ZESZYTY NAUKOWE POLITECHNIKI ŚLĄSKIEJ Seria: ENERGETYKA z. 121
1994 Nr kol. 1261
Pavel NOSKIEW IĆ, T adeás OCHODEK VŚB - Technická univerzita, O strava
PRZEBUDOWY KOTŁÓW RUSZTOWYCH PRZEZNACZONYCH DO SPALANIA WĘGLA KAMIENNEGO
S tr e sz c z e n ie . Z powodu niskiej spraw ności sp alan ia oraz dużej em i
sji składników szkodliwych coraz w iększa uw aga skierow ana je s t n a badanie oraz ocenę procesu sp alan ia w palen iskach kotłów rusztowych.
Proponowane oraz spraw dzane są rozw iązania techniczne w ykorzystu
jące doświadczenia w dziedzinie aerodynam iki spalan ia, b adań w łaści
wości węgli, term okinetyki sp alan ia itp.
RECONSTRUCTION OF STOKER FIRED BOILERS FOR THE BLACK COAL
Sum m ary. The article is focused on th e enhancem ent of knowledge regard ing to m easu rem ent an d analysis of com bustion processes in the furnaces of stoker boilers. The low efficiency of com bustion an d high level of harinfull em ission is th e p resen t s ta te of th e boiler operation.
We proposed th e novell technical solutions, w hich a re based on knowledges about th e com bustion aerodynam ics, coal properties and term okinetics of combustion. The re su lts are verified by m easurem en t in th e stoker furnaces.
UMBAU VON ROSTKESSEL FÜR STEINKOHLE
Z u sa m m en fasu u n g . W egen n ied rig er V erb re n n u n g sq u a litä t und großer Schadstoffem ission ein w ichtiges Problem die M essung und B ew ertung von R ostfeuerungen ist. Die A rbeit e n th ä lt die Vorschläge von technischen Lösungen, die b en utzen E rfa h ru n g e n in der V erbrennungsaerodynam ik, U n tersu ch u n gen im Bereich der K ohleneigenschaften usw., zu r V erbesserung der A rb e itsq u a litä t des Kessels.
Zaopatrzenie w energię należy do współcześnie najw ażniejszych problemów w skali światowej. Ograniczone zapasy paliw kopalnych, k tóre są dzisiaj decydującym źródłem energii oraz negatyw ny wpływ ich wykorzystywania na środowisko n a tu ra ln e , prow adzą do w zrostu presji n a obniżenie zapotrzebo
w ania n a energię, a dziś zwłaszcza n a m inim alizację emisji zanieczyszczeń ze źródeł energetycznych. Ogólnoświatowy bilans zapasów paliw kopalnych oraz szybkości ich zużycia prow adzą do oceny zasobów ropy naftowej oraz gazu ziemnego n a około 40-50 lat, w odróżnieniu od zapasów węgla szacowanych n a około 250 lat. Węgiel zostanie jeszcze przez długi okres w ażnym źródłem energii. Ju ż dzisiaj je s t jed n a k konieczny rozwój oraz w prow adzanie do eks
ploatacji urządzeń do spalania, pracujących ze znacznie wyższą sprawnością przy jednoczesnym m aksym alnym obniżeniu negatyw nych konsekwencji ich eksploatacji dla środow iska naturalnego.
Problem atyką tą zajm uje się n a całym świecie rozw ijająca się dziedzina zn an a jako Clean Coal Technology i obejm ująca n a u k ę o węglu, teorię proce
sów spalania, rozwój nowych typów urządzeń do sp alan ia oraz oczyszczania spalin, ja k też likwidację oraz w ykorzystanie produktów stałych po procesie spalania.
E nergetyka Republiki Czeskiej je s t stale jeszcze napiętn ow an a okresem polityki taniej energii oraz występow aniem licznych źródeł energii, które są w złym stanie technicznym , a ich obsługa prow adzona je s t w sposób niewykwali
fikowany. B rak je s t propozycji nowych urządzeń, lub nowoczesnych rekon
strukcji starych, a presja n a obniżanie zużycia energii je s t m ało skuteczna.
U staw a o ochronie powietrza, uchw alona w roku 1991, wchodzi w życie sto
pniowo i jej pełne egzekwowanie było ju ż przesunięte o dwa la ta - n a rok 1998.
Ale i w tym w ypadku znaczna część użytkowników zakładowych kotłowni będzie zaskoczona. Większość współczesnych rozw iązań je s t skoncentrowana n a w ykorzystaniu gazu ziemnego, uw zględniając możliwości ograniczenia do
staw oraz obniżenia ich efektywności ekonomicznej w bliskiej przyszłości.
