Jan KRZTOŃ, Ludwik MADEJA AHLSTROM FAKOP LTD., Sosnowiec
NOWE ROZWIĄZANIE TECHNICZNE
CYRKULACYJNYCH KOTŁÓW FLUIDALNYCH TYPU COMPACT
S tr esz c z en ie . R eferat przed staw ia tło, rozwój i plany realizacji k ot
łów Pyroflow Compact, drugiej generacji kotłów z cyrkulacyjnym zło
żem fluidalnym opracowanym przez A hlstrom . R eferat opisuje konce
pcję nowego rozw iązania, prace badawcze i testow e, któ re były w ykona
ne w laboratorium A hlstrom a. Prezentow ane są w yniki pom iarów n a pierwszej jednostce. Podano plany działań handlow ych dla następnych jednostek. Zaprezentow ano informacje dotyczące w ym iennika ciepła CHEX. W konkluzji przedstaw iono wizję sta n u w sztuce kotłowej na najbliższą przyszłość.
PYROFLOW COMPACT NEW CONCEPT OF DESIGN A SECOND GENERATION CFB BOILER
Sum m ary. The pap er discusses th e background, development, configuration and com m ercialization plans of th e Pyroflow Compact, a second generation circulating fluidized bed boiler by A hlstrom . The paper describes th e concept of new solution, th e research and te s t works which h a s been done in A hlstrom Laboratory. The results of m easurem ents on the first unit in Kuhmo are presented. The commercialization plans for th e next emits are given. Some informations concerning w ith CHEX H eat Exchanger are presented. In conclusion discusses th e vision of the state of th e a rt boiler for th e n ear future.
NEUE TECHNISCHE AUSFÜHRUNG DER KESSEL MIT W IRBELSCHICHTFEUERUNG MIT ZIRKULATIONSBETT TYP COMPACT
Z u sa m m en fassu n g . D er B ericht p rä s e n tie rt H intergrund, F ortentw icklung und V erw irklichungspläne für A hlstrom ’s bearbeitende Pyroflow Compact—Kessel, zw eiter G eneration der Kessel m it W irbelschichtfeuerung. Der B ericht beschreibt ein E n tw u rf der neuen E ntscheidung, Forschungs— u n d T estarbeiten, welche bei
A hlstrom ’s Labor sind durchgeführt worden. Die M essergebnisse sind bei e rste r A usführung p räsen tiert. F ü r n äch ste Ausführung p räsen tiert. F ü r nächste Exem plare sind die O p eratio n s- und H andelspläne angegeben worden. Es sind A uskünfte betr.
W ärm etauscher CHEX V orgestellt w orden. Im Schlussatz es ist Z ukunftsbild fü r K esselkunst vorgestellt worden.
WPROWADZENIE
R eferat przedstaw ia tło, rozwój, konstrukcję i plany realizacji kotła Pyro- flow Compact, drugiej generacji kotłów z cyrkulacyjnym złożem fluidalnym opracowanym przez Ahlstrom . P rodukt ten je s t we wczesnym etapie wdroże
n ia komercyjnego i pierwszy kocioł tego typu uruchom iony został w końcu 1992 r. Ten obiekt zlokalizowany je s t w m ieście Kuhmo (Finlandia) i wytwa
rza moc 5 MWe (18 MWt), a paliwem je s t biom asa. D rugie zastosowanie to jedn ostk a ciepłownicza tego typu o mocy 97 MWt znajdująca się w fazie realizacji projektu. Szersze przyszłościowe zastosow ania są w fazie rozwoju, a dane obiektów podane są w załączonych tabelach. Kocioł Pyroflow Compact je st modyfikacją dobrze znanego rozw iązania AHLSTROM PYROFLOW wy
twornic pary z cyrkulacyjnym złożem fluidalnym , który zapew nia określone korzyści projektowe i redukuje zapotrzebow anie przestrzeni n a kocioł.
AKCEPTACJA TECHNOLOGII CFB PRZEZ UŻYTKOWNIKÓW KOTŁÓW Pierw szy kocioł z cyrkulacyjnym złożem fluidalnym (CFB) był wprowadzo
ny w późnych latach 70. Technologia ta została rozw inięta dla sp alania nisko- jakościowych paliw, które nie mogły być spalane w ogóle lub bez podtrzym ują
cego paliw a w istniejących konwencjonalnych technologiach. Spełnienie emi
sji nie miało decydującej roli jako siła napędow a rozwoju tej nowej technologii.
