Badania pilotowe oxyspalania węgla i perspektywy rozwoju dr inż. Tomasz Golec, dr inż. Bartosz Świątkowski, mgr inż. Ewa Luśnia 1. Wstęp Badania możliwości zastosowania technologii spalania tlenowego w energetyce prowadzone są od lat 90-tych ubiegłego stulecia. W Europie największe osiągnięcia w tej dziedzinie ma Vatennfall, który zbudował instalację pilotażową kotła pyłowego o mocy 30 MW w elektrowni SchwarzePumpe, oraz CIUDEN z podobną instalacją pilotażową w technologii CFB o mocy 30 MW, zlokalizowaną w Cubillos de Silfl. W Polsce próbę kompleksowego podejścia do badań mechanizmów zachodzących podczas spalania w atmosferze O 2 /CO 2 podjęto w ramach projektu Badawczego Zamawianego Nadkrytyczne Bloki Węglowe PBZ-MEiN-4/2/2006 w Politechnice Częstochowskiej oraz w Instytucie Energetyki. Obecnie w kraju problematyka spalania tlenowego badana jest przez szerokie konsorcjum zrzeszające największe uczelnie techniczne, Instytuty Badawcze oraz partnerów przemysłowych w ramach Strategicznego Programu Badań Naukowych i Prac Rozwojowych: ZAAWANSOWANE TECHNOLOGIE POZYSKIWANIA ENERGII. Badania realizowane przez Instytut Energetyki ukierunkowane są na opracowanie technologiczno-procesowych wytycznych dla optymalizacji oxy-spalania w instalacjach pilotowych pozwalających na zdobycie wystarczających doświadczeń do budowy instalacji w skali demonstracyjnej przemysłowej. 2. Spalanie tlenowe a badania Instytutu Energetyki Spalanie tlenowe można zaliczyć do metod ograniczania emisji CO 2 do atmosfery. Istota procesu polega na spalaniu paliwa w tlenie zmieszanym z recyrkulowanymi spalinami zza kotła celem obniżenia temperatury spalania. Atmosfera, w której proces zachodzi, pozbawiona jest azotu. W związku z tym wyprodukowane spaliny zawierają praktycznie tylko dwutlenek węgla i parę wodną. Po jej wykropleniu i sprężeniu CO 2 otrzymuje się odpad gotowy do transportu i składowania. Brak konieczności separowania CO 2 ze spalin znacznie upraszcza cały proces spalania. Zastosowanie czystego tlenu jest niezwykle trudne w realizacji. Dlatego też w celu zapewnienia bezpieczeństwa pracy instalacji i uniknięcia występowania wysokich temperatur, spalanie musi odbywać się przy niższych stężeniach tlenu. W związku z wyeliminowaniem azotu z mieszaniny utleniającej zmniejsza się ilość tzw. termicznych tlenków azotu. W przypadku nowo budowanych jednostek prowadzenie procesu spalania w atmosferze tlenowej sprzyja redukcji gabarytów kotła, co ma przełożenie na mniejsze nakłady inwestycyjne. Kolejną zaletą omawianej technologii jest zwiększenie elastyczności paliwowej instalacji, pozwalającej na poprawę ekonomiki siłowni - zwłaszcza przy spalaniu paliw niskojakościowych i odpadowych. Odchodzi również problem konieczności zabudowy reaktorów wychwytujących dwutlenek węgla. Jedną z wad spalania tlenowego jest spadek wytwarzania energii elektrycznej, który wiąże się z pokryciem zapotrzebowania na energię do produkcji tlenu. Na chwilę obecną wytwarzanie O 2 (techniki adsorpcyjne, metoda kriogeniczna, separacja membranowa) jest na tyle kosztowne że może obniżać sprawność brutto elektrowni nawet o 9%. Przejście ze spalania w powietrzu do spalania tlenowego nie jest proste. Zmianie