Plazmowy rozruch kot..

Arkadiusz Dyjakon1)
Plazmowy rozruch kotłów pyłowych
Spalanie pyłu węglowego w kotle wymaga przeprowadzenia procesu rozruchu mającego na celu wygrzanie komory
paleniskowej do odpowiedniej temperatury. Rozruch kotłów
pyłowych w energetyce węglowej przeprowadza się rutynowo przy użyciu palników mazutowych. Tylko w znikomym stopniu rozruchu kotłów dokonuje się przy użyciu paliw gazowych
lub pyłu węglowego w palnikach muflowych [1].
Z ekonomicznego i energetycznego punktu widzenia najkorzystniejsze jest uruchamianie kotła z użyciem tylko pyłu
węglowego. Bezpośrednie wykorzystanie pyłu węglowego do
rozruchu kotłów pyłowych jest jednak trudne, ponieważ wymaga pewnego zapłonu i stabilnego działania palnika pyłowego w warunkach zimnego otoczenia w kotle. Konieczne
jest zatem zastosowanie źródła zapłonu o dużej mocy, które
przewyższać będzie straty ciepła do otoczenia. Wykorzystanie do tego celu zapalarek iskrowych czy palników gazowych
nie zapewnia pewnego zapłonu mieszanki pyłowo-powietrznej [2]. Rozwiązaniem tego problemu może być zastosowanie niskotemperaturowej plazmy do zapłonu i stabilizacji spalania pyłu węglowego [3, 4, 5]. Rodzaj możliwej do zastosowania plazmy (termiczna, mikrofalowa, wysokoczęstotliwościowa i inna) zależy głównie od przyjętego rozwiązania plazmotronu, żądanej temperatury plazmy i rodzaju gazu roboczego.
Plazma jest mieszaniną swobodnych elektronów i jonów
o temperaturze z zakresu 2000–20000 K i charakteryzuje się
wysoką koncentracją energii [6]. Ze względu na swoje właściwości, oddziaływanie plazmy na pył węglowy obejmuje
szybko przebiegające procesy fizyczne i chemiczne (rys. 1).
Najważniejsze dla techniki spalania procesy fizyczne zachodzące w węglu pod działaniem plazmy to: szybkie nagrzewanie (103–104 deg/s) cząstek węgla, gwałtowny rozkład termiczny substancji organicznej skutkujący gwałtownym wydzielaniem części lotnych i rozpadem cząstek węgla do rozmiarów poniżej 5 mm [7].
Rys. 1. Oddziaływanie plazmy na pył węglowy
1)
Pan dr inż. Arkadiusz Dyjakon jest pracownikiem Politechniki Wrocławskiej, Instytutu Techniki Cieplnej i Mechaniki Płynów.
[email protected]
luty
2005
Procesy chemiczne towarzyszące zmianom fizycznym, to
przede wszystkim wydzielenie w wyniku pirolizy lotnych i ciekłych produktów rozkładu substancji organicznej oraz dysocjacja termiczna wielu produktów gazowych rozkładu z wytworzeniem rodników i jonizacja gazu [8].
Rozruch kotłów pyłowych
W rozruchu typowego kotła pyłowego i fluidalnego stosuje się olejowe palniki rozpałkowe. Zużycie ciężkiego oleju
(mazutu) podczas jednego rozruchu kotła ze stanu zimnego
zależy od jego wydajności (tab. 1).
Tabela 1
Zużycie mazutu podczas rozruchu kotła pyłowego
ze stanu zimnego [9]
Wydajność kotła,
Mg/h
Zużycie mazutu
podczas jednego rozruchu, Mg
50–120
3–8
160–320
10–25
420–650
30–75
950–1150
120–350
1650
400
2650
550
Zadaniem instalacji rozpałkowej jest płynne obciążanie
kotła w zakresie niskich obciążeń (0–25%) i w okresie włączania do pracy palników głównych. Palniki rozpałkowe służą
również do podtrzymywania płomienia pyłowego przy niskich
obciążeniach kotła.
Stosowanie do rozpalania kotła palników olejowych, które wymagają wyłączania elektrofiltrów, powoduje zanieczyszczenie środowiska naturalnego w wyniku wysokiej emisji
sadzy i innych ciężkich węglowodorów do atmosfery, co objawia się dymieniem z komina. Innym problemem wynikającym ze stosowania olejowych palników rozpałkowych jest
zagrożenie pożarowe regeneracyjnych podgrzewaczy powietrza [10].
Rozruch kotła rozpoczyna się po zrealizowaniu programu
wietrzenia i ustabilizowaniu parametrów pracy układu powietrze – spaliny. Następnie uruchamia się pierwsze palniki rozpałkowe i rozpoczyna się proces wygrzewania zespołów młynowych, wykorzystując możliwość podgrzania powietrza pierwotnego w podgrzewaczu powietrza.
