Badania procesu spalania paliw stałych w warstwie nieruchomej

ZESZYTY NAUKOWE

POLITECHNIKI ŚLĄSKIEJ

Andrzej SZLĘK

BADANIA PROCESU SPALANIA PALIW STAŁYCH W WARSTWIE NIERUCHOMEJ

ENERGETYKA

Z. 135

GLIWICE 2001

1

/

P O L I T E C H N I K A Ś L Ą S K A

ZESZYTY NAUKOWE Nr 1522

BADANIA PROCESU SPALANIA PALIW STAŁYCH W WARSTWIE NIERUCHOMEJ

G L IW IC E 2001

Prof. dr hab. inż. W ładysław G ajew ski Prof. dr hab. inż. Stefan Postrzednik

K O L EG IU M R E D A K C Y JN E

R E D A K T O R N A C Z E L N Y - Prof. dr hab. Zygm unt K leszczew sk i R E D A K T O R D Z IA Ł U - Dr hab. inż. Andrzej W itk ow sk i

Profesor P olitechniki Śląskiej S E K R E T A R Z R ED A K C JI - M gr E lżbieta L esko

R E D A K C JA M gr K azim iera Szafir

R E D A K C JA T E C H N IC Z N A A licja N ow ack a

W ydano z a zg o d ą Rektora P olitech n ik i Śląskiej

PL ISSN 0372-9796

W yd aw n ictw o P olitech n ik i Śląskiej ul. A kadem icka 5, 4 4 -1 0 0 G liw ice

tel./fax 2 3 7 -1 3 -8 1 , w w w .w y d a w n ic tw o .p o lsl.g liw ic e .p l, w y d a w n ictw o @ p o lsl.g liw ice.p l

N a k ła d 1 00+ 50 e g z . A rk . w y d . 7 ,5 . A rk . d r u k . 7 .8 7 5 . P a p ie r o f fs e t, k l. III 7 0 x 1 0 0 8 0 g O ddano i podpisano do druku 14.12.2001 r. Druk ukończono w grudniu 2001 r.

Zam . 51/2001

F otok op ie, druk i opraw ę w ykonano w U K iP sc,

J&Ö Gąbka

Spis treści

1. S p is n a jw a ż n ie jsz y c h o z n a c z eń 7

2. Z n a czen ie sp a la n ia p a liw w w a rstw ie w e w sp ó łc z e sn e j te c h ­

n ic e 9

3. P r z e g lą d lite r a tu r y 12

4. N a z e w n ic tw o i te c h n o lo g ie sp a la n ia w w a r stw ie n ieru ch om ej 14

5. C e l i zak res p ra cy 18

6

. B a d a n ia e k sp e r y m e n ta ln e 20

6.1. Stanowisko b a d a w c z e ... 22

6.2. Zakres b a d a ń ... 26

7. W y n ik i b a d a ń e k sp e r y m e n ta ln y ch 29 7.1. Ogólny opis procesu ... 29

7.2. Prędkość propagacji frontu s p a la n i a ...33

7.3. Krzywa w ypalania paliwa ... 38

7.4. S tru k tu ra obszaru s p a la n ia ... 41

7.5. Proces spalania wiórów d rzew n y ch... 45

8

. M o d e l m a te m a ty c z n y 49 8.1. Założenia i ogólny opis m o d e lu ...50

8.2. Rów nania opisujące zmiany param etrów fazy g a z o w e j... 52

8.3. Rów nania opisujące zmiany param etrów fazy s t a ł e j ... 56

8.4. Strum ienie m iędzyfazow e... 60

8.5. W arunki brzegow e... 64

8.6. Sposób ro z w ią z a n ia ... 66

i

8.7. W spółczynniki w ra ż liw o śc i... 72

9. W y n ik i b a d a ń n u m e r y cz n y c h

9.1. W eryfikacja m o d e l u ...

9.2. S tru k tu ra obszaru s p a la n ia ... 79

9.3. Prędkość s p a la n i a ... 81

9.4. A naliza w ra ż liw o śc i...82

1 0

.P o d s ta w o w e w n io sk i p r a k ty c zn e 90

.P r z y k ła d w y k o r z y sta n ia w y n ik ó w - s te r o w a n ie k o tłe m ru sz­ t o w y m

11.1. Problem y sterow ania kotłam i ru sz to w y m i... 94

11.2. Opis k o tła i przeprowadzonych b a d a ń ... 96

11.3. Zarys opracowanego algorytm u . ...101

1 2

.In n e m o ż liw o śc i za sto so w a n ia w y n ik ó w 109 1 3 .P o d s u m o w a n ie

L iter a tu r a S tr e s z c z e n ie 124 Contents 1. N o m e n c la tu r e ‘ 2. F ix e d b e d c o m b u stio n in in d u stria l p r a c tic e 9 3. R e v ie w o f th e a c tu a l k n o w led g e 12 4. F ix e d b e d c o m b u stio n tec h n o lo g ie s 14 5. A im o f t h e w ork 18

. E x p e r im e n ta l in v e stig a tio n s 20 6.1. E xperim ental s t a n d ... 22

6.2. Program of the m e a s u re m e n ts ...26

7. R e s u lts o f th e e x p e r im en ta l in v e stig a tio n s 29 7.1. General description of the p ro c e s s ... 29

7.2. R eaction front propagation v e lo c ity ... 33

7.3. C arbon burn-out c u r v e ... 38

7.4. Reaction zone structure ... 41

7.5. W ood-chips combustion ...45

8 . M a th e m a tic a l m o d e l 49 8.1. A ssum ptions and general d e s c r ip tio n ... 50

8.2. Gas phase e q u a t i o n s ... 52

8.3. Solid phase e q u a tio n s ... 56

8.4. Mass and energy flu x e s ... 60

8.5. B oundary c o n d itio n s ... 64

8.6. Solution m ethod ... 66

8.7. Sensitivity coefficients ... 72

9.1. Model v e rific a tio n ...

9.2. C om bustion zone s tr u c tu r e ...

9.3. R eaction front v e lo c i ty ...

9.4. Sensitivity coefficients ...

1 0

.I n d u str ia l a p p lic a tio n o f th e in v e stig a tio n s

1 1

.E x a m p le o f a p p lic a tio n - tra v e lin g g r a te b o ile r 11.1. Overview o f g rate boiler control m e t h o d s ...

11.2. D escription of th e m easurem ents ...

11.3. New algorithm for boiler c o n tr o l...

1 2

.O th e r p o t e n tia l a p p lica tio n s 1 3 .S u m m a r y a n d c o n c lu sio n s R e fe r e n c e s

S u m m a ry

S y m b o le ła ciń sk ie:

A - pole powierzchni, m 2,

C

- koncentracja, k m o l/m 3,

D - gęstość strum ienia zgazowania pierwiastka węgla, k g /m 2s, cp - ciepło właściwe, k J /k g K ,

F - obwód, m,

G - gęstość strum ienia odgazowania paliwa, k g /m 2s, g - udział gramowy składnika w fazie gazowej,

i

- en talpia właściwa, k J /k g ,

j - gęstość strum ienia dyfuzji substancji, k g /m 2s, k - współczynnik szybkości odgazowania,

M - m asa molowa, k g /k m o l, n - ilość substancji, km ol,

Tiamin - m inim alne zapotrzebowanie powietrza spalania, k m o l/k g , S - gęstość strum ienia substancji, k g /m 2s,

p - ciśnienie, Pa,

q - gęstość strum ienia ciepła, k J / m 2s, R - indyw idualna sta ła gazowa, k J /k g K , T - tem p eratu ra, K ,

t - tem p eratu ra, °C,

V - strum ień objętościowy, m 3/ s , Wd - wartość opałowa, k J /k g , w - prędkość, m / s ,

x - odległość, m , stopień wypalenia pierwiastka węgla,

y - udział gramowy składnika w fazie stałej,

8 l

--- — --- — --- V--- W

S y m b o le greck ie:

a - współczynnik wnikania ciepła, k W / m 2K , ajt - w spółczynnik szybkości reakcji,

