http://ago.helion.pl ISSN 1733-4381, Vol. 11 (2009), Issue 3, p-85-94
Modernizacja kotła WR-25 sprzyjająca spalaniu paliw odnawialnych i mieszanek ekologicznych - II
Wiśniewski M.,
Politechnika Radomska, Wydz. Mechaniczny ul. Malczewskiego 29
26-600 Radom,
tel: +48 22 7678008, fax: + 48 7678008, e-mail: biuro@cleanworld.pl
Streszczenie
W niniejszej pracy przedstawiono konkretne propozycje rozwiązań technicznych będących składowymi kompleksowej modernizacji kotłowni z kotłami wodnorurkowymi z rusztem mechanicznym typu WR-25. Wśród tych propozycji znajdują się: stacja mieszania paliw, umożliwiająca przygotowanie paliwa składającego się z węgla i zrębków drewna, i układy odpylania spalin, spełniające przyszłe bardzo surowe normy emisji.
Abstract
Stoker fired boiler WR-25 modernization for ecological mixtures combustion process - II
The issue of this thesis is to present specific technical solutions involved in a complex modernization of WR-25 stoker fired boiler plant. Among these proposals we can find fuel mixing station that allows to prepare the fuel composed of coal and waste timber as well as a special dedusting system that complies with future strict exhaust fumes emission standards.
1. Wstęp
Przy współspalaniu biomasy z węglem w kotle, zaprojektowanym i zbudowanym dla spalania węgla kamiennego, występują zakłócenia szeregu parametrów pracy. Zmienia się rozkład temperatury spalin na drodze ich przepływu przez poszczególne powierzchnie ogrzewalne kotła. Zmniejsza się także ilość ciepła przejmowanego przez promieniowanie, a wzrasta ilość ciepła przejmowanego przez konwekcję. Związane jest to z jednej strony ze spadkiem temperatury spalin, a z drugiej – ze znacznym zwiększeniem strumienia objętości spalin (na skutek dużej wilgotności biomasy). Zmieniają się również własności popiołu powstającego ze współspalania biomasy z węglem w stosunku do popiołu uzyskanego ze spalania węgla [1]. Szczególnie istotne dla eksploatacji instalacji kotłowej są zmiany ilości i jakości emisji gazowej i pyłowej. Zawartość popiołu w drewnie jest bowiem niewielka, w
pyłu z kotłów rusztowych, nie wymagają zmiany sposobu odpylania spalin. Nie jest konieczne stosowanie filtrów tkaninowych lub elektrofiltrów. W dalszym ciągu można stosować odpylacze cyklonowe, pod warunkiem że będą to cyklony wysoko skuteczne, prawidłowo dobrane do warunków pracy kotła. Konstrukcja odpylacza powinna uniemożliwiać wtórne porywanie zatrzymanego pyłu poprzez zastosowanie dużych zbiorników pyłu, ich szczelne zamknięcia i ciągłe usuwanie zatrzymanego pyłu. Tym kryteriom odpowiadają: multicyklony, filtry workowe i aerodynamiczne odpylacze modułowe.
2. Stacja mieszania paliw stałych
Skuteczne współspalanie węgla z biomasą jest możliwe przy odpowiednim przygotowaniu mieszanki paliwowej. Niezależnie od proporcji, masa palna musi być jednorodna. Konieczność spełnienia tego warunku okazała się główną przeszkodą w dotychczasowych próbach. Składniki węgla i biomasy różnią się bowiem wieloma parametrami, m. in. ciężarem nasypowym, wartością opałową, zawartością części lotnych i popiołu. Różnice te powodują, że efektywne współspalanie jest utrudnione. Praktyka i badania wykazują, że przy „normalnym” wymieszaniu maksymalny udział masowy biopaliwa nie może być większy jak 10%. Niejednorodna mieszanka powoduje nierównomierne spalanie i w efekcie - spadek mocy kotła nawet o 30%. Aby zapobiegać tym negatywnym zjawiskom, należy przygotować mieszankę w tzw. stacji mieszania paliw, którą oferuje np. przedsiębiorstwo Zamer (rys.2.1) [2].
