SPALANIE W KOTŁACH PYŁOWYCH

Transkrypt

1 SPALANIE W KOTŁACH PYŁOWYCH

2 Typy palenisk kotłowych Opalane węglem kotły mają następujące typy palenisk: rusztowe (stoker), pyłowe (PF, PC), fluidalne (FBB).

3 Dobór urządzenia do spalania do typu kotła Typ kotła Rusztowy Urządzenie do spalania ruszt Pyłowy palnik pyłowy Fluidalny złoŝe fluidalne

4 Czas przebywania paliwa w palenisku Paliwo/ palenisko Rusztowe min Komorowe s fluidalne pęcherzykowe min fluidalny cyrkulujące min Węgiel 2,2-3, ,5-3,0 4-5,5 Biopaliwo 2,5-3,5 - Olej opałowy Gaz ziemny - <1 - <1

5 SPALANIE NA RUSZCIE Paleniska z rusztem wędrownym

6 Przekrój przez kocioł rusztowy

7 Fazy spalania na ruszcie ruchomym Strefy spalania 1 suszenie, 2 odgazowanie, 3 spalanie, 4 popiół Wydajność kotła do 60 t/h.

8 Rozdział powietrza do spalania w kotle rusztowym Gas

9 Strop zapłonowy nad rusztem Mechanism of coal layer ignition by the furnace vault

10 Przykład kotła rusztowego WR 25 RAFAKO SA Rozdział powietrza pod ruszt

11 Spalanie węgla na ruszcie OR 32 RAFAKO SA

12 PALENISKA RETORTOWE

13 Zasada działania paleniska retortowego Skrzynia powietrzna Podajnik ślimakowy

14 Spalanie w palenisku retortowym

15 Kocioł z paleniskiem retortowym

16 Kocioł retortowy

17 PALENISKA PYŁOWE

18 Zadania palenisk pyłowych NajwaŜniejszym zadaniem paleniska kotłowego jest stworzenie odpowiednich warunków spalania przez: 1. Dostarczenie odpowiedniego strumienia paliwa do paleniska i przetrzymanie go w palenisku przez czas zapewniający wypalenie. 2. Dostarczenie odpowiedniego strumienia powietrza dla zapewnienia wymaganego nadmiaru powietrza i mieszania.

19 Paleniska kotłów pyłowych Współczesne kotły energetyczne to głównie wodnorurkowe kotły opromieniowane z paleniskiem komorowym, opalane pyłem węglowym. Palenisko komorowe na węgiel to: - palenisko pyłowe, czyli takie, w którym spala się pył węglowy

20 Fazy spalania pyłu węglowego Czas spalania pyłu węglowego moŝna podzielić na trzy okresy: I. Suszenie, odgazowanie i zapłon cząstek węgla, wymagany czas: 0,2 0,3 s. II. Intensywne mieszanie i spalanie mieszanki pyłu węglowego z powietrzem w czasie 0,5 1,5 s na distance 1 5 m z powstaniem jądra płomienia o temperaturze C. III. Wypalenie większych cząstek węgla i chłodzenie spalin w okresie 1-3 s na dystansie 2/3 opaleniska.

21 Struktura turbulentnego płomienia pyłowego

22 Przygotowanie mieszanki pyłowej

23 Przygotowanie pyłu węglowego Pył węglowy przygotowywany jest w młynach węglowych: a) bębnowo-kulowych b) misowo-kulowych (misowo-rolkowowych) c) wentylatorowych

24 Charakterystyka pyłu węglowego do pf 1. Rozkład ziaren paliwa po rozmiarze określa się formuła Rosina- Rammlera n R = 100 exp d d gdzie: R jest udział w % mas. cząstek o rozmiarze > d, d jest miarą rozdrobnienia (rozmiar, dla którego R równa się 100/e, tzn. 36,8%) 3. Rozdrobnienie węgla wg. PN (pozostałość na sicie o oczkach 90 i 200µm: a) kamiennego: R 90 = 25-30%, R 200 <8%, b) brunatnego: R 90 = 48-55%, R 200 = 25-32%, R 1000 <2-3%.