Następnie przystępuje się do uruchomienia pierwszego w
kolejności młyna. Najkorzystniejsze na tym etapie rozruchu
jest załączanie młynów zasilających dolne sekcje palników
pyłowych, w celu uzyskania przyrostu obciążenia cieplnego
kotła bez gwałtownego przyrostu temperatury pary świeżej
i wtórnej.
www.e-energetyka.pl
strona
67
Proces uruchomiania i obciążania młyna należy przeprowadzać zwracając szczególną uwagę na prawidłowe wygrzanie i odpowiednią wentylację młyna. W miarę wzrostu temperatury dołącza się pozostałe młyny (na minimalnym obciążeniu) wygaszając poszczególne palniki rozruchowe. Stopniowo zwiększa się obciążenie zespołów młynowych (do uzyskania wymaganej mocy bloku), jednocześnie zwiększając
obciążenie cieplne kotła [11].
O liczbie i miejscu plazmotronów (wyborze dyszy palnikowej), niezbędnych do zainstalowania na kotle, decyduje przede
wszystkim wydajność cieplna kotła pyłowego, rodzaj paleniska oraz moc plazmotronu (tab. 2).
Tabela 2
Moc i liczba plazmotronów w zależności od wydajności kotła
[12, 13, 14]
Wydajność kotła,
Mg/h
Liczba
plazmotronów
przypadających
na kocioł
50–75
1
120–180
2
210–320
3
420–500
4
650–950
6–8
1150–1650
10–12
Plazmowy rozruch kotłów pyłowych
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 ściśle związanych z prawidłową pracą kotła pyłowego [12].
Procedura plazmowego rozruchu kotła pyłowego jest zbliżona, jak z zastosowaniem palników mazutowych. Wymagany czas wygrzania komory paleniskowej oraz żądane parametry cieplne kotła pyłowego nie ulegają zmianie, co ma duże
znaczenie ekonomicznie przy wyborze tego systemu [13].
Rozmieszczenie plazmowych palników pyłowych
w kotle pyłowym
Ważnym zagadnieniem przy wykorzystaniu plazmy do rozruchu kotła pyłowego i stabilizacji płomienia pyłowego jest
właściwy dobór liczby plazmowych palników pyłowych i ich
odpowiednie rozmieszczenie w komorze paleniskowej, ponieważ będą one miały duży wpływ na pracę pozostałych dysz
pyłowych i całego kotła.
Moc plazmotronu,
kW
Zależnie od typu
paleniska i rodzaju
spalanego paliwa
60–200
Plazmotron powinien być instalowany w dolnym rzędzie
palnikowym, ponieważ powoduje to, że uruchamiane powyżej w późniejszym czasie palniki pyłowe będą dodatkowo stabilizowane przez palnik wyposażony w plazmowy system
zapłonowy.
Przykłady rozmieszczenia plazmotronów w kotle pyłowym
przedstawiono na rysunku 2.
Korzyści i problemy
plazmowego systemu rozruchu kotłów pyłowych
Należy zaznaczyć, że plazmowa technika rozruchu kotłów
pyłowych nie jest jeszcze dojrzała, a wiedza o niej opiera się
głównie na informacjach ze źródeł rosyjskich.
a)
b)
c)
d)
e)
f)
Rys. 2. Rozmieszczenie plazmotronów w komorze paleniskowej kotła pyłowego [12, 13]
strona
68
www.e-energetyka.pl
luty
2005
Na podstawie wymienionych cech plazmowych palników
pyłowych można jednak wskazać następujące zalety rozruchu kotłów przy ich zastosowaniu [7, 12, 13, 14, 15]:
– brak dodatkowego paliwa,
– likwidacja dużej i złożonej instalacji mazutowej,
– brak ingerencji plazmowego systemu rozruchowego w komorę paleniskową (brak dodatkowych odgięć rur parownika w komorze paleniskowej),
– brak ruchomych części mechanicznych plazmowego systemu zapłonowego, co obniża jego awaryjność i koszty jej
eksploatacji,
– oszczędności ekonomiczne (niższy koszt węgla w stosunku do oleju ciężkiego i gazu palnego).
Problemy techniczne, na jakie można się natknąć przy
zastosowaniu plazmowego systemu rozruchowego kotłów
pyłowych, to:
zapewnienie pyłu węglowego na czas wygrzania młyna dla
kotła pyłowego uruchamianego ze stanu zimnego,
konieczność magazynowania pyłu węglowego w przypadku istnienia jednego bloku energetycznego,
dobór odpowiednich materiałów na plazmotron w przypadku
jego zasilania powietrzem (trwałość plazmotronu),
dobór odpowiedniej mocy zasilacza i układu zapłonowego
plazmotronu,
energochłonność systemu.
