Systemy schłodzenia i podgrzewu spalin w układach odsiarczania spalin ciepłowni z kotłami rusztowymi

(1)

ZESZYTY NAUKOWE POLITECHNIKI ŚLĄSKIEJ Seria: ENERGETYKA z. 122

1994 Nr kol. 1262

Andrzej W. WALEWSKI, Zbigniew L. RATAJ, W acław WOJNAR Instytu t M aszyn i U rządzeń Energetycznych, Politechnika Ś ląska

SYSTEMY SCHŁODZENIA I PODGRZEW U SPALIN W UKŁADACH ODSIARCZANIA SPALIN CIEPŁOWNI Z KOTŁAMI RUSZTOWYMI

S tr e sz c z e n ie . Przedstaw iono system atykę, ocenę rozw iązań ideo

wych oraz autorskie zalecenia konstrukcyjne system ów schłodzenia i podgrzewu spalin kotłowych w układ ach odsiarczania spalin funkcjonu

jących wg m etody mokrej w apienno-w apniow ej w ciepłowniach m iej

skich. Omówiono problem y eksploatacyjne i dokonano oceny w ym ienni

ków ciepła w tych układach. N a podstaw ie obliczeń w ykonanych dla projektowanej ciepłowni m iejskiej, wyposażonej w kotły rusztow e, za

prezentow ano w łasną koncepcję rozw iązania konstrukcyjnego system u.

FLUE GAS COOLING DOWN AND WARMING U P SYSTEMS OF DESULFURIZATION PLANTS IN M UNICIPAL HEATING STATIONS WITH STOKER BOILERS

Sum m ary. In th is paper th e schem as and an analyse of th e cooling and h ea tin g up system s in flue gas desulfurization process has been in detail presented. The flue gas desulfurization works on th e w et lim e/lim estone technology. The problem s occuring in process and th e estim ation of h e a t exchangers w ere in several asspects discused. On the basis of th e calculation series m ade for m unicipal h e a tin g statio n the own concept of layout of those system w as given.

ABKÜHLUNGS- UND AUFWÄRMUNGSSYTEME VON ABGASEN IN ENTSCHW EFFELUNGSANLAGEN BEI W ANDERROSTKESSELN IN HEIZW ERKEN

Z u sam m en fa ssu n g . Eine system atische D arstellung u n d die d etailierte Analyse möglicher Lösungen der A b k ü h lu n g s- und A ufw ärm ungssystem e des Abgases, die a u f der Basis von näßen M ethode m it Zugabe von K alk und K alkstein in städtisch er H eizkraftw erken—E ntschw effelungsanlagen arb eitend sind, ist gegeben worden. Es w urden einige B etriebsproblem e und die A usw ertung von W ärm atau sch er in solchen System en besprochen. A uf

(2)

210 Andrzej W. Walewski, Zbigniew L. Rataj, Wacław Wojnar

der G rundlage durchgefuhrten Berechnungen fur einen in P lannungsstudium befm denden H eizkraftw erk w urde ein eigener Konzept der Lósung eines System s vorgeschlagen.

1. WPROWADZENIE

W k raju rozpowszechnione są system y ciepłownicze bazujące n a elektrocie

płowniach oraz centralnych i lokalnych ciepłowniach. W elektrociepłowniach zainstalow ane są bloki ciepłownicze i kotły wodne opalane pyłem węgla ka

miennego, np. WP 70, WP 120. W centralnych i lokalnych ciepłowniach zainstalow ane są kotły wodne rusztow e typoszeregu WR, dostosowane do sp alania węgla kamiennego.

W większych ciepłowniach podstaw ową jed no stką są kotły WR 25. Je st to jedno stk a zapew niająca uzyskanie dużej mocy cieplnej, z param etram i 150°C/70°C. Wielkości jednostek, param etry , ekonom ika i dyspozycyjność urządzeń są spraw dzone w wieloletniej eksploatacji i okazują się typowe dla realizacji ogrzewania, z w ykorzystaniem węzłów cieplnych wymiennikowych (stacji kompaktowych) i nie odbiegają od przyjm owanych w technice zagrani

cznej dla ogrzewań konwektorowych.

Dużym problem em eksploatacyjnym w aspekcie ochrony środowiska jest poziom emisji do atm osfery toksycznych zanieczyszczeń gazowych, głównie tlenków siark i SOx i tlenków azotu NOx. O ile problem emisji zanieczyszczeń stałych (pyłów) m ożna uznać za rozw iązany w świetle nowych technik odpyla

nia, to problem zanieczyszczeń gazowych wym aga ciągle rozw iązań systemo

wych.

Podstawowym paliwem stosowanym w polskim ciepłownictwie je s t i będzie n adal węgiel kam ienny ze względu n a jego dostępność i cenę. Z uwagi n a to, że niektóre węgle kam ienne zaw ierają znaczne ilości siarki S = (0,5 - 3,5)%, aktualnym problemem je s t odsiarczanie spalin kotłowych.

Podaż węgli o niskiej zawartości siark i (S < 0,6%) znacznie się zwiększyła w ostatnich latach, ze względu jed n ak n a specyficzne uw arunkow ania społecz

ne, w niektórych regionach k raju wydobywane są i spalane w lokalnych kotłow niach węgle o wysokiej zawartości siark i (S > 1,0%).

Norm y emisji toksycznych zanieczyszczeń i ograniczenia techniczne muszą być dostosowane do norm europejskich. Rozporządzenie M inistra Ochrony Środowiska, Zasobów N aturalnych i Leśnictw a z lutego 1990 r. z późniejszymi w yjaśnieniam i z sierpnia 1990 r. tra k tu je obecnie pracujące kotły dość liberal

nie, ale po term inie 31. 12. 1997 r. obowiązujące norm y zostaną zdecydowanie zaostrzone.