25 Rozkład Rosina-Rammlera cząstek węgla

26 Podatność przemiałowa paliwa stałego 1. Najczęściej stosowaną miarą zdolności przemiałowej węgla jest wskaźnik przemiałowości Hardgrove (HGI) 2. Jest to empiryczny wskaźnik określający zapotrzebowanie na energię do rozdrobnienia danego paliwa: 3. Pomiar wykonuje się w laboratoryjnym młynku 4. Im niŝsza wartość wskaźnika HGI tym mniejsza energia jest wymagana do przemiału, tym lepsza podatność przemiałowa paliwa

27 Znaczenie wilgoci dla rozdrabnia węgla 1. Wydajność młyna znacznie maleje, gdy zawartość wilgoci w paliwie przekracza 10%. 2. JeŜeli zawartość wilgoci przekracza 10% węgiel jest suszony w młynie: a) węgiel kamienny powietrzem gorącym ( o C) b) węgiel brunatny spalinami ( o C) 3. Czynnik suszący słuŝy takŝe do transportu pyłu węglowego do palników

28 Wybrane dane przygotowania mieszanki pyłowo-powietrznej Stan paliwa spalanego w palenisku: pył węglowy (pf). Sposób dostarczania do paleniska pf: przez palniki pyłowe. Transport pyłu węglowego do palnika: pneumatycznie, w przepływającym gazie (gorące powietrze, spaliny). Koncentracja pyłu w mieszance pyłowo-powietrznej: - węgiel kamienny: 0,5 kg/m 3 - węgiel brunatny: 0,2-0,3 kg/m 3

29 Parowy kocioł pyłowy Kocioł pyłowy o wydajności 650 t/h z paleniskiem tangencjalnym

30 Kocioł pyłowy z naściennym mocowaniem palników Opromieniowany kocioł pyłowy z paleniskiem z palnikami mocowanymi frontowo

31 Typy palenisk pyłowych Sposoby instalowania palników: na ścianach paleniska, na stropie paleniska, w naroŝach komory paleniskowej.

32 Geometria palenisk pyłowych Palniki mocowane a) naściennie, b) stropowo, c) naroŝnie

33 Systemy spalania pyłu węglowego w kotłach pyłowych W nowoczesnych kotłach pyłowych dominują dwa systemy spalania pyłu węglowego: paleniska pyłowe z naściennie mocowanymi palnikami wirowymi (na ścianach: frontowej, tylniej, bocznych), pyłowe paleniska tangencjalne z palnikami strumieniowymi (zwykle mocowanymi w naroŝach, w większych kotłach na ścianach).

34 Dobór palników do palenisk kotłowych Paleniska pyłowe Paleniska z palnikami mocowanymi naściennie: palniki wirowe Paleniska z palnikami mocowanymi stropowo: palniki strumieniowe paleniska tangencjalnie: palniki strumieniowe Palniki pyłowe palniki wirowe (mocowane naściennie) palniki strumieniowe(mocowane naroŝnie lub tangencjalnie na ścianach)

35 PALENISKA TANGENCJALNE

36 Paleniska tangencjalne a) b ) 1) 2) 3) Palenisko tangencjalne mocowaniem palników: 1 naroŝnym, 2 naroŝnie i na ścianach, 3 na wszystkich ścianach (all-walls)

37 Paleniska tangencjalne z naroŝnym mocowaniem palników a) b )

38 Paleniska tangencjalne a) b ) Charakter przepływu w palenisku

39 Skrzynia palnikowa a) b )

40 NaroŜnik tangencjalnej komory paleniskowej

41 Zasilanie pyłem palenisk tangencjalnych a) b ) NaroŜa z palnikami strumieniowymi młyny

42 Zalety palenisk tangencjalnych samo-stabilizacja płomieni pyłowych, opóźniony zapłon mieszanki pyłowo-powietrznej, opóźnione mieszanie mieszanki pyłowo-powietrznej i powietrza wtórnego, efektywne przekazywanie ciepła do ścian kotła, tolerancja na zmiany paliwa.

