Osiągnięcia RAFAKO w zakresie redukcji emisji tlenków azotu

(1)

ZESZYTY NAUKOWE POLITECHNIKI ŚLĄSKIEJ Seria: ENERGETYKA z. 122

1994 Nr kol. 1262

Dam ian TOMAS

Fabryka Kotłów RAFAKO S.A., Racibórz

OSIĄGNIĘCIA RAFAKO W ZAKRESIE RED UK CJI EM ISJI TLENKÓW AZOTU

S tr esz c z en ie . W opracow aniu omówiono osiągnięcia RAFAKO w dziedzinie obniżenia em isji NOx dla kotłów węglowych z palnikam i tangencjalnym i. Dokonano przeglądu różnych w ariantów palników tangencjalnych, przypom niano stosow ane młyny, omówiono potencjalne negatyw ne zjaw iska mogące w ystąpić w niskoem isyjnym palenisku.

Przedstaw iono teoretyczne zależności wpływające n a redukcję tlenków azotu i przełożono je n a zasady projektow ania. Realizację zasad projek

tow ania podano n a przykładzie dwóch uruchom ionych obiektów, zapre

zentowano uzyskane dobre wyniki. N a koniec podano w a ria n ty nowej generacji palników niskoem isyjnych przew idziane do stosow ania przez RAFAKO.

ACHIEVEMENTS OF RAFAKO REGARDING REDUCTION OF NITROGEN OXIDES EM ISSION

Sum m ary. The p ap er discusses achievem ents of Rafako regarding reduction of NOx em ission for coal fired boilers w ith ta n g e n tia l burners.

A review of various options of tan g e n tia l b u rn ers w as m ade, applied m ills were listed and potential negative phenom ena, w hich m ay occur in a low NOx furnace, were discussed. T heoretical correlations affecting reduction of nitrogen oxides w ere p resen ted and ren d ered into design principles. Accom plishment of design principles w as shown on the exam ple of two s ta rte d u n its an d good resu lts obtained w ere presented.

Options of a new generation of low NOx b u rn ers w ere shown a t th e end, which are planned to be used by Rafako.

LEISTUNGEN DER FIRMA RAFAKO IM BEREICH DER REDUKTION VON STICKSTOFFOXIDEEM ISSIONEN

Z u sam m en fa ssu n g. In der A rbeit w urden die L eistungen Rafako’s im Bereich der NOx - E m issionbegrenzungen bei K ohlenkesseln m it T an gen tialbren nern besprochen. Dabei w urden verschiedene E ntw icklungsvarianten der T an g en tialbren n er dargestellt, eingesetzte

(2)

M ühlen erw ähnt und potentielle negative, bei em issionsarm er F euerung au ftretende Erscheinungen Besprochen. D argestellt wurden theoretische Relationen, die die R eduktion von Stickstoffoxiden beeinflussen. Diese Relationen w urden a u f die K onstruktionsprinzipien übertragen. Die Abwicklung der K onstruktionsprinzipien w urde am Beispiel von zwei in Betrieb genom m enen A nlagen geschildert; dabei w urden die guten Ergebnisse p räse n tie rt. Zum Schluß w urden die V arianten der em issionsarm en B renner neu er G eneration, die von Rafako zum E insatz vorgesehen sind, angegeben.

I. WPROWADZENIE 1. R e fe re n c je RAFAKO

RAFAKO n a przełomie la t 1989/90 rozpoczęło prace projektowe związane z obniżeniem emisji NOx m etodam i paleniskowym i. Opóźnienie naszego kraju w stosunku do czołowych pań stw św iata, w których problem ochrony środowi

ska m iał już wysoką rangę, sięgało w tedy kilkanaście l a t (ok. 15 la t w stosun

ku do Japonii i ok. 10 la t w stosunku do USA i Niemiec). Pierw sze nasze projekty (El. Dolna O dra K4 i W P-120) zostały w ykonane jeszcze przed ogłoszeniem Rozporządzenia M inistra Ochrony Środowiska, Zasobów N atu

ralnych i Leśnictwa z dnia 12.02. 1990. Rozporządzenie to, nakazujące po 1997 r. lim it emisji NOx dla w szystkich jednostek opalanych pyłem węglowym poniżej 170 g/GJ, zmobilizowało inwestorów do m odernizacji palenisk w celu uzyskania tego lim itu odpowiednio wcześniej. N asza lista referencyjna liczy obecnie 35 jednostek zakontraktow anych, w tym 22 pracujących, dalsze mo

dernizacje są zaoferowane. Rafako może oferować niskoem isyjne paleniska dla węgla kam iennego i brunatnego, n a suche i ciekłe odprowadzenie żużla, ale również n a olej i gaz w oparciu o palniki im portow ane.

2. P a ln ik i

Specjalnością RAFAKO są niskoem isyjne p alen iska z palnikam i tangen- cjalnymi, które rozwijamy samodzielnie. G eneralnie dla w szystkich obiektów, których modernizację zaprojektowaliśm y po ogłoszeniu Rozporządzenia, speł

niam y w ym agania obowiązujące od roku 1998.

Modernizację palenisk frontowych z palnikam i wirowymi realizujem y ko

rzystając z kupionych w 1992 r. dwóch licencji n a produkcję palników wiro

wych, tj. typu Babcock Energy Ltd i typu ECOENERGIA. Szczególnie ten pierwszy typ je s t godny zarekom endow ania. Dwa kotły z palnikam i tego typu są w fazie optymalizacji, trzeci w m ontażu.

3. M łyny

W rozw iązaniach zagranicznych palenisk niskoem isyjnych stosowane są praw ie wyłącznie młyny średniobieżne z suszeniem węgla powietrzem i ze stosowanym i bardzo dobrymi przem iałam i; n a ogół dzięki zastosowanym od

(3)

Osiągnięcia RAFAKO w zakresie redukcji emisji tlenków. 159

siewaczom dynamicznym. W nielicznych przypadkach stosowane są młyny bęb

nowe nowej generacji, również z suszeniem powietrzem i o bardzo miałkim pyle.

