Plazmowy rozruch kotlow pylowych, siłownie cieplne, wykłady -Tatarek
[ Pobierz całość w formacie PDF ]
Arkadiusz Dyjakon
1)
Plazmowy rozruch kotłów pyłowych
Spalanie pyłu węglowego w kotle wymaga przeprowadze-
nia procesu rozruchu mającego na celu wygrzanie komory
paleniskowej do odpowiedniej temperatury. Rozruch kotłów
pyłowych w energetyce węglowej przeprowadza się rutyno-
wo przy użyciu palników mazutowych. Tylko w znikomym stop-
niu rozruchu kotłów dokonuje się przy użyciu paliw gazowych
lub pyłu węglowego w palnikach muflowych [1].
Z ekonomicznego i energetycznego punktu widzenia naj-
korzystniejsze jest uruchamianie kotła z użyciem tylko pyłu
węglowego. Bezpośrednie wykorzystanie pyłu węglowego do
rozruchu kotłów pyłowych jest jednak trudne, ponieważ wy-
maga pewnego zapłonu i stabilnego działania palnika pyło-
wego w warunkach zimnego otoczenia w kotle. Konieczne
jest zatem zastosowanie źródła zapłonu o dużej mocy, które
przewyższać będzie straty ciepła do otoczenia. Wykorzysta-
nie do tego celu zapalarek iskrowych czy palników gazowych
nie zapewnia pewnego zapłonu mieszanki pyłowo-powietrz-
nej [2]. Rozwiązaniem tego problemu może być zastosowa-
nie niskotemperaturowej plazmy do zapłonu i stabilizacji spa-
lania pyłu węglowego [3, 4, 5]. Rodzaj możliwej do zastoso-
wania plazmy (termiczna, mikrofalowa, wysokoczęstotliwościo-
wa i inna) zależy głównie od przyjętego rozwiązania plazmo-
tronu, 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 wła-
ściwości, oddziaływanie plazmy na pył węglowy obejmuje
szybko przebiegające procesy fizyczne i chemiczne (rys. 1).
Najważniejsze dla techniki spalania procesy fizyczne za-
chodzące w węglu pod działaniem plazmy to: szybkie nagrze-
wanie (10
3
–10
4
deg/s) cząstek węgla, gwałtowny rozkład ter-
miczny substancji organicznej skutkujący gwałtownym wy-
dzielaniem części lotnych i rozpadem cząstek węgla do roz-
miarów poniżej 5 mm [7].
Procesy chemiczne towarzyszące zmianom fizycznym, to
przede wszystkim wydzielenie w wyniku pirolizy lotnych i cie-
kłych produktów rozkładu substancji organicznej oraz dyso-
cjacja termiczna wielu produktów gazowych rozkładu z wy-
tworzeniem rodników i jonizacja gazu [8].
Rozruch kotłów pyłowych
W rozruchu typowego kotła pyłowego i fluidalnego stosu-
je 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,
Zużycie mazutu
Mg/h
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 włą-
czania do pracy palników głównych. Palniki rozpałkowe służą
również do podtrzymywania płomienia pyłowego przy niskich
obciążeniach kotła.
Stosowanie do rozpalania kotła palników olejowych, któ-
re wymagają wyłączania elektrofiltrów, powoduje zanieczy-
szczenie środowiska naturalnego w wyniku wysokiej emisji
sadzy i innych ciężkich węglowodorów do atmosfery, co ob-
jawia się dymieniem z komina. Innym problemem wynikają-
cym ze stosowania olejowych palników rozpałkowych jest
zagrożenie pożarowe regeneracyjnych podgrzewaczy powie-
trza [10].
Rozruch kotła rozpoczyna się po zrealizowaniu programu
wietrzenia i ustabilizowaniu parametrów pracy układu powie-
trze – spaliny. Następnie uruchamia się pierwsze palniki roz-
pałkowe i rozpoczyna się proces wygrzewania zespołów mły-
nowych, wykorzystując możliwość podgrzania powietrza pier-
wotnego 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.
