Warunki cieplno-przepływowe i emisje zanieczyszczeń w kotłach z cyrkulacyjną warstwą fluidalną dużej mocy

(1)

MM

ZESZYTY NAUKOWE

POLITECHNIKI ŚLĄSKIEJ

Robert SEKRET

WARUNKI CIEPLNO-PRZEPŁYWOWE I EMISJE ZANIECZYSZCZEŃ

W KOTŁACH

Z CYRKULACYJNĄ WARSTWĄ FLUIDALNĄ DUŻEJ MOCY

Gliwice 2005

(2)

POLITECHNIKA ŚLĄSKA

Z E S Z Y T Y N A U K O W E N r 1694

ROBERT SEKRET

WARUNKI CIEPLNO-PRZEPŁYWOWE I EMISJE ZANIECZYSZCZEŃ

W KOTŁACH

Z CYRKULACYJNĄ WARSTWĄ FLUIDALNĄ DUŻEJ MOCY

G liw ice 2005

(3)

Opiniodawcy

Prof. dr hab. inż. Zdzisław KABZA Prof. dr hab. inż. Roman ZARZYCKI

Kolegium redakcyjne

Redaktor naczelny - Prof. dr hab. inż. Andrzej BUCHACZ Redaktor działu - Prof. dr hab. inż. Zbigniew RUDNICKI Sekretarz redakcji - Mgr Elżbieta LEŚKO

Redakcja

Mgr Aleksandra KŁOBUSZOWSKA

Redakcja techniczna Alicja NOWACKA

P L I S S N 0 3 7 2 -9 7 9 6

© Copyrihgt by

Robert SEKRET

Gliwice 2005

(4)

Pamięci OJCA

(5)

SPIS TREŚCI

W Y K A Z U Ż Y T Y C H O Z N A C Z E Ń I I N D E K S Ó W ...7

1. W S T Ę P ...13

2. G ŁÓ W N E TEZY PRA C Y , CELE I ZAK RES B A D A Ń ...14

3. O BIEK TY B A D A Ń ... 16

4. TEC H N IK I P O M IA R O W E CW F W SKALI T E C H N IC Z N E J ... 23

4.1. POMIAR CIŚNIENIA W KOMORZE PALENISKOWEJ... 23

4.2. POMIARY TEMPERATURY W KOMORZE PALENISKOWEJ...25

4.3. POMIARY PRZEPŁYWU I STĘŻENIA FAZY STAŁEJ... 25

4.3.1. Sonda próbkująca...25

4.3.2. Sondy ciśnieniowe...28

4.3.3. Sonda pojemnościowa...31

4.4. Pomiarstężeńskładnikówga zuwkomorzepaleniskow ej...34

5. W AR UNK I PR Z E PŁ Y W O W E W KOTLE Z C W F... 35

5.1. Wp r o w a d z e n ie...35

5.2. PULSACJE CIŚNIENIA MATERIAŁU WARSTWY... 36

5.3. Rozkładstężeniaziarenmateriałuw a r st w y... 39

5.4. Obszardo ln ystruktury C W F ... 44

5.4.1. Struktura i warunki pracy obszaru dolnego...44

5.4.2. Współpraca komory paleniskowej i skrzyni powietrza pierwotnego...47

5.5. Obszarrozrzedzonystruktury CWF...51

5.5.1. Struktura i warunki pracy obszaru rozrzedzonego...51

5.5.2. Gęstość strumienia masy ziaren materiału warstwy...53

5.5.3. Prędkość ziaren w CWF...58

5.6. Segregacjaziarenmateriałuw arstw yw CWF...62

5.7. Po d s u m o w a n ie... 64

6. EM ISJE ZA N IE C Z Y SZ C Z E Ń G A Z O W Y C H ...66

6.1. Wpr o w a d z e n ie...66

6.2. Rozkładpaliw awobjętości CW F... 66

6.3. Rozkładtem peraturywkotlez C W F ... 70

6.4. Rozkładstężeńzanieczyszczeńgazowychwkomorzepa l e n isk o w e j... 73

6.5. Wpływw aru n k ó wcieplno-przepływowychwkomorzepaleniskow ejn astężenia zanieczyszczeńg a z o w y c h... 84

6.5.1. Efektywność wykorzystania sorbentu...84

6.5.2. Rozprowadzenie powietrza pierwotnego w objętości CWF...88

6.5.3. Stopniowanie powietrza i rozdział paliwa...93

6.6. Wpływskutecznościseparacjicyklonun aemisjęz a n iec zyszc zeń... 98

6.7. Po d s u m o w a n ie...104

7. W N IO S K I... 105

L IT E R A T U R A ...106

ST R E SZ C Z E N IE ... 115

(6)

WYKAZ UŻYTYCH OZNACZEN I INDEKSÓW, NOMENCLATURE

^ pole przekroju poziomego komory paleniskowej, m2

k combustion chamber cross-sectional area

ą pole powierzchni hydrodynamicznej strefy przyściennej, m2 hydrodynamic wall boundary layer surface area

hsp

A, Ar

dn

pi F

_co

F Fr f

L

pole powierzchnia hydrodynamicznej strefy rdzenia, m2 hydrodynamic core zone surface area

liczba Archimedesa, - Archimedes number

współczynnik rozkładu profilu osiowego stężenia objętościowego ziaren dla obszaru gęstego, m'

s " coefficient o f solids volume concentration axial profile distribution for the dense region

współczynnik rozkładu profilu osiowego stężenia objętościowego ziaren dla obszaru

ar - rozrzedzonego, m"'

coefficient o f solids volume concentration axial profile distribution for the dilute region q współczynnik oporu aerodynamicznego ziarna, -

° drag coefficient

q stężenie składnika spalin, mg m,,'3,

' " combustion-gas component concentration

c udział gramowy węgla pierwiastkowego w paliwie, - elementary carbon mass fraction of fuel

stężenie objętościowe ziaren materiału warstwy, - v solids volume concentration

£ średnica hydrauliczna komory paleniskowej, m ' " hydraulic combustion chamber diameter

średnica portu pomiarowego ciśnienia, m

w pressure measurement port diameter średnica sondy, m

probe diameter

^ zastępcza średnica ziaren paliwa, m

* effective fuel particle diameter

j zastępcza średnica ziaren materiału warstwy, m

p effective bed material particle diameter

^ zastępcza średnica ziaren popiołu dennego, m effective bottom ash particle diameter jednostkowa emisja CO, kg CO kg'1 C CO emission per unit

£ jednostkowa emisja NO, kg NO kg' N2

N0 NO emission per unit

jednostkowa emisja S 0 2, kg S 0 2 kg'1 S S 0 2 emission per unit

udział frakcyjny ziaren, - particle fraction liczba Froudea, - Froude number częstotliwość, Hz frequency

częstotliwość dominująca, Hz dominant frequency

■2 - 1

q gęstość strumienia masy ziaren na wejściu do sondy, kg m' s

p " solids mass flux density at the probe entry

ę gęstość strumienia masy ziaren materiału warstwy, kg m 'V

■'■ solids mass flux density

(8)

graniczna gęstość strumienia masy ziaren materiału warstwy, kg m 'V limiting solids mass flux density

przyspieszenie ziemskie, m s'2 gravitational acceleration wysokość komory paleniskowej, m combustion chamber height natężenie prądu elektrycznego, A current intensity

stopień redukcji średnicy ziaren paliwa, - fuel particle diameter reduction rate względna stała dielektryczna, - relative dielectric constant krotność cyrkulacji, - solids circulation rate

współczynnik wymiany masy pomiędzy rdzeniem a hydrodynamiczną strefą przyścienną, m s'1 coefficient of mass transfer between the core zone and the hydrodynamic wall boundary layer długość drogi spowalniania ziaren w końcówce sondy, m

length of the particle slowing-down path in the probe tip odległość pomiędzy końcówkami sondy, m

distance between the probe tips wytrzymałość na ściskanie, Pa compressive strength

współczynnik rozkładu profilu poziomego strumienia masy ziaren, m'1 coefficient of solids mass flux horizontal profile distribution

masa materiału warstwy w komorze paleniskowej, kg mass o f bed material in the combustion chamber masa pobranej próbki, kg

