ZESZYTY NAUKOWE POLITECHNIKI ŚLĄSKIEJ Seria: ENERGETYKA z. 122
1994 Nr kol. 1262
Władysław SIKORSKI, Rudolf ŻAMOJDO
In sty tut Techniki Cieplnej i M echaniki Płynów, P olitechnika W rocławska
MODERNIZACJA KOTŁA O P-130 Z WYKORZYSTANIEM PRZEDPALENISKA CYKLONOWEGO
S tr esz c z en ie . W pracy przedstaw iono koncepcję m odernizacji kotła OP-130, opalanego pyłem z węgla kam iennego, o p artą n a w ykorzysta
niu przedpaleniska cyklonowego. Zastosow any w rozw iązaniu odpo
wiedni proces sp alan ia zapew nia n isk ą emisję S 0 2, NOx i popiołu.
W skład przedpaleniska cyklonowego wchodzi kom ora zgazowania, ko
m ora cyklonowa i dwie kom ory dopalania. P rojekt przew iduje m ontaż przedpaleniska n a przedniej ścianie kom ory paleniskowej m oderni
zowanego kotła.
MODERNIZATION ON THE O P-130 BOILER WITH THE UTILIZATION OF A CYCLONE PRECOMBUSTION CHAMBER
Sum m ary. The idea of m odernization of th e O P -130 coal d u st-fire d boiler is based upon th e utilization of a cyclone precom bustion cham ber and is presented in th e paper. The convenient and appriopriate process of combustion is applied to th e construction and gives th e low em ission of S 0 2, NOx, and ash. The cyclone precom bustion cham ber consists of a gasification cham ber, a cyclone cham ber and two afterbu rn ing cham bers. In a design one p lans to set up th e precom bustion cham ber in th e face w all of th e combustion cham ber of th e boiler modernized.
MODERNISIERUNG DES O P-130 KESSELS MIT DER ANWENDUNG DER ZYKLONVORFEUERUNG
Z u sam m en fassu n g. In der A rbeit w urde eine M odenisierungs- konzeption des m it S teinkohlenstaub beheizten Kessels O P-130 dargestellt. Das V erfahren s tu tz t sich a u f V erw endung der Zyklonvorfeuerung. Das dabei angew andte entsprechende V erbrennungsverfahren gew ährleistet eine niedrige S 0 2, NOx und Flugascheem ission. Die Zyklonvorfeuerung setzt sich aus einer V ergasungs— und ein er Z yklonkam m er sowie aus zwei N achverbrennungskam m ern zusam m en. D er E n tw u rf sieh t die M ontage der V orfeuerung an d er V orderw and der V erbrennungskam m er des m odernisierten Kessels vor.
24 Władysław Sikorski, Rudolf Żamojdo
1. W STĘP
Konieczność ochrony środowiska natu raln eg o w ym aga zastosow ania w krajowej energetyce przedsięwzięć technicznych, prowadzących do redukcji zanieczyszczeń środowiska, a w szczególności do radykalnego zm niejszenia emisji do otoczenia dw utlenku siarki S 0 2, tlenków azotu NOx, tlenku węgla CO i popiołu lotnego z pracujących w energetyce i przem yśle krajowym u rz ą dzeń kotłowych.
Istnieje szereg m etod zm niejszenia uciążliwości dla otoczenia eksploatowa
nych urządzeń kotłowych. Metody te m ożna podzielić n a dwie grupy. Metody grupy pierwszej polegają n a redukcji zanieczyszczeń, znajdujących się w od
prowadzonych do otoczenia spalinach. Metody grupy drugiej pozwalają zmniejszyć ilość w ytw arzanych zanieczyszczeń bądź też w iążą zanieczyszcze
n ia w strefie spalania, zmniejszając ich ilość w odprowadzonych do otoczenia spalinach.
Ogólnie m ożna stwierdzić, że m etody grupy drugiej są mniej kosztowne i nie w ym agają budowy urządzeń do oczyszczania spalin, wym agających m iej
sca pod ich zabudowę, co je s t szczególnie trudnym problem em w przypadku m odernizacji istniejących urządzeń kotłowych.
