PLAZMOWY ZAPŁON PYŁU WĘGLOWEGO

Transkrypt

1 PLAZMOWY ZAPŁON PYŁU WĘGLOWEGO Arkadiusz Dyjakon Politechnika Wrocławska, Instytut Techniki Cieplnej i Mechaniki Płynów Wykorzystanie niskotemperaturowej plazmy do zapłonu pyłu węglowego stwarza nowe kierunki rozwoju palników rozpałkowych do kotłów energetycznych. Istotną zaletą wynikającą z zastosowania plazmowych palników pyłowych jest moŝliwość bezpośredniego rozruchu kotła z uŝyciem tylko pyłu węglowego oraz mała ingerencja w układ przykotłowy. Takie rozwiązanie pozwala wyeliminować kłopotliwą w eksploatacji instalację mazutową i ograniczyć emisje zanieczyszczeń do atmosfery. W artykule przedstawiono zasadę działania plazmowego palnika pyłowego oraz wpływ plazmy na proces zapłonu pyłu węglowego i jego podtrzymanie. Przedstawiono wyniki badań laboratoryjnych zapłonu plazmowego pyłu węgla brunatnego i kamiennego. 1. Wstęp Pył węglowy jest podstawowym paliwem w energetycznych kotłach węglowych i pomimo rozwoju fluidalnej techniki spalania, ponad 90% duŝych kotłów energetycznych opalanych węglem to kotły pyłowe. Znaczenie węgla dla wytwarzania energii elektrycznej jest ogromne i będzie nadal wzrastać, dlatego bezpieczne i ekonomiczne eksploatowanie kotłów pyłowych naleŝy do podstawowych zadań w elektrowniach węglowych. Jednym z takich zagadnień jest rozruch kotłów pyłowych czasochłonna i kosztowna operacja mająca na celu doprowadzenie do odpowiedniego stanu termicznego kotła w celu zapłonu pyłu węglowego i uruchomienia palników pyłowych. 2. Rozruch kotłów pyłowych Załączenie palników pyłowych w kotle energetycznym wymaga wygrzania komory paleniskowej do temperatury wyŝszej od temperatury zapłonu pyłu węglowego. Większość kotłów pyłowych uruchamianych jest przy uŝyciu cięŝkiego oleju opałowego (mazutu). Rzadziej (chociaŝ obecnie obserwuje się pewien wzrost) wykorzystuje się do tego celu lekki olej opałowy lub gaz ziemny. Rozruch kotła za pomocą palników mazutowych jest bardzo uciąŝliwy dla środowiska naturalnego z powodu wysokiej emisji sadzy i innych cięŝkich węglowodorów do atmosfery, co objawia się widocznym dymieniem z komina elektrowni. UŜycie lekkiego oleju lub gazu ziemnego nie powoduje wzrostu emisji zanieczyszczeń, ale podwyŝsza koszty wytwarzania energii z powodu ich wysokiej ceny i wymagań dotyczących przesyłania oraz przechowywania paliw gazowych. Wykorzystanie tradycyjnych zapalarek (nawet wysokoenergetycznych) stosowanych w palnikach gazowych i olejowych do zapłonu węgla jest mało skuteczne, a nawet niemoŝliwe biorąc pod uwagę warunki zapłonu, poniewaŝ energia potrzebna do inicjacji procesu spalania pyłu węglowego moŝe być ponad 100 razy większa od energii niezbędnej do zapłonu mieszaniny gazowej. Na przykład minimalna energia do zapłonu metanu wynosi 0,28mJ [1], a pyłu węglowego 50mJ i więcej [2, 3]. Niestety proces zapłonu pyłu węglowego w przewodzie pyłowym jest bardziej skomplikowany ze względu na duŝe prędkości, strumienie i turbulencje przepływającej mieszanki pyłowo powietrznej, które dodatkowo pogarszają warunki zapłonu cząstek węglowych i podnoszą zapotrzebowanie na energię iskry. Inne czynniki, które równieŝ wpływają na ilość energii niezbędnej do wywołania zapłonu w mieszaninie pyłowo-powietrznej to: rodzaj węgla, jego frakcja, wilgotność i zawartości części lotnych (rys. 1).

