Archives of Waste Management and Environmental Protection
Archiwum Gospodarki Odpadami
http://ago.helion.pl ISSN 1733-4381, Vol. 1 (2005), p-83-94
Optymalizacja liczby stref rozdziału powietrza w paleniskach
rusztowych
Kozio M., Nadziakiewicz J.
Katedra Technologii i Urządzeń Zagospodarowania Odpad‚w, Politechnika Śląska w Gliwicach
ul. Konarskiego 18, 44-100 Gliwice
Streszczenie
W artykule przedstawiono analizę wpływu liczby stref podawania powietrza na możliwość pokrycia teoretycznego zapotrzebowania powietrza wzdłuż długości rusztu. Analizę przeprowadzono dla procesu spalania paliw na ruszcie taśmowym. W obliczeniach uwzględniono sześć krzywych, opisujących zapotrzebowanie powietrza wzdłuż długości rusztu w trakcie spalania r†żnych typ†w węgli (4) oraz odpad†w (2).
Abstract
Optimal number of air supply sections for the grate fired combustion chambers The influence of the number of air supply sections under the grate on the total air amount for the combustion process along the traveling grate was analyzed. Six versions of the air supply curves along the grate was taken into considerations. The shapes of curves were chosen depending on the type of coal (4 types) and waste (2 types) supplied as fuel.
1. Wstęp
Na terenie kraju istnieje kilkanaście tysięcy kotłƒw zainstalowanych w ciepłowniach i elektrociepłowniach przemysłowych. Około 70 % energii wytwarzanej w ciepłowniach przemysłowych jest produkowana w kotłach z rusztem mechanicznym, opalanych węglem kamiennym [2].
Paleniska z rƒżnymi typami rusztƒw mechanicznych znajdują rƒwnież szerokie zastosowanie w instalacjach termicznej utylizacji odpadƒw.
Paleniska kotłƒw rusztowych wykorzystuje się rƒwnież coraz szerzej, do realizacji procesu wspƒłspalania np. biomasy oraz paliw formowanych wytworzonych na bazie wybranych frakcji odpadƒw [16 - 19]. W większości eksploatowane w przemyśle i ciepłowniach
komunalnych kotły rusztowe są jednostkami starymi. Ponad 40 % eksploatowanych w przemyśle kotłƒw to urządzenia 40 letnie i starsze, a około 20 % zostało uruchomione przed 60 laty [2, 20]. Obecnie jednym z podstawowych zabiegƒw modernizacyjnych kotłƒw rusztowych jest wyposażanie rusztƒw w strefy podawania powietrza. W rusztach mechanicznych stosuje się najczęściej od 3 8 stref [1, 3, 10, 12 - 14]. Doboru liczby stref dokonuje się jednak w oparciu o bliżej niesprecyzowane przesłanki. R†wnież w literaturze brak jest procedur pozwalających określić optymalną liczbę stref podawania powietrza.
2. Zapotrzebowanie powietrza w procesach spalania na rusztach mechanicznych
W przypadku palenisk z mechanicznym rusztem taśmowym wspƒłczynnik nadmiaru powietrza powinien wynosić 1,3 1,6 [5, 6, 8, 10]. R†wnocześnie zapotrzebowanie powietrza powinno się zmieniać wzdłuż długości rusztu. Rozkład zapotrzebowania powietrze zależy m.in. od: rodzaju spalanego paliwa [10, 11, 14], prędkości posuwu taśmy rusztu [8, 10, 15] i grubości warstwy spalanego paliwa [8, 10, 15]. W związku z powyższym w kotłach z rusztami taśmowymi prowadzi się strefową regulację doprowadzania powietrza. Ruszt jest dzielony na 3 10 stref [8 - 10, 12 - 15] w kt†rych następuje regulacja wdmuchiwanego powietrza. W literaturze można znaleźć jedynie jakościowe informacje dotyczące zmiany zapotrzebowania powietrza wzdłuż długości rusztu, bez opisu umożliwiającego dokładniejszą jego charakterystykę [4, 7 - 10, 14]. Znajdują się tam r†wnież często sugestie nakazujące w przypadku poszczeg†lnych kotł†w, dob†r właściwego podmuchu powietrza pod ruszt metodą pr†b [8, 10, 12]. Na rysunku 2.1 przedstawiono przykładowe rozkłady zapotrzebowania powietrza wzdłuż długości rusztu w przypadku spalania r†żnych węgli [10].
