Viola WRÓBLEWSKA, J a n ŚWIRSKI, Jerzy SZYMCZAK In sty tu t E nergetyki, W arszaw a
Feliks SERANT
Sybtechenergo, Nowosybirsk, Rosja
NOWE ROZWIĄZANIE NISKOEM ISYJNYCH
PALNIKÓW STRUMIENIOWYCH W KOTLE W P-120
S tre s z c z e n ie . W arty k ule przedstaw iono nową konstrukcję p aln i
ków strum ieniow ych n a pył węglowy, um ożliw iających obniżenie emisji NOx. Omówiono szczegóły konstrukcyjne rozw iązania i sposób obniże
n ia tlenków azotu w spalinach. Przedstaw iono re z u lta ty p rac pom iaro
w o-badawczych przeprow adzonych n a kotle W P-120.
NEW LOW -EM ISSION J E T BURNER DESIGN
S u m m a ry . The p ap er p resen ts new design of je t-ty p e coal du st b u rn ers w ith reduced NOx emission. C h aracteristic featu res of this design are discussed, as well as principles of operation. Scope and resu lts of tests, perform ed on a W P-120 boiler w ith new low—emission combustion system installed, are also described.
HOBAfI KOHCTPYKHM9 TOPEJIKH CO CHMŻKEHOfł 3MHCCHEË OKOTflOB A30TA
Pe3K)Me. B ąoKJiaą,e npeącTan/ieHa H O B a a K O H C T p y K n w » cTpyihrux ropejiox c noHHxceHOH 3MHCcneñ N O x. O roB opeH U o c o ô c h h o c t h KOHCTpyxpHH h c n o c o d C HH XCeHHH OKCHflOB a30Ta B I’OpCjIKC. IïpeflCTaBJieHbl pe3yjIbTaTU TeCTOBhlX H c n H T a H H H ropeJiOK n p o B e ą e H H u x H a KOTjie WP-120.
1. W STĘP
M odyfikacja procesu spalan ia w kotłach energetycznych, połączona z wy
m ianą palników pyłowych n a niskoem isyjne, je s t tan im i skutecznym sposo
bem zm niejszenia emisji tlenków azotu do atm osfery. P alnik i niskoem isyjne mogą zredukować emisję NOx n aw et o 50% bez pogorszenia efektów ekonomicznych spalan ia paliw stałych.
Lublin-W rotków z zainstalow anym i palnikam i niskoem isyjnym i strum ienio
wymi nowej generacji [1], B adania kotła W P-120 przeprowadzono w ramach projektu celowego, którego wykonawcą je s t firm a ECOENERGIA.
2. OPIS KONSTRUKCJI PALNIKÓW I DYSZ OFA
Koncepcja niskoemisyjnego sp alan ia w kotle W P-120 polega n a zastosowa
n iu niskoem isyjnych palników strum ieniow ych z regulow anym rozdziałem pow ietrza w obszarze w ydzielania się części lotnych i zapłonu oraz wprowa
dzeniu dodatkowego pow ietrza do komory paleniskowej przez dwustopniowy system dysz pow ietrza górnego (OFA). Szkic wym iarowy p alnik a oraz rozmieszczenie dysz pyłowych i pow ietrza wtórnego w przekroju poziomym komory paleniskowej pokazano n a rys. 1.
Cechą charakterystyczną tego rozw iązania je s t um ieszczenie dysz powie
trz a wtórnego i dysz pyłowych, zasilanych przez jeden m łyn, n a tym samym poziomie, przy czym powietrze w tórne w każdym paln iku rozdziela się n a dwa strum ienie, z których jeden skierow any je s t wzdłuż stru m ien ia paliw a, zaś drugi równolegle do ściany komory paleniskowej. Zarówno dysze pyłowe, jak i dysze pow ietrza wtórnego m ają k sz ta łt pionowych szczelin.
