DIAGNOSTYKA WYBRANYCH PALENISK RETORTOWYCH Juliusz WÓJCIK, Politechnika Śląska1 Streszczenie: W artykule przedstawiono problem poprawnej konwersji energii w urządzeniach grzejnych małej mocy. Udział tych urządzeń w produkcji ciepła dla potrzeb komunalnych jest znaczny, dlatego prawidłowe ich funkcjonowanie przyczyni się do ograniczenia strat ciepła i emisji substancji szkodliwych do atmosfery. Omówiono problemy konwersji energii w paleniskach węglowych, głównie w odniesieniu do spalania produktów odgazowania węgla. Zdiagnozowano dwa rozwiązania palenisk węglowych retortowych. Wskazano na przyczyny ich nieprawidłowej pracy oraz pokazano alternatywne rozwiązania nie posiadające wad i gwarantujące poprawną konwersję energii. Annotation: This article presents a problem of correct energy conversion in the low power heating devices. The use of this kind of devices in heat production for the communal needs is significant. That is why their proper functioning will contribute to reduction of heat losses and emissions of harmful substances to the atmosphere. Problems of an energy conversion in the coal furnace, mainly products combustion of coal degassing, were discussed. Two types of the coal underfeed stoker boilers was diagnosed. Causes of their incorrect working was point out. Furthermore, the alternative construction - flawless and guaranting correct energy conversion was showed. 1. Wprowadzenie Duża część zanieczyszczeń emitowanych do atmosfery pochodzi z lokalnych kotłowni i palenisk domowych. Wytwarzanie energii cieplnej w gospodarce komunalnej i indywidualnym ogrzewnictwie odbywa się za pomocą urządzeń, których moc cieplna z reguły nie przekracza 1 MW. Budowa wysokosprawnych i niskoemisyjnych urządzeń grzewczych małej mocy, ma duże znaczenie dla gospodarki komunalnej. Węgiel jest podstawowym i najtańszym nośnikiem energii pierwotnej, zatem poprawa jakości procesów konwersji energii przyczyni się go jego efektywnego wykorzystania i ograniczenia emisji substancji szkodliwych. Obecnie, emisja zanieczyszczeń z sektora komunalno-bytowego stanowi, w przypadku Aglomeracji Górnośląskiej, około 70% całkowitej emisji zanieczyszczeń w sezonie grzewczym. Emitowane są obok składników gazowych, takich jak CO, CO2, SO2, NOx, również pyły oraz substancje smoliste, w tym wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne (WWA) o wysokiej aktywności muta- i kancerogennej, których przedstawicielem jest benzo(a)piren. Emisja zanieczyszczeń z procesu spalania uzależniona jest nie tylko od jakości paliwa, ale przede wszystkim od parametrów procesu spalania determinowanych konstrukcją i rozwiązaniami technicznymi urządzenia. 1

dr inż. Juliusz Wójcik Politechnika Śląska, Wydział Organizcji i Zarządzania, Instytut Inżeynierii Produkcji ul. Roosevelta 26, 41-800 Zabrze, Polska tel.: +48 322 777 372, e-mail: [email protected]

Technická diagnostika strojů a výrobních zařízení – DIAGO® 2011

515

Kryteria jakości rozwiązań konstrukcyjnych określają własności i parametry pracy urządzenia w zakresie: − sprawności energetycznej, − wpływu na środowisko, − stopnia automatyzacji i niezawodności pracy, − dostępu do paliwa i możliwości jego magazynowania. Nowo budowane kotły węglowe powinny być nowoczesnymi urządzeniami grzewczymi wyposażonymi w system automatycznej regulacji procesu spalania i wydajności cieplnej. Przez pracę automatyczną urządzenia rozumie się ciągłą jego pracę bez ingerencji człowieka (załadunek paliwa, usuwanie odpadów paleniskowych). Urządzenie jest jedynie nadzorowane przez operatora, podobnie jak urządzenia grzewcze na paliwo ciekłe lub gazowe. Kotły nowoinstalowane u indywidualnych użytkowników, powinny mieć sprawność energetyczną nie niższą niż 75%. Wielkości dopuszczalnych emisji zanieczyszczeń dla urządzeń małej mocy, ustalane są przez władze lokalne w drodze rozporządzenia. 2. Konwersja energii Występowanie tlenku węgla i sadzy w spalinach oraz niedopalonego koksiku w odpadach paleniskowych dowodzi, że nie cała energia chemiczna zmagazynowana w paliwie została efektywnie wykorzystana. Występują więc straty energii, a ich wielkość ma wpływ na sprawność energetyczną urządzenia grzewczego. Sprawność energetyczna (cieplna) urządzenia grzewczego jest równa .