mass o f a sample taken

strumień masy popiołu wprowadzanego do komory paleniskowej, kg s'1 mass flux o f ash supplied to the combustion chamber

strumień masy węgla pierwiastkowego wprowadzanego do komory paleniskowej, kg s'1 mass flux o f elementary carbon supplied to the combustion chamber

strumień masy recyrkulowanego materiału, kg s'1 recycled solids mass flux

strumień masy paliwa, kg s'1 fuel mass flux

strumień masy popiołu dennego wyprowadzonego z komory paleniskowej, kg s'1 mass flux o f bottom ash discharged from the combustion chamber

strumień masy popiołu lotnego wyprowadzonego z komory paleniskowej, kg s'1 mass flux o f fly-ash discharged from the combustion chamber

strumień masy sorbentu wprowadzanego do komory paleniskowej, kg s"1 mass flux o f sorbent supplied to the combustion chamber

całkowita ilość danych, - total amount of data

udział gramowy azotu w paliwie, - nitrogen mass fraction o f fuel numer danej,

data number

gęstość widmowa, kPa2 Hz'1 power spectral density ciśnienie materiału warstwy, Pa bed material pressure

stała sondy ciśnieniowej typu „T”, Pa

„T”-type pressure probe constant

(9)

ciśnienie w skrzyni powietrza pierwotnego, Pa primary air windbox pressure

ciśnienie spiętrzenia netto, Pa net impact pressure

ciśnienie materiału warstwy na wysokości wlotu do cyklonu, Pa bed material pressure at the cyclone inlet height

strumień ciepła, W heat flux

liczba Reynoldsa dla komory paleniskowej, -

Reynolds number related to the combustion chamber diameter liczba Reynoldsa dla ziaren, -

r Reynolds number related to the particle diameter wskaźnik reaktywności, -

reactivity index

odległość od ściany komory paleniskowej, m distance from the combustion chamber wall współczynnik korelacji, -

correlation coefficient

P,tp PV P.t

Q Re(.

Rl

s t

U Ua uc u„

V ,

U>

u, u„

Uo

udział gramowy siarki w paliwie, - sulfur mass fraction o f fuel temperatura, °C

temperature czas próbkowania, s sampling time prędkość gazu, m s'1 superficial gas velocity

prędkość gazu oczyszczającego sondę, m s'1 velocity o f gas leaving the probe

prędkość gazu odpowiadająca początkowi przejścia do fluidyzacji turbulentnej, m s’1 superficial gas velocity corresponding to the starting o f transition to turbulent fluidization napięcie na elektrodzie igłowej sondy pojemnościowej, V

voltage at the capacitive probe needle electrode

napięcie na elektrodzie płaszczowej sondy pojemnościowej, V voltage at the capacitive probe jacket electrode

prędkość gazu odpowiadająca fluidyzacji turbulentnej, m s'1 superficial gas velocity corresponding to turbulent fluidization jj napięcie referencyjne sondy pojemnościowej, V

" capacitive probe reference voltage jj napięcie wyjściowe sondy pojemnościowej, V

v capacitive probe output voltage prędkość unoszenia ziaren, m s-1 terminal velocity

prędkość transportu, m s'1 transport velocity

prędkość gazu w dolnej części komory paleniskowej, m s’1 superficial gas velocity in the bottom combustion chamber part prędkość ssania sondy, m s'1

probe suction velocity prędkość ziaren, m s'1 particle velocity

prędkość ziaren opuszczających sondę, m s'1 velocity of particles leaving the probe prędkość ziaren na wejściu do sondy, m s'1 particle velocity at the probe entry

(10)

prędkość poślizgu ziaren, m s'1 particie slip velocity

jednostkowa objętość spalin suchych, m3 spalin/kg paliwa dry combustion-gas volume per unit, m3 combustion gas/kg fuel wskaźnik stężenia składnika fazy gazowej, -

gaseous phase component concentration index

współczynnik rozkładu profilu poziomego stężenia objętościowego ziaren, coefficient of solids volume concentration horizontal profile distribution udział masowy popiołu dennego, %

bottom ash mass fraction

stężenie masowe paliwa w materiale warstwy, kg m'3 fuel mass concentration in the bed material udział masowy popiołu lotnego, % fly-ash mass fraction

stopień cyrkulacji ziaren materiału warstwy w komorze paleniskowej, - rate o f bed material particle circulation in the combustion chamber odległość od rusztu komory paleniskowej, m

distance from the combustion chamber grid górna granica obszaru dolnego, m bottom region upper limit górna granica obszaru gęstego, m dense region upper limit

górna granica obszaru rozrzedzonego, m dilute region upper limit

wysokość wprowadzenia sorbentu do komory paleniskowej, m height of sorbent feed to the combustion chamber

stężenie CO, mg CO mn'3 gazu CO concentration, mg CO mn'3 gas stężenie NO, mg NO m„'3 gazu NO concentration, mg NO m„'3 gas stężenie S 0 2, mg S 0 2 m„'3 gazu S 0 2 concentration, mg S 0 2 m„‘3 gas różnica, -

difference

współczynnik wymiany pędu, - momentum transfer coefficient

grubość chemicznej strefy przyściennej, m thickness of the chemical wall boundary layer grubość hydrodynamicznej strefy przyściennej, m thickness o f the hydrodynamic wall boundary layer grubość termicznej strefy przyściennej, m thickness o f the thermal wall boundary layer czynnik sferyczności ziaren, -

sphericity factor of particle skuteczność odsiarczania, % desulfurization efficiency stosunek nadmiaru powierza, - excess air ratio

dynamiczny współczynnik lepkości gazu, kg m'1 s'1 dynamie viscosity coefficient of gas

gęstość masy gazu, kg m'3 mass density o f gas

(11)

Pr

<T X ę

In d ek sy

d emitor

exp

g hsp hsr

l

It

max

mf

mod

pomiar r sdf

sg

sor sr tot wk

In d ek sy

gęstość masy ziaren materiału warstwy, kg m

mass density o f bed material particle odchylenie standardowe, Pa standard deviation czas pobytu ziaren, s particle residence time

względne stężenie objętościowego ziaren, - relative solids volume concentration d o ln e , S u b sc r ip ts

obszar dolny bottom region

stężenie zanieczyszczenia gazowego za II ciągiem kotła gaseous pollutant concentration downstream boiler draft II badania eksperymentalne

experimental tests obszar gęsty dense region

hydrodynamiczna strefa przyścienna hydrodynamic wall boundary layer hydrodynamiczna strefa rdzenia hydrodynamic core zone wartość lokalna local value popiół lotny fly-ash

wartość maksymalna maximum value

warunki odpowiadające minimalnej prędkości fluidyzacji conditions corresponding to the minimum fluidization velocity obliczenia

calculations

stężenie lokalne, pomiar w komorze paleniskowej

local concentration, measurement in the combustion chamber obszar rozrzedzony

dilute region

środowisko dwufazowe two-phase medium środowisko gazowe gas medium sorbent sorbent wartość średnia average value wartość całkowita total value wlot do cyklonu cyclone inlet g ó r n e , S u p e r sc r ip ts

material warstwy opadający falling bed material materiał warstwy unoszony floating bed material

(12)

1. WSTĘP

W ostatnim dziesięcioleciu technologia fluidalna była bardzo często w ykorzystyw ana w procesach m odernizacji energetyki zaw odow ej w P olsce i na św iecie. S w ą popularność osiągnęła dzięki je j zdolności do zgodnego z norm am i ochrony środow iska spalania paliw stałych. K orzyści z prow adzenia procesu spalania w w arstw ie fluidalnej to m iędzy innym i:

wysoka spraw ność kotłów (-9 0 % ), niska em isja N O x i SO2 bez konieczności stosow ania dodatkowych instalacji w celu ich redukcji oraz m ożliw ość jed n o czesn eg o spalania różnych typów paliw [19, 44, 112]. W pracy [36] przedstaw iono także m ożliw ości oczyszczania popiołów lotnych z dioksyn podczas procesu spalania w w arstw ie fluidalnej. W dodatku technologia fluidalna pozw ala na osiągnięcie w ysokiej pew ności ruchow ej oraz kosztów w ytw arzania elektryczności i ciepła porów nyw alnych z kosztam i w ystępującym i przy w ykorzystaniu kotłów pyłow ych [2, 12, 19, 44]. C ech ą szczeg ó ln ą je s t także atrakcyjność cenowa w m om encie konieczności w ym iany starych kotłów lub zm iany paliw a podstaw ow ego na paliw o niskojakościow e lub odpadow e [71, 73, 76, 79],

