Kotly energetyczne - Kierunki zamawiane

Kotly energetyczne - Kierunki zamawiane

Dr inż. Ryszard Głąbik, Zakład Kotłów i Turbin
1
2
DREWNO KAWAŁKOWE
Własności fizyko-chemiczne biopaliw zależą w dużym stopniu od ich składu
chemicznego masy palnej i substancji mineralnej, zawartości części lotnych, popiołu i
jego składu. Wielkości te decydują o doborze sposobu spalania pozwalającego na
minimalną emisję i uniknięcie zagrożeń eksploatacyjnych (zanieczyszczenie
powierzchni, szlakowanie, korozja wysokotemperaturowa).
Zawartość popiołu w energetycznie przydatnej słomie jest podobnego rzędu
jak dla węgla kamiennego. Natomiast dla roślin energetycznych mieści się w zakresie 26%. Jedynie dla odpadów drzewnych zawartość popiołu jest bardzo niska i wynosi
poniżej 1%.
Kaloryczność biomasy, w przeliczeniu na masę suchą, jest rzędu 15-20 MJ/kg.
Zawartość azotu i siarki w biomasie jest niska, ale duża jest zawartość chloru,
szczególnie w przypadku słomy, co stwarza duże ryzyko występowania korozji.
Biomasa, w porównaniu z węglem, charakteryzuje się dużą zawartością części
lotnych.
Mała gęstość biomasy stanowi problem transportowy i magazynowy – 250 -360 kg/m3
PELETY
ZREBKI
3
TROCINY
4
Drewno pochodzące z lasów, przesiek, sadów, specjalnych upraw
Potencjał techniczny biopaliw w Polsce, możliwy do wykorzystania na cele
energetyczne, oszacowano na ok. 684,6 PJ. Rozwój tego sektora następuje
przede wszystkim w oparciu o odpady drzewne.
Rośliny uprawne przeznaczone na cele energetyczne,
Biopaliwa ciekłe
Gaz wysypiskowy
100
(plantacje drzew i krzewów szybko rosnących takich jak: wierzba, topola, platan,
eukaliptus, trzcina cukrowa, rzepak, słonecznik i wybrane gatunki traw)oraz
odpady z przemysłu drzewnego,
Słoma
44
Pozostałości organiczne i odpady:
195
1) słoma i inne pozostałości roślinne stanowiące materiał odpadowy
przy produkcji rolniczej,
100
36
2) odpady powstające w przemyśle rolno-spożywczym,
209,6
Biogaz z
oczyszczalni
3) gnojownica lub obornik wykorzystywane do fermentacji metanowej
(tzw. biogaz),
Biogaz
4) odpady organiczne z wysypisk śmieci (tzw. gaz wysypiskowy),
Odpady drzewne
5) organiczne odpady przemysłowe np. w przemyśle
papierniczo-celulozowym.
Rys. Potencjał techniczny biopaliw w Polsce w PJ
5
6
ROŚLINY ENERGETYCZNE :
ODPADY DRZEWNE :
Dla producentów rośliny energetyczne staną się w najbliższej przyszłości cennym
surowcem, poszerzając i różnicując rynek biomasy oraz dostarczając jednorodnego
surowca. W grę może wychodzić wierzba energetyczna jak i inne rośliny. Dużą
zaletą upraw energetycznych będzie uniezależnienie się od koniunktury w przemyśle
drzewnym oraz problemów związanych z pozyskiwaniem drewna z Lasów
Państwowych.
Potencjał drewna w Polsce szacuje się na 19 mln m3 rocznie z czego:
2,5 –3 mln m3 to drewno opałowe pozyskiwane z lasów,
5 – 9 mln m3 to tarcica z przemysłu drzewnego(tartaki, zakłady
meblarskie itp.),
reszta to drewno z cięć pielęgnacyjnych w sadownictwie.
SŁOMA :
Potencjał słomy jest bardzo duży. Szacunkowo mówi się o wykorzystaniu do
celów energetycznych 9- 11 mln ton rocznie. Słoma wykorzystywana jest w
postaci prasowanych kostek i balotów oraz sieczki w przypadku technologii
automatyzowanych.
7
8
Własności fizykochemiczne biomasy powodują, że jest ona paliwem trudnym
technologicznie, znacznie różniącym się od węgla spalanego w kotłach
energetycznych.