Rys. 2.1. Przykładowe krzywe zapotrzebowania powietrza wzdłuż długości rusztu dla rƒżnych węgli: 1-węgle gazowe, 2-węgle tłuste, 3-węgle chude [10]
Jak pokazano na rysunku 2.1 krzywe zapotrzebowania powietrza do spalania rƒżnią się znacznie pomiędzy sobą w zależności od właściwości spalanego paliwa, przy czym dla
poszczegƒlnych węgli zapotrzebowanie powietrza wzdłuż długości rusztu ulega dużym zmianom.
Wraz ze wzrostem liczby stref istnieje możliwość lepszego dopasowania strumienia podawanego powietrza pod ruszt do rzeczywistego jego zapotrzebowania w poszczegƒlnych strefach (ilustruje to rysunek 3.1). Zwiększa to sprawność energetyczną realizacji całego procesu. Pozwala bowiem zmniejszyć ilość dostarczanego powietrza do procesu nie powodując wzrostu strat niezupełnego i niecałkowitego spalania.
Rƒwnocześnie jednak wzrost liczby stref powoduje, że bardziej złożona staje się konstrukcja ruszt, a jego obsługa ulega komplikacji.
W literaturze brak jest publikacji świadczących o przeprowadzaniu analiz optymalizujących stosowaną liczbę stref podawania powietrza.
3. Analiza wpływu liczby stref na dokładność odzwierciedlenia krzywej zapotrzebowania powietrza
W wyniku przeprowadzonych studiƒw literaturowych określono krzywe zapotrzebowania powietrza f(x) wzdłuż długości rusztu dla następujących paliw: antracytu, węgli chudych, tłustych i gazowych oraz odpadƒw o dużej i małej wartości opałowej (Wd) [10, 14]. Należy zaznaczyć, że w przypadku przedstawionych zależności, w przeprowadzanych analizach rozpatrywany przedział czasu był bez znaczenia (rozpatrywany proces jest niezmienny). Niezależnie bowiem od jednostki czasu, do kt†rej by odnoszono przeprowadzane analizy, krzywe zapotrzebowania powietrza są podobne. Z analogicznych przyczyn zagadnienie rozpatrywano jako geometrycznie jednowymiarowe (nie uwzględniano szerokości rusztu).
Tabela 3.1. Wyznaczone funkcje opisujące krzywe rozdziału zapotrzebowania powietrza wzdłuż długości rusztu dla przykładowych paliw [18]
Paliwo Rƒwnanie y f(xˆ) Antracyt y 84.15xˆ4-170.83xˆ3 86.22xˆ2 0.61xˆ-0.03 Węgle chude y29.96xˆ4-61.62xˆ321.44xˆ210.35xˆ-0.08 Węgle gazowe y 7.46xˆ3-14.48xˆ2 2.43xˆ 4.68 Węgle tłuste y 54.75xˆ4-91.51xˆ3 21.79xˆ2 15.41xˆ-0.11
Odpady komunalne o małej Wd y4.70xˆ4-23.79xˆ312.41x26.04x0.24
Odpady komunalne o dużej Wd y -46.93xˆ 137.94xˆ -138.36xˆ 47.88xˆ-0.40
2 3 4
W przypadku uwzględnienia w analizach czasu, zamiast ilości powietrza wystąpiłyby strumienie. Zaletą takiego podejście byłoby jedynie zbliżenie stosowanej terminologii do spotykanej w przypadku prowadzenia rzeczywistych instalacji kotłowych. Wykorzystując metodę najmniejszych kwadratƒw wyznaczono krzywe aproksymujące zależności
literaturowe. Wyznaczone funkcje miały postać wielomianƒw trzeciego lub czwartego stopnia. Wspƒłczynniki występujące w tych funkcjach (dla wielkości unormowanej długości rusztu w przedziale 0,1 ) podano w tabeli 3.1, a krzywe wykreślone według tych rƒwnań na rysunku 2.1 Długość rusztu L o k a ln y s tr u m ie ń p o w ie tr z a
węgl. tłuste antracyt węgl. chude węgl. gazowe odp.-duże Wd odp.-małe Wd
Rys. 3.1. Wyznaczone krzywe zapotrzebowania powietrza wzdłuż długości rusztu [18] Następnie obliczono całkowitą ilość powietrza dostarczanego do procesu spalania, zgodnie z rƒwnaniem: dx x f V l
0 ) ( , (3.1) gdzie:V – strumień powietrza konieczny do spalenia mieszanki przy założonym ,
f(x) – funkcja opisująca rozdział zapotrzebowania powietrza wzdłuż długości rusztu,
x – położenie paliwa na ruszcie (w ujęciu jednowymiarowym),
l – długość rusztu. przy czym: l x x ˆ , (3.2) gdzie: xˆ – wartość unormowana x (0 1).
