Jan NADZIAKIEWICZ, Waldemar ŚCIERSKI, Krzysztof PIKOŃ

Archives of Waste Management
Archiwum Gospodarki Odpadami
and Environmental Protection
http://ago.helion.pl
ISSN 1733-4381, Vol. 1 (2005), p-83-94
Optymalizacja liczby stref rozdziału powietrza w paleniskach
rusztowych
Kozio M., Nadziakiewicz J.
Katedra Technologii i Urządzeń Zagospodarowania Odpad‚w,
Politechnika Śląska w Gliwicach
ul. Konarskiego 18, 44-100 Gliwice
Streszczenie
W artykule przedstawiono analizę wpływu liczby stref podawania powietrza na możliwość
pokrycia teoretycznego zapotrzebowania powietrza wzdłuż długości rusztu. Analizę
przeprowadzono dla procesu spalania paliw na ruszcie taśmowym. W obliczeniach
uwzględniono sześć krzywych, opisujących zapotrzebowanie powietrza wzdłuż długości
rusztu w trakcie spalania r†żnych typ†w węgli (4) oraz odpad†w (2).
Abstract
Optimal number of air supply sections for the grate fired combustion chambers
The influence of the number of air supply sections under the grate on the total air amount
for the combustion process along the traveling grate was analyzed. Six versions of the air
supply curves along the grate was taken into considerations. The shapes of curves were
chosen depending on the type of coal (4 types) and waste (2 types) supplied as fuel.
1. Wstęp
Na terenie kraju istnieje kilkanaście tysięcy kotłƒw zainstalowanych w ciepłowniach i
elektrociepłowniach przemysłowych. Około 70 % energii wytwarzanej w ciepłowniach
przemysłowych jest produkowana w kotłach z rusztem mechanicznym, opalanych węglem
kamiennym [2].
Paleniska z rƒżnymi typami rusztƒw mechanicznych znajdują rƒwnież szerokie
zastosowanie w instalacjach termicznej utylizacji odpadƒw.
Paleniska kotłƒw rusztowych wykorzystuje się rƒwnież coraz szerzej, do realizacji procesu
wspƒłspalania np. biomasy oraz paliw formowanych wytworzonych na bazie wybranych
frakcji odpadƒw [16 - 19]. W większości eksploatowane w przemyśle i ciepłowniach
84
Archiwum Gospodarki Odpadami i Ochrony Środowiska, vol. 1(2005)
komunalnych kotły rusztowe są jednostkami starymi. Ponad 40 % eksploatowanych w
przemyśle kotłƒw to urządzenia 40 letnie i starsze, a około 20 % zostało uruchomione
przed 60 laty [2, 20]. Obecnie jednym z podstawowych zabiegƒw modernizacyjnych
kotłƒw rusztowych jest wyposażanie rusztƒw w strefy podawania powietrza. W rusztach
mechanicznych stosuje się najczęściej od 3  8 stref [1, 3, 10, 12 - 14]. Doboru liczby stref
dokonuje się jednak w oparciu o bliżej niesprecyzowane przesłanki. R†wnież w literaturze
brak jest procedur pozwalających określić optymalną liczbę stref podawania powietrza.
2. Zapotrzebowanie powietrza w procesach spalania na rusztach mechanicznych
W przypadku palenisk z mechanicznym rusztem taśmowym wspƒłczynnik nadmiaru
powietrza powinien wynosić 1,3  1,6 [5, 6, 8, 10]. R†wnocześnie zapotrzebowanie
powietrza powinno się zmieniać wzdłuż długości rusztu. Rozkład zapotrzebowania
powietrze zależy m.in. od: rodzaju spalanego paliwa [10, 11, 14], prędkości posuwu taśmy
rusztu [8, 10, 15] i grubości warstwy spalanego paliwa [8, 10, 15]. W związku z
powyższym w kotłach z rusztami taśmowymi prowadzi się strefową regulację
doprowadzania powietrza. Ruszt jest dzielony na 3  10 stref [8 - 10, 12 - 15] w kt†rych
następuje regulacja wdmuchiwanego powietrza. W literaturze można znaleźć jedynie
jakościowe informacje dotyczące zmiany zapotrzebowania powietrza wzdłuż długości
rusztu, bez opisu umożliwiającego dokładniejszą jego charakterystykę [4, 7 - 10, 14].