Podstawowe różnice między tymi paliwami, to:
niska wartość opałowa w przeliczeniu na jednostkę objętości —
konieczność operowania kilkakrotnie większymi objętościowo ilościami
biomasy w celu dostarczenia do procesu takiej samej ilości energii jak z
węgla
wysoka zawartość wilgoci w surowej biomasie (45 — 60%), która wpływa
negatywnie na efektywność procesu spalania
wysoka zawartość części lotnych (2,5-krotnie wyższa niż w węglu
kamiennym) drastycznie zmieniająca warunki zapłonu i spalania
zawartość popiołu w energetycznie przydatnej słomie jest podobnego
rzędu jak dla węgla kamiennego, natomiast dla roślin energetycznych
mieści się w zakresie 2 — 6%, a jedynie dla odpadów drzewnych jest
bardzo niska i wynosi < 1 %
zawartość azotu i siarki w biomasie jest niska, ale duża jest zawartość
chloru szczególnie w przypadku słomy, co stwarza duże ryzyko
występowania korozji urządzeń
głównymi składnikami popiołu z węgla kamiennego są Si02, AI2O3 i Fe203,
natomiast dla biomasy oprócz dużej ilości K2O i Si02 stwierdzono duże
ilości CaO
większość rodzajów biopaliw stałych wykazuje stosunkowo niskie
temperatury mięknięcia i topnienia popiołu w porównaniu z węglem,
głównie z powodu dużej zawartości związków metali alkalicznych.
9
10
11
12
Wilgoć
Popiół
całkowita
Rodzaj paliwa
Drewno rąbane
Zrębki drzewne
wstanie
roboczym
wstanie
suchym
%
%
Wartość
opałow
a
wstanie
roboczym
wstanie
suchym
wstanie
roboczym
kJ/kg
kJ/kg
%
Azot
Chlor
Fluor
wstanie
roboczym
wstanie
roboczym
wstanie
roboczym
%
%
%
Rodzaj
paliwa
14700
-
-
-
-
8957
1849
6
0,03
0,06
b.d
b.d
794711796
1758820674
0,280,33
0,02
b.d
1,3
5267
1934
6
0,060,07
0,050,2
b.d
b.d
b.d
2,417,1
1521219148
1516120109
0,120,21
b.d
b.d
0,0010,003
20
42,4
0,5
Kora drzewna
38,4 48,1
3,914,7
Trociny
39,147,3
3,8-6,4
Brykiet drzewny
3,814,1
0,328,7
1521219742
Pelety
3,6-12
1,2-3,2
1651217281
Wilgoć
całkowita
Popiół
wstanie
roboczym
wstanie
suchym
%
%
Mączka mięsnokostna
1,6-4,3
23,831,5
Śmieci
63,4
Osady
ściekowe
Bioszlam
Rodzaj paliwa
Siarka
-
-
Pył drzewny
Wartość
opałow
a
1696220357
1783019579
0,010,21
0,080,19
0,020,23
0,111,13
0,091
b.d
b.d
b.d
Wartość
opałowa
Siarka
Azot
Chlor
Fluor
wstanie
roboczym
wstanie
suchym
wstanie
roboczym
wstanie
roboczym
wstanie
roboczym
wstanie
roboczym
kJ/kg
kJ/kg
%
%
%
%
1652919049
1734019388
0,390,57
b.d
b.d
b.d
3,72
14303
-
0,04
b.d
b.d
b.d
64,583,0
31,546,5
2852245
1076816629
0,160,46
b.d
0,0170,036
b.d
43,71
0,63
15838
-
0,046
b.d
b.d
b.d
Wartość
opałowa
Słoma żółta
Wartość
opałow
a
Wilgoć
całkowita
Popiół
wstanie
roboczym
wstanie
suchym
%
%
kJ/kg
4
1430
0
15
wstanie
roboczym
Słoma szara
15
3
1520
0
Brykiet ze
słomy
9,7
5,2
1523
1
Wartość
opałow
a
Siarka
Azot
Chlor
Fluor
wstanie
roboczym
wstanie
roboczym
wstanie
roboczym
wstanie
roboczym
kJ/kg
%
%
%
%
1430
0
0,16
0,3
0,7
b.d
1520
0
0,1
0,4
0,1
b.d
1713
1
0,14
b.d
b.d
b.d
wstanie
suchym
13
14
15
16
Plon
Plon
Wartość
opałowa
s.m. t/ha
s.m. GJ/ha
GJ/t
Wierzba (Wiklina wiciowa)
28
306
17
Ślazowiec Pensylwański
17
221
13
Topinambur
10-16
130-208
13
Mozga trzcinowata
15-18
210-250
14
Trzcina pospolita
13-70
195-1050
15
Kostrzewa trzcinowata
5-6
70-84
14
Miskant cukrowy
30
510
17
Rodzaj paliwa
17
18
Do chwili obecnej znanych jest tylko 5 rozwiązań energetycznego współspalania:
Spalanie biomasy w oddzielnym palenisku i wprowadzanie uzyskanych
(gorących) spalin do instalacji kotłowej,
Spalanie biomasy na ruszcie znajdującym się pod paleniskiem kotła
energetycznego,
Mielenie biomasy i doprowadzanie jej wraz z paliwem podstawowym
bezpośrednio do palników kotła energetycznego,
Odgazowanie lub zgazowanie biomasy w urządzeniu zewnętrznym i
dopalenie powstałego gazu w kotle,
Spalenie drobnych frakcji w zawiesinie wodnej przy użyciu
palników
olejowych.
