Analizator CO w młynie produkcji firmy CODEL do monitorowania zagrożeń w procesie przygotowania węgla do spalania doświadczenia ze stosowania w Polsce i na świecie Luty 2019 1. Wprowadzenie dobór przez firmę CODEL metody pomiaru CO w młynie Wczesne wykrywanie zagrożenia pożarem w młynie węglowym ma kapitalne znaczenie dla zapobiegania zagrożeniom bezpieczeństwa personelu eksploatacyjnego i rozległym uszkodzeniom systemu podawania węgla do kotła (lub innego paleniska, np. pieca obrotowego w cementowni). W powszechnej opinii użytkowników kotłów energetycznych zagrożenie pożarem młynów węglowych znacząco wzrosło od chwili rozpoczęcia współspalania biomasy dodawanej do węgla. Jedną z najczęściej stosowanych metod jest detekcja i pomiar poziomu stężenia tlenku węgla powstającego w procesie spalania w młynie. Nieprzyjazne środowisko oraz duża gęstość pyłu w mieszance pyłowo-gazowej powodują, iż tradycyjne systemy ekstrakcyjne nie są w stanie sprostać zadaniu transportu i odpowiedniego przygotowania próbki gazu do pomiaru. Nie jest również możliwe zastosowanie metody In situ z otwartą ścieżką pomiarową. System pomiarowy opracowany przez brytyjską firmę Codel International jest jednym z pierwszych wdrożonych i przetestowanych w praktyce przemysłowej. Analizator EnergyTech serii 200 pobiera gaz z wylotu z młyna poprzez filtr dyfuzyjny (ze spieku) zabudowany najczęściej na ściance pyłoprzewodu w pobliżu wylotu z młyna. Sposób filtrowania próbki wydaje się być krytycznym elementem wiarygodności i niezawodności pomiaru. Dobór materiału filtru, konstrukcja gniazda do jego mocowania i sposób czyszczenia muszą zapewnić pomiar we wszystkich stanach ruchowych, tj. podczas rozruchu, pracy i postoju młyna. Temperatura zasysanej próbki waha się od temperatury otoczenia przez typowe wartości ruchowe (w zależności od konstrukcji młyna i własności węgla zazwyczaj nieco poniżej lub powyżej 100 C) do krótkotrwałych stanów nienormalnych, np. gdy temperatura szybko rośnie na skutek braku dopływu węgla z podajnika. Dotychczasowe doświadczenie Codela obejmuje młyny kulowo-misowe, kulowo-rolkowe oraz kulowo-bębnowe i różne gatunki węgli kamiennych. Analizator może być z powodzeniem stosowany również na innego rodzaju młynach, np. bijakowych i wentylatorowych, jak też i na węglu brunatnym. Należy brać pod uwagę dwa zjawiska mogące utrudnić właściwy pobór próbki: zagrożenie zablokowaniem filtru przez gromadzącą się na nim warstwę pyłu oraz zagrożenie erozją w przypadku zbyt głębokiego umieszczenia filtru w strumieniu mieszanki pyłopowietrznej. Istotny wpływ na przepuszczalność filtru ma jakość przemiału w zależności od obiektu zmienia się ona w bardzo szerokich granicach im przemiał drobniejszy tym zadanie trudniejsze.