Przeprowadzone rozpozanie osiągnięć techniki światowej i tendencji w za
kresie rozw iązań instalacji, ograniczających emisję zaniczyszczeń pyłowych oraz emisje S 0 2 i NOx, przy w ykorzystaniu dostępnych m ateriałów z lat 1980-1990 z krajów zachodnich oraz osiągnięć krajowych, pozwoliło n a opra
cowanie w Zakładzie U rządzeń Kotłowych i Gospodarki Cieplnej In sty tu tu Techniki Cieplnej i M echaniki Płynów Politechniki W rocławskiej koncepcji takiego rozw iązania technicznego przedpaleniska cyklonowego, którego zasto
sowanie umożliwia uzyskanie znacznej redukcji zanieczyszczeń z kotłów O P-130 EC Czechnica, opalanych pyłem z węgla kam iennego. Rozwiązanie to zostało opatentow ane w zgłoszonym przez Politechnikę W rocławską w U rzę
dzie Patentow ym RP wniosku n r P-290507 pt.: „Sposób spalania pyłu węglo
wego i urządzenie do sp alan ia pyłu węglowego”.
2. KOCIOŁ PAROWY OP-130
Przedstaw ione w opracowaniu rozw iązanie techniczne przew idziano dla kotłów parowych O P-130 produkcji czechosłowackiej, zainstalow anych w la tac h 1955/56 w EC Czechnica. Są to kotły wodnorurkowe, o układzie dwucią- gowym, z cyrkulacją n a tu ra ln ą , opalane pyłem z węgla górnośląskiego. Pył je s t dostarczany z centralnej młynowni do przykotłowych zasobników pyło
wych, znajdujących się w kotłowni. W ostatnich latach kotły te są m oder
nizowane wg projektu Fabryki Kotłów RAFAKO S.A. Kocioł O P-130, wg projektu RAFAKO posiada całkowicie oprom ieniow aną komorę paleniskową,
Modernizacja kotła OP-130. 25
wykonaną ze szczelnych ścian m em branow ych z ru ra m i ekranow ym i (j> 57 x 5 mm, w podziałce 75 mm. W układzie parow nika kotła pozostawiono dwa walczaki: główny § 1600 x 85 mm oraz separacyjny (j> 1000 x 48 mm. E krany komory paleniskowej kotła są zasilane wodą z w alczaka głównego 4 centralny
mi ru ram i opadowymi (j) 406,4 x 17,5 mm, połączonymi z walczakiem tzw.
„pająkami” r u r <j) 70 x 5,6 mm.
Kocioł je s t wyposażony w 3-stopniow y przegrzew acz pary, stalowy wężow- nicowy podgrzewacz wody oraz 4-pakietow y rurow y podgrzewacz powietrza.
Do komory paleniskowej kotła pył węglowy je s t w prow adzany n a 3 pozio
mach, przez 4-strum ieniow e palniki narożnikowe.
Podstawowe p a ram etry techniczne kotła O P -130 są następujące:
- wydajność m aksym alna trw ała 36,111 kg/s (130 t/h)
- ciśnienie pary przegrzanej 7,06 M Pa
- tem p eratu ra pary przegrzanej 500°C
- tem p eratu ra wody zasilającej 160°C
- tem p eratu ra gorącego pow ietrza 244°C
- tem p eratu ra spalin wylotowych 166°C
- tem p eratu ra spalin n a wyjściu z komory paleniskowej 997°C
- sprawność kotła 87,50%
3. PRZEDPALENISKO CYKLONOWE
Zaprojektowane przedpalenisko cyklonowe, ze w stępnym zgazowaniem p a
liwa, przedstaw iono n a ry sunkach n r 1 i 2. Stanow i ono w yodrębniony blok paleniskowy, przeznaczony do realizacji procesu sp alan ia pyłu węglowego.