19
Niechłodzone palenisko rusztowe z którego spaliny są doprowadzane do komory
paleniskowej kotła energetycznego. Kocioł pracuje na paliwie podstawowym, a
biomasa stanowi jedynie uzupełnienie.
20
21
oddzielenie instalacji spalającej biomasę od instalacji spalającej węgiel
22
rozdzielenie obu procesów spalania wpływa na zmniejszenie sprawności całego procesu
współspalania (straty do otoczenia przez promieniowanie przedpaleniska oraz układu
przepływu spalin z przedpaleniska do kotła parowego)
minimalna ingerencja w istniejącą konstrukcję koła pyłowego
eliminacja zagrożeń z tytułu gromadzenia się biomasy w młynach,
osiadania niespalonej biomasy na powierzchniach grzewczych kotła,
zasypywania rusztu dopalającego
możliwość wystąpienia efektu żużlowania (popiół ze spalania biomasy posiada niższą
temperaturę mięknięcia, dostaje się ze spalinami do kotła, w którym panuje temperatura
sprzyjająca tworzeniu osadów na powierzchniach ogrzewalnych)
utrzymana 100% wydajność kotła na paliwie podstawowym przy odłączonym
przedpalenisku
stosunkowo prosta i tania technologia w odróżnieniu od zgazowania paliwa czy
przeróbki kotła na kocioł fluidalny
temperatura wewnątrz przedpaleniska nie może być wyższa niż 600-1000°C ze
względu na żużlowanie rusztu
możliwość kompletnego przygotowania paliwa poza terenem elektrowni
możliwość dłuższego zatrzymywania pracy przedpaleniska i pracy w układzie
dotychczasowym (niskie koszty kapitałowe)
spalanie musi się odbywać przy nadmiarze powietrza λ ≅ 3 ze względu na brak odbioru
ciepła z komory
ochrona ekranów ścian kotła przed korozją niskotlenową
mniejsze nakłady na remonty ze względu na mniejszą korozję ekranów
bardzo duże przekroje kanałów łączących przedpalenisko z kotłem, ze względu na duży
strumień spalin
możliwość zmiany paliwa i jego parametrów w dosyć szerokich granicach
23
24
Modernizacja ta polega na zainstalowaniu pod lejem żużlowym dwóch rusztów
do spalania biomasy.
Ruszt posuwisto-zwrotny:
Biomasa transportowana jest na
ruszt podajnikami hydraulicznymi, a
popiół spada do mokrego
odżużlacza. Powietrze pobierane zza
kotłowego podgrzewacza płynie
przez ruszty.
25
26
Ruszt wędrowny łuskowy:
Zalety rozwiązania:
możliwość spalania różnych form odpadowych drewna
(np. kora, drewno kawałkowe)
bezproblemowy przebieg spalania biomasy na ruszcie
szybki zapłon biomasy oraz wysoki stopień dopalenia
Wady rozwiązania:
często brak jest miejsca pod lejem żużlowym kotła
pyłowego na zainstalowanie rusztu.
Instalację pilotową opartą na takiej zasadzie działania zbudowano w austriackiej
siłowni St. Andra o mocy 124MW wyposażonej w kocioł pyłowy opalany
węglem kamiennym.