2 Próbka gazowa po przefiltrowaniu nie wymaga żadnej obróbki i jest kierowana za pomocą węża (zazwyczaj nie ma konieczności grzania próbki) i pompki do komory pomiarowej wyposażonej w kompaktowy analizator gazowy pracujący na zasadzie niedyspersyjnej absorpcji w podczerwieni NDIR). Komora pomiarowa jest grzana, aby nie dopuścić do grożącej korozją kondensacji. Tańszą alternatywą jest pomiar elektrochemiczny rozwiązanie takie jest również technicznie akceptowalne i oferowane przez Codela, ale użytkownik musi mieć świadomość, że niższa cena okupiona jest koniecznością regularnej (co półtora do dwóch lat) wymiany czujników. Obecnie Codel oferuje pomiar w trzech wersjach: EnergyTech 201 pomiar CO i O2 metodą elektrochemiczną EnergyTech 202 pomiar CO metodą optyczną w podczerwieni EnergyTech 203 pomiar CO metodą optyczną w podczerwieni, pomiar O2 metodą celi cyrkonowej. Funkcjonalność i konstrukcja analizatorów we wszystkich trzech wersjach jest zbliżona i kolejne rozdziały będą zawierać informacje dotyczące przede wszystkim wersji 202 i 203 z optycznym pomiarem CO. 2. Zasada pomiaru CO w podczerwieni Analizator w swojej pracy wykorzystuje zjawisko absorpcji promieniowania podczerwonego o określonej długości fali charakterystycznej dla tlenku węgla. Charakterystykę pochłaniania promieniowania podczerwonego przez CO pokazano na rysunku 1. 100 C O 0 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 1 1 1 2 1 3 1 4 1 5µm Rysunek 1. Charakterystyka pochłaniania promieniowania podczerwonego przez CO. Zasada pomiaru oparta jest na porównaniu wskazań detektora mierzącego intensywność promieniowania podczerwonego o określonej długości fali odpowiadającej wysokiemu stopniowi pochłaniania przez CO - w warunkach roboczych i warunkach odniesienia. Na drodze wiązki promieniowania podczerwonego ze źródła zabudowany jest wąskopasmowy filtr interferencyjny. W głowicy nadawczej znajduje się również koło obracane silnikiem krokowym o stałej prędkości obrotowej 1/s. Ma ono 2 otwory: jeden pusty a drugi z celką napełnioną CO o stężeniu 100% o grubości 1 cm, a więc odpowiadającą stężeniu 10.000 ppm.m. Detektor znajdujący się w głowicy odbiorczej wykonuje na przemian dwa odczyty: pierwszy referencyjny (oznaczony jako D1 we wzorze 1 poniżej) w chwili gdy na ścieżce pomiarowej znajduje się celka z CO. Z uwagi na nasycający się kształt charakterystyki pochłaniania promieniowania podczerwonego przez CO (rysunek 2) pomiar referencyjny będzie niezależny od chwilowego stężenia CO w strefie pomiarowej. Chwilę później dokonany zostanie drugi odczyt - roboczy D2 (bez udziału celki z CO), którego wartość będzie bezpośrednio zależna od mierzonego stężenia tlenku węgla. Oba odczyty referencyjny i roboczy będą w tym samym stopniu podlegać czynnikom zakłócającym pomiar. Dla wyeliminowania wpływu zakłóceń sygnał pomiarowy Y tworzony jest z ilorazu obu odczytów D2 i D1 według wzoru: Y = 1 K D2 D1 Gdzie K jest współczynnikiem proporcjonalności nastawianym podczas kalibracji przyrządu.
3 Rysunek 2 przedstawia zależność parametru Y od stężenia mierzonego gazu. Rysunek 2. Parametr Y w funkcji stężenia CO. 3. Budowa analizatora Codel serii EnergyTech 200 W ściance pyłoprzewodu zabudowany jest filtr, natomiast sam analizator zabudowany jest w szafce, do której próbka doprowadzona jest zwykłym wężem (bez grzania). Według dotychczasowych doświadczeń długość węża może wynosić do 100m, co pozwala na lokalizację szafki w dogodnym dla obsługi miejscu. Na rysunku 3 pokazano wnętrze szafy pomiarowej, a na rysunku 4 schemat analizatora, natomiast na kolejnych rysunkach 5 i 6 krócieć do poboru próbki i sam analizator zabudowany na obiekcie. Rysunek 3. Wnętrze szafy pomiarowej. W przypadku gdyby ciśnienie w miejscu poboru próbki było znacząco różne od atmosferycznego i zmienne, istnieje możliwość zrzutu próbki w miejsce o ciśnieniu zbliżonym do poboru próbki. Praktyka potwierdziła jednakże, iż zarówno w przypadku młynów kulowo-misowych (nadciśnienie) jak i kulowobębnowych (podciśnienie) zakres zmian ciśnienia nie przekracza 3kPa w stosunku do ciśnienia