Przedpalenisko cyklonowe usytuow ano w wolnej p rzestrzen i przed kom orą paleniskową kotła O P-130, zmodernizowanego uprzednio wg projektu F abry
ki Kotłów RAFAKO S.A. K onstrukcja p alen iska um ożliw ia pracę kotła OP-130 w istniejącym obecnie układzie, ponieważ nie n a ru sz a się istniejącego układu palnikowo-powietrznego, a kocioł może tak że pracować przy wyłączo
nym przedpalenisku. Przedpalenisko cyklonowe je s t pow iązane z układem kotła OP-130:
- po stronie zasilania pyłem węglowym z zasobnika przykotłowego przez wspólne podajniki pyłu z przełączalnym zasilaniem n a palniki pyłowe przedpaleniska lub n a istniejące palniki pyłowe kotła;
- po stronie spalin przedpalenisko cyklonowe łączy się z kom orą palenisko
wą kotła przez dwa okna wlotowe w przedniej ścianie kom ory palenisko
wej, usytuow ane n a wysokości istniejących obecnie palników narożniko
wych kotła;
- przedpalenisko stanow i część powierzchni parownikowej kotła i je s t zasila
ne z w alczaka głównego przez dwie centraln e ru ry opadowe, n ato m iast wytworzona w przedpalenisku m ieszanina parow o-w odna je s t odprowa-
26 W ładysław Sikorski, Rudolf Żamojdo
Rys. 1. P rz e d p a le n isk o cyklonow e Fig. 1. T he cyclone p reco m b u stio n c h a m b e r
Modernizacja kotła OP-130.. 27
R ys. 2. P rz e d p a le n is k o cyklonow e Fig. 2 T h e cyclone p re c o m b u stio n c h a m b e r
28 Władysław Sikorski, Rudolf Żamojdo
dzana z przedpaleniska poprzez zbiorczy przewód odprowadzający (j> 355,6 x 40 mm do walczaka separacyjnego, do którego je s t również odpro
w adzana m ieszanina parow o-w odna w ytw arzana w ek ran ach komory p a
leniskowej kotła;
- po stronie zasilania powietrzem przez pobór gorącego pow ietrza z podgrze
wacza powietrza, poprzez dwa nowe w entylatory promieniowe typu W PM -97/2, tłoczące powietrze do komory zgazow ania z komory cyklo
nowej;
- po stronie odprowadzenia ciekłego żużla z kom ór dopalania przez dwa g ranu latory wodne z odżużlaczami zgrzebłowymi, podającymi zgranulowa- ny żużel do komory żużlowej kotła;
- po stronie konstrukcji nośnej przew idziano podwieszenie całego zespołu przedpaleniska cyklonowego n a belce, wiążącej obie centralne ru ry opado
we z przeniesieniem n a ru sz t nośny kotła, co pozwoliło n a eliminację przesunięć w połączeniu przedpaleniska z ekranem przednim komory p a leniskowej kotła;
- po stronie wspólnych układów skoordynow ania autom atycznej regulacji, pomiarów i kontroli niezbędnych w prow adzeniu eksploatacji kotła i przed
paleniska cyklonowego.
Przedstaw ione n a rysunkach 1 i 2 przedpalenisko cyklonowe składa się z następujących podstawowych zespołów:
- komory zgazowania KZG, - komory cyklonowej KC, - dwu komór dopalania KD.
Przedpalenisko cyklonowe je s t zbudowane ze szczelnych ścian m em brano
wych, wykonanych z r u r (}) 57 x 5 mm, w podziałce 75 mm.
Komora zgazowania KZG je s t zbudowana w układzie pionowym o przekro
ju prostokątnym , w górnej części o rozm iarach 3075 x 1537,5 mm, zwężającym się w dolnym jej zakończeniu do rozm iarów 3075 x 600 mm. Powierzchnia w ew nętrzna górnej części komory posiada pas zapłonowy z betonu ogniotrwa
łego. N a stropie komory zgazowania znajduje się 6 palników pyłowych 1 oraz 3 bloki dysz powietrznych 2, inicjujących proces zgazow ania paliwa. N a bocz
nych ścianach górnej części komory są zainstalow ane 2 palniki rozpałkowe 3 typu wirowego, z wbudowanymi palnikami zapalającymi n a gaz propan-butan.
