W. Wójcik, P. Popiel, T. Ławicki Analiza wzrostu

ANALIZA WZROSTU ZAWARTOŚCI CZĘŚCI PALNYCH W POPIELE
I śUśLU PRZY WSÓŁSPANIU BIOMASY Z PYŁEM WĘGLOWYM
ANALYSIS OF INCREASE OF UNBURNED PARTICLES IN FLY-ASH AND
BOTTOM ASH AT BIOMASS AND PULVERISED COAL CO-COMBUSTION
Waldemar Wójcik, Piotr Popiel, Tomasz Ławicki
Politechnika Lubelska, Wydział Elektrotechniki i Informatyki, ul. Nadbystrzycka 38A, 20-618 Lublin,
email: [email protected]
ABSTRACT
The article presents an analysis of increase of unburned particles in fly-ash and bottom ash at biomass and
pulverised coal co-combustion. Burned biomass diversity and its properties prevent its efficient
combustion in coal-fired power plants without significant upgrading of many devices. The research has
found that the concentration of unburned carbon in the ash depends largely on the size of grains.
Keywords: : unburned particles, biomass, co-combustion, fly-ash.
Wstęp
Efektywność spalania paliw kopalnych, do
produkcji energii elektrycznej, jest duŜym
problemem, zarówno dla elektrowni krajowych,
jak i zagranicznych. Ponadto obowiązujące
normy prawne nakazują ciągły wzrost udziału
biomasy, w celu pozyskiwania energii
elektrycznej. Wymusza to dostosowanie
technologii współspalania węgla i biomasy
w pracujących
elektrowniach
węglowych.
Najczęściej stosowanym rozwiązaniem jest
mieszanie (wstępnie rozdrobnionej) biomasy
z węglem w ciągu nawęglania, przed zespołami
młynowymi, co ze względu na koszty
inwestycyjne wydaje się być najbardziej
opłacalne. Warto tu zwrócić uwagę na fakt,
iŜ metoda ta wymaga zbudowania urządzeń
słuŜących do transportu i rozdrobnienia biomasy
poza urządzeniami juŜ wykorzystywanymi. Inną
metodą jest wprowadzenie biomasy do
paleniska wstępnego lub wstępne zgazowanie
biomasy (z wykorzystaniem zgazowywarki)
i doprowadzenie do kotła gazu palnego (Liszka,
Majchrzak, 2 0 0 3 ).
W kaŜdej z opisywanych metod istnieje
potrzeba poznania cech fizyko-chemicznych
spalanych paliw, które decydują o jakości
procesu spalania.
Jednym
z
parametrów
określających
efektywność spalania jest zawartość części
palnych w ubocznych produktach spalania.
Przez dziesięciolecia popioły i ŜuŜle traktowane
były jako odpady i składowane. Obecnie
stanowią
cenny
produkt,
o
róŜnym
zastosowaniu,
w
szczególności
w budownictwie. Wymogi stawiane popiołom
lotnym zawarte są w normach z serii PN-EN
196 (metody badania cementu) i PN-EN 450
(popiół lotny do betonu), które określają m.in.
maksymalną wartość strat praŜenia.
Współspalanie
biomasy
z
węglem
energetycznym często prowadzi do wzrostu
zawartości części palnych ponad wartości
dopuszczalne przez normę. Przeprowadzone
badania, w jednej z krajowych elektrowni,
pozwoliły na sformułowanie wstępnych
wniosków dotyczących tego niekorzystnego
zjawiska i to zarówno z punktu widzenia
pozyskiwania
energii
(cieplnej,
więc
i elektrycznej), jak i gospodarki odpadami –
konieczność składowania i potencjalnej straty
dochodów z braku moŜliwości sprzedaŜy
popiołu.
Współspalanie biomasy
Optymalizacja pracy kotła wykonana przy
załoŜeniach współspalania biomasy typu agro,
nie będzie skuteczna w przypadku spalania
zrębków drzewnych. Przyczyną tego jest
zmiana m.in. wartości opałowej, wilgotności,
gęstości, zawartości części lotnych czy popiołu.
Trudno jednak oczekiwać, by przy kaŜdej
zmianie paliwa przeprowadzać obliczenia
związane z optymalizacją procesu spalania.
Ponadto często stosowanym rozwiązaniem jest
wykorzystanie zbiornika buforowego w ciągu
podawania biomasy, w którym dochodzi
do wymieszania róŜnych paliw.
Wilgotność paliwa w znaczący sposób
wpływa na proces spalania. Warto tu zwrócić
uwagę na fakt, iŜ dla węgla kamiennego –
to kilka, kilkanaście procent, a w przypadku
274
świeŜej biomasy – nawet kilkadziesiąt
(ŚCIĄśKO, ZUWAŁA, PRONOBIS, 2006).