Zdolność do spalan ia różnych paliw i dobre stabilne spalanie paliw niskojako- ściowych było pierwszoplanow ą korzyścią. Nowi użytkownicy tych kotłów uw ażali je za „brzydkie kaczątko”. Komora paleniskow a i drugi ciąg wyglądał zupełnie norm alnie, jednakże między nim i było coś niezwykłego, wysokotem
peraturow y cyklon. Ten cyklon, który był wielkością równy ja k pozostałe dwa kom ponenty, nie b rał udziału w w ytw orzeniu pary. T a nowość była rozpatry
w ana jako elem ent niezgrabny i kosztowny w porów naniu do tradycyjnych kotłów (rys. 1). Przyzwyczajeni do kotłów ludzie m yśleli, że przed tą nową technologią nie m a przyszłości. Pozytywna opinia z przem ysłu papierniczego spraw iła, że kotłownie grzewcze z tym i kotłam i rozwinęły się w Finlandii i Szwecji. Rosnąca ilość zamówień była w ystarczająca do zm iany spojrzenia na nową technologię. Te wczesne sukcesy kom ercyjne były powodem rozwoju produktu.
CFB BOILER GRATE FIRED BOILER
kocioł CFB kocioł rusztow y
Rys. 1. Kocioł CFB z początku la t 80 i kocioł rusztow y tej sam ej wydajności Fig. 1. A CFB from early 80’S and a g rate fired boiler of equal capacity
DOJRZAŁOŚĆ TECHNOLOGII
Próby sp alan ia węgla w jednostkach wcześniej opalanych biom asą m iały realny wpływ n a ekspansję rynkow ą kotłów CFB. Doskonałe w skaźniki w zakresie emisji przy dodaw aniu dolomitu i zdolność do przyjęcia szerokiego zakresu węgli w tej samej jednostce było spraw dzone. To otworzyło ryn ek dla kotłów opalanych węglem w USA, C entralnej Europie i D alekim Wschodzie dla producentów kotłów CFB. Dzięki korzyściom w zakresie emisji i elastycz
ności w użytkow aniu paliw kotły te były sprzedaw ane w rosnących ilościach.
Duży gorący cyklon, zlokalizowany m iędzy kom orą paleniskow ą a ciągiem konwekcyjnym, dawał w yraźne korzyści pomimo dodatkowych kosztów. Te cyklony były typowo projektow ane z w ew nętrzną w ykładziną odporną n a erozję, z izolacją, zam knięte w stalowej zew nętrznej obudowie. Płaszcz cyklo
nu i wym urówka stanow iły znaczącą część w kosztach produkcji. W ym agana
dodatkow a przestrzeń w pływała n a cenę konstrukcji nośnej kotłowni. Ponad
to był dodatkowy 25% ciężar do m ontażu.
Tradycyjna, niechłodzona konstrukcja cyklonu staw ia wyzwanie dla proje
ktantów i producentów kotłów. W ydłużenia term iczne blach płaszcza cyklonu, wyłożonych w arstw ą obm urowania, różnią się od w ydłużeń pozostałych ele
m entów kotła. Ten fakt powoduje, że w ym agane je s t specjalne rozważenie problemów system u podparcia i zastosow ania kom pensatorów mieszkowych pracujących w bardzo niekorzystnych w arunkach. Grube, niechłodzone obmu
rowanie, pracujące w tem p eratu rze 900°C, wystaw ione n a działanie strum ie
n ia piask u nie je s t proste do rozw iązania. A hlstrom i inni producenci kotłów CFB zapłacili za lekcję doświadczeń przy spalan iu specjalnych paliw i stoso
w aniu dużych cyklonów. Dopuszczalny g rad ien t te m p e ra tu r obm urow ania w niechłodzonym cyklonie lim ituje szybkość rozruchu.
Projektanci kotłów CFB udoskonalili w lata ch 80 konstrukcję i zapotrzebo
wanie przestrzeni n a kocioł relatyw nie zmniejszyło się (rysunek 2). Liczne
CFB BOILER FC FIRED BOILER
kocioł CFB kocioł pyłowy
Rys. 2. Nowoczesny kocioł CFB i kocioł pyłowy tej sam ej wydajności Fig. 2. A m odem CFB and a P C -fired boiler of equal capacity
kotły CFB zostały sprzedane i zadem onstrow ano zalety tej technologii. Cho
ciaż zapotrzebowanie przestrzeni było zmniejszone, bieżące rozw iązania pro
jektowe były podobne do wcześniejszych jed n o stek i zaw ierały w sobie duże wysokotemperaturowe cyklony między kom orą paleniskow ą a drugim cią
giem. Dla projektantów stało się ew identne, że znalezienie drogi do wyeli
minowania tradycyjnego wysokotem peraturow ego cyklonu powinno prow a
dzić do udoskonalenia tej technologii.
