Instytut Badań Stosowanych Politechniki Warszawskiej Sp. z o.o. Centrum Inżynierii Minerałów Antropogenicznych PROJEKT INSTALACJI DO HYDRATACJI POPIOŁÓW W CIĄGU SPALINOWYM SPALIN W SKALI PÓŁTECHNICZNEJ Częstochowa, 31.08.2015 r.
Podstawą opracowania projektu koncepcyjnego instalacji wtrysku wody do hydratacji popiołu lotnego w ciągu spalin były próby i raporty wykonane na kotle pilotażowym CFB oraz specjalnie do tego typu dedykowanej instalacji. Schemat stanowisk przedstawiono na kolejnych rysunkach. Instalacja składa się z komory paleniskowej o wysokości ok. 5 m i wewnętrznej średnicy 0,1 m, połączonej z gorącym cyklonem o wewnętrznej średnicy 0,25 m. Odseparowane w cyklonie ziarna materiału warstwy fluidalnej zawracane są do komory paleniskowej układem nawrotu, składającym się z rury opadowej i nie mechanicznego syfonu. Ponadto, instalacja wyposażona jest w cztery elektrycznie grzane piece, wykorzystywane do nagrzania stanowiska do (lub powyżej) temperatury zapłonu stosowanego paliwa. Powietrze pierwotne (ew. powietrze wzbogacone tlenem) wprowadzane jest w dolnej części komory paleniskowej, przez układ czterech dysz wyprowadzonych z jednego zbiorczego kolektora. Powietrze pierwotne może być wstępnie podgrzane przez dwa szeregowo połączone, elektrycznie grzane podgrzewacze. Powietrze wtórne może być doprowadzone opcjonalnie, na trzech poziomach komory paleniskowej. Udział tlenu w powietrzu pierwotnym i wtórnym może być różny, dzięki dwóm niezależnym mieszalnikom. Paliwo podawane jest w sposób ciągły powyżej dysz powietrza pierwotnego, przez układ podajników: ślimak-celka-ślimak. Na ciągu spalinowym zainstalowano filtr tkaninowy, jako drugi stopień odpylenia gazu. W razie potrzeby, filtr ten może być ominięty poprzez by-pass. Instalacja wyposażona jest także w zaawansowany system sterowania oraz akwizycji parametrów ruchowych (głównie temperatury i ciśnienia mierzonego bezwzględnie i różnicowo), jak również w szereg portów do poboru próbek materiałów sypkich: popiołu dennego (BA), popiołu lotnego (FA) i materiału warstwy (CM) oraz do pomiaru składu gazu spalinowego. 2
Rysunek 1. Instalacja pilotażowa CFB. 3
Rysunek 2. Instalacja pilotażowa CFB. 4
Instalacja dedykowana dla hydratacji popiołu lotnego przedstawiona jest na rysunku: Rysunek 3. Schemat stanowiska badawczego. Stanowisko do badań aktywacji popiołu lotnego zbudowano jako zamknięty kanał o przekroju kołowym (średnica 0,2 m) i elipsoidalnym kształcie o szerokości 1m i długości 3m (2m - odcinek prosty). Do kanału poprzeż krucieć wprowadzano popiół lotny znajdujący się w strumieniu gorących spalin, który na swojej drodze napotykał kurtynę wodną tworzoną przez wtryśnięte do przewodu cząsteczki wody. Wodę do układu wprowadzono poprzez system dysz umiejscowionych symetrycznie na obwodzie kanału. Cząsteczki popiołu lotnego unoszone w gorących spalinach wchodzą w kontakt z cząsteczkami wody, ulegając hydratacji. Ciągły przepływ mieszaniny spalin i popiołu lotnego w kanale wymuszany został za pomocą wentylatora. Po zakładanym czasie pobytu w komorze reakcyjnej zhydratyzowane cząstki popiołu lotnego wyprowadzano z instalacji za pomocą krućca spustowego. W koncepcji projektowej rozważono kilka róznych kotłów produkujących w polsce interesujący pod względem hydratacyjnym popiół lotny. Do rozważąn przyjęto następujące dane: Kocioł BB 1150 stosowany jako jednostka podstawowa w Elektrowni Bełchatów (PGEiGK). Kocioł pokazano na rysunku 4. 5
Rysunek 4. Kocioł BB1150. Wybrano optymalne miejsce wprowadzenia wody do strefy w której, warunki przepływowe, temperatura i czas kontaktu pozwoli na pełny proces hydratacji. Wybrano: odcinek kanału spalin na długości od kotła do wymiennika spaliny-powietrze. temperatura w kanale spalin w zakresie od 250 do 350 O C. 6