MoŜe to skutkować przesunięciem jądra
płomienia w górę, co w efekcie doprowadzi do
krótszego przebywania w nim cząstek, a to
bezpośrednio wpływa na wzrost zawartości
części palnych w ubocznych produktach
spalania.
Zwiększona wilgotność pogarsza jednocześnie
jakość przemiału, dodatkowo zwiększając
problem rozdrobnienia biomasy.
Na rysunku 1 przedstawiona została
próbka mieszkanki pyłu węglowego z biomasą,
w tym przypadku ze zrębkami drzewnymi.
Została ona pobrana w okolicach niewielkiej
nieszczelności
pyłoprzewodu,
więc
nie
odzwierciedla dobrze problemu rozdrobnienia
zrębków – wydmuchane zostały tylko
najmniejsze cząstki.
Udział biomasy w próbce wynosi ok. 20%
wagowo, lecz ze względu na niŜszą gęstość,
objętościowo jest to zdecydowanie więcej.
Dodatkowo
warto
zwrócić
uwagę
na uwarstwienie paliwa w tej próbce. Pył
węglowy ma większą gęstość i w porównaniu
z biomasą i jest bardziej rozdrobniony, więc
opada niŜej, a lŜejsza biomasa ma tendencje
do zalegania w górnych warstwach. Właściwość
ta ma duŜy wpływ na mieszanie paliw juŜ
w momencie jej dostarczenia do ciągu
nawęglania, a następnie podawania z zasobnika
do
młyna
węglowego.
W
trakcie
przeprowadzanych badań widoczne było
mieszanie paliw juŜ na pierwszym etapie, lecz
w miarę przesypywania mieszanki pomiędzy
kolejnymi podajnikami taśmowymi dochodziło
do jej rozdzielania. W efekcie końcowym
mieszanka pyłu węglowego i biomasy
znajdująca się w zasobniku młyna węglowego
była silnie uwarstwiona, co moŜe tłumaczyć
nagłe zmiany zawartości części palnych, nawet
w przypadku dokładnie znanego paliwa.
Rys. 1. Mieszanka pyłu węglowego z biomasą pobrana w okolicach
niewielkiej nieszczelności pyłoprzewodu
Rys. 2. Popiół lotny pobrany ze strefy 1 elektrofiltra; czarne miejsca ukazują niedopał;
zawartość niespalonego węgla – 7,1%
275
Uwzględniając mniejszą masę drobin biomasy
(rys. 1), w porównaniu z cząstkami pyłu
węglowego, a takŜe ich większą wilgotność,
moŜna
przypuszczać,
iŜ
w
komorze
paleniskowej pył węglowy zaczyna spalać się
niŜej, niŜ biomasa. Powoduje to krótszy czas
przebywania cząstek biomasy w jądrze
płomienia, co jak juŜ wcześniej wspomniano,
skutkuje wzrostem zawartości węgla w popiele
lotnym.
Na rysunku 2 przedstawiona została próbka
popiołu pobrana ze strefy 1 elektrofiltra, którego
budowa została pokazana na rysunku 3.
RównieŜ tutaj widoczne jest uwarstwienie
czystego popiołu i cząstek niespalonej biomasy.
Właściwość ta jest niekorzystna z punktu
widzenia pomiaru zawartości niespalonego
węgla, bo utrudnia pobranie reprezentatywnej
próbki o masie poniŜej 1g.
Najczęściej w elektrowniach próbki pobierane
są przez obsługę elektrofiltrów i dostarczane
do laboratoriów, gdzie pomiar zawartości węgla
całkowitego, moŜna przeprowadzić kilkakrotnie
i je uśrednić. O wiele trudniejsze jest
zbudowanie
automatycznego
systemu,
pracującego on-line (Styszko-Grochowiak,
Gołaś, Jankowski, 2004).
Rys. 3. Miejsce pobrania próbek popiołu lotnego z lejów elektrofiltra
Badania popiołu lotnego
Jak wspomniano we wstępie popioły
z elektrowni węglowych stanowią obecnie coraz
cenniejszy produkt, chętnie wykorzystywany
do produkcji cementu i betonu. Ograniczeniem
są straty praŜenia, określane dla danej kategorii
betonu.
Metoda ich wyznaczania opisana jest w normie
PN-EN 196-2:2006 „Metody badania cementuCzęść 2: Analiza chemiczna cementu”; polega
na pomiarze masy próbki przed i po praŜeniu
w temp 950˚C (±25) do uzyskania stałej masy.