Rys. 1. Oddziaływanie plazmy na pył węglowy
1)
Pan dr inż. Arkadiusz Dyjakon jest pracownikiem Politechniki Wro-
cławskiej, Instytutu Techniki Cieplnej i Mechaniki Płynów.
arkadiusz.dyjakon@pwr.wroc.pl
luty
2005
strona
67
www.e-energetyka.pl
Proces uruchomiania i obciążania młyna należy przepro-
wadzać zwracając szczególną uwagę na prawidłowe wygrza-
nie i odpowiednią wentylację młyna. W miarę wzrostu tempe-
ratury dołącza się pozostałe młyny (na minimalnym obciąże-
niu) wygaszając poszczególne palniki rozruchowe. Stopnio-
wo zwiększa się obciążenie zespołów młynowych (do uzy-
skania wymaganej mocy bloku), jednocześnie zwiększając
obciążenie cieplne kotła [11].
O liczbie i miejscu plazmotronów (wyborze dyszy palniko-
wej), niezbędnych do zainstalowania na kotle, decyduje przede
wszystkim wydajność cieplna kotła pyłowego, rodzaj paleni-
ska oraz moc plazmotronu (tab. 2).
Tabela 2
Moc i liczba plazmotronów w zależności od wydajności kotła
[12, 13, 14]
Liczba
plazmotronów
przypadających
na kocioł
Wydajność kotła,
Mg/h
Moc plazmotronu,
kW
Plazmowy rozruch kotłów pyłowych
50–75
1
Istota plazmowego rozruchu kotła pyłowego polega na
tym, że od stanu zimnego kotła pracują dysze pyłowe, na
których zostały zainstalowane plazmotrony. Pozostałe palni-
ki pyłowe są uruchamiane stopniowo po osiągnięciu wyma-
ganych parametrów termicznych komory paleniskowej i in-
nych elementów oraz urządzeń ściśle związanych z prawi-
dłową pracą kotła pyłowego [12].
Procedura plazmowego rozruchu kotła pyłowego jest zbli-
żona, jak z zastosowaniem palników mazutowych. Wymaga-
ny czas wygrzania komory paleniskowej oraz żądane para-
metry cieplne kotła pyłowego nie ulegają zmianie, co ma duże
znaczenie ekonomicznie przy wyborze tego systemu [13].
120–180
2
Zależnie od typu
paleniska i rodzaju
spalanego paliwa
60–200
210–320
3
420–500
4
650–950
6–8
1150–1650
10–12
Plazmotron powinien być instalowany w dolnym rzędzie
palnikowym, ponieważ powoduje to, że uruchamiane powy-
żej w późniejszym czasie palniki pyłowe będą dodatkowo sta-
bilizowane przez palnik wyposażony w plazmowy system
zapłonowy.
Przykłady rozmieszczenia plazmotronów w kotle pyłowym
przedstawiono na rysunku 2.
Rozmieszczenie plazmowych palników pyłowych
w kotle pyłowym
Ważnym zagadnieniem przy wykorzystaniu plazmy do roz-
ruchu kotła pyłowego i stabilizacji płomienia pyłowego jest
właściwy dobór liczby plazmowych palników pyłowych i ich
odpowiednie rozmieszczenie w komorze paleniskowej, ponie-
waż będą one miały duży wpływ na pracę pozostałych dysz
pyłowych i całego kotła.
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
luty
2005
www.e-energetyka.pl
Na podstawie wymienionych cech plazmowych palników
pyłowych można jednak wskazać następujące zalety rozru-
chu kotłów przy ich zastosowaniu [7, 12, 13, 14, 15]:
– brak dodatkowego paliwa,
– likwidacja dużej i złożonej instalacji mazutowej,
– brak ingerencji plazmowego systemu rozruchowego w ko-
morę paleniskową (brak dodatkowych odgięć rur parowni-
ka w komorze paleniskowej),
– brak ruchomych części mechanicznych plazmowego sys-
temu zapłonowego, co obniża jego awaryjność i koszty jej
eksploatacji,
– oszczędności ekonomiczne (niższy koszt węgla w stosun-
ku do oleju ciężkiego i gazu palnego).
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
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 przypad-
ku istnienia jednego bloku energetycznego,
dobór odpowiednich materiałów na plazmotron w przypadku
jego zasilania powietrzem (trwałość plazmotronu),
Plazmowe palniki pyłowe
dobór odpowiedniej mocy zasilacza i układu zapłonowego
plazmotronu,
Urządzenie do wytwarzania plazmy nazywa się plazmo-
tronem. Palnik pyłowy z zainstalowanym na nim plazmotro-
nem tworzy plazmowy palnik pyłowy.
energochłonność systemu.