.

.

Q sp Qk Qk ηk = = ⋅ = η pal ⋅η wym , B ⋅ Wd B ⋅ Wd Q. sp

(1)

.

gdzie: Q k - moc kotła (strumień ciepła przejęty przez wodę w wymienniku ciepła), .

kW; B - strumień spalanego paliwa, kg/s; Wd - wartość opałowa paliwa, kJ/kg; Q sp - strumień ciepła gorących spalin, kW; η pal - sprawność paleniska; η wym - sprawność wymiennika ciepła. Sprawność paleniska

η pal = 100 − ( SCO + S p + Sot ) ,

(2)

uwzględnia straty niezupełnego SCO i niecałkowitego Sp spalania oraz straty ciepła do otoczenia Sot zależne od izolacji termicznej kotła a zwłaszcza obszaru komory paleniskowej, gdzie panują najwyższe temperatury. Spalaniu węgla towarzyszy wydzielanie się znacznej ilości palnych części lotnych, zawierających lekkie i ciężkie węglowodory. Zatem, na efekt cieplny składa się ciepło generowane w reakcjach hetero i homogenicznych. Niestety, można spotkać konstrukcje kotłów węglowych, w których komora reakcyjna nie jest przystosowana do spalania węglowodorów.

Technická diagnostika strojů a výrobních zařízení – DIAGO® 2011

516

Technická diagnostika strojů a výrobních zařízení – DIAGO® 2011

517

Głównym powodem emisji do atmosfery tlenku węgla i sadzy przy spalaniu węglowodorów jest zbyt bogata w paliwo mieszanka paliwowo-powietrzna. Stan taki może być wynikiem nieprawidłowo działających układów dozujących paliwo lub niedokładnym mieszaniem paliwa i utleniacza. W efekcie nawet przy dostatecznie wysokim współczynniku nadmiaru powietrza, lokalnie mieszanka będzie się spalała jak mieszanka bogata w paliwo, a więc uboga w utleniacz. Drugim, równie ważnym powodem emisji CO i sadzy jest nieodpowiednia konstrukcja komory paleniskowej lub nieodpowiedni dobór palnika do kształtu komory. Objawia się to całkowitym zanikiem martwej strefy w komorze, tj. obszaru gdzie nie zachodzą już reakcje spalania a front płomienia jest izolowany od chłodnych ścian strefą gorących spalin (Rys.1). Łańcuch przemian w płomieniu stykającym się z zimną ścianką komory, zostaje przerwany (szybkość reakcji bardzo szybko maleje) i w konsekwencji ulega znacznemu zwiększeniu emisja CO i sadzy. Skłonność do powstawania sadzy zwiększa się ze wzrostem masy cząsteczkowej spalanego węglowodoru, im wyższy stosunek C/H , tym większe stężenie sadzy w spalinach. Struktura dyfuzyjna płomienia sprzyja powstawaniu sadzy. Poniżej uszeregowano węglowodory od najmniejszej do coraz większej skłonności na wydzielanie sadzy: CH4 , C2H6 , C3H8 , C2H4 , C3H6 , C2H2 . Proces powstawania CO i sadzy wygodnie jest przedstawić na przykładzie spalania metanu. Przebieg spalania opisują reakcje elementarne (rodnikowe), których uproszczony schemat przedstawiono na Rys. 2. Sposób utleniania metanu zależy od tego jaki łańcuch reakcji elementarnych zapoczątkuje rodnik CH3 . Zarówno w płomieniach ubogich jak i bogatych w paliwo, utlenianiu metanu towarzyszy utlenianie węglowodorów wyższych. Z rekombinacji rodników CH3 i C2H5 mogą powstawać propan (C3H8) i butan (C4H10) [1,2]. Dla mieszaniny paliwowo-powietrznej bliskiej składu stechiometrycznego (z niewielkim nadmiarem powietrza) dominował będzie łańcuch przemian „A”. Dla mieszanin bogatych w paliwo, przy niedomiarze tlenu, dominować będą łańcuchy „B” i „C”. Prowadzą one do rozbicia jednych węglowodorów i powstania następnych, często o masie cząsteczkowej wyższej od cząsteczek wyjściowych. Łańcuchy przemian ciężkich węglowodorów są dłuższe, dlatego czas potrzebny na ich spalenie wydłuża się. Konstrukcja komory paleniskowej powinna uwzględniać te fakty. W konsekwencji, w obszarze reakcji homogenicznych powinna być wysoka temperatura oraz dostateczna ilość tlenu. Wymagania stawiane nowym konstrukcjom kotłów są następujące:

