Referat konferencyjny: Efektywność energetyczna 2009, Kraków IX 2009 Druk w: Prace Instytutu Nafty i Gazu; nr 162, 2009, s.

Transkrypt

1 Zastosowanie plazmotronu wnękowego do zapłonu muflowego palnika pyłowego Przemysław KOBEL, Włodzimierz KORDYLEWSKI, Tadeusz MĄCZKA Politechnika Wrocławska, Instytut Techniki Cieplnej i Mechaniki Płynów przemyslaw.kobel@pwr.wroc.pl, wlodzimierz.kordylewski@pwr.wroc.pl, tadeusz.maczka@pwr.wroc.pl Streszczenie: Opisano budowę oraz zasadę działania prototypowego plazmotronu wnękowego stosowanego do zapłonu węglowej mieszanki pyłowo-powietrznej. Przedstawiono próby zapłonu węglowego palnika pyłowego w zależności od parametrów przepływowych i mocy plazmotronu. Na podstawie wykonanych prób i przeprowadzonej analizy podano zoptymalizowane parametry zapewniające skuteczny zapłon muflowego palnika pyłowego i jego stabilną pracę. Abstract. A construction of the prototype plasmatron used to ignition of pulverized coal fuel-air mixture in coal burner is presented. The tests of ignition of pulverized coal fuel-air mixture and relationship between flow parameters and power of plasmatron is presented. On the basis of tests and its analysis the optimal parameters of effective plasma ignition of pulverized coal fuel-air mixture in coal burner are given. Słowa kluczowe: plazmotron, zapłon pyłu węglowego, palnik węglowy Keywords: plasmatron, ignition of pulverized coal fuel-air mixture, coal burner 1. Wstęp Wzrost ceny ropy naftowej spowodował zainteresowanie energetyki węglowej systemami rozruchu kotłów pyłowych eliminującymi użycie olejów opałowych (mazutu). Również promowane działania proekologiczne prowadzą do zaostrzania norm dotyczących ochrony środowiska zmuszając do poszukiwania alternatywnych metod rozruchu. Z ekonomicznego, energetycznego i ekologicznego punktu widzenia najkorzystniejsze byłoby uruchamianie kotła wyłącznie przy użyciu pyłu węglowego. Jest to jednak trudne, ponieważ wymaga zapewnienia pewnego zapłonu i stabilnego działania palnika pyłowego przy zimnym kotle. Wiąże się to z zastosowaniem dodatkowego źródła zapłonu o dużej mocy, wystarczającego na pokrycie strat energii do otoczenia. Takim źródłem zapłonu może być plazmowy system rozruchowy, który umożliwia uruchomienie kotłów wyłącznie z użyciem pyłu węglowego. Wyeliminowanie mazutu z procesu rozruchu kotła znacznie ogranicza emisję zanieczyszczeń w czasie stabilizacji pracy kotła. Zatem rozwiązanie takie umożliwia redukcję kosztów zarówno inwestycyjnych, jak i eksploatacyjnych [1]. Zastosowanie bezpośredniego plazmowego systemu rozruchowego w dużych jednostkach energetycznych spalających węglowe mieszanki pyłowo-powietrzne może również przyczynić się do poprawy stabilności płomienia przy minimalnym obciążeniu kotła, zmniejszenia emisji zanieczyszczeń do środowiska i stabilizacji warunków pracy niskoemisyjnych palników pyłowych [2]. Pilotażowe badania zastosowania systemów plazmowych wskazały pozytywny aspekt znacznego ograniczenia emisji NO x podczas spalania pyłu węglowego [3]. Mimo prowadzonych badań w różnych ośrodkach badawczych, plazmowa technika rozruchu kotłów nie jest obecnie szeroko stosowana. Dlatego w Zakładzie Spala-

2 nia i Detonacji Instytut Techniki Cieplnej i Mechaniki Płynów Politechniki Wrocławskiej podjęto się badań nad opracowaniem i wprowadzeniem techniki plazmowej w do bezpośredniego rozruchu i stabilizacji pracy energetycznych kotłów pyłowych. 2. Idea plazmowego zapłonu węglowej mieszanki pyłowo-powietrznej Badania zapłonu węglowej mieszanki pyłowo-powietrznej w palniku muflowym wykonano na pracującym kotle typu OP-130. Podczas eksperymentu plazmotron zainstalowano w istniejącym palniku muflowym, pełniącym rolę palnika rozpałkowego. Umiejscowienie plazmotronu na kotle i podstawowe elementy instalacji schematycznie pokazano na rys. 1. Rys. 1. Umiejscowienie plazmotronu na kotle; elementy instalacji: 1 palnik muflowy, 2 zasilanie pyłem węglowym, 3 plazmotron, 4 szafa sterowniczo-zasilająca plazmotronu, 5 układy elektryczne plazmotronu,6 główne palniki kotła Dzięki wykorzystaniu istniejącego palnika muflowego możliwe było przeprowadzenie próby beż konieczności wyłączania bloku z pracy. Muflowy palnik pyłowy po modyfikacji nazwano pyłowym palnikiem plazmowym. Działanie tego palnika polega na tym, że wprowadzony w przewód palnika strumień plazmy niskotemperaturowej reaguje z przepływającą w nim węglową mieszanką pyłowo-powietrzną. W wyniku reakcji cząstek węgla z plazmą następuje gwałtowne wydzielanie części lotnych, rozpad cząstek, powstanie rodników i gwałtowne reakcje utleniania. W efekcie tych procesów otrzymuje się stabilny płomień pyłowy o wysokiej temperaturze co obrazowo pokazuje rys. 2. Rys. 2. Idea działania plazmowego palnika pyłowego

