Wpływ spalania biomasy na bezpieczeństwo procesu technologicznego w elektrowni konwencjonalnej

Transkrypt

1 GAD Stanisław 1 PAWLAK Agnieszka 2 Wpływ spalania biomasy na bezpieczeństwo procesu technologicznego w elektrowni konwencjonalnej WSTĘP Zdarzenia wybuchów i pożarów w elektrowniach zawodowych pozwalają stwierdzić, że spalanie biomasy stanowi zagrożenie dla zdrowia i życia ludzkiego. W styczniu 2010 roku doszło do eksplozji w Nowym Czarnowie koło Gryfina w elektrowni Dolna Odra. Zniszczeniu uległy dwa budynki przesypowni węgla, jedna osoba zginęła, trzy zostały ranne. Przyczyną wybuchu był przedmuch rozgrzanego powietrza z młyna do zasobnika paliwowego, a następnie zapalenie materiału w przestrzeni zasobnika. Ze względu na zwiększoną skłonność do samozapłonu doszło do wybuchu na ciągu nawęglania, którym mieszanina węgla i biomasy podawana była do kotłów. Podobny scenariusz wydarzeń miał miejsce w Elektrowni Rybnik, na szczęście bez tragicznych skutków. W styczniu 2011 roku wskutek przerwy w dostawie mieszanki biomasy z węglem do zespołu młynowego nastąpił wybuch w zasobniku z paliwem zespołu młynowego nr 2 bloku energetycznego nr 6 w Elektrowni Rybnik S.A. Następstwem tej przerwy był szybki wzrost temperatury mieszanki pyłowo- powietrznej i jej zapłon w młynie węglowym. Przedmuch powietrza od młyna w kierunku zasobnika z paliwem spowodował wybuch w zasobniku przykotłowym, a następnie uniesienie obłoku i zapłon w przestrzeni nad zasobnikiem. Zapaleniu uległy taśmy taśmociągów dwóch przenośników oraz kable instalacji elektrycznych. Pożar nie przeniósł się na galerię nawęglania dzięki temu, że pył nie zalegał na elementach konstrukcyjnych galerii. W lipcu 2012 wybuch i pożar w elektrowni Turów w Bogatyni koło Zgorzelca spowodowany został wybuchem pyłu w dziale nawęglania biomasą. Poparzeniom uległy cztery osoby. Zniszczony został przenośnik taśmowy węgla. Do wybuchu doszło w remontowanym bloku energetycznym nr 1, który był wyłączony z eksploatacji, jednak ogień przeniósł się na dach sąsiedniego bloku energetycznego. Elektrownia Turów to blokowa elektrownia cieplna, wyposażona w osiem bloków energetycznych bloki 5 i 6 są przystosowane do współspalania biomasy leśnej i rolnej [3]. Te skłaniające do myślenia wydarzenia podniosły świadomość i wzmogły zainteresowanie bezpieczeństwem spalania biomasy w energetyce zawodowej. 1. ANALIZA DOŚWIADCZEŃ SPALANIA BIOMASY W WYBRANEJ ELEKTROWNI ZAWODOWEJ W miejscach szczególnie narażonych na występowanie zagrożeń wybuchowych i pożarowych należy podjąć działania mające na celu zapewnienie bezpiecznej pracy ludzi oraz sprzętu. Spalanie biomasy, a szczególnie jej procesowa obróbka przyczyniają się do występowania palnych mieszanin gazów lub pyłów z powietrzem. Doświadczenia w elektrowniach stosujących ekologiczne paliwo do wytwarzania energii elektrycznej lub cieplnej pokazują, iż bezpieczeństwo użytkowania osprzętu zdecydowanie zmalało w porównaniu z sytuacją sprzed wdrożenia spalania biomasy. Na rysunku 1 przedstawiono na osi czasu, zdarzenia wybuchów, zapłonów, pożarów oraz odpaleń w młynach, podczas realizacji projektu Biomasa w wybranej elektrowni zawodowej. 1 Politechnika Świętokrzyska w Kielcach, Wydział Elektrotechniki Automatyki i Informatyki, Al lecia Państwa Polskiego 7, Kielce, sgad@tu.kielce.pl 2 Politechnika Świętokrzyska w Kielcach, Wydział Elektrotechniki Automatyki i Informatyki, Al lecia Państwa Polskiego 7, Kielce, a.pawlak85@gmail.com 1864