27
28
Warunkami zastosowania tej technologii są:
odpowiednie przygotowanie biomasy - umożliwiające zmielenie w
istniejących instalacjach młynowych, nie zakłócając przemiału
odpowiednia budowy palników oraz ich właściwy montaż –
umożliwiający podanie mieszanki do komory spalania kotły
Z doświadczeń przeprowadzonych w wielu elektrowniach wynika że w większości
przypadków niemożliwe jest współspalanie w sposób ciągły więcej niż 5% biomasy.
Ponieważ może to spowodować wystąpienie następujących problemów: obniżenie
sprawności kotła, obniżenie maksymalnej wydajności kotła, zwiększenie żużlowania
komory spalania, zmniejszenie sprawności odpylania w elektrofiltrach oraz wzrost
zagrożenia wstąpienia samozapłonu w młynie węglowym.
29
30
Kompleksowe badania współspalania w kotłach OP-380
Wyniki badań:
Ogólne parametry bloku:
- nie stwierdzono wyraźnego wpływu na szlakowanie kotła,
- wzrost udziału biomasy powyżej 7 % pogarsza dynamikę kotła i osiągi
regulacyjne bloku (regulacja wtórna),
- udział biomasy powyżej 10 % nie pozwala na uzyskanie pełnej mocy osiągalnej
przy optymalnej jakości węgla ( wymaga węgla o wyższej kaloryczności np. 20
% biomasy – węgiel 24MJ/kg)
Ochrona środowiska:
- emisja SO2 maleje wraz ze wzrostem udziału biomasy,
- powyżej 10 % biomasy zaobserwowano wzrost emisji tlenków azotu
NOx i CO przyczyna ( pogorszenie przemiału węgla)
31
32
33
34
35
36
Sposób 1:
Sposób 2:
faza stała i faza gazowa przemieszczają się w tym samym kierunku, w
dół reaktora,
najniższe moce w porównaniu z innymi technologiami zgazowania,
nadaje się jedynie do wybranych rodzajów i sortymentu wsadu,
wymagany równomierny sortyment wsadu w złożu,
występowanie charakterystycznego przewężenia konstrukcyjnego
średnicy wewnętrznej w celu wymuszenia przejścia gazu przez strefę
wysokiej temperatury (zabieg zmniejszający zawartość substancji
smolistych),
wykazuje skłonności do szlakowania,
długi czas procesu zgazowania,
wymagana niska zawartość wilgoci w biomasie (ograniczone suszenie
wewnętrzne),
stosunkowo czysty gaz (niska zawartość substancji smolistych),
wysoka temperatura gazu na wyjściu z reaktora.
faza stała przesuwa się w dół reaktora, faza gazowa w
przeciwprądzie w górę
moce reaktorów pomiędzy dolnociągowymi a fluidalnymi
możliwość stosowania wsadu o grubszym sortymencie
wewnętrzne suszenie wsadu; możliwość stosowania
wsadu o dużym udziale wilgoci
zanieczyszczony gaz z dużą zawartością substancji
smolistych
stosunkowo niska temperatura gazu na wyjściu z
generatora
wysoka sprawność
37
odmiana reaktora dolnociągowego,
wsad i powietrze są podawane razem od góry
reaktora,
stała średnica wewnętrzna na całej długości
reaktora (brak przewężenia konstrukcyjnego),
stosowane do zgazowania wsadu o małej gęstości
nasypowej,
temperatura gazu z reaktora pomiędzy typową
konstrukcją dolnociągową a górnociągową.
