Arkadiusz DYJAKON, Włodzimierz KORDYLEWSKI Instytut Techniki Cieplnej i Mechaniki Płynów Politechniki Wrocławskiej

Transkrypt

1 Arkadiusz DYJAKON, Włodzimierz KORDYLEWSKI Instytut Techniki Cieplnej i Mechaniki Płynów Politechniki Wrocławskiej PLAZMOWY ZAPŁON PŁOMIENI PYŁOWYCH Streszczenie W pracy przedstawiono motywacje do rozwoju plazmowych technik zapłonu pyłu węglowego i podtrzymania spalania w paleniskach pyłowych w energetyce oraz zasady działania plazmowych układów zapłonowych. Omówiono waŝniejsze korzyści wynikające z zastosowania plazmowych palników pyłowych oraz zwrócono uwagę na wpływ niektórych czynników na zapłon i podtrzymanie płomienia pyłowego. Przedstawiono wyniki badań własnych przeprowadzonych w skali laboratoryjnej w zakresie stabilizacji płomieni pyłowych dla węgla kamiennego, węgla brunatnego, pyłu drzewnego i łupka powęglowego. PLASMA IGNITION OF PULVERIZED FLAMES Summary The reasons for development of the plasma technology for ignition and stabilization of pulverized coal flame in coal-fired steam boilers are presented in the paper. The principle of pulverized coal-plasma burner operation and the influence of plasma on the ignition process of pulverized coal flame and its stabilization are described as well. The advantages resulting from coal-plasma torch apply and the possibility to reduction of the emission of pollutant to the atmospheric air are reported. Pulverized lignite, bituminous coal, wood and carbonaceous shale were used in the experiments. The results of the laboratory studies in the form of ignition and extinction characteristics of the investigated fuels are presented in the article. PLASMA ZÜNDUNG DER STAUBFLAMMEN Zusammenfassung In dem Artikel wurden die Ursachen der Plasmatechnikentwicklung für die Staubkohlezündung und Flammestabilisierung in der Staubfeuerungen und das Wirkungsprinzip der Staubplasmabrenner präsentiert. Die Vorteile der Plasmabrenneranwendung in der Energetik wurden auch besprochen. Die Resultaten der durchgeführten Laborforschungen über die Flammestabilisierung mit Plasma für verschiedenen Staubkraftstoffen wurden vorgestellt. 1. Wstęp Właściwości plazmy termicznej sprawiają, Ŝe moŝe ona znaleźć zastosowanie w technice spalania jako efektywny czynnik zapłonowy. Przykładem jest zastosowanie zapłonu plazmowego w tłokowych silnikach spalinowych i naddźwiękowych silnikach strumieniowych [1, 2, 3]. DuŜa koncentracja energii wewnętrznej w plazmie powoduje, Ŝe moŝe ona być równieŝ efektywnym czynnikiem do zapłonu i stabilizacji płomienia pyłowego. Efektywność zapłonu pyłu wyładowaniem elektrycznym stwierdzono juŝ wielokrotnie w badaniach poświęconych problematyce wybuchowej pyłów [4]. Zadanie to staje się jednak bardzo trudne, kiedy trzeba zapewnić powtarzalny i pewny zapłon pyłu węglowego o zmiennych Mgr inŝ. Arkadiusz Dyjakon, Politechnika Wrocławska I-2, ul. Wyb. Wyspiańskiego 27, -37 Wrocław, dyjakon@itcmp.pwr.wroc.pl Prof. dr hab. inŝ. Włodzimierz Kordylewski, Politechnika Wrocławska I-2, ul. Wyb. Wyspiańskiego 27, -37 Wrocław, wkord@itcmp.pwr.wroc.pl

