Bogusław BOGUCKI, Bolesław W. KANIA RAFAKO-ENERGO, Oddział W arszaw a
DOŚWIADCZENIA Z OPTYMALIZACJI PRACY KOTŁOWYCH INSTALACJI PALENISKOWYCH MODERNIZOWANYCH W CELU OGRANICZENIA EMISJI TLENKÓW AZOTU
S tr e sz c z e n ie . W artyku le przedstaw iono w yniki optym alizacji pracy instalacji paleniskowych kilk u kotłów El. Połaniec, EC Siekierki i EC Łódź 2, redukujących emisję tlenków azotu. Przedstaw iono również zagadnienia m ające wpływ n a popraw ną pracę kotłów wyposażonych w tak ie instalacje.
EXPERIENCE ON OPTIM ISATION OF BOILER FURNACE
INSTALLATION WORK BEIN G M ODERNIZED FOR DECREASING OF NOx EMISION
Sum m ary. R esults com bustion optim isation on Low NOx burn ers carried out in power p la n t Połaniec, Siekierki and Łódź 2 are presen ted in th is article. Also some problem s heaving influence on boiler w ith Low NOx installatio n proper perform ance are presented.
OnbIT CB23AHHblfl C OITTMMAJIH3AIIHEÎÎ PAEOTbl rOPEJIORHbIX CHCTEM MOflEPHH3HPOBAHHbIX C IfEJIbK) CHPDKEHH5I 3MHCCHH OKHCJIOB A30TA
Pe3K)Me. B cTaThe npeącTaB;ieHbi pe3yjibTaTbi oriTHMajin3anHn paÓOTti T o n o u H H x c H C T e M HecKOJibKHx KOTjioB T3C nojiaHep, T3If C e x e p x H h T3lf Jlogb 2 K O T o p n e y M e H b m a i O T s mhcchio okhcjiob a30Ta. FIpeącTaBJieHbi Toxce npoÓJieMhi BJiHHiomHe H a rrpaBHJibHyro p a Ó O T y kotjiob o Ó o p y g O B a H H h i x teucoh CHCTeMOH.
1. W STĘP
NO, [mg/m*] 0 2= 6°/.
Postęp w zakresie redukcji em isji NOx w polskiej energetyce je s t dziełem o statnich la t [1, 2, 3]. W latach 1993 i 1994 projektow ane wcześniej w RAFA- KO instalacje paleniskowe dla wielu elektrow ni i elektrociepłowni poddano regulacji i optymalizacji. D ziałania te stały się testem przyjętych koncepcji oraz zastosowanych rozw iązań konstrukcyjnych.
Oddział warszawski RAFAKO-ENERGO optymalizował pracę instalacji kot
łów w EC Siekierki, El. Połaniec [4] oraz EC Łódź 2. Instalacje te, z narożniko
wym układem palników szczelinowych, m iały różne zakresy m odernizacji, wyni
kające ze sta n u techniczne
go poszczególnych obie
któw, ja k również z term inu opracow ania projektu. Je d n ą z pierwszych, której pro
je k t m odernizacji wykona
no w RAFAKO, była in sta lacja paleniskow a kotła OP — 430 n r 14 w EC Sie
kierki. M odernizacja obej
m owała ograniczony zakres zm ian ze względu n a krótki postój rem ontow y kotła.
M odernizacja instalacji p a
leniskowej kotła OP-130 n r 6 w EC Łódź przewidy
w ała ju ż zm iany palnika.
Bardziej kompleksowo zmo
dernizow ano instalacje p a
leniskowe kotłów E P -650 n r 4, 5 i 6 w El. Połaniec.
Różne zakresy m oder
nizacji przedstaw ionych obiektów rzutow ały na otrzym ane wyniki. Dały jed n a k wiele ciekawych in
formacji, z których można korzystać przy opracowy
w aniu kolejnych m oder
nizacji.
0 2 */.