Oczywiście, wszyscy wytwórcy kotłów CFB oraz liczni specjaliści w tej dziedzinie n a uniw ersytetach i w centrach badawczych zm agali się z zada
niem udoskonalenia tej technologii. Rozw iązania zm ierzające do zastąpienia wysokotemperaturowych cyklonów mogą być podzielone n a trz y główne k a te gorie: separatory w ew nątrz komory palenisko
wej; tradycyjne w ysokotem peraturow e cyklo
ny, wykonane jako ściany m em branow e chło
dzone wodą/parą; różnego rodzaju kom ory se
parujące cząstki i układy udarow o-labirynto- we, zaprojektowane dla separacji cząstek bez użycia sił odśrodkowych. Każde z tych rozwią
zań mają zastosowania komercyjne lub co naj
mniej wykonane były instalacje demonstracyjne, lecz żadne z nich nie okazały się konkurencyjne w stosunku do tradycyjnego rozwiązania CFB.
ROZWÓJ SEPARATORÓW CZĄSTEK STA
ŁYCH W AHLSTROM
N aturalnie pierw sza idea w ykonania cyklo
nu bardziej użytecznego to wybudowanie go z zastosowaniem określonego rodzaju powierz
chni ogrzewalnych służących do w ytw orzenia pary. Je d n a k jego w ew nętrzna powierzchnia musi być pokryta tw a rd ą w ym urów ką dla ochrony przed erozją. G eom etria tradycyjnego cyklonu w sposób nieunikniony powoduje dro
gie wykonanie, ręczne procesy spaw ania (rys. 3). To rozw iązanie było oceniane k ilk a
krotnie podczas pracy kotłów CFB. Nie wyni
kało z tych rozw ażań jasn e stanow isko co do
zastosowania. Były złożone propozycje oferto- J Rys. 3. Cyklon chłodzony wodą_ „ „ , . . . . , we oparte n a tej koncepcji, jed n a k jeszcze ża
den kocioł nie został sprzedany. Fig. 3. W ater cooled cyclone
Separator usytuowany wewnątrz komory paleniskowej jest znakomitym roz
wiązaniem, rozpatrując to z punktu widzenia zapotrzebowania przestrzeni. Kon
strukcja jednakże jest bardzo skomplikowana. Te w arianty były testowane w obiektach demonstracyjnych w połowie lat 80 przez Ahlstroma. Konstrukcja okazała się rozwiązaniem nie zadowalającym i nie zakończyła się sukcesem.
C ząstki stałe mogą być separow ane ze stru m ien ia gazu również w komo
rach osadczych, gdzie zasadą je s t spadek szybkości, w momencie kiedy cząstki stałe opadają w dół. Istnieją liczne idee dla separatorów labiryntow ych opar
tych n a nagłej zm ianie kieru n k u stru m ien ia gazu i w rezultacie uderzeniu cząstek w wychwytujące belki, co powoduje w ytrącenie cząstek (rys. 4). Te nie odśrodkowe separatory nie były praktycznie rozw ażane lub nie były dostatecz
nie efektywne dla technologii CFB.
Rys. 4. Z asada sep arato ra labiryntowego Fig. 4. Principle of la byrinth sep arato r
Najbardziej obiecującym rozw iązaniem , które było rozważone to tzw. cyklon poziomy (rys. 5), gdzie odśrodkowy sep arato r je s t czę
ściowo zintegrow any z górną częścią komory paleniskowej. Ta konstrukcja stw arza duże trudności w rozw iązaniu konstrukcyjnym i uniem ożliwia realizację w dużej skali. Ahl- strom badał i testow ał to rozw iązanie od 1984 r., a pierwsze zastosowanie stworzyło drogę do nowej idei - Pyroflow Compact.
