Zastosowanie plazmotronu wnękowego do zapłonu muflowego

Referat konferencyjny: Efektywność energetyczna 2009, Kraków 21-23 IX 2009
Druk w: Prace Instytutu Nafty i Gazu; nr 162, 2009, s. 187-190
Zastosowanie plazmotronu wnękowego do zapłonu muflowego palnika pyłowego
Przemysław KOBEL, Włodzimierz KORDYLEWSKI, Tadeusz MĄCZKA
Politechnika Wrocławska, Instytut Techniki Cieplnej i Mechaniki Płynów
[email protected], [email protected],
[email protected]
Streszczenie: Opisano budowę oraz zasadę działania prototypowego plazmotronu wnękowego stosowanego do zapłonu węglowej mieszanki pyłowo-powietrznej. Przedstawiono
próby zapłonu węglowego palnika pyłowego w zależności od parametrów przepływowych i
mocy plazmotronu. Na podstawie wykonanych prób i przeprowadzonej analizy podano
zoptymalizowane parametry zapewniające skuteczny zapłon muflowego palnika pyłowego
i jego stabilną pracę.
Abstract. A construction of the prototype plasmatron used to ignition of pulverized coal
fuel-air mixture in coal burner is presented. The tests of ignition of pulverized coal fuel-air
mixture and relationship between flow parameters and power of plasmatron is presented.
On the basis of tests and its analysis the optimal parameters of effective plasma ignition of
pulverized coal fuel-air mixture in coal burner are given.
Słowa kluczowe: plazmotron, zapłon pyłu węglowego, palnik węglowy
Keywords: plasmatron, ignition of pulverized coal fuel-air mixture, coal burner
1. Wstęp
Wzrost ceny ropy naftowej spowodował zainteresowanie energetyki węglowej systemami rozruchu kotłów pyłowych eliminującymi użycie olejów opałowych (mazutu).
Również promowane działania proekologiczne prowadzą do zaostrzania norm dotyczących
ochrony środowiska zmuszając do poszukiwania alternatywnych metod rozruchu. Z ekonomicznego, energetycznego i ekologicznego punktu widzenia najkorzystniejsze byłoby
uruchamianie kotła wyłącznie przy użyciu pyłu węglowego. Jest to jednak trudne, ponieważ wymaga zapewnienia pewnego zapłonu i stabilnego działania palnika pyłowego przy
zimnym kotle. Wiąże się to z zastosowaniem dodatkowego źródła zapłonu o dużej mocy,
wystarczającego na pokrycie strat energii do otoczenia.
Takim źródłem zapłonu może być plazmowy system rozruchowy, który umożliwia
uruchomienie kotłów wyłącznie z użyciem pyłu węglowego. Wyeliminowanie mazutu z
procesu rozruchu kotła znacznie ogranicza emisję zanieczyszczeń w czasie stabilizacji pracy kotła. Zatem rozwiązanie takie umożliwia redukcję kosztów zarówno inwestycyjnych,
jak i eksploatacyjnych [1].
Zastosowanie bezpośredniego plazmowego systemu rozruchowego w dużych jednostkach energetycznych spalających węglowe mieszanki pyłowo-powietrzne może również przyczynić się do poprawy stabilności płomienia przy minimalnym obciążeniu kotła,
zmniejszenia emisji zanieczyszczeń do środowiska i stabilizacji warunków pracy niskoemisyjnych palników pyłowych [2]. Pilotażowe badania zastosowania systemów plazmowych
wskazały pozytywny aspekt znacznego ograniczenia emisji NOx podczas spalania pyłu węglowego [3]. Mimo prowadzonych badań w różnych ośrodkach badawczych, plazmowa
technika rozruchu kotłów nie jest obecnie szeroko stosowana. Dlatego w Zakładzie Spala-
Referat konferencyjny: Efektywność energetyczna 2009, Kraków 21-23 IX 2009
Druk w: Prace Instytutu Nafty i Gazu; nr 162, 2009, s. 187-190
nia i Detonacji Instytut Techniki Cieplnej i Mechaniki Płynów Politechniki Wrocławskiej
podjęto się badań nad opracowaniem i wprowadzeniem techniki plazmowej w do bezpośredniego rozruchu i stabilizacji pracy energetycznych kotłów pyłowych.
