ANALYSIS OF INCREASE OF UNBURNED PARTICLES IN FLY-ASH AND BOTTOM ASH AT BIOMASS AND PULVERISED COAL CO-COMBUSTION

Transkrypt

1 ANALIZA WZROSTU ZAWARTOŚCI CZĘŚCI PALNYCH W POPIELE I śuślu PRZY WSÓŁSPANIU BIOMASY Z PYŁEM WĘGLOWYM ANALYSIS OF INCREASE OF UNBURNED PARTICLES IN FLY-ASH AND BOTTOM ASH AT BIOMASS AND PULVERISED COAL CO-COMBUSTION Waldemar Wójcik, Piotr Popiel, Tomasz Ławicki Politechnika Lubelska, Wydział Elektrotechniki i Informatyki, ul. Nadbystrzycka 38A, Lublin, p.popiel@pollub.pl ABSTRACT The article presents an analysis of increase of unburned particles in fly-ash and bottom ash at biomass and pulverised coal co-combustion. Burned biomass diversity and its properties prevent its efficient combustion in coal-fired power plants without significant upgrading of many devices. The research has found that the concentration of unburned carbon in the ash depends largely on the size of grains. Keywords: : unburned particles, biomass, co-combustion, fly-ash. Wstęp Efektywność spalania paliw kopalnych, do produkcji energii elektrycznej, jest duŝym problemem, zarówno dla elektrowni krajowych, jak i zagranicznych. Ponadto obowiązujące normy prawne nakazują ciągły wzrost udziału biomasy, w celu pozyskiwania energii elektrycznej. Wymusza to dostosowanie technologii współspalania węgla i biomasy w pracujących elektrowniach węglowych. Najczęściej stosowanym rozwiązaniem jest mieszanie (wstępnie rozdrobnionej) biomasy z węglem w ciągu nawęglania, przed zespołami młynowymi, co ze względu na koszty inwestycyjne wydaje się być najbardziej opłacalne. Warto tu zwrócić uwagę na fakt, iŝ metoda ta wymaga zbudowania urządzeń słuŝących do transportu i rozdrobnienia biomasy poza urządzeniami juŝ wykorzystywanymi. Inną metodą jest wprowadzenie biomasy do paleniska wstępnego lub wstępne zgazowanie biomasy (z wykorzystaniem zgazowywarki) i doprowadzenie do kotła gazu palnego (Liszka, Majchrzak, 2003). W kaŝdej z opisywanych metod istnieje potrzeba poznania cech fizyko-chemicznych spalanych paliw, które decydują o jakości procesu spalania. Jednym z parametrów określających efektywność spalania jest zawartość części palnych w ubocznych produktach spalania. Przez dziesięciolecia popioły i ŜuŜle traktowane były jako odpady i składowane. Obecnie stanowią cenny produkt, o róŝnym zastosowaniu, w szczególności w budownictwie. Wymogi stawiane popiołom lotnym zawarte są w normach z serii PN-EN 196 (metody badania cementu) i PN-EN 450 (popiół lotny do betonu), które określają m.in. maksymalną wartość strat praŝenia. Współspalanie biomasy z węglem energetycznym często prowadzi do wzrostu zawartości części palnych ponad wartości dopuszczalne przez normę. Przeprowadzone badania, w jednej z krajowych elektrowni, pozwoliły na sformułowanie wstępnych wniosków dotyczących tego niekorzystnego zjawiska i to zarówno z punktu widzenia pozyskiwania energii (cieplnej, więc i elektrycznej), jak i gospodarki odpadami konieczność składowania i potencjalnej straty dochodów z braku moŝliwości sprzedaŝy popiołu. Współspalanie biomasy Optymalizacja pracy kotła wykonana przy załoŝeniach współspalania biomasy typu agro, nie będzie skuteczna w przypadku spalania zrębków drzewnych. Przyczyną tego jest zmiana m.in. wartości opałowej, wilgotności, gęstości, zawartości części lotnych czy popiołu. Trudno jednak oczekiwać, by przy kaŝdej zmianie paliwa przeprowadzać obliczenia związane z optymalizacją procesu spalania. Ponadto często stosowanym rozwiązaniem jest wykorzystanie zbiornika buforowego w ciągu podawania biomasy, w którym dochodzi do wymieszania róŝnych paliw. Wilgotność paliwa w znaczący sposób wpływa na proces spalania. Warto tu zwrócić uwagę na fakt, iŝ dla węgla kamiennego to kilka, kilkanaście procent, a w przypadku