Znajdują się tam r†wnież często sugestie nakazujące w przypadku poszczeg†lnych kotł†w,
dob†r właściwego podmuchu powietrza pod ruszt metodą pr†b [8, 10, 12]. Na rysunku 2.1
przedstawiono przykładowe rozkłady zapotrzebowania powietrza wzdłuż długości rusztu w
przypadku spalania r†żnych węgli [10].
Rys. 2.1. Przykładowe krzywe zapotrzebowania powietrza wzdłuż długości rusztu dla
rƒżnych węgli: 1-węgle gazowe, 2-węgle tłuste, 3-węgle chude [10]
Jak pokazano na rysunku 2.1 krzywe zapotrzebowania powietrza do spalania rƒżnią się
znacznie pomiędzy sobą w zależności od właściwości spalanego paliwa, przy czym dla
Archiwum Gospodarki Odpadami i Ochrony Środowiska, vol. 1(2005)
85
poszczegƒlnych węgli zapotrzebowanie powietrza wzdłuż długości rusztu ulega dużym
zmianom.
Wraz ze wzrostem liczby stref istnieje możliwość lepszego dopasowania strumienia
podawanego powietrza pod ruszt do rzeczywistego jego zapotrzebowania w
poszczegƒlnych strefach (ilustruje to rysunek 3.1). Zwiększa to sprawność energetyczną
realizacji całego procesu. Pozwala bowiem zmniejszyć ilość dostarczanego powietrza do
procesu nie powodując wzrostu strat niezupełnego i niecałkowitego spalania.
Rƒwnocześnie jednak wzrost liczby stref powoduje, że bardziej złożona staje się
konstrukcja ruszt, a jego obsługa ulega komplikacji.
W literaturze brak jest publikacji świadczących o przeprowadzaniu
optymalizujących stosowaną liczbę stref podawania powietrza.
analiz
3. Analiza wpływu liczby stref na dokładność odzwierciedlenia krzywej
zapotrzebowania powietrza
W wyniku przeprowadzonych studiƒw literaturowych określono krzywe zapotrzebowania
powietrza f(x) wzdłuż długości rusztu dla następujących paliw: antracytu, węgli chudych,
tłustych i gazowych oraz odpadƒw o dużej i małej wartości opałowej (Wd ) [10, 14].
Należy zaznaczyć, że w przypadku przedstawionych zależności, w przeprowadzanych
analizach rozpatrywany przedział czasu był bez znaczenia (rozpatrywany proces jest
niezmienny). Niezależnie bowiem od jednostki czasu, do kt†rej by odnoszono
przeprowadzane analizy, krzywe zapotrzebowania powietrza są podobne. Z analogicznych
przyczyn zagadnienie rozpatrywano jako geometrycznie jednowymiarowe (nie
uwzględniano szerokości rusztu).