B adania hydrodynam iki i procesu spalania w cyrkulacyjnej w arstw ie fluidalnej (CW F), które zrealizow ano n a stanow iskach laboratoryjnych lub jed n o stk ach pilotażow ych, pozw oliły na w yjaśnienie w ielu zagadnień je j dotyczących [3, 4, 5, 9, 14, 28, 63, 67, 110, 112, 118]. Jednakże prace te dotyczyły jed n o stek o zdecydow anie m niejszej m ocy, niż stosowanej obecnie w energetyce. Co w ięcej, w przeciw ieństw ie do stanow isk laboratoryjnych i je d n o ste k pilotażow ych, w ysoki stopień trudności w realizacji badań kotłów pracujących w dużej skali technicznej spow odow ał, iż inform acji o procesach cieplno- przepływ ow ych zachodzących zw łaszcza w ew nątrz kom ory paleniskow ej je s t bardzo niewiele. F ragm entaryczne dane, które są dostępne w literaturze d o ty czą kilku kotłów o m ocy od 12 M W do 1.1 G W i były prezentow ane m iędzy innym i w pracach [11, 13, 113, 121].

Pom iędzy stanow iskam i laboratoryjnym i a kotłam i w m ałej czy też dużej skali technicznej w y stęp u ją znaczne różnice. D otyczą one zarów no gabarytów reaktora (kom ory paleniskow ej), ja k rów nież w arunków cieplno-przepływ ow ych. W iele szczegółow ych badań hydrodynam iki i procesu spalania prow adzonych w w arunkach laboratoryjnych dokonano na jednostkach, które charakteryzow ały się stosunkiem w ysokości (/-/*) do średnicy (D e) reaktora powyżej 20. Jako m ateriał w arstw y w ykorzystyw ano ziarna zaliczane do grupy A w edług klasyfikacji G eldarta [47] (np. koks naftow y), a gęstości strum ienia m asy cyrkulujących ziaren m ateriału w arstw y w konturze zew nętrznym w ynosiły pow yżej 20 kg m '2 s '1. W przeciw ieństw ie do tych stanow isk dla kotłów w skali technicznej stosunek H //D e w ynosi poniżej 10, natom iast w przypadku kotłów w dużej skali technicznej m ieści się on w zakresie od 2 do 4. W ykorzystyw ane w nich m ateriały sypkie zaliczane s ą do grupy B. K otły pracu

j ą przy gęstości strum ienia m asy m ateriału cyrkulującego w konturze zew nętrznym od 5 do 15 kg m -2 s '1.

Z e w zględu na planow ane budow y now ych kotłów z C W F o m ocy pow yżej 1 G W , ja k rów nież konieczność optym alizacji pracy kotłów będących ju ż w użyciu, istnieje potrzeba poznania w arunków pracy cyrkulacyjnej w arstw y fluidalnej w kotłach dużej m ocy. W iedza ta pozw oli na w eryfikację w yników badań z m niejszej skali technicznej i uzyskanie danych koniecznych do o pracow ania m etod projektow ania i m odelow ania dla now ych i istniejących kotłów . W ym iernym efektem będzie ograniczenie em isji zanieczyszczeń gazow ych, popraw a efektyw ności w ykorzystania i oszczędzania zasobów surow ców energetycznych, a tym sam ym p o praw a stanu środow iska naturalnego.

(13)

2. GŁÓWNE TEZY PRACY, CELE I ZAKRES BADAŃ

R óżnorodność konstrukcji kotłów z cyrkulacyjną w arstw ą fluidalną w skali technicznej o raz ich w arunków pracy w yklucza m ożliw ość dokonania analizy w szystkich aspektów zw iązanych z hydrodynam iką i em isją zanieczyszczeń w ram ach jednej pracy.

D latego też szczeg ó ln ą uw agę skupiono na tych fundam entalnych zagadnieniach, które m ają zasadniczy w pływ na w arunki pracy kotła dużej m ocy z cyrkulacyjną w arstw ą fluidalną.

R ozw iązanie tych zagadnień pozw oli stw orzyć zarys teorii kontroli w arunków pracy kotłów z C W F w dużej skali technicznej. Idąc w ięc za przedstaw ionym tokiem rozum ow ania sform ułow ano następujące tezy:

• S truktura cyrkulacyjnej w arstw y fluidalnej zależy od gabarytów kom ory paleniskow ej.

• O dpow iednia organizacja w arunków cieplno-przepływ ow ych w strukturze cyrkulacyjnej w arstw y fluidalnej um ożliw ia m inim alizację em isji zanieczyszczeń z procesu spalania realizow anego w kotle dużej mocy.

U dow odnienie postaw ionych tez pracy w ym agało osiągnięcia następujących celów pracy:

o

O pracow anie technik pom iarow ych charakterystycznych param etrów pracy kom ory paleniskow ej kotłów z C W F w dużej skali technicznej.

o

O kreślenie struktury cyrkulacyjnej w arstw y fluidalnej w k om orze paleniskow ej kotła dużej m ocy.

o

O kreślenie w pływ u w arunków cieplno-przepływ ow ych n a w artość em isji zanieczyszczeń.

O siągnięcie tych celów w ym agało przeprow adzenia badań eksperym entalnych, które przew idziano na kotle z cyrkulacyjną w arstw ą fluidalną o m ocy 670 MW oraz w ykonania analiz teoretycznych uzyskanych w yników badań. N a prace badaw cze składał się następujący zakres badań i analiz cząstkow ych:

■ opracow anie siatki portów pom iarow ych na kotle w dużej skali technicznej,

■ opracow anie m etod pom iarow ych do sondow ania w n ętrza struktury cyrkulacyjnej w arstw y fluidalnej kom ory paleniskow ej kotła dużej m ocy, pozw alających na określenie:

■S stężeń, prędkości i strum ieni m asy fazy stałej,

• / rozkładu ziaren m ateriału w arstw y w przekroju poziom ym i pionow ym kom ory paleniskow ej,

■S rozkładu tem peratury w objętości CWF,

■S rozkładu stężeń charakterystycznych składników fazy gazowej w komorze paleniskowej,

■ w yznaczenie częstotliw ości dom inujących pulsacji ciśnienia będących m iarą jakości fluidyzacji C W F przy w ykorzystaniu analizy gęstości w idm ow ej m ocy sygnału pochodzącego z pom iaru ciśnienia,

■ określenie profilu stężenia objętościow ego ziaren m ateriału w arstw y w zdłuż w ysokości kom ory paleniskow ej pozw alającego na identyfikację charakterystycznych obszarów cyrkulacyjnej w arstw y fluidalnej kotła dużej m ocy,

■ zbadanie struktury i w arunków pracy obszaru położonego w dolnej części komory paleniskow ej, ja k rów nież określenie w zajem nej zależności pom iędzy kom orą p alen isk o w ą a sk rzy n ią pow ietrza pierw otnego,

■ określenie w arunków cieplno-przepływ ow ych w górnej części kom ory paleniskow ej,

(14)

■ określenie intensyw ności segregacji ziaren m ateriału inertnego i ziaren paliw a w objętości CW F,

■ określenie w pływ u gabarytów kom ory paleniskow ej kotłów z C W F w skali technicznej na grubość hydrodynam icznej strefy przyściennej i stopień w ew nętrznej cyrkulacji ziaren m ateriałirw arstw y,

■ zbadanie rozkładu prędkości ziaren w przekroju poziom ym i pionow ym CW F oraz porów nanie uzyskanych w yników badań przeprow adzonych dw om a niezależnym i od siebie m etodam i pom iarow ym i,

■ określenie rozkładu tem peratury w objętości C W F k o tła dużej m ocy,

■ zbadanie rozkładu stężeń składników fazy gazow ej w objętości kom ory paleniskow ej kotła dużej m ocy o raz w yznaczenie charakterystycznych obszarów pow staw ania i redukcji zanieczyszczeń gazow ych z procesu spalania realizow anego w obrębie CW F,

• określenie w pływ u zm ian w arunków cieplno-przepływ ow ych w dolnej części kom ory paleniskow ej na em isję zanieczyszczeń gazow ych,

■ w yznaczenie w pływ u układu separacji kotła na w arunki cieplno-przepływ ow e w kom orze paleniskow ej i w artość em isji zanieczyszczeń.

