Wpływ czynników, wynikających z jakości paliwa, na proces spalania w kotłach energetycznych
Dr Leokadia Róg
Zakład Oceny Jakości Paliw Stałych,
Główny Instytut Górnictwa
Wpływ czynników, wynikających z jakości paliwa, na proces spalania w kotłach energetycznych
1.Wstęp
Stosowanie paliwa o odpowiedniej jakości, dobranego indywidualnie dla każdego paleniska, daje możliwość uzyskania taniej i czystej energii. Biorąc pod uwagę dotychczasowe doświadczenia stwierdzić można, że najwięcej informacji na temat zachowania się węgla podczas spalania w kotłach energetycznych niosą dwa parametry jakościowe: zawartość części lotnych (Vdaf) oraz wskaźnik zdolności spiekania węgla RI, wyznaczany metodą Rogi [1, 2, 3]. Są to dwa parametry stanowiące podstawę klasyfikacji węgli kamiennych według typów, zgodnie z normą PN-82/G – 97002 „Węgiel kamienny. Typy”. Parametry, nazywane często podstawowymi, podawane w stanie roboczym, które stosowane są przy wycenie paliwa, a mianowicie wartość opałowa, zawartość wilgoci całkowitej, popiołu i siarki całkowitej, dają jedynie przybliżone informacje o właściwościach energetycznych paliwa. Dlatego niezwykle istotne staje się rozpoznanie innych parametrów jakościowych paliwa i odpadów paleniskowych powstałych w procesie jego spalania. Wymienić tu należy wspomniane wcześniej części lotne i zdolność spiekania według Rogi oraz inne parametry takie jak podatność przemiałową, uziarnienie oraz temperatury topliwości popiołu [4, 5, 6].
Rozpoznanie przebiegu procesu spalania, zróżnicowanych jakościowo paliw w różnych typach palenisk, daje możliwość uniknięcia negatywnych zjawisk, niekorzystnych z ekonomicznego i ekologicznego punktu widzenia
[2, 7, 8].
Ogólnie dostępna oferta parametrów jakościowych miałów, produkowanych przez polskie kopalnie węgla kamiennego, pozwala na podstawie pełnego zestawu wskaźników jakościowych, dobrać paliwo odpowiednie dla każdego typu paleniska, a dla konstruktorów kotłów energetycznych, oferta ta może stać się podstawą przy projektowaniu kotłów dla miałów węglowych o parametrach jakościowych nie typowych dla miałów energetycznych, czyli wykazujących znacznie mniejszą zawartość części lotnych i podwyższoną zdolność spiekania.
2. Wymagania jakościowe stawiane węglom energetycznym
Podstawą doboru paliwa do procesu spalania w różnych rodzajach kotłów powinna być norma PN-82/G-97002, która jako typy energetyczne wyznacza węgiel typu 31 i 32 (rys.1). Węgiel typu 33 i 34 może być wykorzystywany do produkcji mieszanek energetycznych z przeznaczeniem do spalania głównie
w paleniskach pyłowych, które mają mniejsze wymagania w stosunku do jakości spalanego węgla.
Oprócz dwóch najważniejszych parametrów, jakimi są zawartość części lotnych i zdolność spiekania według Rogi, na wykresie zamieszczono zawartość wilgoci (w próbce analitycznej) i ciepło spalania w stanie suchym, bezpopiołowym. Te dwa ostatnie parametry również są bardzo charakterystyczne dla poszczególnych typów węgla i bardzo pomocne w ocenie właściwości energetycznych węgla. Oprócz tego, dużym ułatwieniem jest to, że są one dostępne przy każdej podstawowej analizie paliwa.
Najważniejszym składnikiem węgla, decydującym o przebiegu procesu spalania są części lotne. Im większa zawartość części lotnych w paliwie tym łatwiejszy zapłon i szybsze spalenie. Zbyt niska zawartość części lotnych prowadzi do utraty stabilności procesu spalania. Niewielkie różnice
w zawartości części lotnych, w granicach występujących w energetycznych węglach z GZW, nie mają większego znaczenia dla procesu spalania gdyż wraz ze wzrostem zawartości części lotnych wzrasta zawartość wilgoci higroskopijnej. Obydwie te cechy działają w odwrotnym kierunku, przyczyniając się do stabilizacji odgazowania węgla.