2 274 świeŝej biomasy nawet kilkadziesiąt (ŚCIĄśKO, ZUWAŁA, PRONOBIS, 2006). MoŜe to skutkować przesunięciem jądra płomienia w górę, co w efekcie doprowadzi do krótszego przebywania w nim cząstek, a to bezpośrednio wpływa na wzrost zawartości części palnych w ubocznych produktach spalania. Zwiększona wilgotność pogarsza jednocześnie jakość przemiału, dodatkowo zwiększając problem rozdrobnienia biomasy. Na rysunku 1 przedstawiona została próbka mieszkanki pyłu węglowego z biomasą, w tym przypadku ze zrębkami drzewnymi. Została ona pobrana w okolicach niewielkiej nieszczelności pyłoprzewodu, więc nie odzwierciedla dobrze problemu rozdrobnienia zrębków wydmuchane zostały tylko najmniejsze cząstki. Udział biomasy w próbce wynosi ok. 20% wagowo, lecz ze względu na niŝszą gęstość, objętościowo jest to zdecydowanie więcej. Dodatkowo warto zwrócić uwagę na uwarstwienie paliwa w tej próbce. Pył węglowy ma większą gęstość i w porównaniu z biomasą i jest bardziej rozdrobniony, więc opada niŝej, a lŝejsza biomasa ma tendencje do zalegania w górnych warstwach. Właściwość ta ma duŝy wpływ na mieszanie paliw juŝ w momencie jej dostarczenia do ciągu nawęglania, a następnie podawania z zasobnika do młyna węglowego. W trakcie przeprowadzanych badań widoczne było mieszanie paliw juŝ na pierwszym etapie, lecz w miarę przesypywania mieszanki pomiędzy kolejnymi podajnikami taśmowymi dochodziło do jej rozdzielania. W efekcie końcowym mieszanka pyłu węglowego i biomasy znajdująca się w zasobniku młyna węglowego była silnie uwarstwiona, co moŝe tłumaczyć nagłe zmiany zawartości części palnych, nawet w przypadku dokładnie znanego paliwa. Rys. 1. Mieszanka pyłu węglowego z biomasą pobrana w okolicach niewielkiej nieszczelności pyłoprzewodu Rys. 2. Popiół lotny pobrany ze strefy 1 elektrofiltra; czarne miejsca ukazują niedopał; zawartość niespalonego węgla 7,1%

3 275 Uwzględniając mniejszą masę drobin biomasy (rys. 1), w porównaniu z cząstkami pyłu węglowego, a takŝe ich większą wilgotność, moŝna przypuszczać, iŝ w komorze paleniskowej pył węglowy zaczyna spalać się niŝej, niŝ biomasa. Powoduje to krótszy czas przebywania cząstek biomasy w jądrze płomienia, co jak juŝ wcześniej wspomniano, skutkuje wzrostem zawartości węgla w popiele lotnym. Na rysunku 2 przedstawiona została próbka popiołu pobrana ze strefy 1 elektrofiltra, którego budowa została pokazana na rysunku 3. RównieŜ tutaj widoczne jest uwarstwienie czystego popiołu i cząstek niespalonej biomasy. Właściwość ta jest niekorzystna z punktu widzenia pomiaru zawartości niespalonego węgla, bo utrudnia pobranie reprezentatywnej próbki o masie poniŝej 1g. Najczęściej w elektrowniach próbki pobierane są przez obsługę elektrofiltrów i dostarczane do laboratoriów, gdzie pomiar zawartości węgla całkowitego, moŝna przeprowadzić kilkakrotnie i je uśrednić. O wiele trudniejsze jest zbudowanie automatycznego systemu, pracującego on-line (Styszko-Grochowiak, Gołaś, Jankowski, 2004). Rys. 3. Miejsce pobrania próbek popiołu lotnego z lejów elektrofiltra Badania popiołu lotnego Jak wspomniano we wstępie popioły z elektrowni węglowych stanowią obecnie coraz cenniejszy produkt, chętnie wykorzystywany do produkcji cementu i betonu. Ograniczeniem są straty praŝenia, określane dla danej kategorii betonu. Metoda ich wyznaczania opisana jest w normie PN-EN 196-2:2006 Metody badania cementu- Część 2: Analiza chemiczna cementu ; polega na pomiarze masy próbki przed i po praŝeniu w temp 950 C (±25) do uzyskania stałej masy. Z kolei w normie PN-EN 450-1:2006 Popiół lotny do betonu. Część 1: Definicje, specyfikacje i kryteria zgodności jest umieszczony zapis: Celem tego wymagania jest ograniczenie w popiele lotnym pozostałości nie spalonego węgla. Wystarczy zatem wykazać przez bezpośredni pomiar zawartości nie spalonego węgla, Ŝe dla poszczególnych kategorii mieści się on w granicach podanych wyŝej (kat. A 5% ułamek masowy, kat. B 2-7% ułamek masowy, kat. C 4-9% ułamek masowy)(normy PN-EN). Przepis ten pozwala na stosowanie analizatorów węgla, w których czas pomiaru wynosi ok. 2 minuty. PowyŜsze metody pomiarowe (tj. strat praŝenia i pomiar zawartości węgla) znacząco róŝnią się od siebie, lecz uzyskane wyniki, jak wykazały badania realizowane na obiekcie rzeczywistym, w przypadku popiołu lotnego, nie odbiegają od siebie o więcej niŝ 1%. MoŜna uznać więc, Ŝe metoda oznaczania niespalonego węgla jest szybsza, a jej dokładność często wystarczająca. Uwzględniając wzrost strat praŝenia w ubocznych produktach spalania, przy współspalaniu biomasy z pyłem węglowym, przeprowadzono badania popiołu lotnego pod kątem zaleŝności koncentracji niespalonego węgla od grubości frakcji. Na rysunku 3 pokazano miejsce pobrania próbek w strefach 1 oraz 1i2 elektrofiltra. Masa próbki popiołu do analizy wynosiła 100g, co ułatwia interpretację wyników pomiarów. Pobraną próbkę przesiano w przesiewaczu przy uŝyciu 9 sit, o boku oczka zawartych w przedziale od 500µm do 63 µm, a następnie poszczególne frakcje poddano analizie zawartości węgla.