W w aru n k ach krajowych w ym agania staw ian e nam przez inwestorów są znacznie trudniejsze, ponieważ chcą oni utrzym ać istniejące młyny, mimo iż niejednokrotnie nie są one w skazane dla tych palenisk. Rozw iązania nasze sprawdziły się zarówno dla instalacji z m łynam i średniobieżnym i (typu RP i MKM), z powietrzem jako czynnikiem suszącym , ale również z m łynam i bębnowymi starej generacji z suszeniem m ieszaniną spalin i pow ietrza, przy dość grubym przem iale. Stosunkowo najm niej korzystne są m łyny w entylato

rowe, z suszeniem m ieszaniną spalin i pow ietrza i z uzyskiw anym grubym przemiałem.

4. S p a lan ie

M echanizm spalan ia w paln ik u niskoem isyjnym dla różnych czynników suszących m łyna różni się dość istotnie. Częściowy udział spalin do m łyna, inertyzującego czynnika dla zapłonu, powoduje w zrost tem p e ra tu ry n a wylo

cie z komory paleniskowej oraz zaw artości koksu w popiele w stosunku do paleniska konwencjonalnego. Przy suszeniu węgla pow ietrzem i względnie dobrym przem iale, n a wylocie z komory paleniskowej otrzym ujem y nieco niższe tem p e ra tu ry spalin w stosunku do p alenisk konwencjonalnych. Zbyt duży niedom iar pow ietrza w paln ik u może jed n a k tę zależność odwrócić.

5. Z jaw iska n e g a ty w n e to w a r z y sz ą c e n is k o e m is y jn e m u sp a la n iu P aleniska niskoem isyjne narażone są n a niekorzystne zjaw iska, tak ie jak:

szlakowanie, korozję w ysokotem peraturow ą, zbyt wysoką zaw artość części palnych w popiele lotnym , wysoką emisję CO. Stw ierdza się, że w naszych zmodernizowanych kotłach szlakow anie paleniska nie w ystępuje (poza jed nym przypadkiem z bardzo nieszczelnym paleniskiem ). N iskonadm iarow e spalanie powoduje, że w komorze paleniskowej w ystępuje większe zagrożenie korozją w ysokotem peraturow ą niż to było dotychczas. Z tego względu w bieżą

cym roku RAFAKO prowadzi akcję opom iarow ania ekranów kotłów zmo

dernizowanych króćcami, przez które będzie się m ierzyć zaw artości CO i 0 2 w strefach przyściennych. N a podstawie tych pomiarów zostaną wykonane „mapy”

najbardziej zagrożonych miejsc, w których trzeba będzie okresowo kontrolować grubość ścianki rur.

W dotychczasowych k o n trak tach n a niskoem isyjne p aleniska gw arantow a

liśmy emisję CO nie w iększą niż 250 mg/m® ss. T ak ą norm ę m ają kraje zachodnie o najbardziej rygorystycznych przepisach ekologicznych. Polskie przepisy państw ow e nie staw iają w ym agań dla CO.

Dla kotłów stosunkowo niskich m ieściliśm y się dotąd w powyższym zakre

sie, kotły zaś wysokie m ają n a ogół śladowe CO. W ostatn im okresie zostali

śmy zaskoczeni w ym aganiam i, jak ie postawiło n am kilk u naszych klientów, aby zagw arantow ać emisję CO n a poziomie 50 - 60 mg/m®, tj. 5-k ro tn ie

(4)

niższą niż przyjęta w świecie. Takie bowiem w ym agania postaw iły inwesto

rom lokalne władze ekologiczne. Dodać należy, że w ym agania powyższe doty

czą n a ogół kotłów m ałych o stosunkowo niskich kom orach paleniskowych.

Aby spełnić powyższe wym aganie, należałoby znacznie podwyższyć kocioł, co praktycznie je s t równoważne z jego w ym ianą.

W te n sposób Polska może zostać jedynym w świecie krajem , w którym wym ieniać się będzie kotły ze względu n a emisję CO. W nowej sytuacji wydaje się celowe, aby centralne władze ekologiczne uzupełniły Rozporządzenie z 1990 r. o dopuszczalną emisję CO.

6. Z ak res m o d ern iza cji o ferow a n ej p rzez RAFAKO

RAFAKO rozwiązuje kompleksowo problem y zw iązane z redukcją NOx.

Niżej przedstaw iono typowy zakres modernizacji:

- popraw a szczelności kotła, - w ym iana palników,

- zabudowa dysz OFA i / lub SOFA, - zm iany w ekranach,

- m odernizacja młynów,

- m odernizacja przewodów pyłowych,

- m odernizacja wentylatorów pow ietrza i w entylatorów młynowych, - ew entualna m odernizacja przegrzewaczy (dobudowa),

- ew entualna m odernizacja podgrzewaczy pow ietrza, - m odernizacja przewodów pow ietrza i klap regulacyjnych, - m odernizacja AKPiA w oparciu o wytyczne RAFAKO, - nowe wytyczne do uruchom ienia i prow adzenia kotła,

- precyzyjna regulacja i optym alizacja po rozruchu (wyk. RAFAKO bazując n a w łasnym sprzęcie).

7. K om p lek s p a r a m etr ó w w p ły w a ją c y c h n a z r e d u k o w a n ą w ie lk o ść em isji NOx

U zyskanie właściwej emisji NOx związane je s t z całą gam ą param etrów technicznych, wśród których do głównych zaliczyć należy:

a) param etry węglowe, w tym wszystkie p a ra m etry fizyczne ja k i wiele che

micznych,

b) param etry pyłu (jakość przem iału, koncentracja, w entylacja, rozdział pyłu i czynnika nośnego),

c) odpowiednia geom etria komory paleniskowej (obciążenia cieplne, czasy pobytu, lokalizacja palników w komorze paleniskowej, itd.),

d) p aram etry konstrukcyjne palnika (wysokość, szerokość, podziałka sekcji, podziały w obrębie pojedynczego palnika),

e) p a ram etry kinetyczne w palniku (szybkości, stosunki prędkości, rozdziały pow ietrza i pyłu, liczba wiru, itd.),

fi problem y bilansowe powietrza w obrębie kom ory paleniskowej.

