Wojciech NOWAK, W aldem ar MUSKAŁA
In sty tu t Inżynierii Środowiska, Politechnika Częstochowska
EKOLOGICZNIE CZYSTE SPALANIE WĘGLA
W CYRKU LACYJNEJ WARSTWIE FLUIDALNEJ TYPU MSFB
S tr esz c z en ie . W pracy przedstaw iono m ateriały z doświadczeń pro
wadzonych w w arstw ie fluidalnej typu m ultisolid (MSFB). Pokazano stanow isko badawcze oraz w ybrane wyniki doświadczeń w skali labora
toryjnej. N a zakończenie zaprezentow ano dane dotyczące emisji SOx i NOx w kotle przemysłowym ty p u MSFB.
THE PROCESS OF ECOLOGICALLY CLEAN COMBUSTION OF COAL IN THE CIRCULATING FLUIDIZED BED (MSFB)
Sum m ary. The paper is presen ted as a m aterial w hich is derived from th e experim ental studies carried out in a M ulti-Solid Fluidized Bed (MSFB). The combustion te s t stan d and th e selected resu lts of th e experim ents are presented. Finally, th e em ission d a ta from comercial scale MSFB boilers are presented.
3K0JI0TMRECKH RMCTOE OKHTAHHE YTJIR B IfHPKyJIÍHfMOHHblM KMIMIIIHM CJIOE THILA MCOB
Pe3K)Me. B padoTe rrpeącTaBJieHo MaTepnajiH axcnepnMeHTOB, npoH3BOflHMux B cj)jnoH/i,ajibHOM cjioe rana (MCOB). IIpeącTaBaeHO onHTHyio ycTaHOBKy h H3dpaHHue p e 3 y jih T a T f ,i o i t h t o b b jiadopaTopHOM Macnrrade. B 3aKjnoaeHHH npeącTaBneHO ąaHHHe xacaromnecsi s m h c c h h
3arpH3HeHHH nojiyaeHHHx b npoMHinjieHHOM KOTjie rana MCOB.
W STĘP
Jednym z głównych problemów związanych ze spalaniem paliw stałych je s t ograniczenie do m inim um emisji do atm osfery głównie związków NOx, S 0 2, N20 , CO itd. przy jednoczesnej produkcji użytecznych odpadów stałych, ta
216 Wojciech Nowak, W aldemar Muskała
kich ja k popiół, zu ży ty sorbent itd. Do „czystych” technologii utylizacji paliw stałych należą atmosferyczne i ciśnieniowe kotły z paleniskam i z warstwą fluidalną typu FB i PFB, ja k również kotły z paleniskam i z w arstw ą cyrkula- cyjną typu CFB i PCFB. Wymienione kotły w zasadzie spełniają wymagania dotyczące ochrony środowiska, jed n a k względy ruchowe (dopuszczalny zakres zm ian obciążenia), ja k również ostre w ym agania w zakresie dopuszczalnych wielkości ziaren paliw a spalanego w tych kotłach pozw alają przypuszczać, że bardziej atrakcyjna je s t tzw. technologia M ulti-Solid Fluidized Bed (MSFB), opracowana i zastosow ana w Japonii [ 1 - 4 ] . Technologia ta , posiadająca zalety cyrkulacyjnej w arstw y fluidalnej, pozwala rozszerzyć skład frakcyjny ziaren paliw a podawanego do paleniska, ja k również zwiększyć zakres zmian obciążenia kotła. MSFB je s t w arstw ą cyrkulacyjną posiadającą w swej dolnej części fazę gęstą złożoną głównie z kulek ceramicznych o rozm iarach 10 - 15 mm. Kulki te fluidyzowane powietrzem doprowadzonym do komory paleni
skowej pod ru sz t stanow ią stabilizator procesu spalania, zwiększając jedno
cześnie czas pobytu drobnych ziaren paliw a w komorze paleniskowej. Ponadto faza gęsta sprzyja rozdrabnianiu ziaren węgla wprowadzonych do paleniska, dzięki czemu mogą one sięgać rozm iarów do 50 mm. Schem at ideowy kotła z cyrkulacyjną w arstw ą fluidalną typu MSFB przedstaw iono n a rysunku 1. Na rysu nku 2 dokonano porównania param etrów pracy kotłów fluidalnych typu FB, CFB i MSFB.