P rzedstaw iony szeroki zakres badań zrealizow anych na kotle o m ocy 670 M W został również uzupełniony badaniam i eksperym entalnym i przeprow adzonym i na najnow szej generacji kotle typu C om pact o m ocy 700 M W . Przeprow adzono ponadto analizę porów naw czą uzyskanych w yników badań w łasnych z danym i literaturow ym i dotyczącym i pracy kotłów z C W F o m niejszej m ocy.

(15)

3. OBIEKTY BADAŃ

Z asad n ic zą część badań eksperym entalnych przeprow adzono na kotle z cyrkulacyjną w arstw ą flu id aln ą o m ocy 670 M W . Schem at kotła przedstaw iono na rysunku 3.1 [96], Podstaw ow e dane konstrukcyjne zam ieszczone zostały w tablicy 3.1 [96].

KOMORA PALENISKOWA CYKLON KOMORA KONWEKCYJNA

Rys. 3.1. Schemat kotła CWF 670 MW

Fig. 3.1. Schematic diagram o f the CFB 670 MW boiler

Tablica 3.1 Dane konstrukcyjne kotła CWF 670 MW

Wyszczególnienie Jednostki Wartości

Strumień masy pary pierwotnej kg s'1 185,4

Ciśnienie pary pierwotnej MPa 13,2

Temperatura pary pierwotnej bC 540

Paliwo węgiel brunatny

Wysokość komory paleniskowej m 44,8

Pole przekroju komory paleniskowej na poziomie rusztu m2 21,2x5,2

Pole przekroju komory paleniskowej powyżej leja m2 21,2x9,9

Wysokość dolnej części komory paleniskowej (tzw. leja) m 6,7

K om ora paleniskow a na poziom ie rusztu fluidyzującego m a przekrój 21,2 m x 5,2 m.

O d poziom u 6,7 m w stosunku do rusztu przekrój kom ory paleniskow ej w ynosi 21,2 m x 9,9 m. C ałkow ita w ysokość kom ory paleniskow ej je s t rów na 44,8 m. K ocioł w yposażony je st w dw a gorące cyklony o średnicy 10 m każdy. W kom orze paleniskow ej, oprócz ścian m em branow ych, um ieszczony je s t przegrzew acz pierw otny pary I stopnia (przegrzew acz O m ega) o raz p rzegrzew acz pierw otny pary II stopnia (ściana skrzydłow a). Pozostałe p rzegrzew acze pary (przegrzew pierw otny stopień III oraz I i II stopień przegrzew u

(16)

wtórnego) oraz podgrzew acze w ody i pow ietrza (pierw otnego i w tórnego) um iejscow ione są w ciągu konw ekcyjnym . K ocioł spala w ęgiel brunatny o w artości opałow ej 8,2-12,1 M J/kg.

Analiza techniczna i elem entarna spalanego paliw a p rzedstaw iona została w tablicy 3.2.

Tablica 3.2 Analiza techniczna i elementarna węgla brunatnego w stanie roboczym

Wyszczególnienie Jednostki Wartości

Wartość opałowa MJ kg'1 8,2-12,1

Wilgoć całkowita % masowy 40-48

Części lotne % masowy 17,6-22,0

Części palne stałe % masowy 12,2-15,1

Popiół % masowy 6,5-31,5

C % masowy 23,9

H % masowy 1,9

S % masowy 0,4-0,8

N % masowy 0,2

0 % masowy 6,8

B adania kotła przeprow adzono w dw óch etapach. E tap I obejm ow ał badania stacjonarne kotła, któ re w ykonano przy je g o pełnym obciążeniu i niezm iennych strum ieniach masy w prow adzanego: paliw a, sorbentu i pow ietrza do kom ory paleniskow ej. E tap II obejm ował badania zw iązane ze stopniow aniem paliw a i pow ietrza, ja k rów nież zm iennym i w łaściwościam i fizykochem icznym i sorbentu oraz strum ieniam i m asy m ateriału w arstw y cyrkulującego w k onturze zew nętrznym badanego kotła. W celu realizacji badań w kom orze paleniskowej w ykonano 25 portów pom iarow ych o przekroju prostokątnym 22 m m x 52 mm.

Schemat portu dla sond pom iarow ych przedstaw iono na rysunku 3.2.

Rys. 3.2. Schemat portu pomiarowego dla sond

Fig. 3.2. Schematic diagram o f the probe measurement port .

K ształt i p ow ierzchnia pola przekroju w ykonanych portów podyktow ane były dostępnym m iejscem w płetw ach ścian m em branow ych. P oprzez przygotow ane porty w prow adzano do kom ory paleniskow ej chłodzone w o d ą sondy pom iarow e. N a potrzeby standardow ej kontroli pracy kotła w kom orze paleniskow ej zam ontow anych je s t pięć portów pom iaru ciśnienia, tj. trzy porty bezpośrednio nad rusztem (z=0,25 m) oraz dw a na poziom ie w lotu do cyklonów (pom iary ruchow e kotła). D la pom iaru profilu i pulsacji ciśnienia w kom orze paleniskow ej liczba tych portów , ja k rów nież ich rozm ieszczenie, były niew ystarczające. D latego też przygotow ano 27 dodatkow ych portów do pom iaru ciśnienia o średnicy 10 m m . S chem at rozm ieszczenia portów dla sond i pom iaru ciśnienia przedstaw iono na rysunku 3.3. Z e w zględu na przew idyw any w ysoki pionow y g rad ien t ciśnienia m ateriału

(17)

w arstw y w dolnej części kom ory paleniskow ej w tym obszarze porty pom iarow e zostały gęsto rozm ieszczone. N a rysunku 3.4 przedstaw iono układ portów ciśnienia (w idok od w ew nątrz kom ory paleniskow ej) w odległości do 0,4 m od rusztu fluidyzującego o raz schem at portu po

m iarow ego ciśnienia.

Rys. 3.3. Schemat rozmieszania portów pomiarowych w komorze paleniskowej kotła 670 MW:

a) rozmieszczenie portów pomiarowych dla sond; b) rozmieszczenie portów ciśnienia Fig. 3.3. Schematic diagram o f the arrangement o f measurement ports in the combustion chamber o f

the 670 MW CFB boiler: a) arrangement o f measurement ports for probes; b) arrangement of pressure ports

Rys. 3.4. Porty ciśnienia: a) rozmieszczenie portów pomiarowych ciśnienia w dolnej części komory paleniskowej (widok od wewnątrz komory paleniskowej); b) schemat portu ciśnienia Fig. 3.4. Pressure ports: a) arrangement o f pressure measurement ports in the bottom combustion

chamber part (as viewed from the inside o f the combustion chamber); b) schematic diagram o f the pressure port

(18)

W szystkie porty w yposażono w arm aturę o d cin ającą i podłączono do system u sprężo

nego pow ietrza. N a poziom ach pom iarow ych w okół kom ory paleniskow ej w ykonano układy w spom agające sondy, tj.: układ w ody chłodzącej, układ sprężonego pow ietrza oraz układ zasilania w energię elektryczną. W trakcie prow adzonych badań pobierane były rów nież próbki: paliw a, sorbentu, popiołu dennego oraz popiołu lotnego.

W badaniach w ykorzystano specjalnie do tego celu zaprojektow ane o raz w ykonane sondy pom iarow e:

- sondę do poboru gazu,

- sondę do p oboru ziaren m ateriału w arstw y, - sondy do pom iaru ciśnienia,

- sondę pojem nościow ą, - sondę do pom iaru tem peratury.