OST
Rys. 5. Cyklon poziomy Fig. 5. H orizontal cyclone
PYROFLOW COMPACT
W koncepcji ko tła Pyroflow Com pact tradycyjny cyklon je s t zastąpiony przez nowy rodzaj odśrodkowego se p ara to ra (rys. 6). Z am iast norm alnej kon
figuracji cyklonu se p ara to r składa się z płaskich ścian, które pozw alają n a użycie norm alnego m em branowego p an elu chłodzonego wodą, wykonanego n a automatycznej m aszynie do spaw ania. To powoduje, że kw adrato w a kom ora separacyjna m a liczne podobieństw a do tradycyjnego cyklonu. Ta separacyjna komora je s t wyposażona w zawirowywacz i posiada zbiorczy lej u dołu, który zbiera cząstki i zaw raca do dolnej części kom ory paleniskow ej. Ś ciany se p a ratora mogą posiadać system n a tu ra ln e j cyrk u lacji w łączony w system ścian komory paleniskow ej. W re z u lta c ie kw ad rato w y s e p a ra to r może być
Rys. 6. Koncepcja kotła Pyroflow Compact ze zintegrowanymi, kwadratowym i separatoram i cząstek
Fig. 6. Pyroflow Compact concept w ith integrated square solids separators
połączony ze ścianam i komory paleniskowej bez kom pensatorów . Kombinacja k sz ta łtu sep arato ra cząstek i możliwość zlokalizowania go bezpośrednio w komorze powoduje znaczne oszczędności w przestrzeni potrzebnej do zabudo
w ania kotła.
Ze względu n a wysoką ilość cząstek przepływ ającą przez sep arato r w dal
szym ciągu konieczne je s t pokrycie ścian, chłodzonych wodą, cienką warstwą obmurówki dla ochrony przed erozją. To po
zw ala n a odzyskanie części ciepła zgrom a
dzonego w komorze zbiorczej, nie u tru d n ia rozruchu i nie obniża szybkości chłodzenia.
Całkowity ciężar je s t znacznie zredukow a
ny. Połączenie kom pensatorow e między ko
m orą paleniskow ą a separatorem staje się niepotrzebne. S tra ta prom ieniow ania sepa
ra to ra je s t znacznie zredukow ana. N iektó
rzy mogą powiedzieć, że to wszystko może być osiągnięte przez wykonanie okrągłego cyklonu chłodzonego wodą. To je s t praw da, ale m usim y uwzględnić koszty produkcji i m ontażu. Płaskie ściany są prostsze do wy
konania i zainstalow ania. Ogólna kompozy
cja kotła staje się prostsza i zw arta (Com
pact). Koszty inwestycyjne i eksploatacyjne są niższe. Wielu użytkowników podkreśla
ło, że stworzyliśm y CFB, który wygląda ja k
„prawdziwy kocioł”.
OD IDEII DO REALIZACJI
Ta w yglądająca kontrow ersyjnie idea kwadratow ego cyklonu była rozpracow ana w końcu 1989 r.
N ajpierw opracowano projekt k o n stru kcyjny bazując n a szkicach z rozwiązań koncepcyjnych i wykonano model do badań n a zimno. Celem tych b adań było określe
nie zdolności separacyjnej oraz ch arak tery styki erozyjnej nowej koncepcji. W 1990 r., były przebadane liczne rozw iązania geome
tryczne n a m ałym zimnym modelu w Ośrodku Badawczym A hlstrom Pyropower w K arhu la w Finlandii. Z danych pom iaro
Rys. 7. Profil szybkości w separatorze określony przez modelowanie kompu
terow e
Fig. 7. S ep arato r velocity profile by com puter sim ulation
wych uzyskanych podczas bad ań n a zimno było możliwe określenie hydro
dynamiki ruchowej komory, sep arato ra oraz system u naw ro tu (recycling sy
stem). Ta koncepcja była również sym ulow ana przy użyciu m odelu kom pute
rowego, co pozwoliło n a wybór profilów przepływ u (rys. 7).
Inna seria badań modelowych była w ykonana przy użyciu techniki w arstw y lakieru dla określenia m apy krytycznych obszarów erozji i dla porów nania rezultatów podobnych bad ań w ykonanych n a norm alnym okrągłym cyklonie.
W przeciwieństwie do oczekiwań ch arak tery sty k a erozyjna była naw et korzy
stniejsza niż n a porównywalnych obiektach.
W tym sam ym czasie, kiedy wykonywane były b ad an ia laboratoryjne n a modelu zimnym, projektanci w A hlstrom Boilers V ark au s opracowywali kon
strukcję kotła op artą n a nowej koncepcji.
Rezultaty w yglądały obiecująco zarówno w zakresie projektu, ja k i badań laboratoryjnych. Przygotow anie do b adań n a gorąco ułatw iło użycie istn ieją
cych dwu jednostek pilotowych. B adania te uruchom iono w końcu 1990 r. Po zainstalowaniu nowego kw adratow e
go separatora w pilotowych obie
ktach, n a początku stycznia 1991 r.
były przeprowadzone b adania zarów
no na węglu, ja k i biomasie. Próby testowe spalania potwierdziły rezul
taty uzyskane z b adań n a modelu zi
mnym. W arunkom sp alan ia i ch a ra kterystyce w iązania siark i poświęco
no specjalną uwagę. T ak opracowany projekt został nazw any „PYRO- FLOW COMPACT” i badan ia piloto
wych jednostek umożliwiły zaofero
wanie tego rozw iązania „na sprze
daż”. Jeszcze tej wiosny została sprzedana pierw sza jednostka.