Z porów nania tego wynika, że w kotłach typu MSFB istnieje możliwość zm iany obciążenia w granicach 1 : 3 , podczas gdy w pozostałych dwu tylko w granicach 1 : 2 . Możliwość kontroli w arunków spalan ia oraz tworzenia i destrukcji szkodliwych dla otoczenia gazów NOx, N 20 i S 0 2 pozwala w kotłach MSFB obniżyć ich emisję podczas utylizacji różnych paliw, ja k również odpa
dów przemysłowych i miejskich. N a ry su n k u 3 przedstaw iono zależność mię
dzy tem p e ra tu rą panującą w komorze sp alan ia a wydajnością kotła dla dwu rodzajów kotłów: dla kotła typu MSFB z zew nętrznym w ym iennikiem ciepła oraz dla kotła typu CFB bez zewnętrznego w ym iennika ciepła.
J a k w ynika z ry sun ku 3, tem p e ra tu ra w komorze paleniskowej kotła typu MSFB z zewnętrznym wym iennikiem ciepła może być niezm ienna przy obni
żeniu jego wydajności do około 35% wydajności nom inalnej, czego nie można uzyskać w innych konstrukcjach kotłów fluidalnych. Podstawowe cechy kot
łów z paleniskam i typu MSFB zestawiono poniżej:
- u tw o r z e n ie fa zy gęstej w dolnej c z ę ś c i k o m ory p a le n isk o w e j Zwiększenie czasu pobytu drobnych ziaren paliw a w komorze palenisko
wej. Możliwość rozdrobnienia grubych ziaren paliwa. Stabilizacja w arun
ków spalania. W zrost sprawności spalania. Obniżenie em isji NOx. Wzrost sprawności odsiarczania. Możliwość spalania różnych rodzajów paliw za
wierających dużo wilgoci i popiołu, ja k również odpadów komunalnych
C yrkulujące zia rn a : popiół, k am ień w apien ny, drobne ziarn a w ęgla rozm iar ziaren - 3 0 0 urn g ę s to ść ziaren - 2 6 0 0 k g /m 1 M asow y stru m ień ziaren : 5 - 15 k g /m a s
W arstw a g ę s ta : k u lk i ceram iczn e
rozm iar kulek - 10 - 15 m m g ę s to ść kulek - 3 4 0 0 k g /m 1
V *z e w n ę trz n y L w y m ie n n ik p o w ietrze
w tó r n e ) p f - " • '" ." “ V "
= 0 \ / I I cleP)a
I—*~n
3 [ z b io rn ik z ia re n g o rą c y c h M S F B
*0 g o rą c y L- /.aw ńry l p o w ie trz e “ “ " " y L' *a w ń r p ie rw o tn e
Rys. 1. Koncepcja k otła typu MSFB Fig. 1. MSFB boiler concept
i przemysłowych. Możliwość utylizacji paliw a o rozm iarach ziaren do 50 mm.
w y m ia n a c ie p ła i p r o c e s sp a la n ia są o d d z ie lo n e od s ie b ie
Wysokie współczynniki wym iany ciepła w zew nętrznym reaktorze fluidal
nym. Zm niejszenie erozji i korozji r u r wymienników. Możliwość szybkiego odstaw ienia i ponownego uruchom ienia kotła, ja k również szybkiego dosto
sow ania w arunków pracy do w ym agań (obciążenia). W ym agany je st spraw nie działający uk ład autom atycznej regulacji kotła,
k o n tr o la tem p e r a tu ry w k o m o rze p o p rzez z m ia n ę k o n c e n tr a cji Zapewnienie niezm iennej te m p e ra tu ry komory w szerokim zakresie zm ian obciążenia kotła. Duża skuteczność redukcji NOx dzięki stabilnem u spala-
F aza rozrzedzona
F aza g ę sta z d u ż y ch zia re n
218 Wojciech Nowak, W aldemar Muskała
gaz
wysokość strefy spalania Prędkość
warstwa pęcherzykowa
3 - 6 2.5 Nadmiar powietrza
[%]
Stosunek Ca/S
W ielkość ziaren paliwa [mm]
Zmiana obciążenia Sprawność spalania
[%]
20 - 25
3 : 1
0 • 5 2 : 1
90 300-400
80-90
warstwa cyrkulacyjna
9 - 18 4.5 - 6
10 - 20
2 : 1
0 - 10
2 : 1
99 20 - 100
90 <
warstwa typu MSFB
9 - 18 5 - 10
10 - 20
2 : 1
0 - 50 3 : 1
99 50 - 100
90 <
Emisja N O , [ppm]
Emisja SO , [ppm]
Rys. 2. Porównanie w arunków pracy kotłów z p aleniskam i fluidyzacyjnymi Fig. 2. Com parison of operating conditions betw een fluidized bed boilers
niu i utrzym yw aniu na stosunkowo niskim poziomie tem p e ra tu ry procesu.