2 Ilość części lotnych, % Brak zapłonu Zapłon Energia, J/kg Rys. 1. Zapotrzebowanie na energię do zapłonu pyłu węglowego PowyŜsze trudności powodują, Ŝe poszukuje się innych (nowych i niewymagających dodatkowego paliwa) moŝliwości zapłonu pyłu węglowego np. przez zastosowanie wyładowań elektrycznych generujących niskotemperaturową plazmę. Plazma o skoncentrowanej energii jest dobrym źródłem zapłonu paliw w warunkach, w których powszechnie stosowane środki zawodzą. Na przykład zapłon plazmowy znalazł zastosowanie w naddźwiękowych silnikach strumieniowych do zapłonu i podtrzymania spalania mieszanki palnej przepływającej z bardzo duŝą prędkością [4]. 3. Mechanizm plazmowego zapłonu pyłu węglowego Oddziaływanie plazmy na pył węglowy obejmuje szybko przebiegające procesy fizyczne i chemiczne (rys. 2). NajwaŜniejsze dla techniki spalania procesy fizyczne zachodzące w węglu pod działaniem plazmy to: szybkie nagrzewanie ( deg/s) cząstek węgla, gwałtowny rozkład termiczny substancji organicznej skutkujący gwałtownym wydzielaniem części lotnych i rozpadem cząstek węgla do rozmiarów poniŝej 5 µm [5]. FRAGMENTACJA CZĄSTEK (<5µm) WYDZIELANIE CZĘŚCI LOTNYCH PLAZMA JONIZACJA (C +, H +, N +, O +, CO +, Si +, K +, O -, H -, N -,...) RODNIKI (H, O, N, C, OH, OH 2, CH, CH 3,...) SZYBKIE NAGRZEWANIE ( deg/s) Rys. 2. Oddziaływanie plazmy na pył węglowy

3 Procesy chemiczne towarzyszące zmianom fizycznym, to przede wszystkim wydzielenie w wyniku pirolizy lotnych i ciekłych produktów rozkładu substancji organicznej (CO, CO 2, CH 4, C 6 H 6, N 2, H 2 O, pirydyna C 5 H 5 N, pirol C 4 H 5 N) oraz dysocjacja termiczna wielu produktów gazowych rozkładu z wytworzeniem rodników (H, O, N, C, S, CN, OH, NH, CH, CH 3...), a ponadto jonizacja i tworzenie się jonów dodatnich (C +, H +, N +, CO +, O +, Si +, K + i inne) oraz ujemnych (O -, H -, N - i inne) [6]. 4. Zasada działania plazmowego palnika pyłowego Instalacja plazmowego zapłonu pyłu węglowego składa się z: plazmotronu, wstępnej komory spalania oraz układów automatyki i pomiarów. Działanie plazmowego palnika pyłowego (rys. 3) polega na wprowadzeniu niskotemperaturowej plazmy do przewodu, którym przepływa mieszanka pyłowo powietrzna. Pod wpływem kontaktu cząstek węgla z plazmą następuje gwałtowne wydzielanie części lotnych, rozpad cząstek i zapłon. W efekcie otrzymuje się stabilny płomień pyłowy. Plazmotron Powietrze wtórne Pył + powietrze pierwotne Powietrze wtórne Rys. 3. Schemat plazmowego palnika pyłowego Źródłem plazmy wytwarzanej w wyładowaniu łukowym jest plazmotron, którego głównymi elementami są: katoda, anoda i układ chłodzenia elektrod (rys. 4). Rys. 4. Plazmotron laboratoryjny do zapłonu mieszanin palnych