2 Rys. 1. Występowanie pożarów, wybuchów, zapłonów i odpaleń w wybranej elektrowni zawodowej [5] Zgodnie z danymi przedstawionymi na rysunku 1 do miejsc o podwyższonym ryzyku wybuchowo pożarowym należy zakwalifikować zespoły młynowe, zasobniki paliwowe, silosy, przenośniki i przesypy, galerie przykotłowe. Jednak najczęstszym miejscem występowania niebezpiecznych zdarzeń są instalacje młynowe. Biomasa odkładając się na wewnętrznych częściach młyna stwarza warunki do zapłonu. Zaobserwowano zapalanie się mieszanki paliwowej zarówno podczas odstawiania zespołów młynowych jak i podczas rozruchu młyna. Wnętrze młyna pokazano na rysunku 2. Rys. 2. Widok wnętrza młyna z zalegającą mieszanką paliwową W systemie nawęglania mogą tworzyć się wybuchowe atmosfery gazowe poprzez mieszanie się powietrza z gazowymi związkami palnymi, powstającymi w procesie rozdrabniania paliwa. O wielkości stężeń elementów palnych w mieszance stanowi dolna i górna granica wybuchowości. Dolna granica wybuchowości jest najniższym stężeniem gazu lub pary w powietrzu, poniżej którego nie jest możliwy zapłon mieszaniny i powstanie gazowej atmosfery wybuchowej. Górna granica natomiast określa najwyższe stężenie gazu lub pary w powietrzu, powyżej którego nie jest możliwy zapłon mieszaniny i dalsze samoczynne rozprzestrzeniane płomienia (przykładem stężeniowych granic wybuchowości dla wodoru jest przedział od 4% do 75,6% obj., dla tlenku węgla od 12,5% do 75% obj., dla metanu od 5% do 15% obj.) [7]. Ponieważ biomasa jest rodzajem substancji stałej, w której węgiel jest jednym z podstawowych pierwiastków budulcowych, w miejscu gdzie zachodzi cykl przemian w obecności wysokiej 1865

3 temperatury może dochodzić do zgazowania lub pirolizy niskotemperaturowej. Przemiana substancji stałych jak i ciekłych w gaz syntezowy nosi nazwę zgazowania. W procesie tym, gdy prowadzony jest celowo, czynnikiem zgazowującym jest powietrze, tlen lub para wodna, ale zgazowanie może zachodzić także samoistnie w obecności powietrza czy czynnika parowego. Czynnik parowy może pochodzić z wilgoci powierzchniowej zawartej w ekologicznym nośniku energii lub z części wody związanej z materiałem biomasowym w formie związków uwodnionych. Gaz wyjściowy jest mieszaniną gazów palnych wodoru, tlenku węgla, dwutlenku węgla i metanu. Ponadto biomasa współspalana z węglem kamiennym, trafiająca do instalacji młynowej cechuje się niższymi temperaturami rozkładu termicznego niż temperatura rozkładu węgla. Jedną ze stref zgazowania biomasy jest piroliza, podczas której zostają uwolnione gazowe części lotne w atmosferze beztlenowej w temperaturze od 200 C do 600 C [2], podczas gdy temperatura w młynie sięga 300 C, co sprzyja zjawisku powstawania gazu pirolitycznego. Na ilość uzyskanych w procesie pirolizy składników wpływa temperatura, skład pierwiastkowy biomasy, czas reakcji. Termiczna przemiana pirolizy pozwala uzyskać gazy (CO, H 2, CH 4, CO 2 ), jak również parę wodną, opary aromatów (benzen, toluen, ksylen), smoły, oleje, wodę pogazową, węgiel drzewny, koks, półkoks i składniki mineralne [2]. Ważnym etapem w świadomie prowadzonym zgazowaniu jest szereg reakcji spalania i redukcji realizowanych przy niedomiarze tlenu w obecności pary wodnej lub CO 2, w temperaturze wyższej niż 750 C, prowadzące do przemiany produktów stałych i ciekłych pirolizy do wodoru, tlenku węgla i metanu. 