38
39
stosowane jedynie w zakresie dużych mocy (10 – 100 MW),
łatwy i szybki rozruch i zatrzymanie
większe spadki ciśnienia gazu niż w przypadku złoża stałego
możliwość pracy w zakresie obciążeń 50–120% mocy
znamionowej
mała ilość wsadu w reaktorze, co zapewnia dużą
elastyczność zmian rodzaju wsadu
bardzo dobre warunki wymiany ciepła i masy dzięki
wymieszaniu fazy stałej, ciekłej i gazowej
wyrównana temperatura w reaktorze
stosunkowo proste skalowanie w celu uzyskania różnych
mocy znamionowych
40
możliwość stosowania katalizatorów w złożu w celu przyspieszenia
reakcji
możliwość kontroli temperatury procesu
większa tolerancja na zmienną jakość (rodzaj) wsadu niż w przypadku
złóż stałych
znacznie większa tolerancja na nierównomierną wielkość cząstek
wsadu,
wielość cząstek wsadu ograniczona koniecznością zapewnienia
fluidyzacji złoża
większa powierzchnia kontaktu fazy gazowej i stałej
wysoka wydajność jednostkowa (w odniesieniu do objętości reaktora)
wyższe straty węgla w popiele (niższe współczynniki konwersji wsadu)
stosunkowo duża zawartość pyłów unoszonych w gazie
Reaktory fluidalne dzielą się na reaktory ze
złożem:
a)stacjonarnym – zakres mocy niskich i średnich
(do 25 MW)
b)cyrkulującym – zakres mocy średnich i dużych
(dają ponadto mniejszą zawartość substancji
smolistych w gazie)
41
42
43
cząstki wsadu są unoszone przez strumień czynnika zgazowującego w kierunku wylotu gazu;
wszystkie reakcje zachodzą w strumieniu unoszonych substancji,
technologia najbardziej rozpowszechniona w zgazowaniu węgla, lecz stosunkowo rzadko
stosowana do zgazowania biomasy,
zwykle w reaktorach tego typu prowadzone jest wspólne zgazowanie biomasy i węgla,
wysokie temperatury procesu zapewniające dużą czystość gazu, lecz mniejsze wartości
opałowe (1300 – 1500°C),
z uwagi na wysoką temperaturę pracy reaktora następuje rozkład termiczny substancji
smolistych,
wysokie ciśnienie robocze (zwykle 2 do 5 MPa),
wymagają znacznego rozdrobnienia biomasy,
krótki czas przebywania cząstki wsadu w reaktorze (ok. 1 s),
skomplikowane układy przygotowania i podawania biomasy,
jedynie duże reaktory (powyżej 10 ton wsadu/h),
znikoma zawartość substancji smolistych w gazie,
wykazują tendencje do szlakowania,
wysoki stopień konwersji biomasy,
dzielimy je na dwa typy: żużlujące i nieżużlujace,
zwykle końcowym etapem jest gaszenie gazu i żużla wodą, co wiąże się z dużym jej zużyciem.
44
faza stała przesuwa się w dół reaktora, a faza gazowa w
poziomie (w prądzie krzyżowym),
stosowane zwykle w małych zakresach mocy, tzn. do 30 kW,
wielkość ziarna wsadu ograniczona do około 40–80 mm,
udział popiołu we wsadzie ograniczony do około 6%,
zwykle stosowane do zgazowania węgla drzewnego,
gaz silnie zanieczyszczony; zwykle bezpośrednio spalany w
kotłach,
niska sprawność procesu zgazowania (50-70%),
bardzo mała oferta rynkowa tego typu reaktorów,
wyłącznie reaktory atmosferyczne,
wartość opałowa gazu 4–6 MJ/m3,
zawartość wilgoci we wsadzie nie powinna przekraczać 15–
20%.
gaz
a) reaktory autotermiczne (z wytwarzaniem ciepła
bezpośrednio w reaktorze):
z podawaniem powietrza atmosferycznego,
z podawaniem powietrza wzbogaconego w tlen,
z podawaniem tlenu technicznego,
z podawaniem pary wodnej.
b) reaktory z pośrednim doprowadzeniem ciepła:
z cyrkulującym materiałem inertnym jako nośnik ciepła
(piasek, metale),
z ogrzewaniem wsadu przez bezpośredni kontakt z gorącą
powierzchnią.
Większość technologii z pośrednim doprowadzeniem ciepła
wymaga dodatkowego paliwa rozruchowego.
45
46
dozowniki paliwa
PALIWO:
zrębki drzewne
powietrze
do spalania
gazu
reaktor
wilgotność paliwa:
20%
wartość opałowa:
14 GJ/Mg
komora
spalania
reaktor
wydajność zasilania:
1500 kg/godz
paliwo
spaliny
kabina
sterowania
WYDAJNOŚĆ CIEPLNA
ZGAZOWARKI:
5 MWt
paliwo
wygarniacz
popiołu
47
48
wlot
paliwa
zbiornik
dozownika
czujniki
poziomu
paliwa
dozownik
ślimakowy
49
50
Zalety :
szerokie spektrum spalania odpadów
drzewnych oraz możliwość spalania kory
drzewnej
stosowane może być paliwo o wilgotności
sięgającej 65%
możliwa jest praca ze spalaniem (w nadmiarze
powietrza) i odgazowaniem
51
52
Polega na utylizacji uwodnionych odpadów z instalacji dekarbonizacji wody w
elektrowniach jak również może być użyty do spalenia drobnych zawiesin
substancji organicznych (np. osadów ściekowych po granulacji).