Rys. 3. Schemat instalacji
przygotowania pyłu węglowego
do rozpalania kotłów pyłowych:
1 – młyn węglowy, 2 – kanał pyłowy,
3 – zasobnik główny węgla,
4 – rurosuszarka, 5 – filtr cyklonowy,
6 – filtr tkaninowy,
7 – zasobnik przykotłowy pyłu,
8 – wentylator wyciągowy, 9 – inżektor
Plazmowe palniki pyłowe
Urządzenie do wytwarzania plazmy nazywa się plazmotronem. Palnik pyłowy z zainstalowanym na nim plazmotronem tworzy plazmowy palnik pyłowy.
Przygotowanie pyłu węglowego
do plazmowego rozruchu kotła pyłowego
Zasada działania
i budowa plazmowych palników pyłowych
W przypadku uruchamiania kotła za pomocą palników olejowych czy gazowych, nie jest konieczne uprzednie przygotowanie pyłu węglowego, ponieważ do wygrzania komory
paleniskowej i instalacji młynowej wykorzystywane są gorące spaliny ze spalania oleju lub gazu. Po osiągnięciu niezbędnej minimalnej temperatury młyna węglowego następuje jego
włączenie i zasilanie węglem, a otrzymany pył węglowy jest
podawany do palników pyłowych.
Przy plazmowym rozruchu kotła pyłowego wymagane jest
wcześniejsze przygotowanie pyłu węglowego, gdyż uruchomienie zimnego młyna spowoduje jego zalepienie i zasypanie świeżym paliwem. Rozwiązań instalacji młynowych jest
wiele, a sposób zapewnienia zasilania kotłów pyłowych pyłem węglowym zależy od wymagań i możliwości elektrowni
czy elektrociepłowni. Wyróżnia się dwa typy instalacji młynowych: indywidualne i centralne.
W elektrowniach z centralną młynownią pył węglowy może
być pobierany bezpośrednio ze zbiornika głównego i kierowany na odpowiednie dysze palnika pyłowego. W przypadku
młynowni indywidualnych konieczna jest budowa dodatkowej instalacji do magazynowania pyłu węglowego w zbiorniku przykotłowym. Przykład instalacji przygotowania pyłu węgla brunatnego do plazmowego rozruchu kotła pyłowego
przedstawiono schematycznie na rysunku 3 [3].
Istnieje również możliwość (w przypadku pracy innych
bloków) dobudowania kanału spalin, którym będą pobierane
z pracującego kotła gorące spaliny do wygrzania młyna przynależnego do uruchamianego kotła. Pozwala to na uniknięcie
budowy zbiornika przykotłowego na pył węglowy.
luty
2005
Instalacja plazmowego zapłonu pyłu węglowego składa
się z: plazmotronu, palnika pyłowego oraz układów automatyki i pomiarów. Działanie plazmowego palnika pyłowego
polega na wprowadzeniu niskotemperaturowej plazmy do
przewodu, którym przepływa mieszanka pyłowo-powietrzna
(rys. 4). Pod wpływem kontaktu cząstek węgla z plazmą następuje gwałtowne wydzielanie części lotnych, rozpad cząstek i zapłon. W efekcie otrzymuje się stabilny płomień pyłowy. W wyniku oddziaływania plazmy na pył węglowy powstaje wysokoreakcyjna mieszanka, która w kontakcie z tlenem
szybko reaguje przyspieszając rozwój płomienia. Tłumaczy
to, dlaczego ciągłe wyładowanie plazmowe w palniku pyłowym efektywnie stabilizuje płomień pyłowy.
Zasady konstrukcji plazmowych palników pyłowych nie
są w pełni opracowane. Istotne problemy do rozwiązania to
takie kształtowanie aerodynamiki plazmy i przepływu mieszanki pyłowo-powietrznej, żeby nie spalić palnika, ale uzyskać
możliwie szeroki zakres jego stabilnej pracy.
Rys. 4. Schemat plazmowego palnika pyłowego
www.e-energetyka.pl
strona
69
Umieszczenie plazmotronu w palniku pyłowym
Wprowadzenie plazmy do mieszanki pyłowo-powietrznej
musi zapewnić jej zapłon i stabilne spalanie, dlatego ważne
jest odpowiednie umieszczenie plazmotronu w palniku pyłowym. Sposób umieszczenia plazmotronu na określonej dyszy pyłowej zależy przede wszystkim od: typu plazmotronu,
rodzaju palnika pyłowego (wirowy, strumieniowy czy muflowy) oraz rodzaju spalanego węgla.
Przykłady instalacji plazmotronów na dyszy pyłowej pokazano na rysunku 5.
a)
b)
c)
Rys. 5.
Umieszczenie plazmotronu
w dyszy palnika pyłowego [12, 13]:
wirowego (a),
strumieniowego (b),
muflowego (c).
