Dr inż. Agnieszka KIJO-KLECZKOWSKA Politechnika Częstochowska Wydział Inżynierii Mechanicznej i Informatyki Załącznik nr 2 AUTOREFERAT przedstawiający opis dorobku i osiągnięć naukowych Urodziłam się 19 listopada 1972 r. w Częstochowie. W 1993 r. podjęłam studia wyższe magisterskie na Wydziale Inżynierii i Ochrony Środowiska Politechniki Częstochowskiej (do 1997 r. Wydział Budownictwa i Inżynierii Środowiska), na kierunku Inżynieria Środowiska, kształcąc się w zakresie Ogrzewnictwa, Wentylacji i Ochrony Atmosfery. W trakcie studiów magisterskich, w latach 1995 1998 uczęszczałam na Fakultatywne Studia Pedagogiczne, po ukończeniu których uzyskałam uprawnienia do nauczania przedmiotów technicznych w szkolnictwie zawodowym i średnim. Będąc studentką V-go roku otrzymałam nagrodę oraz dyplom od Rektora Politechniki Częstochowskiej za uzyskanie dobrych wyników w nauce oraz wkład pracy na rzecz środowiska studenckiego uczelni. 15 czerwca 1998 r. przystąpiłam do obrony pracy dyplomowej magisterskiej pt.: Chemizm przemian podtlenku azotu N 2 O w procesie spalania paliw, uzyskując tytuł magistra inżyniera. Promotorem mojej pracy magisterskiej był Pan dr inż. Marek Janik, recenzentem natomiast: Pan prof.dr hab.inż. Wojciech Nowak. Od 1 października 1998 r. zostałam zatrudniona w charakterze asystenta w Katedrze Kotłów i Termodynamiki na Wydziale Inżynierii Mechanicznej i Informatyki (do 2000 r. Wydział Budowy Maszyn) Politechniki Częstochowskiej oraz skierowana na studia doktoranckie. Na podstawie przedstawionej rozprawy doktorskiej pt.: Mechanizm cyklicznego spalania węgla otrzymałam stopień naukowy doktora nauk technicznych nadany uchwałą Rady Wydziału Inżynierii Mechanicznej i Informatyki Politechniki Częstochowskiej z dnia 16 października 2003 r. Promotorem mojej pracy doktorskiej był Pan prof.dr hab.inż. Władysław Gajewski, recenzentami natomiast: Pan prof.dr hab.inż. Jarosław Mikielewicz oraz Pan prof. dr hab. inż. Wojciech Nowak. W związku z wyróżnieniem pracy doktorskiej, w 2004 r. otrzymałam nagrodę Rektora Politechniki Częstochowskiej. 27 października 2003 r. ukończyłam 2-semestralne studium pedagogiczne dla asystentów, uzyskując uprawnienia do nauczania przedmiotów technicznych w szkolnictwie wyższym. W okresie 01.11.2003-31.03.2010 byłam zatrudniona jako adiunkt w Katedrze Kotłów i Termodynamiki, a od 1 kwietnia 2010 r. 1
pracuję na tym stanowisku w Instytucie Maszyn Cieplnych Politechniki Częstochowskiej. Dotychczas, w okresie zatrudnienia na Politechnice Częstochowskiej odbyłam dwukrotnie staż przemysłowy w Elektrowni Jaworzno III - Elektrownia II (w 2001 r. i w 2002 r.) oraz staż badawczy w Elektrowni Jaworzno II (w 2006 r.). W 2003 r. uczestniczyłam w Summer School Optimisation of Energy Systems and Processes. W 2009 r. ukończyłam 2-semestralne studia podyplomowe w zakresie Oceny energetycznej budynków i audytu energetycznego na potrzeby termomodernizacji na Wydziale Inżynierii i Ochrony Środowiska Politechniki Częstochowskiej. W 2010 r. odbyłam cykl szkoleń przygotowujących do certyfikacji z zarządzania projektami według metodyki IPMA, poziom D. Jestem autorem lub współautorem 40 publikacji (37 po uzyskaniu stopnia doktora nauk technicznych), w tym krajowych i zagranicznych. Wielokrotnie uczestniczyłam i prezentowałam wyniki prac badawczych na konferencjach naukowych, zarówno krajowych, jak i międzynarodowych. W 2011 r. otrzymałam nagrodę Rektora Politechniki Częstochowskiej (indywidualną II stopnia) za osiągnięcia naukowe z zakresu spalania zawiesinowych paliw węglowo-wodnych. Przed uzyskaniem stopnia doktora nauk technicznych, główny wysiłek naukowy kierowałam na badania naukowe związane z cyklicznym spalaniem węgla oraz jego fragmentacją podczas trwania procesu. Brałam również czynny udział w realizacji zadań statutowych ówczesnej Katedry Kotłów i