ulega aerodynamika przepływu gazów wewnątrz kotła - szczególnie rozkład prędkości pionowych w komorze spalania. Następuje również zaburzenie procesu wymiany ciepła, co wiązać się może z koniecznością przebudowy powierzchni ogrzewalnych. Najpoważniejszym problemem jest jednak zachowanie stabilności spalania, a co za tym idzie zmiany w konstrukcji stosowanych palników. Rozwiązanie wspomnianych problemów jest niezbędne dla poprawności działania komercyjnych, przemysłowych instalacji palnikowych. Dlatego też Instytut Energetyki prowadzi intensywne prace w tym kierunku. Badania Instytutu Energetyki w zakresie spalania w atmosferze O 2 /CO 2 skupiają się na następujących zagadnieniach: 1. kompleksowe poznanie wpływu podwyższonych koncentracji O 2, CO 2 i H 2 O na zapłon, spalanie pyłu węglowego, emisje NO x oraz szybkość narastania osadów w warunkach płomienia elementarnego, niskoemisyjnego wirowego palnika pyłowego oraz komory paleniskowej kotła energetycznego, 1
2. badanie możliwości zastosowania spalania pyłu przy podwyższonej koncentracji O 2 i CO 2 w krajowych kotłach energetycznych, 3. koncepcje palników wirowych przystosowanych do spalania w atmosferze O 2 /CO 2, 4. koncepcja nowej konstrukcji kotła realizującego spalanie pyłu węglowego w tlenie z ograniczoną ilością spalin oraz przystosowania już istniejących obiektów. Aby w pełni poznać zjawiska rządzące spalaniem pyłu węglowego w atmosferze utleniającej opracowano system prac badawczych (Rys. 1) z wykorzystaniem własnych stanowisk, Rys. 2, mieszczących się w Laboratorium Spalania i Zgazowania. Badania laboratoryjne wspierane są modelowaniem numerycznym CFD. Szereg działań rozpoczynają eksperymenty na stanowisku do badania zapłonu i spalania pojedynczego ziarna, Rys. 2a. 2
Rys. 1 Schemat metodyki prac na zagadnieniem spalania w atmosferze O 2 /CO 2. 3
Badania te mają na celu w szczególności: określenie wpływu atmosfery oxy na temperaturę i czasy spalania ziaren, przeanalizowanie wpływu dodatku pary wodnej na proces spalania ziaren w atmosferze tlenowej, porównanie wpływu gazów trójatomowych (para wodna i dwutlenek węgla) na temperaturę spalania ziarna, porównanie spalania pojedynczych ziaren dla paliw różnego typu, przeanalizowanie czasu spalania i czasu indukcji zapłonu dla poszczególnych warunków eksperymentalnych. Uzyskiwane wyniki służą do tworzenia i walidacji modeli matematycznych procesu spalania pojedynczego ziarna. Zwiększając skalę badania kontynuowane są na stanowisku do badania zapłonu i spalania grupy ziaren w atmosferze wzbogaconej w tlen, Rys. 2b. Dostarcza ono informacji na temat: temperatury zapłonu i samozapłonu chmury pyłu, położenia frontu płomienia, czasu indukcji zapłonu. Na stanowisku do badań kinetyki odgazowania części lotnych i utleniania pozostałości koksowej, Rys. 2c oraz Rys. 2d, przeprowadzane są badania laboratoryjne spalania pyłu węglowego w podwyższonych koncentracjach O 2 /CO 2, przy zwracaniu szczególnej uwagi na wpływ atmosfery spalania na kinetykę odgazowania i dopalania pozostałości koksowej. Wykorzystując wyniki stopnia odgazowania paliwa i utleniania pozostałości koksowej wyznacza się stałe kinetyczne dla tych procesów w warunkach porównywalnych