Trwałość plazmotronu
Właściwe działanie plazmowej instalacji rozruchowej w
dużej mierze zależy od poprawnego i długiego czasu pracy
plazmotronu. Na trwałość plazmotronu duży wpływ mają
materiały stosowane na elektrody plazmotronu oraz rodzaj
stosowanego gazu roboczego. Elektrody są najważniejszymi elementami plazmotronu, ponieważ między nimi rozwija
się łuk. Ze względu na przejmowane duże strumienie ciepła, anoda i katoda są intensywnie chłodzone wodą (współczynnik przejmowania ciepła powinien wynosić co najmniej 5×103 W/cm2) [16]. Przyjmuje się, że 50% mocy elektrycznej plazmotronu odprowadzane jest z wodą chłodzącą, której wzrost temperatury nie powinien przekroczyć
10–20°C [17].
Rodzaj materiału użytego na elektrody zależy głównie
od temperatury i parametrów pracy plazmotronu oraz rodzaju czynnika nośnego plazmy. Katody plazmotronów wykonuje się z miedzi, grafitu, wolframu, wolframu torowanego
(W + 2% ThO2), tantalu, cyrkonu i niobu [18]. Ze względu
na dobre przewodnictwo cieplne anoda jest wykonana
z reguły z miedzi [19]. Inne materiały stosowane na anodę
to: tytan, nikiel, molibden i wolfram [18].
Z powodu pracy elektrod w wysokich temperaturach i przy
dużych obciążeniach cieplnych w plazmotronie postępują
procesy erozyjne, zależne między innymi od: natężenia prądu, rodzaju gazu roboczego i temperatury plazmy. Na przykład, erozja powierzchniowa miedzi chłodzonej wodą wynosi
około 10–9 kg/(A×s) [13].
strona
70
Rodzaj gazu roboczego jest ważny dla działania plazmotronu, ponieważ struga gazu, oprócz stabilizacji wyładowania
łukowego i ochrony dyszy przed zniszczeniem, spełnia funkcję nośnika energii cieplnej. O jego wyborze decydują następujące czynniki: temperatura plazmy, moc plazmotronu, aktywność chemiczna i koszt gazu [20]. Najczęściej stosowanymi gazami roboczymi w plazmotronach są argon i azot, inne
gazy robocze, to: wodór, hel, para wodna, CO2, CO, powietrze i tlen.
Tlen jako gaz roboczy ma wiele zalet, ale ze względu na
utlenianie materiału elektrod w wysokiej temperaturze bardzo skraca ich czas pracy. W przypadku stosowania gazów
obojętnych czas pracy elektrod dochodzi do 1000 godzin,
a dla gazów z udziałem tlenu może byc ograniczony do 5–6
godzin.
Biorąc pod uwagę parametry pracy plazmotronów wymaganych dla plazmowego rozruchu kotłów pyłowych szacuje
się, że w przypadku zastosowania powietrza (jako gazu roboczego) czas pracy katody sięga 250 godzin, a anody 500 godzin [12]. Sposobem wydłużenia czasu działania plazmotronu z takimi czynnikami roboczymi, jak: powietrze, tlen i inne
gazy agresywne jest ochrona katody gazem inertnym [19].
Zasilanie elektryczne plazmowego systemu zapłonowego
Zadaniem układu elektrycznego plazmotronu jest zapalenie łuku między elektrodami oraz dostarczenie takiej energii
plazmie, aby była ona w stanie zapewnić pewny zapłon i stabilne spalanie mieszanki pyłowo-powietrznej. Rozwiązań konstrukcyjnych elektrycznych układów zasilających plazmotrony jest wiele i zależą one przede wszystkim od rodzaju plazmotronu, jego mocy oraz rodzaju gazu roboczego.
Największą trudnością zasilania elektrycznego plazmotronów jest potrzeba napięcia zapłonu wyrażonego w kV oraz
napięcia podtrzymującego łuk wyrażonego tylko w V.
Napięcie zapłonu łuku zależy przede wszystkim od odległości między elektrodami oraz rodzaju i ciśnienia gazu roboczego.
W zależności od typu plazmotronu stosuje się dwa rodzaje zasilaczy:
– źródła zasilania elektrycznego o bardzo „miękkiej” charakterystyce prądowo-napięciowej (rys. 6) [21],
– układ zapłonowy dający wyładowanie 10–20 kV i zasilacz
dużej mocy o napięciu podtrzymania łuku (rys. 7).