(5)

II. PROCESY ZACHODZĄCE W NISKOEM ISYJNYM PALENISKU

1. W referacie podano w uproszczonej form ie jedynie podstawowe zależnoś

ci zachodzące w palenisk u niskoem isyjnym , m ające wpływ n a poziom em ito

wanego przez kocioł tlen k u azotu. Podane zależności m ają być pomocne w uzasadnieniu dalej przytoczonych zasad p rojektow ania palenisk niskoemisyj- nych.

2. Udział azotu w węglu surowym wynosi od 0,5 do 2% (w węglach polskich do 1,2%). Ulega on w znacznym stopniu przekształceniu w kom orach palenis

kowych kotłów n a tlen ek NO. W paleniskach kotłów węglowych zachodzą dwie g r u p y rea k cji decydujących o poziomie w y tw o r z o n e g o NO:

- reakcje te r m ic z n e g o NO, w których źródłem tle n k u je s t cząsteczkowy N 2 z pow ietrza do spalania, a głównym p aram etrem wpływającym n a jego poziom je s t te m p e ra tu ra płom ienia,

- reakcje p a liw o w e g o NO, w których źródłem NO je s t azot chemicznie związany w zw iązkach organicznych paliw a. Głównym param etrem wpły

wającym n a poziom NO je s t stężenie 0 2.

mg/m;*

Rys. 1. Ź ró d ła em ito w an eg o N O x (p rzy k ład ) F ig. 1. S ources of N O x em issio n

(6)

Proces tw orzenia się term icznego NO przebiega wg reakcji:

N2 + O -» NO + N

Udział term icznego NO w paleniskach węglowych z suchym odprowadze

niem żużla stanow i zaledwie od 20 - 30% całego wytworzonego tlenku. Domi

nujące w tw orzeniu NOx są więc reakcje paliwowego NO. Główną rolę w pow staw aniu NO paliwowego odgrywają części lotne. U dział NO w częściach lotnych może stanowić 60 i więcej % całości wytworzonego NOx.

Przy szybkim nagrzew aniu cząstek węgla (piroliza) w zakresie tem peratur 600 - 1000°C następuje wydzielanie w postaci gazowej następujących związ

ków azotu:

- cyjanowodoru HCN,

— am oniaku N H 3.

Ilość wydzielonych związków rośnie w raz ze wzrostem tem peratury , szyb

kością nagrzew ania i zm niejszaniem średnicy cząstki pyłu. Związki te reagują następnie do NO lub N2, w zależności od ilości tlenu.

Rys. 2. S ch em aty czn y b ila n s a z o tu paliw ow ego p rz y piro lizie Fig. 2. S ch em atic b ala n c e of n itro g e n in fu el d u rin g p y rolysis

Przy dostatecznej ilości tle n u HCN może przereagow ać docelowo poprzez serię reakcji do NO [6]. Am oniak N H 3 ulega u tlen ieniu do NH2, który wg [4]

je s t podstawowym rodnikiem redukującym pow stałe w płom ieniu NO do N2 wg reakcji zachodzącej z niedom iarem tlenu:

NO + N H 2 -> N 2 + H20

Aby ograniczyć ilość NO powstałego z części lotnych należy prowadzić proces spalan ia z ilością pow ietrza pierwotnego m niejszą od stechiometrycznej dla sp alan ia części lotnych [5].

(7)

- Pozostała ilość NO paliwowego pochodzi z azotu pozostałego w koksie, przy czym reakcje tego azotu przebiegają równolegle ze spalaniem węgla. We

dług [6] 30 do 70% azotu zaw artego w koksie przechodzi w postać gazowego HCN, k tóry szybko je s t przekształcany do NO.

- W ymienione 3 fazy pow staw ania tlenków paliwowych (wydzielanie w czę

ściach lotnych + reakcje po wydzieleniu + reakcje azotu z koksu) mogą przebiegać po sobie lub równolegle.

3. E m isja NO z paleniska je s t wypadkow ą reakcji tw orzenia NO i redukcji NO.

Tlenki term iczne, tlenki z części lotnych oraz z koksu mogą zostać częścio

wo zredukow ane w komorze paleniskowej, a redu k to ram i są:

- koks, przy czym redukcja w ystępuje n a jego powierzchni wg reakcji:

C + 2NO —> C 0 2 + N (z niskim 0 2), - rodnik NH2 (reakcja opisana w pkt. 2).

R ed u k cja p rzez k o k s zależy od koncentracji koksu, zaw artości 0 2, tem pe

ratury płom ienia, czasu pobytu. Im wyższa koncentracja koksu i te m p e ra tu ra , dłuższy czas pobytu oraz niższe 0 2, tym więcej NO redukuje się do N 2.

O p tym a ln ą r e d u k c ję NO m ożna by uzyskać przez zastosow anie jako reduktora gazu ziemnego, jed n a k je s t on praktycznie w krajow ych w arunkach niedostępny.

4. W paleniskach niskoem isyjnych w y m a g a s ię p y łu o drob n ej g r a n u la  cji, znacznie bardziej m iałkiego niż w paleniskach konwencjonalnych. Drobny przem iał je s t w ym agany dla stabilnego zapłonu, dla u zysk ania części palnych w popiele lotnym poniżej 5%, ale również dla zapew nienia szybkiego spalania części lotnych i szybkiej pirolizy.