43 PALENISKA Z NAŚCIENNYM MOCOWANIEM PALNIKÓW

44 Paleniska pyłowe z mocowanymi naściennie palnikami wirowymi 1) 2) 3) 4) Paleniska pyłowe z palnikami wirowymi, mocowanymi: 1 frontowo, 2 przeciwlegle, 3 na ścianie przedniej i tylnej, 4 na kaŝdej ze ścian

45 Paleniska pyłowe z naściennie mocowanymi palnikami wirowymi

46 Palnik wirowy

47 Palniki wirowe mocowane naściennie

48 Zasilanie pyłem palenisk z palnikami wirowymi Palniki wirowe mocowane naściennie młyny

49 Paleniska pyłowe z naściennym mocowaniem palników Zalety paleniska pyłowego z naściennym mocowaniem palników wirowych: stabilny płomień z pojedynczego palnika, pewny zapłon mieszanki pyłowej, dobre mieszanie mieszanki pyłowej z powietrzem wtórnym, znaczne wypalenie w pobliŝu palnika, moŝliwość pracy kotła z małym obciąŝeniem.

50 PALENISKA STROPOWE

51 Palenisko stropowe zasada działania

52 Palenisko stropowe

53 Lokalizacja palników w palenisku stropowym

54 Zawartość części palnych w popiele lotnym 1. Dopuszczalna zwartość części palnych w popiele lotnym: 5% 2. Zawartość części palnych (UC, LOI) w popiele lotnym świadczy o prawidłowości doboru paleniska do węgla i jego wymiarowaniu. 3. Na wielkość UC wpływają przede wszystkim 3T: temperaturetemperatura, time-czas i turbulence turbulencja. 4. Inne czynniki wpływające na wypalenie to: właściwie dobrane obciąŝenie cieplne kotła, właściwe doprowadzenie powietrza do spalania rozdrobnienie węgla, a zwłaszcza udział największych frakcji dobór temperatury w palenisku (złoŝa)

55 PALENISKA CYKLONOWE

56 Zasada działania paleniska cyklonowego

57 Kocioł z paleniskiem cyklonowym

58 Paleniska cyklonowego w kotle pyłowym

59 Cyklonowy w kocioł pyłowy

60 Cyklonowy w kocioł pyłowy

61 Porównanie wybranych parametrów kotłów pyłowych i fluidalnych Typ kotła Parametr Kotły fluidalne ze złoŝem cyrkulującym Kotły fluidalne ze złoŝem pęcherzykowym Kotły pyłowe ObciąŜenie cieplne: q A, MW/m 2 1,8-2,5 1,2-1,5 3,-5,5 q v, MW/m 3 0,2-0,4 0,1-0,2 0,08-0,2 Rozmiar średni cząstek paliwa, 3-30 mm < 25 mm < 300 µm

62 KOROZJA WYSOKOTEMPERATUROWA W PALENISKACH PYŁOWYCH

63 ZagroŜenia korozją wysokotemperaturową Korozja wysokotemperaturowa w paleniskach węglowych występuje zawsze, ale w ostatnich dekadach wzrost zagroŝeń korozyjnych spowodowany: zastosowaniem niskoemisyjnych technik spalania, współspalaniem biomasy i odpadów z węglem, zwiększeniem parametrów pary do wartości nadkrytycznych (600 C, 26 MPa), a planowane jest przejście do parametrów ultra- nadkrytycznych (700 C, 30 MPa).

64 ZagroŜenia korozyjne kotłów pyłowych 1. Korozja wysokotemperaturowa zróŝnicowana ze względu na zakres temperatury w poszczególnych elementach kotła 2. Najbardziej zagroŝone korozją wysokotemperaturową są: w komorze paleniskowej: parownik (ekrany) nad komorą paleniskową: przegrzewacz

65 ZagroŜenia wywołane niskoemisyjnymi technikami spalania 1. W wyniku zastosowania niskoemisyjnych technik spalania atmosfera przy ścianach paleniska staje się redukcyjna, co sprzyja korozji. 2. W wyniku silnie redukcyjnej atmosfery przy ścianach paleniska tempo korozji moŝe zwiększyć się od wartości: 10 nm/h w warunkach normalnych, do 600 nm/h w warunkach redukcyjnych.

66 Efekty korozji niskoemisyjnej 8 nm/h 600 nm/h

67 Uszkodzenia ekranów w wyniku korozji niskoemisyjnej LP PP D A Grubość rury [mm] P.OL. P.OL. P.OL. P.OL. P.OL. P.OL. OFA OFA

68 WaŜniejsze rodzaje korozji występujących w kotłach opalanych paliwami stałymi Korozja siarczanowa Korozja niskoemisyjna Korozja chlorkowa

69 Korozja siarczanową Korozja siarczanowa ma związek z występowaniem w substancji mineralnej metali alkalicznych K i Na, które z siarką tworzą w palenisku siarczany Na 2 SO 4 i K 2 SO 4 kondensujące na powierzchni rur. Nie są one bezpośrednio korozyjne ze względu na wysoką temperaturę topnienia (Na 2 SO i K 2 SO C), ale w obecności SO 3 w pobliŝu powierzchni rur pirosiarczany i trójsiarczany.