Rys. 6. Charakterystyka prądowo-napięciowa pracy plazmotronu [21]:
www.e-energetyka.pl
1 – charakterystyka źródła zasilania, 2 – charakterystyka łuku,
3 – punkt pracy łuku
luty
2005
Rys. 7. Przykładowy schemat elektryczny układu zapłonowego
plazmotronu [12]:
1 – plazmotron, 2 – kondensator, 3 – rezystor, 4 – dławik,
5 – zasilacz, 6 – iskrownik
Dotyczy to także plazmowego palnika pyłowego, który jako
stosunkowo nowe rozwiązanie wymaga jeszcze wielu badań
w zakresie konstrukcji i właściwości stosowanych paliw.
Przeprowadzone badania dają pogląd, jak ważniejsze
cechy rozdrobnionych paliw stałych wpływają na efektywność zapłonu mieszanki pyłowo-powietrznej plazmą termiczną. Wielkości te są ważne z praktycznego punktu widzenia, ponieważ jednym z zasadniczych problemów rozwoju plazmowego systemu rozpałkowego jest konieczność
działania instalacji rozruchowej w warunkach pracy kotła
„na zimno”. W takich warunkach ważne jest na przykład
zawilgocenie węgla, które może nawet uniemożliwić działanie plazmowego palnika pyłowego.
Preferencje paliwowe w plazmowych palnikach pyłowych
Niektóre doświadczenia z zastosowaniem
plazmowego rozruchu kotłów
Efektywność zapłonu mieszanki pyłowo-powietrznej oraz
zakres stabilnej pracy palnika pyłowego zależy między innymi od: mocy źródła zapłonu, składu mieszanki palnej, prędkości przepływu, stopnia zawirowania, typu palnika, właściwości paliwa. Do ważniejszych rozpatrywanych właściwości
paliw należą m.in.: typ paliwa, jego rozdrobnienie, wilgotność,
wartość opałowa, udział popiołu i części lotnych (rys. 8).
Poprawne działanie palnika wymaga stabilnego płomienia, co wiąże się z rodzajem paliwa i organizacją spalania.
Na terenach Rosji, Mongolii, Kazachstanu i Korei Północnej pracuje łącznie prawie 400 kotłów pyłowych (zasilanych węglem brunatnym, kamiennym i antracytem) o wydajności pary w zakresie 75–2650 Mg/h, których rozruch
dokonuje się za pomocą plazmy [12]. W niniejszym artykule
podano przykłady kotłów pyłowych, których rozruch odbywa się przy użyciu plazmowego systemu zapłonowego.
a)
b) węgiel brunatny
c) węgiel brunatny
d) węgiel kamienny
Rys. 8. Wpływ właściwości paliwa na pracę plazmowego palnika pyłowego [3]:
rodzaj paliwa (a), współczynnik nadmiaru powietrza (b), części lotne (c), rozdrobnienie (d)
luty
2005
www.e-energetyka.pl
strona
71
Pierwszym przykładem jest kocioł pyłowy jednociągowy
z suchym odprowadzeniem żużla TPE-215 (wydajność pary
670 Mg/h) opalany węglem kamiennym. Komora paleniskowa rozdzielona jest dwustronnym ekranem. Pył węglowy jest
podawany przez 16 palników muflowych rozmieszczonych
na dwóch przeciwległych ścianach kotła w dwóch rzędach
(rys. 2d). Na czterech dyszach pyłowych w dolnym rzędzie
zainstalowano po jednym plazmotronie o mocy 60 kW każdy.
W momencie uruchamiania kotła do pracy włączano: jeden
wentylator ciągu, dwa wentylatory podmuchu, dwa wentylatory powietrza pierwotnego i jeden młyn młotkowy. Po włączeniu plazmotronów wygrzewały one paleniska muflowe
przez 10 minut. Następnie do palników z zainstalowanymi plazmotronami doprowadzono pył węglowy o łącznym strumieniu 8 Mg/h. Po około 3 s na wylocie z palników formował się
płomień pyłowy, a po czasie około 5–7 minut jego temperatura na wylocie palnika muflowego wynosiła 950–1000°C. Następnie w miarę wzrostu temperatury na wylocie z komory
paleniskowej zwiększano obciążenie palników pyłowych. Po
godzinie temperatura czynnika suszącego wynosiła około
100°C, udział części palnych w popiele nie przekraczał 5%.
Po czterech godzinach od rozpoczęcia uruchamiania kotła
przystąpiono do uruchamiania turbiny parowej. Kiedy została
osiągnięta temperatura 350°C na wylocie z kotła uruchomiono pozostałe młyny węglowe i ostatnie cztery palniki pyłowe.
Plazmotrony zostały wyłączone po osiągnięciu wydajności
pary 480 Mg/h (analogicznie, jak w przypadku rozruchu kotła
palnikami mazutowymi) [12].
Innym przykładem może być kocioł jednociągowy, jednowalczakowy, z paleniskiem tangencjalnym, z suchym odprowadzeniem żużla BKZ-420 (rys. 2a) o wydajności pary 420 Mg/h,
opalany węglem brunatnym Kocioł wyposażony w indywidualny system nawęglania z bunkrowaniem pyłu węglowego.