Termodynamiki, a także badań własnych. Uczestniczyłam w realizacji grantu pt.: Badania mechanizmu i kinetyki cyklicznego spalania paliw stałych w cyrkulacyjnej warstwie fluidalnej oraz pracy pt.: Badania modelowe spalania węgla w paleniskach z cyrkulacyjną warstwą fluidalną wykonanej na zlecenie Elektrowni Jaworzno III S.A. Byłam także wykonawcą przyznanego mi grantu promotorskiego. Należy podkreślić, iż spalanie paliw stałych w kotłach z cyrkulacyjną warstwą fluidalną (CWF) przebiega w warunkach intensywnego mieszania materiałów sypkich (ziaren węgla, popiołu i kamienia wapiennego) w strumieniu gazu fluidyzującego, w periodycznie zmiennej koncentracji tlenu w otoczeniu ziarna. Wędrówce płonącego ziarna węgla w konturze cyrkulacyjnym kotła fluidyzacyjnego towarzyszy cykliczne przerywanie procesu spalania, następującego w momencie wejścia paliwa do układu nawrotu, pozbawionego dostatecznej ilości tlenu. Zjawisko to występuje do czasu całkowitego wypalenia się ziarna węgla lub wcześniejszego wyniesienia go z paleniska. Warunki panujące w układzie nawrotu zależą od rodzaju paleniska. Przykładowo, w paleniskach CWF typu Ahlstrom układ nawrotu stanowi nie chłodzona rura opadowa z pneumatycznym zamknięciem syfonowym. Temperatura w układzie nawrotu jest więc porównywalna z temperaturą panującą w komorze 2
paleniskowej. W paleniskach CWF typu Lurgii układ nawrotu wyposażony jest w wymiennik ciepła z pęcherzową warstwą fluidalną, służący do schładzania materiału sypkiego krążącego w palenisku. W ten sposób do komory spalania wraca materiał sypki (w tym zawarty w nim węgiel) o zróżnicowanej temperaturze zależnej od warunków procesu spalania i stosowanego paliwa. Właśnie ta specyfika spalania paliw stałych w kotłach z CWF, jaką jest periodyczność procesu, wynikająca z cyrkulacyjnego ruchu ziaren węgla w konturze przepływowym paleniska, stała się inspiracją do podjęcia badań w zakresie rozprawy doktorskiej. Płonące ziarna węgla wchodząc do układu nawrotu przerywają proces spalania wskutek braku tlenu. Dalsze spalanie rozpoczyna się po ponownym wejściu węgla do komory paleniskowej. Dlatego spalanie ziaren węgla w warstwie CWF przybiera cechy procesu cyklicznego, polegającego na wielokrotnym jego nagrzewaniu, zapalaniu, chłodzeniu i gaszeniu. W ramach pracy doktorskiej podjęto próbę wyjaśnienia mechanizmu i kinetyki spalania paliw stałych w warunkach cyklicznego przerywania procesu i ponownego rozpalania ziaren paliwa oraz porównanie go z procesem ciągłym przebiegającym w strumieniu powietrza. Badania eksperymentalne, a także analizy teoretyczne, z uwzględnieniem cyklicznej zmiany koncentracji tlenu wokół płonącego ziarna węgla, umożliwiły sformułowanie szeregu wniosków. Stwierdzono, iż cykliczna zmiana koncentracji tlenu wokół płonącego węgla, zwłaszcza prowadzona w reżimie całkowitego wygaszania ziarna, prowadzi do istotnej zmiany zarówno mechanizmu, jaki i kinetyki spalania. Proces cyklicznego spalania ziaren węgla, odbywający się w przedziale temperatur 800 C-900 C przebiega w obszarze kinetyczno-dyfuzyjnym. Periodyczność spalania wymusza cykliczną zmianę gradientów temperatury wewnątrz ziarna, powodującą zmianę intensywności procesów spalania i odgazowania części lotnych. Cykliczność procesu przyczynia się do wydłużenia rzeczywistego czasu spalania ziaren węgla. W kolejnych cyklach spalania wydłuża się czas zapłonu węgla, wskutek postępującego procesu odgazowania części lotnych, a także zmniejszenia się rozmiaru płonących ziaren. W oparciu o opracowane równania regresji dokonano ilościowej analizy zmian masowej szybkości spalania ziaren węgla w różnych warunkach procesu ciągłego i cyklicznego. Wykazano ponadto, iż cykliczność spalania ziaren węgla wywołuje wielokrotne zmiany stanu naprężeń termicznych w paliwie, intensyfikujących procesy termicznej fragmentacji. Opracowany model teoretyczny, uwzględniający naprzemienne rozpalanie i gaszenie ziaren węgla w różnych odstępach czasu, umożliwił z dostateczną dokładnością opisać proces spalania, realizowany podczas badań eksperymentalnych. 3
