Henryk KARCZ, Wiesław WOSIK, Zbigniew MODLIŃSKI Politechnika Wrocławska
Jan BUTMANKIEWICZ Elektrownia Opole
Edward SĘDZIELOWSKI Elektrownia „Jaworzno III”
Władysław MATLAK
Ministerstwo Ochrony Środowiska Zasobów N aturalnych i Leśnictw a
OAZO DYNAMI C ZNY PALNIK OLEJOWY
Z WEWNĘTRZNYM MIESZANIEM DROGĄ DO OBNIŻENIA EM ISJI SUBSTANCJI SZKODLIWYCH DO ATMOSFERY
Streszczenie. W czasie rozruchu kotła O P -650k ze sta n u “zimnego”
za pomocą niskociśnieniowych palników gazodynam icznych z wewnę
trznym mieszaniem, przy ciśnieniu m azutu od 0,05 do 0,6 M Pa i ciśnie
niu pary wodnej od 0,5 do 1,0 MPa, uzyskano zm niejszenie zużycia mazutu od 20 do 40% oraz zm niejszenie tlenków azotu (NOx) i wielo
pierścieniowych węglowodorów arom atycznych (WWA) w spalinach w stosunku do palników wysokociśnieniowych typu Babcocka.
GAS-DYNAMIC OIL BURNER W ITH INSIDE MIXING AS A MEASURE TO REDUCE THE POLLUTANTS EM ISSION
Summary. D uring th e sta rtin g -u p of th e boiler OP 650k from the
„cold” state by m eans of low -pressure g as-dynam ic b u rn ers w ith inside mixing, the decrease of the m azout consum ption of about 20 - 40% was obtained as well as th e decrease of n itric oxide (NOx) and m ultiring aromatic hydrocarbons (WWA) w as observed in ex h au st gases a t the mazout pressure from 0,05 to 0,6 M Pa and w ater vapor p ressure of 0,5 to 1,0 MPa, when compared to th e h ig h -p re ssu re b u rn ers of Babcock type.
1 2 Henryk Karcz, Wiesław Wosik, Zbigniew Modliński, Jan Butmankiewicz, Edward Sędzielowski, W ładysław Matlak
GASODYNAMISCHER ÖLBRENNER MIT INNEREM M ISCHEN ALS MAßNAHME ZUR SCHADSTOFFEM ISSIONVERM INDERUNG
Z u sam m en fassu n g. Beim A nlauf des Kessels vom Typ O P-650k vom „kalten Z ustand” m it Hilfe der gasodynam ischen N iederdruckbrenner m it innerem M ischen bei dem M asutdruck von 0,05 bis 0,6 M Pa und W asserdam pfdruck von 0,5 bis 1,0 M Pa w urde der verkleinerte V erbrauch von M asut (von 20 bis 40%), sowie die H erabsetzung der Stickoxide (NOx) u n d der m ehrkernigen Arom aten (WWA) festgestellt, im V erhältnis zu den B abcock-H ochdruckbrenner.
1. W STĘP
Obecnie w elektrow niach krajowych ta k zawodowych, ja k i przemysłowych paliw a ciekłe stosowane są przede wszystkim do rozruchu kotłów, a po ich uruchom ieniu do stabilizacji działania głównych palników pyłowych przy zmniejszonych obciążeniach. Jedyne liczące się w naszej energetyce paliw a ciekłe to m azut i oleje opałowe.
Spalanie paliw płynnych odbywa się za pomocą urządzeń zwanych p alnika
mi olejowymi. W urządzeniach tych stru m ień oleju zanim zostanie spalony, m usi być rozpylony. Krople rozpylonego oleju wprowadzone są do komory paleniskowej i gdy poruszają się jako zaw iesina w strum ieniu powietrza, odparowują, zam ieniając się całkowicie w gaz węglowodorowy. W ytworzona w ten sposób m ieszanina, gdy posiada odpowiednio wysoką tem p eratu rę, ulega zapłonowi, powodując pow stanie frontu płomienia. Jed n ak że p rzestrzeń m ię
dzy frontem płom ienia a przekrojem wylotowym dyszy p aln ik a powinna mieć ta k ą formę geom etryczną i posiadać tak ie w aru n k i aerodynam iczne, aby panująca w niej te m p e ra tu ra była niższa od te m p e ra tu ry k rakin gu paliwa będącego zarówno w fazie ciekłej (nieodparow ane krople), ja k i w fazie gazo
wej. Jeżeli bowiem proces krakow ania rozpocznie się w fazie płynnej, wówczas z paliw a w ytrąca się węgiel w postaci koksu, a gdy przebiegać będzie w fazie gazowej, wówczas pow stanie sadza. Liczba i wielkość cząstek sadzy emitowa
nych z płom ienia je s t tym wyższa, im gorsze je s t rozpylanie; większa jest lepkość początkowa, wyższy je s t stosunek C/H i więcej je s t związków arom a
tycznych w oleju oraz im większy je s t stru m ień spalanego paliwa.
Ponadto stwierdzono, że form owaniu się sadzy w płom ieniu towarzyszą inne składniki węglowodorowe, a przede w szystkim wielopierścieniowe węglo
wodory arom atyczne (WWA) [1-4]. N iektóre z nich są w ybitnie rakotwórcze (np. fluoren, piren, benzo(a)piren). Osadzone n a sadzy w nikają głęboko w system respiracyjny organizm u żywego, stanow iąc dla niego najw iększe za
grożenie [1].
