ZASTOSOWANIE PLAZMOTRONU ZASILANEGO POWIETRZEM DO STABILIZACJI PŁOMIENIA PYŁOWEGO Przemysław Kobel, Włodzimierz Kordylewski Instytut Techniki Cieplnej i Mechaniki Płynów Politechniki Wrocławskiej Wybrzeże Wyspiańskiego 27 50-370 Wrocław przemyslaw.kobel@pwr.wroc.pl, wlodzimierz.kordylewski@pwr.wroc.pl 1. WSTĘP W artykule przedstawiono nowe rozwiązanie plazmowego palnika pyłowego przeznaczonego do rozruchu kotłów pyłowych. Opracowane urządzenie będzie stanowić podstawowy element plazmowego systemu rozruchowego kotłów pyłowych i będzie zasilane pyłem węglowym oraz energią elektryczną. Zastosowanie plazmowego systemu rozruchowego pozwoli wyeliminować mazut w rozruchu kotła, przyczyniając się do oszczędności ekonomicznych i ograniczenia emisji zanieczyszczeń podczas rozruchu. Zamiast argonu, jak w rozwiązaniu poprzednim, w proponowanym rozwiązaniu zastosowano powietrze jako czynnik plazmotwórczy. Użycie powietrza zmusiło do znacznych zmian w konstrukcji plazmotronu oraz jego układów elektrycznych. Nowe rozwiązanie charakteryzuje się znacznie większą mocą (25 kw) umożliwiającą stabilizację płomienia pyłowego w instalacjach demonstracyjnych. W artykule przedyskutowano także problemy związane z wdrożeniem opracowanego plazmowego systemu rozruchowego w kotle pyłowym o średniej wydajności. Polska energetyka zawodowa opiera się w głównej mierze na węglowych kotłach pyłowych. Uruchomienie kotła ze stanu zimnego wymaga przeprowadzenia procedury rozruchu mającej na celu wygrzanie komory paleniskowe do odpowiedniej temperatury. Standardowo rozruch przeprowadza się z wykorzystaniem palników mazutowych. Tak prowadzony rozruch kotła jest uciążliwy dla środowiska naturalnego ze względu na wysoką emisję sadzy i ciężkich węglowodorów do atmosfery. Spowodowana jest ona koniecznością wyłączenia elektrofiltrów na czas pracy palników mazutowych i objawia się dymieniem z komina elektrowni. Koszty rozruchu mazutowego są wysokie, ze względu na wysoką (i stale rosnącą) cenę tego paliwa. Dodatkowo instalacja dostarczająca mazut jest skomplikowana i energochłonna, ze względu na konieczność jej ciągłego grzania w celu utrzymania płynności paliwa. W obliczu zaostrzających się norm dotyczących ochrony środowiska oraz gwałtownie rosnących cen ropy naftowej znalezienie metody alternatywnej dla rozruchu mazutowego wydaje się wysoce zasadne. Z ekonomicznego, energetycznego i ekologicznego punktu widzenia najkorzystniejsze byłoby uruchamianie kotła wyłącznie przy użyciu pyłu węglowego. Jest to jednak trudne, ponieważ wymaga zapewnienia pewnego zapłonu i stabilnego działania palnika pyłowego przy zimnym kotle. Konieczne jest zastosowanie dodatkowego źródła zapłonu o dużej mocy, wystarczającego na pokrycie strat energii do otoczenia. W charakterze takiego źródła wykorzystany może zostać zasilany energią elektryczną palnik plazmowy (plazmotron). Rozwiązanie takie umożliwia redukcję kosztów zarówno inwestycyjnych, jak i eksploatacyjnych [1]. Także względy ochrony środowiska przemawiają za tym rozwiązaniem. Na dzień dzisiejszy plazmowa technika rozruchu kotłów nie jest szeroko stosowana. Pracują natomiast instalacje pilotowe (np. czeskiej firmy Orgrez). Także w Zakła-