Rys.2.1. Stacja mieszania paliw MWD-2 [2]
Tablica 2.1. Parametry techniczne stacji mieszania paliw typu MWD [2]
L.p. Typ stacji Wydajność [
Mg/h] Moc elektryczna zainstalowana [kW] Uwagi I MWD-1: - zbiornik mieszanki - taśmociąg I - mikser - taśmociąg II - szafa sterowania 20-30 58
Wydajność stacji zależy m.in. od ciężaru nasypowego komponentów II MWD-2: - zbiornik węgla - zbiornik biomasy - taśmociąg I - mikser - taśmociąg II - szafa sterowania 25-35 81 III MWD-3: - zbiornik węgla - zbiornik biomasy - taśmociąg I - mikser - taśmociąg II - szafa sterowania 25-40 86
Urządzenie składa się z trzech koszy zasypowych, pod którymi zamontowano podajniki ślimakowe. Ich napęd realizowany jest poprzez falowniki, toteż o składzie procentowym mieszanki decyduje układ sterowania falownika. Ilość koszy stanowi o możliwości
nadmiarem potrzeby przygotowania opału dla wszystkich kotłów.
3. Systemy odpylania spalin
Modernizacja i dalsze użytkowanie kotłów typu WR-25 muszą być podporządkowane nowym normom emisji spalin, a przede wszystkim emisji pyłu. Kotły te najczęściej posiadają systemy odpylania oparte na cyklonach, które nie są jednak w stanie sprostać wymaganiom stawianym dla tej grupy kotłów (Tablica 3.1).
Tablica 3.1. Standardy emisyjne pyłu [3]
Z tablicy 3.1 wynika, że rozważanym kotłom stawia się coraz wyższe wymagania. Kryteria te są podstawą dla prowadzenia eksploatacji i ustalania planu remontów ciepłowni z kotłami WR-25. Określając czas eksploatacji każdego z kotłów, należy brać pod uwagę jego bieżący stan techniczny i aktualny poziom emisji. W oparciu o oferty przygotowane specjalnie dla tej grupy kotłów, można przyjąć wersję „oszczędnościową i zachowawczą” remontu, umożliwiającą pracę kotła np. tylko do 2011 roku. Można też modernizować kotły do stanu umożliwiającego ich eksploatację nawet w okresie po wejściu w życie nowych norm emisji. Jeśli chodzi o przystosowanie kotłów WR-25 do spalania mieszanek węgla z drewnem, to przyjęcie odpowiedniej opcji remontowej jest podstawą dla osiągnięcia
sukcesu. Dotychczasowe próby współspalania wykazały bowiem, że drewno w spalaniu warstwowym powoduje wzrost zapylenia spalin, co należy brać pod uwagę przy wyborze odpowiedniej technologii.
3.1. Multicyklon przelotowy typu MOS
Z uwagi na konieczność podnoszenia żywotności układów odpylania, i to zarówno już istniejących jak i instalowanych w ramach modernizacji, standardem jest stosowanie systemów wstępnego odpylania spalin. Podstawowym tego typu urządzeniem jest: multicyklon przelotowy typu MOS (rys.3.1), który jest urządzeniem powstałym na gruncie doświadczeń zebranych podczas eksploatacji dotychczas użytkowanych cyklonów. Stanowi on kompromis pomiędzy rozmiarami zewnętrznymi urządzenia (dwukrotnie mniejsze gabaryty) a ilością odpylanego gazu, który przekłada się jednak na jego sprawność, która z reguły wynosi nie więcej niż 60%.
Rys.3.1. Multicyklon przelotowy typu MOS [4]
Multicyklon przelotowy typu MOS oddziela przede wszystkim grube frakcje pyłów, a więc może być traktowany jako odpylacz wstępny, chroniący bardziej wrażliwe urządzenia układu odpylania głównego przed erozyjnym działaniem pyłów gruboziarnistych, przez co znacznie wydłuża się ich żywotność. Podstawowym elementem, odróżniającym MOS od standardowych multicyklonów, jest sposób ułożenia pojedynczych elementów odpylających (rys.3.1). W multicyklonie typu MOS są one zamontowane poziomo, co zapewnia wzrost przepustowości urządzenia. Takie rozwiązanie pozwala na jego montaż bezpośrednio w przelocie kanału spalin. Nie wymaga więc dodatkowych przestrzeni montażowych. Prosta konstrukcja i łatwość montażu przekłada się na niską cenę. Multicyklony przelotowe typu MOS instalowane są obecnie nawet w układach odpylania starszego typu. Można je traktować jako punkt startowy dla przyszłych, bardziej zaawansowanych modernizacji.