Ważnym elementem procesu spalania węgla, podjętym w pracy badawczej, jest ponadto zjawisko fragmentacji termicznej. Wywołane jest ono wyjściową strukturą węgla oraz jej ewolucją, wskutek szybkiego wzrostu temperatury ziarna wprowadzanego do wysokotemperaturowego środowiska. Znaczącą rolę odgrywa również wzajemne oddziaływanie mechaniczne ziaren w warunkach CWF, które zdeterminowane jest dynamiką warstwy fluidalnej. Wykazano, iż rozpad ziaren węgla na mniejsze elementy podczas procesu spalania spowodowany jest głównie szokiem termicznym, ewolucją struktury paliwa, wypalaniem mostków łączących poszczególne fragmenty ziaren węgla, a w warunkach CWF również oddziaływaniem mechanicznym ziaren materiału warstwy z paliwem. Po uzyskaniu stopnia doktora nauk technicznych moja praca naukowa koncentrowała się głównie na rozpoznaniu właściwości, zachowania i spalania zawiesinowych paliw węglowo-wodnych (w-w). Moje zainteresowania dotyczyły również spalania paliw i fragmentacji ziaren węgla w atmosferze o podwyższonej koncentracji tlenu. Stwierdzono, że zmiana otoczenia paliwa, z powietrza na powyższą atmosferę wpływa na intensyfikację przebiegu procesu spalania poprzez, m.in. skrócenie czasu i obniżenie temperatury zapłonu części lotnych. Przeprowadzone badania procesu rozpadu węgla w mieszaninie O 2 /CO 2 o koncentracji tlenu 20-40% wykazały m.in., że wzrost zawartości węgla pierwiastkowego w paliwie powoduje zwiększenie stopnia jego fragmentacji, intensyfikującej się wraz ze wzrostem temperatury w komorze spalania oraz rozmiaru ziarna węgla. Znaczną uwagę poświęciłam ponadto badaniom współspalania paliw (w tym zawiesin węglowo-wodnych) z biomasą. Umożliwiły one rozpoznanie zachowania biomasy w procesie spalania i wykazanie specyfiki procesu z jej udziałem, czemu poświęcono szereg publikacji, których jestem autorem lub współautorem. Należy podkreślić, że biomasa jest jednym z najbardziej obiecujących źródeł OZE, a jej współspalanie z węglem znajduje w ostatnich latach coraz szersze zastosowanie zarówno w kraju, jak i na świecie. Obecnie współspalanie biomasy z paliwami węglowymi realizowane jest na skalę przemysłową w wielu krajowych elektrowniach i elektrociepłowniach. Uczestniczyłam w realizacji wielu zadań statutowych, badań własnych, a także projektów badawczych MNiSW pt.: Analiza procesów spalania suspensji węglowo-wodnych w paleniskach fluidyzacyjnych, Badania mechanizmu i kinetyki spalania węgla w atmosferze tlenu oraz projektu międzynarodowego zleconego przez firmę SASOL Technology R&D z Republiki Południowej Afryki pt.: Fundamental research in the influence of particle size and temperature on the primary fragmentation of coal. Byłam ponadto kierownikiem projektu badawczego MNiSW pt.: Mechanizm współspalania zawiesinowych paliw węglowo-wodnych z biomasą. 4
Jak wspomniałam, znaczny wysiłek naukowy w ostatnich latach skupiłam na problematyce spalania wysokozawodnionych paliw, która nabiera coraz większego znaczenia w miarę wzrostu wymagań jakościowych węgli spalanych w elektrowniach. Kopalnie węgla kamiennego, chcąc spełnić oczekiwania energetyków, zmuszone zostały do rozbudowy i unowocześnienia zakładów wzbogacania węgla. Powoduje to wzrost ilości odpadów, powstających w procesie mokrego wzbogacania, zawierających coraz mniejsze podziarna. W tej sytuacji koncepcja bezpośredniego spalania wspomnianych odpadów, transportowanych np. hydraulicznie do pobliskich elektrowni, wydaje się atrakcyjna zarówno ze względu na możliwość eliminacji konieczności głębokiego odwadniania i suszenia, jak i likwidacji strat najdrobniejszych frakcji węgla przy zrzucie zamulonych