Przygotowanie pyłu węglowego
do plazmowego rozruchu kotła pyłowego
Zasada działania
i budowa plazmowych palników pyłowych
W przypadku uruchamiania kotła za pomocą palników ole-
jowych czy gazowych, nie jest konieczne uprzednie przygo-
towanie pyłu węglowego, ponieważ do wygrzania komory
paleniskowej i instalacji młynowej wykorzystywane są gorą-
ce spaliny ze spalania oleju lub gazu. Po osiągnięciu niezbęd-
nej 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 urucho-
mienie zimnego młyna spowoduje jego zalepienie i zasypa-
nie świeżym paliwem. Rozwiązań instalacji młynowych jest
wiele, a sposób zapewnienia zasilania kotłów pyłowych py-
łem węglowym zależy od wymagań i możliwości elektrowni
czy elektrociepłowni. Wyróżnia się dwa typy instalacji młyno-
wych: indywidualne i centralne.
W elektrowniach z centralną młynownią pył węglowy może
być pobierany bezpośrednio ze zbiornika głównego i kiero-
wany na odpowiednie dysze palnika pyłowego. W przypadku
młynowni indywidualnych konieczna jest budowa dodatko-
wej instalacji do magazynowania pyłu węglowego w zbiorni-
ku przykotłowym. Przykład instalacji przygotowania pyłu wę-
gla 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 przy-
należnego do uruchamianego kotła. Pozwala to na uniknięcie
budowy zbiornika przykotłowego na pył węglowy.
Instalacja plazmowego zapłonu pyłu węglowego składa
się z: plazmotronu, palnika pyłowego oraz układów automa-
tyki 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 na-
stępuje gwałtowne wydzielanie części lotnych, rozpad czą-
stek i zapłon. W efekcie otrzymuje się stabilny płomień pyło-
wy. W wyniku oddziaływania plazmy na pył węglowy powsta-
je wysokoreakcyjna mieszanka, która w kontakcie z tlenem
szybko reaguje przyspieszając rozwój płomienia. Tłumaczy
to, dlaczego ciągłe wyładowanie plazmowe w palniku pyło-
wym 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 mieszan-
ki pyłowo-powietrznej, żeby nie spalić palnika, ale uzyskać
możliwie szeroki zakres jego stabilnej pracy.
Rys. 4. Schemat plazmowego palnika pyłowego
luty
2005
strona
69
www.e-energetyka.pl
Umieszczenie plazmotronu w palniku pyłowym
Rodzaj gazu roboczego jest ważny dla działania plazmo-
tronu, ponieważ struga gazu, oprócz stabilizacji wyładowania
łukowego i ochrony dyszy przed zniszczeniem, spełnia funk-
cję nośnika energii cieplnej. O jego wyborze decydują nastę-
pujące czynniki: temperatura plazmy, moc plazmotronu, ak-
tywność chemiczna i koszt gazu [20]. Najczęściej stosowa-
nymi gazami roboczymi w plazmotronach są argon i azot, inne
gazy robocze, to: wodór, hel, para wodna, CO
2
, CO, powie-
trze i tlen.
Tlen jako gaz roboczy ma wiele zalet, ale ze względu na
utlenianie materiału elektrod w wysokiej temperaturze bar-
dzo 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 wyma-
ganych dla plazmowego rozruchu kotłów pyłowych szacuje
się, że w przypadku zastosowania powietrza (jako gazu robo-
czego) czas pracy katody sięga 250 godzin, a anody 500 go-
dzin [12]. Sposobem wydłużenia czasu działania plazmotro-
nu z takimi czynnikami roboczymi, jak: powietrze, tlen i inne
gazy agresywne jest ochrona katody gazem inertnym [19].
Wprowadzenie plazmy do mieszanki pyłowo-powietrznej
musi zapewnić jej zapłon i stabilne spalanie, dlatego ważne
jest odpowiednie umieszczenie plazmotronu w palniku pyło-
wym. Sposób umieszczenia plazmotronu na określonej dy-
szy pyłowej zależy przede wszystkim od: typu plazmotronu,
rodzaju palnika pyłowego (wirowy, strumieniowy czy muflo-
wy) oraz rodzaju spalanego węgla.