Z kolei podzielono ruszt na „i” r†wnych części – stref, dla „i” z zakresu od 1 10. Dla każdego podziału (i), w każdej jego części (j), obliczono ilość dostarczanego powietrza:
1 , , ) ( , j i j i x x j i f xdx V , (3.3) gdzie:i – liczba stref rusztu,
j – numer kolejnej strefy,
xi,j, xi,j+1 – granice strefy.
W każdej ze stref wyznaczono odpowiadającą jej średnią wartość strumienia powietrza ze wzoru: j j j i j i sr x x V V 1 , , , . (3.4) Jednostką Vsr,i,j jest m 3 /m.
Z kolei dla każdej strefy wyznaczono wartość j. Wielkość ta odzwierciedlała ilość powietrza dostarczaną w nadmiarze i niedomiarze w danej strefie w przypadku gdy powietrze jest podawane w stałej, średniej ilości
V
śr. Na rysunku 3 1 przedstawiono graficzną interpretację tej wielkości.
m j x x j m j i śr j 2V ,, (x x) f(x)dx (3.5) gdzie:xm – wartość dla ktˆrej w przedziale xjxj+1f(x)=V ;śr
W celu por†wnania efektywności podziału rusztu na daną liczbę stref, sumaryczną wartość
w przypadku podziału rusztu na „i” stref wynoszącą
i j j j 1 odniesiono do wartości V : 100 V (3.6) gdzie:
– udział powietrza dostarczanego w niewłaściwych miejscach rusztu w
stosunku do całkowitej ilości powietrza koniecznego do spalenia paliwa, %.
Rys. 3.2. Graficzna interpretacja wartość jdla rƒżnej liczby stref
W tabeli 3 1 zestawiono wartości dla wszystkich analizowanych krzywych w przypadku podziału rusztu na 2 10 stref. Obliczeń dokonywano za pomocą napisanego w tym celu programu komputerowego. W tabeli tej zamieszczono rƒwnież wartości średnie uzyskane dla wszystkich analizowanych krzywych oraz wartość odchylenia standardowego uzyskanych wynik†w.
Na rysunku 3 .3 pokazano wartości dla analizowanych sześciu krzywych zapotrzebowania powietrza (pokazanych na rysunku 2). Pomimo, że rozpatrywane zagadnienie nie jest ciągłe, w celu ułatwienia interpretacji prezentowanych wynikƒw, przez uzyskane punkty przeprowadzono linie trendu.
Z przeprowadzonych analiz wynika, że w przypadku jedynie dwƒch stref podawania powietrza wartość wspƒłczynnika wynosi od ok. 20 % do 60 %, średnio ok. 40 %. W przypadku zwiększenia liczby stref do pięciu wartość wspƒłczynnika wynosi ok. od 8 % do poniżej 20 %, średnio ok. 15 %. W przypadku 10 stref podawania powietrza omawiany wsp†łczynnik przyjmuje wartości od ok. 4 do 10 % średnio ok. 8 %.
Największe zmniejszenie wartości uzyskano w przypadku zwiększenia liczby stref podawania powietrza z 2 do 3 dla „odpadƒw o małej Wd”. W tym przypadku udział powietrza dostarczonego w niewłaściwych miejscach rusztu zmniejszył się o ponad 28 %. Na rysunku 3.4 pokazano wartości średnie uzyskane dla sześciu analizowanych krzywych wraz z odchyleniami standardowymi.