Odsiarczanie spalin kotłowych je s t w krajowych w arunkach techniczno- ekonomicznych jedyną w perspektyw ie najbliższych lat, bezpośrednią metodą ograniczania emisji toksycznych tlenków siark i do atm osfery. Inne pośrednie

(3)

Systemy schłodzenia i podgrzewu spalin. 211

metody w ym agają dużych nakładów finansowych n a restru k tu ry zację cie

płownictwa, budowę zakładów wzbogacania węgla i czasu.

Analizy znanych w technice światowej m etod odsiarczania spalin [2 22]

wykazały, że jedy ną wysoko sp raw ną i możliwą do technicznej realizacji w krajowych w aru nk ach techniczno-ekonom icznych je s t m okra m etoda wapien- no-wapniowa.

W instalacjach układów odsiarczania spalin UOS pracujących w edług tej metody niezbędne są w ym ienniki ciepła schładzające spaliny przed procesem wiązania tlenków siark i SOx w skruberze i odgrzewające odsiarczone spaliny przed wprowadzeniem do w entylatora ciągu WC i dalej do kom ina.

System y term iczno-przeplyw ow e procesów schłodzenia i podgrzewu spalin w UOS m ają różne rozw iązania konstrukcyjne, w ykorzystują różne czynniki energetyczne. W artykule zaw arte są oceny w ad i zalet znanych rozw iązań, autorskie zalecenia konstrukcyjne oraz opis system u i instalacji w edług w łas

nego rozw iązania autorów.

2. ZAGADNIENIA KONSTRUKCYJNE I EKSPLOATACYJNE WYMIENNIKÓW CIEPŁA W UKŁADACH ODSIARCZANIA SPALIN KOTŁOWYCH

M okra m etoda w apienno-w apniow a, której szczegółowe opisy zamieszczo

no w pracach [2, 3], je s t optym alną wysoko sp raw ną m etodą o średnich kosztach inwestycyjnych i eksploatacyjnych, w ykorzystującą krajowy, łatwo dostępny surowiec jako sorbent procesowy: kam ień w apienny, dolomit, wapno oraz dodatkowo alkaliczne popioły z energetycznego sp alan ia węgla w kotle ciepłowni.

W cyklu technologicznym wg tej m etody korzystnie jest, aby spaliny kotło

we o tem p eratu rze t 3 = (110 -i- 180)°C przed w prow adzeniem do absorbera schłodzone zostały do te m p e ra tu ry t4 < (80 90)°C.

Niezaprzeczalnym efektem term odynam icznym je s t rozw iązanie z wyko

rzystaniem ciepła odebranego w cyklu schłodzenia w system ie kondycjonowania spalin. O dsiarczane spaliny w absorberze ulegają dalszem u schłodzeniu do tem p e ra tu ry t 4 = (40 + 50)°C. Znane są rozw iązania bez w ym iennika ciepła, gdzie cały stru m ień ciepła spalin wylotowych kotła odbierany je s t m ieszanko- wo przez n a try sk alkaliczną wodą procesową w absorberze UOS. Ciepło je s t tu tracone bezpowrotnie, a w obiegu alkalicznej wody procesowej m usi krążyć zwiększony jej strum ień.

Po wyjściu z absorbera spaliny odprow adzane są do w en ty lato ra ciągu WC i dalej do czopucha i kom ina.

W celu uniknięcia zjawisk korozji siarkowej niskotem peraturow ej (proces odsiarczania przy optim um techniczno-ekonom icznym tej m etody osiąga

(4)

sprawność r|ods = (80 -s- 90)%) spaliny z kolei m uszą być podgrzane do tem pera

tu ry powyżej p u n k tu rosy t 2 > (80 100)°C.

2.1. W arian tow e r o z w ią za n ia k o n c e p c y jn e sy ste m u kondycjonow a- n ia sp a lin w UOS

Proces kondycjonowania spalin, polegający n a ich schładzaniu a następnie podgrzewaniu, może być realizow any technicznie wg w ielu w ariantów kon

strukcyjnych. Może przebiegać w pętlach rozdzielonych, gdzie do wymienni

ków w prowadzane są obce procesowo czynniki energetyczne lub w pętalach zwartych, gdzie spaliny surowe dążące do absorbera SOx schładzane są spali

nam i odsiarczonymi, wychodzącymi z absorbera.

W układach tych instalow ane są, odpowiednio do procesu, różnego typu w ym ienniki ciepła:

W ariant 1. Rozdzielone pętle podgrzewu i schłodzenia spalin

- rekuperacyjny rurow y schladzacz spalin; woda jako czynnik chłodzący, powierzchnia wym iany ciepła rozw inięta po stronie spalin,

- rekuperacyjny rurow y podgrzewacz spalin; p a ra z obiegu kotła lub woda z obiegu ciepłowniczego jako czynnik grzewczy, pow ierzchnia rozw inięta po stronie spalin.

W ariant 2. Rozdzielone pętle podgrzewu i schłodzenia spalin ze wspólnym czynnikiem pośrednim

- odrębne pęczki rekuperacyjnego rurowego schładzacza i podgrzewacza spalin; wspólny czynnik pośredni w pętli zw artej,

- dodatkowy korekcyjny w ym iennik rekuperacyjny dla schłodzenia lub pod

grzewu spalin zasilany czynnikiem obcym.

W ariant 3. Z w arta p ętla schłodzenia i podgrzewu spalin

- rekuperacyjny rurow y schładzacz/podgrzewacz spalin; spaliny surowe dą

żące do absorbera oddają ciepło spalinom odsiarczonym wychodzącym z absorbera,

- dodatkowy korekcyjny podgrzewacz spalin zasilany p a rą lub wodą.