Drobno zmielone ziarn a m ają w iększy stosunek powierzchni do m asy, stąd ogrzewają się i odgazowują szybciej, zapew niając spalanie ziaren koksu jedno

cześnie z częściami lotnym i. Pozwala to przy sp alaniu podstechiom etrycznym w palenisku n a redukcję pozostałych tlenków azotu. Aczkolwiek szybsza re a k cja z tlenem powoduje pow staw anie więcej NO, pow staje jed n a k również więcej rodnika N H 2. W efekcie przew aża efekt redukujący. S tąd w takich samych paleniskach i dla tych sam ych paliw em isja NO dla przem iału drobne

go je s t nieco niższa niż dla przem iału grubszego.

III. ZASADY PROJEKTOWANIA PALENISK TANGENCJALNYCH Z NISKĄ EM ISJĄ NOx

1. N a podstaw ie podanych zależności teoretycznych m ożna przyjąć, że sy

stem y sp alania niskoem isyjnego oparte są n a trzech głównych zasadach [1]:

A. O b n iżen ie m a k sy m a ln y c h te m p e r a tu r p ło m ie n ia i w p a le n isk u .

(8)

B. R ed u k cja s tę ż e n ia tle n u w z d łu ż d ro g i sp a la n ia . C. P o d tr z y m y w a n ie s tę ż e n ia r o d n ik ó w w p ło m ie n iu .

Przy zachowaniu powyższych zasad w ym agane je s t jednocześnie, aby spa

lanie było zupełne, a stra ty niecałkowitego sp alania n a podobnym poziomie ja k w paleniskach konwencjonalnych. W praktyce w większości przypadków m usi dojść do pewnego kom prom isu w tych w ym aganiach, co oznacza, że w ystępuje zarówno powiększona zawartość części palnych w popiele lotnym, ja k i zauw ażalna zawartość CO w spalinach wylotowych z kotła.

2. Zasady wymienione w pkt. A, B, C m ożna przełożyć n a poniższe z a le ż n o śc i k o n str u k c y jn o -e k sp lo a ta c y jn e p rzy p r o jek to w a n iu ni- sk o e m isy jn y ch p a le n is k ta n g en cja ln y ch :

1) Powiększona powierzchnia przekroju paleniska (realizuje zasadę A)

2) W iększe rozstaw ienie dysz pyłowych palnika (realizuje zasadę A)

3) Stopniowanie pow ietrza w strefie p alnika (pozwala n a realizację zasad B i C)

4) Stopniowanie pow ietrza w palenisku n ad palnikiem (pozwala n a realizację zasad B i C)

5) Stopniowanie paliw a

(pozwala n a realizację zasad B i C) 6) Polepszony przem iał pyłu węglowego

(pozwala n a realizację zasad A, B, C).

Zrealizowanie zależności z pkt. 1) je s t możliwe tylko dla kotła nowo proje

ktowanego. Pozostałe zależności (pkt. 2) ■+■ 6)) możliwe są do zrealizowania w zakresie typowego retrofitu.

IV. PRZEGLĄD MOŻLIWOŚCI REALIZACJI ZASAD REDUKCJI NOx NA PRZYKŁADZIE ZMODERNIZOWANYCH KOTŁÓW W DWÓCH ELEKTROWNIACH

1. Dla przeanalizow ania możliwości zrealizow ania podanych w rozdziale III.2, p k t 1) do 6) zależności konstrukcyjno-eksploatacyjnych palenisk wyko

nano porównanie rozw iązań zmodernizowanych palenisk dla dwóch pracują

cych elektrowni. Celowo wybrano przy tym kotły w Elektrow ni DOLNA OD

RA (bloki 200 MW) i w Elektrow ni OPOLE (bloki 360 MW). Obydwie elek

trow nie spalają podobne węgle, m ają po 5 młynów (różnego typu), a param e

try geometryczne, kinetyczne i cieplne komór paleniskowych tych kotłów różnią się znacznie. Elektrow nie te zostały zaprojektow ane pierw otnie na zupełnie inne wym agania, natom iast w ym agania odnośnie do emisji NOx są podobne.

W tablicy 1 podano porównanie charakterystycznych param etrów węgli.

(9)

T a b lic a 1 P o r ó w n a n ie c h a r a k t e r y s t y c z n y c h p a r a m e t r ó w w ę g li d w ó c h e le k t r o w n i

W ielkość O z n a

czenie

J e d n o s tk a

E le k tro w n ie

D O LN A O DRA (K7) O PO L E (K I)

W artość opałow a Qr M J/k g 23 23-e 27

Wilgoć całk o w ita W r % 6 10 + 8

Popiół Ar % 24 18 + 8

Części lo tn e ydaf % 36 38 + 39

nto _ w ęgiel zw iązan y częścilotne

Cfix

V - 1,76 1,6 + 1,65

Azot N daf % 1.4 1,3 + 1,5

Chlor Cl % 0,32 n ie m ierzo n y

2. ANALIZA ZALEŻNOŚCI PODANYCH W ROZDZIALE III.2

P o w ięk szo n a p o w ie r z c h n ia p rzek ro ju p a le n is k a i w ię k s z a w y so k o ść palnika

Obydwa te p aram etry geometryczne m ają wpływ n a poziom te m p e ra tu r w komorze paleniskowej. Porów nanie komór paleniskowych obydwu kotłów przedstaw ia rys. 3 i tabl. 2.

S to p n io w a n ie p o w ie tr z a w s tr e fie p a ln ik a

Stopniow anie pow ietrza w strefie p aln ik a pozwala n a zapew nienie s tre f z niedoborem tlenu, co wpływa korzystnie n a pow stanie rodników w pływ ają

cych n a redukcję NOx, oddziałuje też korzystnie n a szybkość zapłonu pyłu.

Stopniowanie pow ietrza w strefie p aln ik a może być realizow ane poprzez po

dział dyszy pow ietrza wtórnego n a sekcje, zastosow anie koncentrycznego wy

pływu części lub całości pow ietrza itp.