Tabela 3.1. Wyznaczone funkcje opisujące krzywe rozdziału zapotrzebowania powietrza
wzdłuż długości rusztu dla przykładowych paliw [18]
Paliwo
Antracyt
Węgle chude
Węgle gazowe
Węgle tłuste
Odpady komunalne o małej Wd
Odpady komunalne o dużej Wd
Rƒwnanie y  f (xˆ)
y  84.15x̂ - 170.83x̂3  86.22x̂ 2  0.61x̂ - 0.03
y  29.96x̂ 4 - 61.62x̂3  21.44x̂ 2  10.35x̂ - 0.08
y  7.46x̂3 - 14.48x̂ 2  2.43x̂  4.68
y  54.75x̂ 4 - 91.51x̂3  21.79x̂ 2  15.41x̂ - 0.11
y  4.70x̂ 4 - 23.79x̂ 3  12.41x 2  6.04x  0.24
y  -46.93x̂ 4  137.94x̂3 - 138.36x̂ 2  47.88x̂ - 0.40
4
W przypadku uwzględnienia w analizach czasu, zamiast ilości powietrza wystąpiłyby
strumienie. Zaletą takiego podejście byłoby jedynie zbliżenie stosowanej terminologii do
spotykanej w przypadku prowadzenia rzeczywistych instalacji kotłowych. Wykorzystując
metodę najmniejszych kwadratƒw wyznaczono krzywe aproksymujące zależności
86
Archiwum Gospodarki Odpadami i Ochrony Środowiska, vol. 1(2005)
literaturowe. Wyznaczone funkcje miały postać wielomianƒw trzeciego lub czwartego
stopnia. Wspƒłczynniki występujące w tych funkcjach (dla wielkości unormowanej
długości rusztu w przedziale 0,1 ) podano w tabeli 3.1, a krzywe wykreślone według tych
Lokalny strumień
powietrza
rƒwnań na rysunku 2.1
Długość rusztu
węgl. tłuste
węgl. gazowe
antracyt
odp.-duże Wd
węgl. chude
odp.-małe Wd
Rys. 3.1. Wyznaczone krzywe zapotrzebowania powietrza wzdłuż długości rusztu [18]
Następnie obliczono całkowitą ilość powietrza dostarczanego do procesu spalania, zgodnie
z rƒwnaniem:
l
V   f ( x)dx ,
(3.1)
0
gdzie:
V
f(x)
x
l
– strumień powietrza konieczny do spalenia mieszanki przy założonym ,
– funkcja opisująca rozdział zapotrzebowania powietrza wzdłuż długości
rusztu,
– położenie paliwa na ruszcie (w ujęciu jednowymiarowym),
– długość rusztu.
przy czym:
x  xˆ l ,
(3.2)
gdzie:
x̂
– wartość unormowana x (0  1).
Z kolei podzielono ruszt na „i” r†wnych części – stref, dla „i” z zakresu od 1  10. Dla
każdego podziału (i), w każdej jego części (j), obliczono ilość dostarczanego powietrza:
Archiwum Gospodarki Odpadami i Ochrony Środowiska, vol. 1(2005)
xi , j 1
Vi, j 
 f ( x)dx
x
87
,
(3.3)
i, j
gdzie:
i
j
xi,j, xi,j+1
– liczba stref rusztu,
– numer kolejnej strefy,
– granice strefy.
W każdej ze stref wyznaczono odpowiadającą jej średnią wartość strumienia powietrza ze
wzoru:
Vsr,i, j 
Vi, j .
x j 1  x j
(3.4)
Jednostką Vsr,i, j jest m3 /m.
Z kolei dla każdej strefy wyznaczono wartość j. Wielkość ta odzwierciedlała ilość
powietrza dostarczaną w nadmiarze i niedomiarze w danej strefie w przypadku gdy
powietrze jest podawane w stałej, średniej ilości Vśr . Na rysunku 3 1 przedstawiono
graficzną interpretację tej wielkości.
xm
(3.5)
 j  2 Vśr ,i, j ( xm  x j )   f ( x)dx
xj
gdzie:
xm
– wartość dla ktˆrej w przedziale xjxj+1 f(x)= Vśr ;
W celu por†wnania efektywności podziału rusztu na daną liczbę stref, sumaryczną wartość
 w przypadku podziału rusztu na „i” stref
j i
wynoszącą    odniesiono do
 j
j 1
wartości V :


V
100
(3.6)
gdzie:

– udział powietrza dostarczanego w niewłaściwych miejscach rusztu w
stosunku do całkowitej ilości powietrza koniecznego do spalenia paliwa,
%.