Powstałe w płom ieniu WWA kondensują n a powierzchni cząstek sadzy i w przypadku niespalenia em itow ane są do atm osfery. Obecnie zidentyfikowano już ponad 150 różnych węglowodorów w spalinach pochodzących ze spalania paliw płynnych [5]. Są one wynikiem niezupełnego i niecałkowitego spalania.
Niezupełne, czyli częściowe utlenienie może być rezu ltatem przerw ania łańcu
chowej reakcji u tle n ia n ia paliw a w w yniku „gaszącego” działania otaczającego ośrodka lub lokalnego b rak u tlenu.
Biorąc pod uwagę elem entarny skład chemiczny ciężkich paliw ciekłych, z równań stechiom etrycznych wynika, że przy dostatecznej ilości tle n u jedyny
mi produktam i sp alan ia tych paliw będzie p a ra wodna i dw utlenek węgla.
Niestaty, dobrze wiadomo, że w zwykłych w aru n k ach eksploatacyjnych pro
wadzenie procesu spalan ia w całkowitej zgodności z rów naniam i stechio- metrycznymi je s t jedynie nieosiągalnym stan em idealnym . Co więcej, wiado
mo również, że naw et zastosow anie dość obszernego zbioru rów nań równowa
gi chemicznej także nie daje możliwości dokładnego określenia składu spalin.
Trudności dokładnego określenia produktów sp alan ia paliw węglowodoro
wych, w tym także ciężkich paliw ciekłych, biorą się głównie z ogromnej ilości wtórnych reakcji chemicznych, a także z w ystępujących w procesach sp alania stanów nierównowagowych. Z tego względu w rozw ażaniach n ad zanieczysz
czeniem środowiska przez produkty sp alan ia paliw ciekłych przyjm uje się zwykle tylko kilk a substancji, mianowicie:
- tlenki siarki, - tlenki azotu, - dw utlenek węgla, - lekkie węglowodory, - tlenek węgla, - aldehydy,
- wielopierścieniowe węglowodory arom atyczne.
Poza dw utlenkiem węgla, który wpływa jedynie n a „efekt szklarniow y”
naszej planety, wszystkie pozostałe substancje są groźnym i truciznam i bądź nawet kancerogenam i. W tablicy 1 przykładowo podano w artości emisji szkod
liwych produktów spalan ia pochodzących z bloku energetycznego 1000 MW opalanego ciekłym paliwem ciężkim, tak im ja k np. m azut. W tablicy podano zarówno zanieczyszczenia w kilogram ach n a 1 t spalanego paliwa, ja k i sumaryczną emisję roczną. Blok energetyczny (1000 MW) zużywa rocznie około 1,5 m in ton paliw ciekłych, a obecnie około 10% energii elektrycznej wytwarza się n a świecie z tych w łaśnie paliw.
Niecałkowite n ato m iast spalanie odnosi się głównie do separacji dużych kropel z żagwi płom ienia do otaczającego ośrodka. W takiej sytuacji mówi się, że palnik zaczął „lać”. N a powierzchniach ogrzew alnych tw orzą się trudno usuwalne naloty. Jakość rozpylania, którego m ia rą je s t wielkość kropel, ich rozkład i koncentracja w stru m ien iu gazu, je s t ta k ważnym param etrem dla
14 Henryk Karcz, Wiesław Wosik, Zbigniew Modliński, Jan Butmankiewicz, Edward Sędzielowski, W ładysław Matlak
procesu spalania, ponieważ w głównej m ierze decyduje o szybkości odparowa
n ia i tw orzenia się gazu palnego. Krople paliw a w inny więc być ja k najm niej
sze, o zbliżonej do siebie wielkości, a rozkład i koncentracja ich w strum ieniu powinna być w m iarę jednorodna. W przypadku bowiem gdy krople nie są jednakow e i gęstość ich rozkładu w stru m ien iu nie je s t również jednakow a, zachw iany zostaje proces pow staw ania gazu palnego i m ieszania go z tlenem . W praktyce oznacza to, że w ystępuje koagulacja kropel i że większe krople osiągają strefę frontu płom ienia przed zakończeniem procesu odparow ania i że są separow ane z płom ienia oraz że w ystępuje nierów nom ierna koncentra
cja gazu palnego, a więc i nierów nom ierne jego wym ieszanie z powietrzem , co w konsekwencji prowadzi do niezupełnego spalania.
T ab lica 1 E m isja z a n ie c z y sz c z e ń z b lo k u 1000 MW o p a la n e g o c ię ż k im p a liw e m c iek ły m [1]
Rodzaj zanieczyszczenia
E m isja zanieczyszczeń w kg n a 1 tonę
spalanego paliw a
w tonach w ciągu roku
Tlenki siarki 31,400 52618
Tlenki azotu 13,000 21682
C ząstki stałe (sadza) 0,440 726
Węglowodory 0,400 667
Aldehydy 0,070 117
Tlenek węgla 0,005 8,3
O pierając się n a w łasnych doświadczeniach i danych literaturow ych można stwierdzić, że naw et przy zachowaniu wszelkich wymogów technicznych i eksploatacyjnych proces spalania ciężkich paliw płynnych (m azut, gudron) w kotłach parowych, szczególnie w ta k ekstrem alnych sytuacjach, jakim i są uruchom ienie kotła z tzw. sta n u „zimnego”, przebiega ze spraw nością nie w iększą niż 80%.
