Analizator CO w młynie produkcji firmy CODEL do monitorowania zagrożeń w procesie przygotowania węgla do spalania wyniki pierwszych testów w Polsce 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 Millfire 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 kulowomisowe oraz kulowo-bębnowe i różne gatunki węgli kamiennych. Analizator może być z powodzeniem stosowany również na innego rodzaju młynach, np. rolkowo-misowych bądź 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
2 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. Próbka gazowa po przefiltrowaniu nie wymaga żadnej obróbki i jest kierowana za pomocą węża i pompki do komory pomiarowej wyposażonej w kompaktowy analizator gazowy pracujący w podczerwieni. Komora pomiarowa jest grzana, aby nie dopuścić do grożącej korozją kondensacji. Zasadę pomiaru oraz budowę analizatora przedstawiono w kolejnych rozdziałach. 2. Zasada pomiaru 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 1) pomiar referencyjny będzie niezależny od chwilowego stężenia CO w strefie pomiarowej. Chwilę później dokonany zostanie 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: Gdzie K jest współczynnikiem proporcjonalności nastawianym podczas kalibracji przyrządu. Rysunek 2 przedstawia zależność parametru Y od stężenia mierzonego gazu na przykładzie NO (dla CO kształt krzywej jest identyczny).
3 Parametr Y.14 a.12.10.08.06 Stężenie odniesienia.04.02 0 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 6 [tys. ppm] Stężenie NO Zakres pomiarowy Rysunek 2 Parametr Y w funkcji stężenia NO (CO) 3. Budowa analizatora CODEL zaprojektował dwie konfiguracje analizatora, pokazane na rysunku 3: po lewej stronie pokazana jest wersja kompaktowa z analizatorem zabudowanym na pyłoprzewodzie bezpośrednio do kołnierza w którym zabudowane jest gniazdo z filtrem. Alternatywnym rozwiązaniem jest zastosowanie węża do transportu próbki do analizatora zlokalizowanego w dogodnym dla obsługi miejscu. Z uwagi na bardziej komfortowe warunki pracy analizatora (a zwłaszcza brak zagrożeń wysoką temperaturą otoczenia i drganiami) najczęściej stosowana jest wersja z wężem. Według dotychczasowych doświadczeń długość węża może wynosić do 20m. Rysunek 3 Konfiguracja analizatora 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)
4 jak i kulowo-bębnowych (podciśnienie) zakres zmian ciśnienia nie przekracza 3kPa w stosunku do ciśnienia 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 pneumatyczną (eżektor) dla minimalizacji czynności obsługowych. System zawiera zespół wyświetlacza oraz osobną szafę z analizatorem pracującym w podczerwieni, komorę pomiarową oraz zespół zaworów pneumatycznych. Szafa z przyrządem może być montowana albo bezpośrednio do obudowy filtru lub połączona z filtrem izolowanym wężem do transportu próbki. Na rysunku 4 pokazano wnętrze szafy pomiarowej, a na rysunku 5 schemat analizatora, natomiast na kolejnych rysunkach 6 i 7 krócieć do poboru próbki i sam analizator zabudowany na obiekcie. Rysunek 4 Wnętrze szafy pomiarowej Gaz jest zaciągany przez filtr, a następnie przez komorę pomiarową za pomocą eżektora. Pomiędzy filtrem i eżektorem znajduje się zawór kulowy umożliwiający wybór jednej ze ścieżek przepływu A lub B. Podczas normalnej pracy przepływ następuje ścieżką A. Wydajność przepływu można regulować zmieniając ciśnienie z pomocą regulatora 1. Przyrząd toleruje bez pogorszenia jakości pomiaru szeroki zakres zmian przepływu od 0,5dm 3 /min do ok. 10 dm 3 /min. Czystość filtru ze stali nierdzewnej jest regularnie kontrolowana podczas przedmuchiwania zwrotnego systemu (częstotliwość przedmuchiwania dobierana jest empirycznie). Podczas przedmuchiwania zwrotnego zawór kulowy ustawia ścieżkę przepływu B. Zawór elektromagnetyczny przedmuchiwania zwrotnego podaje kilka impulsów celem oczyszczenia filtru, a czas spadku ciśnienia jest monitorowany. Jeżeli filtr nie jest czysty spadek ciśnienia nastąpi dopiero po kilku sekundach. Czas trwania przedmuchiwania zwrotnego nie przekracza 30 sekund operacja ta jest praktycznie niezauważalna dla użytkownika. Monitor jest kalibrowany w zerze podczas prowadzonej raz na dobę kalibracji lub w dowolnej chwili za pomocą aktywacji ręcznej. Zakres monitora może być sprawdzony poprzez podłączenie gazu wzorcowego z CO do odpowiedniego przyłącza.
5 Rysunek 5 Schemat systemu pomiaru CO w młynie Rysunek 6 Króciec do poboru próbki zabudowany na pyłoprzewodzie
6 Rysunek 7 Analizator CO zamontowany na młynie w elektrowni. Lewa skrzynka mieści zasilacz, procesor z wyświetlaczem i klawiaturą oraz modem GSM, prawa to właściwy analizator pokazany na rys. 4. 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 kulowomisowych 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. W Europie rozpoczął się dopiero niedawno okres zbierania doświadczeń eksploatacyjnych z zastosowań przemysłowych. Jako pierwszy 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. Dzięki zastosowanemu modemowi GSM serwisanci Codela i Pentolu mają zdalny dostęp do danych
7 konfiguracyjnych i diagnostycznych przyrządu. Dzięki temu możliwa była m.in. zdalna obserwacja stopnia zanieczyszczenia filtra w układzie poboru próbki oraz optymalizacja ustawień analizatora. Dotychczas elektrownia ogranicza się do obserwacji poziomu CO w różnych stanach ruchowych. Rys. 8 pokazuje przykładowy wykres dla 12 godzin pracy młyna przy spalaniu samego węgla, a rysunek 9 to 24-godzinny wykres dla okresu współspalania 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. W ostatnich miesiącach uruchomiono kolejne analizatory w dwóch elektrowniach w Wielkiej Brytanii spalających węgiel z biomasą oraz w Chorwacji (w silosie z biopaliwem w postaci pyłu drzewnego). 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. Trzecim niezbędnym elementem po układzie pomiarowym i wykonawczym jest określenie progu 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. Rysunek 8 Przykładowy wykres CO w młynie przy spalaniu węgla
8 Rysunek 9 Przykładowy wykres CO w młynie przy współspalaniu węgla i biomasy *** 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 oraz analizatory spalin do kontroli procesów technologicznych. Pentol to ponad 40 lat współpracy z energetyką i innymi dziedzinami przemysłu na całym świecie a od 25 lat również w Polsce. Pełną informację o naszej ofercie znajdziecie Państwo na naszej stronie internetowej www.pentol.pl PENTOL - ENVIRO POLSKA Sp. z o.o. Osiedle Piastów 21B, 31-624 Kraków Tel. +48 12 686 36 86, fax +48 12 686 11 01 www.pentol.pl, e-mail: pentol@pentol.pl