do palenisk w skali technicznej, tj. gdy szybkość nagrzewania ziaren jest rzędu 10 5 K/s, czas przebywania cząstek odpowiednio min. 200 ms dla odgazowania i 1.0 s dla spalania pozostałości koksowej oraz temperatura atmosfery gazowej min. 1000. Rys. 2 Stanowiska badawcze Laboratorium Spalania i Zgazowania Instytutu Energetyki: a - Stanowisko do badania spalania pojedynczego ziarna, b - Stanowisko do badania zapłonu paliw stałych, c - Stanowisko do badań kinetyki odgazowania części lotnych, d -Stanowisko do badań utleniania pozostałości koksowej. Badania w zakresie odgazowania części lotnych przeprowadzone są w atmosferze N 2 i CO 2. Natomiast spalanie pozostałości koksowej odbywa się w atmosferze N 2 /O 2 oraz CO 2 /O 2. Na stanowisku prowadzone są również badania wpływu atmosfery na skłonność paliw do żużlowania. Uzyskane wyniki wykorzystywane są w trakcie obliczeń numerycznych nowych konstrukcji palników przeznaczonych do spalania paliwa pyłowego w tlenie. Powstałe na podstawie opracowanej koncepcji prototypy palników testowane są w Laboratorium Spalania i Zgazowania Instytutu Energetyki na stanowisku w skali półtechnicznej o mocy 0,5 MW. 4
Rys. 3 Trójwymiarowy schemat stanowiska o mocy 0,5 MW. Samo stanowisko zostało przystosowane do wymogów bezstykowej diagnostyki płomienia. W tym celu wykonano m.in. nowe okna wyposażone w odpowiednie szyby kwarcowe o wysokiej transmisyjności promieniowania z zakresu dalekiego i pośredniego ultrafioletu. Trójwymiarowy schemat stanowiska o mocy 0,5 MW przedstawia Rys. 3. Stanowisko badawcze wyposażone jest w system kontrolno-pomiarowy, umożliwiający wizualizację i rejestrację wielu parametrów jego pracy (przepływy czynników, temperatury i ciśnienia w różnych częściach instalacji, skład spalin w komorze spalania itp.). W pełni zautomatyzowany układ dodatkowo wspomagany jest przez zapis z szybkiej kamery, pozwalający na wnikliwą analizę procesów zachodzących w komorze spalania. Stanowisko wymagało zaawansowanych prac budowlano-montażowych w zakresie całej instalacji doprowadzania tlenu i dwutlenku węgla, Rys. 4. Rys. 4 Schemat stanowiska o mocy 0,5 MW wraz z instalacją O 2 /CO 2 oraz zbiorniki magazynowe O 2 i CO 2. Przeprowadzone eksperymenty dostarczają informacji na temat zakresu pracy testowanych palników, wpływu podwyższonej koncentracji O 2 /CO 2 na formowanie tlenków azotu, niedopału oraz szybkości narastania żużla na sondach osadczych. Główne wnioski wyciągnięte z eksperymentów przeprowadzonych na stanowiskach badawczych IEn przedstawiono w Tab. 1. 5
Tab. 1 Główne wnioski wyciągnięte z przeprowadzonych eksperymentów na stanowiskach badawczych IEn. Stanowisko badawcze Badanie zapłonu i spalania pojedynczego ziarna Badanie zapłonu i spalania grupy ziaren Badania kinetyki i spalania pyłu (stanowiska CORD i PEST) Stanowisko do spalania paliw o mocy 0,5 MW Rezultaty Uzyskanie profilu temperatury na powierzchni ziarna w funkcji czasu: - w odniesieniu do atmosfery powietrznej, analogiczna mieszanina O 2 z CO 2 powoduje obniżenie temperatury ziarna podczas procesu spalania, nie wpływając znacząco na czas spalania ziarna, - temperatura ziarna wzrasta w przypadku węgli kamiennych, gdy atmosfera oxy