Potrzebą chwili stało się więc poszukiw anie takiego sposobu przygotowania paliw a do rozpylania, sposobu rozpylania oraz sp alania powstałej m ieszaniny dwufazowej (paliwo płynne + gaz węglowodorowy), aby skonstruow any palnik m iał c h arak ter urządzenia uniw ersalnego (szeroki zakres regulacji w ydatku paliwa), zapewniającego stabilny i szybki zapłon w w arun kach ekstrem alnych (zim na komora), pewnego w eksploatacji, zapewniającego całkowite i zupełne spalanie (bez emisji szkodliwych substancji węglowodorowo-sadzowych) oraz eliminującego bariery techniczne i eksploatacyjne przy zwiększeniu (zmianie m odułu) wielkości urządzenia palnikowego.
2. TEORETYCZNO-DOŚWIADCZALNE KIERUNKI BADAŃ NAD SPALANIEM PALIW PŁYNNYCH W PALNIKACH OLEJOWYCH L iteratu ra św iatow a bogata je s t w teoretyczne i doświadczalne stu d ia na tem at spalan ia pojedynczych kropel jednoskładnikow ych paliw ciekłych [2-8].
Badania nad spalaniem paliw ciekłych w formie rozpylonej stru g i kropel, czyli w postaci występującej w palnikach olejowych, rozpoczęto stosunkowo nie
dawno i wydaje się, że droga do zadowalającego poznania kom pleksu zjawisk fizykochemicznych w ystępujących w spalan iu stru g i kropel je s t jeszcze bardzo daleka. Pomimo że większość przeprow adzonych w tej m ierze b adań m a charakter w ybitnie eksperym entalny, czynione są próby teoretycznych analiz, sporządzanie fizykochemicznych modeli procesu, m atem atycznego ich opisa
nia oraz ich weryfikacji za pomocą odpowiednio zaplanow anych eksperym en
tów doświadczalnych.
Zasadniczym zjawiskiem, n a które n a k ła d a się proces spalania, je s t proces rozpylania. Proces rozpylania m a fund am en taln e znaczenie i stanow i „o takiej a nie innej” jakości spalania. T echnika rozpylania paliw płynnych i zjaw iska fizykochemiczne towarzyszące tem u procesowi opisane są w wielu m onogra
fiach [9], B adania nad rozpylaniem k oncentrują się n a w yjaśnieniu wpływu sposobu rozpylania, geom etrii dyszy, własności fizykochemicznych param e
trów cieczy i param etrów otoczenia n a wielkość i rozkład kropel.
Na proces rozpylania n a k ła d a ją się procesy parow ania, w ym iany ciepła, wymiany m asy i pędu oraz reakcje chemiczne. W szystkie te zjaw iska uzależ
nione są od wielu czynników, z których najistotniejsze to:
- rozkład średnic kropel, - gęstość kropel,
- względna gęstość kropel, - ciepło parow ania paliwa,
- tem p e ra tu ra i skład chemiczny ośrodka gazowego.
Prowadzone prace eksperym entalne m ają dwojakie podejście:
- badania klasycznych płomieni olejowych,
- badania charakterystycznych param etró w sp alan ia w obszarze wypełnio
nym m ieszaniną rozpylonego paliw a i pow ietrza.
Podany podział nie je s t oczywiście ścisły, gdyż spalanie rozpylonych stru g może być realizow ane w bardzo różnorodnych okolicznościach. Odpowiada on jednak ogólnie przyjętem u w teorii sp alan ia podziałowi n a płom ienie dyfuzyj
ne i kinetyczne.
Dla gęsto rozpylonych strug, gdy krople praw ie się ze sobą stykają, obser
wuje się w yraźne oddziaływanie kropel zarówno w czasie parow ania, ja k i spalania [14-15], Przypadek te n je d n a k dla znanych klasycznych konstrukcji palników je s t mało prawdopodobny. Przeprow adzone bad an ia w ykazały, że jest to możliwe do osiągnięcia wtedy, gdy tzw. „pierwotny” rozpad strugi
16 Henryk Karcz, Wiesław Wosik, Zbigniew Modliński, Jan Butmankiewicz, Edward Sędzielowski, W ładysław Matlak
paliw a następuje w ew nątrz palnika, szczególnie w tedy gdy w ytw arzana jest m ieszanina gazowo-paliwowa (rys. 1). Krople paliw a n a drodze z przekroju wylotowego dyszy do strefy czoła płom ienia zdążą odparować. Do strefy re akcji dostają się pary i gazy węglowodorowe. Pow stały płom ień je s t bardzo podobny do kinetycznego płom ienia gazowego [16-17]. J e s t to skutkiem fizy
kochemicznych własności wytworzonej m ieszaniny charakteryzującej się du
żą podatnością n a rozdrobnienie (m ała lepkość), dużą odparowalnością i czę
ściowym wym ieszaniem z utleniaczem . Typ płom ienia zależy więc zarówno od własności fizykochemicznych wypływającego paliw a, ja k i od geom etrii pło
m ienia i param etrów otoczenia.