S p o s ó b r e a liz a c j i

EL. D O LN A O DRA (M odem .) EL. O P O L E (M odem .) 1. Z astosow ano p o d ział dysz w poziom ie

n a 2 części (rys. 4b)

1. D la K I, K 2 zasto so w an o w ypływ stre fo w y p o w ie trz a w tó rn eg o przez zasto so w a

n ie p rzeg ró d pionow ych (rys. 5a, 6a) 2. Z astosow ano k o n cen try czn y w ypływ

p o w ietrza z 1 części dyszy po w ietrza (rys. 4b)

2. D la K3, K 4 zastosow ano po części wypływ strefow y, zaś w części d ru g iej dyszy po

w ie trz a w ypływ k o n cen try czn y (rys. 5b, 6b)

(10)

wydajność 650 1150 (t/h]

obciążenie

^ przekroju komory

ciepto doprowadzone do p a lan isk a

@ KOCIOŁ O P -6 50 EL. DOLNA ODRA

0 KOCIOŁ BP-1150 EL- OPOLE

Rys. 3. P o ró w n an ie głów nych zależności g eom etrycznych i cieplnych w k om orze palen isk o wej dw óch kotłów

F ig. 3. C o m p ariso n of g e n e ra l g eo m etrical a n d th e r m a l v a lu e s in com b u stio n c h a m b e r of tw o bo ilers

(11)

T a b lic a 2 P o r ó w n a n ie p a r a m e t r ó w c h a r a k t e r y s t y c z n y c h p a le n i s k a

Lp. P a r a m e tr Je d n .

E le k tro w n ie D O L N A ODRA

K7

O PO L E K I

1 Moc b lo k u N M W el 200 360

2 O bciążenie p rz e k ro ju MW

m 2

4,6 4,4

3 O bciążenie p a s a palnikow ego

MW m 2

2,36 1,88

ópaln

0•

••

•

••

O•

•

1,9 1,44

4 N a d m ia ry p o w ietrza

w p a ln ik u głów nym n paln - 0,97 1,05

n a w ylocie z kom ory

paleniskow ej n k ^pa[ _ _1,17 _1,25

5 C zas p o b y tu w k om orze p alen isk o w ej d la re d u k c ji

se k 1,28 1,13

Tl

o•

••

•

•o

1,05 0,7

6 C zas pobytu w kom orze

p alen isk o w ej d la d o p a la n ia T2 se k 1,16 1,62

O c e n a p a r a m e t r ó w

EL. D O L N A ODRA (M odern.) EL. O P O L E (M odem .) 1. P rzek ró j kom ory zdecydow anie za m ały

d la niskoem isyjnego p a le n is k a

1. P rzek ró j ko m o ry duży, odpow iedni dla n isk o em isy jn eg o p a le n is k a

2. W ysokość p a ln ik a n is k a m im o pow ięk

s z e n ia w s to s u n k u do p a ln ik a k o n w e n cjonalnego

2. W ysokość p a ln ik a n iż s z a n iż sto so w an a w ro z w ią z a n ia c h z ag ran iczn y ch

S to p n io w a n ie p o w ie tr z a w p a le n is k u

Należy do głównych param etrów wpływających n a jakość płom ienia, na powstawanie rodników i w efekcie n a wielkość em itow anego NOx. N iestety,

(12)

a. P A L N I K K O N W E N C J O N A L N Y

h P A L N IK N I S K O E M I S Y J N Y

Rys. 4. EL. D O LN A ODRA - P o ró w n an ie dw óch typów paln ik ó w Fig. 4. D O LN A O DRA P.S. - C o m p ariso n of tw o b u r n e r ty p es

1 040

(13)

Osiągnięcia RAFAKO w zakresie redukcji emisji tlenków...

S Y L W E T K I P A L N I K Ó W

I !

Rys. 5. EL. O PO L E - P o ró w n a n ie p a ln ik ó w K I i K3 Fig. 5. O PO L E P.S. - C o m p ariso n o f b u rn e r s K I a n d K3

K1 K3

Fig. 6. O PO L E P .S . — A ir nozzle

169

(14)

może oddziaływać również w sposób zasadniczy n a szlakowanie, korozję, zaw artość CO w spalinach i części palne w popiele lotnym. J e s t realizowane w postaci dysz OFA, SOFA, UFA itp. Ilość pow ietrza do OFA w ah a się od 10 + 25% ilości stechiometrycznej, a pow ietrza do SOFA 15 + 20%. Przy jednoczes

nym występow aniu obu systemów sum a nie przekracza 35%.

EL. D O LN A ODRA (M odem .) E L. O PO L E (M odem .)

1. D la K 4 zastosow ano SO FA n a 15% po

w ie trz a (m odernizacja nie zakończona)

1. D la K I i K2 zastosow ano SO FA n a n = 20%

2. D la K7 i 8 zastosow ano SO FA n S0FA = 20% (rys- 7 i 8)

i q u a s i OFA (UFA), o n a d m ia rz e - n OFA = 1 0 %

2. D la K7 i K 8 zastosow ano SO FA n a n = 20%

i O FA n a n = 10% (rys. 9, 10, 11)

Rys. 7. EL. D OLN A ODRA - Z estaw ie n ie w ielkości geom etry czn y ch , cieplnych i kinetycz

n y ch w kom orze palen isk o w ej

Fig. 7. G eom etrical, th e r m a l a n d k in e tic v a lu e s a rr n a n g e m e n t in co m b u stio n ch am b e r

(15)

SO FA [ □ □ SO F A

O FA

— — —

PA LN IK PA LN IK

— U FA —

S Y S T E M S Y S T E M S Y S T E M S Y S T E M

OFA S O F A U F A OFA + SO FA

Rys. 8. EL. D OLN A ODRA, K7 - S c h e m a t n a ro ż a p aln ik o w eg o w ra z z o p o m iaro w an iem i o rg a n a m i reg u lacy jn y m i. O b ja śn ie n ie oznaczeń s to p n io w a n ia p o w ie trz a