− dobre wymieszanie paliwa z utleniaczem, − zapewnienie szybkiej wymiany ciepła w komorze reakcyjnej między produktami i reagentami (np. wytwarzanie stref recyrkulacyjnych), − przy spalaniu paliw stałych, dostarczanie powietrza wtórnego w strefę reakcji homogenicznych celem dopalania tlenku węgla i spalania węglowodorów (produktów pirolizy węgla), − konstrukcja komory reakcyjnej powinna zapewniać istnienie strefy martwej, − w strefę reakcji heterogenicznych nie mogą ingerować elementy konstrukcyjne komory, mogące powodować wychładzanie strefy lub zaburzać proces mieszania paliwa i utleniacza, − duża ilość ciepła generowana w jednostce objętości komory reakcyjnej,

Technická diagnostika strojů a výrobních zařízení – DIAGO® 2011

518

− układy automatyki w kotłach węglowych powinny uwzględniać spalanie różnych typów węgla, różniących się zawartością części lotnych i części mineralnych. 3. Paleniska retortowe Schemat pracy typowej retorty przedstawiono na Rys. 3. Węgiel doprowadzany jest do retorty za pomocą podajnika ślimakowego. Powietrze pierwotne wtłaczane jest do komory zbiorczej, z której, poprzez układ dysz usytuowanych na obwodzie, doprowadzane jest do strefy reakcji heterogenicznych. Pewna część powietrza z komory zbiorczej wykorzystywana jest jako pneumatyczne uszczelnienie podajnika węgla. Szybkość dostarczania węgla jest równa szybkości jego spalania. Odpady paleniskowe są spychane na obrzeża retorty a następnie spadają do komory popielnikowej. Nad strefą reakcji heterogenicznych umieszczony jest deflektor spalin. Na nim cząsteczki pyłu wytracają swoją energię kinetyczną, przez co maleje ich udział w spalinach. Zabezpiecza on również strefę reakcji heterogenicznych przed wypromieniowaniem znacznej ilości ciepła do wymiennika ciepła umieszczonego powyżej. Dzięki temu w strefie spalania panuje wysoka temperatura umożliwiająca prawidłowy przebieg procesu konwersji energii chemicznej w cieplną.