P - w spółczynnik wnikania masy, m / s ,

7

- współczynnik wrażliwości,

A - współczynnik przewodzenia ciepła, W /m K , Aa - stosunek nadm iaru powietrza,

v - współczynnik stechiometryczny reakcji chemicznej, p - gęstość, k g / m 3,

t - czas, s,

C - względna s tr a ta energii, %,

ui - w ydajność reakcji chemicznej, k m o l/m 3s,

In d ek sy : a - powietrze, f - front spalania, g - gaz,

o

- początkowy, s - spaliny, faza stała, ss - spaliny suche

Andrzej Szlęk

2. Znaczenie spalania paliw w warstwie we w sp ół­

czesnej technice

Postęp gospodarczy i rozwój cywilizacyjny wiążą się nierozerwalnie z po­

zyskiwaniem, przetwarzaniem oraz użytkowaniem różnych form energii. Od samych początków rozwoju ludzkości, aż do chwili obecnej, podstawowym źródłem energii, wykorzystywanym przez człowieka, jest proces spalania pa­

liw. W edług wszelkich prognoz sytuacja ta nie zmieni się w przeciągu n aj­

bliższych kilkudziesięciu lat. Przewiduje się, że do roku 2020 udział spalania w zaspokajaniu światowych potrzeb energetycznych spadnie z obecnych 90%

do 80% przy jednoczesnym wzroście bezwzględnym [3], [4], [11], [29], [62], [63].

Prognozy dotyczące przyszłości spalania nie są zgodne co do roli poszcze­

gólnych rodzajów paliw. Część ekspertów skłonna jest przypisać dominujące znaczenie paliwom stałym ze względu na ich duże zasoby oraz równomierne geograficzne rozmieszczenie, podczas gdy inni wskazują n a gaz jako po d sta­

wowe źródło energii najbliższej przyszłości.

Podstawowym i argum entam i przem awiającym i za paliwam i gazowymi są ich stosunkowo niewielkie oddziaływanie n a środowisko oraz znaczne zasoby światowe. Większość autorytetów zgadza się co do faktu, że w przyszłości wzrośnie rola spalania biomasy.

O pisane światowe tendencje rozwoju energetyki jedynie częściowo mogą zostać przeniesione n a warunki krajowe.

W Polsce, posiadającej znaczne zasoby paliw stałych o dobrej jakości oraz bardzo niewielkie zasoby paliw płynnych, węgiel pozostanie prawdopo­

dobnie podstawowym i najtańszym źródłem energii [13], [58]. W planach

10

Andrzej Szlęk

rządu polskiego [66] zakłada się utrzym anie wydobycia węgla powyżej 80 m in to n rocznie w roku 2020. Należy się pon adto spodziewać w zrostu zain­

teresow ania biom asą, k tó ra stanow ić może atrakcyjne cenowo paliwo, stając się jednocześnie szansą restrukturyzacji części polskiego rolnictw a [31]. W opracow aniu M inisterstw a Ochrony Środowiska [45] zdefiniowano cel stra te ­ giczny, jakim jest zwiększenie udziału źródeł odnawialnych do 14% w roku 2020. W edług autorów tego opracowania dom inująca część energii odnawial­

nej w warunkach polskich pozyskiwana będzie ze spalania drew na. Tak więc paliw a sta łe kopalne i odnaw ialne stanow ić b ęd ą w najbliższej przyszłości podstaw ę bilansu energetycznego Polski.

Do spalan ia paliw stałych stosuje się kilka rodzajów technologii. W jed ­ nostkach dużej mocy paliwa stałe spalane są albo w postaci pyłu, albo w warstwie fluidalnej. W kotłach średniej mocy (do kilkudziesięciu MW ) sto­

suje się najczęściej przesuwne bądź schodkowe ruszty m echaniczne. W jed­

nostkach m niejszych (do 1 MW) stosowane są ruszty sta łe lub ta k zwane paleniska retortow e [43].

K otły z rusztem mechanicznym oraz stałym są w Polse bardzo rozpo­

wszechnione jako źró dła ciepła i pary technologicznej [51]. Szacuje się, że liczba kotłów z rusztem mechanicznym pracujących obecnie w Polsce prze­

kracza 10 tysięcy sztuk. Liczbę kotłów z rusztem stały m , zaspokajających indyw idualne potrzeby grzewcze użytkowników, tru d n o jest nawet oszaco­

wać. Producenci kotłów rusztowych cieszą się od lat dobrą koniunkturą w ynikającą z niskiej i stabilnej ceny węgla oraz prostej obsługi tego typu urządzeń. W przyszłości kotły rusztowe m ogą znaleźć zastosowanie do spa­

lania lub w spółspalania odpadów oraz różnego ro d zaju biomasy. W szystkie te fakty pozw alają przypuszczać, że kotły rusztowe jeszcze wiele lat pełnić b ędą w ażną rolę w polskiej energetyce.

Znaczenie spalania paliw w warstwie we współczesnej technice

Podstaw ową wadą kotłów rusztowych jest ich niska sprawność oraz, zwią­

zana z nią, wysoka em isja substancji szkodliwych n a jednostkę wyprodukowa­

nej energii użytecznej. Taki stan rzeczy wynika z niedostatecznego poznania zjawisk zachodzących podczas spalania paliw stałych w warstwie nierucho­

mej . Przez wiele lat badania nad spalaniem paliw stałych koncentrowały się na spalaniu ich w postaci pyłowej oraz w warstwie fludialnej, podczas gdy technologia spalan ia w warstwie nieruchomej uważana była za przestarzałą i niew artą zainteresowania. Dopiero w ostatnich latach obserwuje się powolny powrót do badań nad tą technologią. W ynika to głównie z niskiej ceny ener­

gii chemicznej zawartej w węglu oraz wzrostu znaczenia spalania biomasy i odpadów.

Niniejsza praca jest próbą częściowego w ypełnienia opisywanej luki w

teorii spalania.

3. Przegląd literatury

J a k w spom niano n a wstępie, spalanie paliw stałych w warstwie nieru­

chomej je s t słabo poznane zarówno od strony eksperym entalnej, ja k i obli­

czeniowej. Ten sta n wiedzy kontrastuje z rolą, ja k ą odgryw ają kotły rusztowe w polskiej energetyce [17]. Popularność kotłów rusztowych wynika z ich pro­

stej budowy i eksploatacji, dużej elastyczności oraz wykorzystywania węgla, który pozostaje n ajtańszym paliwem n a wielu rynkach, w tym i polskim.

Nieliczne prace dotyczące kotłów rusztowych dotyczą najczęściej kon­

kretnych potrzeb ich użytkowników i nie w nikają w n a tu rę procesu spalania.

Takie podejście znaleźć m ożna w pracach [2], [14], [25], [28], [38], [39], [40], [41]. Niemniej jed n ak wyniki uzyskane w ram ach wymienionych prac wska-

X

żują, że k o tły rusztowe m ogą osiągnąć bardzo niewielkie em isje substancji toksycznych, przy dobrym poziomie sprawności energetycznej.

Braki literaturow e najw yraźniej uw idaczniają się w książkach poświęco­

nych spalaniu. Przykładowo książki [1], [4], [10], [16], [22], [24], [27], [30], [34], [43], [59], [61], [64] albo w ogóle nie zaw ierają inform acji n a te m a t techniki sp alan ia paliw stałych w złożu nieruchomym, albo pośw ięcają jej zaledwie kilka stron. Należy przy tym podkreślić, że pozycje [43], [59] oraz [64] są mo­

nografiam i poświęconymi wyłącznie spalaniu węgla. W szechstronny przegląd litera tu ry przedstaw iony jest w [43], jed n ak a u to r tej pozycji przyznaje na przykład, że nie udało mu się znaleźć pracy n a tem a t m odelowania procesu spalania paliw a stałego w warstwie nieruchomej. Podobnie w przeglądowej publikacji [6] n a tem a t m odelowania spalania węgla kw estia spalania w złożu nieruchom ym została w ogóle pom inięta.

D opiero w ostatnich latach zaczynają się pojaw iać publikacje, w których podejm ow ane są próby wyjaśnienia zjawisk zachodzących w warstwie paliwa [5], [12], [32], [35], [47], [48], [57]. Również w ostatnich latach stworzony

Przegląd literatury 13

został num eryczny model spalania i zgazowania w warstwie nieruchomej [8], [44]. Niestety, publikacje jem u poświęcone koncentrują się niem al wyłącznie n a analizie procesu zgazowania.