W przypadku idealnego dopasowania wspˆłczynnik  przyjmuje wartość 0.
88
Archiwum Gospodarki Odpadami i Ochrony Środowiska, vol. 1(2005)
Rys. 3.2. Graficzna interpretacja wartość j dla rƒżnej liczby stref
W tabeli 3 1 zestawiono wartości  dla wszystkich analizowanych krzywych w przypadku
podziału rusztu na 2  10 stref. Obliczeń dokonywano za pomocą napisanego w tym celu
programu komputerowego. W tabeli tej zamieszczono rƒwnież wartości średnie 
uzyskane dla wszystkich analizowanych krzywych oraz wartość odchylenia standardowego
uzyskanych wynik†w.
Na rysunku 3 .3 pokazano wartości  dla analizowanych sześciu krzywych
zapotrzebowania powietrza (pokazanych na rysunku 2). Pomimo, że rozpatrywane
zagadnienie nie jest ciągłe, w celu ułatwienia interpretacji prezentowanych wynikƒw,
przez uzyskane punkty przeprowadzono linie trendu.
Z przeprowadzonych analiz wynika, że w przypadku jedynie dwƒch stref podawania
powietrza wartość wspƒłczynnika  wynosi od ok. 20 % do 60 %, średnio ok. 40 %. W
przypadku zwiększenia liczby stref do pięciu wartość wspƒłczynnika  wynosi ok. od 8 %
do poniżej 20 %, średnio ok. 15 %. W przypadku 10 stref podawania powietrza omawiany
wsp†łczynnik przyjmuje wartości od ok. 4 do 10 % średnio ok. 8 %.
Największe zmniejszenie wartości  uzyskano w przypadku zwiększenia liczby stref
podawania powietrza z 2 do 3 dla „odpadƒw o małej Wd ”. W tym przypadku udział
powietrza dostarczonego w niewłaściwych miejscach rusztu zmniejszył się o ponad 28 %.
Na rysunku 3.4 pokazano wartości średnie  uzyskane dla sześciu analizowanych
krzywych wraz z odchyleniami standardowymi.
Archiwum Gospodarki Odpadami i Ochrony Środowiska, vol. 1(2005)
89
Tabela 3.1. Uzyskane wartości  dla analizowanych krzywych rozkładu zapotrzebowania
powietrza przy podziale rusztu na 2  10 stref podawania powietrza
%
Średnia Odchylenie
Odpady Odpady
Liczba
Węgiel Antracy Węgiel Węgiel wartość  standardow
stref
e
%
mała
duża
tłusty
t
chudy gazowy
Wd
Wd
2
61.9
37.8
42.7
45.5
41.6
19.9
41.6
13.5
3
33.2
25.1
27.2
28.1
26.0
13.2
25.5
6.7
4
25.4
17.4
21.3
22.9
20.7
9.4
19.5
5.6
5
18.4
15.3
17.2
17.9
16.3
7.9
15.5
3.9
6
17.1
12.6
14.7
15.2
13.7
6.8
13.3
3.6
7
14.4
10.9
12.4
12.9
11.7
5.9
11.4
2.9
8
12.5
9.5
10.7
11.4
10.3
5.1
9.9
2.6
9
10.9
8.4
9.6
10.1
9.1
4.5
8.8
2.2
10
9.9
7.6
8.5
9.1
8.2
4.1
7.9
2.1
Wartość
[%]
70
60
50
40
30
20
10
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
Liczba stref
Odpady-mała
Antracyt
Wd
Odpady-duża
Węgiel chudy
Wd
Węgiel tłusty
Węgiel gazowy
Rys. 3.3. Wartości wspƒłczynnika  obliczone dla poszczeg†lnych analizowanych
krzywych zapotrzebowania powietrza wzdłuż długości rusztu
90
Archiwum Gospodarki Odpadami i Ochrony Środowiska, vol. 1(2005)
60
Wartość  [%]
50
40
30
20
10
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
Liczba stref
Wartości średnie
Linia trendu
Rys. 3.4. Średnie wartości  wraz z odchyleniami standartowymi, obliczone dla
analizowanych krzywych zapotrzebowania powietrza wzdłuż długości rusztu
Jak widać z rysunku 3.4 poprzez zwiększenie liczby stref z 2 na 3 można uzyskać średnio
16 % poprawę ilości powietrza dostarczanego w odpowiednich miejscach. Zwiększenie
liczby stref z 3 na 4 powoduje zmniejszenie wsp†łczynnika  o 6 % a przy zwiększeniu
liczby do 5 uzyskuje się dalszy spadek wielkości  o 4 %. Spadek o kolejne ok. 4 %
udałoby się osiągnąć stosując co najmniej 7 stref.