Paleniska retortowe umożliwiają pracę urządzenia w trybie automatycznym, przez co funkcjonalnością nie ustępuje ono urządzeniom opalanych gazem ziemnym lub olejem opałowym. Powstało wiele konstrukcji kotłów z paleniskiem retortowym, wciąż powstają nowe konstrukcje. Niestety nie wszystkie można uznać za udane rozwiązania. Poniżej diagnozowaniu poddane są dwa przykłady rozwiązań palenisk retortowych. 3. 1. „Dopalacz“ W zamyśle projektantów „dopalacz” miał gwarantować dopalanie tlenku węgla w strefie reakcji homogenicznych nad powierzchnią żaru [4]. Faktycznie wychładza strefę reakcji hetero i homogenicznych na skutek odprowadzania i wypromieniowania ciepła do otoczenia. Na Fot. 1 przedstawiono retortę z tzw. dopalaczem. Dopalacz zbudowany jest z masy ceramicznej (Fot 1a). Usytuowany w strefie reakcji heterogenicznych (strefa żaru) Technická diagnostika strojů a výrobních zařízení – DIAGO® 2011

519

zaburza przepływ gazów do strefy reakcji homogenicznych, przez co wymieszanie gazów w tej strefie jest utrudnione. W efekcie spalanie węglowodorów i tlenku węgla jest niepełne. Na Fot. 1b widać charakterystyczny płomień dyfuzyjny w obrębie reakcji homogenicznych, w którym szybkość reakcji jest zbyt mała aby zagwarantować spalenie gazowych składników palnych.

Prawidłowy przebieg reakcji spalania pokazano na Fot. 2. Na skutek dobrej turbulencji gazów w strefie reakcji homogenicznych wymieszanie paliwa i utleniacza jest na tyle dostateczne aby płomień był kinetyczny. Szybkość reakcji jest duża a stopień wypalenia gazów palnych bardzo wysoki. Stosowanie mas ceramicznych w torze gorących spalin jest stosunkowo częste. Trudno o racjonalne wytłumaczenie takich działań, ponieważ masa ceramiczna nie generuje ciepła ale jest jego biorcą. To prawda, że ma dużą zdolność do akumulowania energii cieplnej, jednak kocioł jest urządzeniem przepływowym i wprowadzanie dodatkowych elementów inertnych jest zbyteczne. 3. 2. Ciasna komora reakcyjna Retorta ma budowę modułową dlatego stosunkowo łatwo jest ją adoptować do komory paleniskowej urządzenia grzewczego. Wielu producentów projektuje od podstaw swoje urządzenia, przywiązując duże starania o należyte rozwiązania konstrukcyjne komoTechnická diagnostika strojů a výrobních zařízení – DIAGO® 2011

520

ry reakcyjnej. Inne podejście polega jedynie na implementacji retorty do komory paleniskowej urządzenia, które wcześniej projektowane było z uwzględnieniem innej techniki spalania (palenisko rusztowe, palnik gazowy lub olejowy). W efekcie, pomimo zastosowania nowoczesnej retorty, urządzenie nie spełnia podstawowych kryteriów jakości zwłaszcza odnoszących się do sprawności energetycznej.

Na Fot. 3 pokazano komorę paleniskową kotła typu KMR-ECO [5]. W dolnej części komory umieszczono retortę. W obszarze komory paleniskowej widoczne są dwie strefy reakcji: heterogenicznych - spalania karbonizatu i homogenicznych – spalania produktów odgazowania węgla oraz dopalania tlenku węgla. Do komory doprowadzane jest jedynie powietrze pierwotne za pomocą dysz usytuowanych na obwodzie retorty, które zaopatruje w tlen obie strefy spalania. Zbyt duży strumień powietrza przepływający przez strefę reakcji heterogenicznych wychładza ją spowalniając przebieg reakcji. Obszar reakcji homogenicznych jest charakterystyczny dla płomieni dyfuzyjnych. Na skutek niedostatecznego wymieszania paliwa i utleniacza szybkość reakcji spalania kontrolowana jest przez dyfuzję co wydłuża w czasie proces konwersji energii. W górnej części komory widoczna jest część deflektora spalin. Cechą charakterystyczną komory reakcyjnej jest niewielka jej szerokość. Płomień styka się z chłodnymi ściankami komory, przez co proces spalania węglowodorów jest przerywany lub przebiega według wolniejszych schematów. W efekcie znaczna część paliwa nie ulegnie spaleniu, generowane są straty energii.