O bszerniejszą analizę zjawisk zachodzących w warstwie nieruchomej zna­

leźć m ożna w starszym piśmiennictwie, szczególnie rosyjskojęzycznym. Bar­

dzo dobry przegląd osiągnięć w tej dziedzinie przedstaw iono przykładowo w [21]. Jednak w pracy tej nie przedstawiono zaawansowanych modeli nume­

rycznych spalania, gdyż w czasie jej powstawania elektroniczna technika ob­

liczeniowa b y ła n a zbyt wczesnym etapie swojego rozwoju. Niemniej jednak praca t a stanow i cenną pom oc w zakresie ogólnego opisu zjawiska spalania paliw stałych w warstwie nieruchomej.

N a szczęście, pom im o wspomnianych braków literaturow ych, w modelo­

waniu sp alania węgla w warstwie nieruchomej m ożna się oprzeć n a modelach zgazowania. Przykładowo [43] podaje przegląd 37 różnych m odeli zgazowa­

nia w złożu nieruchomym różniących się między sobą przyjętym i założeniami.

Bardzo przejrzyście i szczegółowo opisane są m odele zgazowania w [60]. Dużo informacji m ożna także znaleźć we wszechstronnej pracy [32], k tó ra jednak poświęcona jest spalaniu odpadów. Wymienione pozycje literaturow e stano­

wią nieocenioną pom oc w analizie procesów spalania węgla w złożu.

W modelowaniu procesów spalania w warstwie nieruchomej natrafia się na problem y n a tu ry numerycznej. Jak wykazano w dalszej części tej pracy, spalanie węgla w złożu nieruchomym wykazuje pewne podobieństw a do spala­

nia gazu. Z tego względu m etody numeryczne stosowane do analizy spalania gazu m ogą służyć za wskazówkę odnośnie do sposobu rozwiązywania zagad­

nień związanych ze spalaniem paliw stałych w złożu nieruchomym . Szczegól­

nie cenne w tej mierze okazały się pozycje [4], [18], [61].

4. N azew nictw o i technologie spalania w war­

stw ie nieruchomej

Przez spalanie w w a r stw ie lub z ło ż u s t a ły m paliw stałych rozum ie się tak ą organizację procesu spalania, w której ziarna paliw a pozo stają względem siebie nieruchom e lub przem ieszczają się z niewielkimi prędkościam i wynika­

jącym i n a przykład z osuwania się złoża w m iarę jego w ypalania, natom iast powietrze dopływ a do strefy spalania poprzez przestrzenie między cząstkami [43]. Istotnym czynnikiem warunkującym przebieg procesu spalania jest wza­

jem ny kierunek przepływu pow ietrza oraz paliwa.

spaliny

t t r r t t

powtetTZ©

Rys.4.1. S chem at organizacji spalania w złożu p rzy przeciw nym kierunku dostarczania powietrza i paliwa

Fig.4.1. Fixed bed combustion with air and fu el supplied to opposite sides o f the bed

W najstarszej m etodzie spalania w złożu nieruchom ym paliwo dostar­

czane je s t z przeciwnej strony złoża w stosunku do dopływ u pow ietrza (rys.4.1) Ze względu n a fakt, że kierunek przepływu paliw a je s t przeciwny do kierunku przepływ u pow ietrza, spalanie takie nazywane będzie s p a la n ie m p rzeciw - p r ą d o w y m . Spotyka się także mniej popraw ne określenie - sp a la n ie dolne.

Paliwo dostarczane do złoża przechodzi kolejno przez fazę suszenia, odga- zowania, zgazowania, spalania oraz w ychładzania pozostałości [34]. Taka

Nazewnictwo i technologie spalania w warstwie nieruchomej

spaliny

t t t t t t

t t t t t t

Rys.4.2. Schem at organizacji spalania w złożu przy wspólnym kierunku do­

starczania powietrza i paliwa

Fig.4.2. Fixed bed combustion with air and fuel supplied to the same side o f the bed

organizacja procesu spalania, choć nadal powszechnie stosowana, prowadzi do bardzo wysokich emisji substancji szkodliwych, a szczególnie produktów niecałkowitego i niezupełnego spalania. Przyczyną takiego stanu rzeczy jest to, że produkty odgazowania zawierające ciężkie węglowodory wydzielane do fazy gazowej przepływ ają do strefy suszenia, gdzie ulegają ochłodzeniu, zanim ulegną całkowitemu spaleniu. Z tych względów urządzenia wykorzy­

stujące spalanie przeciwprądowe paliw stałych powinny być wycofywane ze stosowania. W praktyce doprowadzanie paliwa najczęściej odbywa się cy­

klicznie, a szczególnie wysokie emisje substancji szkodliwych w ystępują w chwili, gdy następuje uzupełnianie złoża zimnym paliwem, które przerywając łańcuch reakcji spalania generuje ogromne stężenia produktów niezupełnego spalania w spalinach.

W o statnich latach coraz powszechniej stosow ana je s t m eto d a spalania, w której paliwo dostarczane jest z tej samej strony złoża co powietrze. Taka or­

ganizacja procesu (rys.4.2) spalania nosi nazwę sp a la n ia w sp ó łp r ą d o w eg o

lub mniej popraw nie sp a la n ia górnego. W odróżnieniu od poprzedniej

technologii produkty odgazowania przechodzą przez strefę spalania znajdu­

16 Andrzej Szlęk ją c w niej dobre w arunki do zupełnego spalenia. W adą tego typu konstrukcji jest konieczność w ym uszania przepływu paliwa, co realizowane jest najczę­

ściej przez p odajniki ślimakowe, w tłaczające paliwo do dolnej części złoża.

W konstrukcjach kotłów wykorzystujących spalanie w spółprądow e stosuje się najczęściej stożkowaty kształt rusztu, co przedstaw iono n a rys.4.3. Taki rodzaj ru sztu nazywany je s t często rusztem r e to r to w y m . Dzięki stożkowa-

spalny

t t t t t t

powietrze

Rys.4.3. Schem at organizacji spalania w palenisku retortowym Fig.4.3. Fixed, bed combustion in underfeed furnace

tem u ukształtow aniu rusztu czas przebyw ania paliw a n a nim znacznie roś­

nie. W dalszej części pracy wykazano, że stożkowy k sz ta łt ru sztu w spalaniu współprądow ym m a swoje uzasadnienie teoretyczne.

Zarówno przeciwprądowe, jak i współprądowe spalanie paliw stałych znaj­

duje przede wszystkim zastosowanie w m ałych kotłach, służących do ogrze­

wania indyw idualnego lub niewielkich obiektów.

W jednostkach większej m ocy stosuje się zazwyczaj m echaniczne ruszty przesuwne (rys.4.4), w których paliwo p ozostaje nieruchom e względem rusztu poruszając się wraz z nim w kierunku poprzecznym w stosunku do przepływu pow ietrza. Dopływ pow ietrza pod ruszt zorganizowany je s t najczęściej tak, by możliwa b yła zm iana strum ienia doprowadzanego pow ietrza do poszcze­

gólnych stref.

Nazewnictwo i technologie spalania w warstwie nieruchomej 17

powietrze

Rys.4.4. Organizacja spalania na ruszcie przesuw nym Fig.4.4. Fixed bed combustion in traveling-grate furnace

Należy zwrócić uwagę, że istnieje duże podobieństw o między spalaniem w palenisku retortow ym (rys.4.3) i n a ruszcie przesuwnym (rys.4.4). W obu tych technikach zapłon paliwa dokonywany jest po przeciwnej stronie złoża w stosunku do dopływu powietrza, dzięki czemu produkty odgazowania n a tra ­ fiają n a swej drodze na gorącą strefę spalania, gdzie ulegają spaleniu. Rów­

nież wzajem ny kierunek rozprzestrzeniania się strefy spalania i przepływu pow ietrza pozostaje taki sam. Z tego względu zjawiska zachodzące podczas spalania paliw a n a ruszcie przesuwnym są bardzo podobne do zjawisk zacho­

dzących podczas spalania n a ruszcie retortow ym .