Rys. 1. Zakres em isji NOx z kotła O P-430 n r 14 EC S iekierki w funkcji zaw artości O2 w spalinach za pod
grzewaczem wody
Fig. 1. Range of NOx em ission as a function of O2 concen
tra tio n in flue gases down steam of economiser of boiler O P-430 N° 14 in Siekierki CHP
2. WYNIKI OPTYMALIZACJI PRACY INSTALACJI PALENISKOWYCH Kocioł O P -430 n r 14 w EC S ie k ie r k i
Modernizacja instalacji paleniskowej tego k o tła była je d n ą z pierw szych - autorstwa RAFAKO - wdrożonych w praktyce. Zastosow ano 4 dysze OFA z pomiarem n atężen ia przepływ u pow ietrza. P aln iki pyłowe pozostawiono bez zmian. Przeprowadzono m odernizację młynów M KM -25 w celu popraw y jak o ści przem iału węgla. W yniki optym alizacji przedstaw iono n a w ykresie rys. 1.
Najniższą emisję osiągnięto n a poziomie około 600 mg/m„ przy dopuszczalnej zawartości części palnych w żużlu i popiele oraz zaw artości CO w spalinach od 35 - 91 mg/m®. O siągnięta em isja je s t wyższa od granicy obowiązującej po 1997 roku. Jed nak że już w projekcie m odernizacji, ze względu n a „uboższy”
zakres zm ian, nie gw arantow ano większego stopnia redukcji.
Kocioł O P -130 n r 6 w EC Łódź 2
Zakres m odernizacji in stalacji paleniskowej, oprócz zabudowy dysz OFA, obejmował także m oder
nizację palników pyłowych.
Zastosowano pom iary n a tę żenia przepływu pow ietrza wtórnego do naroży oraz do dysz OFA. Nie wykonano modernizacji młynów wenty
latorowych, co rzutowało na dużą zawartość części pal
nych w żużlu (Cż = 8,7 -s- 25%) oraz popiele (CpoP = 5,7 + 2,6%). Poziom emisji NOx był poniżej granicy obowią
zującej po 1997 roku (rys. 2), zaś zawartość CO w spalinach była n a poziomie 46 - 127 mg/m®.
Kotły E P -6 5 0 n r 4, 5 i 6 w El P o ła n ie c
W instalacji zastosowano dysze OFA i pom iary n a tę żenia przepływu pow ietrza do dysz oraz pow ietrza do
N 0 X
C m g / m j p 0 2 = 6 ° / .0
2 0/.Rys. 2. Zakres emisji NOx z kotła OP-130 n r 6 EC Łódź 2 w funkcji zawartości O2 w spalinach za podgrzewaczem wody Fig. 2. Range of NOx em ission as a function of O2 concen
tra tio n in flue gases down steam of economiser of boiler O P -130 N° 6 in Łódź 2 CHP
dwu sekcji palników w narożnikach kotła. In stalację wyposażono w niezbędną ilość klap regulacyjnych. Założono, że duża objętość kom ory paleniskowej oraz podział paln ika pyłowego n a dwie sekcje: górną i dolną będą sprzyjać redukcji NOx w takim stopniu, iż m odernizacja samego p aln ik a nie będzie konieczna.
Zm iany w sam ym palniku przew idziano w przypadku niew ystarczającej redu
kcji. Przed optym alizacją wyrównano rozdział pyłu do poszczególnych dysz w palnikach narożnikowych dla każdego m łyna (tolerancja ±10%) oraz popra
wiono przem iał młynów. Jakość przem iału była zbliżona do wymaganych
N0„ [ m g / m 3] 02 = 6°/o
NOx [ m g / m 3]02=67o N0X[ m g / m 3] O ^ S ' / .
Rys. 3. Ś rednia em isja NOx z kotłów E P - 650 El. Połaniec: 1 - kocioł n r 4; 2 - kocioł n r 5;
3 - kocioł n r 6; A - em isja bazowa przed optymalizacją; B - em isja po optymalizacji Fig. 3. Average NOx em ission from boilers E P -6 5 0 in Polaniec power plant: 1 - boiler N° 4;
2 - boiler N° 5; 3 - boiler N° 6, A - basic em ission w ithout optim isation; B - em ission after optim isation
przez RAFAKO w artości pozostałości n a sicie Rg0 = 20% i R2oo = 2%. O ptym a
lizacja pracy instalacji w ykazała, że w ykonany zakres m odenizacji (bez p a ln i
ków pyłowych) pozwala n a redukcję emisji n a w szystkich trzech kotłach poniżej w artości dopuszczalnej po 1997 roku (rys. 3). Zaw artość części palnych w żużlu i popiele dla kotłów n r 4, 5 i 6 nie przek raczała 4%, zaś zaw artość CO w spalinach w ah ała się w granicach 10 + 40 mg/m®, a chwilowe w artości nie przekraczały 1000 mg/m®.
