suszącymi je s t tylko powietrze, czy też dosysane są dodatkowo spaliny. W tym drugim przypadku wartość 1 może być znacznie m niejsza, co zwiększa zakres regulacji proporcji poszcze­

gólnych składników A,kpw.

Problem nieszczelności kom ory paleniskowej ulega dalszem u zaostrzeniu przy spadku obciążenia kotła i jednoczesnym stosow aniu stałej lub niewiele zm ieniającej się ilości pow ietrza doprowadzanego do młynów (wentylacji mły­

nów). Przy zachow aniu w przybliżeniu stałego stosunku nad m iaru powietrza n a wylocie z kom ory paleniskowej silnie wówczas w zrasta udział powietrza pierwotnego, co prowadzi do pogorszenia pracy palników. W celu zachowania właściwego stopnia w ypalenia paliw a i u niknięcia zwiększonej emisji CO konieczne je s t w tedy prow adzenie ko tła przy większym nadm iarze powietrza w komorze, czego konsekw encją je s t w zrost emisji tlenków azotu.

Zjawisko to ujaw nia się ze szczególną ostrością, kiedy kocioł wyposażony je s t w m ałą liczbę młynów, co ogranicza możliwość kolejnego ich wyłączania w m iarę spadku obciążenia kotła. Sytuację pogarsza fakt, że ilość powietrza przyssanego do kom ory w zasadzie nie zm ienia się z obciążeniem, a tym sam ym udział tego pow ietrza w m iarę spad ku obciążenia kotła w zrasta.

Jeżeli przyssanie w ystępuje w obszarze palników, to w zrasta em isja N0X.

Jeżeli przyssanie n astęp uje powyżej p a sa palników i częściowo poprzez lej żużlowy, to m ożna uważać, że pow ietrze przyssane zastępuje powietrze dodat­

kowe, tym bardziej że skuteczność denitracji i jakość spalan ia w zasadzie nie zależą od te m p e ra tu ry tego pow ietrza [1].

T a b lic a 1 P o r ó w n a n ie p r o p o r c ji s k ła d n ik ó w b ila n s u p o w ie tr z a d o p r o w a d z o n e g o d o k o m o ry

p a le n is k o w e j w r ó ż n y c h s y t u a c j a c h

A7j 1 2 ^{3 4 5}

7kpv.’ 1,15 1,15 1,15 1,15 1,35

A7pz 0,03 0,03 0,3 0,3 0,4

Ai.pi 0,3 0,2 ^0,3 0,2 ^0,4

ATpii 0,6 0,6 ^0,55 0,6 ^0,55

AApd 0,22 ^0,32 0 ^0,05 0

1 - kocioł z ścianam i szczelnymi, suszenie węgla powietrzem ,

2 - kocioł z ścianam i szczelnymi, suszenie węgla pow ietrzem i spalinam i, 3 - kocioł rozszczelniony, suszenie węgla powietrzem ,

4 — kocioł rozszczelniony, suszenie węgla powietrzem i spalinam i, 5 — kocioł rozszczelniony, suszenie węgla powietrzem , niskie obciążenie.

4. W NIOSKI

1. Nieszczelności komory paleniskowej w ystępujące często w kotłach nie po­

siadających ścian m embranowych, prowadzą do w zrostu ilości przyssanego zim nego pow ietrza, co poważnie utru d n ia w prow adzenie w kotle pierw ot­

nych m etod denitracji spalin.

2. W arunkiem koniecznym powodzenia m odernizacji polegającej n a zabudo­

w an iu palników niskoem isyjnych jest właściwe uszczelnienie komory pale­

niskowej kotła. Najkorzystniejszym , choć kosztow nym rozw iązaniem jest w tym przypadku zastosowanie ścian m em branow ych.

3. Suszenie węgla m ieszaniną spalin i powietrza popraw ia proporcje poszcze­

gólnych składników pow ietrza doprowadzonego do komory sp alania kotła.

4. N egatyw ny wpływ nieszczelności komory paleniskowej n a emisję tlenków azotu w zrasta w m iarę spadku obciążenia kotła, szczególnie gdy młyny prowadzone są przy stałej wentylacji.

LITERATURA

[1] Petzei H. K., Scholl G., Tigges K. D.: M odernste V erbrennungstech­

nologie zur Prim ärreduzieru n g von NOx. VGB K raftw erkstechnik 73 (1993), H. 3, s. 231-237.

[2] Dobrozemski J., Noskievic P.: Spalanie paliw a pow staw anie substancji szkodliwych. M ateriały VI Konferencji Kotłowej Szczyrk 1990, Zeszyty Naukowe Pol. Śl., seria Energetyka, z. 113, Gliwice 1990, ss. 519—527.

[3] Bos H. G.: P rim ary m easures for NOx reduction. Euro Courses-Ispra

„Sulfur dioxide a n d N itrogen oxides in in d u stria l w aste gases”. 3-7 Sept.

1990.

A b stract

To achieve appropriate flam e characteristics by low NOx combustion, in coal fired boilers, th e combustion a ir m u st be divided into a few streams.

Commonly, it is th e p rim ary and secondary a ir in th e b u rn ers and the over fire a ir w hich is n ecessary for a completion of th e combustion. There are other a ir - injection points (boundary and un d erfire air), w hich minimize the products of incom plete combustion and corrosion. All th e kinds of air should be introduced to th e boiler in strictly controlled am ounts.

U ncontrolled air-flow s caused by th e lack of tig h tn ess in the furnace can bring about an increase of NOx production. This situation is especially p rev alen t w hen th e load of th e boiler is low and th e a ir flow of pulverizers is constant. Even after replacem ent of th e c u rre n t b u rn ers w ith th e low-NOx b urn ers, th e em issions can be high. The application of flue gas and air m ixture as a drying m edium in th e pulverizers can decrease th e production of NOx. This along w ith th e tig hten in g of th e p eripheral walls will make it possible to m eet th e em ission norms.