Spalanie w kotłach pyłowych [tryb zgodności]

SPALANIE W KOTŁACH
PYŁOWYCH
Typy palenisk kotłowych
Opalane węglem kotły mają następujące typy palenisk:
rusztowe (stoker),
pyłowe (PF, PC),
fluidalne (FBB).
Dobór urządzenia do spalania do
typu kotła
Typ kotła
Urządzenie do
spalania
Rusztowy
ruszt
Pyłowy
palnik pyłowy
Fluidalny
złoŜe fluidalne
Czas przebywania paliwa w palenisku
Paliwo/
palenisko
Rusztowe Komorowe
min
s
Węgiel
2,2-3,0
1-6
Biopaliwo
2,5-3,5
-
-
<1
-
<1
Olej
opałowy
Gaz
ziemny
fluidalne –
pęcherzykowe
min
2,5-3,0
fluidalny –
cyrkulujące
min
4-5,5
SPALANIE NA RUSZCIE
Paleniska z rusztem wędrownym
Przekrój przez kocioł rusztowy
Fazy spalania na ruszcie ruchomym
Strefy spalania
1 – suszenie,
2 – odgazowanie,
3 – spalanie,
4 – popiół
Wydajność kotła do 60 t/h.
Rozdział powietrza do spalania w kotle
rusztowym
Gas
Strop zapłonowy nad rusztem
Mechanism of coal layer ignition by the furnace vault
Przykład kotła rusztowego
WR 25
RAFAKO
SA
Rozdział
powietrza
pod ruszt
Spalanie węgla na ruszcie
OR 32
RAFAKO SA
PALENISKA RETORTOWE
Zasada działania paleniska retortowego
Skrzynia powietrzna
Podajnik ślimakowy
Spalanie w palenisku retortowym
Kocioł z paleniskiem retortowym
Kocioł retortowy
PALENISKA PYŁOWE
Zadania palenisk pyłowych
NajwaŜniejszym zadaniem paleniska kotłowego jest
stworzenie odpowiednich warunków spalania
przez:
1. Dostarczenie odpowiedniego strumienia paliwa do
paleniska i przetrzymanie go w palenisku przez czas
zapewniający wypalenie.
2. Dostarczenie odpowiedniego strumienia powietrza dla
zapewnienia wymaganego nadmiaru powietrza i
mieszania.
Paleniska kotłów pyłowych
Współczesne kotły energetyczne to głównie
wodnorurkowe kotły opromieniowane z paleniskiem
komorowym, opalane pyłem węglowym.
Palenisko komorowe na węgiel to:
- palenisko pyłowe,
czyli takie, w którym spala się pył węglowy
Fazy spalania pyłu węglowego
Czas spalania pyłu węglowego moŜna podzielić na trzy
okresy:
I. Suszenie, odgazowanie i zapłon cząstek węgla,
wymagany czas: 0,2–0,3 s.
II. Intensywne mieszanie i spalanie mieszanki pyłu
węglowego z powietrzem w czasie 0,5–1,5 s na
distance 1–5 m z powstaniem jądra płomienia o
temperaturze 1500–1600 °C.
III. Wypalenie większych cząstek węgla i chłodzenie
spalin w okresie 1-3 s na dystansie 2/3 opaleniska.
Struktura turbulentnego płomienia
pyłowego
Przygotowanie mieszanki
pyłowej
Przygotowanie pyłu węglowego
Pył węglowy przygotowywany jest w młynach
węglowych:
a) bębnowo-kulowych
b) misowo-kulowych (misowo-rolkowowych)
c) wentylatorowych
Charakterystyka pyłu węglowego do pf
1. Rozkład ziaren paliwa po rozmiarze określa się formuła RosinaRammlera
n
 

R = 100 ∗ exp −  d −  
  d  


−
gdzie: R jest udział w % mas. cząstek o rozmiarze > d, d jest miarą
rozdrobnienia (rozmiar, dla którego R równa się 100/e, tzn. 36,8%)
3. Rozdrobnienie węgla wg. PN (pozostałość na sicie o oczkach 90 i
200 µm:
a) kamiennego: R90= 25-30%, R200<8%,
b) brunatnego: R90= 48-55%, R200 = 25-32%, R1000<2-3%.