3. ZAGADNIENIA ZWIĄZANE Z PRAWIDŁOWĄ PRACĄ KOTŁA WYPOSAŻONEGO W INSTALACJĘ ZM NIEJSZAJĄCĄ E M ISJĘ NOx Prace optym alizacyjne w ykazały, że n a pracę in stalacji paleniskowych, modernizowanych w celu redukcji emisji tlenków azotu, wpływ a wiele ele
mentów kotła i urządzeń pomocniczych. Ograniczenie m odernizacji jedynie do zmian w palnikach oraz układzie zasilającym palenisko w pow ietrze może być niewystarczające do zapew nienia popraw nej pracy kotła.
Młyny. M odernizacja młynów węglowych w in n a być nieodłącznym elem en
tem m odernizacji instalacji paleniskowej. Zm niejszenie w entylacji daje m ini
malizację pow ietrza w fazie zapłonu części lotnych, co wpływa n a ograniczenie tworzenia się tlenków azotu. Popraw a stopnia przem iału węgla powoduje, że części palne w żużlu i popiele m ieszczą się w dopuszczalnych granicach. Przy czym doświadczenie wykazuje, że jakość przem iału R90 = 20 + 25% oraz R2oo
< 2,5% je s t w ystarczająca. B rak polepszenia przem iału młynów kotła n r 6 w El. Łódź 2 był przyczyną wysokich zaw artości części palnych w żużlu i popiele.
Wyrównanie rozdziału pyłu n a poszczególne dysze palników je s t ważnym elementem, od którego zależy efekt redukcji em isji NOx. Równom ierny roz
dział pyłu pozwala n a utrzym yw anie w p aln ik u odpowiedniego stosunku paliw o-po w ietrze.
Pom iary. Zastosow anie instalacji paleniskowej redukującej em isję NOx bez stacjonarnego ciągłego pom iaru zaw artości tlenków azotu w spalinach jest działaniem nieracjonalnym . K ontrola zaw artości NOx analizatorem przenoś
nym może być rozw iązaniem doraźnym , ale nie docelowym. Tylko ciągły pomiar emisji NOx ze w skaźnikam i n a n astaw n i pozw ala n a jej m inim alizację poprzez odpowiednie sterow anie kotłem . Ten fa k t znalazł zrozum ienie w El.
Połaniec, gdzie pracuje ciągły pom iar przy kotle n r 4, a w następnych stacjo
narne analizatory spalin będą instalow ane. W EC Siekierki zamontowano analizator określający zaw artość w spalin ach tylko NOx. N ie znając zaw arto
ści 0 2 w m iejscu pom iaru NOx, tru d n o otrzym ane w yniki odnosić do porówny
walnego poziomu dla węgla kam iennego ( 0 2 = 6%). Bardzo ważnym pom ia
rem, decydującym o efektywnej pracy instalacji redukującej NOx, je s t pom iar 0 2 sytuow any zwykle za podgrzewaczem wody. Pom iary 0 2 wykonywane w
różnych p un k tach n a szerokości k a n a łu dają w yniki różniące się w znacznym stopniu oraz w ykazują zm iany w artości 0 2 w czasie. Problem te n w ystępuje w wielu elektrow niach i wymaga rozw iązania.
Kolejnym ważnym zagadnieniem je s t ilość i jakość pom iarów natężenia przepływu pow ietrza w instalacji. Ilość tych pomiarów, zastosow ana w in sta lacji kotła E P -650 El '•Połaniec, wydaje się być optym alna. N a optymalizowa
nych obiektach zastosowano pom iar za pomocą zwężek (EC Siekierki), annu- b a r (El. Połaniec) i kryz progowych (EC Łódź). Tudno w sposób jednoznaczny ocenić, który system pomiarowy je s t najlepszy. Spraw dzenie zwężek i annu- bar, wykonane poprzez siatkow y pom iar prędkości, dało w artości natężeń przepływu różniące się od w skazań ruchowych, zaś kryzy progowe dawały bardzo m ałe spadki ciśnień. Być może, że planow ane w El. Połaniec w końco
wej fazie rem ontu kotła n r 1 testow anie w szystkich a n n u b a r pozwoli na lepszą ocenę tego sposobu pom iaru.