REALIZACJA PROGRAMU KOMERCYJNEGO
Na przełomie roku 1990 A hlstrom opracował ofertę n a wybudowanie małego obiektu energetycznego dla Kompanii Ciepłowniczej dla ogrze
wania m iasta Kuhmo we wschodniej
Rys. 8. Kocioł Pyroflow Com pact 18 MWt 6,3 Kg/s, 81 bar, 490°C
części C entralnej F in la n d ii. W ydaj- pjg g MWt Pyroflow Compact 6,3 Kg/s, ność tej ciepłow ni w y n o siła 5 MWe/18 81 bar, 490°C
MWt, a paliwem była biomasa. Je d n ą z w ersji oferowanych przez Ahlstroma było rozw iązanie bazujące n a CFB z zastosowaniem poziomego cyklonu. Po pomyślnych testach spalania przy zastosow aniu koncepcji Pyroflow Compact z zabudowanym kw adratow ym cyklonem rozw iązanie to zostało zaoferowane użytkow nikow i.
K ontrak t n a dostawę kotła został podpisany n a wiosnę 1991 r. i obejmował dostawę tej nowej jednostki. Kuhmon Lapo Oy je s t pierwszym użytkownikiem system u CFB drugiej generacji. Kocioł Pyroflow Compact pokazany jest na (rys. 8). Obiekt został skom pletow any i oddany do ruchu, a przekazanie użytkownikowi zostało dokonane w końcu 1992 r.
REZULTATY RUCHOWE KOTLA W KUHMO
Uruchom ienie kotła z nowym kw adratow ym cyklonem przebiegło pomyśl
nie. Jeden z głównych problemów został rozw iązany, spraw ność separacji była zgodna z rezu ltatam i uzyskanym i w kotle z cyklonem cylindrycznym. Wyko
nan y był obszerny program pomiarowy jako część program u badawczego.
Poziomy emisji były nadzwyczaj niskie. Sprawność sp alania leżała w grani
cach 99,8 do 100%. Dyspozycyjność obiektu podczas pierwszego m iesiąca była powyżej 90%. Pom iary wykazały, że obiekt dobrze spełnił w ym agania gwaran
cyjne, a wyniki ruchowe były prawidłowe w całym zakresie obciążeń. Tabli
ca 1 prezentuje rezu ltaty ruchowe zebrane podczas testów n a początku tego roku.
Podczas ruchu kotłow nia produkow ała ok. 80-90% potrzebnego ciepła na ogrzewanie m iasta Kuhmo oraz trzecią część poprzedniego zużycia energii elektrycznej. Obiekt był opalany podstawowo odpadam i drew na, takim i jak pył drzew ny i kora z pobliskiego ta rta k u . Dodatkowe paliwo zawierające zrębki drew niane były również dostępne n a lokalnym obszarze.
Szczegółowy program badań i testów został rozpoczęty n a początku roku dla w sparcia znacznie szerszego program u b ad ań kotłów Pyroflow Compact dla jednostek kotłowych większych mocy.
Drugi k o n tra k t n a Pyroflow Compact został zaw arty w m arcu n a jednostkę o mocy 97 MWt dla elektrociepłowni przemysłowej w Kokkola w Finlandii.
Szybki rozwój wielkości powinien pozwolić n a zaprojektow anie jednostki 150 MWe jako system Pyroflow Compact, co zaplanowano n a 1994 r. Wstępna konfiguracja jednostki 70 MWe tego typu w porów naniu z ta k ą sam ą wielko
ścią kotła Pyroflow pokazana je s t n a rys. 9.
Rozszerzony program będzie się koncentrow ał n a konstrukcji umożliwiają
cej rozw iązanie wszystkich problemów procesu technologicznego, które jesz
cze nie zostały rozwiązane, np. kontrola i regulacja te m p e ra tu ry spalania.
N atu raln ie program testow y w Kuhmo u łatw ia dalszy rozwój szczegółów sep arato ra cząstek n a podstawie badań. Największym jednakże wyzwaniem
będzie zastosowanie tej koncepcji w konstrukcji dużych kotłów. Rozpoczęto prace projektowe dla rozwoju tej technologii dla dużych jed no stek kotłowych.