Na rysunku 5 pokazano cały ciąg technologiczny kotła BB 1150. Rysunek 5. Ciąg technologiczny kotła BB 1150. Zadania jakie postawiono instalacji wtryskowej to pełna atomizacja wtrysku wody. Zastosowano kilka rodzajów dysz ostatecznie, zdecydowano się na system Telesto, zaadoptowany do ww. instalacji. W układzie tym zastosowano system mgłowy z pełną możliwością regulacji. zastosowanie nowatorskiego systemu dysz i dyfuzorów średnica rozpylonej kropli 5-150 µm możliwość dopasowania kształtu strumienia oraz jego zasięgu możliwość wtrysku wody od 0,5 do kilkunastu l/min możliwość pracy w wysokich temperaturach do 800oC możliwość pracy w dużym zapyleniu 7
Dyszę wtryskującą pokazano na rysunku 6. Rysunek 6. Widok pracującej dyszy wraz z rozpylaną strugą wody. 8
Na rysunku 7 pokazano konstrukcję dyszy z pozycji frontowej wraz z systemem jej uszczelnienia i wtrysku. Rysunek 7. Dysza systemu Telesto stosowana do rozpylenia wody w kanale spalinowym kotła. Układ systemu Telesto zaprojektowano na następujące parametry pracy systemu: wymiary kanału: szerokość 1,5m, wysokość 0,8 m, temperatura spalin: 250-350oC, zapylenie: 50g/m3, ilość spalin: 1517721 m3/h, ilość wtryskiwanej wody: 100-160 l/min, praca w systemie ciągłym, pełna automatyka sterowania systemem. Założenia przyjęto dla typowych warunków przepływowych w kanale kotła BB 1150. 9
Celem nadrzędnym doboru systemu było ograniczenie do minimum zmian warunków w kanale spalinowym jak również zmiany składu spalin opuszczających ciąg spalinowy. Przeprowadzone testy jak również obliczenia pokazały że system wybrany system zmieni parametry spalin w następujących zakresach: Parametry spalin po wtryśnięciu wody: obniżenie temperatury spalin o około 15oC, wzrost wilgotności o około 4%, odparowanie wody 100%. Wyżej dobrany system zostanie przetestowany podczas próby półtechnicznej hydratacji popiołów lotnych w warunkach przemysłowych w ciągu spalin. Schemat instalacji pokazano na rysunku 8. Rysunek 8. Schemat instalacji kotła rusztowego na który dokonano próby półtechnicznej. 10
System wtrysku dokonany zostanie za pomocą dysz systemu Telesto. W zaznaczone kanały spalin. Cały system wyposażony będzie w pompę hydroforowa zapewniającą odpowiednie ciśnienie i strumień przepływającej wody. Woda do próby półtechnicznej została aktywowana według następującego schematu. Aktywacja wody została wykonana zgodnie ze zgłoszeniem patentowym pt.: Urządzenie do magnetycznej aktywacji mediów pyłowych, ciekłych i gazowych. Istotą rozwiązania jest to, że każdy blok magnetyzujący posiada płytkowe anizotropowe magnesy ceramiczne skierowane polaryzacją S do ścianki przewodu i zaopatrzony jest w płytkę ferromagnetyczną zamocowaną na jego górnej powierzchni, zaś płytki ferromagnetyczne są połączone ze sobą zworami w postaci trapezowych segmentów, przy czym suma szerokości bloków magnetyzujących stanowi 0,5 66 długości obwodu przewodu do transportu danego medium, a stosunek szerokości każdego bloku do jego wysokości wynosi 0,7 1,2, zaś szerokość bloku do jego długości wynosi 0,33 0,5, natomiast grubość każdej płytki ferromagnetycznej jest większa od grubości ścianki przewodu do transportu danego medium. Urządzenie do aktywacji pokazano na rysunku 9. Rysunek 9. Schematycznie urządzenie do magnetycznej aktywacji mediów pyłowych, ciekłych i gazowych w przekroju poprzecznym. 11
Surową wodę wprowadzano do zamkniętej nieferromagnetycznej komory roboczej, wokół obwodu, w której zainstalowano symetrycznie i wzdłużnie bloki magnetyzujące w postaci stosów połączonych ze sobą zworą rysunek 10. Wewnątrz komory roboczej surowa woda poddawana była działaniu silnego pola magnetycznego. Za wytwarzanie pola magnetycznego w przestrzeni komory roboczej odpowiedzialny są zainstalowane symetrycznie i wzdłużnie bloki magnetyzujące w postaci stosów połączonych ze sobą zworą. Rysunek 10. Schemat magnetycznego aktywatora wody, 1- magnesy stałe, 2 komora robocza, 3 płytka ferromagnetyczna, 4 obejma mocująca stosy magnesów. Aktywacja pozwala na zmianę takich parametrów jak: ph, przewodnictwo właściwe, zmianę lepkości dynamicznej oraz napięcie powierzchniowe. Dr inż. Przemysław Szymanek 12