Obniżenie emisji N 20 do atmosfery.
k o n tr o la k o n c e n tr a cji z ia r e n w k o m o rze p o p rzez ic h recyrk u lację Niezależna od tem p eratu ry i zawartości 0 2 kontrola koncentracji ziaren.
Wysoka sprawność odsiarczania przy zmniejszonym stosunku Ca/S. Przy
stosowanie do spalania różnych paliw i odpadów.
1000
u
w
<3
* a ciu Ł
E
HV
900 -
palenisko typu MSFB z zew nętrznym wym iennikiem
dół w arstw y 1 wylot
dól
800 -
700
600
palenisko typu CFB
bez zewnętrznego w ym iennika wylot z kolumny
500
20 40 60 80
Obciążenie kotła {%]
100
Rys. 3. T em p eratu ra sp alan ia dla dwu różnych typów p alen isk fluidyzacyjnych w funkcji obciążenia kotła
Fig. 3. Com bustion te m p eratu rę for two operating procedurs for boiler load reduction
2. STANOWISKO DOŚWIADCZALNE
Schem at stanow iska doświadczalnego przedstaw iono n a ry su n k u 4. N a ry su n ku 5 pokazano schem at komory sp alania z zaznaczeniem miejsc wpro
w adzenia sond pomiarowych, ja k również punktów w prow adzenia powietrza pierwotnego, pow ietrza wtórnego oraz paliw a i ziaren recyrkulujących. Roz
mieszczenie sond pozwalało dokonywać pomiarów tem p e ra tu r, ciśnień, kon
centracji ziaren, ja k również zaw artości części palnych i składu granulom e- trycznego. Ponadto wykonywano b ad an ia składu spalin n a wylocie z komory.
U kład zaopatrzony był w zew nętrzny w ym iennik ciepła z pęcherzową w a r
stw ą fluidalną. Pod ru sz t doprowadzano powietrze pierw otne, którego pręd
kość w dolnej części komory w trakcie badań była rów na 6 - 9 m/s. Doświad
czalny kocioł wyposażony był w u k ład autom atycznej regulacji oraz układ zbierania danych. Komora spalan ia w ykonana była w postaci dwu cylindrów;
cylindra dolnego (pierwszej sekcji) o średnicy w ew nętrznej 0,15 m i długości
2 2 0 Wojciech Nowak, W aldemar Muskała
1.8 m oraz cylindra górnego (drugiej sekcji) o średnicy w ew nętrznej 0,25 m i długości 12,2 m. W szystkie ściany komory spalania wykonano z materiału żaroodpornego. W komorze spalania utrzym yw ano ciśnienie zbliżone do atmo
sferycznego. Powietrze pierwotne wprowadzano do komory od dołu, a powie
trze transportujące w punkcie n r 2 n a rys. 5, w odległości 0,25 m ponad punktem doprowadzenia paliwa.
Powietrze transportujące recyrkulujące ziarn a było doprowadzone stycznie z prędkością około 25 m/s. Ponad strefą doprowadzenia recyrkulujących zia
ren w raz z powietrzem transportującym prędkość gazu w komorze spalania była równa około 9 m/s. W miejscu rozszerzania się komory, n a wysokości 1.8 m od dystrybutora, prędkość gazu w komorze spadała do około 4 m/s. Po wprowadzeniu pow ietrza wtórnego, n a wysokości 2,05 m, prędkość gazu w komorze spalania w zrastała do około 9 m/s. T em p eratu ra w komorze spalania utrzym yw ana była n a poziomie 750 - 800°C. Stosunkowo n isk a i stabilna tem p e ra tu ra w komrze paleniskowej sprzyjała niskiej emisji NOx i S 0 2.