Rys. 1. S tru k tu ra em ulsji olejowo-wodno-powietrznej: 1 - powietrze, 2 - woda, 3 - olej Fig. 1. S tru ctu re of o il-w a te r-a e ria l em ulsion
2.1. P o w sta w a n ie sz k o d liw y ch s k ła d n ik ó w sp a lin p o d c z a s sp a la n ia p a liw p ły n n y c h
2.1.1. Powstawanie sadzy
W ostatnich 50 lata ch dokonano istotnego postępu w poznaniu m echanizm u powstawania sadzy z węglowodorów. Nie oznacza to jed n ak , że problem ten został rozwiązany. W dalszym ciągu istnieje pytanie, w ja k i sposób cząsteczki zawierające tylko kilka atomów węgla oraz znaczną liczbę innych pierw ia
stków są przekształcane w cząsteczki węglowe zaw ierające tysiące lub miliony atomów węgla. Pow staw anie cząstek sadzy nie je s t tylko zw iązane ze sp ala
niem węglowodorów. Sadza może powstawać również podczas procesów piro- litycznych zarówno w fazie gazowej, ja k i w układach heterogenicznych. Ma to miejsce w obszarach w ysokotem peraturow ych bez udziału tlenu. Bulewicz E.
[1] twierdzi, że paliw a zaw ierające węglowodory arom atyczne tw orzą łatwiej sadzę niż inne węglowodory. W edług B oudouarda [2] sadza może również powstawać w strefie poplomiennej niskotem peraturow ej reakcji [< 1000°C (1273K)]
2CO C 0 2 + Cs
Liczba i wielkość cząstek sadzy w płom ieniu ro sną ze w zrostem stosunku C/H i C/O oraz zależą od:
- tem p e ra tu ry w rzenia poszczególnych związków węglowodorowych w p ali
wie,
- początkowej wielkości kropel,
- lepkości początkowej i n atężenia stru m ien ia spalanego paliw a, - szybkości n a ra s ta n ia te m p e ra tu ry w strefie przedpłomieniowej, - szybkości turbulen tnego tw orzenia m ieszaniny palnej,
- stężenia tle n u w m ieszaninie palnej, - stru k tu ry frontu płomienia.
Z p u n k tu widzenia term odynam icznego węgiel będzie u tlen ian y w płomie
niu, jeżeli C/O je s t większe od jedności. E k sperym entalnie określone granice powstawania sadzy są zbliżone do 0,5 a nie 1 [8]. Przy niedoborze tle n u proces powstawania sadzy może być częściowo w ytłum iony za pomocą p ary wod
nej [9],
2.1.2. Powstawanie tlenku węgla, CO
Tlenek węgla powstaje głównie w strefie gazów popłomiennych. Główną przyczyną obecności CO w spalinach je s t n ied o statek tlenu.
Spalanie węglowodorów z niedom iarem tle n u może być przedstaw ione w formie sum arycznej za pomocą rów nania:
CnHm + | 0 2 - ^ n C 0 + ^ H 2
18 Henryk Karcz, Wiesław Wosik, Z tig n ie w Modliński, Jan Butmankiewicz, Edward Sędzielowski, W ładysław Matlak
M echanizm kinetyczny pow staw ania CO je s t bardzo skom plikowany i nie może być przedstaw iony za pomocą prostych reakcji. Tylko w przypadku niektórych węglowodorów udało się określić kinetykę pow staw ania CO. Tle
nek węgla może powstawać zarówno w w ysokotem peraturow ym procesie u tle n ian ia węglowodorów (np. CH4), ja k i może być rez u lta tem niskotem peraturo
wego u tle n ia n ia w tzw. zimnym i niebieskim płom ieniu, co w przypadku spalan ia m etan u m a miejsce w tem p eratu rze niższej od 550°C [19].
Tlenek węgla może być także produktem rozpadu aldehydu (H2CO - pro
d u k t przejściowy sp alan ia paliwa) lub dysocjacji C 02 w wysokich tem p e ra tu rach strefy popłomiennej.
2.1.3. Powstawanie wielopierścieniowych węglowodorów aromatycznych, WWA
Wielopierścieniowe węglowodory arom atyczne (WWA) em itow ane w spali
nach pochodzących z paliw płynnych pow stają w procesie w ysokotem peratu
rowej term icznej pirolizy węglowodorów. WWA pow stałe w procesie wysoko
tem peraturow ego rozkładu w atm osferze redukcyjnej zaw ierają głównie wę
giel i wodór. N iskotem peraturow y proces rozkładu węglowodorów przebiega
jący w częściowo utleniającej atm osferze stw arza w aru n k i do pow staw ania WWA zaw ierających oprócz atomów węgla i wodoru, atom y tle n u i siarki.
N iespalone WWA, po przejściu przez strefę spalania, ulegają kondensacji w otoczeniu cząstek sadzy lub innych cząstek stałych.