W ariant 4. Z w arta p ętla schłodzenia i podgrzewu. W ym iennik mieszankowy - rekuperacyjny rurow y schladzacz spalin surowych omywany powietrzem

atmosferycznym,

- kom ora m ieszania pow ietrza podgrzanego i spalin odsiarczonych, - k an ał b y-p ass spalin surowych do komory m ieszania.

W ariant 5. Zw arta p ętla schłodzenia i podgrzewu spalin

- rekuperacyjny rurow y schladzacz spalin surowych omywany powietrzem w stępnie podgrzanym,

- w ym iennik mieszankowy; kom ora m ieszania pow ietrza podgrzanego i spa

lin odsiarczonych,

- w stępny wodny podgrzewacz pow ietrza atmosferycznego.

(5)

WARIANT 1 WARIANT 2

z k o t ła i SPALINY ODPYLACZ

w o d a _ ^ c h ło J z a c c P "

R 5 5 RPS

d o k o m in a

ABSORBER

I SOx— I

p a r a w o d a g rz e w c z a

z k o l l a j ^ SPALINY d o k o m in a

t j t «1 t * '

O D M G Ł A - r O D M G Ł A -

W I A C Z W I A C Z

... I 1

AB SO RBE R SOv

WARIANT 3 WARIANT A

WARIANT 5

k o t ła S p a lin y ELEKTRO

WPP z k o t ła FILTR

WARIANT 6

d o WC

RO s s

r ¹ k r

O D M G ŁA - WIACZ

I

ABSO RBER

, SO, ^,

Rys. 1. Schem at realizacji technicznych w ariantow ych rozw iązań sy stem u kondycjonowa- nia sp alin w UOS

Fig. 1. Schem atic representation o f several technical sy stem s o f flue gas conditioning in FDS (UOS)

(6)

W ariant 6. Zw arta pętla schłodzenia/podgrzewu spalin

- regeneracyjny obrotowy schładzacz/podgrzewacz spalin ROSS; spaliny su

rowe oddają ciepło spalinom odsiarczonym przez pośredni czynnik akumu

lacyjny - wypełnienie ROSS.

Schem aty realizacji technicznych zestawionych w ariantów rozwiązań sy

stem u kondycjonowania spalin w UOS obrazuje rys. 1. Takie układy instalo

w ane w UOS elektrociepłowni i ciepłowni m ają w ady i zalety, które omówione zostaną dla zestawionych w ariantów rozw iązania konstrukcyjnego.

2.2 A n a liza i o cen a w a r ia n to w y c h ro z w ią za ń id e o w y c h system ów k o n d y cjo n o w a n ia sp a lin UOS

Autorzy publikacji projektując od kilku la t system y kondycjonowania spa

lin dla UOS kotłów elektrociepłowni i ciepłowni uw zględniają w swych koncepcjach aspekt ekonomiczny i techniczny zagadnienia.

Dla właściwej oceny system u kondycjonowania spalin dokonano zestawie

nia wad i zalet proponowanych rozw iązań konstrukcyjnych i procesu eksplo

atacji system u (tablica 1). Każde z prezentow anych rozw iązań wariantowych W U W6 m a dodatnie i ujem ne cechy. Wybór optym alnego w a ria n tu winien być poprzedzony analizą uw zględniającą uw arunkow ania obiektu.

T a b lic a 1 Z e s t a w ie n ie p o r ó w n a w c z e w a r ia n t o w y c h r o z w ią z a ń s y s t e m u s c h ło d z e n ia (SS) i

p o d g r z e w u (P S ) s p a lin w U O S System kondycjonow ania spalin W a

riant W ady (-)

Zalety (+)

Konstrukcyjne Eksploatacyjne

1 - odrębne instalacje czynni

ków SS i PS

- dwa różne czynniki energe

tyczne

- dwa bloki wymienników S S iP S

- obce procesowo czynniki energetyczne SS i PS - tracone ciepło spalin schła

dzanych

- ciepło podgrzewu z obcego źródła

- wstępny odpylacz spalin

+ rozwinięta powierzchnia wymiany ciepła po stronie spalin w SS i SP + zw arta budowa wymienni

ków

+ czyste media kotłowe wew

nątrz rur grzewczych + prosta regulacja systemu 2 - dwa bloki wymienników

- różne konfiguracje geome

tryczne grzewczego w kła

du rurowego SS i PS - dodatkowa chłodnica (np.

dachowa) medium SS/PS

- obce procesowo medium SS/PS

- trudna regulacja systemu - konieczność wprowadzenia

dodatkowej chłodnicy me

dium

- drogie medium SS/PS (glikol)

- wstępny odpylacz spalin

+ rozwinięta powierzchnia wymiany ciepła po stronie spalin

+ odzysk ciepła SS z częścio

w ą utylizacją ciepła w PS + zwarta budowa w ymien

ników

(7)

Systemy schłodzenia i podgrzewu spalin. 215

cd . t a b lic y 1 System kondycjonow ania spalin

Wa

riant W ady (-)

Z alety (+)