4 Chłodzenie elektrod (zwłaszcza anody) jest konieczne ze względu na duŝe strumienie ciepła doprowadzane do plazmotronu w postaci energii elektrycznej. W przedziale A (w zasadzie niezaleŝnie od materiału elektrody) przyjmuje się, Ŝe strumień ciepła do elektrody wynosi 5 5,85 W/A [7]. 5. Stanowisko badawcze Badania zostały przeprowadzone na odpowiednio skonstruowanym stanowisku laboratoryjnym, którego schemat przedstawiono na rysunku 5. W badaniach wykorzystano plazmotron z łukiem wewnętrznym i liniowym doprowadzeniem gazu roboczego (argonu). Plazmotron laboratoryjny zasilano prądem stałym z zasilacza o regulowanej mocy (moc maksymalna około 10 kw). 1 4 Pył + powietrze nośne 2 3 Powietrze wtórne Rys. 5. Schemat stanowiska laboratoryjnego, 1 plazmotron, 2 komora spalania z wymurówką, 3 fotodetektor, 4 komputer PC 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. W wyniku zapłonu pyłu powstawał płomień, który był wydmuchiwany na zewnątrz plazmowego palnika pyłowego. Do detekcji płomienia pyłowego na wylocie komory spalania wykorzystano detektor optyczny (fotodiodę krzemową z kwarcowym światłowodem) sprzęŝony elektrycznie z komputerem PC. Za kryterium stabilnej pracy plazmowego palnika pyłowego przyjęto pojawianie się i znikanie płomienia u wylotu palnika, co wynika z funkcji, jaką ma pełnić urządzenie: wywołanie procesu spalania w przewodzie pyłowym palnika pyłowego duŝej mocy. Temperaturę płomienia na wylocie z plazmowego palnika pyłowego mierzono za pomocą termopary NiCr-Ni. Ustalano strumień pyłu węglowego, natomiast strumień powietrza zwiększano a następnie zmniejszano tak, aby nastąpiło cofnięcie płomienia pyłowego do środka palnika. W efekcie otrzymano górną i dolną granicę występowania płomienia na wylocie z plazmowego palnika pyłowego. Zmieniając następnie odpowiednio strumień pyłu węglowego i moc elektryczną plazmotronu otrzymano charakterystyki przedstawiające wpływ strumienia pyłu, strumienia powietrza i mocy elektrycznej plazmotronu na zakres występowania płomienia na wylocie z palnika. Na rysunku 6 przedstawiono przykładową zaleŝność intensywności promieniowania świetlnego płomienia pyłowego (na wylocie z plazmowego palnika pyłowego) od strumienia powietrza podawanego do spalania (wyznaczona na podstawie zapisu cyfrowego sygnału fotodetektora) dla określonego strumienia pyłu węglowego i mocy elektrycznej plazmotronu N p.

5 Intensywność świecenia płomienia Obszar występowania płomienia Tło Strumień objętości powietrza, m 3 /h Rys. 6. Przykład intensywności świecenia płomienia na wylocie z palnika od strumienia powietrza (węgiel brunatny, strumień masy pyłu 2,5 kg/h, moc elektryczna plazmotronu N p 2kW) Badano równieŝ, jak moc elektryczna plazmotronu wpływa na temperaturę maksymalną płomienia pyłowego. W tym celu, dla określonego strumienia masy (wydatku) pyłu węglowego, zmieniając strumień powietrza szukano maksymalnej temperatury płomienia na wylocie z palnika. 6. Węgle uŝyte do badań W badaniach laboratoryjnych wykorzystano pył węgla kamiennego (pobranego z EC Czechnica) i brunatnego (pobranego z EL Turów S.A.). Wyniki analizy technicznej i elementarnej przedstawiono w tabeli 1. Tabela 1. Wyniki analizy technicznej i elementarnej węgli Oznaczenie Jednostka Węgiel kamienny Węgiel brunatny Analiza techniczna Wartość opałowa W d MJ/kg 25,33 19,82 Ciepło spalania W c MJ/kg 26,196 21,0 Wilgoć W a % 1,6 11,9 Części lotne V a % 24,95 40,54 Popiół A a % 24,64 19,46 Analiza elementarna Węgiel C a % mas. 60,79 49,55 Wodór H a % mas. 3,78 4,10 Azot N a % mas. 1,05 0,56 Siarka S a % mas. 0,51 0,54 Tlen O a % mas. 7,63 13,89

6 7. Wyniki badań laboratoryjnych Celem badań laboratoryjnych, które zostały przeprowadzone na stanowisku ogniowym było: - określenie zakresu występowania płomienia na wylocie z plazmowego palnika pyłowego w zaleŝności od strumienia masy pyłu, strumienia objętości powietrza i mocy elektrycznej plazmotronu N p dla badanych węgli: kamiennego (rys. 7) i brunatnego (rys. 8), Strumień objętości powietrza, m 3 /h Obszar występowania płomienia pyłowego 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 Strumień masy pyłu, kg/h Np 3,0 kw 2,5 kw 2,0 kw 1,5 kw λ=1 Rys. 7. Zakres występowania płomienia na wylocie z palnika (węgiel kamienny, gaz roboczy argon 850 dm 3 /h) Strumień objętości powietrza, m 3 /h Obszar występowania płomienia pyłowego 3,0 kw 2,5 kw 2,0 kw 1,5 kw 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 Strumień masy pyłu, kg/h Np λ=1 Rys. 8. Zakres występowania płomienia na wylocie z palnika (węgiel brunatny, gaz roboczy argon 850 dm 3 /h) - zbadanie wpływu mocy elektrycznej plazmotronu N p na maksymalną temperaturę płomienia pyłowego w zaleŝności od strumienia masy pyłu węgla kamiennego (rys. 9) i brunatnego (rys. 10).