4 atmosferycznego. W żadnym z dotychczasowych przypadków zrzut próbki w rejon poboru nie był niezbędny przyrząd pracował poprawnie przy zrzucie próbki do atmosfery. Zintegrowana armatura umożliwia automatyczną kalibrację oraz procedurę czyszczenia filtru. System wykorzystuje pompkę elektryczną do wymuszenia przepływu próbki, co poprawia stabilność pomiaru. Rysunek 4. Schemat systemu pomiaru CO w młynie. Gaz jest zaciągany przez filtr, a następnie przez odwadniacz, kolektor i pompkę do komory pomiarowej. Pomiędzy odwadniaczem i kolektorem w torze przepływu próbki znajduje się zawór 1 umożliwiający wybór jednej z pokazanych na schemacie ścieżek przepływu. Podczas normalnej pracy przepływ następuje ścieżką A. Wydajność przepływu nie musi być regulowana, przyrząd wykazuje dużą tolerancję dla zmian przepływu próbki. Czystość filtru ze stali nierdzewnej jest regularnie kontrolowana podczas przedmuchiwania zwrotnego systemu (częstotliwość przedmuchiwania dobierana jest empirycznie). Podczas przedmuchiwania zwrotnego zawór 1 w torze próbki zamyka się ustawiając ścieżkę przepływu B. Zawór elektromagnetyczny 2 na doprowadzeniu powietrza sprężonego podaje kilka impulsów celem oczyszczenia filtru, a jednocześnie powietrze usuwa kondensat z osuszacza. Czas trwania przedmuchiwania zwrotnego nie przekracza kilku sekund operacja ta jest praktycznie niezauważalna dla użytkownika. Monitor jest kalibrowany w zerze podczas prowadzonej raz na dobę kalibracji automatycznej lub w dowolnej chwili za pomocą aktywacji ręcznej. Do kalibracji zera używane jest powietrze atmosferyczne oczyszczane w filtrze. Kalibracja inicjowana jest otwarciem zaworu 3 (ścieżka przepływu C). Zakres monitora może być sprawdzony poprzez podłączenie gazu wzorcowego z CO do przyłącza w króćcu zasysającym powietrze do kalibracji zera.
5 Rysunek 5. Króciec z filtrem do poboru próbki Rysunek 6. Szafka analizatora na kotłowni a zabudowany na pyłoprzewodzie. (obok komputer do rejestracji danych) 4. Dotychczasowe doświadczenia eksploatacyjne Pierwszy analizator został uruchomiony w warunkach przemysłowych w cementowni w Indiach w roku 2009. Od chwili uruchomienia przyrząd pracuje poprawnie. Typowym rozwiązaniem w cementowniach jest pośrednie bunkrowanie pyłu i stosowanie pracujących na podciśnieniu młynów kulowo-bębnowych. Jakość przemiału węgla w cementowni w Indiach jest znacznie gorsza niż w przypadku młynów kulowo-misowych bądź rolkowo-misowych typowych w wielu polskich elektrowniach. W praktyce nie istniał problem obstrukcji przepływu próbki przez filtr pokryty warstwą pyłu węglowego. Dostarczono również 16 analizatorów do Chin. Tam zostały one zastosowane na młynach kulowo-misowych w elektrowniach. Klient potwierdza poprawność pracy analizatorów, ale z uwagi na specyficzną dla Chin blokadę informacji brak jest szczegółowych danych. Dowodem na uzyskanie pozytywnych wyników może być fakt złożenia przez tego samego klienta kolejnego zamówienia na ok. 100 analizatorów. 4.1 Blok 200MW na węgiel kamienny - Polska Jako jeden z pierwszych w Europie uruchomiono pod nadzorem producenta w kwietniu 2010r. analizator na wylocie z młyna MKM-25 na bloku 200MW w jednej z polskich elektrowni z kotłami opalanymi węglem kamiennym ze współspalaniem biomasy. Po dokonaniu niewielkiej modernizacji węzła poboru próbki analizator pracował poprawnie i nie wymagał żadnych czynności serwisowych. Rys. 7 pokazuje przykładowy wykres dla 12 godzin pracy młyna przy spalaniu samego węgla, a rysunek 8 to 24-godzinny wykres dla okresu współspalania biomasy. Rysunek 7. Przykładowy wykres CO w młynie przy spalaniu węgla.