Fig. 8. T he b u r n e r reg io n o f b o iler K7. E x p la n a tio n o f a ir g ra d a tio n s d e sig n a tio n

(16)

I OJ ||

m

1 'T ID

¿.I 1 li

s

Rys. 9. EL. O PO L E , K3 — S c h e m a t n a ro ż a p alnikow ego Fig. 9. S k e tc h o f b u rn e r co rn er

(17)

Rys. 10. EL. O PO L E (K I) - P a r a m e tr y c h a ra k te ry s ty c z n e k o m o ry p alen isk o w ej Fig. 10. O PO L E P.S. (K I) - C h a ra c te ris tic p a r a m e te r s o f comb, c h a m b e r

S to p n io w a n ie p a liw a w s tr e fie p a ln ik a

Technologia ta może być realizow ana różnym i sposobami:

- przez pionową asym etrię dysz pyłowych jednego palnika.

Uzyskuje się przez to dysze paliw a ubogie w tlen, zwiększające tworzenie rodników,

- przez rozdział pyłu o różnej koncentracji do dwóch sąsiednich dysz palnika jednego m łyna. U zyskuje się przez to strum ien ie bogate i ubogie w paliwo

(palnik PM), rys. 12.

(18)

P A L N I K I

I

D Y S Z E O F A

Rys. 11. EL. O PO L E - D yspozycja p a ln ik ó w i dysz SO FA Fig. 11. O PO LE P.S. - B u rn e rs a n d SO FA se ttin g s

(19)

Osiągnięcia RAFAKO w zakresie redukcji emisji tlenków. 175

B - b o g a t y , U - u b o g i

Rys. 12. W a ria n ty ro z d z ia łu w p a ln ik a c h ty p u PM Fig. 12. A lte rn a tiv e s p.f. d is trib u tio n in P M b u rn e r s

- przez zróżnicowanie obciążenia młynów (wyższe dla dyszy najniższej)

EL. D O L N A ODRA (m odern.) EL. O P O L E (m odern.) 1. Z astosow ano zróżnicow ane obciążenie

m łynów

1. Z asto so w an o zróżnicow ane k o n c e n tra cje w pionie (dla jed n eg o p a ln ik a ) i w po

ziom ie (m iędzy p a ln ik a m i)

P o lep szo n y p r z e m ia ł p y łu w ę g lo w e g o

M iałki pył pozwala n a osiągnięcie nieco niższej emisji NOx, um ożliwia spalanie podstechiom etryczne, uzyskanie niskiej zaw artości części palnych w popiele. Rozw iązania zachodnie i japońskie preferu ją odsiewacze dynamiczne, zapewniające pozostałość n a sicie 150 mikronów rów ną 0%.

W rozw iązaniach krajowych dla młynów średniobieżnych popraw a p rze

miału je s t uzyskiw ana przez m odernizację separatorów statycznych lub do

datkowo u k ład u mielącego. W pojedynczych przypadkach stosow ane są rów

nież odsiewacze dynamiczne.

(20)

E L. D O LN A ODRA EL. O PO L E

1. Z astosow ano m łyny M K M -25 ze zm o

d ern izo w an y m i odsiew aczam i, dające przem iały:

R 9o = ok. 24% (...30%) R200 = ok. 1% (...3%)

2. Z astosow ano m ły n y rolkow e R P -1043x n ie m o d ern izo w an e, d ające b ard zo dobry przem iał:

R90 < 20% (...12%) R200 < 1% (...0,3%)

3. O s ią g i o b y d w u k o tłó w EL. DOLNA ODRA

W pierwszym m odernizowanym kotle n r 4 uzyskano redukcję NOx ok. 50%, mimo to norm a 1998 r. przy niekorzystnych w arian tach pracy młynów jest nieco przekroczona [9]. W r. 1995 przew idujem y dokończenie modernizacji K4.

Kolejne modernizacje przeprowadzono dla kotłów n r 7 i 8, w których dokonano korzystnych zm ian konstrukcyjnych. Uzyskano bardzo dobre wyniki, przed

staw ione n a rys. 13, przy redukcji zbliżonej do 70%, [10], [11].

Bardzo dobre wyniki uzyskano w całym zakresie obciążeń kotła. Podkreślić należy utrzym anie korzystnego poziomu emisji przy niskich obciążeniach kotła, co stanow i w wielu zagranicznych rozw iązaniach problem tru d n y do opanowania.

W tabl. 3 podano wpływ w ariantów pracy młynów n a wielkość emisji NOx, dokum entując ponownie wyniki z rys. 13.

T a b lic a 3 EL. D O L N A O D R A

W p ły w w a r ia n t ó w p r a c y m ły n ó w n a e m is ję N O x W a ria n t p racy

m łynów

C zynne dysze

p a ln ik a Z aw arto ść O2 [%] NO* ( 0 2 = 6%) (m g /m l ss)

M 1 ,2 , 3, 4

O•

••

•

3,0 320

M 2 , 3 ,4 , 5

••

3,0 409

M 1 ,2 , 4, 5

••

3,0 380

Bardzo n isk ą emisję NOx potwierdziły również kompleksowe badania kotła przeprowadzone przez In sty tu t E nergetyki w m aju 1994 r. [12], [13], [14].

(21)

KONCENTRACJA NOx w SPAL MACH DLA RÓŻNYCH WARIANTÓW PRACY PALENISKA

GÓRNE

/M V

GÓRNE ML.

V / /

^REDUKCJA

REDUKCJA

M 5.1.3.4

/ / / ^{GÓRNE ML} ^{GÓRNE ML.}

. 7 7 " \ \ \ ^{M 5.2.3.4}

\ W

1300

1200

1100 1000 900 800 700 600

500

400

300

200

100

K7 K7 K8 K8 K A

190 MW 2 0 0 M W 2 0 0 MW 2 0 0 MW 2 00 MW 0 2-3 .3 X 0 2-3 Z 0 2 -4% 0 2 -3 .2 X 0 2-3 Z

PRZED PO PRZED PO PO

MODERN. MODERN. MODERN. MODERN. MODERN.