70 MWe kocioł Pyroflow 70 MWe kocioł Pyroflow Compact 70 MWe Pyroflow 70 MWe Pyroflow Com pact
Rys. 9. Kocioł dla jednostki 70 MWe jako Pyroflow i Pyroflow Com pact Fig. 9. Boiler for a 70 MWe u n it as Pyroflow and Pyroflow Com pact
T ab lica 1 W yniki p o m ia r ó w k o tła COMPACT EC K uhm o
m g/M J
NOx 56
N 20 3
CO 26
S 0 2 5
Węglowodory 0
C ząstki stałe 7
cd. ta b licy 1 G w arantow ana Rzeczywista
Sprawność kotła, (%) 87,5 89,2
Przepływ pary, (kg/s) 6,3 6,3
T em peratura pary, (°C) 490 490
NOx, (mg/MJ) 150 56
C ząstki stałe, (mg/MJ) 66 7
P aram e tr Obciążenie %
51 80 97
T em p eratu ra pracy, (°C) 480 480 480
T em p eratu ra złoża, (°C) 855 862 864
T em p eratu ra n a wlocie do cyklonu, (°C) 834 880 864
Różnica ciśnień w złożu, (mbar) 42 45 45
Zaw artość O2 w spalinach, % 2,75 2,51 3,01
NASTĘPNA JEDNOSTKA DLA KOKKOLA
IVO International OY złożyło zamówienie w m arcu 1993 r. n a dostawę jedno
stki 97 MWt Pyroflow Compact. Jednostka będzie ok. 5 razy większa od wydajno
ści kotła dla Kuhmo i będzie spalać torf jako podstawowe paliwo. P ara świeża o ciśnieniu 60 bar i tem peraturze 510°C będzie produkowana n a potrzeby ciepłow
nictwa. Kocioł (rys. 10) dla elektrociepłowni przemysłowej we wschodniej części m iasta Kokkola w Finlandii będzie uruchomiony w grudniu 1994 r.
Przeprow adzona n astępnie akcja ofertowa dała w ynik w postaci 3 kontra
któw w następnych 15 miesiącach. Podstawowe dane techniczne podane są w skrócie w załączonych tabelach 2 — 5. Wielkość i ilość proponowanych kotłów będzie rozw ijała się stopniowo, zgodnie ze zdobywanym zaufaniem i pełnym zrozum ieniem wszystkich zalet i możliwości nowej oferty projektowej.
Będą proponowane jednostki do 300 MWt, a w perspektyw ie kotły aż do wielkości 500—600 MWe. W zrost jednostek typu Compact przebiega dwa razy szybciej w porów naniu ze wzrostem oryginalnych kotłów Pyroflow. Oczekuje
my, że pod koniec 1994 r. będzie możliwe oferowanie jednostek tego samego rzędu ja k największy kocioł CFB (165 MWe), który je s t w ruchu.
Liczne patenty, zastosowane w technologii Compact, zastrzeżone są w ponad 20 krajach. Kolejną nowością w pracach inżynierskich to Compact Heat Exchanger - wym iennik ciepła Compact. J e s t to w ym iennik usytuow any na nawrocie cząstek z sep arato ra Compact. To je s t kom plem entarny wynalazek do Compact, który staje się oczywistym i n atu raln y m elem entem kotła po
alternatywnych rozw iązaniach problemów n aw ro tu cząstek stałych. K anał nawrotny wzdłuż boku kotła stw arza odpowiednią p rzestrzeń w optym alnym środowisku. W ym iennik CHEX je s t w ym iennikiem , który pracuje w stałym złożu fluidalnym (bubbling bed) z bardzo m ałą szybkością fluidyzacji. D odat
kowymi korzyściam i z zastosow ania CHEX to:
- poprawa elastyczności w zakresie rozmieszczenia powierzchni ogrzewalnych, - fluidalny w ym iennik ciepła je s t 5 razy bardziej efektyw ny niż w ym iennik
w kanale spalin,
- wymiennik stanow i elem ent um ożliwiający regulację tem p e ra tu ry w ko
morze paleniskowej dla optymalizacji emisji,
- wymiennik może być sposobem dla regulacji tem p e ra tu ry p ary świeżej i wtórnie przegrzanej,
- wymiennik stanow i obiecujące rozw iązanie do opanow ania problemów ko
rozji w ysokotem peraturow ej, k tó ra uszk adza wężownice w k an ałach spalin przy spalaniu paliw z zaw artością chlorków. O statn ie stopnie przegrzew a- czy pary świeżej/wtórnej mogą być rozw iązane jako powierzchnie w ym ien
nika CHEX w środowisku wolnym od chlorków, podczas gdy spaliny z chlorkami przepływ ają w sekcjach w strefie niskich te m p e ra tu r m etalu.