Rys.1. Zmienność parametrów jakościowych węgli kamiennych różnych typów
Spalanie węgli, w których zawartość części lotnych w stanie suchym, bezpopiołowym jest zbyt niska (Vdaf poniżej 28 %), może powodować trudności przy zastosowaniu palenisk nie przystosowanych do spalania takich węgli. Takie miały mogą być wykorzystane jako domieszki do węgli z dużą zawartością części lotnych
Spiekalność według Rogi (RI) jest parametrem, który wraz z częściami lotnymi w stanie suchym bezpopiołowym, pozwala określić własności koksujące i wyznaczyć typ węgla według PN-82/G-97002. (Ważne jest by wskaźnik ten został oznaczony w próbce węgla, w której zawartość popiołu,
w stanie suchym nie przekracza 10%. W przypadku gdy Ad jest większe od 10% próbkę należy wzbogacić laboratoryjnie). Tak wyznaczony wskaźnik RI określa właściwości koksujące substancji organicznej węgla i pozwala ocenić jak węgiel ten będzie się spalał.
Z energetycznego punktu widzenia, najkorzystniejsze wartości wskaźnika RI wykazują węgle: płomienne typu 31 i gazowo-płomienne typu 32. Węgle
o podwyższonej liczbie Rogi predestynowane są do spalania w mieszankach
z węglami niżej uwęglonymi, najlepiej w paleniskach pyłowych. Całkowity brak spiekalności, w węglu spalanym w palenisku rusztowym, jest również niekorzystny zwłaszcza, jeśli w miale znajduje się dużo drobnych ziaren. Jest to przyczyną zbyt dużej straty w przesypie i popiele lotnym. Zbyt duża spiekalność, występująca najczęściej w połączeniu z niską zawartością części lotnych, powoduje duże straty w żużlu na skutek utrudnionego odgazowania, zbyt krótkiej drogi spalania i niedopalenia ziaren węgla.
Do najczęściej stosowanych parametrów, według których ocenia się wartość użytkową paliwa, zaliczyć należy: wilgoć całkowitą, popiół, siarkę całkowitą oraz wartość opałową a dokładniej ciepło spalania. Jak widać na rysunku 1 zawartość wilgoci w węglach energetycznych typu 31 i 32 powinna kształtować się na poziomie od 2 % do 14%.
Nadmierna zawartość wilgoci wpływa na obniżenie wartości opałowej spalanego paliwa. W paleniskach pyłowych nie jest ona pożądana gdyż jej obecność wymaga dostarczenia większej ilości ciepła do młyna oraz zwiększenia zużycia energii na mielenie. Powoduje ponadto pogorszenie zapłonu pyłu, wydłużenie drogi spalenia, wzrost temperatury spalin na wyjściu
z kotła oraz straty w żużlu i w popiele.
Dla poprawnego spalania węgla w kotłach rusztowych obecność niewielkiej ilości wilgoci, w granicach 10-15% wpływa korzystnie na proces spalania. Wiąże się to z katalitycznym działaniem pary wodnej przy spalaniu nadmiernej ilości części lotnych oraz spulchniającym jej oddziaływaniem na warstwę węgla. Obecność wilgoci zapobiega również stratom przesypu
w strefie suszenia. Generalnie zawartość wilgoci w węglu, spalanym
w paleniskach rusztowych, nie powinna przekraczać 25% [4].
Popiół jest składnikiem niekorzystnie wpływającym na wartość energetyczną paliwa i przebieg procesu spalania [7, 8]. Jego szkodliwe działanie jest łatwiejsze do opanowania w paleniskach pyłowych gdzie podczas mielenia następuje oddzielenie ziaren paliwa od substancji mineralnej. Jednak nadmierna ilość popiołu w paliwie jest przyczyną przeciążenia młynów, zmniejszenia ich wydajności, zwiększenia awaryjności, obniżenia sprawności kotłów, wzrostu kosztów remontów oraz zwiększenia emisji pyłu i ilości odpadów paleniskowych.