Przykłady instalacji plazmotronów na dyszy pyłowej po-
kazano na rysunku 5.
a) b)
c)
Rys. 5.
Umieszczenie plazmotronu
w dyszy palnika pyłowego [12, 13]:
wirowego (a),
strumieniowego (b),
muflowego (c).
Zasilanie elektryczne plazmowego systemu zapłonowego
Zadaniem układu elektrycznego plazmotronu jest zapale-
nie łuku między elektrodami oraz dostarczenie takiej energii
plazmie, aby była ona w stanie zapewnić pewny zapłon i sta-
bilne spalanie mieszanki pyłowo-powietrznej. Rozwiązań kon-
strukcyjnych elektrycznych układów zasilających plazmotro-
ny jest wiele i zależą one przede wszystkim od rodzaju pla-
zmotronu, jego mocy oraz rodzaju gazu roboczego.
Największą trudnością zasilania elektrycznego plazmotro-
nów jest potrzeba napięcia zapłonu wyrażonego w kV oraz
napięcia podtrzymującego łuk wyrażonego tylko w V.
Napięcie zapłonu łuku zależy przede wszystkim od odle-
głości między elektrodami oraz rodzaju i ciśnienia gazu robo-
czego.
W zależności od typu plazmotronu stosuje się dwa rodza-
je zasilaczy:
– źródła zasilania elektrycznego o bardzo „miękkiej” charak-
terystyce prądowo-napięciowej (rys. 6) [21],
– układ zapłonowy dający wyładowanie 10–20 kV i zasilacz
dużej mocy o napięciu podtrzymania łuku (rys. 7).
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 najważniejszy-
mi elementami plazmotronu, ponieważ między nimi rozwija
się łuk. Ze względu na przejmowane duże strumienie cie-
pła, anoda i katoda są intensywnie chłodzone wodą (współ-
czynnik przejmowania ciepła powinien wynosić co naj-
mniej 5×10
3
W/cm
2
) [16]. Przyjmuje się, że 50% mocy elek-
trycznej plazmotronu odprowadzane jest z wodą chło-
dzącą, której wzrost temperatury nie powinien przekroczyć
10–20°C [17].
Rodzaj materiału użytego na elektrody zależy głównie
od temperatury i parametrów pracy plazmotronu oraz ro-
dzaju czynnika nośnego plazmy. Katody plazmotronów wy-
konuje się z miedzi, grafitu, wolframu, wolframu torowanego
(
W
+2%
ThO
2
), 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 prą-
du, rodzaju gazu roboczego i temperatury plazmy. Na przy-
kład, erozja powierzchniowa miedzi chłodzonej wodą wynosi
około 10
–9
kg/(A×s) [13].
Rys. 6. Charakterystyka prądowo-napięciowa pracy plazmotronu [21]:
1 – charakterystyka źródła zasilania, 2 – charakterystyka łuku,
3 – punkt pracy łuku
strona
70
luty
2005
www.e-energetyka.pl
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 efektyw-
ność zapłonu mieszanki pyłowo-powietrznej plazmą ter-
miczną. Wielkości te są ważne z praktycznego punktu wi-
dzenia, ponieważ jednym z zasadniczych problemów roz-
woju 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 działa-
nie plazmowego palnika pyłowego.
Rys. 7. Przykładowy schemat elektryczny układu zapłonowego
plazmotronu [12]:
1 – plazmotron, 2 – kondensator, 3 – rezystor, 4 – dławik,
5 – zasilacz, 6 – iskrownik
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 inny-
mi od: mocy źródła zapłonu, składu mieszanki palnej, pręd-
kości przepływu, stopnia zawirowania, typu palnika, właści-
wości 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 płomie-
nia, co wiąże się z rodzajem paliwa i organizacją spalania.
Na terenach Rosji, Mongolii, Kazachstanu i Korei Pół-
nocnej pracuje łącznie prawie 400 kotłów pyłowych (zasila-
nych węglem brunatnym, kamiennym i antracytem) o wy-
dajności pary w zakresie 75–2650 Mg/h, których rozruch
dokonuje się za pomocą plazmy [12]. W niniejszym artykule
podano przykłady kotłów pyłowych, których rozruch odby-
wa 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
strona
71
www.e-energetyka.pl
[ Pobierz całość w formacie PDF ]