Pow ietrze OFA doprowadzone je st do kom ory paleniskowej n a dwóch pozio
mach:
- pierwszy poziom - ok. 3 m powyżej palników głównych, - drugi poziom - ok. 7,5 m powyżej palników głównych - rys. 2.
Dysze pow ietrza OFA skierowane są n a większe koło w iru i w przeciwnym kieru n k u aniżeli dysze pyłowe. K onstrukcja dysz OFA um ożliw ia zmianę wielkości koła w iru dzięki zastosow aniu klapy sterującej rozdział strum ienia pow ietrza n a dwa wyloty usytuow ane pod różnym i kątam i.
System doprowadzenia pow ietrza do palników głównych i dysz OFA, wypo
sażony w zwężki pomiarowe i klapy regulacyjne, umożliwiające dostosowanie ilości pow ietrza do obciążenia młynów, włączony je s t do u k ład u autom atyki kotła [2],
W celu popraw y jakości przem iału zmodernizowano sep arato ry w młynach M W k-16, przy czym podczas prowadzonych b ad ań zm odernizowane były tyl
ko dwa separatory: w młynie A, zasilającym górny rząd palników i m łynie C, zasilającym dolny rząd palników. M odernizacja separatorów polegała na wprow adzeniu dodatkowych kierownic przed wlotem pyłu n a łopatki separa
to ra oraz zainstalow aniu przysłony n a tylnej ścianie separatora.
Rys. 1. Szkic wymiarowy palnika oraz rozmieszczenie palników w komorze paleniskowej Fig. 1. Dimensional sketch of the bum er and bum er locations in the combustion chamber
Rys. 2. Konstrukcja dysz OFA oraz rozm ieszczenie dysz w kotle W P -120 Fig. 2. D esign of OFA nozzles and th eir locations in the W P -1 2 0 boiler
3. ZAKRES BADAŃ KOTŁA
Zakres przeprowadzonych badań ilu stru je tablica 1. Podstawowe pomiary bilansowe u kładu m łynowo-paleniskowego wykonano przy pełnej wydajności k otła (pom iary 1 + 18). Celem pomiarów przy niskich obciążeniach kotła (pomia
ry 20 h- 22) było przede wszystkim spraw dzenie m inim um technicznego kotła, k tóre przy pracy młynów A i C wynosi poniżej 50% obciążenia nominalnego.
T a b lic a 1 Z e s t a w ie n ie p o m ia r ó w k o t ła W P -1 2 0
Lp. N r pomiaru Jedn. 1 + 5 7 + 8 9 + 18 20 + 22
1 moc kotła MWt 130 + 140 130 + 140 120 + 140 60 + 100
2 czynne m łyny — A; B B; C A; C A; C
3
param etry w ęgla
Qi M J/kg 21,45 20,3 22,3 21,16
4 WJ % 12,0 10,6 11,4 11,2
5 Ar % 19,8 23,0 20,1 19,5
6
spalm y przed OPP
Oa % 4,4 + 6,6 5 ,7 + 5,9 4 ,9 + 6,3 5 ,6 + 5,7
7 CO m g /m f 1 30 + 50 102 + 132 12 + 124 26 + 40
8 NOx m g/m -p 405 + 580 360 302 + 496 405 + 450
9 części palne
Ci % 15 + 28 33,6 8 + 38 7,1
10 CP % 4,6 + 10,7 7,7 3 ,6 + 9,1 5,8 + 10,5
U
przem iał m łyn
A
R90/R200
%
21,8/3,7
12 B 37,0/15,0
13 C 18,5/1,9
Uwaga: *) W artości CO i NOx podano w przeliczeniu na 6% O2.
W czasie pom iarów spalany był węgiel z kopalni LZW -Bogdanka o w artości opalowej 20,3 ■+ 22,3 MJ/kg. Pom iary wykonywano przy różnych układach pracujących młynów i przy różnym nadm iarze pow ietrza w palenisku. Nad
m iar powietrza przed OPP zawierał się w granicach X = 1,25 ■+ 1,45, zaś udział powietrza OFA w stosunku do wartości stechiometrycznej wynosił 10 + 22%.
