Autoreferat przedstawiający opis dorobku i osiągnięć w działalności

Załącznik nr 2
Dr inż. Agnieszka KIJO-KLECZKOWSKA
Politechnika Częstochowska
Wydział Inżynierii Mechanicznej i Informatyki
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 N2O 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
wysokotemperaturowego
wzrostu
środowiska.
temperatury
Znaczącą
rolę
ziarna
odgrywa
wprowadzanego
również
do
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 O2/CO2
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