ZUZEL

POPIÓŁ

Rys. 13. EL. D O LN A O DRA - P o ró w n a n ie efektów m o d ern izacji p a le n is k a Fig. 13. D O LN A O DRA P.S. - C o m p ariso n o f th e effects on m o d ificated com b u stio n

c h a m b e rs

(22)

EL. OPOLE

M odernizacja paleniska K I została przeprow adzona n a już zmontowanym kotle, przed jego pierwszym uruchom ieniem . Z konieczności zakres moder

nizacji nie mógł być zbyt wielki. Kocioł posiada 6 młynów (2 rezerwowe), przy czym jeszcze przed uruchom ieniem przyjęto, że m łyn zasilający najwyższy p alnik w zasadzie nie będzie uruch am ian y (tylko w specjalnych stanach awaryjnych). Istniejący przegrzewacz naścienny w górze kom ory palenisko

wej lim itował poziom zabudowy dysz SOFA.

Szacuje się, że gdyby nie wprowadzić paleniskowych rozw iązań obniżają

cych NOx, stężenie tlenków azotu wahałoby się w zależności od w ariantu pracy m łyna n a poziomie 650 -5- 950 mg/m„ ss, ( 0 2 = 6%). Zastosowane rozwią

zania obniżające emisję bez SOFA obniżyły ten p a ra m e tr do poziomu 550 + 850 mg/m® ss.

Redukcję pozostałą uzyskano in stalacją SOFA i popraw ieniem przem iału w m łynach. W efekcie całościowym uzyskano obniżenie NOx do poziomu 280 + 400 mg/m® przy zaw artości części palnych w popiele lotnym średnio 3% (... 5%) i zadowalającej zaw artości tlen k u węgla (poniżej 150 mg/m®).

Szczegółowe wyniki uzyskane n a K I podaje tabl. 4.

T a b lic a 4 E l. O PO LE

W p ły w w a r ia n t ó w p r a c y m ły n ó w n a o s i ą g i p a le n i s k a n is k o e m is y j n e g o (K I)

W a ria n t C zynne Z aw arto ść O2 S tę ż e n ie N O x Z a w arto ść

części Z aw artość

p ra c y m łynów dysze p a ln ik a [%] [mg/mnJ

( 0 2 = 6%) p a ln y c h w p opiele [%1

CO [mg/m®]

( 0 2 = 6%)

$ _8_

M 1 ,2 , 3, 4 i ł 1••

4,2 280 3,1

8 X M 2 , 3 ,4 , 5 1 X: 8

4,2 340 + 400 3 - 5 - 5 75 -5- 120

X1

M 1, 2, 4, 5 t

8 i :

4,27 250 + 300 3,3 -5- 3,6

W yniki n a K2 są jeszcze lepsze.

(23)

V. MOŻLIWOŚĆ REDUKCJI NOx DLA RÓŻNYCH ROZWIĄZAŃ PALENISK TANGENCJALNYCH (odniesione do 0 2 = 6%) 1. KONW ENCJONALNE PALENISKO TANGENC.

(dla dużych i m ałych komór)

2. KONW ENCJONALNE PALENISKO + SOFA 3. KONW ENCJONALNE PALENISKO + OFA + SOFA 4. PALNIK KONCENTRYCZNY + OFA + SOFA +

OBNIŻONY NADMIAR POWIETRZA

5. PALNIK ASYMETRYCZNY W PIO N IE + SOFA 6. PALNIK PM + OFA + SOFA

7. POPRAWA PRZEMIAŁU DO POZIOMU UZY

SKIWANEGO W ODSIEWACZACH DYNAMI

CZNYCH

800 -5-1200 mg/m®

400 - 650 350 -h 550 300 h- 450 400 "ś- 450 300 400

redukcja o dalsze ok. 50 mg/ m®

Osiągi podane w pkt. 2, 3, 4 znalazły potw ierdzenie w rozw iązaniach RA

FAKO. A ktualnie realizow ane są w RAFAKO projekty dla w ersji 6. Z zesta

wienia wynika, że stosując odpowiednio szeroki zakres m odernizacji palenis

ka możliwe je s t uzyskanie stężeń NOx jeszcze niższych od obowiązujących po 1997 r., tj. n a poziomie poniżej 400 mg/m® (140 g/GJ).

W m iarę ja k kraje U N II E U R O P E JS K IE J będą obniżały swoje normy, RAFAKO zmierzać będzie w paleniskach tangencjalnych do emisji n a pozio

mie 300 350 mg/m® (ok. 120 g/GJ).

Nasze opracow ania teoretyczne zw iązane z możliwościami obniżenia NOx oraz osiągi m iędzy innym i n a kotłach w El. Opole i El. Dolna O dra w ykazują, że możliwości tak ie istnieją.

PODSUMOWANIE

C zteroletnie prace w RAFAKO, zw iązane z obniżaniem emisji NOx w kot

łach węglowych, zaowocowały zaprojektow aniem kilkudziesięciu jednostek, z których większość je s t ju ż uruchom iona. Specjalnością RAFAKO są niskoemi- syjne palniki strum ieniow e własnej konstrukcji, pracujące w układzie tengen- cjalnym. RAFAKO projektuje i przeprow adza kom pleksow ą m odernizację kot

łów, obejmującą: instalacje pyłowe, m łyny, instalacje pow ietrzne, część ciśnie

niową kotła, autom atykę, itd.

Poprawne rez u lta ty w zakresie redukcji NOx, tj. uzyskanie emisji poniżej 170 g/GJ, obowiązującej po 1997 r., uzyskano w większości obiektów, mimo stosowania różnego typu młynów (średniobieżne, w entylatorow e, bębnowo- kulowe), nieraz bardzo niekorzystnych w technice niskoem isyjnego spalania.