Konstrukcyjne Eksploatacyjne

3 - gładkie rury wkładu grzew

czego wymiennika ciepła gaz-gaz

- znaczne gabaryty w ym ien

nika

- konieczność oczyszczania powierzchni międzyruro- wej

- niskie w spółczynniki w ni

kania ciepła a

- brak możliwości intensy^

fikacji wymiany ciepła - zapylone, zasiarczone spa

liny wewnątrz rur - szczątkowe zasiarczenie i

zawilgocenie spalin w prze

strzeni m iędzyrurowej w y

miennika

+ wym iana ciepła czynni

ków procesowych + odzysk ciepła SS z pełną

utylizacją ciepła w PS + elim inacja wstępnego od-

pylacza spalin + odpylanie schłodzonych

spalin

4 - komora mieszania - instalacje by-pass spalin

surowych

- gładkie rury wkładu grzew

czego wymiennika - znaczne gabaryty w ym ien

nika

- wprow adzenie do systemu obcego procesow o pow ie

trza - odsiarczanie niepeł

nego strumienia spalin - by-pass spalin surowych - dodatkow e obciążenie W C - wysokie opory strumieni

powietrza w przepływie wielobiegowym

+ czyste powietrze w przes

trzeni międzyrurowej + elim inacja wstępnego od-

pylacza spalin

+ obniżenie progu tem pera

tury rosienia przez w pro

w adzenie do komory po

wietrza podgrzanego

5 - komora mieszania - wstępny podgrzewacz po

wietrza

- gładkie rury wkładu grzew

czego wymiennika gaz-gaz

- obce procesow o powietrze w systemie

- dodatkowe obciążenie WC - wstępny podgrzewacz po

w ietrza zasilany z obcego źródła

+ czyste powietrze w przes

trzeni międzyrurowej wym.

gaz-gaz

+ elim inacja wstępnego odpylacza spalin

+ odpylanie schłodzonych spalin

+ dogodna regulacja p od

grzewu powietrza + rozwinięta powierzchnia

podgrzewacza powietrza + obniżenie progu tem pera

tury wstępnego rosienia przez wprow adzenie do ko

mory powietrza podgrza

nego 6 - skomplikowana konstru

kcja ROSS

- urządz. z napędem mecha

nicznym

- wirniki i wypełnienia ROSS z m ateriałów odpor

nych korozyjnie

- wrażliwy na zanieczyszcze

nia w ym iennik ciepła ROSS

- urządzenie wymagające obsługi

- napęd mechaniczny

+ zw arta pętla SS/PS + pełny odzysk i utylizacja

ciepła spalin

(8)

3. ROZWIĄZANIA KONSTRUKCYJNE URZĄDZEŃ W SYSTEMACH KONDYCJONOWANIA SPALIN KOTŁOWYCH

U rządzenia pracujące w instalacjach systemów kondycjonowania spalin funkcjonują w skrajnie niekorzystnych w arunkach korozyjnych, w nieodsiarczonych spalinach, w strefie te m p e ra tu r powodujących pow staw anie zjawisk niskotem peraturow ej korozji siarkowej. W niektórych rozw iązaniach ideo

wych (w ariant 3, 4, 5) powierzchnie w ym iany ciepła omywane są zapylonymi spalinam i.

Z tych przyczyn budowa przedmiotowych urządzeń oraz dobrane materiały w inny cechować się specyfiką rozw iązań szczególną dla projektowanego ele

m en tu system u. Rozwiązania opisane poniżej stosow ane są przez autorów publikacji w szeregu projektach wykonywanych dla obiektów energetycznych krajowych i zagranicznych. Oczywiście, rozw iązania te opierają się n a długim cyklu obliczeń cieplnych i aerodynamicznych.

3.1. R e k u p e ra c y jn e w y m ie n n ik i c ie p ła gaz - gaz

U rządzenia te są rekuperacyjnym i schładzaczam i spalin (RSS) surowych.

Projektujem y je w postaci rurowego w kładu grzewczego w układzie pęczko

wym, zainstalow anego w k an ale spalin. Powierzchnię w ym iany ciepła stano

wi pęczek r u r o w ym iarach (j> 44,5 x 1,5, 50 x 1,5, 76 x 2,9, usytuow anych w podziałce: Sj = 100 -M30, s2 = 80 +■ 100. R ury usytuow ane w układzie piono

wym osadzone są w dnach sitowych.

W obiektach o długim czasie eksploatacji ru ry w kładu grzewczego mają możliwość prostego dem ontażu w celach rewizyjnych i remontowych. We

w n ątrz prostoosiowych r u r od góry do dołu płyną surow e (nieodsiarczone, zapylone) spaliny. W przestrzeni m iędzyrurowej przepływ a powietrze, niekie

dy w stępnie podgrzane lub odsiarczone spaliny opuszczające absorber SOx.

Pow ietrze może omywać odcinki r u r grzewczych wielobiegowo (1 -i- 5 biegów), spaliny zawsze płyną jednobiegowo. W dolnych p a rtiac h RS/PS instaluje się kom ory osadcze z lejami, w których konstru u je się przegrody, kierownice, k anały naw rotne dla wstępnego oddzielenia cząstek popiołowych ze spalin.

Takie rozw iązanie pozwala n a rezygnację z odpylacza spalin za kotłem (cy

klon, multicyklon). Końcowy efekt odpylania ze spraw nością bliską r) = 100%

uzyskuje się w skruberze spełniającym funkcję filtra mokrego. W rozwiązaniu schładzacza spalin RSS omywanego powietrzem atm osferycznym lub wstęp

nie podgrzanym w wodnym podgrzewaczu pow ietrza W PP lub parowym pod

grzewaczu pow ietrza PP P nie w ystępują problem y zanieczyszczenia powierz

chni grzewczej w przestrzeni międzyrurowej.

R ury omywane z zew nątrz spalinam i odsiarczonymi ze sk ru b era zanieczy

szczone są wilgotnymi cząstkam i w apna procesowego. Mogą wystąpić również zniszczenia korozyjne dolnych p a rtii ru r, spowodowane obecnością kwasu siarkowego w nie w pełni odsiarczonych spalinach. Z tych względów projektu-

(9)

REKUPERACYJNE W YMIENNIKI C IE P ŁA G AZ-G AZ

S p a li n y

z k o t ł a P o w ie t r z e

REKUPERACYJNE WYMIENNIKI CIEPŁA GAZ-CIECZ

1 - K a n a ł p o w ie t r z a

2 - K o ł n i e r z 3 - K o m o r a z b io r c z a A - R u r a o ż e b r o w a n a

K r ó c ie c w l o t o w y 6 - K r ó c ie c w y l o t o w y

P o w ie tr z e a t m o s f e r y c z n e

Rys. 2. Schem atyczne rozw iązania konstrukcyjne w ym ienników ciepła w system ie kondy- cjonowania spalin kotłowych w UOS

Fig. 2. Schem atic layout of h ea t exchangers for th e flue gas conditioning in FD S (UOS)

(10)

je się w kłady z r u r o grubszych ściankach ((¡> 76 x 2,9, 76 ^X3,2) oraz przewiduje dem ontaż poszczególnych ru r z d n a sitowego.