zostaje wzbogacona w tlen (27% O 2 ), Czas spalania i czas indukcji zapłonu: - jedynie w przypadku badanego węgla brunatnego atmosfera gazowa eksperymentu miała znaczący wpływ na czas indukcji zapłonu. Uzyskanie danych do weryfikacji numerycznego modelu spalania pojedynczego ziarna a w konsekwencji dobór odpowiednich parametrów do dalszego modelowania. Temperatura samozapłonu, odsunięcie płomienia i jego długość: - wraz ze wzrostem stężenia tlenu odległość zapłonu maleje oraz wzrasta emisja tlenków azotu, - stopniowa zamiana azotu w powietrzu atmosferycznym dwutlenkiem węgla lub parą wodną powoduje zwiększenie odległości zapłonu, przy czym wpływ pary wodnej jest wyraźniejszy niż dwutlenku węgla, - wzrost stężenia pary wodnej w większości przypadków powoduje zmniejszenie długości płomienia, - wzrost stężenia pary wodnej w powietrzu atmosferycznym powodował z reguły zmniejszenie emisji NO x. Podobny wpływ na emisję NO x miał wzrost stężenia dwutlenku węgla przy stałym stężeniu tlenu 27%. Odwrotną tendencję, wzrost emisji NO x, obserwowano przy wzroście stężenia dwutlenku węgla w powietrzu przy stałym stężeniu tlenu 21%. - dwutlenek węgla powoduje wzrost temperatury samozapłonu we wszystkich badanych przypadkach. Wyznaczenie stałych kinetycznych dla procesu odgazowania i spalania pozostałości koksowej. Porównanie kinetyki odgazowania części lotnych i spalania pozostałości koksowej w atmosferze N 2 /O 2 oraz CO 2 /O 2 : - maksymalna ilość możliwych do wydzielenia części lotnych w atmosferze N 2 i CO 2 jest porównywalna a szybkość ich wydzielania w N 2 jest nieco wyższa niż w CO 2, - podczas spalania pozostałości koksowej w atmosferze N 2 /O 2 i CO 2 /O 2 można zaobserwować zmienny trend ubytku masy: w temperaturze 900 C obserwuje się niższy ubytek masy w atmosferze CO 2 /O 2, w temperaturze 1100 C wyższy. Emisja NO x w różnych atmosferach: - emisja NO x przeliczona na ilość dostarczonej energii jest niższa w atmosferze CO 2 /O 2, - ułamek części palnych w popiele w warunkach spalania CO 2 /O 2 był wyższy niż w przypadku spalania w powietrzu, - emisja NO x jest wyższa w mieszaninie CO 2 /O 2 /H 2 O niż CO 2 /O 2 ok. 30% i rośnie ze wzrostem stężenia H 2 O. Badania osadzania się popiołu: - wskaźnik żużlowania jest porównywalny dla powietrza i atmosfery CO 2 /O 2 o tym samym ułamku molowym O 2 w mieszaninie, - dodatek pary wodnej do mieszaniny CO 2 /O 2 powoduje gwałtowny wzrost wskaźnika żużlowania. Zbadanie wpływu recyrkulacji spalin na warunki wymiany ciepła: - porównywalne warunki wymiany ciepła płomieni generowanych w atmosferze tlenowej i powietrznej występują dla stopnia recyrkulacji spalin suchych ok. 73,5%, - dla spalin wilgotnych (20% obj. H 2 O) stopień recyrkulacji obniża się o ok. 10%. Wpływ atmosfery O 2 /CO 2 wyraźnie poprawia stopień wypalenia znacząco obniżając części palne w popiele lotnym. 6