Rozkład Rosina-Rammlera cząstek węgla
Podatność przemiałowa paliwa stałego
1. Najczęściej stosowaną miarą zdolności przemiałowej węgla jest
wskaźnik przemiałowości Hardgrove (HGI)
2. Jest to empiryczny wskaźnik określający zapotrzebowanie na
energię do rozdrobnienia danego paliwa:
3. Pomiar wykonuje się w laboratoryjnym młynku
4. Im niŜsza wartość wskaźnika HGI tym mniejsza energia jest
wymagana do przemiału, tym lepsza podatność przemiałowa
paliwa
Znaczenie wilgoci dla rozdrabnia węgla
1. Wydajność młyna znacznie maleje, gdy zawartość wilgoci w
paliwie przekracza 10%.
2. JeŜeli zawartość wilgoci przekracza 10% węgiel jest suszony w
młynie:
a) węgiel kamienny powietrzem gorącym (250-300 oC)
b) węgiel brunatny spalinami (800-1000 oC)
3. Czynnik suszący słuŜy takŜe do transportu pyłu węglowego do
palników
Wybrane dane przygotowania
mieszanki pyłowo-powietrznej
Stan paliwa spalanego w palenisku:
pył węglowy (pf).
Sposób dostarczania do paleniska pf: przez palniki pyłowe.
Transport pyłu węglowego do palnika: pneumatycznie, w
przepływającym gazie (gorące powietrze, spaliny).
Koncentracja pyłu w mieszance pyłowo-powietrznej:
- węgiel kamienny:
0,5 kg/m3
- węgiel brunatny:
0,2-0,3 kg/m3
Parowy kocioł pyłowy
Kocioł pyłowy o wydajności 650 t/h z paleniskiem tangencjalnym
Kocioł pyłowy z naściennym
mocowaniem palników
Opromieniowany
kocioł pyłowy z
paleniskiem z
palnikami
mocowanymi
frontowo
Typy palenisk pyłowych
Sposoby instalowania palników:
• na ścianach paleniska,
• na stropie paleniska,
• w naroŜach komory paleniskowej.
Geometria palenisk pyłowych
Palniki mocowane a) naściennie, b) stropowo, c) naroŜnie
Systemy spalania pyłu węglowego w
kotłach pyłowych
W nowoczesnych kotłach pyłowych dominują
dwa systemy spalania pyłu węglowego:
•paleniska pyłowe z naściennie mocowanymi
palnikami wirowymi (na ścianach: frontowej, tylniej,
bocznych),
•pyłowe paleniska tangencjalne z palnikami
strumieniowymi (zwykle mocowanymi w naroŜach,
w większych kotłach na ścianach).
Dobór palników do palenisk kotłowych
Paleniska pyłowe
• Paleniska z palnikami mocowanymi naściennie: palniki wirowe
• Paleniska z palnikami mocowanymi stropowo: palniki
strumieniowe
• paleniska tangencjalnie:
palniki strumieniowe
Palniki pyłowe
• palniki wirowe (mocowane naściennie)
• palniki strumieniowe(mocowane naroŜnie lub tangencjalnie na
ścianach)
PALENISKA TANGENCJALNE
Paleniska tangencjalne
a)
b
)
2)
1)
3)
Palenisko tangencjalne mocowaniem palników: 1 −
naroŜnym, 2 − naroŜnie i na ścianach,
3 – „na wszystkich ścianach” (all-walls)
Paleniska tangencjalne z naroŜnym
mocowaniem palników
a)
b
)
Paleniska tangencjalne
a)
b
)
Charakter przepływu w palenisku
Skrzynia palnikowa
a)
b
)
NaroŜnik tangencjalnej komory paleniskowej
Zasilanie pyłem palenisk
tangencjalnych
a)
NaroŜa z
palnikami
strumieniowymi
b
)
młyny
Zalety palenisk tangencjalnych
–
samo-stabilizacja płomieni pyłowych,
–
opóźniony zapłon mieszanki pyłowo-powietrznej,
–
opóźnione mieszanie mieszanki pyłowo-powietrznej
i powietrza wtórnego,
–
efektywne przekazywanie ciepła do ścian kotła,
–
tolerancja na zmiany paliwa.