W dotychczasowych badaniach zidentyfikowano w płom ieniu m azu tu około 150 różnych typów węglowodorów. Ich ilość i koncentracja zm ieniają się w zależności od odległości od czoła palnika. W ykres n a rys. 7 przedstaw ia roz
kład koncentracji WWA wzdłuż osi płom ienia m azutu spalanego w palniku ciśnieniowym Babcocka (krzywa 1) i w paln ik u gazodynamicznym z wewnę
trznym m ieszaniem . W obu przypadkach były zachowane optym alne p aram e
try pracy palnika (ciśnienie m azutu i ciśnienie pary wodnej przy palniku gazodynamicznym).
2.1.4. Powstawanie tlenków azotu, NOx
Są dwa źródła emisji tlenków azotu przy spalaniu paliw:
— term iczny NOx (NOt) powstający przez utlenienie azotu atmosferycznego, - paliwowy NOx (NOp) powstający przez utlenienie azotu organicznego zwią
zanego w paliwie.
Ponieważ obecność azotu w paliw ach płynnych je s t n a tyle m ała, że nie wpływa w istotny sposób n a emisję NOx, głównym źródłem emisji tlenków azotu z płom ienia olejowego je s t utleniony w strefie gazów popłomiennych azot atmosferyczny.
M echanizm pow staw ania tle n k u azotu z azotu atm osferycznego w strefie gazów popłomiennych je s t dość dobrze poznany i powszechnie akceptow any - łańcuchowy m echanizm Zeldowicza z reakcjam i [20, 21]
N2 + O 4^ N O + N I reakcja Zeldowicza
N + 02 <cr*NO + 0 II reakcja Zeldowicza,
rozszerzony o reakcję azotu atomowego z rodnikiem wodorotlenowym N + OH <=>N0 + H
oraz należy uwzględnić reakcje, w których pośrednio w ystępują rodniki węglo
wodorowe HCN i CN [19].
Zgodnie z rów naniam i Zeldowicza podstaw ow ą m etodą obniżania koncen
tracji NO w produktach spalan ia je s t obniżenie te m p e ra tu ry w płom ieniu i zmniejszenie ilości pow ietrza - obniżenie liczby n a d m ia ru pow ietrza.
3. GAZODYNAMICZNY PALNIK OLEJOWY Z WEWNĘTRZNYM MIESZANIEM
Dotychczasowe konstrukcje p aln ik a pozostaw iały wiele do życzenia i przez wiele la t prowadzono prace badawcze n ad skonstruow aniem nowego typu palnika. Założono, że ko nstrukcja ta pow inna zapew niać spalanie zupełne w szerokim zakresie zm iany wydajności znamionowej, niezależnie od param e
trów otoczenia. Realizacja tego zad an ia możliwa je s t tylko wtedy, gdy uzyska się niezależność efektu rozpylenia paliw a od jego ciśnienia oraz niezależność transportu tlen u do strefy sp alania od tzw. „organizacji” pow ietrza zasilające
go. Konieczne je s t również wyelim inowanie łub zneutralizow anie czynników powodujących tw orzenie sadzy i koksiku w strefie przedpłom iennej.
Na rys. 2 przedstaw iono schem atycznie dyszę nowego typu niskociśnie
niowego gazodynamicznego p aln ik a o szerokim zakresie regulacji w przedzia
le od 15 do 130% wydajności znamionowej.
Za pomocą takiej konstrukcji dyszy m ogą być sp alane dowolne paliw a płynne począwszy od olejów napędowych, a skończywszy n a paliw ach cięż
kich, takich ja k m azuty i asfalty. Ciśnienie paliw a może dowolnie zm ieniać się w przedziale od 0,02 do 1 M Pa. Czynnikiem rozpylającym może być zarówno para wodna (przegrzana i wilgotna), ja k i powietrze o ciśnieniu od 0,2 do
1,2 MPa.
K onstrukcja p aln ik a je s t chroniona p a te n tam i [22, 23].
20 Henryk Karcz, Wiesław Wosik, Zbigniew Modliński, Jan Butmankiewicz, Edward Sędzielowski, W ładysław Matlak
4. PROGRAM PRÓB BADAWCZYCH 4.1. S ta n o w isk o b a d a w c zo -p o m ia r o w e
Ocenę procesu spalan ia i określenie charak tery sty k technicznych palnika przeprowadzono n a stanow isku badawczym w Energoinvest ITEN Sarajewo i w Elektrow ni „Jaworzno III”. B adania prowadzono w kotle O P-650k bloku 200MW w czasie jego postoju w stanie “zim nym ”. Schem at instalacji pom iaro
wej przedstaw iony je st n a rys. 3.
Rys. 2. Schem at u k ła d u elem entarnych dysz niskociśnieniowego p aln ik a olejowego z we
w nętrznym m ieszaniem : 1 - p a ra w odna, 2 - olej
Fig. 2. Arrangem ent of th e elem entary low -pressure nozzles of th e intern al mixing oil burner
Rys. 3. Schem at instalacji pom iarowo-badaw czej: 1 - palnik, 2 - zawór zaporowy, 3 - zawór zwrotny, 4 - m anom etr parowy, 5 - m anom etr m azutow y, 6 - kryza pom iarowa, 7 - parom ierz z rejestratorem , 8 - m anom etr różnicowy, 9 - przepływom ierz mazutowy, 10 - kry za dław iąca, 11 - term om etr oporowy, 12 - wielozakresowy w skaźnik tem p eratu ry , 13 - term oelem ent, 14 - wielozakresowy w skaźnik tem p eratu ry , 15 - k am era filmowa, 16 - przym iar do p om iaru param etrów geom etrycznych płom ienia, 17 - pirom etr
dwubarwowy, 18 - analizator spalin, a p a ra t B a h arah a , 19 - sonda do poboru sadzy, spektroskop masowy Fig. 3. D iagram of m easurem ent equipm ent
ro
palnikolejowy...
