ZESZYTY NAUKOWE POLITECHNIKI ŚLĄSKIEJ Seria: ENERGETYKA z. 120
1994 Nr kol. 1260
Feliks FINK IER, I. B. KUBYSZKIN U niw ersytet Politechniczny, St. P etersb u rg Czesław SOBCZUK
ENERGOWIR, W arszaw a Ja n u sz KUCHARSKI
Zakłady Azotowe PUŁAWY S.A., Puław y
SPALANIE W WIRZE NISKOTEMPERATUROWYM W KOTŁACH ENERGETYCZNYCH
S tre s z c z e n ie . W arty k u le przedstaw iono sposób m odernizacji kot
łów z zastosow aniem niskotem peraturow ej wirowej technologii sp ala
n ia węgla energetycznego. Omówiono osiągnięte efekty z zastosow ania m etody obniżenia emisji NOx w kotłach W P-120, O P -230 w EC Siekier
ki i O P-215 w EC Z.A. Puław y S.A.
VORTEX - COAL - COMBUSTION BY POWER BOILERS
S u m m a ry . The rep o rt p resen ts m odernization of boilers w ith ad ap tatio n of vortex - coal - combustion. Received effects of ad ap tatio n of low em ission NOx m ethod on boiler W P-120, O P -230 EC Siekierki and O P -215 EC Pulaw y are discussed.
BHXPEBOE CrOPAHHE B OHEPrETHRECKHX KOTJIAX
Pe3K)Me. B ąoKjiaąe npeącraBJieHo cnocoó MoąepHH3aąon kotjiob h3 iipMcnocoójieHHeM Boxpenoñ MCToąu crapcHHSi xaMeHHoro yrjia. OÓcyąeiio pe3yjibTaTU BHeąpeHaa MeToąu CHMxcemoi s m h c c h m NOx b KOTjiax. BII-120, O n—230 b 3TC CcKcpKu h 0 0 —215 b 3TC I lyjraBtj.
1.WSTĘP
Spalanie węgla w tradycyjnych kotłach rusztow ych lub pyłowych wiąże się z d użą em isją szkodliwych dla środow iska natu raln eg o tlenków siark i i azotu.
W spółczesne kotły energetyczne wyposaża się w instalacje odsiarczania i odazotowania spalin, co w ym aga znacznych nakładów kapitałow ych.
Poszukiw anie nowych tzw. czystych technologii sp alan ia węgla doprowa
dziło m .in. do rozwoju kotłów fluidalnych, w których proces odsiarczania następuje w złożu fluidalnym przy użyciu związków w apnia, a ilość pow stają
cych tlenków azotu ze względu n a n isk ą te m p e ra tu rę sp alan ia je s t dużo m niejsza niż w kotłach pyłowych. W ym iana istniejących kotłów n a kotły fluidalne je s t jed n a k przedsięwzięciem bardzo kosztownym. W niniejszym referacie przedstaw iono n a podstaw ie doświadczeń Politechniki P etersb u r
skiej ta n ią i skuteczną m etodę zm niejszenia em isji NOx oraz poprawę w skaźników techniczno- ekonomicznych .
M etoda ta nazw ana zo
s ta ła „wirem niskotem pe
raturo w ym ”. Wdrożeniem tej m etody opartej n a pa
tencie (P-291682) zajmuje się polsko - rosyjska Spół
k a „Energow ir” we współ
pracy z rosyjskim Przed
siębiorstw em „Politeche- nergo” z P etersburga. Do
konano z powodzeniem w drożeń w EC Siekierki-3 kotły W P-120, w EC P u ła
wy - kocioł parowy O P - 215 i n a stęp n y O P-215 w trakcie przygotow ania do realizacji oraz w trakcie re
alizacji kocioł O P -130 w EC Łódź 2.