W analizie uzyskanych wynik†w pomocny może być r†wnież wykres dynamiki wzrostu
dopasowania strumieni powietrza. Dynamikę tą określono na podstawie poniższej formuły:

 i 1 

i  i 1
(3.7)

i
gdzie

i
-
średnia wartość wsp†łczynnika  przy podziale na (i) stref (dla sześciu
analizowanych krzywych zapotrzebowania powietrza.
Omawiany wykres pokazano na rysunku 3.5. Z rysunku tego wynika, że powyżej 5 stref
dynamika wzrostu dopasowania strumienia powietrza wynosi 10  15 %.
Dynamika wzrostu dopasowania
strumienia powietrza
Archiwum Gospodarki Odpadami i Ochrony Środowiska, vol. 1(2005)
91
45
40
35
30
25
20
15
10
5
0
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Liczba stref
Rysunek 3.5. Dynamika wzrostu dopasowania strumienia powietrza
4. Podsumowanie
Przedstawiona w pracy analiza wpływu liczby stref podawania powietrza na możliwość
dopasowania podawanych wzdłuż długości rusztu jego ilości do rzeczywistego
zapotrzebowania:
 pokazuje techniczne możliwości regulacji w przypadku kotłƒw wyposażonych w
konkretną liczbę stref;
 może zostać wykorzystana w dalszych analizach określających optymalną liczbę
stref podawania powietrza (np. uwzględniających aspekty ekologiczne i
ekonomiczne).
Literatura
[1] Bachonko F.: Modernizacja i projektowanie kotł†w rusztowych pod kątem spełnienia
obowiązującego rozporządzenia w zakresie ochrony naturalnego środowiska.
Materiały Konferencji Naukowo-Technicznej „Modernizacja kotł†w rusztowych.
Aspekty techniczno-ekonomiczne i ochrony środowiska”, Szczyrk, 1997.
[2] Badyda K., Skowroński P., Bujalski W.: Emisja dwutlenku siarki z ciepłowni i
elektrociepłowni przemysłowych-technologie ograniczania emisji i warunki ich
zastosowań. IV Konferencja „Problemy Badawcze Energetyki Cieplnej”, Warszawa 13 grudzień 1999r. Politechnika Warszawska, Prace Naukowe, Konferencje, zeszyt 17.
[3] Bartoszewski K.: Problematyka usuwania i unieszkodliwiania osad†w ściekowych w
Polsce i na świecie. Przegląd Komunalny, nr 10, 1997.
92
Archiwum Gospodarki Odpadami i Ochrony Środowiska, vol. 1(2005)
[4] Błasiak W., Barański J., Stąsiek J.: Optymalizacja procesu spalania w kotłach
rusztowych. Materiały konferencyjne: Konferencja Naukowo-Techniczna „Spalanie
węgla’99”, Ustroń-Zawodzie, 24-26 marzec 1999.