Rysunek 2 obrazuje schem atycznie zastosow ane rozw iązania konstrukcyj

ne urządzeń w system ie kondycjonowania spalin, k ieru n k i biegów strumieni czynników, przykładowy rozkład tem p eratu r.

3.2. R ek u p era cy jn e w y m ie n n ik i c ie p ła gaz - c ie c z (p ara w od na) Rekuperacyjne w ym ienniki ciepła pomiędzy czynnikam i gazowymi (spali

ny, powietrze) i cieczami (woda chłodząca, woda grzewcza, glikol) łub parą wodną budowane są w postaci wkładów rurow ych o jednostronnie rozwiniętej powierzchni w układzie pęczkowym. W ym ienniki te w rozw iązaniach koncep

cyjnych nowej generacji instaluje się w UOS jako:

- rekuperacyjne rurow e schładzacze spalin za pomocą wody chłodzącej RSS

( W l ) ,

- rekuperacyjne rurow e podgrzewacze spalin p a rą wodną lub wodą z obiegu ciepłowniczego RPS (Wl),

- w stępne podgrzewacze pow ietrza W PP, P P P (W5), - w ym ienniki z pośrednią cieczą obiegową (W2).

Z uw agi n a wysoką w artość współczynników w nik an ia ciepła a w od czynni

k a cieczowego i pary oraz niskie w artości a s po stronie gazowej projektuje się zew nętrznie ożebrowane powierzchnie w ym iany ciepła. Najnowocześniejszym elem entem grzewczym jest:

RURA BIMETALOWA WYSOKOŻEBROWANA RBW 00-25/57-5.0 [28]

posiadająca stalow ą ru rę rdzeniow ą (KIO °III, K18 °III) i alum iniow ą koszulkę ożebrowaną. R ury te stosujem y jako powierzchnie grzewcze podgrzewaczy pow ietrza WPP, PPP. Powierzchnie grzewcze omywane spalinam i z uwagi na możliwość w ystępow ania chloru i zasadowych zanieczyszczeń z absorbera projektuje się z ru r ożebrowanych z innych m ateriałów kolorowych.

K onstrukcja tych wymienników, rozw ijana przez zespół autorów od wielu la t [29], spraw dziła się w eksploatacji przemysłowej w EL. BEŁCHATÓW, EL. OPOLE, EL. ŁAGISZA, EL. DOLNA ODRA, EL. TAI YUAN (ChRL) i in.

3.3. R e g e n e r a c y jn e g a zo w e w y m ie n n ik i c ie p ła

Regeneracyjne obrotowe schładzacze/podgrzewacze spalin ROSS, pracujące wg system u LJUNGSTRÓM (niem iecka nazw a G asvorw arm er GAVO), insta

lowane są w UOS wielkich bloków energetycznych [12, 22,23, 24],

Z uw agi n a skom plikowaną konstrukcję, konieczość obsługi, mechaniczny napęd w irnika i koszty inwestycyjne urządzeń tych dla przedmiotowych za

stosow ań w ciepłowniach z kotłam i rusztowym i nie przew iduje się, choć nie m a k u tem u zdecydowanych przeciw wskazań.

(11)

3.4. W ym ien n ik i m ie sz a n k o w e g a z o w e . K om ory m ie s z a n ia

W arianty 4 i 5 przew idują zastosow anie w system ie w ym iennika m ieszan

kowego komory m ieszania. N astępuje tu w ym iana ciepła i m asy strum ieni spalin odsiarczonych z absorbera oraz pow ietrza podgrzanego w celu podnie

sienia te m p e ra tu ry spalin.

W prowadzenie w obieg obcego procesowo czynnika - pow ietrza o wysokiej tem peraturze i norm alnym zawilżeniu (X = 10 gH20/kg.pow .such.) w komorze m ieszania - pozwala n a obniżenie stopnia zaw ilżenia spalin i w zrost tem p era

tury. Jak o niekorzystne należy tu uznać konieczność tra n s p o rtu tego powie

trza, podgrzew i zrzucenie podgrzanego pow ietrza do otoczenia w raz ze spali

nami. Obciąża to w entylator WC, k anały spalin i komin.

Komory m ieszania stanow ią skrzynie z k an ałam i dolotowymi czynników:

powietrza, spalin odsiarczonych, spalin surowych. W k an ałach zabudowne są system y regulacji nadążnej z klapam i segmentowym i (żaluzje). W kom orach na drodze mediów in stalu je się dodatkowe okapniki, kierownice w celu oddzie

lenia kropel wilgoci. Dolne części kom ór konstruow ane są w postaci leja szlamowego o odpowiednio zabezpieczonych ściankach.

3.5. O d p y la cze sp a lin

W ciepłowniach z kotłam i rusztow ym i jako odpylacze in stalu je się cyklony i multicyklony. W ekologicznych kotłow niach in stalu je się odpylające baterie filtrów workowych. W proponowanych rozw iązaniach W3, W4, W5 zaniechano zabudowy odpylaczy przed układem kondycjonowania spalin dla uniknięcia nadm iernego schłodzenia. Funkcje te przejm uje kom ora osadcza w ym iennika ciepła jako odpylacz w stępny. Końcowe odpylanie (mokre) n astęp uje w absor

berze UOS przy przejściu spalin przez k u rty n y wodne.