6 Rysunek 8 Przykładowy wykres CO w młynie przy współspalaniu węgla i biomasy Widać, że na pierwszym wykresie poziom CO jest stabilny i nie przekracza 7ppm, natomiast drugi z nich pokazuje szereg okresów wzrostu stężenia przez kilka minut wskazania krótkotrwale przekroczyły 200ppm. Pentol nie prowadzi ani nie uczestniczy w żadnym programie badawczym, a udostępnione przez elektrownię przykładowe wykresy nie dają wystarczających przesłanek do uzasadnienia wniosku, że istnieje bezpośrednia zależność między poziomem CO i współspalaniem biomasy. Nie ulega natomiast wątpliwości, że analizator wykrywa nieregularne przypadki wzrostu stężenia CO znacznie ponad poziom tła. Analizatory stosowane w kilka lat temu należały do pierwszej generacji tego typu przyrządów i ok. 10 lat temu mimo udowodnionej przydatności były cenowo niekonkurencyjne w stosunku do rozwiązań z pomiarem elektrochemicznym. Obecna, opisana powyżej rodzina analizatorów EnergyTech 200 jest udoskonaloną wersją stosowanych 10 lat temu rozwiązań, a jednocześnie udało się znacząco obniżyć cenę przyrządów. W dalszej części opisano próby analizatorów najnowszej generacji. 4.2 Blok 500MW na węgiel kamienny Wielka Brytania Na początku 2016 roku Codel przeprowadził serię testów najnowszej generacji analizatorów CO. Pierwszym obiektem była brytyjska elektrownia z blokami 500MW. Test trwał 3 miesiące i został przeprowadzony na młynie, na którym byłby już zabudowane pomiary innego producenta. Przykładowe wykresy parametrów młyna przedstawiono na rysunku 9. Rysunek 9. Porównanie wskazań CO testowanego analizatora Codela z istniejącym miernikiem. Wartości dla miernika Codela są na wykresie zaniżone o 50% Jak widać, kocioł pracował w reżimie szczytowym, przez większość dni tylko 4 6 godzin dziennie. Test wykazał bardzo dobrą zgodność pomiarów obu producentów należy porównywać wykres żółty (miernik
7 Codela) i jasnoniebieski (miernik istniejący), dodatkowo uwzględniając, że pokazane na wykresie wskazania miernika Codela pokazują połowę mierzonych wielkości i dla rzetelnego porównania trzeba pomnożyć je przez 2 (wynik błędu przy skalowaniu wyjścia pomiarowego z analizatora Codela). Nieopisana krzywa koloru zielonego pokazuje wskazania istniejącego analizatora na innym pyloprzewodzie, na którym nie zainstalowano analizatora Codela. Widać, że o ile podczas pracy młyna wskazania CO były niskie to na postoju młyna wzrastały do 50 100ppm. Ten test również wykazał (a pozostałe potwierdziły), że sposób poboru próbki w rozwiązaniu Codela jest właściwy i przy prowadzeniu okresowego przedmuchu wstecznego zapewniona jest ciągłość pomiaru, a układ pomiarowy nie wymagał żadnych czynności eksploatacyjnych. Istniejące mierniki wymagały natomiast regularnego czyszczenia filtrów poboru próbki wymagającego kłopotliwego wyjmowania sondy z pyłoprzewodu. Po trzech miesiącach test na tym obiekcie został zakończony w związku z wyłączeniem kotła z ruchu, a testowany analizator został przeniesione na dalsze testy do Polski. 