dzie Spalania i Detonacji Instytut Techniki Cieplnej i Mechaniki Płynów Politechniki Wrocławskiej prowadzone są prace związane z zastosowaniem techniki plazmowej w energetyce. We wcześniejszych latach opracowane i przebadane zostały plazmotrony palcowe zasilane argonem [2]. Obecnie prace koncentrują się na opracowaniu i uruchomieniu próbnych instalacji plazmowego rozruchu kotłów opartych o plazmotron wnękowy zasilany powietrzem. 2. PLAZMOWY ROZRUCH KOTŁÓW PYŁOWYCH Instalacja rozruchowa wykorzystująca plazmowym zapłon pyłu węglowego składa się z plazmotronu, palnika pyłowego oraz układów: zasilania, automatyki i pomiarów. Działanie plazmowego palnika pyłowego (PPP) polega na wprowadzeniu strumienia niskotemperaturowej plazmy do przewodu, którym przepływa mieszanka pyłowo-powietrzna (rys. 2.1.). Pod wpływem kontaktu cząstek węgla z plazmą następuje gwałtowne wydzielanie części lotnych, rozpad cząstek i zapłon. W efekcie otrzymuje się stabilny płomień pyłowy. Rys. 2.1. Plazmowy palnik pyłowy zasada działania Procedura plazmowego rozruchu kotła pyłowego jest podobna do normalnej procedury rozruchu z zastosowaniem palników olejowych. Wymagany czas wygrzania komory paleniskowej oraz żądane parametry cieplne kotła pyłowego nie ulegają zmianie. Istota plazmowego rozruchu kotła pyłowego polega na tym, że od stanu zimnego kotła pracują dysze pyłowe, na których zostały zainstalowane plazmotrony. Pozostałe palniki pyłowe są uruchamiane stopniowo po osiągnięciu wymaganych parametrów termicznych komory paleniskowej i innych elementów oraz urządzeń związanych z prawidłową pracą kotła pyłowego. Jako PPP mogą zostać wykorzystane istniejące palniki pyłowe po modyfikacji lub nowe, specjalnie w tym celu stworzone. O liczbie i miejscu umieszczenia plazmotronów (wyborze dyszy palnikowej), niezbędnych do zainstalowania na kotle, decyduje przede wszystkim wydajność cieplna kotła pyłowego, rodzaj paleniska oraz moc plazmotronu
Rys. 2.2. Przykład umieszczenia PPP w kotle 3. PROBLEMY PLAZMOWEGO ROZRUCHU KOTŁÓW 3.1. TRWAŁOŚĆ PLAZMOTRONU W proponowanym rozwiązaniu plazmotronu rozruchowego jako czynnik plazmotwórczy zastosowano powietrze zamiast argonu. Uzasadnione jest to względami ekonomicznymi (koszt zakupu argonu) i technicznymi (sprężone powietrze jest w sposób ciągły dostępne w zakładach energetycznych, argon natomiast wymaga zakupu transportu i magazynowania w zbiornikach). Niestety zastosowanie powietrza ma niekorzystny wpływ na trwałość plazmotronu. W przeciwieństwie do argonu, będącego gazem inertnym, powietrze powoduje utlenianie, korozję i erozję elektrod. Trwałość elektrod plazmotronów palcowych niewielkiej mocy zasilanych powietrzem (stosowanych np. do cięcia metali) to kilka kilkanaście godzin. Po tym czasie zużyte elektrody należy wymienić. Dla porównania przy zasilaniu argonem plazmotron taki może pracować setki godzin. W przypadku plazmotronu rozruchowego o dużej mocy wymagane jest zapewnienie trwałości na poziomie kilkuset godzin pracy, co powoduje konieczność zastosowani plazmotronu o odmiennej konstrukcji. W Zakładzie Spalania i Detonacji opracowano plazmotron o konstrukcji wnękowej (rys. 3.1.). Rys. 3.1. Plazmotron wnękowy
W rozwiązaniu takim elektrody mają postać tulei, którymi przepływa powietrze. Wykonane są one z miedzi, co zapewnia bardzo dobrą przewodność elektryczną i cieplną. Główny strumień powietrza wprowadzony jest od strony katody i podlega zawirowaniu względem osi plazmotronu. Powietrze dodatkowe doprowadzone jest poprzez wkładkę izolacyjną oddzielającą elektrody i również podlega zawirowaniu. Takie doprowadzenie powietrza powoduje przemieszczanie się punktów przyczepienia łuku po powierzchniach elektrod, co chroni je przed miejscowym przegrzaniem, przepaleniem i erozją elektrod. W celu odprowadzenia nadmiaru ciepła elektrody są intensywnie chłodzone wodą przepływającą przez układ wewnętrznych meandrów. 