3. Palniki dostosowane do spalania w atmosferze O 2 /CO 2 Eksperymenty na własnych stanowiskach badawczych poprzedzone wnikliwą analizą numeryczną, dzięki zastosowaniu oprogramowania CFD ANSYS FLUENT, doprowadziły do stworzenia koncepcji nowych palników na paliwo pyłowe pracujących w warunkach atmosfery wzbogaconej w tlen. Utrudnienia w pracy palników zasilanych mieszaniną tlenu i spalin wynikają z jej właściwości fizycznych. W porównaniu z powietrzem wspomniana mieszanina ma większą gęstość i pojemność cieplną. Dlatego chcąc zachować ten sam ułamek molowy O 2 i stały nadmiar powietrza w procesie spalania trzeba wyraźnie zwiększyć wydatek masowy utleniacza w mieszaninie. Chcąc natomiast zachować ten sam ułamek masowy O 2 zwiększamy tym samym objętościowy udział tlenu w mieszaninie. To z kolei przyspiesza przebieg reakcji chemicznych. Przy tym samym wydatku masowym spalin mamy ich objętościowo mniej, co powoduje spadek prędkości przepływu. Dodatkowym utrudnieniem w ocenie pracy palników pyłowych jest fakt, że wybór składu utleniacza jest zależny od procesu wymiany ciepła w kotle. Wspomniane problemy niweluje opracowana w Instytucie Energetyki specjalna konstrukcja palnika, chroniona prawem patentowym, przeznaczonego do spalania paliw stałych w atmosferze wzbogaconej w tlen. Opracowana na podstawie wieloletnich prac koncepcja palnika do spalania pyłu węglowego w kotle energetycznym w utleniającym czynniku gazowym, Rys. 5, pozwala na intensyfikację procesu spalania, zmniejszenie emisji CO 2 do atmosfery oraz zapobiega powstawaniu szkodliwych zjawisk towarzyszących procesom spalania jak np. żużlowanie pasa palnikowego. Stosowanie palnika poprawia stabilizację spalania oraz pozwala na uzyskanie niższej temperatury płomienia. Rys. 5 Schemat palnika wirowego wielodyszowego z podwójnym dyfuzorem. Palnik wielodyszowy charakteryzuje się podziałem dyszy wtórnej na cztery mniejsze z niezależnym zawirowaniem i możliwością przymykania poszczególnych dysz w przypadku zmniejszania stopnia recyrkulacji. Najważniejszym jego elementem jest wewnętrzny dyfuzor pełniący rolę statecznika, za opływem którego następuje zawirowanie strugi, co stabilizuje spalanie. Dzięki temu do stabilizacji płomienia wykorzystuje się sam czynniki pierwotny, którego udział w całkowitym gazie kierowanym do palnika jest wyższy niż dla spalania w powietrzu. Dodatkową cechą tego palnika jest dzielenie strugi pyłomieszanki. Większa część masy pyłomieszanki kierowana jest jak w klasycznym palniku powietrznym nad rurą rdzeniowa palnika. Pozostała ilość pyłomieszanki kierowana jest w osi palnika. Strumień ten jest dobrany w taki sposób, aby nie powodować zaburzenia strefy recyrkulacji za palnikiem. Takie dzielenie strumienia przy spalaniu tlenowym jest ważne z uwagi na przeciwdziałanie powstawania rejonów o podwyższonej temperaturze spalania, zwłaszcza przy ograniczonej recyrkulacji spalin z za kotła. Dla porównania zbadano również palnik dwudyszowy wykorzystywany podczas spalania pyłu węglowego w powietrzu. Otrzymane zakresy stabilnej pracy palników przedstawiono w Tab. 2. Wyniki badań na stanowisku potwierdziły wyniki modelowania numerycznego. Wprowadzenie dzielonego kanału dostarczającego gaz wtórny do palnika wyraźnie poprawiło regulacyjność palnika, umożliwiając utrzymanie stabilnego płomienia w prawie czterokrotnie szerszym zakresie zmian wydatku gazu wtórnego. Zauważyć można, że różnica ta jest 7