N a przedniej, pionowej ścianie komory zgazow ania znajduje się podwójny, żaluzjowy, czterostrefowy ru sz t pow ietrzny 4, każda strefa 5 je s t zaopatrzona w 4 dysze pow ietrza z klapam i regulacyjnym i, które um ożliw iają regulację ilości powietrza podawanego do komory zgazowania przez poszczególne strefy.
Sorbent wapniowy je s t doprowadzany króćcem 6 do dysz pow ietrza 2.
Proces zgazowania i częściowego sp alan ia pyłu węglowego w komorze zga
zowania KZG przebiega przy współczynniku n a d m iaru pow ietrza równym około 0,7, a produkty częściowego sp alan ia o tem p e ra tu ra c h około 1090°C
Modernizacja kotła OP-130. 29
i zawartości CO około 11,4% wprow adzane są do kom ory cyklonowej w celu ich dopalenia.
Komora cyklonowa KC posiada k sz ta łt cylindra o poziomej osi, równoległej do przedniej ściany kotła, ustaw ionej n a poziomie +4800 mm. Długość komory wynosi 3075 mm, a więc je s t rów na szerokości kom ory zgazow ania. Średnica komory wynosi 3075 mm. Komora cyklonowa je s t połączona z kom orą zgazo
wania pionowym króćcem o przekroju prostokątnym 3075 X 600 mm. W ewnę
trzne ściany komory i króćca łączącego są okołkowane kołkam i 0 10 x 15 mm i pokryte w arstw ą m asy karborundow ej „Zyklonit 96" o grubości 20 mm.
Na górnej tworzącej komory cyklonowej, od strony kotła, znajduje się 6 palników pyłowych strum ieniow ych 7 oraz 3 bloki dysz pow ietrznych 8.
Komora cyklonowa KC je s t kom orą z dw ustronnym odpływem spalin. Czo
łowe płaskie ściany komory cyklonowej są czołowymi w ew nętrznym i ścianam i komór dopalania KD. Proces zgazow ania w komorze cyklonowej przebiega przy współczynniku n ad m iaru pow ietrza, równym około 0,95 - 1,07. Gazy spalinowe wypływają z komory cyklonowej do kom ór dopalania dw iem a g a r
dzielami 9 o średnicy <|) 1485 mm, a stopiony żużel spływ a z KC do komór dopalania KD przez szczelinowe wykroje 10, znajdujące się poniżej tych g ar
dzieli.
Przez dysze pow ietrza 8 je s t również w prow adzany sorbent w apniowy do komory cyklonowej. Przez dysze palników pyłowych 7 będzie wprowadzony do komory cyklonowej dla stopienia, wychwycony w elektrofiltrze, ew entualnie w filtrach tkaninowych, lotny popiół w raz z produktam i odsiarczania, co pozwa
la na jego przetopienie do postaci ciekłego żużla, a tym sam ym do zwiększenia stopnia zw iązania popiołu w przedpalenisku do w artości ok. 95%.
Dolna część komory dopalania KD je s t u k ształtow ana podobnie ja k kom ora cyklonowa. N atom iast część górna odprowadzająca spaliny do kom ory paleni
skowej kotła, m a przekrój prostokątny o szerokości 1080 m m i wysokości 2500 mm. W poziomym odcinku górnym w k an ałach kom ór dopalania są zabudow a
ne pęczki chwytające H , utw orzone z r u r dna k an ału . Zadaniem tych pęczków jest wychwytywanie płynnych kropel popiołu, które spływ ają do kom ór dopa
lania, zwiększając tym samym skuteczność w iązania ciekłego żużla.