wód z zakładów wzbogacania. Sprawność spalania tak utworzonych suspensji węglowo-wodnych (w-w) wymaga jednak odpowiedniej organizacji procesu, uwzględniającej specyfikę mechanizmu spalania tego rodzaju paliwa. Stąd wynika główny cel przygotowanej przeze mnie monografii pt.: Badanie procesu spalania zawiesinowych paliw węglowo-wodnych, stanowiącej podsumowanie pracy badawczej nad paliwami w-w, polegający na rozpoznaniu mechanizmu i kinetyki spalania zawiesin w-w w oparciu o kompleksowe badania eksperymentalne. Redaktorem naukowym pracy był Pan prof.dr hab.inż. Władysław Gajewski, recenzentami wydawniczymi natomiast: Pan prof.dr hab.inż. Jarosław Mikielewicz oraz Pan prof.dr hab.inż. Wojciech Nowak. W pracy przedstawiono wyniki badań naukowych, mających na celu identyfikację własności oraz przebiegu procesu spalania paliw zawiesinowych, utworzonych nie tylko z mułów poflotacyjnych, ale również z mieszaniny pyłów różnego typu węgli oraz pyłu biomasy. Ważnym elementem przeprowadzonych badań była analiza złożonej morfologii kropel zawiesiny węglowo-wodnej oraz jej ewolucji w procesie spalania. Główną uwagę poświęcono badaniom mechanizmu i kinetyki spalania wysokozawodnionych paliw w-w, prowadzonym zarówno w strumieniu powietrza, jak i w warstwie fluidalnej. W pierwszym rzędzie rozpatrywano najprostszy przypadek spalania zawiesiny w-w, który umożliwił poznanie mechanizmu procesu w zależności od parametrów termicznych i przepływowych. Znaczną część pracy poświęcono eksperymentom, których celem było ustalenie oddziaływania warstwy fluidalnej na przebieg spalania zawiesiny w-w. Umożliwiły one rozpoznanie mechanizmu kontaktu zawiesiny z materiałem inertnym, stanowiącym warstwę fluidalną. Opracowanie matematycznego modelu spalania zawiesin w-w było kolejnym interesującym wyzwaniem dla autorki pracy. Stanowi on bowiem nowe - oryginalne podejście do opisu spalania paliw zawiesinowych w różnych warunkach prowadzenia procesu. Przeprowadzone badania eksperymentalne oraz analiza ich wyników, uzupełniona 5
rezultatami obliczeń numerycznych uzyskanych z wykorzystaniem opracowanego modelu spalania zawiesinowych paliw węglowo-wodnych (w-w) w różnych warunkach procesu, pozwoliły sformułować szereg wniosków podsumowujących. Wykazano, iż lepkość, a zarazem płynność zawiesiny w-w ściśle zależy od zawartości w niej części lotnych, a także jej wilgotności przemijającej i higroskopijnej ziaren paliwa, z którego została utworzona. Należy również podkreślić silne oddziaływanie zdolności absorpcyjnych ziaren paliwa w odniesieniu do wody z uwzględnieniem struktury porowatej i zawartości tlenu w paliwie węglowym. Woda w zawiesinie w-w łączy poszczególne ziarna węgla w większe aglomeraty, a monomolekularne warstwy wody, związane wodorowo z hydrofilowymi miejscami w węglu, można traktować jako klej w tych aglomeratach. Świadczy o tym fakt, że wysuszone w temperaturze pokojowej, a następnie pokruszone paliwo zawiesinowe posiada aglomeraty większych rozmiarów od ziaren pyłu węglowego, z którego go utworzono. Ponadto, po wyparowaniu wody w warunkach wysokotemperaturowych, umiejscowione na zewnątrz węglowe ziarna aglomeratu zlepiają się, tworząc skorupę. Ziarna paliwa w zawiesinie w-w rozmieszczone są nieregularnie, a woda wchodząca w jej skład zwilża poszczególne ziarna i penetrując pomiędzy nie prowadzi do procesu przegrupowania pod wpływem działania sił kapilarnych. W przypadku zawiesin w-w utworzonych w większości z bardzo drobnych ziaren obserwuje się ich zwarte upakowanie w przestrzeni między grubymi ziarnami. Wzrost całkowitej powierzchni drobnych ziaren węgla w zawiesinie powoduje narastanie oporu przepływu, który uniemożliwia ruch ziaren w wodzie. Zawiesiny utworzone z większych ziaren węgla charakteryzują słabsze siły kapilarne i w związku z tym swobodny przepływ wody pomiędzy ziarnami. W