wyraźnie większa niż dla spalania w powietrzu dla którego uzyskano jedynie 20%-e rozszerzenie zakresu stabilności. Tab. 2 Zakres stabilnej pracy trzech różnych konstrukcji palnika Wydatek powietrza wtórnego Vwt, m 3 u/h Powietrze O 2 /CO 2 MIN. MAKS. Vwt MIN MAKS. Vwt Palnik dwudyszowy 80 152 72 112 134 22 Palnik wielodyszowy z dyfuzorem 57 190 133 45 160 115 Otrzymany w warunkach spalania tlenowego zakres stabilnej pracy jest ponad 5-cio krotnie szerszy niż dla palnika dwudyszowego. Dla spalania w powietrzu zwiększenie zakresu stabilnej pracy palnika jest mniejsza niż w mieszaninie O 2 /CO 2 i wynosi ok. 80%. Prace nad nowymi konstrukcjami palników do spalania w utleniającej atmosferze nadal trwają. Instytut Energetyki prowadzi obecnie intensywne prace nad palnikiem dedykowanym nowym kotłom OXY wykorzystujących jako utleniający czynnik gazowy czysty tlen. Specjalna konstrukcja palnika nastawiona jest na intensyfikację mieszania i likwidacji obszarów o podwyższonej temperaturze płomienia. Widok płomienia dla testowanych prototypów przedstawiony został na Rys. 6. Rys. 6 Widok płomienia dla różnych prototypów palnika dla kotła OXY. Wyniki badań na stanowisku w skali półtechnicznej nowych konstrukcji palników dedykowanych do spalania z ograniczoną recyrkulacją spalin do zabudowy w nowych kotłach prowadzą do generalnego wniosku, że ich budowa musi zawierać elementy konstrukcyjne zapewniające intensywne mieszanie strumieni utleniacza, pyłomieszanki i spalin. 4. Perspektywy rozwoju spalania tlenowego w kotłach pyłowych Przystosowanie istniejących obiektów przemysłowych Z uwagi na konieczność osiągnięcia przez kraje członkowskie Unii Europejskiej znacznych redukcji emisji CO 2 w stosunkowo krótkim czasie, jednym ze sposobów realizacji tych założeń jest przystosowanie obecnie istniejącej infrastruktury do tych wymogów. Wykorzystanie technologii spalania tlenowego do retrofitu kotłów cechuje się wyeliminowaniem z procesu azotu i zastąpieniem go dwutlenkiem węgla pochodzącym z recyrkulacji spalin. Przystosowanie istniejących jednostek do prowadzenia procesu spalania w atmosferze O 2 /CO 2 wymaga sporych nakładów finansowych. 8
Wraz ze spalaniem w atmosferze utleniającej pojawiają się nowe możliwości regulacyjne kotłów pozwalające na optymalizację ich pracy przy różnych warunkach eksploatacyjnych. Wyniki prac prowadzonych w IEn dowodzą, że poprzez zmianę stopnia recyrkulacji spalin do kotła można wpływać na proces wymiany ciepła, Rys. 7. Z wykresów wynika, że występuje duża zmienność przekazywanego ciepła w obrębie komory paleniskowej i przegrzewaczy grodziowych w zależności od zmieniającego się stopnia recyrkulacji spalin. Przyczyną tego jest występowanie wyższych temperatur w komorze i niższych prędkości wznoszących przy niższych stopniach recyrkulacji. Może to doprowadzić do niedotrzymania przez kocioł temperatury pary pierwotnej. Natomiast w przypadku wyższych stopni recyrkulacji przegrzewacz grodziowy przejmuje więcej ciepła, wywołując odpowiednio wyższe wtryski wody chłodzącej, co obniża sprawność kotła. Rys. 7 Wpływ stopnia recyrkulacji Rr na wymianę ciepła w kotle na przykładzie obiektu typu OP-650. Wielowariantowe obliczenia kotłów w warunkach zróżnicowanych koncentracji strumieni tlenu i dwutlenku węgla (co odpowiada różnym stopniom recyrkulacji spalin) pozwoliły