Tabela 3.1. Uzyskane wartości dla analizowanych krzywych rozkładu zapotrzebowania powietrza przy podziale rusztu na 2 10 stref podawania powietrza
% Liczba stref Odpady -mała Wd Odpady -duża Wd Węgiel tłusty Antracy t Węgiel chudy Węgiel gazowy Średnia wartość % Odchylenie standardow e 2 61.9 37.8 42.7 45.5 41.6 19.9 41.6 13.5 3 33.2 25.1 27.2 28.1 26.0 13.2 25.5 6.7 4 25.4 17.4 21.3 22.9 20.7 9.4 19.5 5.6 5 18.4 15.3 17.2 17.9 16.3 7.9 15.5 3.9 6 17.1 12.6 14.7 15.2 13.7 6.8 13.3 3.6 7 14.4 10.9 12.4 12.9 11.7 5.9 11.4 2.9 8 12.5 9.5 10.7 11.4 10.3 5.1 9.9 2.6 9 10.9 8.4 9.6 10.1 9.1 4.5 8.8 2.2 10 9.9 7.6 8.5 9.1 8.2 4.1 7.9 2.1 0 10 20 30 40 50 60 70 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 Liczba stref W a rt o ś ć [ % ]
Odpady-mała Wd Odpady-duża Wd Węgiel tłusty Antracyt Węgiel chudy Węgiel gazowy
Rys. 3.3. Wartości wspƒłczynnika obliczone dla poszczeg†lnych analizowanych krzywych zapotrzebowania powietrza wzdłuż długości rusztu
0 10 20 30 40 50 60 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 Liczba stref W a rt o ś ć [ % ]
Wartości średnie Linia trendu
Rys. 3.4. Średnie wartości wraz z odchyleniami standartowymi, obliczone dla analizowanych krzywych zapotrzebowania powietrza wzdłuż długości rusztu
Jak widać z rysunku 3.4 poprzez zwiększenie liczby stref z 2 na 3 można uzyskać średnio 16 % poprawę ilości powietrza dostarczanego w odpowiednich miejscach. Zwiększenie liczby stref z 3 na 4 powoduje zmniejszenie wsp†łczynnika o 6 % a przy zwiększeniu liczby do 5 uzyskuje się dalszy spadek wielkości o 4 %. Spadek o kolejne ok. 4 % udałoby się osiągnąć stosując co najmniej 7 stref.
W analizie uzyskanych wynik†w pomocny może być r†wnież wykres dynamiki wzrostu dopasowania strumieni powietrza. Dynamikę tą określono na podstawie poniższej formuły:
i i i i 1 1 (3.7) gdzie i
- średnia wartość wsp†łczynnika przy podziale na (i) stref (dla sześciu analizowanych krzywych zapotrzebowania powietrza.
Omawiany wykres pokazano na rysunku 3.5. Z rysunku tego wynika, że powyżej 5 stref dynamika wzrostu dopasowania strumienia powietrza wynosi 10 15 %.
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Liczba stref D y n a m ik a w z ro s tu d o p a s o w a n ia s tr u m ie n ia p o w ie tr z a
Rysunek 3.5. Dynamika wzrostu dopasowania strumienia powietrza
4. Podsumowanie
Przedstawiona w pracy analiza wpływu liczby stref podawania powietrza na możliwość dopasowania podawanych wzdłuż długości rusztu jego ilości do rzeczywistego zapotrzebowania:
pokazuje techniczne możliwości regulacji w przypadku kotłƒw wyposażonych w konkretną liczbę stref;
może zostać wykorzystana w dalszych analizach określających optymalną liczbę stref podawania powietrza (np. uwzględniających aspekty ekologiczne i ekonomiczne).Literatura
[1] Bachonko F.: Modernizacja i projektowanie kotł†w rusztowych pod kątem spełnienia obowiązującego rozporządzenia w zakresie ochrony naturalnego środowiska. Materiały Konferencji Naukowo-Technicznej „Modernizacja kotł†w rusztowych. Aspekty techniczno-ekonomiczne i ochrony środowiska”, Szczyrk, 1997.