Obydwie kom ory dopalania posiadają w najniższej części otwory 12 do spływu ciekłego żużla do granulatorów z wodą, ustaw ionych pod kom oram i.
Wewnętrzne ściany kom ór dopalania oraz ru ry pęczków chwytających są w całości okołkowane i wyłożone m asą karborundow ą.
Komora paleniskow a 13 kotła O P-130, po zabudowie przed palen iska cyklo
nowego, stanowi komorę w ychładzania KW dla u k ład u z przedpaleniskiem . Występujące nadciśnienie w przedpalenisku cyklonowym w ym aga zapew nie
nia szczelności ta k samego przedpaleniska po stronie spalin, ja k i w miejscu jego połączenia z kom orą KW kotła O P-130.
30 W ładysław Sikorski, Rudolf Żamojdo
4. PODSUMOWANIE
Zastosow anie p rzedpaleniska cyklonowego je s t przykładem w ykorzystania ekologicznie przyjaznych m etod spalan ia paliw a stałego w celu zm niejszenia uciążliwości dla otoczenia pracujących w energetyce zawodowej i przem ysło
wej urządzeń kotłowych. Strefowe spalanie paliw a ze w stępnym zgazowa- niem , przy obniżonych współczynikach n a d m iaru pow ietrza oraz niższych tem p eratu rach w strefie spalania, prowadzi do obniżenia ilości wytworzonych tlenków azotu. Możliwość daw kow ania sorbentu w apiennego w różnych sta diach procesu spalania um ożliwia optymalizację doboru ilości i m iejsca da
w kow ania sorbentu w celu uzyskania m aksym alnej redukcji związków siarki.
Dodawanie sorbentu wapiennego przed kom orą cyklonową obniża tem p eratu rę płynności żużla, co umożliwia prowadzenie procesu sp alania w komorze cyklonowej przy obniżonych tem p eratu rach. Odprowadzenie popiołu w postaci ciekłej pozwala uzyskać bardzo wysoki stopień zw iązania popiołu, łącznie ze związkam i siarki. U zyskany w g ran u lato rach popiół je s t przy datn y do dalsze
go w ykorzystania.
Recenzent: Prof. d r hab. inż. Ludwik CWYNAR
Wpłynęło do Redakcji 6.08.1994 r.
A b stract
In th e D epartm ent of Boiler System s and E nergy M anagem ent of the In stitu te of H eat Energineering and Fluid M echanics of th e Technical U niversity of Wroclaw th ere were worked out th e technological constructions of a cyclone precom bustion cham ber which application enables the su b stan tial reduction of im purities from th e O P-130 boilers installed in the th erm al power station in Czechnica and coal d u st-fire d from th e U pper Silesian coal. The convenient and appriopriate process of combustion is applied to the construction and gives th e low em ission of S 0 2, NOx, and ash.
The technology presented can be an in te restin g m odernization proposal for m any boiler units.
The cyclone precom bustion cham ber designed consists of a initial gasification cham ber, a cyclone cham ber w ith tw o-sided outlet of flue gases, and two afterburning cham bers. The precom bustion cham ber is m ade of the pipes of 57 mm in th e in ta rn a l diam eter, and which thickness in 5 mm, in the form of m em brane walls th a t are th e h e a tin g surfaces of a boiler evaporator.
W ater is fed from a m ain drum w ith two central downcomer tubes, and the
Modernizacja kotła OP-130. 31
vapour-w ater m ixture flows to a sep aratio n drum . The whole precom bustion chamber is in stalled in th e face w all of th e boiler furnace cham ber. Slag is granulated in th e w a te r granulator.
The fixation of su lp h u r is carried out u sin g th e dry m ethod by blowing the limestone sorbent. The use of a cyclone cham ber perm its one to a tta in th e very high degree of th e ash fixation in th e liquid form. The zonal combustion with the initial gasification a t th e low excess a ir num ber an d a t th e lowered tem peratures m akes it possible to reduce th e q u a n tity of th e n itric oxides generation.