D y sz e OFA, k la p y i k an ały. We w szystkich obiektach zastosowano kon
strukcję dysz OFA pozwalającą n a pochylenie końcówek w płaszczyźnie piono
wej oraz odchylanie w płaszczyźnie poziomej. Przyjęte rozw iązania generalnie spraw dziły się w praktyce, n ato m iast zm ian w ym agają szczegóły, np. zastoso
w anie m ateriału żaroodpornego n a elem enty m echanizm u przem ieszczające
go końcówki i n a część obudowy, rozw iązanie chłodzenia zew nętrznych powie
rzchni końcówek dysz itp. Najwygodniejszy w praktyce okazał się system pokręteł p rzestaw iania dysz w ykonany dla EC Łódź 2.
Optym alizacje wykazały, że ustaw ienie dysz w pionie m a większy wpływ na poziom emisji NOx niż odchylanie w płaszczyźnie poziomej n a różne koła wiru.
Klapy regulacyjne zabudowane n a optym alizowanych obiektach m ają złe charakterystyki. Problem ten nie je s t nowy, ale nie został jeszcze rozwiązany.
Lepsze charak terystyki klap w iążą się ze wzrostem oporów, lecz je s t to koszt, jak i m usi być poniesiony, jeśli instalacja paleniskow a m a skutecznie reduko
wać emisję NOx.
Instalacje gorącego pow ietrza p racu ją zwykle z nadciśnieniem , bo tylko w te n sposób m ożna sterować rozdziałem strum ieni. W El. Połaniec wynosiło ono około 1600 Pa, w EC Siekierki — 900 Pa, a w EC Łódź 2 - 600 900 Pa.
W ymaga to przyjęcia nowych zasad projektow ania kanałów gorącego powie
trza. Należy ustalić nowe wytyczne odnośnie do żebrow ania wzmacniającego, konstrukcji oraz uszczelnienia włazów i klap.
O brotow e p o d g r z e w a c z e p o w ie trz a . P raca instalacji gorącego powie
trz a z wysokim nadciśnieniem powoduje konieczność popraw y działania usz
czelnień. Dotychczasowe rozw iązania powodują znaczną „ucieczkę” pow ietrza do spalin n a skutek zwiększenia różnicy ciśnień. M odernizacja uszczelnień obrotowych podgrzewaczy pow inna być in te g raln ą częścią instalacji red u k u ją
cej emisję NOx.
W entylatory. Wymóg pracy instalacji gorącego pow ietrza z nadciśnieniem nie zawsze może być spełniony przez istniejące w enty latory pow ietrza. W ystę
puje wtedy konieczność m odernizacji tych w entylatorów . Z alecana p raca kotła z mniejszym X zwykle nie powoduje konieczności m odernizacji w entylatorów spalin, pod w arunkiem że zostaną popraw ione uszczelnienia obrotowych pod
grzewaczy i zmniejszone „przecieki” gorącego pow ietrza do spalin.
Ż użlow anie. D ziałania ograniczające em isję NOx sprzyjają w ystępow aniu zjawiska żużlowania. W optym alizowanych obiektach nie m iało ono c h a ra k te ru utrudniającego w sposób zasadniczy eksploatację kotła. W El. Połaniec żużlowanie występowało w otoczeniu dysz OFA, tzn. pom iędzy ruchom ym i końcówkami dysz a odgięciami r u r ekranow ych. Zależyny żużla początkowo utrudniały, a potem uniem ożliw iały przestaw ian ie położenia końcówek dysz.
Szczególnie niebezpiecznym zjaw iskiem dla dysz było dopalanie się koksiku zawartego w żużlu. Dopalanie było ta k intensyw ne, że doprowadziło do znisz
czenia obudów n a kilku dyszach. Zm iany konstrukcyjne dysz OFA zapropono
wane przez RAFAKO powinny zapobiec osadzaniu się żużla.