Kocioł zasilany jest pyłem węglowym z 12 palników rozmieszczonych narożnie w trzech rzędach. Do rozruchu kotła z użyciem palników mazutowych służyły 4 palniki mazutowo-parowe. Czas rozruchu wynosił 3,5–4 h, a zużycie mazutu wynosiło około 80 Mg. W celu plazmowego rozruchu kotła, na dwóch
przeciwległych dyszach pyłowych w dolnym rzędzie zainstalowano plazmotrony. Po dwóch minutach od chwili włączenia
plazmotronu włączano podajniki węglowe na minimalnym obciążeniu, które podawały mieszankę pyłowo-powietrzną na
dwie dysze pyłowe, doprowadzano także powietrze wtórne do
spalania. Po 2–3 s na wylocie palnika pojawiał się płomień
z temperaturą w centrum około 1100–1150°C. Po godzinie
temperatura płomienia sięgała 1260–1290°C, a jego długość
wynosiła 7–8 m. Po czasie 3,3 h temperatura w komorze powrotnej sięgała 400°C. Następnie uruchamiano pozostałe dwa
palniki pyłowe w dolnym rzędzie i po 10–15 s uruchamiano powoli pozostałe palniki na rzędach wyższych. Po czterech godzinach rozruch kotła był zakończony [12].
Kolejny przykład to kocioł parowy o tangencjalnym palenisku z suchym odprowadzeniem żużla TPE-185 (rys. 2b)
o wydajności pary 160 Mg/h. Kocioł jest zasilany z trzech młynów młotkowych pyłem węgla kamiennego. Kocioł posiada
6 skrzyń palnikowych (każdy młyn pracuje na dwa przeciwległe palniki). Do osiągnięcia obciążenia nominalnego wystarczy praca dwóch młynów. W celu uruchomienia kotła
bez palników mazutowych na dwóch palnikach, leżących
strona
72
naprzeciw siebie, zainstalowano plazmotrony o mocy 80 kW.
Czynnik suszący był podgrzewany do temperatury 60°C
za pomocą wymiennika parowego. Po 10 minutach od chwili
włączenia plazmotronów, uruchamiano młyn węglowy z wydajnością 3,5 Mg/h. Po czasie 10–15 s na wylocie palnika
formował się płomień pyłowy, którego temperatura sięgała
1300°C. Po czasie 1,5 h uruchamiano pozostałe palniki pyłowe. Po dwóch godzinach temperatura w drugim ciągu kotła
wynosiła 350°C, a temperatura powietrza suszącego do
młyna 170°C [12].
Ostatnim przykładem jest kocioł wodny (rys. 2e) KWTK-100 wyposażony w 6 palników wirowych rozmieszczonych
na bocznych ścianach kotła w dwóch rzędach. W górnym rzędzie po dwa palniki i po jednym w rzędzie dolnym. Kocioł
jest opalany pyłem węgla kamiennego. W celu plazmowego
rozruchu kotła na planikach wirowych dolnego rzędu zainstalowano plazmotrony o łącznej mocy 75 kW. Przed rozruchem
zamknięte są wszystkie kanały powietrza wtórnego. Palniki
pyłowe są obciążone na 20%, wydajność dolnych palników
pyłowych wynosiła 2,1 Mg/h. Po 3–4 s na wylocie z palnika
kształtował się płomień o temp. 1200°C i długości ok. 4–5 m.
Po uruchomieniu podajnika pyłu do wtórnego spalania koncentracja pyłu wynosi 0,3 kg/kg. Po 20 minutach temperatura
w drugim ciągu kotła sięgała 280°C, w rezultacie zwiększano
obciążenie palników do 3 Mg/h. Po dwóch godzinach obciążenie palników dolnych wynosi 4 t/h przy koncentracji pyłu
0,65 kg/kg. Temperatura spalin w drugim ciągu wzrosła do
410°C, a na wylocie z kotła do 100°C. Po upływie następnych 15 minut uruchamiano pozostałe palniki pyłowe z doprowadzeniem powietrza wtórnego. W czasie 2,4 h kocioł
osiągał obciążenie nominalne kotła, temperatura w drugim
ciągu wynosiła 750°C, a temperatura gazów wylotowych
130°C. W rezultacie po 3,1 h plazmotrony zostają wyłączone
z pracy [12].
Z przedstawionych przykładów wynika, że rozruch kotłów
pyłowych z zastosowaniem systemu plazmowego nie powoduje zmian w procedurze wygrzewania i obciążania komory
paleniskowej, a całkowity czas rozruchu nie ulega zmianie.