Jakość przem iału z młynów A i C była zbliżona do zakładanej w projekcie, zaś z m łyna B, k tóry nie został zm odernizowany, udział grubych frakcji pyłu był bardzo duży, co miało w yraźny wpływ n a wzrost zaw artości części palnych w żużlu i w lotnym popiele.
4. WYNIKI BADAŃ STRUKTURY PŁOM IENIA
Oprócz pom iarów bilansowych u k ład u m łynow o-paleniskowego przeprow a
dzono szczegółowe b ad an ia s tru k tu ry płom ienia w praw ym przednim narożu kotła za palnikiem zasilanym przez m łyn C. W tym celu n a przedniej ścianie kotła wykonane zostały cztery otwory usytuow ane prostopadle do osi wypły
wu m ieszaniny pyłowo—powietrznej z p aln ik a w odległości L i = 200 mm; L2 = 450 mm; L3 = 800 mm; L4 = 1200 mm od wylotu - rys. 1. W przekrojach tych, przy różnych w aru nkach pracy palnika, wykonano pom iary rozkładu tem pe
ra tu ry gazów spalinowych, analizę składu spalin oraz pom iary koncentracji
stopnia w ypalenia i zawartości azotu w niespalonym pyle węglowym. Na rys. 3 pokazano przykładowo rozkład tem p e ra tu r spalin oraz koncentracji 0 2;
CO; C 0 2 i NO w dwóch przekrojach za palnikiem , zaś n a rys. 4 rozkład koncentracji pyłu węglowego i stopień gazyfikacji azotu vkN w czterech prze
krojach za palnikiem określony wzorem:
Rys. 3. Rozkład tem peratur i skład gazów spalinow ych w przekrojach L2 i L4
Fig. 3. Tem peraturę distribution and flue gas com position in L2 and L4 cross-sections
Npaf Upr 4/n = 1 - - e l- --- ^
N?naf 100 - U pr 100 - Ar - Wr ’ gdzie:
Npaf - koncentracja azotu w próbce pobranej z płom ienia, Nfnf - koncentracja azotu w węglu surowym (Nfnaf = 1,6 -¡-1,7), Upr - części palne w próbce pobranej z płom ienia,
Ar, Wr — popiół i wilgoć w węglu surowym.
Rys. 4. Rozkład koncentracji pyłu węglowego i stopień gazyfikacji azotu w przekrojach Li - L4
Fig. 4. Distributions of coal dust concentration and nitrogen gasification in the Li - L4
cross-sections
0 2 -6 •/.
Q ) 6 0 0
NO* [mg/mj]
500
4 0 0
300
200
* — m ły n B - C
A — m ły n A - B
R „ / R 200d o 3 7 7 . /1 5 V .
OFA ® 0.12
7 8 ^ 2
1.2 1,3 1.4 1.5 A
02 [•/.]
Rys. 5. S tężenie NOx (a), CO (c) w spalinach przed Popo oraz niedopał w popiele lotnym (b) w funkcji zaw artości tlen u przed Popo
Fig. 5. Concentrations o f N O x (a) and CO (c) in flue gas upstream th e air h eater and carb
on in flyash (b) as a function o f oxygen concentration upstream th e air heater
5. OPTYMALNE PARAMETRY PRACY KOTLA
N a rys. 5a, 5c zestawiono wyniki pom iarów emisji NOxi CO oraz zawartości części palnych w lotnym popiele podczas w szystkich przeprow adzonych prób.