Przebieg procesu :
- Odmuliny
- Osady z
oczyszczalni
ścieków
Spalanie
Akcelerator
Kocioł pyłowy
Filtr ciśnieniowy
(mikro filtracje)
Dysze wtryskowe
Separator odpadów
(zagęszczane 15%
substancji stałej )
Rurociąg
Zalety procesu :
odsiarczanie spalin ze względu na wysoki poziom substancji alkalicznych
zawarty w odpadach organicznych amoniak i mocznik zmniejszają zawartość
tlenku azotu w spalinach
53
55
54
Zasadniczy wpływ na zachowanie się substancji mineralnej przy spalaniu
biomasy ma obecność metali alkalicznych Na, K, Ca oraz chloru i siarki.
Sód i potas w wysokich temperaturach spalania, które występują w kotłach
pyłowych odparowują, a w wyższych partiach kotła, wchodząc w reakcję z innymi
składnikami spalin (proces ten nieco inaczej przebiega w złożu fluidalnym) tworzą
związki niskotopliwe, które osadzają się na powierzchniach przegrzewaczy.
Typ osadu, ich kształt i grubość zależy od stosunku S/Cl w paliwie.
Zaobserwowano trzy rodzaje osadów:
submikronowe zeszklone, niejednorodne osady w kształcie półsfer,
rozmieszczone na rurach. Głównym składnikiem tych osadów jest K2SO4, a
w małej ilości występują Si, Ca, Mg. W przypadku spalania odpadów
drzewnych spotyka się Na2SO4.
zeszklone jednorodne osady rozmieszczone równolegle wzdłuż rur, które
obserwuje się w szczególności przy spalaniu biomasy o małej zawartości
siarki.
osady niejednorodne w postaci sferycznej o stosunkowo dużych rozmiarach
zawierające zazwyczaj cząstki kilkumikronowe. Te osady powstają w wyniku
inertnego osadzania się cząstek.
Dla trzeciego typu osadu niejasny jest obecnie mechanizm wiązania się z
metalicznym podłożem, gdzie takim „składnikiem” wiążącym osad z metalem jest
K2SO4, który otacza popiół lotny.
56
K2SO4(s)
KCl(s)
Tworzenie s ię
a erozoli
K2SO4(s )
KCl(s )
KCl(g)
HCl(g)
K 2SO 4(g)
KCl(s)
K 2SO 4(s)
KCl(g) HCl(g)
KOH(g)
K 2SO 4(s)
KCl(s)
HCl(g)
K 2SiO 3(s)
57
58
Współspalanie biomasy z węglem może powodować:
59
rosnące zagrożenie tworzenia się osadów w palenisku oraz na
konwekcyjnych powierzchniach ogrzewalnych
aglomerację złóż kotłów fluidalnych
szybszą korozję wysokotemperaturową po stronie spalin,
redukcję sprawności układów odpylania,
interferencję ze standardowym systemem kontroli emisji NOx
i SO2, wykorzystania odpadów paleniskowych ze względu na
zmieniający się skład.
60
Zdjęcia z mikroskopu elektronowego zaglomerowanych cząstek piasku przy
spalaniu biomasy w złożu fluidalnym
61
63
62
w komorze paleniskowej podczas niskoemisyjnego spalania
KOROZJA NISKOTLENOWA lub NISKOEMISYJNA
rur ekranowych,
KOROZJA WYSOKOTEMPERATUROWA w rejonie
przegrzewaczy pary,
w strefie końcowych powierzchni konwekcyjnych
(I
stopień podgrzewacza wody lub podgrzewacz powietrza) oraz
w usytuowanych za nimi elementach ciągu spalinowego KOROZJA NISKOTEMPERATUROWA
64
65
Korozja w obecności stopionych soli, którymi są
najczęściej chlorki i siarczany alkaliczne, chociaż
potwierdzono również udział
w procesach
korozyjnych związków cynku i ołowiu.
Korozja ta zachodzi w temperaturach wyższych od
temperatury topnienia i niższych od temperatury
nasycenia soli, w zakresie ok. 400–700°C.