Rys. 1. Schem at rozmieszczenia palników i dysz powie
trz a wtórnego w zm odernizowanym kotle Fig. 1. B urners and a ir nozzles location sketch
of m odernized boilers
2. OPIS METODY
Technologia spalania węgli w wirze niskotem pe
raturow ym polega n a do
starczeniu pyłu węglowego do kotła przez klasyczne palniki pyłowe, nachylone pod odpowiednim kątem w dół kom ory paleniskowej (rys. 1).
Spalanie w wirze niskotemperaturowym. 189
Podobnie doprowadza się do kom ory paleniskowej część pow ietrza w tórne
go. Pozostałą część pow ietrza w tórnego w prow adza się do kom ory palenisko
wej przez odpowiednio u kształtow ane dysze, um ieszczone w leju komory.
K ierunki wypływu pow ietrza z dysz um ieszczonych w leju s ą ta k dobrane, aby następow ało ich w spółdziałanie ze stru m ien iam i m ieszaniny pyłowo - powie
trznej wypływającej z palników głównych. Tworzy się wówczas w ir śrubow y z pionową recyrkulacją cząstek paliw a i gazów spalinowych w centralnej części leja kom ory paleniskowej.
Przy takiej aerodynam ice komory paleniskowej zapłon pyłu węglowego następuje w strefie obniżonej zaw artości tlenu. Dzięki te m u zm niejsza się ilość powstających tlenków azotu, zaś czas przebyw ania cząstek pyłu w strefie aktywnego sp alan ia - dzięki recyrkulacji pionowej — w ydłuża się w stosunku do klasycznego p alenisk a pyłowego, co g w aran tuje dobre wypalenie. Zwiększa się przy tym obciążenie cieplne dolnej części kom ory paleniskowej (bardzo słabo wykorzystyw anej w klasycznym kotle pyłowym), możliwe je s t więc zwię
kszenie wydajności kotła. Rozciągnięcie strefy sp alania w k ieru n k u dolnej części kom ory paleniskowej wpływa zarówno n a obniżenie m aksym alnej tem p e ra tu ry w palenisku, ja k i średniej te m p e ra tu ry spalin n a wylocie z komory paleniskowej.
Podstawowym i zaletam i technologii sp alan ia pyłu węglowego w wirze niskotem peraturow ym są:
- obniżenie em isji NOx do poziomu 300 - 500 mg/m®, co g w arantuje dotrzy
m anie dopuszczalnej emisji 170 g/G J po roku 1997, - zwiększenie wydajności kotła od 15% do 20%, - zwiększenie spraw ności ko tła od 2% do 6%,
- efektywne spalanie przy niskim nadm iarze pow ietrza (A, = 1,1 — 1,2), - obniżenie te m p e ra tu ry spalin wylotowych,
- zwiększenie dyspozycyjności i obniżenie awaryjności r u r kotłowych dzięki w yrów naniu obciążeń cieplnych ekranów i powierzchni konwekcyjnych, - możliwość w ykorzystania (pozostawienie) istniejących u rząd zeń młynowo—
-paleniskow ych i w entylatorów z niew ielkim i zm ianam i w konstrukcji dolnej części paleniska, palników i niektórych elem entów urząd zeń pomoc
niczych, co czyni m odernizację stosunkowo tan ią ,
- możliwość zastosow ania taniej, suchej m etody odsiarczania.
3. MODERNIZACJA KOTŁÓW W P-120 W EG SIEKIERKI 3.1. S ta n k o tłó w p r z e d m o d e rn iz a c ją b y ł n a stęp u ją cy :
a) nie osiągano znamionowej wydajności kotła z powodu niew ystarczającej ilości pow ietrza do spalania; max. wydajność 122 MW, m in. 93 MW,
b) niestabilna praca kom ory paleniskowej po zm ianie ekranów n a szczelne - duża pulsacja i gaśnięcie,
c) szlakowanie komory paleniskowej,
d) sprawność kotła 78 - 84% (wysoka te m p e ra tu ra spalin wylotowych i duże przecieki pow ietrza n a obrotowych podgrzewaczach powietrza),
e) koncentracja NOx - 600 - 800 mg/m^ (w przeliczeniu n a 6% 0 2).