Ocena ekonomiczna
plazmowego systemu rozruchowego
Ze względów ekonomicznych (związanych ze stratami
rozruchowymi), czas rozruchu kotła pyłowego powinien być
jak najkrótszy, ale z powodu stosowania różnych materiałów
i konieczności utrzymania odpowiednich parametrów technicznych, nie można go przyspieszać.
Straty rozruchowe bloku są kosztami, które są konsekwencją ruchu przerywanego bloku i obejmują: wyłączenie
z ruchu bloku (rozpoczęcie zaniżania obciążenia), postój
bloku, uruchomienie bloku (uzyskanie równowagi cieplnej).
Z punktu widzenia bilansu energii straty rozruchowe są nadwyżką energii doprowadzonej do bloku w czasie jego cyklu
rozruchowego, w postaci paliwa pomocniczego i podstawowego oraz dodatkowych strumieni energii (para obca, podgrzane powietrze, energia elektryczna), nad energię doprowadzoną, która byłaby niezbędna do wyprodukowania równoważnej energii użytecznej w ruchu ustalonym bloku [22].
www.e-energetyka.pl
luty
2005
Tabela 3
Porównanie kosztów rozruchu kotła pyłowego BB 1150
z użyciem palników mazutowych i plazmowych
palników pyłowych [3]
Wyszczególnienie
Wartość
Wartość opałowa mazutu, MJ/kg
Wartość opałowa węgla brunatnego, MJ/kg
Cena mazutu (średnia), zł/Mg
Cena węgla brunatnego, zł/Mg
Cena energii elektrycznej potrzeb własnych, zł/MWh
Zużycie energii elektrycznej przez młyn
na wentylację i przemiał węgla, MWh/Mg
Zużycie energii elektrycznej na zapłon
i spalanie węgla przez plazmotron, MWh/Mg
Zużycie mazutu na jeden rozruch kotła
ze stanu zimnego, Mg
Zużycie węgla na jeden rozruch kotła
w przypadku zastąpienia mazutu, Mg
Koszt mazutu na jeden rozruch kotła
ze stanu zimnego, zł
Koszt węgla na jeden rozruch kotła
w przypadku zastąpienia mazutu, zł
Koszt przemiału węgla w przypadku
zastąpienia mazutu
Koszt energii elektrycznej na zasilanie plazmotronu
Średni koszt rozruchu za pomocą
plazmowych palników pyłowych
Średni koszt mazutu na jeden rozruch kotła
ze stanu zimnego
39,0–41,0
7,6–8,4
500
38
110
0,009–0,014
0,05–0,15
215–315
1325
107 500–157 500
50 350
1 680
13 250
65 280
132 500
Ważnym aspektem mogącym mieć wpływ na rozwój tej
technologii jest porównanie kosztów rozruchu kotłów z użyciem palników mazutowych i plazmowych palników pyłowych. W tym celu dokonano teoretycznej analizy kosztów
rozruchu kotła BB 1150 opalanego węglem brunatnym od
stanu zimnego z zastosowaniem plazmowego systemu rozruchowego. Otrzymany wynik (tab. 3) porównano z rzeczywistym kosztem rozruchu tego kotła przy użyciu mazutu
(dane pochodzą z jednej z elektrowni zawodowych „na węgiel brunatny”) [3].
W przedstawionej analizie została uwzględniona zamiana mocy cieplnej paliwa ciekłego (mazutu) na odpowiadającą
mu moc cieplną paliwa stałego (węgla brunatnego). Nie zostały uwzględnione dodatkowe koszty związane z pracą palnika olejowego, takie jak: podgrzewanie mazutu i eksploatacja instalacji mazutowej, emisja sadzy, konserwacja palnika.
W kosztach pracy plazmowego palnika pyłowego nie ujęte
zostały koszty wymiany zużytych elektrod, zużycie gazu plazmotwórczego oraz chłodzenia plazmotronu [3].
Z przeprowadzonej analizy kosztów wynika, że plazmowy
rozruch kotła pyłowego jest około dwa razy tańszy w porównaniu z rozruchem kotła z użyciem mazutu. Jest to więc interesujące i ekonomicznie uzasadnione alternatywne rozwiązanie. Oszczędności finansowe wynikające z zastosowania
plazmowej techniki rozpałkowej kotłów pyłowych potwierdzają
również dane ze źródeł rosyjskich [12].
Wnioski i podsumowanie
Zastosowanie termicznej plazmy w energetyce zawodowej do rozruchu kotłów pyłowych i stabilizacji procesu spalania paliw stałych jest możliwe i wydaje się zachęcające.
Korzyści wynikają z eliminacji dodatkowego paliwa z układu
kotłowego i ze zmniejszenia uciążliwości dla środowiska naturalnego układu rozpałkowego.
luty
2005
Wdrożenie nowego systemu rozruchu i podtrzymania płomienia pyłowego w warunkach krajowych wymagać jednak
będzie szerokich badań w skali przynajmniej półtechnicznej
oraz pewnych nakładów finansowych w celu opracowania
takiego systemu i rozwiązania pewnych problemów technicznych. Najważniejsze problemy to: trwałość elektrod plazmotronu i energochłonność układu.