W Polsce istnieje wielu producentów zarówno kotłów z rusztem mecha­

nicznym przesuwnym , ja k i z paleniskiem retortow ym . Przykładowo kotły dużej m ocy produkuje Sefako [71], mniejsze z rusztem przesuwnym znajdują się w ofercie Energoinwestu [67], a paleniska retortow e stosowane są w wyro­

bach firm: Gizex [68], M etachem [69] i Urzoń [70]. Moc cieplna wymienionych kotłów zawiera się w granicach od 25 kW dla urządzeń przeznaczonych do indywidualnych potrzeb grzewczych oraz do 30 M W w przypadku urządzeń przeznaczonych d la ciepłownictwa i energetyki przemysłowej. Szeroki prze­

gląd konstrukcji kotłów wykorzystujących spalanie paliw stałych w warstwie

nieruchomej przedstawiono na przykład w [20], [33].

5. Cel i zakres pracy ⁱ

N adrzędnym celem niniejszej pracy jest poszerzenie wiedzy n a tem at spa­

lania paliw stałych w warstwie nieruchomej. W szczególności celem pracy jest:

• opracow anie m etodyki b adań eksperym entalnych oraz sposobu in ter­

p retacji ich wyników,

• lepsze poznanie zjawisk zachodzących podczas spalania w złożu nieru­

chomym,

• opracowanie m etodyki badań numerycznych procesu, a w tym budowa m odelu m atem atycznego i jego im plem entacja w postaci program u kom­

puterowego,

• identyfikacja czynników istotnie wpływających n a przebieg procesu spa­

lania.

P o n ad to celem pracy było wykazanie, że możliwe je s t przemysłowe zasto­

sowanie wniosków i wyników przeprowadzonych b adań do sterow ania pracą k o tła rusztowego opalanego węglem. W skazano także inne możliwości zasto­

sowania wyników pracy w praktyce przemysłowej.

Przedstaw ione cele zdecydowano się osiągnąć zarówno poprzez badania lab oratory jne, obliczenia numeryczne, ja k i pom iary przemysłowe. Tak więc w skład niniejszej pracy weszły następujące zadania cząstkowe:

• budow a stanow iska laboratoryjnego dla potrzeb b ad an ia spalania paliw stałych,

• pom iary laboratoryjne procesu spalania dla w ybranych paliw stałych,

• opracow anie równań m atem atycznych opisujących proces spalania, opra­

cowanie m eto d y numerycznej ich rozwiązania,

Cel i zakres pracy

• utworzenie kodu komputerowego ujmującego opracowane rów nania oraz algorytm y ich rozwiązania,

• obliczenia procesu spalania, a także współczynników czułości względem podstawowych param etrów paliwa i procesu,

• pom iary przemysłowe w jednej z elektrociepłowni centralnej Polski, wy­

korzystującej kocioł OR-32 do produkcji pary, a w tym próby sterowa­

nia kotłem z zastosowaniem wniosków uzyskanych w pracy.

Zarówno b ad an ia laboratoryjne, ja k i obliczenia num eryczne przeprowa­

dzono w laboratoriach badawczych In sty tu tu Techniki Cieplnej Politechniki

Śląskiej w Gliwicach. Analizy techniczne i elem entarne zlecono Laboratorium

Fizykochemii In sty tu tu Chemicznej Przeróbki W ęgla w Zabrzu.

6. B adania eksperym entalne

Spalanie jest zjawiskiem niezwykle skomplikowanym, łączącym w so­

bie elem enty m echaniki płynów, turbulencji, przepływ u ciepła oraz kinetyki chemicznej. W przypadku spalania paliw stałych zagadnienie dodatkowo kom plikują procesy wyzwalania i ewolucji części lotnych, reakcji heteroge­

nicznych n a powierzchni fazy stałej, dyfuzji w porach paliwa, spiekania zia­

ren, top nien ia popiołu i wiele innych. Z powyższych względów w poznaniu procesów spalania, a szczególnie spalania paliw stałych, dom inują m etody eksperym entalne. Z drugiej jednak strony uogólnienie wyników b ad a ń ekspe­

rym entalnych jest znacznie trudniejsze niż wyników obliczeń numerycznych.

Chcąc połączyć wady i zalety obu podejść w niniejszej pracy zdecydowano się wykonać zarówno b ad an ia eksperym entalne, ja k i numeryczne.

Celem b a d ań eksperym entalnych było przede wszystkim rozpoznanie zja­

wiska oraz zebranie danych do weryfikacji m odelu m atem atycznego, podczas gdy podstaw ow ym celem b ad ań numerycznych była pró b a uogólnienia osią­

gniętych rezultatów .

Ja k w spom niano n a wstępie, spalanie przeciwprądowe paliw a stałego jest techniką niezwykle uciążliwą ekologicznie i dlatego powinno się dążyć do jej eliminacji. Z tego względu au to r niniejszej pracy ograniczył się do analizy sp alania współprądow ego oraz spalania n a ruszcie przesuwnym. Obie te tech­

niki są bardzo podobne do siebie. Podobieństwo to najłatw iej m ożna dostrzec analizując rys.6.1, przedstaw iający historię porcji paliw a n a ruszcie przesuw­

nym oraz odpow iadające obszary złoża współprądowego. M ożna przyjąć, że p a ram etry w złożu stały m w kolejnych fazach spalania porcji paliwa na ruszcie odpo w iadają param etrom z różnych obszarów złoża współprądowego.

Innym i słowy param etry w złożu przedstaw ione jako funkcja odległości od umownej granicy m iędzy zaznaczonym obszarem sp alania oraz obszarem pa-

Badania eksperymentalne 21

obszar spalania

4 4 4 4 4 4 powietrze

4 4 4

powietrze 444 paliwo nie objęte

spalaniem

Rys.6.1. H isto ń a spalania porcji paliwa na ruszcie przesuw nym (strona lewa) oraz równoważne obszary spalania w złożu współprądowym (strona prawa)

Fig.6.1. History o f solid fuel on moving grate (left side) and corresponding combustion zones in cocurrent flow fixed bed combustion (ńght side)

liwa nie objętego spalaniem są identyczne w obu złożach. Założenie takie jest prawdziwe pod warunkiem małego wpływu s tra t ciepła n a górnej krawędzi złoża przesuwnego. W istocie współczynnik przewodzenia ciepła paliw sta ­ łych jest bardzo niski [59], a zatem wpływ warunków panujących na górnej powierzchni złoża n a procesy zachodzące w jego w nętrzu może być pominięty.

Podczas spalania n a ruszcie przesuwnym, a w m niejszym stopniu także w złożu retortow ym , wymiary poprzeczne warstwy paliwa są dość duże, a zatem środkowy obszar paliwa, dzięki m ałem u współczynnikowi przewodze­

nia ciepła warstwy, spala się w warunkach izolacji cieplnej. Jest to bardzo istotne spostrzeżenie z punktu widzenia koncepcji stanow iska badawczego.

Zgodnie z tym spostrzeżeniem spalanie powinno odbywać się w warunkach zaizolowania bocznych powierzchni złoża.

W warunkach rzeczywistych spalania na ruszcie przesuwnym kolejne por­

cje paliwa nie są od siebie odizolowane, a w konsekwencji ciepło może przepły­

22 Andrzej Szlęk wać wzdłuż rusztu. Jednak, jak wykazały bad an ia przedstaw ione w dalszej części pracy, efekt ten może być pominięty.

Przedstaw ione rozważania doprowadziły do pow stania koncepcji stano­

wiska badawczego, w którym porcja badanego paliwa spalana jest w nie­

wielkiej komorze doświadczalnej, zaizolowanej cieplnie. Spalanie w stanow i­

sku badawczym może być zorganizowane albo jako proces nieustalony, albo jako proces ustalony. Drugie z tych rozwiązań w ym aga zastosowania mecha­

nicznego pod ajn ik a paliwa, a pom iar zm ian składu gazu we w nętrzu złoża w ym aga zastosow ania przesuwnej sondy pomiarowej. Z tego względu zde­

cydowano się n a zastosowanie stanowiska, w którym zachodzi proces nie­

ustalony. W takim przypadku istnieje możliwość zastosowania nieruchomej sondy, k tó ra um ożliw ia pom iar składu gazu jako funkcji czasu spalania.