PALENISKA Z NAŚCIENNYM
MOCOWANIEM PALNIKÓW
Paleniska pyłowe z mocowanymi
naściennie palnikami wirowymi
1)
2)
3)
4)
Paleniska pyłowe z palnikami wirowymi, mocowanymi:
1 − frontowo, 2 − przeciwlegle,
3 − na ścianie przedniej i tylnej, 4 − na kaŜdej ze ścian
Paleniska pyłowe z naściennie
mocowanymi palnikami wirowymi
Palnik wirowy
Palniki wirowe mocowane naściennie
Zasilanie pyłem palenisk z
palnikami wirowymi
Palniki wirowe
mocowane
naściennie
młyny
Paleniska pyłowe z naściennym
mocowaniem palników
Zalety paleniska pyłowego z naściennym mocowaniem
palników wirowych:
– stabilny płomień z pojedynczego palnika,
– pewny zapłon mieszanki pyłowej,
– dobre mieszanie mieszanki pyłowej z powietrzem
wtórnym,
– znaczne wypalenie w pobliŜu palnika,
– moŜliwość pracy kotła z małym obciąŜeniem.
PALENISKA STROPOWE
Palenisko stropowe – zasada działania
Palenisko stropowe
Lokalizacja palników w palenisku stropowym
Zawartość części palnych w popiele lotnym
1. Dopuszczalna zwartość części palnych w popiele lotnym: 5%
2. Zawartość części palnych (UC, LOI) w popiele lotnym świadczy o
prawidłowości doboru paleniska do węgla i jego wymiarowaniu.
3. Na wielkość UC wpływają przede wszystkim 3T: temperaturetemperatura, time-czas i turbulence –turbulencja.
4. Inne czynniki wpływające na wypalenie to:
•
właściwie dobrane obciąŜenie cieplne kotła,
•
właściwe doprowadzenie powietrza do spalania
•
rozdrobnienie węgla, a zwłaszcza udział największych frakcji
•
dobór temperatury w palenisku (złoŜa)
PALENISKA CYKLONOWE
Zasada działania paleniska
cyklonowego
Kocioł z paleniskiem cyklonowym
Paleniska cyklonowego w kotle
pyłowym
Cyklonowy
w kocioł
pyłowy
Cyklonowy
w kocioł
pyłowy
Porównanie wybranych parametrów kotłów
pyłowych i fluidalnych
Typ kotła
Parametr
ObciąŜenie cieplne:
qA, MW/m2
qv, MW/m3
Rozmiar średni
cząstek paliwa,
Kotły fluidalne
ze złoŜem
cyrkulującym
Kotły fluidalne
ze złoŜem
Kotły
pyłowe
1,8-2,5
0,2-0,4
1,2-1,5
0,1-0,2
3,-5,5
0,08-0,2
3-30
mm
< 25
mm
< 300
µm
pęcherzykowym
KOROZJA
WYSOKOTEMPERATUROWA
W PALENISKACH
PYŁOWYCH
ZagroŜenia korozją
wysokotemperaturową
Korozja
wysokotemperaturowa
w
paleniskach
węglowych występuje zawsze, ale w ostatnich dekadach
wzrost zagroŜeń korozyjnych spowodowany:
• zastosowaniem niskoemisyjnych technik spalania,
• współspalaniem biomasy i odpadów z węglem,
• zwiększeniem parametrów pary do wartości
nadkrytycznych (600 °C, 26 MPa), a planowane jest
przejście do parametrów ultra- nadkrytycznych (700
°C, 30 MPa).
ZagroŜenia korozyjne kotłów
pyłowych
1. Korozja wysokotemperaturowa
zróŜnicowana ze względu na
zakres
temperatury
w
poszczególnych
elementach
kotła
2. Najbardziej zagroŜone korozją
wysokotemperaturową są:
• w komorze paleniskowej:
parownik (ekrany)
• nad komorą paleniskową:
przegrzewacz
ZagroŜenia wywołane
niskoemisyjnymi technikami spalania
1. W wyniku zastosowania niskoemisyjnych technik
spalania atmosfera przy ścianach paleniska staje się
redukcyjna, co sprzyja korozji.
2. W wyniku silnie redukcyjnej atmosfery przy ścianach
paleniska tempo korozji moŜe zwiększyć się od wartości:
• 10 nm/h w warunkach normalnych, do
• 600 nm/h w warunkach redukcyjnych.