Sondy pom iarow e m iały przekrój 20 m m x 50 m m . M aksym alna długość sond wyniosła 4,5 m i ograniczona była d o stęp n ą w o ln ą przestrzenią w o k ó ł kom ory paleniskow ej.

Niemniej je d n a k głębokość penetracji kom ory w yniosła do 3 m. P ozw oliło to na przeprow adzenie badań w strefie przyściennej oraz w rdzeniu obszaru rozrzedzonego cyrkulacyjnej w arstw y fluidalnej. N a rysunku 3.5 przedstaw iono w ycinek ściany m em branowej z w ykonanym portem pom iarow ym d la sond. W loty m ateriałów sypkich (paliwo, sorbent, m ateriał recyrkulow any), ja k rów nież pow ietrza pierw otnego i pow ietrza wtórnego zlokalizow ane s ą w obrębie dolnej części kom ory paleniskow ej badanego kotła.

Rys. 3.5. Zdjęcia wycinka ściany membranowej wraz z zamontowanym portem dla sond Fig. 3.5. Photographs o f a membrane wall section with a probe port mounted

N a rysunkach 3.6 i 3.7 przedstaw iono rozm ieszczenie tych punktów dla w szystkich ścian kom ory paleniskow ej. Poniew aż niem ożliw e było p rzeprow adzenie w szystkich pom iarów w jed n y m czasie, należało uzyskać stabilne w arunki pracy kom ory paleniskow ej przez okres kilkunastu godzin. W tym celu konieczne je s t m iędzy innym i uzyskanie

(19)

niezm ienności w artości strum ieni masy paliw a i pow ietrza oraz ich rozdziału na poszczególne ściany kom ory paleniskow ej w trakcie trw ania eksperym entu.

Ściana tylna Ściana przednia

m m m m i i 111111111111

Ściana prawa Ściana lewa

• WK,z=36,7m WK~

- V, z=26,7 m V — -

- IV. z=17,7 m IV — *

- III, z=9,8 m Ili — >

- II, z=3,8 m II — I, z=0,9 m

♦ • Dolny / górny poziom powietrza wtórnego, z= 1,7 / 2,9 m o - Poziom wprowadzenia paliwa, z-0,8 m

* - Poziom wprowadzenia materiału recyrkulowanego, z=Q,8 m

* - Dolny I górny poziom powietrza wtórnego, z-2,14 m / 3,34 m

Rys. 3.6. Rozmieszczenie wlotów materiałów sypkich oraz powietrza dla badanej komory palenisko

wej

Fig. 3.6. Arrangement o f loose material and air inlets to the combustion chamber tested ŚCIANA TYLNA

(ppliwo i material recyrkulowany)

T 1 T2

P1 P2 P3

ŚCIANA PRZEDNIA (tylko paliwo)

P4

Rys. 3.7. Rozdział paliwa w dolnej części komory paleniskowej kotła z CWF 670 MW Fig. 3.7. Distribution o f fuel in the bottom combustion chamber part o f the CFB 670 MW boiler

N a rysunku 3.8 przedstaw iono rozkład paliw a oraz rozdział pow ietrza w tórnego w trakcie realizow anych badań zasadniczych na kotle 670 M W . D ane przedstaw ione na rysunku 3.8 w sk azu ją na uzyskanie porów nyw alnych w arunków pracy kotła. P o zw alają one na prze

prow adzenie spójnej analizy uzyskanych danych z okresu 30-dniow ej zasadniczej serii po

m iarow ej. B ad an ia uzupełniające założonego zakresu prac przeprow adzono na kotle z cyr- k u lacy jn ą w a rstw ą flu id aln ą typu C O M PA C T o mocy 700 M W . Schem at kotła przedstaw iono na rysunku 3.9, a jeg o charakterystykę w pracy [99]. K om ora paleniskow a kotła, przedsta

w ionego na rysunku 3.9, na poziom ie rusztu fluidyzującego m a przekrój 21,9 m x 5,2 m. Od poziom u 8,7 m w stosunku do rusztu przekrój kom ory paleniskow ej w ynosi 21,9 m x 10,1 m.

C ałkow ita w ysokość kom ory paleniskow ej je s t rów na 42,1 m. P o d staw o w ą c ech ą w yróżniają

c ą ten typ kotła w stosunku do kotła o m ocy 670 M W w Elektrow ni T urów je s t odm ienna

(20)

konstrukcja układu separacji ziaren m ateriału sypkiego od gorących spalin oraz układu nawrotu odseparow anych ziaren do kom ory paleniskow ej. S eparator now ego typu, zw any separatorem kom paktow ym , w ykonany je s t z paneli ścian m em branow ych i w yłożony wewnątrz cien k ą w y k ład zin ą z m ateriału odpornego na erozję o grubości około 50 mm.

BRt L2R1L2R2 121 12R U F U R L5F L5R L8F1 punkty p o m i a r o w e

□ poziom l poziom II □ palniki

punkty pomiarowe

□ poziomi

BRL L2R1 L2R2 L2L L2R L4F L4R 15F L5R L8F1 punkty p o m i a r o w e

poziom II □ palniki

L6F2 16F3 L6F4 L6F6 L6R1 L6R2 L6R3 L6R4 L6FL ER punkty pomiarowe

Rys. 3.8. Rozdział paliwa i powietrza wtórnego w trakcie badań kotła z CWF o mocy 670 MW Fig. 3.8. Distribution o f fuel and secondary air during testing o f the 670 MW CFB boiler

Poprzeczny przekrój separatora je s t prostokątny. S eparator kom paktow y o raz kanał nawrotny, co w arto podkreślić, zintegrow ane s ą ze ścian ą b o czn ą kotła. P rzy czy n ia się to do lepszego w ykorzystania przestrzeni w okół kom ory paleniskow ej oraz w y m ag a zdecydow anie mniej m iejsca na zabudow ę takiego kotła. Separatory m ateriału sypkiego (4 sztuki) stanow ią konstrukcję szczelną, ściany chłodzone są p a rą z w alczaka. Z m iana konstrukcji separatora pozw oliła na popraw ę skuteczność separacji w kotle C O M P A C T - obniżono średnicę separow anych ziaren z 150 pm do 80-100 pm za separatorem . W celu zm niejszenia w ysokości kom ory paleniskow ej w je j w nętrzu um ieszczono ściany grodziow e, stanow ią

ce elem enty parow nika. W przeciw ieństw ie do kotłów 670 M W p rzegrzew acz pierw otny pary I stopnia nie je s t um iejscow iony w kom orze paleniskow ej, lecz w Ił ciągu kotła, natom iast przegrzew acz pierw otny pary II stopnia i przegrzew acz pary pierw otnej III stopnia zostały zlokalizow ane w zew nętrznych w ym iennikach ciepła typu IN TR EX . P ozostałe przegrzew acze pary (I i II stopień przegrzew u w tórnego) oraz podgrzew acze w ody i pow ietrza (pierw otnego i w tórnego) um iejscow ione s ą w ciągu konw ekcyjnym . W dolnej części kom ory paleniskow ej, osłoniętej w ym urów ką, tradycyjnie zlokalizow ane s ą w loty w szystkich czynników doprow adzanych do kom ory paleniskow ej (pow ietrze, paliw o, m ateriał inertny itp.), przy

punkty p o m i a r o w e

(21)

czym w przeciw ieństw ie do kotła o m ocy 670 M W , sorbent podaw any je s t w raz z paliw em do kom ory paleniskow ej.

Rys. 3.9. Schemat kotła z CWF COMPACT 700 MW

Fig. 3.9. Schematic diagram o f the COMPACT 700 MW CFB boiler

N a potrzeby analizy w arunków cieplno-przepływ ow ych i em isji zanieczyszczeń z k otłów z cy rk u lacy jn ą w arstw ą fluidalną w ykorzystano rów nież w yniki dostępnych w literaturze badań dotyczących kotłów z CW F w m niejszej skali technicznej. Z estaw ienie tych jed n o stek przedstaw iono w tablicy 3.3.