2. ZAGROŻENIA GAZOWE I PYŁOWE Współspalanie biomasy z węglem kamiennym w konwencjonalnej elektrowni parowej powoduje powstawanie zagrożeń typu gazowego i pyłowego. Zagrożenia gazowe są efektem termicznej destrukcji paliwa, podczas której dochodzi do uwalniania palnych substancji gazowych (dla biomasy ta temperatura wynosi od 200 C do 400 C). Dodatkowym zagrożeniem jest zwiększone ciśnienie w układzie, podnoszące prawdopodobieństwo zaistnienia zapłonu mieszanki gazowej. Zagrożenia pyłowe są związane z poszczególnymi etapami procesu obróbki paliwa. Pierwsza faza dotyczy składowania i przechowywania biomasy na specjalnie przygotowanych do tego celu miejscach, w przestrzeniach otwartych lub zamkniętych silosach. Zadaszeń wymaga zazwyczaj biomasa przetworzona, którą należy chronić przed wilgocią z atmosfery. W zamkniętych zbiornikach mogą tworzyć się atmosfery wybuchowe, związane z nagromadzeniem pyłów w małej przestrzeni. Po wprowadzeniu spalania biomasy w elektrowni konwencjonalnej pojawiło się ryzyko zagrożeń pożarowych, wynikających ze składowania, przygotowania i transportu zielonego paliwa oraz mielenia go w układzie młynowym kotła [6]. Zgromadzone ekologiczne paliwo ma skłonność do samozapłonu, z tego względu producenci energii i ciepła powinni unikać długotrwałego przechowywania biomasy w wysokich hałdach, kontrolować wewnętrzną temperaturę zwałowiska, lub jeśli zachodzi taka konieczność przesypywać masę (zalecana wysokość składowiska nie powinna przekraczać 4 metrów) [4], [6]. Istotnym parametrem pozostaje temperatura samozapłonu obłoku pyłu i zapłonu warstwy pyłu biomasy jak i wielkość minimalnej energii do zapłonu iskrowego i wybuchu mieszanki biomasowej [1]. Przygotowanie i transport biomasy przed podaniem jej do zespołu młynowego także powoduje powstanie dużego stężenia palnego pyłu. Zagrożenie powstania pożaru zwiększa się z powodu wysokiej zawartości części lotnych w ekologicznym nośniku energii. Spalana biomasa może być dostarczana do obiektów energetycznych w postaci wymagającej rozdrobienie jej do określonego wymiaru zrębków. Proces ten realizowany jest w rębakach, instalacjach wysoce narażonych na pożary. Jeżeli ekopaliwo przenoszone jest podajnikami pneumatycznymi na uwagę zasługuje zjawisko rozchodzenia się płomienia na takim transporterze. Prędkość czoła płomienia może być większa od prędkości czynnika transportującego [4], [6]. W przykotłowej instalacji młynowej następuje połączenie zagrożeń gazowych i pyłowych. Ekologiczny surowiec energetyczny ma skłonność do gromadzenia się w komorze przemiałowej oraz 1866

4 komorze pirytowej, a z racji małej zawartości popiołu i wysokiej zawartości części lotnych podnosi ryzyko wystąpienia pożaru. Związki palne zawarte w mielonym materiale mogą dodatkowo wydzielać się pod wpływem wysokiej temperatury, lub pod wpływem zachodzących reakcji egzotermicznych. 3. URZĄDZENIA ROZPOZNAWANIA I USUWANIA ZAGROŻEŃ Do najważniejszych sposobów zwiększenia bezpieczeństwa stosowania spalania biomasy z węglem kamiennym i zmniejszenia ryzyka pożarowego i wybuchowego należą urządzenia identyfikacji i eliminacji ewentualnych zagrożeń. W miejscach szczególnie narażonych na istnienie warunków wybuchowych stosuje się zalecenia dyrektywy ATEX ( Atmosphere Explosible ), określających przestrzenie wybuchowe, wprowadzających podział na grupy i kategoryzację urządzeń do pracy w atmosferach wybuchowych oraz podających wymagania dla produktów używanych w strefach zagrożonych wybuchem. Dyrektywa ATEX 95 to Dyrektywa 94/9/EU Parlamentu Europejskiego i Rady (z dnia r.) w sprawie zbliżenia ustawodawstw państw członkowskich dotyczących urządzeń i systemów ochronnych przeznaczonych do użytku w przestrzeniach zagrożonych wybuchem obowiązująca w krajach UE od 1 lipca 2003 roku wprowadzoną do polskiego prawodawstwa Rozporządzeniem Ministra Gospodarki (z dnia 22 grudnia 2005r.) w sprawie zasadniczych wymagań dla urządzeń i systemów ochronnych przeznaczonych do użytku w przestrzeniach zagrożonych wybuchem, obowiązującym w Polsce od 1 stycznia 2006 roku [4]. Drugą Dyrektywą traktującą w tym zakresie jest Dyrektywa ATEX /92/EU (z dnia r.) w sprawie