4 276 Otrzymane wyniki, w formie charakterystyk, przedstawione zostały na rysunkach 4,5,6. Rys. 4. ZaleŜność masy popiołu i zawartości procentowej węgla całkowitego od grubości frakcji; próbka pobrana ze strefy 1 elektrofiltra Rys. 5. ZaleŜność masy popiołu i zawartości procentowej węgla całkowitego od grubości frakcji; próbka pobrana ze strefy1 i 2 elektrofiltra Rys. 6. ZaleŜność masy węgla całkowitego od grubości frakcji Najmniejsze frakcje, zaznaczone na rysunkach jako punkty dla 50 µm, naleŝy uwaŝać jako pozostałość na dnie, po przesianiu przez sito o boku oczka 63 µm. Zmierzono równieŝ zawartość niespalonego węgla przed przesianiem, dla próbki ze strefy 1 zawartość węgla wyniosła 7,15%, a dla próbki ze strefy 1i2 7,23%. Rysunek 4 ukazuje zaleŝność masy popiołu w poszczególnych frakcjach i zawartość procentową niespalonego węgla dla próbki

5 277 pobranej w strefie 1 elektrofiltra, a rysunek 5 dla próbki w strefie 1i2. Na rysunku 5 i 6 brakuje pomiaru zawartości niespalonego węgla dla najgrubszej frakcji. Masa tej próbki okazała się za mała do wykonania pomiaru (<0,4g). Na podstawie otrzymanych charakterystyk moŝna sformułować następujące wnioski: - udział popiołu, dla cząstek mniejszych niŝ 160 µm w próbce, wynosi odpowiednio: - dla próbki pobranej w strefie 1 79,7%, - dla próbki ze strefy 1i2 84,4%, - większy udział małych cząstek w strefie 1i2 potwierdza wyłapywanie przez elektrofiltr największych drobin w strefie 1, - koncentracja niespalonego węgla wzrasta wraz z grubością frakcji, dla ziaren o rozmiarach większych niŝ 200 µm, zawartość węgla osiąga nawet kilkadziesiąt procent, - ponad 80% masy niespalonego węgla (strefa 1) znajduje się popiele o frakcjach większych niŝ 100 µm (>65% dla strefy 1i2), - przeprowadzone pomiary potwierdzają pośrednio wzrost niedopału spowodowany niską efektywnością spalania biomasy. Wpływ przemiału na skład ŜuŜla W poprzedniej części artykułu opisano problem wzrostu strat praŝenia w popiele lotnym. Problem niŝszej efektywności spalania dotyczy równieŝ ŜuŜli, jednak ze względu na mniejsze moŝliwości jego wykorzystania, a takŝe na mniejszą ilość jego powstawania w procesie wytwarzania energii, stanowi mniejsze zainteresowanie ze strony elektrowni. Niestety straty praŝenia dla ŜuŜli osiągają nawet kilkanaście procent, co w wyniku spalania milionów ton węgla rocznie, stanowi powaŝny problem głównie środowiskowy. Na rysunku 7 przedstawiono próbkę ŜuŜla pobranego bezpośrednio za kruszarką umieszczoną na dole kotła. Po lewej stronie widoczne są niedopalone zrębki drzewne, a takŝe pestka wiśni. Przytoczona we wstępie metoda wpółspalania biomasy i węgla wymagająca dostarczenia tejŝe mieszanki do młyna węglowego nie pozwala na prawidłowe rozdrobnienie biomasy, bez znaczącej modernizacji zespołów młynowych. Drewno, posiadające strukturę