przypadku zawiesin w-w utworzonych z ziaren węgla różnych rozmiarów obserwuje się tendencję do grupowania większych ziaren wewnątrz zawiesiny oraz wypływania mniejszych na obrzeże kropli paliwa. Woda zawarta w zawiesinie w-w intensyfikuje przebieg procesu spalania, powodując między innymi obniżenie temperatury zapłonu. Proces spalania kropli paliwa zawiesinowego w strumieniu powietrza, zachodzący w przedziale temperatur 800 C-900 C, przebiega w obszarze kinetycznodyfuzyjnym, a najkrótszym czasem spalania charakteryzują się paliwa zawiesinowe utworzone z pyłów węglowych o mniejszej zawartości pierwiastka węgla i dużym udziale części lotnych. Wzrost zawartości wilgoci w zawiesinie prowadzi do wydłużenia czasu zapłonu paliwa. Dodatek pyłu biomasy do paliwa węglowego intensyfikuje przebieg procesu spalania poprzez szybsze nagrzewanie paliwa oraz niższą temperaturę zapłonu. Specyfika spalania zawiesin w-w w warstwie fluidalnej zmienia mechanizm i kinetykę procesu. Wzrost wilgotności zawiesiny w-w powoduje intensyfikację obklejania powierzchni paliwa 6
zawiesinowego materiałem warstwy, narastającą w miarę obniżania prędkości fluidyzacji i zwiększania ilości materiału inertnego, krążącego w kolumnie fluidyzacyjnej. Podczas spalania w warstwie fluidalnej obserwuje się intensywne nagrzewanie paliwa zawiesinowego w początkowym stadium procesu, a następnie odbieranie ciepła od zawiesiny w-w przez kontaktujący materiał inertny, prowadząc (w przypadku braku erozji paliwa) do obniżenia średniej temperatury paliwa oraz wydłużenia czasu spalania, w porównaniu do procesu prowadzonego w strumieniu powietrza. Proces spalania paliwa zawiesinowego w otoczeniu materiału inertnego, zachodzący w przedziale temperatur 800 C-900 C, przebiega w obszarze przejściowym, z przewagą czynników dyfuzyjnych w zakresie małych wilgotności zawiesiny i większych prędkości fluidyzacji, w wyniku intensyfikacji procesu erozji. Wyniki eksperymentów spalania zawiesin w cyrkulacyjnej warstwie fluidalnej wykazały znaczne skrócenie czasu procesu wraz ze wzrostem prędkości powietrza, w zakresie mniejszych udziałów mułu węglowego i wilgoci w zawiesinie, a także wyższych zawartości biomasy. Przeprowadzona analiza statystyczna wyników badań umożliwiła określenie korelacji między parametrami decydującymi o przebiegu spalania w strumieniu powietrza oraz w warstwie fluidalnej, a także wyznaczenie funkcji aproksymacyjnych opisujących przebieg procesów. Wszechstronne eksperymenty oraz wizualizacja spalania wysokozawodnionych paliw ułatwiły sprecyzowanie wiernego modelu fizycznego procesu. Opracowany model matematyczny zawiera równania uwzględniające całokształt zjawisk towarzyszących spalaniu zawiesiny w strumieniu powietrza i w warstwie fluidalnej oraz umożliwia z dostateczną dokładnością opisanie omawianych powyżej procesów. Należy podkreślić istotę i ważność zagadnienia związanego z zachowaniem i spalaniem zawiesinowych paliw w-w, a także dużą przydatność uzyskanych wyników przy doborze parametrów eksploatacyjnych podczas procesu prowadzonego w różnych warunkach. Bardzo cenna i ważna jest dla mnie praca dydaktyczna. Dotychczas prowadziłam wykłady, a także ćwiczenia audytoryjne i laboratoryjne z takich przedmiotów jak: Termodynamika, Termodynamika techniczna, Technika cieplna, Technologie paliw ekologicznych, Teoria spalania, Energetyka i ekologia, Wymiana ciepła, Przepływy wielofazowe, Wymienniki ciepła i klimatyzatory, Wymienniki ciepła, Wysokotemperaturowe wymienniki ciepła, Pomiary wielkości szybkozmiennych, Prawo i ekonomika dla informatyków, Informatyka w marketingu, Spalanie paliw energetycznych, Turbulencja przepływów oraz Praca przejściowa. Do chwili obecnej byłam promotorem 16 prac dyplomowych, zarówno na studiach stacjonarnych, niestacjonarnych, jak i podyplomowych. Recenzowałam ponadto prace dyplomowe. 7
8