3 Na2SO4 + Fe2O3 + 3 SO3 = 2
Na3Fe(SO4)3
Fe + 2 HCl = FeCl2 + H2
Fe2O3 + 2 HCl + CO = FeO + FeCl2 + H2O
66
Nie ma dotąd wiarygodnych informacji na temat wpływu współspalania
biomasy na zmiany intensywności korozji ekranów w stosunku do występującej
przy niskoemisyjnym spalaniu węgla.
Współspalanie biomasy, a także paliw z odpadów, może natomiast
spowodować wzrost zagrożenia korozją chlorową przegrzewaczy pary.
W efekcie za najbardziej niebezpieczne zjawisko należy uznać korozję
wysokotemperaturową związaną ze wzrostem udziału chloru w paliwie. Korozja ta
jest nierozerwalnie związana z osadami popiołowymi
pokrywającymi rury.
Paradoksalnie stwierdzono, że współspalanie zawierającej chlor biomasy
z paliwami zawierającymi siarkę korozję tę znacznie zmniejsza, ponieważ
powstająca zwarta warstwa K2SO4 stanowi dla rury ochronę. Pojawiły się badania,
z których wynikało, że niebezpieczny jest dopiero stan, kiedy w paliwie stosunek
Sr/Clr spada poniżej 2,0. W rzeczywistości problem jest jednak bardziej
skomplikowany i późniejsze prace wykazały, że wspomniane ochronne działanie
siarczanów występuje tylko w warunkach utleniających.
67
68
Nieco inaczej przedstawia się sytuacja w przypadku współspalania
mączki zwierzęcej. Odmienny skład popiołu z mączki i węgla wpływa na skład
popiołu pojawiającego się w kotle podczas współspalania tych paliw. Wysokie
zawartości fosforu, wapnia i sodu w mączce wpływają na skład popiołu i mogą
oddziaływać na jego dalszą przydatność
Przy współspalaniu mieszanki o udziale do 10% wagowo biomasy,
skład chemiczny próbek popiołu i żużla ze współspalania biomasy drzewnej jest
zbliżony do składu chemicznego popiołu i żużla
ze spalania węgla kamiennego. Stwierdzono, że wraz ze wzrostem obciążenia
kotła rosły straty prażenia, które spowodowały niewielkie różnice w składzie
chemicznym pomiędzy analizowanymi próbkami
Istnieje również możliwość wykorzystania popiołu lotnego
wzbogaconego związkami fosforu jako dodatku do nawozów.
Z przeprowadzonych analiz wynika, że popiół i żużel ze współspalania
nie powodują skażenia środowiska metalami ciężkimi, substancjami
promieniotwórczymi i zanieczyszczeniami biologicznymi, stąd mogą być
składowane na powierzchni terenu lub gospodarczo wykorzystane na podobnych
warunkach jak popiół i żużel uzyskiwane
ze spalania węgla kamiennego bez dodatków
Podobne problemy mogą wystąpić przy utylizacji popiołów ze spalania
osadów ściekowych, w których zawartość fosforu także jest znaczna
69
70
71
72
73
74
75
76
Konwersja siarki w procesie współspalania biomasy i węgla do SO2
maleje ze wzrostem udziału biomasy (powyżej 15%) i jest mniejsza dla
grubszych cząstek. Można to wytłumaczyć tym że część siarki z paliwa
przechodzi do popiołu wiec nie bierze udziału w tworzeniu się ditlenków
siarki.
Badania własne nad spalaniem ślazowca, (Petemi), pyłu
drzewnego w tym odpadów z produkcji płyt MDF oraz dane literaturowe
pokazują, ze obecność biomasy pozytywnie wpływa na stopień wypalenia
paliwa, jak i na emisję tlenków azotu i dwutlenku siarki. Procentowy
wzrost stopnia wypalenia zależy od typu biomasy i jej rozmiaru.