2 właściwościach w takim urządzeniu, jak kocioł pyłowy. Biorąc pod uwagę znaczne strumienie pyłu węglowego przepływające przez palniki pyłowe oraz duŝe prędkości strumieni powietrza, plazmowe urządzenie zapłonowo-podtrzymujące musi mieć znaczną moc i działać przez dłuŝszy okres czasu. 2. Plazmowy rozruch kotłów pyłowych Doprowadzenie komory paleniskowej do odpowiedniego stanu termicznego jest niezbędnym procesem umoŝliwiającym uruchomienie palników pyłowych w kotle pyłowym. Jednak rozruch kotła pyłowego jest bardzo uciąŝliwy dla środowiska naturalnego ze względu na wysoką emisję sadzy i innych cięŝkich węglowodorów do atmosfery, co objawia się wyraźnym dymieniem z komina elektrowni. Powodem dymienia jest stosowanie do rozpalania kotła palników olejowych, które wymagają wyłączania elektrofiltrów. Palniki olejowe są równieŝ uruchamiane podczas pracy kotła z minimalnym obciąŝeniem do stabilizacji i podtrzymania płomienia pyłowego. Stosowanie palników gazowych do procesu rozruchu kotła nie powoduje zwiększonej emisji zanieczyszczeń, ale podwyŝsza koszty wytwarzania energii z powodu wysokiej ceny gazu i rygorystycznych przepisów dotyczących przesyłania i przechowywania gazu. Stosowanie palników olejowych czy gazowych w kotłach pyłowych jest na razie koniecznością pomimo ich wielu wad i niedogodności. W obydwu przypadkach, z punktu widzenia elektrowni węglowych, są to palniki wymagające dodatkowego paliwa, które jest droŝsze od pyłu węglowego i kłopotliwe w eksploatacji. Rozwiązaniem powyŝszych trudności moŝe być zastosowanie plazmowych palników pyłowych, które do zapalania pyłu węglowego wykorzystują termiczną plazmę wytwarzaną w wyładowaniu łukowym. Plazma ze względu na swoje własności jest źródłem energii o odpowiedniej mocy umoŝliwiającym, nie tylko zapłon pyłu węglowego, ale równieŝ stabilizację płomienia pyłowego. Takie rozwiązanie jest w stanie zastąpić powszechnie stosowane do tych celów palniki olejowe i gazowe. Plazma moŝe być równieŝ wykorzystana w palnikach olejowych jako źródło zapłonu rozpylonego oleju. Zapalarka plazmowa charakteryzuje się pewnością działania, małymi gabarytami i jest konkurencyjna dla tradycyjnych zapalarek wysokonapięciowych. 2. Oddziaływanie plazmy termicznej na pył węglowy Plazma w wieloraki sposób oddziałuje na mieszankę pyłowo-powietrzną stanowiąc pewne źródło zapłonu []. Pod względem energetycznym plazma termiczna posiada następujące właściwości: - temperatura do 2 K, - gęstość energii do 4 kw/cm 3 (co odpowiada ilości energii uzyskanej ze spalenia 2 ton węgla kamiennego), - wysokim współczynnikiem przenoszenia ciepła, - duŝą gęstością aktywnych jonów i elektronów dochodzącą do cm -3. Inną zaletą strumienia plazmy jest łatwość regulacji jego parametrów energetycznych, cieplnych i gazodynamicznych (temperatura, moc, strumień ciepła, prędkość, skład chemiczny i ciśnienie gazu roboczego) [6]. Wyładowaniom elektrycznym, a zwłaszcza łukowym towarzyszy wzrost temperatury (około 7 8% energii elektrycznej jest zamieniana w ciepło [7]), która ma znaczący wpływ na zmianę własności gazu np.: jego składu, przebieg reakcji i czas jej trwania. Ze względu na duŝą koncentrację energii i wysoką temperaturę, kontakt plazmy z mieszanką pyłową powietrzną prowadzi do szybko przebiegających procesów fizycznych i

3 chemicznych (rys. 1). Ponadto oddziaływanie plazmy na pył węglowy powoduje jego wyraźny wzrost reaktywności [8]. JONIZACJA (C +, H +, N +, O +, CO +, Si +, K +, O -, H -, N -,...) RODNIKI (H, O, N, C, OH, OH 2, CH, CH 3,...) PYŁ WĘGLOWY WYDZIELANIE CZĘŚCI LOTNYCH FRAGMENTACJA CZĄSTEK (<µm) SZYBKIE NAGRZEWANIE ( deg/s) Rys. 1. Oddziaływanie plazmy na pył węglowy 3. Plazmowe palniki pyłowe Plazmotron to urządzenie słuŝące do wytwarzania plazmy o określonej strukturze i temperaturze. Ze względu na formowanie się plazmy i jej lokalizację plazmotrony dzieli się na: - z łukiem zewnętrznym, - z łukiem wewnętrznym. Z powodu róŝnych warunków ich pracy do palników pyłowych moŝliwe jest zastosowanie tylko plazmotronu z łukiem wewnętrznym, którego schemat pokazano na rysunku 2. Na rysunku 3 przedstawiono zdjęcie plazmotronu uŝytego w badaniach oraz jego charakterystykę prądową i napięciową U 1 - plazma 2 - gaz roboczy 3 - wlot chłodzenia katody 4 - wylot chłodzenia katody - wlot chłodzenia anody 6 - wylot chłodzenia anody 1 Rys. 2. Schemat plazmotronu z łukiem wewnętrznym