Przy projektow aniu nowych instalacji należy dążyć do tego, aby odgięcia ekranów zostaw iały m in im alną szczelinę m iędzy dyszą a ru ram i.
Nie da się wykluczyć w przyszłości konieczności ponownej zabudowy i stosowania zdmuchiwaczy popiołu w kom orze paleniskow ej.
Korozja ek ra n ó w . P raca k otła z niskim n ad m iarem pow ietrza powoduje, że w pasie palnikowym kom ory paleniskowej w ystępują znaczne ilości CO, które w połączeniu z wysoką te m p e ra tu rą p an u jącą w tym rejonie stw arzają warunki sprzyjające w ystępow aniu korozji m etalu r u r ekranow ych.
Kocioł n r 4 w El. Połaniec został wyposażony w in stalację tzw. pow ietrza ściennego, k tó ra rozprow adza pow ietrze do 32 dysz (po 8 n a każdej ścianie) rozmieszczonych w obrębie p a sa palnikowego. Pow ietrze ścienne m a zadanie chronić ek ran y przed ew en tu aln ą korozją. Kotły n r 5 i 6 nie m ają takiej instalacji, choć je s t ona łatw a do zam ontow ania. B rak wiarygodnych inform a
cji na tem a t skuteczności tej instalacji był przyczyną decyzji o w strzym aniu jej zabudowy.
Problem korozji ekranów skutkiem stosow ania sp a la n ia przy zaniżonym X nie jest całkowicie wyjaśniony. Jednym z powodów je s t fakt, że m am y do czynienia z procesem długotrwałym . D ziałania krajow e ograniczają się jedy
nie do pom iarów składu spalin w w arstw ie przyściennej p a sa palnikowego.
Nawet dla tego przypadku nie ustalono jednolitego sposobu pom iaru.
W kotle n r 4 El. Połaniec zmierzono skład sp alin w sąsiedztw ie palników, wykorzystując do tego istniejące w zierniki. W celu w yelim inow ania wpływu nieszczelności w ziernika sondę w suw ano n a około 0,5 m w głąb komory.
Pomiary w ykonane przez dw anaście wzierników, rozm ieszczonych powyżej najwyższej dyszy pyłowej (3 sztuki), w środku (7 sztuk) oraz nieco poniżej najniższej dyszy (2 sztuki), dały n astępujące wyniki:
- tem peratura spalin od 760°C (poniżej palnika) do 1270°C (powyżej palnika), - zaw artość 0 2 od 6% do 17%,
- zawartość CO od 150 do 6000 mg/m®.
Kocioł n r 5 El. Połaniec wyposażono w króćce przechodzące przez płetwy ścian mem branow ych umożliwiające pom iar w pobliżu ek ran u . Sondę w suw a
no n a głębokość lica r u r ekranowych. Ze względu n a niew ystarczający zakres przyrządu pom iar ograniczono jedynie do ściany przedniej, gdzie zamontowa
no 10 króćców pomiarowych. O trzym ano n astępujące wyniki:
- te m p e ra tu ra spalin od 700°C do 1080°C, - zaw artość 0 2 od 4% do 12%,
- zaw artość CO od 200 do 4800 mg/m®.
A naliza spalin w w arstw ie przyściennej je s t zaledwie pierwszym elem en
tem do w yjaśnienia zagadnienia ew entualnego w ystępow ania korozji. P yta
nia: czy i ja k i skład spalin, w jakich w arunkach, w jak im czasie i w jakim stopniu wpływ ają n a proces korozji m etalu r u r - czekają n a odpowiedź.
A u tom atyk a. Zm iany zachodzące w czasie ru ch u instalacji paleniskowej kotła znacząco wpływają n a zaw artość NOx w spalinach. Przełączenie mły
nów, zm iana obciążenia, w ahania jakości paliw a m ogą zmienić, ustaw iony uprzednio, optym alny sposób rozdziału powietrza. Dlatego niezbędna jest autom atyczna regulacja param etrów m ających wpływ n a tw orzenie się NOx.