2 2 Henryk Karcz, W iesław Wosik, Zbigniew Modliński, Jan Butmankiewicz, Edward Sędzielowski, Władysław Matlak
W czasie badań mierzono:
- ilości pary (Vp), ilości m azu tu (Vm), p aram etry: p a ry (Tp, P p) i m azu tu (Tm,
Pm),
- s tru k tu rę geom etryczną płom ienia (Dpł, Ipł, a ) i jego tem p e ra tu rę (Tpt), - skład produktów spalania (CO, C 0 2, S 0 2, NOx, WWA, sadza) oraz tem pe
ra tu rę spalin (Tsp) i tem p eratu rę elem entów głowicy p alnika (Tg).
B adania geometrii żagwi płom ienia przeprowadzono m etodą rejestracji fotograficznej i oceny wizualnej, a badanie procesu sp alania przeprowadzono przy użyciu analizato ra gazów typu IM R -3000P ze specjalnie skonstruow aną sondą aspiracyjną i kom puterem analizującym stopień czerni płom ienia (licz
ba sadzowa B ah arah a - LSB). Koncentrację sadzy w płom ieniu i w strefie popłomiennej (strefa gazów spalinowych) określano n a podstaw ie pojawienia się jej n a filtrze, a b adania pow staw ania WWA dokonano za pomocą chrom a
tografu gazowego sprzężonego ze spektrom etrem masowym.
5. WYNIKI BADAŃ
Oceny procesu spalan ia oraz stabilności zapłonu i pracy p aln ik a dokonano w izualnie poprzez określenie barw y płom ienia i stopnia fluktuacji czoła frontu płomienia. Wyniki określające wpływ ciśnienia m azu tu i ciśnienia pary wod
nej n a proces zapłonu i spalania m azu tu przedstaw iono n a rys. 4.
Obecność sadzy we froncie płom ienia wzdłuż osi żagwi, w zależności od obszaru prący palnika, przedstaw iono n a w ykresie - rys. 5.
Koncentrację sadzy scharakteryzow ano za pomocą tzw. liczby sadzowej B a h arah a (LSB). Dla porów nania przytoczono krzyw ą określającą rozkład LSB wzdłuż żagwi płom ienia p alnika ciśnieniowego typu „Babcock”, pracującego przy ciśnieniu (3 MPa) zbliżonym do znamionowego. Biorąc pod uwagę opty
m alne zakresy pracy palnika ciśnieniowego (krzywa 5) i p aln ik a gazodyna- micznego (krzywa 2) widać, że liczba LSB je s t kilkakrotnie w iększa dla palni
k a Babcocka.
Rozkład koncentracji tlen k u węgla, dw utlenku węgla i tle n u w przekrojach poprzecznych, w początkowej, środkowej i końcowej strefie płom ienia jest zróżnicowany. Z rozkładu wynika, że szerokość strefy fro ntu płom ienia i strefy popłomieniowej rośnie w m iarę oddalania się od czoła żagwi.
W początkowej strefie żagwi szerokość frontu płom ienia wynosi około 0,1 m, a w końcowej strefie około 0,2 m. M aksym alna koncentracja CO w ystępuje we froncie płom ienia i rośnie wzdłuż osi żagwi. W strefie popłomiennej koncen
tra c ja CO spada do 0. W zrost koncentracji CO wzdłuż osi żagwi spowodowany je s t postępującym przebiegiem term icznych procesów rozkładu substancji wę
glowodorowej, znajdującej się we w nętrzu żagwi płomienia. W początkowej strefie żagwi koncentracja CO w osi je s t niew ielka i praktycznie rów na 0.
0.9 MPa
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.10.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 M
Rys. 4. Wpływ ciśnienia m azu tu i ciśnienia p ary wodnej n a proces spalania: 1 - niestabil
ny zapłon, 2 - pulsacyjne spalanie, 3 - granica zapłonu, 4 - całkow ite i zupełne spalanie, 5 - niezupełne spalanie, 6 - dymienie żagwi płom ienia (niecałkowite i niezupełne spalanie)
Fig. 4. The influence of m azout p ressu re an d w a te r vapour on combusion process
W m iarę oddalania się od czoła żagwi koncentracja CO w osi je s t coraz wy
ższa.
Koncentracja C 02 n a całej długości płom ienia je s t m ak sym alna w strefie popłomiennej - rośnie wzdłuż osi żagwi - osiągając najw yższe w artości w końcu żagwi i je s t ściśle zw iązana z koncentracją CO i C 02 w strefie frontu płomienia i w strefie popłomiennej.
Tlenki azotu (NOx) przy spalaniu paliw płynnych pochodzą głównie z utlenia
nia azotu atmosferycznego. Szybkość powstawania „termicznych” NOx zależy przede wszystkim od tem peratury płomienia i liczby n adm iaru powietrza (A,).