2. Idea plazmowego zapłonu węglowej mieszanki pyłowo-powietrznej
Badania zapłonu węglowej mieszanki pyłowo-powietrznej w palniku muflowym
wykonano na pracującym kotle typu OP-130. Podczas eksperymentu plazmotron zainstalowano w istniejącym palniku muflowym, pełniącym rolę palnika rozpałkowego. Umiejscowienie plazmotronu na kotle i podstawowe elementy instalacji schematycznie pokazano
na rys. 1.
Rys. 1. Umiejscowienie plazmotronu na kotle;
elementy instalacji: 1 – palnik muflowy, 2 – zasilanie pyłem węglowym, 3 – plazmotron, 4 – szafa
sterowniczo-zasilająca plazmotronu, 5 – układy elektryczne plazmotronu,6 – główne palniki kotła
Dzięki wykorzystaniu istniejącego palnika muflowego możliwe było przeprowadzenie
próby beż konieczności wyłączania bloku z pracy. Muflowy palnik pyłowy po modyfikacji
nazwano pyłowym palnikiem plazmowym. Działanie tego palnika polega na tym, że
wprowadzony w przewód palnika strumień plazmy niskotemperaturowej reaguje z przepływającą w nim węglową mieszanką pyłowo-powietrzną. W wyniku reakcji cząstek węgla
z plazmą następuje gwałtowne wydzielanie części lotnych, rozpad cząstek, powstanie rodników i gwałtowne reakcje utleniania. W efekcie tych procesów otrzymuje się stabilny płomień pyłowy o wysokiej temperaturze co obrazowo pokazuje rys. 2.
Rys. 2. Idea działania plazmowego palnika pyłowego
Referat konferencyjny: Efektywność energetyczna 2009, Kraków 21-23 IX 2009
Druk w: Prace Instytutu Nafty i Gazu; nr 162, 2009, s. 187-190
Do badań możliwości zapłonu węglowej mieszanki pyłowo-powietrznej w palniku muflowym zastosowano prototypowy plazmotron wnękowy. Na rys. 3 przedstawiono model
plazmotronu wnękowego podczas właściwej pracy.
Rys. 3. Plazmotron wnękowy podczas pracy
Nominalna moc opracowanego plazmotronu wynosi ok. 50 kW. Podczas prób moc plazmotronu regulowano w zakresie 20-50 kW. Gazem roboczym przepływającym w plazmotronie było powietrze, a jego sumaryczny strumień objętościowy w czasie prób zmieniano
w zakresie 20-40 m3/h. Do chłodzenia plazmotronu zastosowano wodę wodociągową o
temperaturze początkowej 18°C. Strumienie objętości wody chłodzącej katodę i anodę były
stałe i wynosiły 4 l/min. Podczas prób temperatura wody chłodzącej po opuszczeniu układu
nie przekroczyła temperatury odpowiednio dla anody 38οC i katody 30οC.
3. Analiza pracy plazmowego palniku pyłowego w obiekcie rzeczywistym
Głównym celem prac badawczych było zbadanie stabilności pracy plazmowego palnika pyłowego w zależności od mocy plazmotronu. W tym celu badano charakterystyki
mocy plazmotronu w zależności od parametrów przepływowych gazu roboczego (powietrza). Podczas prób zmieniano zarówno strumień powierza osiowego (przepływającego
wzdłuż osi plazmotronu) jak i obwodowego odpowiedzialnego za zawirowanie kanału plazmowego w obrębie katody i anody. Każdorazowo po zmianie parametrów przepływowych
gazu roboczego rejestrowano prąd kanału plazmowego i spadek napięcia na plazmotronie.