W El. Połaniec podjęto prace m ające n a celu u ruchom ienie autom atyki spala
n ia w ta k i sposób, aby em isja NOx była dla każdej sytuacji ruchowej m inim al
na. J e s t to zadanie tru d n e ze względu n a konieczność rozw iązania wielu zagadnień, takich jak: wiarygodne pom iary (NOx, CO, 0 2), rozdział i regulacja ilości pyłu i pow ietrza, uwzględnienie jakości przem iału węgla i konfiguracji pracujących młynów.
Równocześnie należy zachować k ry te ria ograniczające ingerencję autom a
tyki, tak ie jak:
- m inim alna zaw artość 0 2 (/.), - m aksym alna zawartość CO,
- dopuszczalna zawartość części palnych w popiele i żużlu, - dopuszczalne granice zm iany rozdziału powietrza.
W ykonane prace optymalizacyjne w El. Połaniec pozwoliły n a wyznaczenie niektórych wielkości umożliwiających pracę autom atyki NOx w ograniczonym zakresie. Realizacja autom atycznej regulacji sp alan ia m inim alizującej zaw ar
tość NOx w spalinach w każdych w aru n k ach ruchowych wym aga przeprow a
dzenia bad ań i wielu prób n a obiekcie.
4. PODSUMOWANIE
M odernizacja instalacji paleniskowych celem redukcji em isji NOx, często potocznie n azyw ana „instalow aniem palników niskoem isyjnych”, pow inna być przeprowadzona z uw zględnieniem istniejących w zajem nych pow iązań tech
nicznych i technologicznych dotyczących praw ie w szystkich elem entów kotła i urządzeń pomocniczych.
Podejmowanie decyzji m odernizacyjnych powinno być oparte n a analizie pracy oraz s ta n u technicznego ko tła i jego urząd zeń pomocniczych. W szelkie odstępstwa od tej zasady prow adzą do w ystępow ania - czasem poważnych - problemów eksploatacyjnych.
LITERATURA
[1] W róblewska V.: W arunki pow staw ania i redukcji tlenków azotu w kot
łach energetycznych. E nergetyka 1989, n r 3 (B iuletyn IEn).
[2] Golec T., Bogucki B., W róblewska V.: A naliza num eryczna pracy kom ory paleniskowej kotła OP-650 w El. Dolna O dra z paln ik am i zm niejszający
mi em isję N 0 2. E nergetyka 1991, n r 1 (B iuletyn IEn).
[3] Bogucki B., W róblewska V.: Możliwości zm niejszenia emisji tlenków azotu z kotłów OP-650 w Elektrow ni Dolna O dra. E nergetyka 1992, n r 12 (Biuletyn IEn).
[4] Bogucki B.: M odernizacja instalacji paleniskowej ko tła EP-650 w Ele
ktrow ni Połaniec w celu obniżenia em isji NOx. E nergety ka 1993, n r 8, s. 259 + 262.
Recenzent: Dr hab. inż. M arek PRONOBIS
Wpłynęło do Redakcji 28.08.1994 r.
A bstract
The pap er p resents th e resu lts of optim izations w hich have been carried out on furnace in stallatio n s of boilers in power p la n ts Połaniec, Siekierki and Łódź 2. The aim of th e work w as a decrasing of NOx em ission from above m entioned pulverized black coal — fired steam generators. The first reconstruction h as been carried out in th e boiler O P -430 power p la n t Siekierki consisted in th e introduction of OFA ports and im provem ent of th e
coal fineness degree. The NOx level w as ca. 600 mg/m® and does not m eet the requ irem en ts which will come into force after 1997.
N ext m odernizations carried out in Łódź 2 and Połaniec p lan ts resu lted in satisfactory reduction NOx and combustion quality. It h a s been found th a t the grinding quality w ith R a 20-25% and R200 ^ 2,5% is sufficient. Uniform distribution of a ir and fuel betw een th e b u rn ers as well as appropriate air excess in th e b u rn ers are indispensable conditions to a ssu re stable ignition and m inim ize u nb u rn ed com bustible losses by Low-NOx combustion.
The pap er describes th e problem s effected proper operation of steam generators w ith Low-NOx furnace as well as th e m easu res of th e work of auxilliary equipm ent in order to avoid slagging and corrosion of furnace side walls.