włóknistą, pod działaniem kul jest miaŝdŝone, a nie kruszone jak węgiel. Trudno więc oczekiwać by tak przygotowane paliwa efektywnie były spalane (GOLEC, 2004). Rys.7. Próbka ŜuŜla pobranego za kruszarką; po lewej stronie widoczne niedopalone zrębki drewna i pestka wiśni Podsumowanie i wnioski Wzrost zawartości części palnych w popiele i ŜuŜlu przy współspalaniu biomasy z pyłem węglowym stanowi duŝy problem dla energetyki zawodowej. Skutkuje to m.in.: pozyskiwaniem mniejszej ilości energii elektrycznej z energii chemicznej przez zmniejszenie efektywności spalania, koniecznością składowania odpadów; po przekroczeniu 10% strat praŝenia uboczne produkty spalania traktowane są jako odpady niebezpieczne, utratą potencjalnego zysku wynikającą z braku moŝliwości sprzedaŝy popiołu jako produkt; Do głównych przyczyn zwiększenia zawartości części palnych w ubocznych produktach spalania moŝna zaliczyć: słabe dostosowanie urządzeń rozdrabniających biomasę,

6 278 słabe mieszanie paliw, i skłonność do ich samo-rozwarstwiania, zbyt duŝy współudział biomasy w stosunku do węgla, zwiększoną wilgotność, brak optymalizacji pracy palników i kotła przez nieuwzględnianie wpływu zawartości części palnych, zbyt krótki czas przebywania cząstek w komorze paleniskowej, brak pomiaru on-line zawartości części palnych w popiele i ŜuŜlu, Na podstawie przeprowadzonych badań moŝna stwierdzić równieŝ, iŝ koncentracja niespalonego węgla wzrasta wraz z grubością frakcji, dla ziaren o rozmiarach powyŝej 200 µm zawartość węgla osiąga nawet kilkadziesiąt procent, a ponad 80% masy niespalonego węgla znajduje się popiele o frakcjach większych niŝ 100 µm. Dla efektywnego prowadzenia procesu spalania, oprócz rozwiązania problemów dotyczących rozdrobnienia biomasy naleŝy opracować metody i urządzenia pozwalające na realizację pomiarów zawartości węgla, zarówno w popiele, jak i ŜuŜlu, on-line, które powinny być wykorzystane w układzie automatycznego sterowania kotłem. Przedstawione badania są wstępem do realizacji powyŝszego celu. LITERATURA LISZKA M., MAJCHRZAK H.; 2003, Analiza efektów ekologicznych w procesie współspalania węgla i biomasy na przykładzie Elektrowni Opole, in: Energetyka, No 3, pp , Normy z serii PN-EN 196:2006, PN-EN 450:2006, ŚCIĄśKO M., ZUWAŁA J., PRONOBIS M., 2006 Zalety i wady współspalania biomasy w kotłach energetycznych i tle doświadczeń eksploatacyjnych pierwszego roku współspalania biomasy na skalę przemysłową, in: Energetyka, No 3, STYSZKO-GROCHOWIAK K., GOŁAŚ J., JANKOWSKI H., Ocena pracy eksploatowanego w warunkach przemysłowych optoelektronicznego systemu monitoringu niespalonego węgla w popiołach energetycznych; in. VII Konferencja Naukowa Czujniki Optoelektroniczne i Elektroniczne Wrocław 2004, GOLEC T., 2004, Współspalanie biomasy w kotłach energetycznych, in: Energetyka, No 7-8