na zidentyfikowanie najważniejszych modyfikacji instalacji przykotłowych, Rys. 8. Rys. 8 Koncepcja instalacji przystosowania kotła do spalania tlenowego: 1 - tlenownia, 2 - wykraplacze spalin, 3 - rozdzielacz spalin, 4 - kanały spalin zawracanych, 5 - wentylator tlenu, 6 - mieszacz tlenu i zawracanych spalin, 7 - by-pass tlenu wokół mieszacza tlenu i zawracanych spalin oraz podgrzewacza mieszanki, 8 - układ sprężania spalin. Jedna z koncepcji całej instalacji zakłada, że część suchych spalin jest sprężana i składowana (ok. 26%), natomiast reszta zawracana jest do kotła. W czynniku pierwotnym i wtórnym znajduje się natomiast różna ilość tlenu. W czynniku pierwotnym ze względów bezpieczeństwa utrzymywane jest stałe stężenie tlenu na poziomie ok. 21% molowo. W czynniku wtórnym natomiast stężenie tlenu jest zmienne zależne od warunków pracy kotła. Także część tlenu miesza się ze spalinami przed podgrzewaczem powietrza. W koncepcji instalacji przewidziany jest by-pass do wzbogacania czynnika wtórnego. Dalej analogicznie do spalania powietrznego mieszanina kierowana do młynów 9
składa się z czynnika zimnego oraz gorącego. Drugim rozwiązaniem jest układ wykorzystujący recyrkulację spalin mokrych, Rys. 9. Liniami przerywanymi zaznaczone są możliwe warianty zarówno miejsc poboru zawracanych spalin, jak również miejsc dozowania czystego tlenu, wykorzystania recyrkulacji pierwotnej i wtórnej. Sposobów jest wiele, natomiast ich wspólną cechą jest możliwość wyeliminowania z układu wielkogabarytowych urządzeń do osuszania spalin. Rys. 9 Instalacja przystosowania kotła do spalania tlenowego z recyrkulacją suchych lub mokrych spalin (w różnych możliwych konfiguracjach) (źródło: Marion J.L., Kluger F. i in. "Alstom's oxy-firing technology development and demonstration - near term CO 2 solutions", 1st Oxyfuel combustion conference - book of abstracts, Cottbus, Germany, 8-11 September 2009). Wykorzystanie gorących spalin z nitek biegnących przez podgrzewacz powietrza lub elektrofiltr ograniczyłoby straty ciepła w układzie. Instalacja wymagałaby zamontowania wysokotemperaturowego wentylatora spalin lub strumienicy napędzanej tlenem. Nowe kotły pracujące w technologii spalania tlenowego Obliczenia numeryczne przeprowadzone na przykładzie kotła OP-650 wykazały, że zmniejszenie gabarytów kotła nie jest wystarczające, aby móc prowadzić proces spalania w technologii oxy-combustion przy niskim stopniu recyrkulacji z uwagi na niepożądany wzrost temperatur wewnątrz komory, Rys. 10. Rys. 10 Profile temperatury na ścianach wybranego kotła o standardowych gabarytach oraz kotła pomniejszonego o współczynnik 0,6, gdzie Rr to stopień recyrkulacji spalin, temperatura w K. Nawet w przypadku zastosowania odmiennej organizacji podawania paliwa (rozmyte podawanie paliwa), obciążenie cieplne komory jest za duże. Do rozważań wzięto zatem kocioł z ośmiokątną komorą spalania o przekroju pierścieniowym, Rys. 11. Dużą zaletą konstrukcji tego typu jest umieszczenie powierzchni ogrzewalnych wewnątrz komory spalania na obwodzie wewnętrznego pierścienia. Dzięki temu energia cieplna odbierana jest niejako z dwóch stron zawirowanego płomienia. Zwiększa to gęstość jej odbioru i daje szanse na zmniejszenie gabarytów konstrukcji. W kotle tym istnieje możliwość zmiany obciążenia cieplnego części wewnętrznej oraz zewnętrznej komory poprzez modyfikację kąta nastawienia palników. Kocioł z ośmiokątnym paleniskiem o 10