minimalnych wymagań dotyczących bezpieczeństwa i ochrony zdrowia pracowników zatrudnionych na stanowiskach pracy, na których może wystąpić atmosfera wybuchowa wprowadzoną do polskiego prawodawstwa Rozporządzeniem Ministra Gospodarki, Pracy i Polityki Społecznej (z dnia 29 maja 2003 roku) w sprawie minimalnych wymagań dotyczących bezpieczeństwa i higieny pracy pracowników zatrudnionych na stanowiskach pracy, na których może wystąpić atmosfera wybuchowa obowiązującym w Polsce od 25 lipca 2003 roku [4]. Dyrektywy ATEX 95 i ATEX 137 odnoszą się zatem do miejsc, gdzie mogą być produkowane lub przechowywane substancje, które wytwarzają z powietrzem, lub z innym utleniaczem związki wybuchowe. Taką strefą jest z całą pewnością obszar procesu technologicznego współspalania biomasy w elektrowni konwencjonalnej, wraz z całą strukturą eksploatacyjną. Rys. 3. Instalacja azotu do gaszenia pożaru w silosie buforowym oraz klapy eksplozyjne na silosie buforowym [5] 1867

5 Rys. 4. Przykłady instalacji odpylania [5] Magazynowanie biomasy w zasobnikach zamkniętych może być przyczyną powstawania atmosfer wybuchowych (zgodnie z Dyrektywa ATEX pyły drzewne należą do substancji, które mogą utworzyć z powietrzem mieszaninę wybuchową). W tym zakresie procesu konieczne jest zastosowanie wykrywaczy płomienia oraz instalacji gaszącej. Na rysunku 3 przedstawiono przykład instalacji azotu do gaszenia pożaru w silosie buforowym oraz klapy eksplozyjne na silosie buforowym. W budynkach rębaków, o dużym zapyleniu powinny znaleźć się systemy mgłowe, zraszaczowe lub tryskaczowe, zmniejszające zawartość pyłu w powietrzu oraz, podobnie jak w przypadku silosów, wykrywacze iskier i systemy gaszenia iskier. Środkami obniżającymi ryzyko wystąpienia pożaru są instalacje odpylania i odkurzania. Przykłady takich instalacji zaprezentowano na rysunku 4. W przypadku układu młynowego można zastosować zmiany w procedurach uruchamiania i odstawiania zespołów mielenia (więcej na ten temat można znaleźć w [4]). W zakres systemów ochrony mogą wchodzić układy tłumienia i odsprzęgania wybuchów, urządzenia gaśnicze, układy detekcyjne i powiadamiające o pożarze. Systemy monitorujące strefy zagrożenia mogą usprawnić identyfikację niebezpiecznych zdarzeń. Obiekt ten, jak pokazują doświadczenia energetyki zawodowej, charakteryzuje się wysokim ryzykiem wystąpienia wybuchu i pożaru. Rysunek 5 pokazuje wybrane elementy systemu ochronnego w instalacji młynowej (butle HRD, butle SRD, detektory, centrala sterująca) oraz podajniki paliwa do młynów węglowych z barierami ogniowymi. Rys. 5. Elementy systemu ochronnego w instalacji młynowej. Podajniki paliwa do młynów węglowych z barierami ogniowymi. [5] 1868

6 Rys. 6. Obudowy przesypów i zasypów zasobników paliwa na galerii przykotłowej. Awaryjny, automatyczny zrzut biomasy z silosa buforowego. [5] Jeśli wziąć pod uwagę przenośniki transportujące biomasę i punkty przesypowe paliwa, urządzenia takie również należy chronić przed niepożądanymi skutkami zagrożeń wybuchowych, a przede wszystkim podjąć środki zmniejszające prawdopodobieństwo zaistnienia pożaru czy wybuchu. Obudowy czy osłony podajników pomagają utrzymać porządek i czystość a szczególnie zmniejszają zapylenie, będące przyczyną powstawania osadów na różnych elementach instalacji transportowej. Zastosowanie ognioodpornych klap, w przypadku ewentualnego wybuchu pożaru może zapobiec rozprzestrzenieniu się ognia na inne urządzenia i pozostałe sekcje linii transportującej. Obudowy przesypów i zasypów zasobników paliwa na galerii przykotłowej oraz awaryjny, automatyczny zrzut biomasy z silosa buforowego wskazano na rysunku 6 [5]. WNIOSKI Współspalanie