Tablica 3.3 Zestawienie warunków badań eksperymentalnych CWF

Autor Miejsce

S

•O ' Przekrój D X

S Q

£ X Materiał warstwy

*800

£

Ul Ul ldp

oU

I

D

■o " s bi

Z hang [121] G eteborg 12 □ 8,65 1,56 13,5 popiół 2600 0,22- 0,33 850 3,4- 5,9 1-45

C outurier [13] C hatham 72 □ 6,01 3,96 23,8 popiół 2500 - 850 6,4 36

W erderm ann [113] Flensburg 109 c 5,49 5,10 28,0 popiół 2500 0,21 860 6,3 15

Zhang [121] Ö rebro 165 □ 4,93 6,80 33,5 popiół 2600 0,28 830 4,6 <5

W erderm ann [113] D uisburg 226 0 4,00 8,00 32,0 popiół 2500 0,18 860 5.3 10

C aloz [11] G ardanne 685 □ 2,81 12,8 36,0 popiół - - - 5,5 -

(22)

4. TECHNIKI POMIAROWE CWF W SKALI TECHNICZNEJ

W celu przeprow adzenia analizy procesów hydrodynamiki i spalania zachodzących w komorach paleniskow ych kotłów z cyrkulacyjną w arstw ą fluidalną, ilość danych możliw ych do uzyskania ze standardow ego układu rejestracji param etrów ruchow ych kotła i ich zakres są niewystarczające. D latego też w trakcie realizacji badań eksperym entalnych wykorzystano dodatkow o szereg inwazyjnych technik pomiarowych lokalnych w artości kluczowych param etrów, które charakteryzują warunki cieplno-przepływowe cyrkulacyjnej w arstwy fluidalnej w komorze paleniskowej kotła w dużej skali technicznej. Do param etrów tych zaliczyć należy:

lokalne stężenie ziaren materiału warstwy, lokalne prędkości ziaren m ateriału w arstwy, lokalny strumień masy ziaren materiału w arstwy, rozkład zastępczej średnicy ziaren m ateriału w arstwy w przekroju poziom ym i pionow ym reaktora, rozkład tem peratury w kom orze paleniskowej i stężeń charakterystycznych składników gazu. Przedstawione poniżej techniki pom iarow e zostały po raz pierwszy w spólnie zastosow ane na tak dużym obiekcie przem ysłow ym . W ymagało to opracow ania now ych m etod pomiarowych i nowych konstrukcji sond pom iarow ych w stosunku do tych, które w ykorzystyw ano ju ż w mniejszej skali technicznej i skali laboratoryjnej [115].

4.1. Pomiar ciśnienia w komorze paleniskowej

Jednym z podstaw ow ych pom iarów przeprow adzanych w badaniach hydrodynam iki w arstw y fluidalnej je s t pom iar ciśnienia. W pracach [10, 36, 63, 67, 68, 104, 105, 106, 111, 122] przedstaw iono, iż w ykorzystując m etodę analizy gęstości w idm ow ej m ocy sygnału pochodzącego z pom iaru ciśnienia m ożna określić częstotliw ość do m in u jącą ja k o m iarę jakości fluidyzacji. Ponadto m etoda ta, ja k w skazują badania [10], m oże być w ykorzystana do w eryfikacji w yników w trakcie zw iększania gabarytów stanow isk badaw czych z CW F. N a rysunku 4.1 przedstaw iono schem at w ykorzystanego układu pom iarow ego ciśnienia. U kład ten składał się z kom putera PC w yposażonego w dw ie 16-kanałow e karty pom iarow e, zestaw u czujników , zasilacza oraz kabli pom iarow ych przenoszących sygnały i zasilanie. W badaniach w ykorzystano czujniki ciśnienia H oneyw ell typ 164PC i 142PC. Sygnał napięciow y z sensora proporcjonalny do badanego ciśnienia p o przez kable pom iarow e i listwę przyłączeniow ą przesyłany był na kartę przetw orników A /D . D ane rejestrow ano z częstotliw ością 200 H z w ciągu 10 min. Pozw oliło to na uzyskanie zbiorów posiadających 120 000 danych. P om iar ciśnienia w kom orze paleniskow ej przeprow adzono ja k o pom iar różnicowy w stosunku do ciśnienia otoczenia. Z biór danych dzielono na 30 podzbiorów , z których każdy zaw ierał 8192 odczyty w artości ciśnienia. N astępnie obliczano średni rozkład gęstości w idm ow ej ciśnienia w funkcji częstotliw ości przy w ykorzystaniu transform aty Fouriera. Pulsację ciśnienia analizow ano rów nież w ykorzystując ich am plitudę o p isan ą jak o odchylenie standardow e eksperym entalne w edług następującej zależności [21, 102]:

N a rysunku 4.2 przedstaw iono w artość odchylenia standardow ego w funkcji liczby danych w zarejestrow anym zbiorze w artości ciśnień. Jak w idać na rysunku 4.2, niezależnie od odległości od rusztu, w jak iej przeprow adzano badania, 8192-elem entow y zbiór danych m ożna uznać za w ystarczający do analizy pulsacji ciśnienia. R ów nież V an D er S ch aaf w

(4.1)

(23)

badaniach [111] stw ierdził, iż w celu w łaściw ej i zadow alającej oceny pulsacji ciśnienia w y

m agany je s t zbiór danych o 100 000 elem entów zarejestrow anych w czasie od 300 do 1200 s.

a

Wężyk PE d=6mm Czujnik

<3&Ma

pomiarowy sygnał 1-6 VDC

ciśnienia '--- Zasilanie 8 VOC

listwa przyłączeniowa

Przetwornik AO

PC

Rys. 4.1. Schemat układu pomiarowego ciśnienia wzdłuż wysokości komory paleniskowej

Fig. 4.1. Schematic diagram o f a system for the measurement o f pressure along the combustion cham

ber height

Liczba danych, N, -

Rys. 4.2. Odchylenie standardowe ciśnienia w funkcji ilości zarejestrowanych danych Fig. 4.2. Standard deviation o f pressure as a function o f the amount o f recorded data

N a podstaw ie przeprow adzonych pom iarów ciśnienia w zdłuż w ysokości komory paleniskow ej obliczono w artość średnią stężenia objętościow ego ziaren m ateriału w arstw y na podstaw ie następującej zależności [110]:

te Pn g

^(4.2)

(24)

4.2. Pomiary temperatury w komorze paleniskowej

Pom iar tem peratury w kom orze paleniskowej dostarcza podstaw ow ych informacji o przepływie ciepła oraz intensywności zachodzących reakcji chem icznych w objętości cyrkulacyjnej warstwy fluidalnej. W yniki pomiarów tem peratury w skazyw ać m ogą ponadto na występowanie problem ów np. z niew ystarczającym m ieszaniem ziaren m ateriału w arstwy i gazu, co z kolei prowadzić m oże do defluidyzacji warstwy. W pom iarach lokalnych wartości temperatury w objętości w arstwy w komorze paleniskowej zrezygnow ano z tradycyjnego montażu term oelem entów na ścianach komory paleniskowej, gdyż dokonują one pomiaru jedynie w strefie przyściennej, a wykorzystano sondę pom iarow ą prezentow aną na rysunku 4.3. Sonda pozwalała na pom iar lokalnej w artości temperatury w kom orze paleniskowej w odległości do 3 m od ściany, charakteryzow ała się przekrojem 20 m m x 50 m m i w yposażona była w układ dw óch term oelem entów N iC r-N i.

Przewód kompensacyjny

Rys. 4.3. Schemat sondy do pomiaru temperatury w komorze paleniskowej

Fig. 4.3. Schematic diagram o f a probe for temperaturę measurement in the combustion chamber Sonda w sp ó łp raco w ała ponadto z układem zasilającym w energię elek try czn ą i w odę chłodzącą. D la każdego punktu pom iarow ego w kom orze paleniskow ej w ykonano 5 serii pom iarow ych. C zas trw an ia je d n e g o pom iaru w yniósł 10 min.

4.3. Pomiary przepływu i stężenia fazy stałej

Jednym i z zasadniczych param etrów charakteryzujących w arunki pracy CW F są lokalne w artości: prędkości ziaren, stężenia objętościow e ziaren o raz gęstości strum ienia masy cyrkulujących ziaren. W celu określenia w artości tych param etrów w ykorzystano 3 typy sond chłodzonych w o d ą tj: sondę p ró b k u ją c ą sondy ciśnieniow e oraz sondę pojem nościow ą.