7 Temperatura, o C Np 3,0 kw 2,0 kw ,5 1 1,5 2 2,5 3 Strumień masy pyłu, kg/h Rys. 9. Wpływ mocy elektrycznej plazmotronu na maksymalną temperaturę płomienia pyłowego (węgiel kamienny, gaz roboczy argon 850 dm 3 /h) Temperatura, o C ,0 kw 2,0 kw 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 Strumień masy pyłu, kg/h Np 8. Wnioski Rys. 10. Wpływ mocy elektrycznej plazmotronu na maksymalną temperaturę płomienia pyłowego (węgiel brunatny, gaz roboczy argon 850 dm 3 /h) Wyniki przeprowadzonych badań laboratoryjnych prowadzą do następujących wniosków końcowych: - plazma jest dobrym źródłem zapłonu pyłu węglowego, - niskotemperaturowa plazma moŝe być wykorzystana do zapłonu węgli brunatnych i kamiennych, - za pomocą plazmy moŝliwe jest podtrzymanie płomienia pyłowego i jego stabilizacja w szerokim zakresie współczynnika nadmiaru powietrza, - duŝy wpływ na zakres stabilnej pracy plazmowego palnika pyłowego ma moc elektryczna plazmotronu, - moc elektryczna plazmotronu wpływa równieŝ na maksymalną temperaturę płomienia pyłowego na wylocie z palnika. 9. Podsumowanie Niskotemperaturowa plazma wykorzystywana w plazmowych palnikach pyłowych, jako źródło zapłonu i podtrzymania płomienia pyłowego, jest alternatywnym rozwiązaniem w stosunku do palników gazowych i olejowych. Zaletą takiego rozwiązania jest brak

8 konieczności uŝywania drugiego paliwa (gazu czy oleju) podczas rozruchu kotła pyłowego, co ma korzyści nie tylko środowiskowe, ale równieŝ ekonomiczne. Istnieje jednak potrzeba prowadzenia dalszych badań (najlepiej w skali półtechnicznej) mających na celu określenie wymaganej mocy plazmotronu niezbędnej do przeprowadzenia procesu rozruchu kotła o określonej wydajności. Literatura 1. Frączek J.: Aparatura przeciwwybuchowa w wykonaniu iskrobezpiecznym, Śląskie Wydawnictwo Techniczne, Katowice, Cybulski W.: Wybuchy pyłu węglowego i ich zwalczanie, Wydawnictwo Śląsk, Bytom, Bartknecht W.: Dust explosions course, prevention, protection, Springer-Verlag, Berlin, Sato Y. and others: Effectiveness of plasma torches for ignition and flameholding in scramjet, Journal of Propulsion and Power, vol. 8, No. 4, July-Aug. 1992, s Djakov A.F. i inni: Plazmenno-energetičeskie technologii i ich mesto v teploenergetikie, Teploenergetyka, No. 6, 1998, s Karpenko E.I., Messerle V.E.: Vvedenie w plazmenno energetičeskie technologii toplivoispol zovanija. Vostočno Sibirskij Gosudarstvennyj Technologičeskij Universitet, Žukov M.F., Koroteev A.S., Urjukov B.A.: Prikladnaja dinamika termičeskoj plazmy, Nauka, Novosibirsk, 1975 THE PLASMA IGNITION OF PULVERIZED COAL The use of low temperature plasma for ignition of pulverized coal flame creatures a new opportunity for development of the start-up installation of the coal-fired steam boilers. The significant advantage coming from coal-plasma torch apply is the possibility to direct start-up of the steam boiler with pulverized coal only and slight interference in the boiler installation. The proposed solution allows to eliminate difficult in exploitation the heavy-oil installation and reduce the emission of pollutant to the atmosphere. The principle of the pulverized coal-plasma burner operation and the influence of plasma on the ignition process of pulverized coal flame and its stabilization are presented in the paper. The results of the laboratory studies of plasma ignition of pulverized lignite and bituminous coal are shown as well.