biomasy z węglem w konwencjonalnych elektrowniach wiąże się z ryzykiem występowania wybuchów i pożarów. W przedsiębiorstwach, na terenie których występują strefy zagrożone takimi zjawiskami, nadrzędnym celem powinno być zapewnienie bezpiecznych warunków pracy ludzi i urządzeń znajdujących się w tym obszarze. Środki bezpieczeństwa dotyczą szczególnie dwóch kluczowych pól. Pierwszym jest zapobieganie powstawania przestrzeni wybuchowych oraz eliminacja potencjalnych źródeł zapłonu, drugim wprowadzenie procedur i urządzeń minimalizujących skutki wybuchu. Istnieje możliwość wdrożenia korekt aktualnych procedur i zmian dotychczasowych algorytmów pracy systemów. Gospodarka biomasą, jako paliwem o innych właściwościach fizycznych i chemicznych w elektrowniach, ciepłowniach i elektrociepłowniach, które przystosowane były do spalania wyłącznie paliwa konwencjonalnego (np. węgla kamiennego lub węgla brunatnego), przyczynia się do tworzenia stref niebezpiecznych, zagrożonych pożarem lub wybuchem. Wymagany jest odpowiedni dobór rozwiązań urządzeń ochronnych. W pracy wskazano wybrane elementy zapobiegawcze i chroniące instalację, która obsługuje ekologiczny surowiec w GDF SUEZ Energia Polska S.A. Elektrowni Połaniec. Zastosowanie określonego systemu ochrony zależy od lokalizacji urządzeń, które mają być zabezpieczane, budowy i warunków pracy chronionego urządzenia, właściwości materiałów, które są eksploatowane w danym urządzeniu. Streszczenie W pracy poruszono problem powstawania niebezpiecznych miejsc zagrożonych pożarem lub wybuchem, przy spalaniu biomasy w typowej elektrowni zawodowej. Zdarzenia wypadków nasilają potrzebę zapewnienia bezpieczeństwa wytwarzania energii elektrycznej z ekologicznego paliwa. W artykule przeanalizowano przyczyny powstawania zagrożeń pyłowych i gazowych. Zaproponowano przykładowe środki zapobiegawcze i zabezpieczające elementy instalacji, która transportuje biomasę. 1869

7 Impact of biomass burning on the technological process security in conventional power plant Abstract This paper deals with the problem of the formation of dangerous at risk fire or explosion places, when biomass is burned in the conventional power plant. The accident cases intensify the need to ensure the safety of generating electricity from clean fuel. The article analyzes the causes of the creation of dust and gas hazards. The authors propose examples of preventive and protective measures of the system components which transports a biomass. BIBLIOGRAFIA 1. Gad S.,Pawlak A.: System transportowy w instalacji przygotowania i dozowania biomasy, Logistyka, 3/ Głodek E.: Zgazowanie biomasy Przewodnik, Oddział Inżynierii Materiałowej, Procesowej i Środowiska, Opole, lipiec 2010, Poradnik współfinansowany przez Unię Europejską w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego; Program Operacyjny Kapitał Ludzki; Priorytet Regionalne kadry gospodarki; działanie 8.2 Transfer wiedzy; Podziałanie Wsparcie dla współpracy sfery nauki i przedsiębiorstw Materiały przygotowane przez pracowników GDF SUEZ Energia Polska S.A. Elektrowni Połaniec: Odnawialne źródła energii w aspekcie bezpieczeństwa pracy ludzi oraz maszyn i problemów technicznych w Elektrowni Połaniec, Zawada, 25 kwietnia 2012 r. 6. Zuwała J.: Bariery technologiczne współspalania biomasy w energetyce na podstawie doświadczeń IChPW, Kogeneracja i współspalanie kierunki rozwoju energetyki, 13 maja 2008 r., Poznań, Międzynarodowe Targi Poznańskie 7. Zuwała J.: Biomasa w energetyce zawodowej, Szkolenie pt. Ochrona przeciwwybuchowa w energetyce zawodowej oraz ochrona urządzeń i instalacji przed występowaniem ładunków statycznych, Wrocław, r. 1870