Przeprowadzone wyniki badań n ad zaw artością tlenków azotu we froncie płomienia i w strefie gazów popłomiennych przy sp alan iu m azu tu w palniku ciśnieniowym Babcocka i w p alniku gazodynam icznym z w ew nętrznym m ie
szaniem (rys. 2) w pełni potwierdziły przyjęte przesłanki. N a w ykresie (rys. 6) przedstawiono rozkład NOx w początkowym i końcowym przekroju płom ienia palnika gazodynamicznego i w końcowym przekroju płom ienia p aln ik a ciśnie
niowego.
24 Henryk Karcz, W iesław Wosik, Zbigniew Modliński, Jan Butmankiewicz, Edward Sędzielowski, Władysław Matlak
Rys. 5. Zależność „liczby sadzowej” B a h arah a (LsB) od odległości od przekroju wylotowego dyszy i obszaru pracy palnika: 1 - niestabilny zapłon, pulsacyjne, całkowite i zupełne spalanie, 2 - całkowite i zupełne spalanie, 3 - niezupełne spalanie - dymienie żagwi płomienia, 4 - niezupełne i niecałkow ite spalanie - dym ienie płom ienia i separacja kropel n a zew nątrz żagwi płomienia, 5 — płomień p alnika ciśnieniowego, 6 — krzyw a określająca
długość płomienia.
Fig. 5. Dependence of B a h arah ’s carbo black num ber (LSB) on th e distance of th e outlet intersection of th e nozzle and are a of b u rn er operation
Rozkład NOx w przekroju płom ienia je s t podobny do rozkładu 02 w płomie
niu. Największe koncentracje tlenków azotu w ystępują w jego końcowej czę
ści. Ten c h a ra k te r przebiegu je s t podobny do rozkładu tem peratury. Zupełnie odm ienny c h a ra k te r generacji tlenków azotu w ystępuje przy sp alan iu m azutu w palnikach ciśnieniowych, gdzie tlenk i azotu pow stają w całym przekroju płom ienia i poziom ich koncentracji je s t podobny n a całej długości żagwi.
W przypadku palnika ciśnieniowego ilość generow anych NOx je s t znacznie wyższa od ilości NOx powstających przy spalan iu m azutu w palniku gazo- dynamicznym. U zasadnieniem tego fak tu je s t znacznie wyższa koncentracja tle n u i azotu w płom ieniu p alnik a ciśnieniowego przy zbliżonych wartościach tem p eratu ry płomienia. W ykres n a rys. 7 przedstaw ia rozkład koncentracji wielopierścieniowych węglowodorów arom atycznych (WWA) wzdłuż osi pło
m ienia m azu tu spalanego w paln ik u ciśnieniowym Babcocka (krzywa 1) i w palnik u gazodynamicznym z w ew nętrznym m ieszaniem .
W obu palnikach proces sp alan ia był realizow any przy optym alnych p a ra m etrach m azu tu i p ary wodnej (w przypadku p aln ik a gazodynamicznego).
Rys. 6. Zaw artość NOx w początkowej (1) i końcowej (2) strefie płom ienia p aln ik a gazo- dynamicznego i w końcowej strefie (3) płom ienia p aln ik a ciśnieniowego Babcocka Fig. 6. NOx contens in th e in itial (1) and finał (2) zone of th e flam e of th e gaseousdynam ie
b u m e r and in th e finał (3) zone of th e flam e of th e p ressu re b u rn e r of Babcock type
Koncentracja WWA w przypadku p aln ik a ciśnieniowego je s t kilkakrotnie wyższa niż w p rzypadku p aln ik a gazodynamicznego.
6. WNIOSKI
Proces sp alan ia paliw płynnych - szczególnie paliw ciężkich - za pomocą klasycznych palników ciśnieniowych je s t zw iązany z em isją do atm osfery CO, sadzy, NOx, WWA i innych składników szkodliwych dla środowiska. Wydaje się, że naw et w bardzo dobrych konstrukcjach palników standardow ych, z uwagi n a realizow aną technologię rozdrobnienia paliw a, odparow ania i wy
mieszania z powietrzem , nie m ożna unik n ąć emisji niektórych szkodliwych składników, tak ich ja k np. NOx, lub WWA. Poziom NOx i WWA można znacz
nie obniżyć za pomocą palników gazodynamicznych z wewnętrznym mieszaniem.
Palnik ten , oprócz znacznego obniżenia emisji szkodliwych dla otoczenia składników, zapew nia znaczne obniżenie zużycia paliw a dla realizacji kon
kretnych zadań technologicznych. W kotłach bloków energetycznych - w kilku
26 Henryk Karcz, W iesław Wosik, Zbigniew Modliński, Jan Butmankiewicz, Edward Sędzielowski, W ładysław Matlak
Rys. 7. Rozkład koncentracji WWA wzdłuż płomienia mazutowego: 1 - palnik ciśnieniowy, 2 - gazodynamiczny palnik z wewnętrznym mieszaniem
Fig. 7. Concentration distribution WWA along th e mazout flame
elektrow niach - palniki gazodynam iczne pozwoliły zaoszczędzić od 25 do 40%
paliw a płynnego przy urucham ian iu kotłów ze sta n u „zimnego”. Palniki posia
dają płynną regulację wydajności w przedziale od 15 do 130% wydajności nom inalnej.