Efekty korozji niskoemisyjnej
8 nm/h 600 nm/h
1
18 450
D
500
1500
2500
19000
3500
4500
5500
6500
17 8
18 3
18 8
19 3
19 8
20 3
20 8
21 3
21 8
22 3
22 8
23 3
23 8
24 3
24 8
25 3
25 8
26 3
26 8
27 3
27 8
28 3
28 8
29 3
29 8
30 3
30 8
31 3
31 8
32 3
32 8
33 3
33 8
34 3
34 6
16 8
15 8
14 8
88
98
108
118
128
138
148
158
168
178
183
188
193
198
203
208
213
218
223
228
233
238
243
248
253
258
263
268
273
278
283
288
293
298
303
308
313
318
323
328
333
338
343
346
88
98
1 08
1 18
1 28
1 38
1 48
1 58
1 68
1 78
1 83
1 88
1 93
1 98
2 03
2 08
2 13
2 18
2 23
2 28
2 33
2 38
2 43
2 48
2 53
2 58
2 63
2 68
2 73
2 78
2 83
2 88
2 93
2 98
3 03
3 08
3 13
3 18
3 23
3 28
3 33
3 38
3 43
3 46
178
183
188
193
198
203
208
213
218
223
228
233
238
243
248
253
258
263
268
273
278
283
288
293
298
303
308
313
318
323
328
333
338
343
346
168
158
148
138
128
118
108
98
88
78
25000
13 8
78
78
68
178
183
188
193
198
203
208
213
218
223
228
233
238
243
248
253
258
263
268
273
278
283
288
293
298
303
308
313
318
323
328
333
338
343
346
168
158
148
138
128
118
108
98
88
78
68
58
P.OL.
12 8
68
68
58
48
18
28
38
48
58
68
78
88
98
1 08
1 18
1 28
1 38
1 48
1 58
1 68
1 78
1 83
1 88
1 93
1 98
2 03
2 08
2 13
2 18
2 23
2 28
2 33
2 38
2 43
2 48
2 53
2 58
2 63
2 68
2 73
2 78
2 83
2 88
2 93
2 98
3 03
3 08
3 13
3 18
3 23
3 28
3 33
3 38
3 43
3 46
18
28
38
48
58
68
78
88
98
1 08
1 18
1 28
1 38
1 48
1 58
1 68
1 78
1 83
1 88
1 93
1 98
2 03
2 08
2 13
2 18
2 23
2 28
2 33
2 38
2 43
2 48
2 53
2 58
2 63
2 68
2 73
2 78
2 83
2 88
2 93
2 98
3 03
3 08
3 13
3 18
3 23
3 28
3 33
3 38
3 43
3 46
178
183
188
193
198
203
208
213
218
223
228
233
238
243
248
253
258
263
268
273
278
283
288
293
298
303
308
313
318
323
328
333
338
343
346
168
158
148
138
128
118
108
98
88
78
68
58
48
38
28
18
8
178
183
188
193
198
203
208
213
218
223
228
233
238
243
248
253
258
263
268
273
278
283
288
293
298
303
308
313
318
323
328
333
338
343
346
168
158
148
138
128
118
108
98
88
78
68
58
48
38
28
18
8
P.OL.
11 8
58
58
48
38
8
8
28000
10 8
48
48
38
28
26000
98
38
38
28
18
8
8
18
28
38
48
58
68
78
88
98
10 8
11 8
12 8
13 8
14 8
15 8
16 8
17 8
18 3
18 8
19 3
19 8
20 3
20 8
21 3
21 8
22 3
22 8
23 3
23 8
24 3
24 8
25 3
25 8
26 3
26 8
27 3
27 8
28 3
28 8
29 3
29 8
30 3
30 8
31 3
31 8
32 3
32 8
33 3
33 8
34 3
34 6
8
18
28
38
48
58
68
78
88
98
108
118
128
138
148
158
168
178
183
188
193
198
203
208
213
218
223
228
233
238
243
248
253
258
263
268
273
278
283
288
293
298
303
308
313
318
323
328
333
338
343
346
OFA
88
78
68
58
48
38
28
2
28
22000
28
3
18
8
4
18
5
8
6
18
PP
8
33000
18
33 800
8
Uszkodzenia ekranów w wyniku
korozji niskoemisyjnej
OFA
32000
P.OL.
7500
8500
Grubość
rury
LP
P.OL.
31000
29000
P.OL.
24000
21000
P.OL.
9500 10500 11500 12500 13500 14500
A
3.4
6
30000
5
27000
3
23000
20000
1
3.6
3.8
4.0
4
4.2
4.4
4.6
2
4.8
5.0
[mm]
WaŜniejsze rodzaje korozji
występujących w kotłach opalanych
paliwami stałymi
• Korozja siarczanowa
• Korozja niskoemisyjna
• Korozja chlorkowa
Korozja siarczanową
Korozja siarczanowa ma związek z występowaniem w
substancji mineralnej metali alkalicznych K i Na, które z
siarką tworzą w palenisku siarczany Na2SO4 i K2SO4
kondensujące na powierzchni rur.