4 a) b) NatęŜenie łuku, A Napiecie łuku, V I U Rys. 3. Plazmotron z wirowym doprowadzeniem gazu roboczego a) zdjęcie plazmotronu b) charakterystyka urwania łuku Strumień argonu, m 3 /h W celu zapoczątkowania procesu spalania pyłu węglowego naleŝy doprowadzić do niego odpowiednią porcję energii cieplnej. Istnieje moŝliwość wykorzystania do tego celu plazmy termicznej. Idea działania plazmowego palnika pyłowego polega na wprowadzeniu plazmy do przewodu (rys. 4), którym przepływa mieszanka pyłowo powietrzna w celu zapoczątkowania rozkładu termicznego węgla i zapłonu. W rezultacie otrzymuje się wydmuchiwany do wnętrza komory paleniskowej płomień pyłowy Rys. 4. Schemat działania plazmowego palnika pyłowego 1 plazmotron, 2 mieszanka pyłowo-gazowa, 3 powietrze pierwotne, 4 powietrze wtórne 4. Charakterystyka badanych paliw W badaniach laboratoryjnych, które przeprowadzono, uŝyto następujące paliwa: węgiel brunatny, węgiel kamienny, odpady drzewne oraz łupek powęglowy. Wymienione paliwa zostały odpowiednio przygotowane przez wysuszenie, zmielenie i rozfrakcjonowanie. Przeprowadzono równieŝ analizę techniczną przebadanych paliw, której wyniki przedstawiono w tabeli 1.

5 Tablica 1 Analiza techniczna uŝytych paliw stałych Rodzaj paliwa węgiel kamienny węgiel brunatny pył drzewny łupek powęglowy Miejsce pobrania Elektrociepłownia CZECHNICA Elektrownia TURÓW Zakład STOLBUD Cementownia WARTA Wartość opałowa W d MJ/kg 2,33 19,82 1,74 2,61 Ciepło spalania W c MJ/kg 26,19 21, 11,73 2,9 Wilgoć W a % 1,6 11,9 2,73 1,6 Części lotne V a % 24,9 4,4 46,7 11,24 Popiół A a % 24,64 19,46 47,4 78,12. Stanowisko badawcze Badania zostały przeprowadzone na stanowisku laboratoryjnym, którego schemat przedstawiono na rysunku. W badaniach wykorzystano plazmotron z łukiem wewnętrznym i wirowym doprowadzeniem gazu plazmotwórczego (argon) zasilany prądem stałym z zasilacza o mocy około 1 kw. 4 R A R G O N 1 Woda S 8 Z 2 Rys.. Schemat stanowiska laboratoryjnego: 1 plazmotron, 2 komora spalania z wymurówką, 3 fotodetektor, 4 podajnik pyłu, cyklon, 6 zasilacz plazmotronu, 7 spręŝarka powietrza, 8 układ zasilania podajnika pyłu Badania realizowano w ten sposób, Ŝe do komory spalania doprowadzono wytworzoną w plazmotronie o określonej mocy elektrycznej niskotemperaturową plazmę argonową, od której następował zapłon i spalanie mieszanki pyłowo powietrznej, a powstający płomień był wydmuchiwany na zewnątrz plazmowego palnika pyłowego (rys. 6). Moc elektryczna plazmotronu oraz strumienie pyłu i strumienie powietrza (pierwotnego i wtórnego) były mierzone i kontrolowane w sposób ciągły. Do detekcji płomienia pyłowego na wylocie komory spalania wykorzystano fotodiodę krzemową z kwarcowym światłowodem sprzęŝoną elektrycznie z komputerem PC. Dla stałego strumienia pyłu zwiększano, a następnie zmniejszano strumień powietrza tak, aby nastąpiło cofnięcie płomienia pyłowego do środka palnika. W efekcie otrzymano górną i dolną granicę występowania płomienia na wylocie z plazmowego palnika pyłowego.

6 Zmieniając odpowiednio strumień pyłu i moc elektryczną plazmotronu otrzymano rodzinę krzywych przedstawiających wpływ mocy cieplnej palnika, współczynnika nadmiaru powietrza oraz mocy elektrycznej plazmotronu N p na zakres występowania płomienia na wylocie z palnika. 6. Wyniki badań laboratoryjnych Rys. 6. Plazmotron laboratoryjny podczas pracy Przeprowadzone pomiary pozwoliły na sporządzenie charakterystyk (rys. 7-1) przedstawiających zakres stabilności płomienia na wylocie z plazmowego palnika pyłowego w zaleŝności od strumienia pyłu i współczynnika nadmiaru powietrza oraz mocy elektrycznej plazmotronu N p Zakres stabilności płomienia 1, kw 2, kw N p 2, kw 3, kw Rys. 7. Wpływ mocy plazmotronu na zakres stabilności płomienia pyłowego (węgiel kamienny, argon,8m 3 /h)