3.2. O cen a p r a c y k o tła p o m o d e rn iz a c ji
Kotły n r 5, 6 i 7 W P-120 po m odernizacji system u paleniskowego z zastoso
w aniem w iru niskotem peraturow ego uruchom iono w lata ch 1991-92.
W efekcie m odernizacji uzyskano następujące pozytywne wyniki (patrz rys. 1):
1. Kocioł może bezpiecznie i ekonomicznie pracować w zakresie obciążeń 93 - 140 MW, max. uzyskano 163 MW (kontrolę te m p e ra tu r ścianek r u r ekra
nowych i tem p. wody wykonał Energopomiar).
2. Przy obciążeniu 134 MW spraw ność wynosi 88 - 90%, co znacznie przekra
cza w artości projektowe (84%).
3. E m isja tlenków azotu w spalinach przy obciążeniu 122 MW wynosi średnio wg danych Energopom iaru Gliwice 450 mg/m„, czyli 159 g/GJ.
4. Em isja S 0 2 w spalinach w czasie pom iarów zm ieniała się w zakresie 1000 - 1500 mg/m®.
5. Zawartość części palnych w popiele wynosi 6 - 10% .
X
Rys. 2. Zależność stężenia em isji NO w spalinach od n ad m iaru pow ietrza w kotle W P-120 Fig. 2. Dependence of concentration of NO in flue gas as a function of a ir excess on boiler
W P-120
Spalanie w wirze niskotemperaturowym. 191
W yniki pom iarów koncentracji tlenków azotu w funkcji n a d m ia ru powie
trz a przed obrotowym podgrzewaczem pow ietrza n a podstaw ie pom iarów wykonanych przez Politechnikę P e te rsb u rsk ą i In sty tu t E nergetyki bezpo
średnio po uruchom ieniu kotłów oraz późniejszych, w ykonanych przez Ener- gopomiar, przedstaw iono n a rys. 2.
W zalecanym zakresie n a d m ia ru pow ietrza 1,15 - 1,25 (rys. 2) stężenie CO nie przekroczyło 0,005%, a koncentracja tlenków azotu w przeliczeniu n a 0 2 = 6%, wynosi 440 - 540 mg/mj.
3.3. P o d su m o w a n ie
Efekty m odernizacji kotłów W P-120 w EC Siekierki potw ierdziły w pełni zalety nowej technologii niskotem peraturow ego sp alan ia pyłu węglowego (tabl. 1). W stosun ku do param etró w projektowych osiągnięto w zrost spraw ności kotła o 2 - 8%, w zrost wydajności o ok. 20% oraz efekt ekologiczny w postaci zm niejszenia emisji tlenków azotu o ok. 30% w porów naniu ze śred n ią w artością emisji NOx z kotła WP—120.
T a b lic a 1 E fek ty m o d e rn iza c ji k o tła W P -120 EC S ie k ie r k i
P a ra m e tr Je d n . m iary Przed
m odem icacją
Po m odernizacji
O siągana wydajność MW 140 163
T em p eratu ra spalin odlotowych
°C 170-200 130-160
T em p eratu ra spalin przed LUVO
°C 400-440 360-410
Spraw ność k o tła b ru tto % 84 88-90
Em isja NOx przy O2 = 6% mg/m'n 600-800 300-500
W czasie kilkunastom iesięcznej eksploatacji ko tła po m odernizacji nie stw ierdzono ani nadm iernego zużycia erozyjnego, ani zanieczyszczenia powie
rzchni ogrzewalnych. Mimo złej jakości przem iału w ęgla s tra ty w postaci nie spalonych cząstek w popiele lotnym są stosunkow o m ałe, przy wysokiej spraw ności. Potw ierdza się skuteczność działan ia recyrkulacji cząstek paliw a w komorze paleniskowej.