70 Korozja siarczanową I. Pirosiarczany Na 2 SO 4 + SO 3 Na 2 S 2 O 7 (T topn = 389 C) K 2 SO 4 + SO 3 K 2 S 2 O 7 (T topn = 404 C) II. Trójsiarczany: sodowo- i potasowo-ŝelazowy temperaturze topnienia: 3Na 2 SO 4 + Fe 2 O 3 + 3SO 3 2Na 3 Fe(SO 4 ) 3 (T topn = 624 C) 3K 2 SO 4 + Fe 2 O 3 + 3SO 3 2K 3 Fe(SO 4 ) 3 (T topn = 618 C)

71 ZagroŜenia wywołane zastosowaniem parametrów nadkrytycznych pary korozja siarczanową

72 ZagroŜenia wywołane współspalaniem biomasy i odpadów z węglem korozja chlorowa Chlor (Cl 2 ) jest szczególnie korozyjny względem stali w wysokiej temperaturze. Powoduje tzw. aktywne utlenianie metalu niszczące ochronną warstwę tlenków, które zamieniają się w luźny, więc niechroniący osadu. Źródłem chloru molekularnego (Cl 2 ) przy powierzchni metalu jest obecny w spalinach chlorowodór (HCl) oraz występujące w osadach chlorki metali alkalicznych (K i Na).

73 Rola metali alkalicznych w korozji chlorkowej (i siarczanowej) Obecne w substancji mineralnej węgla (przede wszystkim w węglach kamiennych, w znacznie mniejszym stopniu w węglach brunatnych) i w wielu gatunkach biomasy metale alkaliczne, K i Na, pełnią waŝną rolę w mechanizmach korozji wysokotemperaturowej, poniewaŝ w osadach ulegają usiarczeniu stając się prekursorem korozji siarczanowej, lub korozji chlorowej będąźródłem Cl 2. Szczególnie występujący w biomasie potas K odgrywa aktywną rolę w korozji chlorowej

74 Mechanizm korozji chlorkowej Chlor dyfunduje przez osady do metalu i reaguje z nim Fe + Cl 2 FeCl 2 (s) Powstające na powierzchni metalu chlorki mają duŝe ciśnienie par w temperaturze 500 C, co powoduje,ŝe przechodzą do fazy gazowej oraz dyfundując przez ochronną warstwę magnetytu uszkadzają ją. Na drodze napotykają obszar bogaty w tlen, w którym chlorki są utleniane: 2FeCl 2 (g) + 3/2O 2 Fe 2 O 3 (s) + 2Cl 2 3FeCl 2 (g) + 2O 2 Fe 3 O 4 (s) + 3Cl 2 odtwarzając warstwę tlenkuŝelaza przy powierzchni rur.

75 Mechanizm korozji chlorkowej Jednak powstała w ten sposób warstwa tlenków Ŝelaza nie ma właściwości ochronnych, poniewaŝ jest porowata i luźna. Uwolniony w tej reakcji cząsteczkowy chlor dyfunduje z powrotem przez warstwę tlenków do metalu (rys.). Metal Szlaka Faza gazowa Fe Cr Cl 2 FeCl 2 CrCl 2 Cl 2 Fe O 2 3 O 2 Cr O 2 3

76 Przedsięwzięcia antykorozyjne w kotłach pyłowych 1. Zapewnienie utleniającej atmosfery przy powierzchniach ogrzewalnych. 2. Ograniczenie temperatury pary do około 537 C. 3. Stosowanie powłok ochronnych na rury. 4. Wprowadzenie do spalin dodatków (np. siarczanu amonu w przypadku korozji chlorkowej [*]) 5. Ograniczenie w paliwie udziału siarki, chloru i metali alkalicznych.

77 Nakładanie powłoki antykorozyjnej

78 Powłoka antykorozyjna: inconel

79 Powłoka antykorozyjna: ceramicznometaliczna

80 Powłoka antykorozyjna: uszkodzenia powłoki