3.2. ZAPŁON PLAZMOTRONU Ze względu na odmienną konstrukcję zapłon plazmotronu wnękowego jest trudniejszy niż w przypadku plazmotronu palcowego. Duża odległość między elektrodami powoduje, że konieczne jest zastosowanie pomocniczego wysokonapięciowego wyładowania elektrycznego w celu zjonizowania gazu i umożliwienia zapłonu łuku głównego. Stosowane do zapłonu plazmotronów układy iskrowe wysokiej częstotliwości charakteryzują wysoką emisją zakłóceń elektromagnetycznych. Powoduje to zaburzenie pracy układów elektronicznych znajdujących się w pobliżu plazmotronu. W przypadku nowoczesnego, wykorzystującego komputerowe systemy sterowania, obiektu energetycznego zakłócenia takie mogą stać się przyczyną groźnych awarii. Z tego powodu opracowano alternatywne układy zapłonowe bezpieczne pod względem zakłóceń elektromagnetycznych. Pierwszy z nich wykorzystuje rozładowanie kondensatora o dużej pojemności, co powoduje wyładowanie iskrowe między elektrodami pomocniczymi, umieszczonymi wewnątrz plazmotronu (rys. 3.2.). Drugi korzysta z transformatora wysokonapięciowego wytwarzającego wyładowanie o napięciu tysięcy volt (rys. 3.3.). Oba rozwiązania zostały zgłoszone do ochrony w Urzędzie Patentowym RP [3,4]. Rys. 3.2. Układ zapłonowy z kondensatorem (A anoda, K Katoda, E elektrody zapłonowe, C kondensator zapłonowy, T transformator, C W kondensator pomocniczy, P przycisk zapłonu, U, U W - zasilanie)
Rys. 3.3. Układ zapłonowy z transformatorem WN (A anoda, K Katoda, E elektrody zapłonowe, C kondensator zapłonowy, T transformator WN, P przycisk zapłonu, U ZAS - zasilanie) 3.3 PROBLEMY Z ZASILANIEM PLAZMOWEGO PALNIKA PYŁOWEGO PYŁEM WĘGLOWYM W przypadku uruchamiania kotła pyłowego za pomocą palników olejowych, nie jest konieczne uprzednie przygotowanie pyłu węglowego, ponieważ do wygrzania komory paleniskowej i instalacji młynowej wykorzystywane są gorące spaliny ze spalania oleju. Po osiągnięciu niezbędnej minimalnej temperatury młyna węglowego następuje jego włączenie i zasilanie węglem, a otrzymany pył węglowy jest podawany do palników pyłowych. W przypadku zastosowania plazmowego systemu rozruchowego kotła pyłowego należy rozpatrzyć dwa systemy zasilania paleniska pyłem węglowym, z instalacją młynową: indywidualną lub centralną. 3.3.1. Kotły pyłowe z centralnym układem młynowym W elektrowniach i elektrociepłowniach z centralną młynownią pył węglowy może być pobierany bezpośrednio ze zbiornika głównego i kierowany do palników pyłowych danego kotła. W takim przypadku nie ma konieczności budowania dodatkowych układów dla zapewnienia pyłu węglowego podczas plazmowego rozruchu kotła pyłowego ze stanu zimnego. W rezultacie zainstalowanie PPP jest prostsze i obejmuje tylko część palnikową oraz układ automatyki kotła. 3.3.2. Kotły pyłowe z indywidualnym układem młynowym W elektrowniach i elektrociepłowniach węglowych z kotłami z młynowniami indywidualnymi problemem jest uruchomienie młyna, który wymaga wygrzania przed podaniem do niego węgla do mielenia. Konieczna jest, więc modernizacja układu młynowego kotła lub budowa dodatkowej instalacji do magazynowania pyłu węglowego w zasobniku przykotłowym. W przypadku kotłów z młynownią indywidualną na czas plazmowego rozruchu kotła pyłowego ze stanu zimnego możliwe są dwa ogólne rozwiązania: budowa zasobnika przykotłowego zapewniającego zasilanie pyłem węglowym (młyny węglowe nie będą uruchamiane na czas rozruchu), zapewnienie gorącego czynnika gazowego do wygrzania młyna węglowego w celu umożliwienia zmielenia węgla surowego i zasilania plazmowego palnika pyłowego.