3 Do badań możliwości zapłonu węglowej mieszanki pyłowo-powietrznej w palniku muflowym zastosowano prototypowy plazmotron wnękowy. Na rys. 3 przedstawiono model plazmotronu wnękowego podczas właściwej pracy. Rys. 3. Plazmotron wnękowy podczas pracy Nominalna moc opracowanego plazmotronu wynosi ok. 50 kw. Podczas prób moc plazmotronu regulowano w zakresie kw. Gazem roboczym przepływającym w plazmotronie było powietrze, a jego sumaryczny strumień objętościowy w czasie prób zmieniano w zakresie m 3 /h. Do chłodzenia plazmotronu zastosowano wodę wodociągową o temperaturze początkowej 18 C. Strumienie objętości wody chłodzącej katodę i anodę były stałe i wynosiły 4 l/min. Podczas prób temperatura wody chłodzącej po opuszczeniu układu nie przekroczyła temperatury odpowiednio dla anody 38 ο C i katody 30 ο C. 3. Analiza pracy plazmowego palniku pyłowego w obiekcie rzeczywistym Głównym celem prac badawczych było zbadanie stabilności pracy plazmowego palnika pyłowego w zależności od mocy plazmotronu. W tym celu badano charakterystyki mocy plazmotronu w zależności od parametrów przepływowych gazu roboczego (powietrza). Podczas prób zmieniano zarówno strumień powierza osiowego (przepływającego wzdłuż osi plazmotronu) jak i obwodowego odpowiedzialnego za zawirowanie kanału plazmowego w obrębie katody i anody. Każdorazowo po zmianie parametrów przepływowych gazu roboczego rejestrowano prąd kanału plazmowego i spadek napięcia na plazmotronie. Moc plazmotronu określano jako iloczyn prądu kanału plazmowego i spadku napięcia na plazmotronie. Ze względu na normalna pracę kotła próby wykonano tak aby nie zakłócić jego pracy (unikano zerwania płomienia na palniku), a liczbę powtórzeń ograniczono do niezbędnego minimum. W tabeli 1 zestawiono podstawowe parametry zarejestrowane podczas ustalonej pracy plazmowego palnika pyłowego. Zmienianym parametrem w trakcie prób był strumień objętościowy powietrza, Jak wspomniano na strumień ten składa się strumień osiowy i obwodowy. Podczas wszystkich prób zachowano stałość proporcji strumieni, strumień osiowy stanowił około 20% strumienia obwodowego. Jak wykazały wcze-

4 śniejsze badania strumień obwodowy powinien być kilkukrotnie większy od strumienia osiowego. Jest to uwarunkowane tym, że strumień obwodowy w głównej mierze jest odpowiedzialny za tworzenie i aerodynamikę kanału plazmowego [2,4]. Tabela 1. Podstawowe parametry robocze plazmowego palnika pyłowego L.p. Strumień objętości powietrza m 3 /h Prąd kanału plazmowego A Napięcie na plazmotronie V Wydzielona moc kw , , , , , , ,8 Uwagi Początki niestabilności kanału plazmowego Na podstawie przeprowadzonych prób można stwierdzić że poprzez zwiększenie strumienia objętości powietrza przepływającego przez plazmotron można znacznie zwiększyć moc kanału plazmowego co pokazuje rys. 4. Rys.4. Moc plazmotronu w zależności od strumienia gazu roboczego Rys.5. Rezystancja kanału plazmowego w zależności od strumienia gazu rob. Zwiększenie mocy wydzielonej w plazmotronie związane jest najprawdopodobniej z jednoczesnym wydłużeniem kanału plazmowego (zwiększenia spadku napięcia na kanale plazmowym) i jego przekroju czynnego. Przemawia za tym stałość rezystancji wypadkowej kanału plazmowego co pokazano na rys. 5. Ograniczeniem dalszego wzrostu mocy jest niestabilność kanału plazmowego przy strumieniu powyżej 38 m 3 /h. Dalsze zwiększenie przepływu doprowadza do zerwania kanału plazmowego. Wnioskuje się, że W celu uzyskania większej mocy plazmy trzeba wykonać plazmotron o większych wymiarach geometrycznych (średnica i długość).

5 4. Wnioski Jak wykazały próby istnieje możliwość zapłonu węglowej mieszanki pyłowopowietrznej w palniku muflowym przy pomocy plazmotronu. Powstały w wyniku modyfikacji plazmowy palnik pyłowy najprawdopodobniej można wykorzystać do rozruchu zimnego kotła. W celu określenia wytycznych do rozruchu kotła takich jak moc palnika plazmowego, ich liczba, czas rozruchu itp. konieczne są dalsze badania. Związane jednak to będzie z koniecznością wyłączenia bloku z pracy. W przyszłości planuję się również wykonanie analizy numerycznej i symulacji komputerowych procesów cieplno-przepływowych zachodzących podczas generowania plazmy mających na celu optymalizacje konstrukcji plazmotronu. Bibliografia: [1] P. Bukowski, A. Dyjakon, W. Kordylewski, M. Salmonowicz, Analiza ekonomiczna plazmowego rozruchu kotłów pyłowych, Międzynarodowa X Konferencja Kotłowa 2006, Szczyrk [2] P. Kobel, W. Kordylewski, Zastosowanie plazmotronu zasilanego powietrzem do stabilizacji płomienia pyłowego, Archiwum Spalania, vol. 8, nr 1-2(2008), [3] E.I. Karpenko, V.E. Messerle, A.B. Ustimenko, Plasma-aided solid fuel combustion, Proceedings of the Combustion Institute 31 (2007) [4] W. Kordylewski i inni, Zgłoszenie patentowe nr P w sprawie uzyskania patentu na projekt wynalazczy Sposób i rządzenie do uruchamiania palników plazmowych, Urząd patentowy RP, Wrocław