[2] Badyda K., Skowroński P., Bujalski W.: Emisja dwutlenku siarki z ciepłowni i elektrociepłowni przemysłowych-technologie ograniczania emisji i warunki ich zastosowań. IV Konferencja „Problemy Badawcze Energetyki Cieplnej”, Warszawa 1-3 grudzień 1999r. Politechnika Warszawska, Prace Naukowe, Konferencje, zeszyt 17. [3] Bartoszewski K.: Problematyka usuwania i unieszkodliwiania osad†w ściekowych w
[4] Błasiak W., Barański J., Stąsiek J.: Optymalizacja procesu spalania w kotłach rusztowych. Materiały konferencyjne: Konferencja Naukowo-Techniczna „Spalanie węgla’99”, Ustroń-Zawodzie, 24-26 marzec 1999.
[5] Chrzan A.: Modernizacja palenisk mechanicznych i instalacji powietrza podmuchowego w kotłach rusztowych. Konferencja Naukowo-Techniczna’97 nt.: Modernizacja kotł†w rusztowych – Aspekty techniczno-ekonomiczne i ochrony środowiska. Materiały konferencyjne, Szczyrk 97.
[6] Cieciura J.: Doświadczenia eksploatacyjne z ruchu zmodernizowanego na „ściany szczelne” kotła wodnego rusztowego typu WR25-014s w Ciepłowni Zawodzie w
Częstochowie. Sympozjum ciepłownicze „Możliwości modernizacji kotł†w
rusztowych”, Fabryka Kotł†w Rafako S.A., 2000.
[7] Jarosiński J.: Techniki czystego spalania. Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, Warszawa, 1996.
[8] Kapitaniak A., Sztraube J.: Poradnik palacza. Budowa i obsługa grzewczych i przemysłowych kotł†w rusztowych. WNT, Warszawa, 1991.
[9] Kordylewski W. (praca pod redakcją): Spalanie i paliwa. Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 1999.
[10] Orłowski P., Dobrzański W., Szwarc E.: Kotły parowe, konstrukcja i obliczenia. Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, Warszawa, 1979.
[11] Petela R.: Paliwa i ich spalanie, cz. II- Spalanie. Politechnika Śląska, skrypt nr 779, Gliwice 1978.
[12] Praca zbiorowa: Poradnik termoenergetyka. Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, Warszawa, 1974.
[13] Rydzak J.: Proekologiczne modernizacje kotł†w rusztowych. Konferencja Naukowo-Techniczna’97 nt.: Modernizacja kotł†w rusztowych – Aspekty techniczno-ekonomiczne i ochrony środowiska. Materiały konferencyjne, Szczyrk 97.
[14] Scholz R., Beckmann M., Schulenburg F.: Entwicklungsm•glichkeiten der Proze•f‘hrung bei Rostsystemen zur Abfallbehandlung. FDBR-Symposium, Rostock, 1996.
[15] Zuber A.: Kierunki rozwoju ciepłownictwa. Sympozjum ciepłownicze „Możliwości modernizacji kotł†w rusztowych”, Fabryka Kotł†w Rafako S.A., 2000.
[16] Kozioł M., Nadziakiewicz J.: „Emission of SO2and NO in co-combustion process of
coal with sludge in boilers with mechanical stokers”, 10thInternational Energy Forum ENERGEX 2004, 3-6 maj 2004, Lizbona.
[17] Nadziakiewicz J., Czekalski R., Ścierski W., Kozioł M.: „Ecological effect of co-combustion process of sludge with coal in boilers with mechanical stoker”, 10th International Energy Forum ENERGEX 2004, 3-6 maj 2004, Lizbona.
[18] Kozioł M.: „Energetyczne i ekologiczne aspekty stosowania stałych paliw uzyskanych z odpad†w”, praca doktorska, Katedra Technologii i Urządzeń Zagospodarowania Odpad†w, Gliwice 2002.
[19] Wandrasz J.W., Kozioł M., Ścierski M, Wandrasz A.J., Landrat M., Gaska K.: Możliwości wsp†łspalania paliw w paleniskach kotł†w rusztowych. Materiały Konferencji: „Wsp†łspalanie biomasy i paliw wt†rnych w kotłach energetycznych”, Zakopane, 12-14 maj 2004r.
[20] Zuber A.: Kierunki rozwoju ciepłownictwa. Sympozjum ciepłownicze „Możliwości modernizacji kotł†w rusztowych”, Fabryka Kotł†w Rafako S.A., 2000.