6.1. S ta n o w isk o badaw cze

Zgodnie z przedstaw ionym i rozważaniam i jako stanowisko badawcze za­

stosowano niewielkich rozmiarów komorę spalania zaizolowaną cieplnie. Śred­

nica kom ory została dobran a eksperym entalnie jako kom prom is między zbyt dużym i stra ta m i ciepła (mimo izolacji cieplnej) z kom ory o m ałej średnicy a nierównom iernym rozprzestrzenianiem się spalania w komorze o średnicy zbyt dużej. Oczywiście średnica komory pow inna być znacznie większa od m aksym alnej średnicy ziaren paliwa. N a rys.6.2 przedstaw iono schem at za­

sadniczego elem entu zbudowanego stanow iska badawczego. Stalow a komora z wew nętrznym wyłożeniem ceramicznym m iała wysokość 200 m m i śred­

nicę w ew nętrzną 50 mm. Wzdłuż wysokości komory umieszczone były trzy term opary: T l , T2 oraz T3, mierzące tem p eratu rę fazy stałej. Ich koń­

cówki umiejscowione były we wnętrzu ziaren węgla, co przedstaw ia rys.6.3.

Podczas um ieszczania paliwa w komorze zwracano szczególną uwagę n a to,

Badania eksperymentalne

50 mm

Rys.6.2. Schem at stanowiska badawczego; 1-korpus kom ory, 2-króciec po­

boru spalin opuszczających złoże, 3-króciec poboru spalin ze środka złoża, 4-króciec doprowadzający powietrze, 5-urządzenie zapło­

nowe, T 1 ,T 2 ,T 3 - termopary

Fig.6.2. Schem e o f the test stand; 1-combustion chamber, 2-exit gas uptake, 3-gas uptake from the middle o f the bed, 4-com bustion air supply, 5-ignition device, T 1 ,T 2 ,T 3 - thermocouples

by końcówki term opar znajdowały się w osiach otworów, przez które były wprowadzane tak , by dokładnie znana była ich pozycja w złożu. Próbki gazu do analizy pobierane były w sposób ciągły z dwóch punktów, przez dwa niezależne układy przygotowania spalin. Pierw sza sonda poboru gazu umiejscowiona była n a wylocie z komory spalania (2), podczas gdy druga w środku złoża (3) na wysokości term opary T2. Powietrze spalania (4) do­

prowadzane było do spodu złoża, przy czym jego strum ień był mierzony

rotam etrem i regulowany reduktorem . W górnej części komory umieszczone

Andrzej Szlęk

R ys.6.3. Schem at umiejscowienia końcówki term opary w ziarnie paliwa Fig.6.3. Schem e o f thermocouple placem ent in fu e l particie

było elektryczne urządzenie zapłonowe (5) odizolowane elektrycznie od prze­

wodzących elementów stanowiska.

W sk ład a p a ra tu ry badawczej użytej w czasie pom iarów wchodziły na­

stępujące przyrządy i urządzenia:

R - ro ta m e tr laboratoryjny ROL o zakresie pom iarow ym 5 m 3/h ,

T - term o pary NiCr-NiAl Czaki T herm oproduct T P-202K -la-600 o śred­

nicy elem entu pomiarowego 1 mm,

P I - uk ład przygotow ania spalin M adur GD-10 składający się z grzanego węża, pom py oraz chłodnicy,

P2 - układ przygotow ania gazu M&C PSS-2 skład ający się z pom py i chłod­

nicy,

A l - an alizato r spalin Infralyt 4000 analizujący stężenie 0 2 0-21%, C O

0- 20%, C O 0-10%, działający n a zasadzie poch łaniania prom ieniow ania podczerwonego z w yjątkiem stężenia O

, które m ierzone były przez celę elektrochem iczną,

A2 - an alizator spalin Fisher-Rosem ount NGA2000 analizujący stężenie C O

0-20%, C O 0-10% n a zasadzie p ochłaniania prom ieniow ania podczer­

wonego,

Badania eksperymentalne 25

A3 - an alizator spalin M adur GA-20 analizujący zawartość 0 2 w zakresie 0-21%, wykorzystujący celę elektrochemiczną,

RE - rejestrato r sygnałów prądowych i napięciowych Agillent Technologies 34-970A o możliwości rejestracji do 40 kanałów pomiarowych.

Próbka gazu ze środka złoża pobierana była poprzez układ przygoto­

wania spalin P I i analizowana przez szeregowo podłączone analizatory A2 oraz A3. Próbka gazu opuszczającego komorę pobierana była poprzez układ przygotow ania spalin P2 i analizowana przez analizator A l. Sygnały na­

pięciowe term op ar oraz sygnały prądowe an alizato ra A2 zbierane były przez rejestrato r sygnałów. A nalizator spalin A3 wyposażony był we własny układ zbierania danych. W skazania rotam etru oraz analizatora A l rejestrowane były ręcznie.

Pom iary wykonywano według jednolitej procedury obejm ującej następu­

jące punkty:

• b a d a n ą próbkę paliwa ważono i umieszczano w komorze spalania, zwra­

cając uwagę n a zachowanie jednakowych warunków zasypywania pa­

liwa,

• n a wierzchniej stronie próbki umieszczano spiralę grzejną, po czym ko­

m orę zamykano i izolowano dodatkowo w arstw ą wełny m ineralnej,

• urucham iano urządzenie rejestrujące,

• włączano zasilanie spirali grzejnej n a okres 2 m inut,

• prowadzono pom iary do m om entu, gdy w końcowym etapie spalania wszystkie term opary wskazywały tem p eratu rę niższą niż 100 °C , a stę­

żenie C 0 2 było niższe od 0,2%,

• pozostałość po spaleniu poddawano analizie n a zawartość części pal­

nych.

/40 Andrzej Szlęk

s

Każdy pom iar pow tarzano trzykrotnie a do dalszej analizy wykorzysty­

wano ten, k tóry charakteryzow ał się najm niejszym i przypadkow ym i zmia­

nam i m ierzonych wielkości.

6.2. Z akres b a d a ń

Do b ad ań eksperym entalnych zastosowano polskie węgle energetyczne z różnych kopalń, przeznaczone do spalania w kotłach rusztowych oraz wióry drzewne świerkowe jako przykład biomasy. A naliza techniczna i elem entarna w ykonana w akredytowanym laboratorium In sty tu tu Chemicznej Przeróbki W ęgla w Zabrzu tych paliw przedstaw iona jest w tabl.5.1.

Tablica 5.1 Skład elem entarny i zawartość części lotnych badanych paliw. Litery ozna­

czają odpowiednio udział gramowy węgla, wodoru, azotu, siarki, wilgoci oraz p opiołu______

Paliwo c h n s w P V a

K W K “Rym er“ 61,78 3,64 1,15 0,71 2,69 26,19 27,49 K W K “Sośnica“ 66,57 3,75 1,14 0,91 1,87 19,90 27,87 KW K “Szczygłowice“ 63,80 3,84 1,13 0,94 1,82 22,25 27,13 KW K “Chwałowice“ 48,41 3,39 0,93 1,02 3,62 31,83 32,83 K W K “R ozbark“ 69,14 4,23 1,25 0,78 2,02 15,61 29,16

drewno 49,23 6,54 0,90 0,07 - 4,12

Paliw a spalane były w stanie analitycznym , a zatem zaw artość wilgoci odbiegała od stanu roboczego paliwa. Zdecydowanie najwięcej uwagi po­

święcono paliw u z K W K “Rozbark“, gdyż ten w łaśnie węgiel spalany był w eletrociepłowni, w której prowadzono b ad an ia przemysłowe.