4.3.1. Sonda p róbkująca

Sondy próbkujące są bardzo dobrze znane przy próbkow aniu strumieni gazu zawierających pyły [17], na przykład przy pomiarach stężenia pyłów w przew odach gazu odlotowego w elektrow niach opalanych paliwem stałym. W arunkiem koniecznym takich pomiarów je s t zachow anie izokinetyczności zasysania próbek m ateriału w arstwy, tzn. dla pomiarów naukow ych średnia w artość ilorazu prędkości gazu zasysającego przez sondę i prędkości gazu opływ ającego sondę z zew nątrz pow inna mieścić się w zakresie od 0,95 do 1,1.

W ym aganie to u m ożliw ia dokładne zarejestrow anie prędkości przepływ u gazu i fazy stałej.

W arunek ten nie je st m ożliw y do spełnienia w w arstwach fluidalnych, gdzie znana je s t jedynie

(25)

średnia pow ierzchniow a prędkość gazu. W konkretnym obszarze w ew nątrz objętości warstwy fluidalnej zarówno ilość, ja k i kierunek oraz zwrot przepływu gazu i fazy stałej m ogą ulegać znacznym pulsacjom . W pew nych momentach sonda może być zanurzona w rozrzedzonej zawiesinie poruszającej się do góry, a chwilę później końców ka sondy m oże napotkać poruszające się w dół skupiska ziaren w postaci tzw. aglom eratów czy skupisk. Sonda próbkująca m oże być w ięc stosow ana w warstwie fluidalnej jedynie w trybie nieizokinetycznego ssania.

Jednakże pom iary w ielu autorów (np. R hodes [10, 82], L eckner [80], R hodes i Laussm ann [52], K ruse i W erther [81]) w ykazały, że dla danej konstrukcji sondy istnieje zakres prędkości zasysania gazu, w którym gęstość strum ienia masy netto (przepływ lokalny do góry m inus p rzepływ lokalny w kierunku w dół) pobieranej fazy stałej je s t niezm ienna. Z pow odu relatyw nie w ysokich stężeń m ateriału w arstw y, przepływ fazy gazow ej i stałej w cyrkulacyjnych w arstw ach fluidalnych je s t w ystarczająco stabilny i prędkość ssania, która je st znacznie w yższa od prędkości fluidyzującego gazu, nie pow oduje znaczącego w zrostu masy pobieranej fazy stałej. N a rysunku 4.4. przedstaw iono schem at sondy próbkującej, natom iast na rysunku 4.5 układ pom iarow y.

t zawiesina

gaz - materiał warstwy woda

Rys. 4.4. Schemat nieizokinetycznej sondy próbkującej Fig. 4.4. Schematic diagram o f a non-isokinetic sampling probe

woda chłodząca - wylot cyklonu

Pomiar tem peratury Pomiar strumienia objętości gazu

Rura zasysająca Sonda

Gaz-ziarna m ateriału w arstwy

Powietrze

i

- e -

^Gaz

Pompa

I ! Cyklon

Pomiar tem peratury

Osuszacz Filtr wodny

Filtr tkaninowy

Alarm Woda chłądząca m

—«.

Pomiar strumienia objętości wody

Rys. 4.5. Schemat układu do poboru ziaren materiału warstwy

Fig. 4.5. Schematic diagram o f a system for taking bed material particles

(26)

U kład pom iarow y prezentow any na rysunku 4.5 składał się z sondy o przekroju 20 m m x 50 m m chłodzonej w odą. Średnica rury zasysającej w ynosiła 12 mm. P obierane ziarna m ateriału w arstw y były oddzielane od gazu w cyklonie. K onstrukcja sondy o parta była na założeniu, iż lokalna gęstość strum ienia masy ziaren m ateriału w arstw y netto je s t niezm ienna w określonym eksperym entalnie zakresie prędkości ssania sondy. N a rysunku 4.6 przedstaw iono rozkład lokalnej gęstości strum ienia m asy ziaren unoszonych, opadających oraz lokalnej gęstości strum ienia masy ziaren netto w funkcji prędkości ssania sondy.

' g o

P rę dko ść ssa nia sondy, u, m s‘

Rys. 4.6. Lokalna gęstość strumienia masy ziaren materiału warstwy w funkcji prędkości ssania sondy Fig. 4.6. Local solids mass flux density as a function o f probe suction velocity

N a podstaw ie przeprow adzonych badań w stępnych ustalono prędkość ssania sondy rów ną 10 m s '1. B yła on a w ystarczająco w ysoka do utrzym yw ania transportu ziaren w poziomej części sondy w e w szystkich w arunkach pom iarow ych. W zależności od odległości od rusztu kom ory paleniskow ej czas pom iaru m ieścił się w zakresie od 300 do 600 s. W celu zabezpieczenia pom py przed drobnym i ziarnam i nie odseparow anym i w cyklonie w układzie zainstalow any został filtr tkaninow y oraz filtr w odny. D odatkow o układ w yposażono w zawory odcinające um ożliw iające przedm uchiw anie sondy w przypadku je j zablokow ania m ateriałem w arstw y. W celu zabezpieczenia przed przegrzaniem układu w system ie w ody chłodzącej i system ie zasysania ziaren m ateriału w arstw y zainstalow ano czujniki tem peratury.

Poza tym prow adzono pom iar strum ienia objętości w ody o raz gazu. L o k aln ą gęstość strum ienia m asy cy rkulujących ziaren, tzw . netto, będącą w y p ad k o w ą gęstości strum ienia masy ziaren: unoszonych i ziaren opadających w badanym obszarze kom ory paleniskow ej, obliczano w edług następującej zależności:

g„ = g; , +ć:;( , gdzie:

G“sj ;

4 ^u,o

m s l

(4.3)

(4.4)

(27)

Ś rednią gęstość strum ienia masy ziaren m ateriału w arstw y netto na danej w ysokości komory paleniskow ej obliczono z zależności (4.5):

Gs.hsr.sr • A . + Gs.hsp.sr ' A,

G s = ^ , (4.5)

Ak

gdzie:

J Ąw/»

Gs,hsP.sr = — I G s . i ( r ) d r, (4.6)

hsp ®

2 D*/2 • , v

Gs.hsr.sr — —-— —— J G s . i ( r ) d r . (4.7)

e ~ toyp 0

G rubość hydraulicznej strefy przyściennej, Ą,sp, zdefiniow ano ja k o odległość od ściany, gdzie uśredniona w czasie gęstość strum ienia masy ziaren netto przyjm uje w artość zero.

4.3.2. Sondy ciśnieniow e

W badaniach cyrkulacyjnej warstwy fluidalnej kotła w dużej skali technicznej w ykorzystano dw a typy sond spiętrzających, tj. sondę typu „T ” oraz sondę typu „L” . Zestawienie konstrukcji sond spiętrzającyh oraz ich opis przedstawiono między innymi w pracy [38],

4.3.2.1. S o n d a ciśnieniow a typu „ T ”

O ddziaływ anie zaw iesiny gaz-ziam a na dyszę sondy typu „T ” m a swój w yraz w złożonym przekazyw aniu pędu pom iędzy gazem a ziarnam i m ateriału w arstw y w ew nątrz i na zew nątrz końców ki sondy. Jeżeli założym y, iż kon tro ln ą ob jęto ścią je s t objętość części sondy o znaczona lin ią k resk o w an ą na rysunku 4.7 [120], to analizow ane b ę d ą jed y n ie procesy zachodzące w ew nątrz końców ki.