4.3 Blok ciepłowniczy na węgiel kamienny elektrociepłownia w Polsce Po zakończeniu testu w Welkiej Brytanii analizator został zabudowany na młynie kulowo-misowym na kotle OP-380 na bloku ciepłowniczym BC-90 w dużej elektrociepłowni w Polsce. Testy rozpoczęły się w czerwcu 2016r. Również w tej lokalizacji analizator w pełni potwierdził swą funkcjonalność i niezawodność w dłuższym czasie eksploatacji. Na tym obiekcie wskazania CO miały nieco inny przebieg: podczas pracy młyna pojawiały się okresowo i zazwyczaj nie przekraczały 20ppm (pokazuje to czarna linia na rysunku 10), natomiast na postoju młyna poziom CO był zazwyczaj bliski zeru, ale zaobserwowano również (widać to na rysunku 11) powolny wzrost do wartości nie przekraczającej 30ppm, po czym nastąpił powolny spadek wskazań. Przedstawiciele eksploatacji kotła interpretują takie zjawisko okresowym zanikiem przepływu powietrza przez młyn i/lub wzrostem temperatury. Rysunek 10. Przykładowy zapis parametrów podczas pracy młyna Rysunek 11 Przykładowy zapis parametrów podczas postoju młyna
8 5. Podsumowanie Doświadczenie ostatnich 10 lat potwierdziło, że wdrożona przez Codel i w ostatnich latach udoskonalona technologia pomiaru CO w pyłoprzewodach za młynami węglowymi sprawdziła się w praktyce w zastosowaniach w kotłach energetycznych i cementowniach. Udało się skutecznie rozwiązać słabą stronę wielu podobnych analizatorów, a mianowicie zbyt szybkie dławienie przepływu próbki przez zablokowany przez pył węglowy filtr próbki. Konstrukcja analizatora pozwala na rezygnację ze stosowania grzanego węża, co obniża cenę układu pomiarowego. Mierniki są praktycznie bezobsługowe, w szczególności wyeliminowano konieczność jakichkolwiek czynności obsługowych przy filtrze próbki. Doświadczenie potwierdza, że praktycznie w każdych warunkach wartości stężenia CO są wyższe od zera, najczęściej nie są wyższe niż 10-20ppm, z incydentalnymi krótkotrwałymi przekroczeniami. Zdobyte doświadczenie pozwala na określenie na danym obiekcie warunków granicznych, których przekroczenie może wskazywać na istnienie zarzewia pożaru. Tu należy przypomnieć, że sens pomiaru ciągłego CO związany jest z możliwością wykorzystania sygnału nie tylko do wygenerowania alarmu, ale przede wszystkim do zainicjowania działania układu gaszącego, zapobiegającego rozwojowi ognisk pożaru. Systemy te najczęściej wykorzystują parę wodną lub co wydaje się być właściwszym rozwiązaniem mgłę wodną. Elementem łączącym w logiczną całość układ pomiarowy i instalację wykonawczą jest określenie progu selektywnego zadziałania zabezpieczenia aby ograniczyć przedwczesne zadziałania, a z drugiej strony zagwarantować interwencję w przypadku rzeczywistego zagrożenia. Z uwagi na oczywistą niechęć użytkowników do działań empirycznych na obiekcie, pozostają badania laboratoryjne. * * * Pentol to już 50 lat współpracy z energetyką, rafineriami, zakładami chemicznymi i metalurgicznymi, cementowniami oraz innymi dziedzinami przemysłu na całym świecie a od prawie 35 lat również w Polsce. Pentol Enviro Polska Sp. z o.o. jest dostawcą nowoczesnych produktów i technologii niezbędnych zarówno dla optymalizacji procesu spalania, poprawy sprawności procesów technologicznych, jak również redukcji emisji substancji zanieczyszczających środowisko naturalne. Firma nasza oferuje również aparaturę do monitoringu emisji zanieczyszczeń dla wszystkich rodzajów obiektów energetycznych i przemysłowych oraz analizatory spalin do kontroli procesów technologicznych. Zainteresowanych zachęcamy do odwiedzenia naszej strony internetowej lub o kontakt z naszymi specjalistami. Pentol-Enviro Polska Sp. z o.o. Osiedle Piastów 21B, 31-624 Kraków Tel. 12 686 36 86, fax 12 686 11 01 e-mail: pentol@pentol.pl www.pentol.pl Numer Certyfikatu 6460-001