O siągnięte bardzo duże efekty ekonomiczne, przy m ałych kosztach m oder
nizacji kotła, zapew niają szybki zwrot poniesionych nakładów . 3.4. O cen a p r a c y k o tła O P -230 w EC S ie k ie r k i p o m o d e rn iz a c ji
Po uzyskanych efektach n a kotłach W P-120 podjęto decyzję m odernizacji kotła parowego O P -230 z zastosow aniem technologii w iru n isk otem peraturo wego.
Kocioł n r 1 O P-230 uruchom iony w roku 1961 posiadał palniki czołowe boczne i nieszczelny ekran. W tej sytuacji należało stworzyć inny układ pale
niskowy do w ytw orzenia zawirow ań w leju kotła. Zainstalow ano palniki na przedniej ścianie kotła nachylone do dołu. Doprowadzono również powietrze do dolnej strefy chłodnego leja. Uzyskano zmniejszenie NOx i poprawę sprawności.
Wystąpił jedyny problem szlakowania dolnej części komory paleniskowej.
Uważam y, że przy ekranie szczelnym i przy odpowiednim reżim ie pracy komory paleniskowej to niekorzystne zjawisko m ożna było opanować. Jednak
że dalszych prób zaniechano.
4. MODERNIZACJA KOTŁA W EC Z. A. PUŁAWY 4.1. O pis k o tła p rzed m o d e rn iz a c ją
M odernizacji poddano kocioł O P-215 n r 5, o p a ra m etrac h — Q = 215 t/h, p = 9,6 M Pa, t = 540°C.
Kocioł posiada w odróżnieniu od kotła O P -230 w ECS szczelną komorę paleniskow ą z narożnym ustaw ieniem czterech kolum n palnikowych, w każ
dej kolum nie po cztery strum ieniow e palniki pyłowe. Każdy palnik składa się z dyszy pyłowej o przekroju 220 X 400 mm i położonych n a d i pod nim dwóch kanałów wtórnego pow ietrza o przekroju 240 x 400 mm.
Rys. 3. Zależność stężenia em isji NOx w spalinach w funkcji zaw artości O2 w spalinach przed podgrzewaczem wody w kotle OP-215
Fig. 3. Dependence of concentration of NOx in flue gas as a function of oxygen concentra
tion u p strea m th e economizer on th e boiler OP-215
Spalanie w wirze niskotemperaturowym. 193
Do przygotow ania i podania paliw a kocioł wyposażony je s t w cztery pyłosy- stemy, z których każdy pracuje n a je d n ą dyszę kolum ny palnikowej.
Przygotow anie paliw a realizow ane je s t średniobieżnym m łynem kulowym, typu E M -70 (W = 4,2 kg/s, Qmax = 5,5 mg/s), suszenie i tra n s p o rt paliw a gorącym pow ietrzem za pomocą w entylatorów m łynowych typ G C -145 (n = 1485 obr/min, Q = 13,5 mg/s, H = 8 kPa). Kocioł posiada dwa w entylatory ciągu typu 2 0 0 0 -1 -9 0 (Q = 80 mg/s, H = 2,05 kP a) i dwa w entylatory podm u
chu typu DL/2-1600 (Q = 37 mg/s, H = 4,35 kPa).
Przed m odernizacją kocioł osiągnął zadowalające p a ra m e try techniczne, z w yjątkiem ilości em itow anych NOx n a poziomie 760 mg/mg i za wysokiej tem p eratu ry spalin wylotowych.
4.2. Z ak res m o d e rn iz a c ji
W zakres m odernizacji włączone zostały niżej wym ienione zm iany k o n stru kcji palników, kanałów pow ietrza, system u odżużłania.
1. Połowa dysz wtórnego pow ietrza (wszystkie dolne) została zaślepiona, a połowa (górne), podobnie ja k dysze pyłowe, została pochylona w dół pod kątem 40° za pomocą nasadek, bez zm iany przekroju.