W celu określenia rozkładu średnic ziaren paliwa przeprowadzono analizę sitową węgla z K W K “Rozbark“, której wynik przedstaw iono n a rys.6 .4.Na

Badania eksperymentalne

Rys.6.4. Udział gramowy ziaren o średnicy m niejszej od danej w funkcji średnicy ziarna. Węgiel K W K “Rozbark“

Fig. 6.4. Gram fraction o f the fu el particles as a fu n ctio n o f particie diame- ter

rysunku tym przedstaw iono udział gramowy ziaren g o średnicy mniejszej od zadanej jako funkcję tej średnicy. Pozostałe węgle wykazywały zbliżone wy­

niki analizy. Jedn ak w celu wyeliminowania ewentualnego wpływu rozm iaru ziaren n a wyniki pom iarów węgle przygotowano tak , by m iały takie same rozkłady średnic ziaren, jak węgiel z K W K “Rozbark“. Dokonano tego po­

przez rozdział ziaren na sitach a następnie ponowne zmieszanie w proporcjach wynikających z przebiegu funkcji przedstawionej n a rys.6.4. W ymienione w tabl.5.1 drew no świerkowe m iało postać wiórów pochodzących ze stolarni.

Do b ad ań użyto także karbonizatu węgla z K W K “Rozbark“, otrzym anego poprzez wygrzanie tego paliwa w tem peraturze 850°C bez dostępu tlenu.

B adania spalania karbonizatu przeprowadzone zostały w celu oceny wpływu zawartości części lotnych n a przebieg procesu.

Ważnym param etrem wpływającym na przebieg procesu spalania jest ilość dopływającego powietrza spalania. Zdaniem a u to ra najwłaściwiej jest j ą przedstaw ić jako strum ień pow ietrza wyrażony w m ^ /s , odniesiony do po­

wierzchni przekroju poprzecznego złoża. Taka m iara ilości dopływającego

28 ₁

-

Andrzej Szlęk

i

powierza m a w ym iar m / s i może być interpretow ana jako prędkość powie­

trz a w w arunkach norm alnych w pustym przekroju złoża. Stosunkowo łatwo jest przenieść tak ą wielkość na warunki przemysłowe, gdzie zazwyczaj znane są stru m ień pow ietrza oraz powierzchnia rusztu. W trakcie b adań przemy­

słowych, przedstaw ionych w dalszej części pracy stwierdzono, że wielkość tej prędkości w aha się od 0 ,2 m / s do 0 ,4 m / s . W podobnym zakresie przepro­

wadzono b ad an ia laboratoryjne.

7. W yniki badań eksperym entalnych

7.1. O góln y opis procesu

Na rys.7.1 pokazano zarejestrowane tem p eratu ry w trzech punktach złoża jako funkcję czasu spalania. Badanym paliwem był węgiel z KW K “Rozbark“, a prędkość napływ u powietrza wynosiła wa = 0 ,2 2 m / s . Zauważyć można, że przez pierwsze 15 m inut trw ania procesu tem peratu ry we wszystkich tych punktach są równe tem peraturze otoczenia. Po tym czasie tem p eratu ra re­

jestrow ana przez najwyżej umiejscowioną term oparę T l zaczyna gwałtownie rosnąć, podczas gdy dwie pozostałe term opary wskazują tem peraturę oto­

czenia. W 24 minucie trw ania procesu gwałtownie rośnie tem p eratu ra w punkcie T2, a w 33 minucie w punkcie T3. Taki przebieg tem p eratu r świad­

czy o tym , że strefa spalania przesuwa się od góry złoża ku dołowi obejmując kolejne porcje paliwa. Znając odległości między punktam i pom iaru tem pera­

tu ry oraz czas, w którym dociera do nich strefa spalania, wyznaczyć można prędkość przemieszczania się frontu, a n a tej podstaw ie czas, w którym front spalania dociera do dolnej krawędzi złoża i nie mogąc rozprzestrzeniać się dalej - zanika. D la analizowanego przypadku czas ten wynosi 45 m inut. W tym momencie zaobserwować m ożna wzrost tem p eratu r T l , T2 i T3, przy czym wzrost ten jest najszybszy w dolnej części złoża. W ynika to z tego, że od spodu złoża doprowadzane jest powietrze, a zatem tam panuje n aj­

wyższe stężenie tlenu i, co za tym idzie, tam możliwe jest najintensywniejsze zachodzenie egzotermicznych reakcji spalania. Po pewnym czasie tem pera­

tu ra złoża zaczyna maleć, osiągając ponownie wartość tem p eratu ry otocze­

nia, przy czym m ożna zauważyć, że wychładzanie złoża następuje od dołu ku

górze. Podsum owując analizę rys.7.1 m ożna stwierdzić, że proces spalania

węgla w złożu dzieli się na 3 następujące etapy:

Andrzej Szlęk

1 4 0 0 -

t,°c -

1200

1000

8 0 0 -

6 0 0 -

4 0 0 -

200

° " i ' i ■ i ' i ' i ' i ■ i ' i ' i ' i T>mi n i

0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0 9 0 1 0 0

R ys.7.1. Temperatury w punktach pomiarowych jako funkcje czasu. Węgiel z K W K “Rozbark“, prędkość napływu powietrza w a = 0,22 m / s Fig.7.1. Temperatures at three locations as a functions o f tim e. Rozbark

coal, air velocity wa =

2 2 m /s

A - zapłon i formowanie się frontu spalania,

B - propagację frontu spalania w kierunku przeciwnym do przepływu po­

w ietrza, a więc ku dołowi,

C - spalanie objętościowe, które początkowo najintensyw niej przebiega w dolnej części złoża ze względu na większą koncentrację tlenu. W efekcie su b stan cja p a ln a paliwa ulega szybszemu w ypaleniu w dolnej części złoża, co ujaw nia się wcześniejszym spadkiem tem p e ra tu r w tej jego części.

Wyniki badań eksperymentalnych 31

0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0 9 0 1 0 0

Rys.7.2. Skład gazu w punkcie T2 jako funkcja czasu spalania. Węgiel z K W K “Rozbark“, prędkość napływu powietrza wa — 0,22 m / s Fig.7.2. Gas composition in the location o f the T2 thermocouple as a fu n c ­

tion of time. Rozbark coal, air velocity w a = 0 , 2 2 m /s

Kolejne informacje na tem at procesu spalania w warstwie przynosi ana­

liza przebiegu stężeń podstawowych składników gazu w środku złoża (na wysokości term opary T2), przedstawionych n a rys.7.2.

Zauważyć można, że do chwili dotarcia do p u nktu T2 frontu spalania skład gazu odpow iada świeżemu powietrzu, co świadczy o tym , że poni­

żej pu nktu T2 nie zachodzą reakcje spalania. W momencie, w którym do punktu T2 dociera front reakcji, stężenie O

gwałtownie spada, czemu to­

warzyszy wzrost stężenia zarówno C O

, jak i C O . Po spadku stężenia O

32 Andrzej Szlęk

R ys.7.3. Skład gazu opuszczającego komorę spalania jako funkcja czasu spalania. Węgiel z K W K “Rozbark“, prędkość napływu powietrza w a = O, 22m / s

Fig.7.3. Gas composition at the exit o f the furnace as a fu n ctio n o f time.

Rozbark coal, air velocity wa = 0 , 2 2 m /s

do zera, stężenie C O nadal nieznacznie rośnie, czemu towarzyszy niewielki spadek stężenia C 0 2, co świadczy o zachodzeniu reakcji zgazowania w strefie bezpośrednio za frontem spalania. Zachodzenie reakcji heterogenicznych za frontem spalania świadczy o tym, że nie cała substancja p aln a ulega spa­

leniu we froncie spalania. Po czasie, w którym front spalania dociera do spodniej części złoża i zanika, obserwuje się wzrost stężenia 0 2 i C O

, czemu towarzyszy spadek stężenia CO .

Wyniki badań eksperymentalnych 33

Przez front spalania rozumie się obszar, w którym zachodzą zasadnicze zmiany tem p eratu ry oraz składu gazu. Oczywiście granice frontu są, do pew­

nego stopnia, umowne. W tej pracy za początek frontu przyjęto powierzch­

nię, na której zaczyna zmniejszać się udział tlenu w gazie, zaś za koniec frontu uznano powierzchnię, na której tem p eratu ra fazy stałej przestaje rosnąć.