2. Cyklon
3. Z biornik z ia re n g orących
4. Z ew n ę trz n y w ym iennik ciepła
5. P odajnik ślim akow y 6. R u ra w zn o sz ąc a 7. P aln ik rozpałow y 8. D m u ch a w a 9. Podajnik paliw a 10. Podajnik k a m ie n ia
w ap ie n n eg o 11. Z a su w a kulow a 12. Pom pa w o d n a 13. S e p a ra to r p ary 14. P aro w n ik 15. F iltr tk a n in o w y
Rys. 4. Schem at pilotowego k otła z paleniskiem cyrkulacyjnym typu MSFB Fig. 4. The schem atic diagram of th e pilot - p la n t MSFB com bustor
3. WYNIKI BADAN
Możliwość recyrkulacji ziaren oraz schładzania części ich stru m ien ia w zewnętrznym reaktorze fluidyzacyjnym, z którego do re a k to ra sp alan ia moż
na doprowadzać odpowiednie strum ien ie ziaren gorących i wychłodzonych, pozwala skutecznie regulo
wać tem p e ra tu rę komory paleniskowej, ja k również utrzym ywać ją n a założo
nym poziomie. Pozwala to także uzyskać m inim alne gradienty tem p e ra tu r w ko
morze paleniskowej. N a ry sunku 6 przedstaw iono ty powy rozkład tem p e ra tu r wzdłuż wysokości komory paleniskowej typu MSFB przy różnych prędkościach gazu.
Tylko w dolnej, przyru- sztowej strefie występuje gradient tem p eratury , pod
czas gdy w pozostałej części komory paleniskowej tem p e ra tu ra utrzym yw ana je s t na niezm iennym poziomie, niezależnym od prędkości przepływającego gazu. N a rysunku 7 przedstaw iono przykładowy wykres zm ian względnego ciśnienia przy różnych prędkościach prze
pływającego gazu. Wyniki te w skazują n a niew ielką różnicę spadku ciśnienia przy różnych prędkościach gazu. W ykresy zm ian ciś
nienia są typowe, jak ie uzy
skuje się przy przepływie gazu przez kolum nę z w ar
stwę cyrkulacyjną.
Rys. 5. Schem at lokalizacji u k ła d u poboru próbek Fig. 5. The schem atic diagram of th e location of the
sam pling probe
2 2 2 Wojciech Nowak, W aldemar Muskała
¡ 1
S f
$ ° J ¿2 o x
8 S i i
Tem peratura w arstw y [ 0 C ]
Rys. 6. Rozkład te m p eratu r w komorze paleniskowej Fig. 6. T em perature distribution im com bustor
Przystosowanie paleniska typu MSFB do spalania różnych paliw stawia na
stępujące wymagania:
- przystosowanie do spalania paliw o różnych zaw artościach wilgoci (tenden
cja do zróżnicowania tem p e ra tu r wzdłuż wysokości kom ory paleniskowej), - przystosowanie do spalania przy zm iennych w arunkach w ym iany ciepła i
m asy związanych ze zróżnicowaną zaw artością popiołu w paliwie,
- przystosowanie do spalania paliw o różnych zaw artościach części lotnych oraz bardzo zróżnicowanych wielkościach ziaren spalanego paliwa.
Pierwsze dwa p unkty są w kotle typu MSFB spełnione dzięki recyrkulacji gorącego i ochłodzonego strum ien ia ziaren, wyboru odpowiedniego stosunku tych strum ieni oraz stabilizacji procesu spalan ia spowodowanej istnieniem w dolnej części komory gęstej w arstw y ku lek ceramicznych o znacznej pojemno-
Paliwo ¡Antracyt O, [%J w spalinach 5 %
Uo 9. 6 nV*
— A— 7. 5
y 5. 4
U 0 : p rę d k o ś ć g a z u
V V b
,2 j $ £ L = = a » = i J l
0 0. 2 0. 4 0. 6 0. 8 l 70
Ap/Apb (Apb : spadek ciśnienia w całej komorze palenlskoeej)
Rys. 7. Rozkład ciśnienia w komorze paleniskowej Fig. 7. P ressu re d istribution in com bustor
1.2
ści cieplnej. Spełnieniu trzeciego wymogu służy rozdział ochłodzonego s tru m ienia recyrkuluj ących ziaren i doprowadzenie ich n a dwu różnych wysoko
ściach komory paleniskowej. Jed en ze stru m ieni doprowadzony je s t do dolnej części komory do gęstej w arstw y, drugi n ato m ia st w rozszerzoną przestrzeń komory paleniskowej, w której następuje spadek prędkości gazu. Pozwala to utrzym ać tem p e ra tu rę w komorze n a niezm iennym poziomie przy spalaniu różnych paliw, co m a szczególne znaczenie dla obniżenia emisji NOx. P rzykła
dowy w ykres zm ian tem p e ra tu ry w komorze paleniskowej przy sp alaniu róż
nych paliw w palenisku typu MSFB przedstaw iono n a ry sun ku 8.