Nie są one bezpośrednio korozyjne ze względu na wysoką
temperaturę topnienia (Na2 SO4 − 884 i K2SO4 − 1069
°C), ale w obecności SO3 w pobliŜu powierzchni rur
pirosiarczany i trójsiarczany.
Korozja siarczanową
I.
Pirosiarczany
Na2SO4 + SO3 → Na2S2O7 (Ttopn = 389 °C)
K2SO4 + SO3 → K2S2O7 (Ttopn = 404 °C)
II. Trójsiarczany: sodowo- i potasowo-Ŝelazowy
temperaturze topnienia:
3Na2SO4 + Fe2O3 + 3SO3 → 2Na3Fe(SO4)3 (Ttopn= 624 °C)
3K2SO4 + Fe2O3 + 3SO3 → 2K3Fe(SO4)3 (Ttopn= 618 °C)
ZagroŜenia wywołane zastosowaniem
parametrów nadkrytycznych pary –
korozja siarczanową
ZagroŜenia wywołane
współspalaniem biomasy i odpadów z
węglem – korozja chlorowa
Chlor (Cl2) jest szczególnie korozyjny względem stali w
wysokiej temperaturze. Powoduje tzw. aktywne
utlenianie metalu niszczące ochronną warstwę tlenków,
które zamieniają się w luźny, więc niechroniący osadu.
Źródłem chloru molekularnego (Cl2) przy powierzchni
metalu jest obecny w spalinach chlorowodór (HCl) oraz
występujące w osadach chlorki metali alkalicznych (K i
Na).
Rola metali alkalicznych w korozji
chlorkowej (i siarczanowej)
Obecne w substancji mineralnej węgla (przede wszystkim w
węglach kamiennych, w znacznie mniejszym stopniu w
węglach brunatnych) i w wielu gatunkach biomasy
metale alkaliczne, K i Na, pełnią waŜną rolę w
mechanizmach korozji wysokotemperaturowej, poniewaŜ
w osadach ulegają usiarczeniu stając się prekursorem
korozji siarczanowej, lub korozji chlorowej będą źródłem
Cl2.
Szczególnie występujący w biomasie potas K odgrywa
aktywną rolę w korozji chlorowej
Mechanizm korozji chlorkowej
Chlor dyfunduje przez osady do metalu i reaguje z nim
Fe + Cl2 → FeCl2(s)
Powstające na powierzchni metalu chlorki mają duŜe ciśnienie par w
temperaturze 500 °C, co powoduje, Ŝe przechodzą do fazy gazowej
oraz dyfundując przez ochronną warstwę magnetytu uszkadzają ją.
Na drodze napotykają obszar bogaty w tlen, w którym chlorki są
utleniane:
2FeCl2(g) + 3/2O2 → Fe2O3(s) + 2Cl2
3FeCl2(g) + 2O2 → Fe3O4(s) + 3Cl2
odtwarzając warstwę tlenku Ŝelaza przy powierzchni rur.
Mechanizm korozji chlorkowej
Jednak powstała w ten sposób warstwa tlenków Ŝelaza nie ma
właściwości ochronnych, poniewaŜ jest porowata i luźna.
Uwolniony w tej reakcji cząsteczkowy chlor dyfunduje z powrotem
przez warstwę tlenków do metalu (rys.).
Metal
Fe
Szlaka
Faza gazowa
Cl2
FeCl2
Fe2O3
O2
CrCl2
Cr
Cl2
Cr2O3
Przedsięwzięcia antykorozyjne w
kotłach pyłowych
1. Zapewnienie utleniającej
ogrzewalnych.
atmosfery
przy
powierzchniach
2.
Ograniczenie temperatury pary do około 537 °C.
3.
Stosowanie powłok ochronnych na rury.
4. Wprowadzenie do spalin dodatków (np. siarczanu amonu w
przypadku korozji chlorkowej [*])
5. Ograniczenie
alkalicznych.
w
paliwie
udziału
siarki,
chloru
i
metali
Nakładanie powłoki antykorozyjnej
Powłoka antykorozyjna: inconel
Powłoka antykorozyjna: ceramicznometaliczna
Powłoka antykorozyjna: uszkodzenia
powłoki