LITERATURA
[1] H ucknal D. J.: C hem istry of Hydrocarbon Combustion, C hapm an and Hall, London, New York, 1985.
[2] Słupek S.: Proces spalania wodnych em ulsji paliw a ciekłego, ZN. AGH, M at. Odl., z. 75, 1977.
[3] Koval A. A., S haler A., Słupek S., Kokkinos A.,Miskovsky N. M., Essen- high.: Combustion C haracteristics of Oil—W ater—Air Em ulsion, Paper prepared for Research of th e Symposium Los Angeles, Nov. 1975.
[4] Słupek S.: O możliwości ograniczenia szkodliwości produktów spalania paliw ciekłych. H u tnik n r 11, 1984.
[5] Kowalewicz A.: Tworzenie m ieszanki i spalanie w silnikach o zapłonie iskrowym, WKiŁ, W arszaw a 1984.
[6] Law C. K : Recent advances in droplet vaporization and combustion.
Prtog. in Energy and Combust. Science. Vol. 8, 1982.
[7] F aeth G. M.: C u rren t sta tu s of droplet an d liqid comb. Prog, in Energy and Combust. Science, Vol. 3, 1977.
[8] Wilk R.: B adania zjaw iska sp alan ia kropli ciężkiego paliw a ciekłego, Zeszyty Naukowe Pol. Śl., E nergetyka n r 81, Gliwice 1982.
[9] Kulagin L. V., Ochotników S. S.: Sżiganije tjażołych żidkich topliw, Nedra, Moskwa, 1967.
[10] W iliams FR. A.: Tieorija gorenija, Izd. N auka, M oskwa 1971.
[11] Wilk. R., Zaliński Z.: B adania czasu sp alan ia kropli ciężkiego paliwa, Zeszyty Naukowe Pol. Śl., E nergety k a n r 79, Gliwice, 1982.
[12] P etela R.: Paliw a i ich spalanie, G. V. Laboratorium , Pol. Śl., Gliwice 1984.
[13] Orzechowski Z.: Rozpylanie cieczy, WNT, W arszaw a 1976.
[14] U m em ura A., Ogawa S., O shim a N.: A nalysis of th e in teraction betw een two b u rn ing droplets, Com bustion Science an d Flam e 41, 1981.
[15] Tw ardus E., B rzustow ski T.: Com bustion Science and Technology 17, 1978.
[16] Karcz H., Zem brzuski M.: A New Concept of low P re ssu re Atm osphere, X l-th In te rn atio n a l Symposium on Com bustion Processes, M iędzyzdro
je, Septem ber, 1989.
[17] Karcz H.: Now to M inimize E nvironm ent Pollution due to Com bustion of Neavy Oil, Sc. ICUS. XVII S ev enteenth In te rn a tio n a l Conference on de U nity of th e Sciences, Los Angeles 1988.
[18] Karcz H., Jodkowski W.: P aln ik m azutowy o wydajności znamionowej 600 kg/h o szerokim w ydatku dla Elektrow ni „Łagisza” w Będzinie.
Raport serii Sprawozdania: 1-20, Pol. Wrocł., W rocław 1988.
[19] G lassm an J.: Com bustion Academic Press, New York, San Francisco, London 1977.
[20] Nelson H. F.: N itric oxide form ation in com bustion AJAA, Vol 14, No 9, 1976.
[21] Zeldowicz Y. B.: The oxidation of nitrogen in com bustion explosions. Acta Physicochim., USSR 21.577, 1947.
[22] W anatowicz St., Karcz H.: P alnik olejowy. Świadectwo autorskie wzoru użytkowego Ru 43115 z dnia 30.10.1985.
[23] W anatowicz St., Karcz H., Zem brzuski M.: P aln ik do sp alan ia paliw a ciekłego. P a te n t n r 150725 z dnia 30.01.1987.
28 Henryk Karcz, W iesław Wosik, Zbigniew Modliński, Jan Butmankiewicz, Edward Sędzielowski, W ładysław Matlak
Recenzent: Dr hab. inż. Ryszard WILK Wpłynęło do Redakcji 30. 08. 1994
A b stract
A t the sta rtin g up phase of pulverized coal boiler of OP 650k type from the
„cold sta te ” by m eans of low -pressure g as-dynam ic b u rn ers w ith inside mixing, w here m azout of 0,05 M Pa to 0,6 M Pa w as broken up in a two stage process w ith w ater vapour of 0,5 to 1,0 M Pa, th ere obtained considerable lowering of th e contents of such substances as carbon black, CO, NOx and m ultirin g arom atic hydrocarbons, which are h arm ful for th e environm ent, in th e exh aust gas due th e b u rn er construction which m akes it possible to break up th e fuel better, evaporize it and mix it w ith air. The b u rn er is characterized w hith a smooth regulation of th e o u tp ut from 15 to 130 % of th e ra te d output of th e b u rn er a t th e reliability of firing and keeping th e flam e stability, which considerably increases boiler availiability. The b u rn er is little sensitive to the
„organization” of a ir supply to th e combustion zone, th u s it can also be used for th e m odernization in th e existing boilers of different constructions at m aintain in g full operational safety.