Z kolei w normie PN-EN 450-1:2006 „Popiół
lotny do betonu. Część 1: Definicje,
specyfikacje i kryteria zgodności” jest
umieszczony zapis: „Celem tego wymagania
jest ograniczenie w popiele lotnym pozostałości
nie spalonego węgla. Wystarczy zatem wykazać
przez bezpośredni pomiar zawartości nie
spalonego węgla, Ŝe dla poszczególnych
kategorii mieści się on w granicach podanych
wyŜej” (kat. A – 5% ułamek masowy, kat. B –
2-7% ułamek masowy, kat. C 4-9% ułamek
masowy)(Normy PN-EN).
Przepis ten pozwala na stosowanie analizatorów
węgla, w których czas pomiaru wynosi
ok. 2 minuty.
PowyŜsze metody pomiarowe (tj. strat praŜenia
i pomiar zawartości węgla) znacząco róŜnią się
od siebie, lecz uzyskane wyniki, jak wykazały
badania realizowane na obiekcie rzeczywistym,
w przypadku popiołu lotnego, nie odbiegają
od siebie o więcej niŜ 1%. MoŜna uznać więc,
Ŝe metoda oznaczania niespalonego węgla jest
szybsza, a jej dokładność często wystarczająca.
Uwzględniając wzrost strat praŜenia
w ubocznych produktach spalania, przy
współspalaniu biomasy z pyłem węglowym,
przeprowadzono badania popiołu lotnego pod
kątem zaleŜności koncentracji niespalonego
węgla od grubości frakcji.
Na rysunku 3 pokazano miejsce pobrania
próbek w strefach 1 oraz 1i2 elektrofiltra.
Masa próbki popiołu do analizy wynosiła 100g,
co ułatwia interpretację wyników pomiarów.
Pobraną próbkę przesiano w przesiewaczu przy
uŜyciu 9 sit, o boku oczka zawartych
w przedziale od 500µm do 63 µm, a następnie
poszczególne
frakcje
poddano
analizie
zawartości węgla.
276
Otrzymane wyniki, w formie charakterystyk, przedstawione zostały na rysunkach 4,5,6.
Rys. 4. ZaleŜność masy popiołu i zawartości procentowej węgla całkowitego od grubości frakcji;
próbka pobrana ze strefy 1 elektrofiltra
Rys. 5. ZaleŜność masy popiołu i zawartości procentowej węgla całkowitego od grubości frakcji;
próbka pobrana ze strefy1 i 2 elektrofiltra
Rys. 6. ZaleŜność masy węgla całkowitego od grubości frakcji
Najmniejsze frakcje, zaznaczone na rysunkach
jako punkty dla 50 µm, naleŜy uwaŜać jako
pozostałość na dnie, po przesianiu przez sito
o boku oczka 63 µm. Zmierzono równieŜ
zawartość
niespalonego
węgla
przed
przesianiem, dla próbki ze strefy 1 zawartość
węgla wyniosła 7,15%, a dla próbki ze strefy
1i2 – 7,23%.
Rysunek 4 ukazuje zaleŜność masy popiołu
w poszczególnych frakcjach i zawartość
procentową niespalonego węgla dla próbki
277
pobranej w strefie 1 elektrofiltra, a rysunek 5
dla próbki w strefie 1i2.
Na rysunku 5 i 6 brakuje pomiaru zawartości
niespalonego węgla dla najgrubszej frakcji.
Masa tej próbki okazała się za mała
do wykonania pomiaru (<0,4g).
Na podstawie otrzymanych charakterystyk
moŜna sformułować następujące wnioski:
- udział popiołu, dla cząstek mniejszych niŜ
160 µm w próbce, wynosi odpowiednio:
- dla próbki pobranej w strefie 1 – 79,7%,
- dla próbki ze strefy 1i2 – 84,4%,
- większy udział małych cząstek w strefie 1i2
potwierdza wyłapywanie przez elektrofiltr
największych drobin w strefie 1,
- koncentracja niespalonego węgla wzrasta
wraz z grubością frakcji, dla ziaren
o rozmiarach większych niŜ 200 µm,
zawartość węgla osiąga nawet kilkadziesiąt
procent,
- ponad 80% masy niespalonego węgla (strefa
1) znajduje się popiele o frakcjach większych
niŜ 100 µm (>65% dla strefy 1i2),
- przeprowadzone
pomiary
potwierdzają
pośrednio wzrost niedopału spowodowany
niską efektywnością spalania biomasy.
W poprzedniej części artykułu opisano problem
wzrostu strat praŜenia w popiele lotnym.
Problem niŜszej efektywności spalania dotyczy
równieŜ ŜuŜli, jednak ze względu na mniejsze
moŜliwości jego wykorzystania, a takŜe
na mniejszą ilość jego powstawania w procesie
wytwarzania
energii,
stanowi
mniejsze
zainteresowanie ze strony elektrowni.