Procesy zachodzące w złożu odzwierciedlone są także poprzez skład gazu opuszczającego komorę przedstawiony n a rys.7.3. W fazie rozpalania (A) rośnie stężenie C O i C 0 2 przy spadku stężenia 0 2- W okresie tym następuje formowanie frontu spalania.

W fazie propagacji frontu spalania stężenie 0 2 jest praktycznie równe zero, podczas gdy stężenia C 0 2 oraz C O pozostają n a stałym poziomie, a widoczne w ahania w ynikają ze zjawisk stochastycznych, takich jak na przy­

kład osuwanie się złoża wskutek wypalania. Po zaniku frontu następuje faza spalania objętościowego (C), k tó ra zachodzi przy obecności tlenu w całej wysokości złoża, o czym świadczy obecność tlenu w spalinach opuszczają­

cych komorę. Obserwowane na rys.7.3 zmiany udziału składników w fazie propagacji frontu spalania wynikają ze zjawisk stochastycznych, z których najważniejsze to osypywanie się złoża zachodzące w m iarę jego wypalania.

7.2. P ręd k o ść propagacji fron tu sp a la n ia

Przedstaw ione w poprzednim rozdziale wyniki świadczą o tym , że przy w spółprądow ym spalaniu paliwa stałego w warstwie nieruchomej występuje zjawisko propagacji frontu spalania wykazujące pewne podobnieństw o do pro­

pagacji płom ienia w mieszaninie gazowej. Z przebiegu tem p e ra tu r w punk­

tach złoża określić m ożna prędkość rozprzestrzeniania się tego frontu. Wy­

nika ona z następującego wzoru:

A z

. .

R ys.7.4.

Fig.7.4.

w który m A x oznacza odległość między p u nk tam i pom iaru tem peratury, zaś A r oznacza przesunięcie czasowe między przebiegam i te m p e ra tu r rejestrowa­

nych przez poszczególne term opary, którego znaczenie w yjaśnia rys.7.4. Ze względu n a w ystępujące w złożu procesy stochastyczne przebieg tem p eratu r rejestrowanych przez term opary nie jest taki gładki ja k n a rys.7.4, a zatem wartość A r je st nieco inna w zależności od poziom u tem peraturow ego, na którym się j ą wyznacza. Z tego względu zdecydowano się wyznaczyć wartość A r z następującego warunku:

J ([*Ti(r) - tTi(T + A r)]2 + \pT

( r ) - t n i r + A r ) ] 2) d r =S> M I N , (7.2) w którym t r i i t r

oznaczają odpowiednio tem p e ra tu ry rejestrow ane w punk­

tach T l oraz T2. Graficznie zależność (7.2) interpretow ać należy jako taką w artość A r , d la którego krzywa tr i przesunięta w prawo o A r jest najbliż­

sza, w sensie kryterium najm niejszych kw adratów , krzywej t n { T), a jedno­

cześnie krzyw a t r

przesunięta w prawo o A r jest najbliższa krzywej t r

. W przypadku pow tarzalnych przebiegów tem p e ra tu r w poszczególnych punk­

tach złoża, przedstaw ionych na rys.7.4, granice całkow ania T\ oraz r

m ożna przyjąć praktycznie dowolnie. Ze względu jed n ak n a wspom niane procesy stochastyczne korzystne jest, by przedział całkow ania był możliwie szeroki.

Schem at przebiegu zm ian tem peratur w czasie Temperatures as a fun ctio n o j tim e

Andrzej Szlęk

W tej pracy za dolną granicę całkowania przyjęto czas

którym tem pe­

ra tu ra osiąga wartość lOCW, zaś za górną czas r 2, w którym tem p eratu ra przestaje rosnąć.

W yznaczoną w opisany sposób prędkość spalania jako funkcję ilości do­

starczanego pow ietrza, wyrażonego przez prędkość pow ietrza w pustym prze­

kroju, obrazuje rys.7.5. Na rysunku tym przedstaw iono również stosunek

Rys.7.5. Prędkość propagacji frontu spalania Wf oraz stosunek nadmiaru powietrza Att jako funkcje prędkości napływu powietrza wa. Węgiel z K W K “Rozbark“

Fig.7.5. Flame fro n t propagation velocity w / and the air excess ratio Xa as a fu n ctio n o f air velocity. Rozbark coal

nadm iaru pow ietrza we froncie określony jako strum ień pow ietrza odniesiony do strum ienia paliwa obejmowanego przez front spalania pomnożonego przez m inim alne zapotrzebow anie powietrza spalania. Tak obliczony stosunek nad­

m iaru pow ietrza charakteryzuje jednostkową ilość pow ietrza biorącą udział w

spalaniu w fazie propagacji frontu. Stosunek ten określić m ożna następującą

36 i Andrzej Szlęk

m

zależnością:

\

_

0 — A »

A.W pTlamin

w której oznaczono:

ń a - strum ień pow ietrza spalania, k m o l/s , A - przekrój poprzeczny złoża, m 2,

Wf - prędkość rozprzestrzeniania się frontu spalania, m / s , p - gęstość nasypowa węgla, k g /m 3,

n amin

■ m inim alne zapotrzebow anie pow ietrza, k m o l/k g .

Zaobserwować m ożna, że stosunek nad m iaru pow ietrza w aha się wokół w artości 0,7 i wykazuje niezbyt wyraźne m inim um d la prędkości napływ u pow ietrza wa = 0 ,2 2 m / s . Obliczony stosunek n adm iaru pow ietrza je s t zbyt niski do zapew nienia całkowitego spalenia paliw a we froncie spalania. Na­

leży podkreślić, że możliwość zwiększenia wartości stosunku nadm iaru powie­

trz a je s t ograniczona, gdyż wraz ze wzrostem stru m ienia pow ietrza ń 0 rośnie jednocześnie prędkość propagacji frontu spalania

Z kolei zwiększanie prędkości napływ u pow ietrza powyżej zakresu przedstaw ionego n a rys.7.5 powodowało unoszenie ziaren paliwa. Fakt, że we froncie spalania A„ < 1, w arunkuje występowanie etap u spalania objętościowego zachodzącego po fa­

zie propagacji frontu spalania. M ożna zatem wnioskować, że dw uetapow y przebieg procesu spalania jest rzeczą charakterystyczną dla spalania współ- prądowego węgla w warstwie nieruchomej.

N a rys.7.6 przedstaw iono szybkość spalania różnych paliw stałych jako funkcję prędkości napływ u pow ietrza wa. Zauważyć m ożna, że prędkości spa­

lania węgli różnią się stosunkowo niewiele między sobą. Niewielkie różnice obserwowane między węglami w ynikają z ich zbliżonego składu chemicznego oraz właściwości. N a rys.7.6 m ożna również zauważyć, że nie występuje

(7.3)

Wyniki badań eksperymentalnych 37

7.0 _j Wf, mm/mln 6.0

5.0 4.0 3.0

2 0 -

1^.0^-

o.o 4 —

0.10

ń wvgM

KVWChwokMfc»

m KAKSzxzygkMtae KWKRozbarV KWKRymer

♦ ^- (CMC Sośnica k a rtn rta t KVVK Raóark

V J

wQ, m/s

0.20

0.30 0.40

Rys.7.6. Prędkość spalania różnych paliw jako funkcja prędkości napływu powietrza wa

Fig.7.6. Combustion fro n t velocity fo r different fuels as a fun ction o f air velocity wa

isto tn a różnica pom iędzy węglem z KW K “Rozbark“ a karbonizatem po­

w stałym w procesie beztlenowego odgazowania tego paliwa. Świadczy to o niewielkim wpływie zawartości części lotnych n a proces propagacji frontu spalania. Je st to spostrzeżenie dość zaskakujące, które może być w ytłum a­

czone tym , że części lotne uw alniają się do fazy gazowej we froncie spalania, jed nak całkowitem u lub częściowemu spaleniu ulegają nieco dalej, w obsza­

rze wysokich tem peratur. W rezultacie efekt energetyczny ich spalania nie zm ienia warunków panujących we froncie, które decydują o prędkości spala­

nia. Oczywiście nie oznacza to, że zawartość części lotnych jest nieistotnym p aram etrem paliwa, gdyż od ich zawartości zależy przebieg zapłonu paliwa w początkowej fazie całego procesu spalania. W istocie podczas badań pręd­

kości spalan ia karbonizatu węgla z KW K “Rozbark“ występowały poważne

problem y z jego zapłonem.

m

7 . 3 . K rzy w a w y p a la n ia paliw a

Z p u n k tu w idzenia praktyki spalania najistotniejszą wielkością, decydu­

jąc ą o w artości s tra ty chemicznej w produktach stałych (żużlu), jest stopień w ypalenia paliwa. M ożna go zdefiniować jako energię chemiczną wyzwoloną w procesie spalania odniesioną do początkowej energii chemicznej paliwa.