Moc plazmotronu określano jako iloczyn prądu kanału plazmowego i spadku napięcia na
plazmotronie. Ze względu na normalna pracę kotła próby wykonano tak aby nie zakłócić
jego pracy (unikano zerwania płomienia na palniku), a liczbę powtórzeń ograniczono do
niezbędnego minimum. W tabeli 1 zestawiono podstawowe parametry zarejestrowane podczas ustalonej pracy plazmowego palnika pyłowego. Zmienianym parametrem w trakcie
prób był strumień objętościowy powietrza, Jak wspomniano na strumień ten składa się
strumień osiowy i obwodowy. Podczas wszystkich prób zachowano stałość proporcji strumieni, strumień osiowy stanowił około 20% strumienia obwodowego. Jak wykazały wcze-
Referat konferencyjny: Efektywność energetyczna 2009, Kraków 21-23 IX 2009
Druk w: Prace Instytutu Nafty i Gazu; nr 162, 2009, s. 187-190
śniejsze badania strumień obwodowy powinien być kilkukrotnie większy od strumienia
osiowego. Jest to uwarunkowane tym, że strumień obwodowy w głównej mierze jest odpowiedzialny za tworzenie i aerodynamikę kanału plazmowego [2,4].
Tabela 1. Podstawowe parametry robocze plazmowego palnika pyłowego
Strumień objęPrąd kanału
Napięcie na
Wydzielona
L.p. tości powietrza
plazmowego
plazmotronie
moc
m3/h
A
V
kW
1
22
128
170
21,8
2
29
130
230
29,9
3
29
153
220
33,7
4
34
152
250
39,5
5
34
174
250
43,5
6
38
175
260
45,5
7
38
176
260
45,8
Uwagi
Początki
niestabilności kanału plazmowego
Na podstawie przeprowadzonych prób można stwierdzić że poprzez zwiększenie strumienia objętości powietrza przepływającego przez plazmotron można znacznie zwiększyć
moc kanału plazmowego co pokazuje rys. 4.
Rys.4. Moc plazmotronu w zależności
od strumienia gazu roboczego
Rys.5. Rezystancja kanału plazmowego
w zależności od strumienia gazu rob.
Zwiększenie mocy wydzielonej w plazmotronie związane jest najprawdopodobniej z
jednoczesnym wydłużeniem kanału plazmowego (zwiększenia spadku napięcia na kanale
plazmowym) i jego przekroju czynnego. Przemawia za tym stałość rezystancji wypadkowej
kanału plazmowego co pokazano na rys. 5. Ograniczeniem dalszego wzrostu mocy jest niestabilność kanału plazmowego przy strumieniu powyżej 38 m3/h. Dalsze zwiększenie przepływu doprowadza do zerwania kanału plazmowego. Wnioskuje się, że W celu uzyskania
większej mocy plazmy trzeba wykonać plazmotron o większych wymiarach geometrycznych (średnica i długość).
Referat konferencyjny: Efektywność energetyczna 2009, Kraków 21-23 IX 2009
Druk w: Prace Instytutu Nafty i Gazu; nr 162, 2009, s. 187-190
4. Wnioski
Jak wykazały próby istnieje możliwość zapłonu węglowej mieszanki pyłowopowietrznej w palniku muflowym przy pomocy plazmotronu. Powstały w wyniku modyfikacji plazmowy palnik pyłowy najprawdopodobniej można wykorzystać do rozruchu zimnego kotła. W celu określenia wytycznych do rozruchu kotła takich jak moc palnika plazmowego, ich liczba, czas rozruchu itp. konieczne są dalsze badania. Związane jednak to
będzie z koniecznością wyłączenia bloku z pracy. W przyszłości planuję się również wykonanie analizy numerycznej i symulacji komputerowych procesów cieplno-przepływowych
zachodzących podczas generowania plazmy mających na celu optymalizacje konstrukcji
plazmotronu.
Bibliografia:
[1] P. Bukowski, A. Dyjakon, W. Kordylewski, M. Salmonowicz, Analiza ekonomiczna
plazmowego rozruchu kotłów pyłowych, Międzynarodowa X Konferencja Kotłowa 2006,
Szczyrk 17-20.10.2006.
[2] P. Kobel, W. Kordylewski, Zastosowanie plazmotronu zasilanego powietrzem do stabilizacji płomienia pyłowego, Archiwum Spalania, vol. 8, nr 1-2(2008), 55-62
[3] E.I. Karpenko, V.E. Messerle, A.B. Ustimenko, Plasma-aided solid fuel combustion,
Proceedings of the Combustion Institute 31 (2007) 3353–3360
[4] W. Kordylewski i inni, Zgłoszenie patentowe nr P 382394 w sprawie uzyskania patentu
na projekt wynalazczy Sposób i rządzenie do uruchamiania palników plazmowych, Urząd
patentowy RP, Wrocław 04.05.2007