Odmgławiacze spalin za absorberam i i leje szlamowe w kom orach m iesza

nia w ychw ytują resztk i pyłów w postaci szlam u.

3.6. O d m gła w ia cze

N atry sk stru m ien ia spalin alkaliczną wodą procesową, przejście spalin przez k u rty n y wodne w skru b erach (absorberach SOx) w m okrych m etodach desulfuryzacji powodują znaczny w zrost zawilgocenia spalin. Przy pełnym nasyceniu strugi spalin (X = 1) woda niesiona je s t w postaci mgły w znacznych ilościach [26], Wobec niepełnego odsiarczenia spalin ( r ) D E S O x = ( 8 0 9 0 ) % ) , przy obniżeniu te m p e ra tu ry poniżej tem p e ra tu ry rosy, w obszarze w entylato

ra ciągu WC osadzają się krople roztw oru kw asu siarkowego, powodując przyspieszoną korozję elem entów w entylatora, głównie obudowy i wirników.

Podgrzew anie spalin do takiego poziomu tem p eratu ry , aby nastąpiło odpa

rowanie m ikrokropel mgły, pochłania duże ilości ciepła i byłoby ekonomicznie nieuzasadnione, zabezpieczenie antykorozyjne w en tylato ra ciągu i odprowa

dzanie skroplonej mgły je s t również uciążliwe.

(12)

Z powyższych względów w system ach kondycjonowania spalin instaluje się odmgławiacze (demistery), których zadaniem je s t pozbawienie strumienia spalin mgły utworzonej z czynnika procesowego UOS.

Odmgławiacze w prostych układach stanow ią system k ra t, siatek, kierow

nic, przegród zaburzających (zawirowujących) stru gę spalin. Mgła wodna w raz z cząstkam i popiołu i w apna osadza się n a tych elem entach. Impulsem do czyszczenia czy wym iany filtra je s t kontrolow any w zrost oporów przepływu spalin przez filtr. Odmgławiacze układów skomplikowanych to system multi- cyklonów.

4. AUTORSKA KONCEPCJA ROZWIĄZAŃ IDEOWYCH SYSTEMU KON

DYCJONOWANIA SPALIN W UKŁADACH ODSIARCZANIA SPALIN CIEPŁOWNI Z KOTLAMI RUSZTOWYMI

W nikliwa analiza dodatnich i ujem nych cech w ariantow ych rozwiązań sy

stem u kondycjonowania spalin, poparta cyklem obliczeń termo-przepływo- wych dla param etrów projektowanej ciepłowni, wyposażonej w kotły WR 25, pozwoliła n a wybór autorskiej koncepcji rozw iązania ideowego systemu.

(Schem at blokowy system u przedstaw ia rys. 3).

S p a lin y

d o W T ^ łS3

KOMORA M IESZANIA

S2

Spaliny z k o tła WodQ z ob je g u

vso ;Ło c ie p ło w n ic z e g o

i

RSS

ABSORBER S 0 Y

P o w ie trze

WPP

P o w ie trze a tm o s fe ry c z n e l P0

b y pass

Rys. 3. Blokowy schem at cieplno-przepływ ow y zmodyfikowanego system u kondycjonowa

n ia sp alin w SS/PS dla układu odsiarczania spalin z kotła WR 25

Fig. 3. H eat flow błock diagram of m odified flue gas conditioning system of WR 25 stoker boiler

(13)

4.1. Z asada d z ia ła n ia z m o d y fik o w a n eg o sy s te m u k o n d y cjo n o w a n ia sp a lin SS/PS

System SS/PS działa zgodnie z niżej przedstaw ioną ideą [26]. Spaliny surowe z ko tła (nieodsiarczone, nieodpylone) w stru m ien iu Vso o tem p eratu rze tB0 wpływają do rekuperacyjnego rurow ego schładzacza spalin RSS. Przepły

wają w ew nątrz pionowych prostoosiowych r u r ()> 76,1 x 2,9 zgrupow anych w pęczek o konfiguracji Si = 130, s2 = 125. Spaliny odpylane są w stępnie w komorze osadczej i płyną do absorbera. Pow ietrze atm osferyczne w stru m ie

niu Vp o tem p eratu rze otoczenia tpo w stępnie podgrzane je s t w wodnym podgrzewaczu pow ietrza W PP do te m p e ra tu ry t pl. W W PP pow ietrze płynie jednobiegowo. W PP zasilany je s t strum ieniem Dw wody z obiegu ciepłownicze

go obiektu o pa ra m etrac h obiegu. Woda podgrzana w raca do obiegu ciepłowni

czego.

W stępnie podgrzane powietrze w prow adzane je s t do p rzestrzen i m iędzyru- rowej RSS, schładzając spaliny do tem p e ra tu ry t sl i podgrzew a się do tem pe

ratu ry tp2. Pow ietrze w RSS przepływ a 3—biegowo. Pow ietrze wysoko podgrza

ne o norm alnym zawilgoceniu w prow adzane je s t do kom ory m ieszania, gdzie wprowadzane są odsiarczone spaliny z absorbera SOx o wysokim zawilgoce

niu. C zynnik gazowy w strum ien iu Vs3 n a wylocie osiąga poziom tem p e ra tu ry ts3 wyższy o At = (20 + 30)K powyżej tem p e ra tu ry p u n k tu rosy.

Przew iduje się k an ał b y -p ass pow ietrza z pom inięciem przez część stru m ie

nia schładzacza spalin RSS. Taki k ieru n e k biegu pow ietrza w ystąpi przy pracy kotła z m inim alnym 40% obciążeniem. Przy w ystępujących wówczas niskich te m p e ra tu ra c h spalin może w ystąpić rosienie w ew nątrz ru r. Tem pe

ra tu ra p u n k tu rosy nieodsiarczonych surowych spalin je s t podwyższona.