W paleniskach rusztowych obecność dużych ilości domieszek mineralnych znacznie pogarsza proces spalania i podnosi koszty produkcji energii. Obecność niewielkiej ilości popiołu w paliwie jest wskazana i służy ochronie rusztu przed nadmiernym nagrzewaniem się. Zawartość popiołu
w paliwie spalanym w palenisku rusztowym powinna być nie mniejsza niż 6%
i nie większa niż 25% [4].
Wartość opałowa jest obliczana na podstawie wyznaczonego ciepła spalania, które jest charakterystyczne dla stopnia uwęglenia substancji organicznej danego węgla. Na wartość opałową wpływa dodatkowo zawartość popiołu i wilgoci w paliwie. Zwiększenie ilości balastu obniża wartość energetyczną paliwa, zmusza do spalenia większej ilości węgla i zwiększenia obciążenia całego układu nawęglania i podwyższenia kosztów wytwarzania energii. Nadmierny wzrost wartości opałowej paliwa pociąga za sobą wzrost temperatury w palenisku, co rzutuje na wielkość strat kominowych, emisję NOx oraz zanieczyszczające oddziaływanie popiołu na powierzchnie grzewcze [4].
Szczególnie niekorzystne na proces spalania w paleniskach rusztowych wpływa niska temperatura topnienia popiołu określona
w atmosferze redukującej [9]. Efektem obecności takiego popiołu w paliwie są zjawiska zanieczyszczania powierzchni grzewczych, rusztu oraz nadmierne straty w żużlu. Na temperaturę topnienia popiołu ma wpływ skład chemiczny popiołu, który może powodować powstawanie osadów w komorze paleniskowej lub na powierzchniach konwekcyjnych co prowadzi do obniżenia sprawności kotła i wzrostu strat wylotowych. Im więcej glinokrzemianów a mniej żelaza
i związków alkalicznych w substancji mineralnej węgla tym wyższa temperatura topnienia popiołu i mniejsza skłonność do szlakowania [4, 9].
Należy zwrócić uwagę na różnice temperatury topnienia popiołu uzyskanej w atmosferze redukującej w stosunku do tej temperatury uzyskanej dla tego samego popiołu w atmosferze utleniającej (rys.2). Temperatura topnienia uzyskana w atmosferze redukującej jest zawsze niższa od temperatury topnienia uzyskanej w atmosferze utleniającej, a dla oceny zachowania się popiołu w palenisku istotna jest właśnie temperatura uzyskana w atmosferze redukującej.
Dla prawidłowego spalania miału duże znaczenie ma uziarnienie węgla. W paleniskach rusztowych w zależności od przystosowania rusztu można spalać zarówno miały jak i groszki. Ważną cechą jest równomierność granulacji węgla. Przy spalaniu węgla o dużych różnicach wielkości ziaren wzrastają straty.
Większe kawałki węgla nie mają dostatecznego czasu do spalenia i przechodzą jako koks z żużlem do leja popielnikowego.
Rys. 2. Charakterystyczne temperatury topliwości popiołów z węgli
kamiennych
Duża zawartość drobnych klas w paliwie utrudnia proces spalania, zmniejsza wydajność kotła a dodatkowo przy braku spiekalności może powodować straty w przesypie, a przy braku wilgoci straty w strefie suszenia. Wpływ uziarnienia na proces spalania w kotłach pyłowych jest dużo mniejszy. Jedynie zbyt grube uziarnienie paliwa może wpływać na obciążenie młynów, zmniejszenia ich wydajności, zwiększenia awaryjności a przez to na obniżenie sprawności kotłów,
Na zróżnicowanie uziarnienia węgla może wpływać jego podatność na kruszenie czyli tak zwana podatność przemiałowa HGI.