Przy pracy kotła z włączonym m łynem B w ystępuje zawsze zwiększony udział części palnych w żużlu i lotnym popiele oraz wyższa koncentracja CO w spalinach odlotowych. N ajniższy poziom emisji tlenków azotu w ystępuje przy niskim nadm iarze pow ietrza doprowadzonego do palników głównych (kp = 0,62 + 0,76) przy udziale pow ietrza OFA = 20%. N a rys. 5a pokazano wpływ udziału pow ietrza OFA n a poziom emisji NOx i zaw artość części palnych w lotnym popiele przy pracujących m łynach A i C, zaś n a rys. 5b - optym alny zakres pracy kotła z m łynam i A i C w funkcji n a d m ia ru pow ietrza doprowa
dzonego do palników głównych w w aru n k ach dotrzym ania norm y emisji NOx po 1997 r. i u trzym ania zaw artości części palnych w lotnym popiele 5 + 8%.
6. WNIOSKI
1. Opracow ana i zbadana w w arunkach eksploatacyjnych nowa konstrukcja p aln ika niskoem isyjnego typu strum ieniow ego w pełni potw ierdziła zalety rozw iązania osiągając głęboką redukcję emisji tlenków azotu. Kocioł W P-120 wyposażony w ww. palniki spełnia w ym agania norm y emisji NOx po 1997 r.
2. W ażną zaletą zaprezentow anych palników niskoem isyjnych je s t stabilna praca kotła w bardzo szerokim zakresie obciążeń od 45 do 100%.
3. B adania s tru k tu ry płom ienia za palnikiem niskoem isyjnym potwierdziły słuszność założeń konstrukcyjnych, a ich w yniki posłużą do optymalizacji konstrukcji palników z w ykorzystaniem m etod m atem atycznego modelo
w ania.
4. Ze względu n a zlą jakość przem iału z m łyna B, zasilającego środkowy rząd palników, nie można było w pełni wykorzystać możliwości nowego system u niskoem isyjnego spalania, zwłaszcza w odniesieniu do stopnia w ypalenia pyłu (obniżenie zawartości części palnych w żużlu i lotnym popiele).
LITERATURA
[1] Zgłoszenie patentow e n r P-298186 n a „Układ do niskoem isyjnego sp ala
n ia pyłu węglowego w kotłach”.
[2] P raca zbiorowa: Obliczenia, założenia i wytyczne do projektu autom aty
ki palników niskoem isyjnych wirowych i strum ieniow ych. Opracowanie In sty tu tu E nergetyki, W arszaw a 1992.
niskiej emisji NOx dla kotłów W P-120, O P-230 i analiza wyników w celu doboru optym alnych w arunków pracy. Opracowanie In sty tu tu Energe
tyki, W arszaw a 1993.
Recenzent: Prof. dr hab. inż. Ludw ik CWYNAR
Wpłynęło do Redakcji 25.08.1994 r.
A b stract
The paper presen ts th e new design of pulverized coal je t b urner, conceived for reduction of NOx emission from coal-fired boilers. This b u rn er has the characteristic feature of secondary a ir and coal d u st nozzles, fed by one coal mill, being located a t the sam e level, w ith secondary air, supplied to each b urner, split into two stream s, one of th em being directed along th e fuel stream and the other flowing parallel to combustion cham ber wall. Both coal d u st and air nozzles have a shape of vertical slot. This b u rn er ensures stable boiler operation w ithin broad range of load, from 45% to 100% rate d load.
In stallation of this b u rn er in a W P-120 boiler in Lublin CH P P la n t has resu lted in emission reduction down to th e level conforming w ith NOx emission stan d ard s to become obligatory after 1997. The b u rn er h a s been subject to extensive operational testing, which h a s allowed for operational p aram eters optim ization w ith respect to th e lowest possible NOx emission. In m easuring cross-sections dow nstream th e b urner, w ith various burner conditions, tem p eratu re and flue gas composition distributions have been m easured, as well as solid particles concentration in th e stream , and samples have been tak en in order to analyse coal b u rn -o u t and nitrogen concentration in u n b u rn t coal.