Biomasę można podawać jako mieszankę z węglem w
odpowiednich proporcjach poprzez palnik. Wyniki badań nad emisją
tlenków azotu przy stopniowym i jednostadiowym współspalaniu różnych
typów biomasy o różnych rozmiarach wskazują, że dla wszystkich typów
biomasy ze wzrostem jej udziału w mieszaninie, niezależnie od zawartości
azotu w biomasie, maleje emisja NOx , Przy czym dla drobnych cząstek
miskanta przy jednostopniowym spalaniu spadek emisji NOx jest
nieznaczny. Wpływ rozmiaru ziarna na emisję tlenków azotu tłumaczyć
można dużą zawartością części lotnych w biomasie, która ma zasadniczy
wpływ na generację NOx w bezstopniowym spalaniu. Odwrotny wpływ
części lotnych obserwuje się przy stopniowym spalaniu. Przy stopniowym
spalaniu i współspalaniu większe rozdrobnienie biomasy zwiększa stopień
redukcji NOx
Rezultaty badań nad określeniem możliwości tworzenia się i emisji
dioksyn i furanów przy współspalaniu biomasy jak również nad emisja
pierwiastków śladowych wykazały brak tych pierwszych oraz mniejsze
znacznie wartości emisji metali. Wytłumaczyć to można korzystniejszymi
warunkami spalania przy udziale biomasy oraz małą zawartością substancji
mineralnej biomasy z niewielkimi ilościami pierwiastków metalicznych.
77
Z badań wynika, że współspalając biomasę z węglem można określić
optymalny rozmiar cząstek zwłaszcza dla odpadów drzewnych, w ten
sposób uzyskać można wysoki stopień wypalenia a równocześnie niską
emisję tlenków azotu, siarki i pierwiastków śladowych.
Poza własnościami samej biomasy bardzo istotny jest wpływ wilgoci, który
może zmienić relacje uzyskane dla suchej biomasy
78
W złożu fluidalnym, w którym przebiega równocześnie ze
spalaniem proces odsiarczania, brak jest odpowiedniej ilości SO2 w
spalinach. Dlatego też tworzą się chlorki potasu, które powodują
zjawisko zanieczyszczania powierzchni i korozję nawet dla paliw o małej
zawartości chloru
Obecność związków metali alkalicznych w biopaliwach
stwarza problemy ze zwiększoną skłonnością popiołów do
tworzenia osadów, stąd zanieczyszczenie i szlakowanie
powierzchni ogrzewalnych. Przebieg procesu tworzenia się
osadów i zachowanie się związków alkalicznych jest zależny od
rodzaju paliwa i systemu spalania. W przypadku wysokich
zawartości metali alkalicznych względem siarki, tworzą się
chlorki metali alkalicznych, które biorą udział w procesie korozji i
zanieczyszczenia powierzchni. W przypadku obecności
znacznych ilości siarki w paliwie unika się tworzenia chlorków.
Obecność chlorków metali alkalicznych w osadach zależy od
konstrukcji kotła, typu biomasy i stosunku węgla do biomasy. W kotłach
pyłowych KCl jest przekształcony do krzemianów potasowych, K2SO4 i
HCl, stąd KCl nie występuje w osadach i szybkość korozji jest
nieznaczna. Odmienna sytuacja zachodzi w kotłach fluidalnych gdzie
tylko część KCl jest przekształcana do siarczanu, a pozostała przechodzi
do osadów stwarzając warunki sprzyjające korozji
wysokotemperaturowej
79
80
Rozwiązaniem problemu tworzenia się osadów i korozji
może być dobranie mieszanek paliw konwencjonalnych z
biomasą (współspalanie) oraz dodatków specjalnych
W kotłach pyłowych duże ilości SO2 i wysokie
temperatury spalania przyspieszają tworzenie się krzemianów
potasu i siarczanów, które zmniejszają problem
zanieczyszczania powierzchni.
Prace prof.Marti Aho z VTT wykazały że – związki
zawierające glin zawarte miedzy innymi w osadach ściekowych
– poprzez preferencyjne tworzenie się krzemianów
alakalicznych wpływają pozytywnie na problem zanieczyszczeń
Parowanie potasu w warunkach pyłowej komory
paleniskowej zwiększa temperaturę topnienia pozostałego
popiołu, co zmniejsza niebezpieczeństwo szlakowania komory.
Jest to zjawisko korzystne w przypadku kotłów ze stałym
odprowadzeniem żużla, a stwarza problemy w kotłach z ciekłym
odprowadzeniem żużla.
Współspalanie biomasy z węglem znacznie redukuje
problemy eksploatacyjne wynikajace miedzy innymi z
zachowania się substancji mineralnej w porównaniu do spalania
czystej biomasy, lecz wymaga określenia na drodze testów
parametrów pracy komory spalania
81
82