Zmodyfikowany system kondycjonowania spełnia ideowe funkcje term o—

przepływowe schłodzenia i podgrzewu spalin, zapew niając w łaściwy przebieg procesu odsiarczania w absorberze oraz zapobiega zjaw isku korozji siarkowej wentylatorów WC, kanałów spalin i kom ina. W szystkie tru d n e konstrukcyjnie w ym ienniki ciepła omywane są w niedostępnej rem ontowo p rzestrzen i mię- dzyrurowej czystym, suchym, niekorozyjnym pow ietrzem atm osferycznym .

Tablica 2 prezentuje cechy geometryczne w ym ienników ciepła i podstaw o

we p a ra m etry w węzłowych p u n k tach system u dla przykładowego obiektu z kotłem WR 25.

Obliczenia cieplne i aerodynam iczne wymienników ciepła w system ie SS/PS wykonano n a podstaw ie w łasnych użytkowych program ów kom putero

wych H EAT-06, HEAT-08. [26]

(14)

T a b lic a 2 Z e s t a w ie n i e c e c h g e o m e t r y c z n y c h w y m ie n n ik ó w c ie p ł a p r o j e k t o w y c h p a r a m e t r ó w m e d ió w w w ę z ło w y c h p u n k t a c h

s y s t e m u S S /P S . (100% o b c . k o tła )

Lp. W yszczególnienie Symbol W ymiar

W ym iennik ciepła W odny podgrzewacz

pow ietrza W PP

Rekuperacyjny

schładzacz spalin RSS Kom ora m ieszania KM 1 U kład geom etryczny w ym iennika

- kanat czynnika gazowego a x b mm 2 5 8 0 x 2 0 0 0 2000 x 2580

- rura grzewcza typ — RB W -00-25/57-5.0 rura gładka <j> 76,1 x 2,9

- podzialka poprzeczna s. mm 60 130 w ym iennik m ieszan

- podzialka wzdłużna s2 mm 60 125 kow y bezprzeponowy,

- ilość rur w I rzędzie _{z i} — 33 20 bez wkładu rurow ego

- ilość rzędów rur z. — 12 20

- ilość rur wkładu z — 390 390

- powierzchnia grzewcza A m2 893 560

2 Parametry m ediów Powietrze:

- strumień vp ^{m 3/h} ²⁰⁰⁰⁰

- temperatura na wlocie W PP V °C -2 5

- tem peratura na w ylocie W PP V °C 70

- tem peratura na w locie RSS _{l p l} °C 70

- tem peratura na w ylocie RSS _1P2 °C 133

Spaliny:

- strumień na wlocie RSS Vs m3/h 65300

- strumień na wylocie KM vs3 m3/h 85300

- temperatura na w locie RSS _{l s()} °C 165

- tem peratura na w ylocie RSS _{l s l} °C 147

- tem peratura na wlocie KM _{l s2} °c 43

- tem peratura na w ylocie KM _{r s3} °c 59

222 AndrzejW. Walewski, ZbigniewL. Rataj, WacławWojnar

(15)

LITERATURA

[1] Rozporządzenie Poz. 92 MOŚZNiL z dnia 12 lutego 1990 r. w spraw ie ochrony pow ietrza przed zanieczyszczeniem. Dz. U R P N r 15 W arszaw a 14.03.1990 r.

[2] GBSiE ENERGOPROJEKT: B iuletyn Techniczny n r 3-4, W arszaw a 1986.

[3] F o rsten lenn er L. V oest-A lpine A.G.: Technologia oddzielania tlenków siark i i azotu z gazów spalinowych. Dni techniki austriackiej. W arsza- w a-K atow ice 1987.

[4] ABB Projekt—Raport: L eitanlagen fü r R auchgas—R einigungsanlagen ei

nes G roßkraftw erks im R heinisch-W estfalischen Braukohlerevier.

ASEA BROWNBOVERI. M ateriały ofertowe.

[5] Rauchgas — E ntschw efelungsanlagen für K ohlekraftw erke. ABB. M ate

riały ofertowe.

[6] Flue gas D esulphurization P lan ts. EVT E nergie - und V erfahrenstech

nik GmbH. M ateriały ofertowe.

[7] Flue gas D esulphurozation P lants. Dry Scrubbing. EVT GmbH. Firm o

we m ateriały ofertowe.

[8] Das V erfahren zur nassen Rauchgas - Entschw efelung KRC U nw eltte

chnik. M ateriały ofertowe.

[9] Goossens W.H.P., Van Loou P.C.: Doświadczenia z pierwszego roku eksploatacji najw iększej w Europie instalacji odsiarczania spalin z poje

dynczym absorberem . ESTS, EPS H olandia.

[10] R auchgasentschw efelung u n d A bgasreinigung. S aarb erg - H ölter - Lurgi GmbH (SHL).

[11] Instalacje odsiarczania spalin. R eferenzliste der S aarberg - H ölter - Lurgi Anlagen. L ista referencyjna.

[12] K raftanlagen Heidelberg: Ljungström Gavo an R ea in Betrieb. L ista referencyjna KAH. Heidelberg.

[13] Steinm üller. R auchgasreinigung. M ateriały ofertowe.

[14] Die Flexible Rauchgasentschw efelung. DRYPAC. Firm owe m ateriały ofertowe.

[15] PNEM A m ercentrale 8. Fluegas D esulphurization R etrofit for 645 MWe Block. Devision Energy and E nvironm ent.

[16] The CHIYODA Thoroughbred 121 Flue Gas D esulphurization Process.