AKTUALNE PROBLEMY CZESKIEJ ENERGETYKI W ĘGLOW EJ
Najmniej problemów n astręcza eksploatacja p alenisk pyłowych. Dlatego, że chodzi o jednostki wielkich mocy, tow arzyszy ich eksploatacji dostateczna uwaga, a pracuje się tu ta j przede w szystkim n ad obniżeniem em isji NOx z w ykorzystaniem m etod pierw otnych oraz odsiarczaniem spalin, koniecznym przy sp alaniu węgla brunatnego zawierającego związki siarki.
O wiele bardziej skom plikowana je s t sytuacja w m niejszych jednostkach, któ re są praw ie wyłącznie kotłam i rusztowym i.
Z tych powodów coraz w iększa uw aga skierow ana je s t n a badanie oraz ocenę procesu sp alan ia w paleniskach kotłów rusztowych. Proponowane oraz spraw dzane są rozw iązania techniczne w ykorzystujące doświadczenia w dzie-
Przebudowy kotłów rusztowych przeznaczonych do. 197
dżinie aerodynam iki spalania, b ad an ia właściwości węgli, term okinetyki sp a
lania itp. Jak o celowe wydaje się rozdzielenie aktyw ności do dw u obszarów.
Pierwszym obszarem je s t problem atyka kotłów przem ysłowych o mocy kilku MW, do drugiego obszaru n ależą m ałe jedn o stk i służące do ogrzew ania o mocy kilkudziesięciu kW.
PRZEMYSŁOWE KOTŁY RUSZTOWE
Rozwój techniki był ukierunkow any n a drogę uniw ersalnego p aleniska, umożliwiającego spalanie jakiegokolw iek węgla bez względu n a jego skład, granulom etrię itd. F a k t ten m iał negatyw ny wpływ n a sp alanie w ęgla k a miennego, którego energetyczne w ykorzystanie było m arginalne. Większość dziś eksploatow anych kotłów rusztow ych m a w ielkoprzestrzenne palenisko, ochładzane ścianam i m em branow ym i z dostaw ą paliw a za pomocą podajnika m echaniczno-pneum atycznego. Drobne cząsteczki w ęgla kam iennego, dla których otrzym uje się porów nyw alną szybkość sp alan ia przy tem p e ra tu rz e o około 20Q°C wyższej niż przy sp alan iu węgla brunatnego, są w rzucane do wielkoprzestrzennego p aleniska, ochładzanego parow nikiem , gdzie tem p e ra tura sp alan ia w większości nie przek racza 900°C. P rzy dążeniu do m aksym al
nego w ypalenia w arstw y węgla o gran ulo m etrii 0 -s-15 m m n a ruszcie, je s t w większości d ostarczana n ad m iern a ilość pow ietrza pod ru sz t, wynikiem czego jest n isk a spraw ność kotła (w niektórych przypadkach poniżej 70%), wysokie koncentracje emisji cząsteczek stałych, dziesięciokrotnie przew yższające do
puszczalne norm y oraz wysoka ilość substancji palnych we frakcjach lotnych (więcej niż 50%). W dążeniu do obniżenia emisji cząstek stałych poniżej limitów em isji użytkownicy w yposażają kotły w filtry tkaninow e, co nie tylko nie usuw a przyczyn niewłaściwej eksploatacji, ale powoduje możliwość zapło
nu zatrzym anych frakcji i pożary filtrów.
Z powyżej przeprowadzonego przeglądu m ożna w yciągnąć następujące wnioski i przedstaw ić rozw iązania:
- prowadzące do podwyższenia te m p e ra tu ry w p alenisku, - wyposażenie kotła do sp alan ia sortowanego węgla, - wyposażenie kotła w dodatkowe urządzenia, - sp alan ia sortowanego węgla brunatnego.
Podczas gdy pierw sze trzy rozw iązania są n a tu ry technicznej, czw arte jest n a tu ry adm inistracyjnej. Polega ono n a tym , że do regionu, gdzie wydobywa się węgiel kam ienny, należy przywozić węgiel b ru n atn y , k tóry w większości przypadków zaw iera wysoki procent siarki.
W szystkie trzy rozw iązania techniczne byty spraw dzane podczas eksplo
atacji technicznej i równocześnie są prowadzone rozmowy n a te m a t budowy kotła wzorcowego, jako koniecznej podstaw y dla stw orzenia propozycji kw a
lifikowanych rekonstrukcji. Projekt zaw iera również rozw iązanie automatycz
nej regulacji przebiegu procesu spalania.