T ab ela 2 E le k tr o c ie p ło w n ia 4,8 MWe (12,9 MWt) d la KUHMO, F in la n d ia
ELEKTROCIEPŁOW NIA KUHMO, FINLANDIA
Moc elektryczna max 4,8 MW,
Moc cieplna 12,9 MWt
AHLSTROM PYROFLOW COMPACT CFB -B O ILER D ane projektowe
Wydajność cieplna 18 MW
Przepływ pary 6,3 kg/s
Ciśnienie pary 81 b ar
Tem peratura pary 490°C
PALIWA TORF ODPADY DREWNA
Siarka % 0,2 0
Popiół % 5,6 2
Wilgoć % 55 55
Wartość opałowa M J/kg 7,7 7,3
GWARANTOWANE EM ISJE
NOx mg/MJ 150
Pył mg/MJ 66
HARMONOGRAM WDROŻENIA
Kontrakt maj 1991 r.
Początek m ontażu maj 1992 r.
Uruchomienie grudzień 1992 r.
W ym iennik został wynaleziony i przebadany w Laboratorium w K arhula w 1992 r. Liczne detale i rozw iązania funkcjonalne były weryfikowane i opty
m alizowane wiosną tego roku. W ym iennik został zastosow any przy retroficie kotła opalanego węglem - wszystko zachowuje się ta k ja k oczekiwano na podstaw ie testów laboratoryjnych. W tym roku spodziewam y się pierwszego k o n tra k tu z pełnymi gwarancjam i.
Rys. 10. Jed n o stk a 97 MWt dla ciepłowni Fig. 10. 97 MWt C ogeneration U nit
T ab ela 3 E le k tr o c ie p ło w n ia 35 MWe (65 MWt) d la KOKKOLA, F in la n d ia
ELEKTROCIEPŁOW NIA KOKKOLA, FINLANDIA
Moc elektryczna max 35 MWP
Moc cieplna max 65 MWt
AHLSTROM PYROFLOW COMPACT C FB -B O ILER D ane projektowe
Wydajność cieplna 97 MW
Przepływ pary 50 kg/s
Ciśnienie pary 60 b a r
Tem peratura p ary 510°C
PALIWA TORF W ĘGIEL
Siarka % 0,10 0,73
Popiół % 3,9 12,3
Wilgoć % 50,0 9,0
Wartość opałowa M J/kg 8,8 25,7
GWARANTOWANE EM ISJE TORF W ĘGIEL
NOx mg/M J 140 140
SOx mg/M J 140 140
HARMONOGRAM WDROŻENIA
Kontrakt m arzec 1993 r.
Początek m ontażu październik 1993 r.
Uruchomienie listopad 1994 r.
PODSUMOWANIE
Ahlstrom opracował drugą generację kotłów CFB, Pyroflow Compact, w których stosowane są kw adratow e „cyklony” jak o sep arato ry cząstek.
Zaletami w stosun ku do konwencjonalnych kotłów CFB są:
- prostsza, lżejsza i w ym agająca mniej przestrzen i do zabudowy k o n stru kcja,
- mniejszy czas rozruchu, spowodowany zredukow aniem m as w system ie kotłowym (tradycyjny cyklon),
- elim inacja połączeń kom pensacyjnych pomiędzy kom orą paleniskow ą i separatorem cząstek stałych,
- zredukow anie n apraw obm urow ania.
Pierw sza jedn ostka op arta n a tej technologii w Kuhmo w F inlandii je s t w ruchu od początku 1993 r. D ruga jed n o stk a (97 MWt) będzie uruchom iona w listopadzie 1994 r. Prowadzone prace rozwojowe z now ą konstrukcją stw a
rzają podstaw ę do szybkiego zw iększenia skali jednostek.
K onkluzja p o d sta w o w a d la k o tłó w ju tr a
N asza wizja stan u w sztuce kotłowej n a najbliższą przyszłość definitywnie leży w kotłach z cyrkulacyjnym złożem fluidalnym . Kotły te zapew niają niską emisję i dużą elastyczność przy stosow aniu różnych paliw. Dla zmniejszenia kosztów inwestycyjnych i eksploatacyjnych kotły będą wyposażone w separa
tory Compact i będą posiadać w ym ienniki ciepła CHEX.