7 1 1, kw 1 Zakres stabilności płomienia 2, kw 2, kw N p 3, kw Rys. 8. Wpływ mocy plazmotronu na zakres stabilności płomienia pyłowego (węgiel brunatny, argon,8m 3 /h) 1 1, kw N p 2, kw Zakres stabilności płomienia 2, kw 3, kw Rys. 9. Wpływ mocy plazmotronu na zakres stabilności płomienia pyłowego (pył drzewny, argon,8m 3 /h) % % N p =3 kw Zakres 2 % stabilności płomienia % Rys. 1. Zakres stabilności płomienia pyłowego ze spalania mieszanki: łupek powęglowy/węgiel kamienny (udział łupka powęglowego w węglu kamiennym, moc plazmotronu N p 3kW, argon,8m 3 /h)

8 Na rysunku 11 dokonano porównania zakresu stabilności przebadanych paliw dla wybranej mocy plazmotronu N p Zakres stabilności płomienia Łupek powęglowy % Węgiel kamienny N p =3. kw Pył drzewny Węgiel brunatny Wnioski i podsumowanie Rys. 11. Porównanie zakresu stabilności przebadanych paliw (moc elektryczna plazmotronu 3,kW, argon,8m 3 /h) Z przeprowadzonych badań nad zapłonem i stabilnością płomieni pyłowych moŝna wyciągnąć następujące wnioski: - niskotemperaturowa plazma moŝe być z powodzeniem wykorzystywana jako źródło zapłonu pyłów węgli brunatnych, kamiennych i innych (w tym niŝszej kaloryczności), - podtrzymanie i zakres stabilności płomienia pyłowego jest w szerokim zakresie współczynnika nadmiaru powietrza, - duŝy wpływ na zakres stabilnej pracy plazmowego palnika pyłowego ma udział części lotnych (większy zakres stabilności dla pyłu węgla brunatnego związany jest z większą zawartością części lotnych w paliwie), - plazmowe palniki pyłowe wykazują duŝą stabilność dla mieszanek bogatych, - moc elektryczna plazmotronu znacząco wpływa na zakres stabilności płomienia pyłowego. Wyniki wykonanych badań laboratoryjnych wskazują, Ŝe zastosowanie termicznej plazmy w energetyce zawodowej do stabilizacji procesu spalania paliw stałych jest moŝliwe i wydaje się być zachęcające. Korzyści wynikają z eliminacji dodatkowego paliwa z układu kotłowego i ze zmniejszenia uciąŝliwości dla środowiska naturalnego układu rozpałkowego. WdroŜenie tego nowego systemu rozruchu i podtrzymania płomienia pyłowego w warunkach krajowych wymagać jednak będzie szerokich badań w skali przynajmniej półtechnicznej oraz pewnych nakładów finansowych celem opracowania takiego systemu i rozwiązania pewnych problemów technicznych. NajwaŜniejsze problemy to: trwałość elektrod plazmotronu i energochłonność układu. Intensywny rozwój inŝynierii materiałowej i zasilaczy elektronicznych moŝe w tym zakresie przyczynić się do zmniejszenia kosztów inwestycyjnych i wydłuŝenia czasu pracy plazmowych palników pyłowych.

9 LITERATURA 1. Merkisz J.: Silniki tłokowe. red. P. Wolański, Problemy spalania w silnikach spalinowych, Ekspertyza PAN, Warszawa, 2 2. Wagner T.C., O Brien W.F.: Plasma torch igniter for scramjets, Journal of Propulsion and Power, Vol., No., Sept. Oct., Takita K.: Ignition and flame holding by oxygen, nitrogen, and argon plasma torches in supersonic airflow, Combution and Flame, Vol. 128, s , Klemens R., P. Wolański.: Flame structure in dusted and hybrid-air mixtures near lean flammability limits, 1 th ICDERS, Berkeley, California, Aug. 4-9, 199. śelkowski J., Storm A., Mauritz O.: VGB Power Tech, 1, Karpenko E.I., Messerle V.E.: Vvedenie w plazmenno-energetičeskie technologii toplivoispolzovanija, Vostočno-Sibirskij gosudarstvennyj technologičeskij universitet, Jacob A.: Processing with plasma, The Chemical Engineer, 3 May, s.33 3, Karpenko E.I., Bujantujev S.L., Cydyrov D.B.: Ocenka effektivnosti elektrodugovoj plazmy pri predvaritelnoj podgotovke uglej k sžiganiju, Električeskie stancii, nr 11, s.7 1, 1996