Niestety straty praŜenia dla ŜuŜli osiągają nawet
kilkanaście procent, co w wyniku spalania
milionów ton węgla rocznie, stanowi powaŜny
problem – głównie środowiskowy.
Na rysunku 7 przedstawiono próbkę ŜuŜla
pobranego
bezpośrednio
za
kruszarką
umieszczoną na dole kotła. Po lewej stronie
widoczne są niedopalone zrębki drzewne,
a takŜe pestka wiśni.
Przytoczona we wstępie metoda wpółspalania
biomasy i węgla wymagająca dostarczenia tejŜe
mieszanki do młyna węglowego nie pozwala na
prawidłowe rozdrobnienie biomasy, bez
znaczącej modernizacji zespołów młynowych.
Drewno, posiadające strukturę włóknistą, pod
działaniem kul jest miaŜdŜone, a nie kruszone
jak węgiel. Trudno więc oczekiwać by tak
przygotowane paliwa efektywnie były spalane
(GOLEC, 2004).
Wpływ przemiału na skład ŜuŜla
Rys.7. Próbka ŜuŜla pobranego za kruszarką;
po lewej stronie widoczne niedopalone zrębki drewna i pestka wiśni
Podsumowanie i wnioski
Wzrost zawartości części palnych w popiele
i ŜuŜlu przy współspalaniu biomasy z pyłem
węglowym stanowi duŜy problem dla
energetyki zawodowej. Skutkuje to m.in.:
• pozyskiwaniem mniejszej ilości energii
elektrycznej z energii chemicznej przez
zmniejszenie efektywności spalania,
• koniecznością
składowania
odpadów;
po przekroczeniu 10% strat praŜenia
uboczne produkty spalania traktowane są
jako odpady niebezpieczne,
• utratą potencjalnego zysku wynikającą
z braku moŜliwości sprzedaŜy popiołu jako
produkt;
Do głównych przyczyn zwiększenia zawartości
części palnych w ubocznych produktach
spalania moŜna zaliczyć:
• słabe
dostosowanie
urządzeń
rozdrabniających biomasę,
278
•
słabe mieszanie paliw, i skłonność do ich
samo-rozwarstwiania,
• zbyt duŜy współudział biomasy w stosunku
do węgla,
• zwiększoną wilgotność,
• brak optymalizacji pracy palników i kotła
przez nieuwzględnianie wpływu zawartości
części palnych,
• zbyt krótki czas przebywania cząstek
w komorze paleniskowej,
• brak pomiaru on-line zawartości części
palnych w popiele i ŜuŜlu,
Na podstawie przeprowadzonych badań moŜna
stwierdzić
równieŜ,
iŜ
koncentracja
niespalonego węgla wzrasta wraz z grubością
frakcji, dla ziaren o rozmiarach powyŜej 200
µm zawartość węgla osiąga nawet kilkadziesiąt
procent, a ponad 80% masy niespalonego węgla
znajduje się popiele o frakcjach większych niŜ
100 µm.
Dla efektywnego prowadzenia procesu spalania,
oprócz rozwiązania problemów dotyczących
rozdrobnienia biomasy naleŜy opracować
metody i urządzenia pozwalające na realizację
pomiarów
zawartości
węgla,
zarówno
w popiele, jak i ŜuŜlu, on-line, które powinny
być wykorzystane w układzie automatycznego
sterowania kotłem. Przedstawione badania
są wstępem do realizacji powyŜszego celu.
LITERATURA
LISZKA M., MAJCHRZAK H.; 2 0 0 3 ,
Analiza efektów ekologicznych w procesie
współspalania węgla i biomasy na przykładzie
Elektrowni Opole, in: Energetyka, No 3, pp.
133-140,
Normy z serii PN-EN 196:2006, PN-EN
450:2006,
ŚCIĄśKO M., ZUWAŁA J., PRONOBIS M.,
2006 Zalety i wady współspalania biomasy w
kotłach energetycznych i tle doświadczeń
eksploatacyjnych
pierwszego
roku
współspalania biomasy na skalę przemysłową,
in: Energetyka, No 3,
STYSZKO-GROCHOWIAK K., GOŁAŚ J.,
JANKOWSKI
H.,
Ocena
pracy
eksploatowanego w warunkach przemysłowych
optoelektronicznego
systemu
monitoringu
niespalonego
węgla
w popiołach
energetycznych; in. VII Konferencja Naukowa
Czujniki Optoelektroniczne i Elektroniczne
Wrocław 2004,
GOLEC T ., 2004, Współspalanie biomasy w
kotłach energetycznych, in: Energetyka, No 7-8