Proponowane oraz spraw dzane są następujące rozw iązania techniczne:
a) P o d n ie s ie n ie tem p e r a tu ry w p a le n is k u k o tła
J e d n ą z możliwości je s t dodatkow a izolacja ścian paleniska. N a podstawie przeprowadzonych pom iarów przebiegu te m p e ra tu r oraz przebiegu koncen
tracji składników gazowych w palenisku kotła obliczana je s t wysokość oraz grubość dodatkowego obm urow ania w ew nętrznej części paleniska. Z pomia
rów tem p e ra tu r w paleniskach po zrealizow aniu dodatkowego obmurowania stwierdzono podwyższenie te m p e ra tu ry o około 200°C.
Rys. 1. Schem at punktów pomiarowych w p alenisku k otła rusztowego Fig. 1. Scheme of m easurem ents in g rate stoker furnace
Przebudowy kotłów rusztowych przeznaczonych do. 199
Inne rozw iązanie przed staw ia zastosow anie dodatkowego paln ik a um iesz
czonego w przedniej lub bocznej ścianie p aleniska. P alnik spala zwykle inne aniżeli podstawowe paliwo. Spalane je s t paliwo gazowe lub ciekłe. Były prze
prowadzane próby ze spalaniem pyłu węglowego. K orzystne okazuje się do
datkowe spalanie sortowanych odpadów ciekłych. Przy użyciu p aln ik a dodat
kowego uzyskano zm niejszenie zaw artości części palnych w popiele lotnym o około 50%.
Rys. 1 p rzedstaw ia schem at punktów pom iarowych w palen isk u kotła r u sztowego dla stw ierdzenia przebiegu te m p e ra tu r oraz koncentracji składni
ków gazowych w palenisku.
Na rys. 2 narysow ane są przebiegi te m p e ra tu r w p alenisk u ko tła rusztow e
go o mocy 42 MW uzyskane z pom iarów przeprow adzonych przy ru ch u kotła z obciążeniem nom inalnym . Z ry su n k u widoczna duża nierów nom ierność prze
biegu tem p e ra tu ry w palenisku, k tó ra uniem ożliw ia rów nom ierne wypalenie się paliw a n a ruszcie oraz nad rusztem . Oprócz prostej pomiarowej B stw ier
dzone tem p e ra tu ry w palen isku są za m ałe, żeby zapewnić w aru n k i do dobre
go zapłonu i p alenia się w ęgła n a ruszcie.
p r a w a s t r o n a k o t ł a Rys. 2 Przebiegi te m p e ra tu r w p alenisku k otła rusztowego
Fig. 2 T em perature distrib u tio n in th e furnace
N a rys. 3 pokazane są przebiegi koncentracji C 0 2 w p alen isku tego samego kotła również przy obciążeniu nom inalnym . Stw ierdzony duży nadm iar po
w ietrza w obszarze prostej pomiarowej A tow arzyszący m ałej tem peraturze w palenisku (rys. 1) w tym obszarze powoduje złe dopalenie się paliwa na ruszcie.
C 0 2 [ % |
16 14
12 10
8
.6
4
2
0
l e w a s t r o n a k o t ł a
p r a w a s t r o n a k o t ł a
Rys. 3 Przebiegi koncentracji CO2 w p alenisku kotła rusztowego Fig. 3. D istribution of th e concentration of CO2 in th e furnace
b) S p a la n ie so r to w a n e g o w ę g la
Technicznie najbardziej korzystnym rozw iązaniem je s t przebudow a paleni
ska kotła n a spalanie węgla sortowanego bez jego tra n s p o rtu do paleniska za pomocą podajnika pneumomechanicznego. Najważniejszym powodem, dla którego dotychczas nie przystąpiono do tego rodzaju przebudowy, są znaczące jej koszty. Duże koszty tego rodzaju przebudow y spowodowane są przede w szystkim koniecznością um ieszczenia odprow adzania żużla n a odwrotnej stronie ru sztu , przy zm ianie k ieru n k u ru chu ru sz tu ko tła oraz wbudowaniu do paleniska sklepienia zapalającego.