Tabela 4 E le k tr o c ie p ło w n ia 4,3 MWe (11,4 MWt) d la LOMMA, S zw ecja
ELEKTROCIEPŁOW NIA LOMMA, SZWECJA
Moc elektryczna max 4,3 MWe
Moc cieplna max 11,4 MWt
AHLSTROM PYROFLOW COMPACT CFB-BO ILER Dane projektowe
Wydajność cieplna 16,2 MW
Przepływ pary 5,6 kg/s
Ciśnienie pary 61 b ar
T em peratura pary 510°C
PALIWA ODPADY PAPIERU ODPADY DREWNA
S iarka % 0,02 0
Popiół % 10 2
Wilgoć % 10 30
W artość opałowa MJ/kg 19,0 12,6
GWARANTOWANE EM ISJE ODPADY PAPIERU ODPADY DREWNA
NOx mg/M J 50 80
SO2 mg/M J 50 50
CO mg/M J 90 90
N2O mg/M J 35 35
HARMONOGRAM WDROŻENIA
K ontrakt czerwiec 1994 r.
P oczątek m ontażu listopad 1994 r.
Uruchom ienie luty 1996 r.
T ab ela 5 E le k tr o c ie p ło w n ia 33 MWe (60 MWt) d la ROVANIEMI, F in la n d ia
ELEKTROCIEPŁOW NIA ROVANIEMI, FINLANDIA
Moc elektryczna m ax 33 MWe
Moc cieplna max 60 MWt
AHLSTROM PYROFLOW COMPACT CFB -B O ILER
Wydajność cieplna 95,8 MW
Przepływ pary 38 kg/s
Ciśnienie pary 115 b ar
Tem paratura pary 535°C
FREZOWANY DARNINA
PALIWA
TORF TORFU WĘGIEL
Siarka % 0,3 0,3 0,9
Azot % 2,0 2,0 2,0
Popiół % 10,0 7,0 13,0
Wilgoć % 53,0 40,0 10,0
Wartość opałowa M J/kg 20,8 20,8 28,3
GWARANTOWANE FREZOWANY DARNINA WFITTFT
EM ISJE TORF TORFU
NOx mg/MJ 100 100 100
SOx mg/MJ 266 250 750
Dawka dolomitu mg/M J 140 140 140
Cząstki (suche) mg/mn 50 50 50
CO mg/MJ 100 100 100
HARMONOGRAM WDROŻENIA
Kontrakt styczeń 1994 r.
Początek m ontażu sierpień 1994 r.
Uruchomienie listopad 1995 r.
LITERATURA
[1] Timo K au ranen - Compact Design - Second G eneration A hlstrom Boi
lers Power System presented a t th e Boiler Days V arkaus, Finland. Ju n e 11-12, 1992.
[2] Timo H yppanen - Pyroflow Compact a Second G eneration CFB Boiler presented a t Pow er-G en Europe ’93 Paris, France. M ay 25-27, 1993.
[3] Timo K auran en - Pyroflow Com pact U pdate p resen ted a t th e A hlstrom Technical Sem inar Cologne, Germ any. M ay 16, 1994.
Recenzent: Prof. d r hab. inz. Ludw ik CWYNAR Wpłynęło do Redakcji 10.08.1994 r.
A b stract
This paper discusses the background, developm ent, configuration and com m ercialisation plans of the PYROFLOW COMPACT a second generation circulating fluidized bed boiler by Ahlstrom .
The m atu rin g technology and acceptance of th e CFB Technology by boiler custom ers w ere presented.
The paper describes the laboratory te sts of th e different kinds of the particles separators.
The developm ent of th e new concept w as teste d in A hlstrom Pyropower’s K arhula, Finland, R esearch C enter to determ ine th e separation performance and th e emision characteristics.
The Pyroflow Compact concept was described em phasizing th e square sep arato rs m ade w ith w a te r cooled wall.
The first commercial u n it for a Kuhmo district h eating purpose’s capacity 5 MWe/18 MWt tu rn ed over a t th e end of 1992. Enclosed tables give the operating resu lts of th e m easurem ent te s ts a t th e Kuhmo unit.
Realization of th e commercial plans for th e n ext u n its w as p resented and th e technical d a ta s was given in th e enclosed tables.
The new -born of th e engineering works th e Compact Heat Exchanger-C H EX w as p resented w ith additional benefits of th is solution in th e boiler construction.
Sum m ary, th e pap er presents th e vision of th e s ta te of th e a rt boiler — the ultim ate boiler of tomorrow.