W praktyce, poza nielicznymi przypadkam i, jed y n ą su b stan cją palną, która w ystępuje w znaczących ilościach w stałych p roduktach spalania, jest pier­

w iastek węgiel. Stopień w ypalenia pierw iastka węgla zdefiniować m ożna jako m asę pierw iastka węgla, któ ra uległa spaleniu odniesioną do m asy pierw iastka węgla zaw artej początkowo w paliwie. Stopień ten m ożna określić n a pod­

stawie bilansu pierw iastka węgla oraz azotu. Z akładając, że w spalinach jedynym i związkami zawierającym i istotne ilości pierw iastka węgla jest dwu­

tlenek węgla oraz tlenek węgla, zapisać m ożna następujące równanie bilansu pierw iastka węgla:

^ = ń „ (\C 0 2] + [C0}) , ( 7 . 4 )

w którym :

^ - szybkość ubytku pierw iastka węgla, k m o l/s , ń ss - strum ień spalin suchych, k m o l/s ,

[i] - stężenie i-tego składnika w spalinach suchych, %.

Z akładając z kolei, że ilość azotu zawartego w paliwie je s t znikom a w porów naniu z ilością azotu dostarczanego w pow ietrzu spalania oraz że jedy­

nym związkiem, w którym w istotnych ilościach w ystępuje azot w spalinach, jest azot cząsteczkowy, zapisać m ożna następujące równanie bilansu azotu:

0.79ńa = ń ss[iV2] , (7.5)

Wyniki badań eksperymentalnych

przy czym ń a oznacza strum ień powietrza wyrażony w k m o l/s . W ykorzystu­

jąc p o n adto warunek sumy udziałów spalin suchych

[N3] + [C 0 2] + [CO] + [0 2] = 1 , (7.6)

równanie (7.5) zapisać m ożna następująco:

0.79ńa = ń 3S (1 -

- [Oa]) (7.7) Podstaw iając (7.4) do (7.7) otrzym uje się ostatecznie następujące równanie:

d n c j c 0 2\ + [ C O ] ( 7 R .

d r ~ a 1 - [ C 0 2] - [ C O ] - [ 0 2] ’ ( }

w którym wszystkie wielkości są oczywiście funkcjami czasu. Całkując rów­

nanie (7.8) od początku procesu spalania do danej chwili r , otrzym uje się ilość pierw iastka węgla, który uległ spaleniu w tym czasie:

[c o 2] + [CO]

Tl,

Zdefiniowany uprzednio stopień w ypalenia pierw iastka węgla otrzym uje się ostatecznie dzieląc równanie (7.9) przez ilość węgla znajdującego się po­

czątkowo w próbce n C)t, któ ra jest znana n a podstaw ie analizy elementarnej węgla:

x ( t ) =

T ^ - (7-10)

n c,t

Zależność x ( t ) wyznaczoną dla badanego paliwa przy prędkości napływu pow ietrza w a

m / s przedstawia rys.

M ożna zauważyć, że począt­

kowo zależność x ( t ) jest liniowa, co odpowiada fazie propagacji frontu spala­

nia, natom iast później przybiera kształt krzywej asym ptotycznej. Końcowa różnica 1 — x(oo) charakteryzuje tę część pierw iastka węgla, k tó ra pozostała w żużlu po zakończeniu procesu spalania.

Funkcja

m a duże znaczenie praktyczne, gdyż pozw ala określić ilość

pierwiastka, który nie uległ spaleniu w funkcji czasu spalania. Czas spalania

40 Andrzej Szlęk

R y s . 7 .7 .

Stopień wypalenia pierwiastka węgla jako funkcja czasu spala­

nia. Węgiel z K W K “Rozbark“, prędkość napływu powietrza wa — 0,22 m /s

F ig .7 .7 .

Carbon burn-out fraction as a function of time. Rozbark coal, air

velocity wa

0,22m /s

w k o t l e r u s z t o w y m m o ż e b y ć w y z n a c z o n y n a p o d s t a w i e z n a jo m o ś c i d łu g o ś c i r u s z t u o r a z p r ę d k o ś c i je g o p r z e m ie s z c z a n i a s ię w k o tle . W d a ls z e j c z ę ś c i p r a c y p r z e d s t a w i o n o b a r d z i e j sz c z e g ó ło w o s p o s ó b w y k o r z y s t a n i a w p ro w a d z o n e g o s t o p n i a w y p a l e n i a p a l iw a w p r a k t y c e te c h n ik i s p a l a n i a .

K s z t a ł t k r z y w e j w y p a l a n i a p a l iw a z a le ż y o c z y w iś c ie o d p r ę d k o ś c i n a ­ p ł y w u p o w i e t r z a . N a r y s . 7 .8 p r z e d s ta w io n o k r z y w e w y p a l a n i a d l a p r ę d k o ­ śc i n a p ł y w u p o w i e t r z a

wa

0 ,2 2m /s, wa —

m /s

wa

m /s.

W r a z z e w z r o s t e m p r ę d k o ś c i n a p ł y w u p o w i e t r z a z w ię k s z a s ię n a c h y le n ie li­

n io w e j c z ę ś c i k r z y w e j w y p a la n ia . Ś w ia d c z y t o o s z y b s z y m w y p a l a n i u p ie r ­ w i a s t k a w ę g la . J e d n o c z e ś n ie j e d n a k m a le j e k o ń c o w y s t o p i e ń w y p a le n ia , co p r o w a d z i d o z w ię k s z o n e j s t r a t y c h e m ic z n e j w s t a ł y c h p r o d u k t a c h s p a la n i a . S p a d e k k o ń c o w e g o s t o p n i a w y p a le n ia w y n ik a z c h ł o d z ą c e g o d z i a ł a n i a s t r u g i

Wyniki badań eksperymentalnych 41

R y s .7 .8 .

Stopień wypalenia pierwiastka węgla jako funkcja czasu spalania

dla różnych prędkości napływu powietrza spalania. Węgiel z K W K Rozbark“

F ig .7 .8 .

Carbon burn-out fraction as a function of time for different air velocities. Rozbark coal

p o w i e t r z a n a z ło ż e . W m ia r ę z m n ie j s z a n ia s ię z a w a r to ś c i p ie r w ia s tk a w ę­

g la in te n s y w n o ś ć r e a k c ji h e te r o g e n ic z n y c h m a le je . W p e w n y m m o m e n c ie s t r u m i e ń c i e p ł a p o t r z e b n e g o d o p o d g r z a n i a p o w i e t r z a p r z e w y ż s z a s t r u m i e ń c i e p ł a w y d z ie la ją c e g o się w s k u te k r e a k c ji, w w y n ik u c z e g o n a s t ę p u j e s z y b k ie w y c h ła d z a n ie z ło ż a .

7.4. Struktura obszaru spalania

Z b u d o w a n e s ta n o w is k o p o m ia r o w e u m o ż liw ia p o m i a r s k ł a d u i t e m p e r a ­ t u r w z ł o ż u j a k o f u n k c ji c z a s u t r w a n i a p r o c e s u . Z a k ł a d a j ą c j e d n a k , ż e p r ę d ­ k o ść p r o p a g a c j i f r o n t u s p a l a n i a j e s t s t a ł a , s to s u n k o w o ła tw o o k r e ś lić m o ż n a p r z e b ie g ty c h z m ia n w fu n k c ji w y m ia r u lin io w e g o . J e ż e li b o w ie m w c h w ili t t e m p e r a t u r a m i e r z o n a w d a n y m p u n k c i e w y n o s i t , t o p r z y s t a ł e j p r ę d k o -