Stwierdzono [5], że zm iana te m p e ra tu ry o 10°C powyżej tem p e ra tu ry 850°C w komorze paleniskowej powoduje w zrost stężenia 0 2 o około 1%, co prowadzi do w zrostu emisji NOx. Dlatego niezwykle w ażny je s t problem utrzym ania
224 Wojciech Nowak, W aldemar Muskała
Xf i v w X
■2 5 S g
¡ T l
Tem peratura w arstw y l ° C]
Rys. 8. Rozkład te m p eratu r w komorze paleniskowej dla różnych paliw Fig. 8. T em perature distribution in com bustor for various fuels
zawartości tle n u w komorze paleniskowej n a niskim poziomie odpowiednim dla rodzaju spalanego paliwa. Doświadczalną zależność przedstaw iającą emi
sję NOx oraz S 0 2 uzyskaną przy spalaniu a n tracy tu przedstaw iono n a rysun
ku 9. Spalanie w pierwszej strefie (w fazie gęstej), z niedom iarem powietrza, ogranicza znacznie tworzenie się NOx. E m isja NOx w czasie doświadczeń była niższa od 130 ppm, podczas gdy w kotłach konwencjonalnych sięga ona 200 - 350 ppm. Em isja S 0 2 przy stosunku Ca/S = 2,2 była niższa od 200 ppm przy sprawności odsiarczania wynoszącej 92%. B adania emisji S 0 2 oraz NOx pro
wadzono także n a przemysłowym kotle typu MSFB o wydajności 300 t/h pary.
Schem at tego kotła pokazano n a ry su n k u 10. N a ry sunku 11 przedstawiono dane dotyczące emisji NOx i S 0 2 uzyskane przy spalaniu w tym kotle węgli
bitumicznych (rys. 11A) oraz wysoko zasiarczonego oleju typu C-oil (rys. 11B.) przy różnych obciążeniach kotła. W kotłach typu MSFB przy obni
żeniu wydajności n aw et do 35% wydajności nom inalnej uzyskuje się emisję NOx n a poziomie nom inalnej wydajności kotła (około 50 ppm) przy spalaniu paliw stałych, oraz obniżenie emisji NOx przy sp alaniu paliw płynnych. Przy stosunku Ca/S < 1,5 spraw ność odsiarczania je s t nieco wyższa od 90%. Dane dotyczące emisji przedstaw iono poniżej:
Zanieczyszczenie paljwo
gw arantow ane bituilłlczny opalił! wy gaz
NOx [ppm] 130 50 96 18
S 0 2 [ppm] 150 100 100 0
pył [mg/m„] 30 1 2 < 10
J&
w rs
¡ i
o w X !>
(A t*
it
'«CO 2 V250
200
150
100
50
Paliwo ¡Antracyt
prędkość gazu : 9 m /sTemperatura w kolum nie : 850 °C
1 2 3 4 5 6
Oa [%]w spalinach
Rys. 9. Zależność między NOx, SO2 i O2
Fig. 9. C orrelation between NOx, SO2 and O2
Rys. 10. S chem at k otła z paleniskiem typu MSFB o wydajności pary 300 t/h Fig. 10. Schem atic diagram of th e 300 t/h MSFB boiler
A. W ęgiel bitum iczny Q,v = 39.4 M J/kg C'“' = 6 0 % V4" = 24.8 % Av = 15.2%
S ^ - O . S % Tl, = 90 .2 %
Obciążenie kotła (%]
B . Olej w ysoko zasiarczony Q,v = 4 2 .2 M J/kg
C " = 86.2%
H1*' = 10.9 % N4*' = 0.2%
r\k = 92.3%
Obciążenie kotła (% )
Rys. 11. E m isja NOx i SO2 w kotle z paleniskiem typu MSFB przy różnych obciążeniach:
a - dla w ęgla bitum icznego, b - dla oleju zasiarczonego
Fig. 11. MSFB boiler load vs NOx and SO2 em issions for various fuels: a - for bitum inous coal, b — for high su lfu r C-oil
PODSUMOWANIE
O pracowanie technologii sp alan ia paliw w kotłach typu MSFB je s t wyni
kiem kompleksowych b ad ań doświadczalnych oraz studiów teoretycznych do
tyczących fizycznych i chemicznych własności procesu. Bardzo ważnym za