Rys.3. Podatność przemiałowa HGI miałów energetycznych
spełniających wymagania jakościowe kotłów pyłowych
i rusztowych
Aż 60 % węgli energetycznych wyprodukowanych w kopalniach węgla kamiennego wykazuje podatność przemiałową w granicach od 50 do 60, czyli na poziomie średnim, a 36 % na poziomie wysokim (wskaźnik HGI powyżej 60) (rys. 3) [10]. Stwarza to zagrożenie, że podczas transportu i przeładunku węgiel może tracić swoje parametry sortymentowe i ulegać rozdrobnieniu. Typowe miały produkowane w zakładach przeróbczych kopalń węgla kamiennego wykazują charakterystyczny skład ziarnowy. 10 % produkcji miałowej wykazuje od 30 do 40 % ziaren poniżej 3 mm (rys. 4) a 84 % miałów wykazuje mniej niż 35 % ziaren poniżej 1 mm, czyli ziaren mułowych (rys.5).
Rys. 4 Charakterystyka ziarnowa miałów węglowych. Udział ziaren poniżej
3 mm w miałach energetycznych produkowanych w kopalniach węgla
kamiennego
Rys. 5 Charakterystyka ziarnowa miałów węglowych. Udział ziaren poniżej
1 mm w miałach energetycznych produkowanych w kopalniach węgla
kamiennego
3. Dobór paliwa do procesu spalania
Znajomość czynników wpływających korzystnie i negatywnie na proces spalania pozwala na optymalizację jakości paliwa dla konkretnego typu paleniska.
Na rysunku 6 podano straty wynikające ze złej jakości paliwa.
D – wartości parametrów większe od zalecanych
M –wartości parametrów mniejsze od zalecanych
R –zróżnicowane wartości parametrów
4. Zagrożenia wynikające ze współspalania węgla kamiennego i biomasy
Ciągłe dążenie do obniżenia emisji CO2 do atmosfery spowodowało duże zainteresowanie stałymi biopaliwami. Poszukiwania źródeł biomasy doprowadziły do wprowadzenia na rynek energetyczny biopaliw o bardzo zróżnicowanych parametrach jakościowych. Spowodowało to utrudnienia związane z prowadzeniem współspalania biomasy z węglem w kotłach energetycznych. Największe utrudnienia przy spalaniu biopaliw generuje duża zawartość wilgoci oraz obecność zanieczyszczeń mineralnych dodatkowo uciążliwa jest duża zmienność wszystkich parametrów jakościowych w czasie. Najczęściej spalane rodzaje biomasy scharakteryzowano w tablicy 1.
Do potencjalnych utrudnień związanych z współspalaniem biomasy
z paliwami węglowymi należą:
- konieczność podtrzymywania procesu spalania poprzez spalanie mazutu;
- oblepianie elementów młynów drobinami biomasy co prowadzi w efekcie do obniżenia efektywności mielenia węgla;
- wzrost części palnych w odpadach z powodu nie domielenia węgla;
- występowanie zagrożenia wybuchowego z powodu dużej lotności pyłu z biomasy;
- konieczność zwiększenia nakładów finansowych na zabezpieczenia przeciwwybuchowe – odpylacze, czujniki pyłu, systemy uszczelniające;
- występowanie trudności w wymieszaniu biomasy z węglem (rozwarstwianie się tych dwóch paliw), co powoduje niestabilność procesu spalania;
- oblepianie elektrod w elektrofiltrach drobinami biomasy;
- Nasiąkanie biomasy w zasobnikach poprzez pochłanianie wilgoci z węgla co prowadzi do utworzenia trudno transportowalnej masy;
- Negatywny wpływ biomasy na proces odsiarczania co powoduje zaburzenia w procesie krystalizacji produktów odsiarczania;
- Zagrożenia biologiczne (grzyby, zarodniki, bakterie żywe i ich formy przetrwalnikowe) występujące podczas składowania, transportu i spalania biopaliw.