Technická diagnostika strojů a výrobních zařízení – DIAGO® 2011

521

Na Fot. 4 pokazano palenisko retortowe kotła typu CRE URZOŃ [6] z prawidłowo zaprojektowaną komorą reakcyjną. Retorta typu posadzkowego generuje warstwę żaru, który przesuwa się po posadzce komory. W posadzce znajdują się dysze powietrzne, zaopatrujące w tlen rozbudowaną strefę reakcji heterogenicznych. Obszar reakcji homogenicznych oddzielony jest od ścian komory strefą martwą. Płomień nie styka się z chłodnymi ścianami a do obszaru reakcji homogenicznych doprowadzane jest powietrze wtórne za pomocą układu dwóch dysz umieszczonych w narożach komory. Takie rozwiązanie zapewnia bardzo dobre wymieszanie paliwa i utleniacza. W efekcie stopień wypalenia węglowodorów jak i tlenku węgla jest wysoki.

Na Rys. 4 pokazano skuteczność konwersji energii w komorze paleniskowej obu typów kotłów w funkcji obciążenia cieplnego. Sprawność paleniska kotła CRE URZOŃ zmienia się w niewielkim zakresie (98% , 99%) co świadczy o wyjątkowo udanej konstrukcji i bardzo dobrej konwersji energii. Sprawność paleniska kotła KMR-ECO zależy od obciąże-

Technická diagnostika strojů a výrobních zařízení – DIAGO® 2011

522

nia cieplnego kotła. Wzrost obciążenia cieplnego powoduje zdecydowany spadek jakości konwersji energii.

Na Rys. 5 pokazano charakterystyki omawianych kotłów. Sprawność kotła CRE URZOŃ zawiera się w przedziale (80%, 85%) i można uznać to urządzenie za nowoczesne. Kocioł KMR-ECO posiada sprawność poniżej 70%. Taki wynik dowodzi, że nie spełnia on podstawowego wymogu stawianego nowobudowanym urządzeniom. 3. Wnioski Innowacje wprowadzane w urządzeniach małej mocy mają duże znaczenie w gospodarce energetycznej gmin. Z jednej strony możliwa jest redukcja kosztów ogrzewania, z drugiej - ograniczenie emisji substancji szkodliwych do atmosfery. Widoczne są również działania pseudo innowacyjne, wynikające bądź to z niekompletnej wiedzy nt. zjawisk zachodzących w procesie konwersji energii, bądź z chęci drastycznego ograniczania kosztów produkcji i rezygnacji z prac projektowych. Indywidualny odbiorca urządzeń często nie jest w stanie ocenić ich jakości i zdaje się na treści marketingowe producenta, które nie zawsze potwierdzają się w eksploatacji.

Technická diagnostika strojů a výrobních zařízení – DIAGO® 2011

523

Literatura: [1] Kordylewski Wł., Spalanie i paliwa, praca zbiorowa, Politechnika Wrocławska, 1993. [2] Westbrook Ch.K., Dryer F.L., Chemical kinetic modeling of hydrocarbon combustion, Prog. Energy Combustion Sci., vol.10, pp. 1-57, 1984. [3] Chomiak J., Podstawowe problemy spalania, PWN, Warszawa, 1977. [4] http://www.neotech-kotly.pl/p,s,produkty,s2,dopalacz.html [5] Wójcik J., Raport z badań technologiczno-procesowych kotła KMR-ECO 185 kW, Instytut Chemicznej Przeróbki Węgla, Zabrze 1998. [6] Wójcik J., Badanie energetyczno-emisyjne kotła CRE-URZOŃ 300kW, Raport, Instytut Chemicznej Przeróbki Węgla, Zabrze 1998. Recenze:

Ing. Zdeněk Noga, CSc. VŠB-TU Ostrava

Technická diagnostika strojů a výrobních zařízení – DIAGO® 2011

524