gadnieniem było opanowanie techniki regulacji tem p e ra tu ry oraz gęstości złoża poprzez recyrkulację cząstek. B adania doświadczalne pozwoliły uzyskać dane do projektu i budowy instalacji przemysłowej ko tła typu MSFB o wydaj
ności 300 t/h pary. B adania tej instalacji dostarczą danych dotyczących eks
ploatacji oraz uściślą założenia projektowe. B rak je s t teoretycznych opraco
w ań pozwalających modelować spalanie w kotłach typu MSFB. N ależy przy
puszczać, że ta generacja kotłów pozwoli opanować problem y związane z utylizacją różnych paliw w kotłach energetycznych przy zachow aniu n a jb a r
dziej ostrych norm dotyczących ochrony środowiska.
228 Wojciech Nowak, W aldemar Muskała
LITERATURA
[1] Nowak W., M atsuda M., Kyu Kyu Win, H atasani M.: Proceedings of the 5th SCEJ Symposium on Circulating Fluidized Beds, Tokyo 1992, s. 93-100.
[2] W erther J., H artge J.E.U ., K rause M., Nowak W. i inni: Circulating Fluidized Bed Technology III, (Basu P., Horio M., H a sa ta n i M. (EDS.)), Pergam on Press, Oxford 1991, s. 589-593.
[3] Kyu Kyu Win, Nowak W., M atsuda H., H asatani M.: Proceedings of the 6th SCEJ Symposium on Circulating Fluidized Beds, Tokyo 1993, s. 91-98.
[4] Nowak W., M atsuda H., Kyu Kyu Win, H asatani M.: Proceedings of the 5th SC EJ Symposium on Circulating Fluidized Beds, Tokyo 1992, s. 69-76.
[5] Adams C.K.: C irculating Fluidized Bed Technology II, Pergam on Press, 1988, s. 229-306.
Recenzent: Prof. d r hab. inz. Tadeusz CHMIELNIAK
Wpłynęło do Redakcji 8.08. 1994 r.
A b stract
The paper is presented as a m aterial, which is derived from the experim ental studies carried out in M ulti-Solid Fluidized Bed (MSFB).
MSFB is a circulating fluidized bed consisting of a circulating dilute phase bed and more stable dense bed of coarse particles. Fine particles circulate while the dense bed of coarse particles ( 1 0 - 1 5 mm in diam eter) stabilizes the combustion process nad increases th e residence tim e of fines. The dense bed promotes th e breakdow n od coarse coal particles enabling us to handle ru n of m ine coal up to 50 mm in size. The MSFB operates a t high superfical gas velocities th a t perm it load tu rn -d o w n more th a n 3 : 1 . The MSFB can operate w ith very low NOx N 20 and S 0 2 emisions while utylizing a v ariety of fuels including ind u strial and u rb an w astes. The research h a s been conducted in a p ilo t-p la n t MSFB combustor th a t stim u lates essential features of industrial MSFB boilers. The tem p eratu re and p ressu re distribution along th e height of th e combustor are presented. The influence and correlation betw een NOx, SOx em ited into a athm osphere and 0 2, included in flue gas, are presented.
Finally, th e emission d a ta from commercial scale MSFB boilers are presented.
Combustion of solid fuels in a M ulti-Solid Fluidized Bed is th e resu lt of complex interactions among m any physical and chemical processes. Extensive experim ental studies on hydrodynam ics, combustion and pollu tan t emission have been conducted both in laboratory scale and commercial units.