Z przeprowadzonych w różnych instytucjach i laboratoriach badań [4, 5, 23] nad zapłonem i stabilnością płomieni
pyłowych można wyciągnąć następujące wnioski:
niskotemperaturowa plazma jest pewnym źródłem zapłonu pyłów węglowych,
podtrzymanie i zakres stabilności płomienia pyłowego mieści się w szerokim zakresie współczynnika nadmiaru powietrza,
moc elektryczna plazmotronu znacząco wpływa na zakres
stabilności płomienia pyłowego.
LITERATURA
[1] Orłowski P., Dobrzański W., Szwarc E.: Kotły Parowe. WNT, Warszawa 1979
[2] Bobek J.: Palniki zapalające i zapalarki wysokoenergetyczne dla
palników olejowych i gazowych. Gospodarka Paliwami i Energią
2001, nr 1, s. 13
[3] Dyjakon A.: Stabilizacja płomienia pyłowego plazmą. Praca doktorska 12/2003, ITCiMP, PWr., 2003
[4] Sugimoto M., Maruta K., Takeda K., Solonenko O.P., Sakashita M.,
Nakamura M.: Stabilization of pulverized coal combustion by plasma assist, Thin Solid Films 2002, Vol. 407, s. 186
[5] Kanilo P.M., Kazantsev V.I., Rasyuk N.I., Schuenemann K., Vavriv
D.M.: Microwave plasma combustion of coal. Fuel, Vol. 82, 2003,
s. 187
[6] Celiński Z.: Plazma. PWN, Warszawa 1980
[7] Djakov A.F. Karpenko E.I.: Plazmenno-energeticeskie technologii
i ich mesto v teploenergetikie. Teploenergetika 1998, nr 6, s. 25–30
[8] Karpenko E.I., Messerle V.E.: Vvedenie w plazmenno-energetičeskie
technologii toplivoispolzovanija. Vostočno-Sibirskij Gosudarstvennyj Technologičeskij Universitet, 1996
[9] Informacje własne pozyskane z energetyki zawodowej
[10] Jakubik A.: Uszkodzenie niemechaniczne urządzeń cieplnych elektrowni. WNT, Warszawa 1974
[11] Cwynar L.: Rozruch kotłów parowych. WNT, Warszawa 1989
[12] Karpenko E.I., Zukov M.F., Messerle V.E., Bujantuev S.L., Djakov
A.F., Peregudov V.S.: Naucno-techniceskie osnovy i opyt ekspluatacii plazmennych sistem vosplamenenija uglej na TES. Nauka,
Novosibirsk 1998
[13] Messerle V.E., Peregudov V.S.: Plazmennaja bezmazutnaja rastopka kotlov i stabilizacija rorenija pyleugolnogo fakela. Nizkotemperaturnaja plazma 16. Nauka, Novosibirsk 1995
[14] Imankulov E.R., Messerle V.E., Sakilov Z.B., Sejtimov T.M., Ustimenko A.B.: Plazmennyj rozzig i stabilizacija gorenija fakela doneckogo ASZ. Teploenergetika 1990, nr 1, s. 51–53
[15] Karpenko E.I., Messerle V.E.: Vvedenie w plazmenno-energeticeskie technologii ispolzovanija tverdych topliv. Nauka, Novosibirsk
1997
[16] Krapivina S.A.: Plazmochimičeskie technologičeskie procesy.
Chimija, Leningrad 1981
[17] Hering M..: Podstawy elektrotermii, cz. II. WNT, Warszawa 1998
[18] Niewiedział R.: Plazmotrony łukowe z wydrążoną katodą, cz. I.
Przegląd Elektrotechniczny 1996, nr 1, s. 7–10
[19] Dautov G.Ju., Dzjuba V.L., Karp I.N.: Plazmotrony so stabilizirovannymi električeskimi dugami. Naukova Dumka, Kiev 1984
[20] Niewiedział R.: Badania plazmotronów łukowych prądu stałego oraz
weryfikacja metod analitycznego ujmowania ich charakterystyk eksploatacyjnych. Politechnika Poznańska, Poznań 1999
[21] Kordus A.: Plazma w technice. Politechnika Poznańska, Poznań 1973
[22] Andryjowicz Cz.: Straty rozruchowe bloku energetycznego Elektrowni
Bełchatów. Materiały Elektrowni Bełchatów 2001
[23] Dyjakon A.: Wpływ właściwości paliw stałych na efektywność zapłonu plazmowego. Gospodarka Paliwami i Energią 2003, nr 4
www.e-energetyka.pl
strona
73