Rys.3.2. Panelowy filtr workowy typu MWF [4]
Rys.3.3. Schemat działania filtra MWF [4]
Regeneracja dokonywana jest za pomocą impulsów powietrza, które mogą być powtarzane kilkakrotnie. Schemat budowy i działania przedstawiony jest na rys.3.3 i 3.4.
3.3. Aerodynamiczny odpylacz modułowy ADM
Jest to nowy system odpylania spalin, mogący z powodzeniem zastępować wychodzące z użycia cyklony. Instalując go w miejsce zdemontowanych cyklonów na kanale spalin kotła (rys.3.5), zyskuje się dodatkową przestrzeń do zabudowy układu doczyszczania spalin. System ten stanowi tym samym propozycję do zastosowania w ramach kompleksowej modernizacji systemu odpylania, pozwalającej na dostosowanie kotła do przyszłych, surowych norm emisji.
Aerodynamiczny odpylacz ADM (rys.3.6) posiada budowę modułową i składa się z szeregu współśrodkowych pierścieni o malejących średnicach. Zespół pierścieni umieszczony jest w cylindrycznej komorze separacyjnej, która może być zabudowana w układzie pionowym lub poziomym. Liczba modułów dobierana jest w zależności od ilości odpylanego gazu, jego temperatury, stężenia zapylenia oraz oczekiwanej skuteczności. Pojedynczy stożek składa się z szeregu pierścieni wykonanych ze specjalnego, trudnościeralnego gatunku stali.
Rys.3.5. Odpylacz modułowy ADM [4] Rys.3.6. Pojedynczy moduł odpylacza [4] Separacja zanieczyszczeń z gazu następuje na zasadzie aerodynamicznej. Struga zanieczyszczonego gazu o dużej prędkości jest kierowana do wnętrza stożka i dzięki specjalnemu wyprofilowaniu pierścieni następuje efektywne odseparowanie pyłu od czystego gazu. Czysty gaz wydostaje się na zewnątrz pierścieni, a zebrany pył przemieszcza się do zbiornika pyłu. Dodatkowe zwiększenie skuteczności odpylania uzyskuje się poprzez zainstalowanie na końcu stożków mikromodułu, który jest odpowiedzialny za ostateczną separację pyłu (rys.3.7). Ze względu na bardzo małe gabaryty, system ADM można instalować wszędzie tam, gdzie zastosowanie tradycyjnych odpylaczy napotyka na barierę montażową.
Rys.3.7. Schemat budowy i działania odpylacza modułowego ADM [4]
4. Uwagi końcowe
Energetyka musi rozwiązać problem wzrostu produkcji energii ze źródeł odnawialnych, który w naszym kraju nie należy do łatwych, choćby z uwagi na monokulturę węglową. Strategia energetyczna Unii Europejskiej uznaje węgiel za głównego sprawcę zanieczyszczeń. Współspalanie pozostaje jedyną technologią, mogącą podnieść poziom produkcji „zielonej energii” do oczekiwanych wartości, i – co ważne –wykorzystać węgiel w ramach technologii proekologicznej. Miejscem, gdzie niemal bezinwestycyjnie i natychmiast można podjąć produkcję energii z biomasy, są ciepłownie bazujące na kotłach typu WR-25, które są energetycznymi jednostkami grzewczymi wyjątkowo podatnymi na wszelkiego typu modernizacje. Ciepłownie takie są logistycznie przygotowane na to, aby zostać ośrodkami inicjującymi tworzenie lokalnych rynków biomasy, pochodzącej zarówno z plantacji jak i z utrzymania lasów. Powszechnie bowiem uznaje się, że głównym problemem w powstaniu takich rynków jest brak regulatora w postaci odpowiednich bodźców ekonomicznych. Ich uruchomienie przyniosłoby korzyścią zarówno energetyce jak i społecznościom lokalnym.
Literatura
[1]. Pronobis M.: Zanieczyszczenia i korozja w kotłach rusztowych spalających biomasę,
VII Konferencja Naukowo-Techniczna „Kotły rusztowe jako jednostki wielopaliwowe”, Polańczyk (2005).
[2]. Materiały informacyjne przedsiębiorstwa Zamer S.A, www.zamer.com.pl
[3]. Rozporządzenie Ministra Środowiska z dnia 4 sierpnia 2003 roku w sprawie standardów emisyjnych z instalacji (Dz. U. Nr 62, poz. 627, z późn. zm.).
[4]. www.ecoinstal.pl/oferta/filtracja_gazow/mwf/informacje.htm: Materiały informacyjne przedsiębiorstwa Ecoinstal.