Przebudowy kotłów rusztowych przeznaczonych do. 201
c) W yposażenie k o tła w u r z ą d z e n ia d o d a tk o w e
Jedną z możliwości obniżenia zaw artości substancji palnych w popiole lotnym je s t zwrot zatrzym anego popiołu w sep arato rach z naw rotem do pale
niska kotła. T ran sp o rt popiołu przeprow adzany je s t pneum atycznie. Przy nawrocie zatrzym anego popiołu do paleniska, do obszaru o właściwej tem pe
raturze, stwierdzono obniżenie zaw artości substancji palnych w popiele lot
nym o około 15%. N egatyw ną konsekw encją tego rozw iązania je s t zwiększenie koncentracji popiołu lotnego za kotłem . Dlatego rozw iązanie to możliwe je st do użycia tylko w wypadkach, kiedy kocioł wyposażony je s t w bardzo spraw ne usuwanie popiołu ze spalin.
N astępną możliwością korzystnego w pływ ania n a przebieg procesu sp ala
nia w p alenisku je s t recyrkulacja spalin. Spaliny doprow adzane są do obszaru rusztu, gdzie umieszczone je s t odprow adzanie żużlu z kotła. Korzyścią tego rozwiązania je s t miejscowe podwyższenie tem p e ra tu ry , co um ożliw ia dopale
nie się paliw a n a ruszcie. Rozwiązanie to obniża również n a d m ia r pow ietrza w obszarze, w którym dochodzi do jego przysysania z odprow adzania żużla.
Za niezbędne uważać należy wyposażenie kotła w autom atyczne sterow a
nie. Za dodatkowe, ale bardzo potrzebne, uw ażać należy w yposażenie ko tła w urządzenia przeprow adzające ciągły pom iar koncentracji 0 2 lub koncentracji CO za kotłem.
MAŁE JEDN OSTKI SŁUŻĄCE DO OGRZEWANIA
W przypadku małych jedn o stek służących do ogrzew ania sytuacja je s t inna.
Rozwiązania techniczne służące do polepszenia przebiegu sp alan ia w w ię
kszych jednostkach nie mogą być w tym w ypadku zastosow ane. Większość rozw iązań ogranicza się do prób przeprow adzanych n a różnych rodzajach węgli. Odbiorcom oferuje się wysokojakościowe g a tu n k i sortow anych węgli, koks, w znaw ia się produkcję brykietów. W szystkie oferowane rodzaje paliw trzeba dokładnie zbadać i producentom tych paliw dostarczyć wyniki przepro
wadzonych badań.
Równocześnie przeprow adzać trzeb a b ad an ia nowych jed n ostek p rzezna
czonych do ogrzew ania, aby znaleźć ogólne k ry te ria konstrukcyjne tych jedno
stek. W yniki b adań um ożliwią producentom tych u rządzeń budowę nowych jednostek pracujących z dużą spraw nością sp alan ia oraz spełniających w ym a
gania niskiej emisji składników szkodliwych.
ZAKOŃCZENIE
Ekonomiczne oraz ekologiczne w ym agania prow adzą do konieczności efe
ktywnego w ykorzystyw ania paliw kopalnych. Ich różne właściwości w ym aga
ją również różnych technologii spalania. T rzeba poszukiwać nowych rozwią
zań technicznych dla sp alan ia istniejących rodzajów paliw. Również trzeba przeprowadzać b ad an ia możliwości wzbogacania węgli, poszukując równo
cześnie dla nowych paliw właściwych urządzeń do ich spalania.
LITERATURA
[1] NOSKIEWIĆ P., OCHODEK T. a kol.: M ereni spalovacich reżim u kotle K5 v E lektrane, Zprava VŚB, Kolin 1994
Recenzent: Dr hab. inż. M arek PRONOBIS
Wpłynęło do Redakcji 6.08.1994 r.
A b stra ct
The article is focused on th e enhancem ent of knowledge regarding to m easurem ent and analysis of combustion processes in th e furnaces of stoker boilers. The low efficiency of combustion and high level of harm ful emission is th e p rese n t sta te of th e boiler operation.
Prevailing p a rt of stoker fired boilers h a s th e furnace of g re a t volume with m em brane walls. In th is position th e m ean tem p e ra tu re of combustion does not exceed 900°C and th e boiler efficiency m u st be low. For th e solution fo this problem have been proposed following enterprises:
- reconstruction for th e increase of th e tem p e ra tu re of combustion (thermal insulation of m em brane walls)
- reconstruction which m akes it possible to b u rn th e sorted coal
- introduction of auxilliary in stallatio n s (for example in stallatio n of fly ash recirculation)
- combustion of sorted brown coal (problems w ith high su lp h u r content in th is coal)
The pap er proposes th e novel technical solutions, w hich are based on knowledges about th e combustion aerodynam ics, coal properties and term okinetics of combustion. The results, verified by m easurem ent in the stoker furnaces show, th a t th e stoker fired after th e reconstruction can meet norm s of emissions by satisfactory th erm al efficiency.