(24)

I m3 s s

mq m j ss B, F, IR ,S ,W B

PL

650

1 u s o k. 570

1

4 7 0

420 H. P

1 U S " "

4U0 1

N, W, B * D

I J

1 US * * *

410

2 80

2 0 0

U E * * * - ''

1 1 1

B - B e l g i o H - H o la n d io 1 US - USA D - D o nio P - P o r lu g o lia j - J a p o n i a F - F ra n cja N - N ie m cy

IR - Irla n d ia W — W ło c h y S - S z w e c ja UE - Unia E u ro p e js k a WB - W ie lk a B r y t. PL - F a ls k a

* - od 1996

n a s tę p n a fa z a z m ia n y d o c e lo w o

Rys. 14. P rz e g lą d w ielkości do p u szczaln y ch em isji N O x d la now ych bloków w k ra ja c h Unii E u ro p ejsk iej, U SA i Ja p o n ii, w g [2]

Fig. 14. R etro sp ectio n of p e rm itte d N O x em issio n s for n ew u n its in E u ro p e a n U nion c o u n trie s, U SA a n d J a p a n

Przytoczone osiągi w El. Dolna O dra i El. Opole dokum entują nasze możli

wości. Dla najnowszych projektów RAFAKO spodziewane są emisje n a pozio

mie 140 g/GJ i niżej.

LITERATURA

[1] K uiper H.: Low NOx tan g en tial firing. (Artykuł konferencyjny 1993 r.).

[2] Salvaderi L. i inni: Em ission control com parison of th e US and Western E uropean approaches.

[3] Gaujacq G. i inni: Flue gas tre a tm e n t te s t in boiler furnaces (artykuł konferencyjny 1993 r.)

(25)

[4] Albrecht W.: NOx - Emissionen aus Kohlenstaubflamm en VGB 1992, n r 7.

[5] W róblewska V. i inni: P alniki pyłowe o niskiej emisji NOx. E nergetyka, 1993, n r 3.

[6] Ferens W. i inni: Rozpoznanie literatu ro w e i an aliza modeli m atem aty cznych pow staw ania NOx w tu rb u len tn y m płom ieniu pyłowym. ITC i MP Politechniki Wrocławskiej. Spraw ozdanie n r 50/92.

[7] Tomas D.: Osiągnięcia i zam ierzenia RAFAKO S.A. w redukcji emisji NOx dla kotłów węglowych, styczeń 1994 (nie publikowane).

[8] Tomas D.: Przegląd możliwości obniżenia tlenków azotu em itow anych z kotłów węglowych. Propozycje RAFAKO, p aździernik 1988 (nie publiko

wane).

[9] W yniki pom iarów stężenia NOx w spalinach z kotła O P -650 (K4) w El.

Dolna Odra. RAFAKO - ENERGO, lu ty 1994.

[10] Spraw ozdanie robocze z prac regulacyjnych, b ad ań optym alizacyjnych i pomiarów instalacji młynowej kotłów O P-650 n r 7 i 8 w El. Dolna Odra z zastosowanym i palnikam i niskoem isyjnym i. RAFAKO - ENERGO, styczeń 1994.

[11] W ykonanie pom iarów w entylatorów pow ietrza, szczelności podgrzew a

czy pow ietrza oraz emisji NOx w kotłach O P -650 n r 4, 7 i 8 w El. Dolna Odra, In sty tu t E nergetyki, czerwiec 1993.

[12] Ocena w arunków pracy kotła O P -650-050 n r 7 w El. Dolna O dra po m odernizacji i zabudowie palników niskoem isyjnych. In sty tu t E nergety

ki, maj 1994.

[13] Ocena w arunków pracy kotła O P -650-050 N r 8 w El. Dolna O dra po m odernizacji i zabudowie palników niskoem isyjnych. In sty tu t E nergety

ki, maj 1994.

[14] Kompleksowe b ad an ia kotła O P -650-050 n r 8 w El. Dolna Odra. In sty tu t E nergetyki, maj 1994.

[15] Spraw ozdanie z I etap u b adań optym alizujących proces sp alan ia w kotle n r 1 El. Opole. Energopom iar, lipiec 1993.

[16] Spraw ozdanie z bad ań zespołów młynowych I bloku El. Opole. INTROL Opole, w rzesień 1993.

[17] Spraw ozdanie z pom iarów składu spalin w w arstw ie przyściennej kotła B P-1150 n r 1 w El. Opole. Energopom iar, styczeń 1994.

[18] Rozporządzenie M in istra Ochrony Środowiska, Zasobów N atu raln y ch i Leśnictw a z dn. 12.02.1990.

Recenzent: Prof. d r hab. inż. Ludw ik CWYNAR

Wpłynęło do Redakcji 25.08.1994 r.

(26)

A b stract

The four years of research work on NOx reduction in th e coal fired boilers contributed to th e designs of dozens of u nits. A v a st m ajority of them have already been p u t into operation.

RAFAKO S.A. specializes in low NOx je t b u rn ers of its own design which operate in th e tan g en tial arrangem ent.

RAFAKO S.A. designs and m akes complete m odernizations of boilers. The include pulverized coal installations, air system s, boiler p ressu re p a rt, control and in stru m en tatio n equipm ent, etc. Satisfactory resu lts in NOx reduction, i.e. getting below 170 g/GJ (this em ission level is obligatory after th e year 1997) have been achieved on m ost of th e u n its despite th e application of various types of m ills, som etim es not very favourable to th e low NOx firing techniques.

The aforem entioned figures from Dolna O dra and Opole Power Stations considerably lower from 170 g/G J provide th e evidence for our capabilities. In our la te s t projects we expect to lower th e em ission down to 140 g/GJ or even lower, th a n k s to application of better, m ore m odern solutions, which are listed a t th e end of th e paper.