2. Celem uzyskania wirowej aerodynam iki procesu paliwowego część gorące
go pow ietrza je s t wprow adzona w dolną część chłodnego leja za pomocą czterech kanałów położonych po dwa w jednej połówce kom ory palenisko
wej, przy tym węzły w jednej połówce kom ory paleniskow ej skierow ano n a przód skosu chłodnego leja, a w drugiej n a skos tylnego.
3. Zastosowanie w iru niskotem peraturow ego przew iduje w zasadzie niepo- w staw anie żużla w procesie spalania. Pozw ala to znacznie uprościć kon
strukcję u k ład u odżużłania, niepotrzebna staje się in sta la c ja spłukiw ania w anien żużla oraz łam acze żużla. Pod lejem zastosow ano a p a ra ty spłucz- ne, któ re nie spraw iają problem u w eksploatacji i szczelnie zam ykają lej kotła.
4.3. O cen a p r a c y k o tła p o m o d e rn iz a c ji
W czasie prow adzenia cieplnych i ekologicznych b a d ań ko tła po jego rokon- strukcji (podobnie ja k przed) w kotle spalał się węgiel kam ienny z KWK
„Bogdanka” o p aram etrach : Q[ = ( 19, 7, 21, 5) M J/kg, Wr = (9...13)%, Ar = (22...26)%.
J a k pokazały bad an ia cieplne kotła w ru ch u testow ym i gwarancyjnym , m aksym alna wydajność kotła po rekonstrukcji przy dowolnym połączeniu ta k dwóch, ja k i trzech pracujących młynów zwiększyła się o 20-25 t/h i wynbsiła naw et 250 t/h. Bezpieczna p raca k o tła z trw ałym przeciążeniem została po
tw ierdzona pom iaram i cyrkulacji i te m p e ra tu r ścian parow nika w ykonanym i przez Energopom iar Gliwice. M inim alnie, bez podtrzym yw ania gazem uzy
skano wydajność 140 t/h przy jednoczesnej pracy dwóch młynów.
W przedstaw ionym zakresie obciążeń proces sp alania przebiega spokojnie, pulsacja zb adana w komorze nie przew yższa 2 -3 mm H 20 , szlakow ania palni
ków, powierzchni ekranow ych i przegrzew aczy nie stwierdzono. N ależy pod
kreślić, że przez okres 45 dni nie używano parow ych zdm uchiwaczy komory paleniskowej, a przed m odernizacją zdmuchiwaczy używ ano raz n a dobę.
W ystąpiło niewielkie podwyższenie ilości części palnych do 6% (rys. 4), mimo to spraw ność energetyczna ko tła po rekonstrukcji w zrosła z 89% do (90,0...91,7)%, dzięki obniżeniu te m p e ra tu ry spalin wylotowych. Podstawowe techniczno-ekonomiczne wskaźniki pracy kotła przedstawione zostały w tabl. 2.
Rys. 4. Zależność zaw artości części palnych w popiele w funkcji zaw artości O2 w spalinach przed podgrzewaczem wody w kotle O P-215
Fig. 4. Dependence of concentration of carbon in fly ash as a function of oxygen concentra
tion u p strea m th e economizer on th e boiler O P-215
W celu bardziej pełnego określenia możliwości schem atu wirowego spalania paliwa w części obniżenia emisji NOx była przeprowadzona seria badań w szero
kim zakresie zmian ilości i rozdziału wtórnego powietrza oraz konfiguracji pracy młynów. W czasie tych prób uzyskano naw et emisję NOx poniżej 300 mg/m®.
N a podstaw ie pom iarów przeprowadzonych przez Energopom iar stw ierdza się, że zależność stężenia NOx od wydajności ko tła je s t bardziej p łaska i dlatego eksploatacyjne w ahanie się reżim u pracy kotła słabo wpływa na emisję NOx. Koncentracja CO w spalinach przy 0 2 (2,7...2,8)% nie je s t większa niż (35...45) mg/mn3.