[5] Chrzan A.: Modernizacja palenisk mechanicznych i instalacji powietrza
podmuchowego w kotłach rusztowych. Konferencja Naukowo-Techniczna’97 nt.:
Modernizacja kotł†w rusztowych – Aspekty techniczno-ekonomiczne i ochrony
środowiska. Materiały konferencyjne, Szczyrk 97.
[6] Cieciura J.: Doświadczenia eksploatacyjne z ruchu zmodernizowanego na „ściany
szczelne” kotła wodnego rusztowego typu WR25-014s w Ciepłowni Zawodzie w
Częstochowie. Sympozjum ciepłownicze „Możliwości modernizacji kotł†w
rusztowych”, Fabryka Kotł†w Rafako S.A., 2000.
[7] Jarosiński J.: Techniki czystego spalania. Wydawnictwa Naukowo-Techniczne,
Warszawa, 1996.
[8] Kapitaniak A., Sztraube J.: Poradnik palacza. Budowa i obsługa grzewczych i
przemysłowych kotł†w rusztowych. WNT, Warszawa, 1991.
[9] Kordylewski W. (praca pod redakcją): Spalanie i paliwa. Oficyna Wydawnicza
Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 1999.
[10] Orłowski P., Dobrzański W., Szwarc E.: Kotły parowe, konstrukcja i obliczenia.
Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, Warszawa, 1979.
[11] Petela R.: Paliwa i ich spalanie, cz. II- Spalanie. Politechnika Śląska, skrypt nr 779,
Gliwice 1978.
[12] Praca zbiorowa: Poradnik termoenergetyka. Wydawnictwa Naukowo-Techniczne,
Warszawa, 1974.
[13] Rydzak J.: Proekologiczne modernizacje kotł†w rusztowych. Konferencja NaukowoTechniczna’97 nt.: Modernizacja kotł†w rusztowych – Aspekty technicznoekonomiczne i ochrony środowiska. Materiały konferencyjne, Szczyrk 97.
[14] Scholz R., Beckmann M., Schulenburg F.: Entwicklungsm•glichkeiten der
Proze•f‘hrung bei Rostsystemen zur Abfallbehandlung. FDBR-Symposium, Rostock,
1996.
[15] Zuber A.: Kierunki rozwoju ciepłownictwa. Sympozjum ciepłownicze „Możliwości
modernizacji kotł†w rusztowych”, Fabryka Kotł†w Rafako S.A., 2000.
[16] Kozioł M., Nadziakiewicz J.: „Emission of SO2 and NO in co-combustion process of
coal with sludge in boilers with mechanical stokers”, 10th International Energy Forum
ENERGEX 2004, 3-6 maj 2004, Lizbona.
[17] Nadziakiewicz J., Czekalski R., Ścierski W., Kozioł M.: „Ecological effect of cocombustion process of sludge with coal in boilers with mechanical stoker”, 10th
International Energy Forum ENERGEX 2004, 3-6 maj 2004, Lizbona.
Archiwum Gospodarki Odpadami i Ochrony Środowiska, vol. 1(2005)
93
[18] Kozioł M.: „Energetyczne i ekologiczne aspekty stosowania stałych paliw uzyskanych
z odpad†w”, praca doktorska, Katedra Technologii i Urządzeń Zagospodarowania
Odpad†w, Gliwice 2002.
[19] Wandrasz J.W., Kozioł M., Ścierski M, Wandrasz A.J., Landrat M., Gaska K.:
Możliwości wsp†łspalania paliw w paleniskach kotł†w rusztowych. Materiały
Konferencji: „Wsp†łspalanie biomasy i paliw wt†rnych w kotłach energetycznych”,
Zakopane, 12-14 maj 2004r.
[20] Zuber A.: Kierunki rozwoju ciepłownictwa. Sympozjum ciepłownicze „Możliwości
modernizacji kotł†w rusztowych”, Fabryka Kotł†w Rafako S.A., 2000.
94
Archiwum Gospodarki Odpadami i Ochrony Środowiska, vol. 1(2005)