Technical D ata. CHIYODA Corporation. October 1988. Firm owe m ate

riały badawcze.

[17] T atsuichiro H iru ta, T akanori Nakam oto, A kira Mori: Advanced SOx Removal System for U tility Boiler. H itachi Revjem Vol. 38 1989, no 3.

K ure W orks. Babcock - H itachi K.K. Power G eneration & Delivery.

Division. H itachi, Ltd.

(16)

[18] H itachi W et Lim estone - Gypsum. Flue Gas D esulphurization (FGD) System. H itachi Ltd. Babcock - H itachi K.K. Tokyo. Ja p an . Firmowe m ateriały badawcze.

[19] Doyle Jo h n B. i inni: Dry scrubber 10 years late r. The Babcock & Wilcox Company. Colorado. Firmowe m ateriały badawcze. Association of Rural Electric. G enerating Co - O peratives A nnual M eeting. B aton Rouge.

Louisiana 1990.

[20] Wijdeveld H.W .J.L Recent Developments in Reduction of Costs of Flue Gas D esulphurization System s in th e N etherlands. A Consulting. Engi

neering and C ontracting Company of Hoogovens Group. Ymuined. Net

herlands. Firmowe m ateriały badawcze.

[21] Projekt koncepcyjny i wykonawczy schładzacza spalin kotłowych do u k ładu odsiarczania spalin kotłowych. E ta p I. projekt w stępny. Praca naukow o-badaw cza niepublikow ana. NOT Zespół U sług Technicznych.

Katowice 1988.

[22] U rząd Patentow y PRL. Sposób odsiarczania i końcowego odpylania spa

lin kotłowych oraz instalacja do odsiarczania i końcowego odpylania spalin kotłowych. P a te n t n r 159567 B01D 53/54.

[23] Cw ynar L., W alewski A.W., O tte J. i inni: B adania modelowe i opracowa

nie koncepcji rozw iązań konstrukcyjnych urządzeń w układach odsiar

czania spalin kotłowych. Projekt badawczy G-554/RM E-2/91, Politech

n ik a Śląska. In sty tu t M aszyn i U rządzeń Energetycznych. Gliwice 1991.

[24] W alewski A.W., W ojnar W.: B adania w ym iany ciepła oporów przepływu wymienników regeneracyjnych w układach odsiarczania spalin. Badania kierunkow e IMiUE Pol. Śląskiej, 1993.

[25] BPPS BIPROSKÓR: Instalacja do jednoczesnego odpylania i odsiarcza

nia spalin kotłowych. Kraków 1993.

[26] Rataj Z., W alewski A.W., W ojnar W.: A naliza term odynam iczna i hydro

dynam iczna w ym iennika ciepła w układzie odsiarczania spalin kotłów WR 25 w Ciepłowni Miejskiej w Trzebini. P raca badawcza. PU-PiW PT W IROPOL sp. z o.o. Gliwice, 1994.

[27] Rataj Z., W alewski A.W., W ojnar W.: A naliza i ocena projektu technicz

nego instalcji odsiarczania i odazotow ania spalin z kotłów K61 - K64 Elektrow ni Zabrze. Ekspertyza. PU -PiW PT WIROPOL s. z o.o. Gliwice, 1994.

[28] F abryka A p aratury i U rządzeń FAMET SA: Bim etallic Finned Tubes.

A ktualizacja danych technicznych. K atalog firmowy. Kędzierzyn Koźle 1994.

(17)

[29] W alewski A.W., W ojnar W., P ęk ala St.: Parow e podgrzewacze pow ietrza kotłów energetycznych. K onstrukcja obliczenia, badan ia. Zeszyty N au

kowe Politechniki Śląskiej, S eria E nerg ety k a z. n r 113. Gliwice 1990.

Recenzent: Prof. d r hab. inż. W ładysław GAJEWSKI

Wpłynęło do Redakcji 10.03.1994 r.

A b s tra c t

The domestic m unicipal h ea tin g system s based on WR 2 5 -sto k er boilers, burned by a bitum inous coal are not upgraded w ith E uropean S 0 2 emissions rules. Flue gas desulfurization based upon w et lim e/lim estone technology is only practicable solution for polish technical and economical conditions. In the future it will be probably th e m ost efficient technology of controlling S 0 2 emissions.

In a flue gas dessulfurization system , flue gas, having th e tem p e ra tu re of t 3 = (110 h- 180)°C before it will go into an absorber should to be cooled down to th e tem p e ra tu re of t 4 < (80 + 90)°C. Clean gas in th e absorber is being more cooled to th e tem p e ra tu re of t 4 = (40 + 50)°C. A flue gas desulfurization process has its optim al efficiency of r| = (80 + 90)%. To avoid low tem p e ra tu re sulfur acid corrosion and to give b e tte r stack conditions, clean gas should be w arm ed up to th e tem p e ra tu re of t 4 > (80 100)°C. T herm al an d flow system s of the cooling and w arm ing up processes have a different solutions, eg. th ey have several h e a t exchangers, an d different w orking agents.

In th is p ap er were some term s and th e sistem atic of th is system ’s layout given. The estim ation of an advantages and fau lts of know n system s h a s been stated. Based on calculations, th e system and p la n t specification of a u th o r’s own solution for m unicipal h e a tin g station, h a s been presented. The detailed description of th e recuperative type of h e a t exchangers for flue gas desulfurization p lan ts w as given.

Systemy schłodzenia i podgrzewu spalin w układach odsiarczania spalin ciepłowni z kotłami rusztowymi

SYSTEMY SCHŁODZENIA I PODGRZEW U SPALIN W UKŁADACH ODSIARCZANIA SPALIN CIEPŁOWNI Z KOTŁAMI RUSZTOWYMI

r 1 k r

r ¹ k r