Rys. 4.7. Schemat pracy końcówki sondy Fig. 4.7. Schematic diagram probe tip operation

(28)

Z iarna w głów nym strum ieniu zo stają spow olnione do prędkości

Up

„• przy w ejściu do końców ki sondy. W końców ce ruch ziaren m oże być podzielony na dw a etapy. W pierw szym etapie ziarna są spow alniane poprzez pow ietrze oczyszczające dopóki nie zostanie osiągnięty stan ustalony. W drugim etapie ziarna zm ieniają kierunek, p rzy śp ieszają i s ą w yłapyw ane z prędkością w y jścio w ą upa. P rocesy odbyw ające się w obydw u etapach spow odow ane są w zrostem statycznego ciśnienia gazu w tylnej części końców ki. D ługość L oznacza długość spow alniania d la ziaren od w ejścia, aż do prędkości zerow ej. N a rysunku 4.8 przedstaw iono schem at w ykorzystanej w badaniach sondy typu „T ” .

Ziarna unoszone

Ziarna opadające

Rys. 4.8. Schemat sondy ciśnieniowej typu „T ” Fig. 4.8. Schematic diagram o f „T ” - type pressure probe

S onda p rzedstaw iona na rysunku 4.8 składa się z dw u rów noległych rurek przym ocow anych do siebie. Rurki m ają średnicę w ew nętrzną 8 m m . K ońce rurek s ą w ygięte pod kątem prostym i skierow ane do góry i w dół. P ow ietrze oczyszczające przechodzi przez obydw ie rurki w celu uniem ożliw ienia zatykania końców ek oraz popraw y w ym iany pędu pom iędzy fa z ą g azo w ą i fa z ą stałą. Sondę w ykonano o przekroju 20 m m x 50 m m i chłodzono w trakcie pom iarów w odą. P rzepływ pow ietrza oczyszczającego m onitorow any był przez dw a przepływ om ierze kontrolne. R óżnica ciśnienia p sp, tzw . ciśnienie spiętrzenia netto, pom iędzy dw iem a końców kam i m ierzona je s t przez dw a otw ory piezom etryczne przedstaw ione na rysunku 4.8. Średnie ciśnienie spiętrzania obliczane było dla każdej serii pom iarow ej. C zas pom iaru w jed n ej serii w yniósł 5 m in i 10 m in, natom iast częstotliw ość próbkow ania odpow iednio 100 H z i 200 H z. Podobne sondy były w ykorzystane w pracach [1, 80, 120].

Sonda w ykorzystana w obecnych badaniach była zbliżona do sondy w ykorzystanej przez Zhanga, który to w pracy [120] przedstaw ił je j szczegółow y opis. R ó żn ica ciśnień, która bezpośrednio zw iązana je s t z p ręd k o ścią ziaren i g ęsto ścią strum ienia m asy ziaren, opisana została n astęp u jącą zależnością:

Psp = « ' c ,.; • P p ' (V '>2 + P s = a ' ć '. ' ■u Pj + P., = + P , ■ (4.8)

Cv.l 'Pp

W spółczynnik a bezpośrednio zależał od ilorazu prędkości ziaren na w ejściu do końców ki sondy i prędkości ziaren w głów nym strum ieniu. Stała p s odnosiła się do w ew nętrznego przepływu pow ietrza oczyszczającego i otaczającego przepływ u gazu w pobliżu końców ki sondy oraz uw zględniała w pływ graw itacji. N a rysunku 4.9 przedstaw iono przykładow e wyniki pom iarów ciśnienia spiętrzenia netto na badanym obiekcie o m ocy 670 M W oraz na kotle z CW F o m ocy 12 M W w C halm ers U niversity o f T echnology [86]. P rezentow ane wyniki d o ty czą strefy przyściennej obszaru rozrzedzonego cyrkulacyjnej w arstw y fluidalnej.

Jak w idać (rys. 9), uzyskane sygnały, z dw óch różniących się m iędzy s o b ą k o n stru k cją sond, m ają tę sam ą strukturę pod w zględem pulsacji i skali czasu. Pom iary stężenia objętościow ego ziaren p o k azu ją częste w ystępow anie skupisk ziaren (aglom eratów ), które s ą w idoczne jak o lokalne piki. W ykorzystując w artość netto ciśnienia spiętrzenia p o m ierzo n ą przez sondę ciśnieniow ą typu „T” , gęstość strum ienia masy ziaren oraz prędkość ziaren m o żn a obliczyć z zależności:

Otwory piezometryczne Powietrze Woda chłodząca

(29)

G s.i - -P s

(4.9)

p.i

R ów nanie (4.9) w ym aga, aby je d e n z param etrów , tj. gęstość strum ienia m asy lub prędkość ziaren, m ierzony był oddzielnie. W artość lokalną gęstości strum ienia masy ziaren m ożna obliczyć rów nież z zależności:

G‘-i = cvJ -p •« . (4.10)

Chalmers 12 MW

Rys. 4.9. Rozkład ciśnienia spiętrzenia netto w funkcji czasu dla kotła 12 MW oraz 670 MW Fig. 4.9. Distribution o f net impact pressure as a function o f time for the 12 MW and 670 MW boilers

W ykorzystując rów nanie (4.9) i (4.10) określono w artości stałych a i p s. Przyjęto ponadto, iż prędkość ziaren z zależności (4.10) w trakcie w zorcow ania [15] sondy obliczana będzie z następującego rów nania:

up = U - U , . (4.11)

Prędkość unoszenia ziaren obliczona została zgodnie z rów naniem H aidera i L evenspiela [24]:

U .=

/ \ 1/2

^ d l A P r - p ^ 3 PgCD gdzie:

CD = J 1 [ 1 + (8,1716 ■

e-4™5’)-*

Re;-"964^5565"' ]1 + _73,69-(if !0748,‘')-R e ,

n 6.2122-4,

Re„+5,37-e '

(4.12)

(4.13)

D la danych w arunków przepływ ow ych w kom orze paleniskow ej, tj. prędkości gazu, średnicy ziaren m ateriału w arstw y oraz prędkości pow ietrza oczyszczającego, uzyskano następujące w artości param etrów a i p s, odpow iednio 2,4 i 50 Pa dla badanego kotła.

Warunki cieplno-przepływowe i emisje zanieczyszczeń w kotłach z cyrkulacyjną warstwą fluidalną dużej mocy

MM

ZESZYTY NAUKOWE

POLITECHNIKI ŚLĄSKIEJ

Robert SEKRET

WARUNKI CIEPLNO-PRZEPŁYWOWE I EMISJE ZANIECZYSZCZEŃ

W KOTŁACH

Z CYRKULACYJNĄ WARSTWĄ FLUIDALNĄ DUŻEJ MOCY

Gliwice 2005

POLITECHNIKA ŚLĄSKA

ROBERT SEKRET

WARUNKI CIEPLNO-PRZEPŁYWOWE I EMISJE ZANIECZYSZCZEŃ

W KOTŁACH

Z CYRKULACYJNĄ WARSTWĄ FLUIDALNĄ DUŻEJ MOCY

G liw ice 2005

Opiniodawcy

Prof. dr hab. inż. Zdzisław KABZA Prof. dr hab. inż. Roman ZARZYCKI

Kolegium redakcyjne

Redaktor naczelny - Prof. dr hab. inż. Andrzej BUCHACZ Redaktor działu - Prof. dr hab. inż. Zbigniew RUDNICKI Sekretarz redakcji - Mgr Elżbieta LEŚKO

Redakcja

Mgr Aleksandra KŁOBUSZOWSKA

Redakcja techniczna Alicja NOWACKA

© Copyrihgt by

Robert SEKRET

Gliwice 2005

Pamięci OJCA

SPIS TREŚCI

CONTENTS

WYKAZ UŻYTYCH OZNACZEN I INDEKSÓW, NOMENCLATURE

pi F

L

P,tp PV P.t

Rl

U Ua uc u„

U>

u, u„

Uo

Pr

<T X ę

l

sg

1. WSTĘP

2. GŁÓWNE TEZY PRACY, CELE I ZAKRES BADAŃ

o

o

o

3. OBIEKTY BADAŃ

I

4. TECHNIKI POMIAROWE CWF W SKALI TECHNICZNEJ

4.1. Pomiar ciśnienia w komorze paleniskowej

<3&Ma

te Pn g

4.2. Pomiary temperatury w komorze paleniskowej

4.3. Pomiary przepływu i stężenia fazy stałej

i

- e -

—«.

G“sj ;

Up

e-4™5*’)-

e-4™5’)-*