Spalanie w wirze niskotemperaturowym. 195
T a b lic a 2 E fek ty m o d e rn iza c ji k o tła O P -215 EC P u ła w y
P a ram e try Jedn. m iary Przed
m odernizacją
Po m odernizacji
O siągana w ydajność t/h 215 220 - 240
T em p eratu ra spalin odlotowych
°C 180 - 220 147 - 160
T em p eratu ra spalin przed LUVO
°C 4 0 0 - 4 2 0 300 - 320
Sprawność k o tła b ru tto % 89 9 0 - 9 3
E m isja NOx przy O2 = 6% mg/m'n 550 - 650 340 - 450
WNIOSKI
R ekonstrukcja ko tła O P-215 n a wirowe spalenie w ęgla kam iennego dała wym ierne korzyści:
1. Podwyższone obciążenie parow e ko tła do 250 ton/h bez szlakow ania komory paleniskowej, grodzi przegrzew acza p ary i konwekcyjnych powierzchni kotła.
2. U zyskano możliwość obniżenia obciążenia k o tła do 140 t/h przy zachow aniu n a tu ra ln e j cyrkulacji w ko nturze kotła bez podtrzym yw ania paliw em s ta bilizacyjnym (gazem).
3. Sprawność kotła wzrosła o (1,0...3,0)% i w przedziale obciążeń (215...240) t/h osiągnęła 92%.
4. E m isja NOx w spalinach została obniżona do 300...400 mg/m„ (120 g/GJ) i nie przekracza 170 g/GJ w szerokim zakresie zm iany w spółczynnika n a d m iaru pow ietrza (rys. 3). Zastosow anie „zimnego w iru ” przyniosło w ym ier
ne efekty w postaci nienaliczania k a r przez Z akład O chrony Środowiska.
Można przyjąć, że średnio n a jed en kocioł opłata za I k w a rta ł ’94 wyniosła 381.072.348 zł. Zastosow anie „zimnego w iru ” przy spraw ności 60% zm niej
szy opłatę n a 1 kotle o 229 m in zł/kw, co daje zm niejszenie opłaty rocznej z jednego kotła o ok. 1 mld zł.
5. Obniżenie całkowitej emisji NOx, S 0 2, C 0 2 i popiołu n a sk u tek w zrostu spraw ności kotła.
R ezultaty m odernizacji n a kotłach wodnych w EC Siekierki, ja k również kotłów parowych w EC ZA Puław y pokazały możliwość rzeczywistego podwyż
szenia ekonomicznych i ekologicznych p aram etró w pracy działających u rz ą dzeń kotłowych n a bazie wirowego niskotem peraturow ego sp a la n ia bez znacz
nych kosztów poniesionych n a rekonstrukcję.
LITERATURA
[1] F in k ier F.Z., Czarnin W.A., Św irski J.: Nowy sposób niskotem peraturo
wego sp alania pyłu węglowego. E nergetyka 1992, n r 9.
[2] Opracowania “Energopomiaru” Gliwice i In sty tutu Energetyki Warszawa.
Recenzent: Prof. dr hab. inż. Ludw ik CWYNAR Wpłynęło do Redakcji 10. 08. 1994 r.
A b stract
The rep o rt presents th e design of construction of vortex — coal - combustion system .
The system reduces concetration of NOx in flue gas an d additionaly increases th e efficiency and capacity of boilers. The technology of vortex - coal - combustion system consist in d istribution of secondary a ir into two streams:
one of them being blown on th e bottom of boiler and th e other blown through th e powdered fuel burners.
The powdered fuel - b u rn ers are directed down in com bustion cham ber at th e angle 35 — 40°. This system resu lts in NOx em ission reduction down to level conforming w ith NOx em ission sta n d a rd s to become obligatory after 1997.
The p ap er presen ts received effects of ad ap tatio n of vortex - coal - combustion system on boilers W P-120 and O P -230 Siekierki power p la n t as well as O P-215 Pulaw y power plant.
Costs of the m odernization are low becouse th e vortex - coal - combustion uses existing bu rn ers and pulverizers.