przekroju pierścieniowym uzyskał dużo mniejszy współczynnik obciążenia temperaturowego ścian komory niż zmniejszony standardowy kocioł o zbliżonej mocy. Rys. 11 Kocioł z ośmiokątnym paleniskiem o przekroju pierścieniowym. Z lewej: widok przykładowej konstrukcji. Z prawej: przekrój poprzeczny przez komorę kotła z paleniskiem tangencjalnym oraz wrysowana sylwetka komory ośmiokątnej (źródło: Серант Ф.А., Смышляев А.А., Русских Е.Е., Зыкова Н.Г. 2007: Разработка вариантов и анализ применимости некоторых cовременных угольных котельных технологий для перспективных ТЭС, Красноярск, 26-27.4.2007). Dlatego też stanowi on lepiej rokującą konstrukcję, w której spalanie węgla będzie można prowadzić przy niższych temperaturach spalania niż w przeskalowanym (zmniejszonym) kotle OP-650. Podsumowanie Analizy numeryczne wykazały, że nie jest konieczne budowanie nowych jednostek w celu wykorzystywania procesu spalania w atmosferze wzbogaconej w tlen. Retrofit istniejących obiektów może polegać na zainstalowaniu dodatkowych elementów. Spalanie pyłu węglowego w tlenie w istniejących komorach spalania projektowanych do spalania w powietrzu jest możliwe, nawet bez konieczności przebudowy powierzchni ogrzewalnych kotła, pod warunkiem rozcieńczania tlenu spalinami z recyrkulacji w ilości ok. 73 75% w zależności od obciążenia bloku. W takich warunkach uzyskuje się porównywalny profil temperatury płomienia i warunki wymiany ciepła jak dla powietrza. Przy spalaniu pyłu węglowego w atmosferze O 2 /CO 2 konieczne jest zastosowanie specjalnie do tego celu zaprojektowanych palników. Konieczność ta podyktowana jest zmianą właściwości utleniacza, występowaniem reakcji endotermicznych oraz zmianą ilości utleniacza przepływającego przez palnik, co wyraźnie ogranicza stabilność płomienia za palnikiem. Opracowany w Instytucie Energetyki palnik umożliwia rozszerzenie zakresu stabilnej pracy nawet pięciokrotnie. Pomimo niższej emisji NO x (brak tlenków termicznych) na wylocie z komory spalania przy spalaniu w atmosferze O 2 /CO 2 konieczne jest zastosowanie stopniowania utleniacza. Metoda spalania w technologii opartej na wykorzystaniu atmosfery O 2 /CO 2 jest wciąż na etapie badań. Rozwiązane muszą zostać jeszcze taki problemy jak np. wysokie koszty przygotowania atmosfery utleniającej O 2 /CO 2, składowanie dwutlenku węgla, obniżenie ogólnej sprawności kotła. Pomimo tych mankamentów spalanie tlenowe niesie wiele korzyści takich jak: dodatkowe elementy regulacji rozkładu obciążeń cieplnych kotła - np. dostrajanie wymiany ciepła do zmian obciążeń kotła, zmian konfiguracji młynów poprzez zmianę stopnia recyrkulacji spalin lepsze dopasowanie okna temperaturowego w perspektywie procesu selektywnej niekatalitycznej redukcji tlenków azotu (SNCR), rozszerzenie bazy paliwowej o tańsze paliwa jak np. muły. Temat spalania tlenowego jest bardzo interesujący z badawczego punktu widzenia i rokujący na wypracowanie nowatorskich rozwiązań w tej dziedzinie. 11