4. KONSTRUKCJA PROTOTYPOWEGO PLAZMOWEGO PALNIKA PYŁOWEGO W celu badania zjawisk związanych z plazmowym zapłonem pyłu węglowego i testowania rozwiązań konstrukcyjnych plazmotronów, w Zakładzie Spalania i Detonacji zbudowano stanowisko badawcze z prototypowym układem plazmowego palnika pyłowego (rys. 4.1). W skład stanowiska wchodzi plazmotron wraz z zasilaczem i urządzeniem zapłonowym, palnik pyłowy, układ zasilania pyłem węglowym, zasilanie w media (powietrze, woda) oraz przyrządy kontrolno pomiarowe. Stanowisko umożliwia pomiar parametrów pracy plazmotronu (prąd, napięcie temperatura), badanie wpływu różnorodnych czynników (np. parametrów zasilania, doboru czynnika plazmotwórczego) na pracę PPP oraz sprawdzanie w praktyce opracowanych rozwiązań konstrukcyjnych. Rys. 4.1. Stanowisko do badania PPP schemat 5. PODSUMOWANIE Plazmowy system rozruchowy stanowi ważna alternatywę dla obecnie stosowanych rozwiązań wykorzystujących mazut. Na drodze do wdrożenia tego systemu na skalę przemysłową istnieją jednak poważne przeszkody. Do takich należy brak doświadczeń z działaniem takich instalacji w skali rzeczywistej lub do niej zbliżonej. Prace badawcze prowadzone w Zakładzie Spalania i Detonacji Instytut Techniki Cieplnej i Mechaniki Płynów Politechniki Wrocławskiej mają na celu uruchomienie demonstracyjnej instalacji plazmowego rozruchu. Pozwoli na przeprowadzenie testów, identyfikację źródeł problemów i ich likwidację oraz optymalizację technologii.
BIBLOGRAFIA 1. Bukowski P., Dyjakon A., Kordylewski W., Salmonowicz M., Analiza ekonomiczna plazmowego rozruchu kotłów pyłowych, Międzynarodowa X Konferencja Kotłowa 2006, Szczyrk 17-20.10.2006. 2. Dyjakon A., Kordylewski W., Stabilisation of pulverized coal burning with plasma assists, Archivum Combustionis, Vol. 22, No. 3-4, s. 121-129, 2002. 3. Zgłoszenie patentowe P38239 4. Zgłoszenie patentowe P380028 APPLICATION OF AIR-FEEDED PLASMATRON FOR STABILIZATION OF PULVERIZED COAL FLAME In this article a new design of plasma assisted burner for start-up of pulverised coal fired boilers is presented. This device will be a main part of plasma assisted start-up system. The system uses pulverised coal as fuel, instead of heavy oil, and electricity. Therefore significant costs diminish and reduction of pollutant emissions is expected. Air has been used as a plasma gas, instead of argon. Therefore, major changes in design of the plasmatron and its electric circuits have been made. Power of the new plasmatron is much bigger (25kW), which makes better stabilisation of pulverised coal flame possible. In the article main problems of plasma assisted start-up systems have also been discussed.