Kotły fluidalne ze złożem stacjonarnym. Spełnić normy środowiskowe

Elektroenergetyka stoi przed wyzwaniem jakim niewątpliwie jest jej modernizacja i dostosowanie do wymogów środowiskowych. Dostępne technologie i rozwiązania pozwalają z zapasem spełniać obowiązujące normy ochrony środowiska. Jedną z takich technologii jest tzw. niskotemperaturowe złoże fluidalne (NFKS). Jakie są jego zalety oraz możliwości stosowania w kotłach małej i średniej mocy do 100MW?

W paleniskach opartych o niskotemperaturowe, stacjonarne złoże fluidalne (NFKS) możliwe jest całkowite dopalenie części palnych w żużlu oraz lotnym koksiku przy jednoczesnej poprawie wskaźników emisyjnych oraz sprawności i wydajności kotłów. Technologia ta może być stosowana dla nowych jak i istniejących kotłów. Pozwala ona realizować spalanie praktycznie dowolnych paliw i odpadów w stosunkowo niskich temperaturach złoża fluidalnego (800-1000 stopni Celsjusza), eliminując powstawanie spieków w złożu.

Niskotemperaturowe złoże fluidalne

Proces spalania w klasycznych paleniskach przebiega w przestrzeni złoża fluidalnego. Spalanie nad warstwą fluidalną z uwagi na szybkie wychłodzenie spalin przebiega w minimalnym stopniu. Praktycznie cały strumień powietrza podmuchowego do procesu spalania podawany jest pod warstwę fluidalną. Tylko niewielka ilość powietrza wtórnego podawana jest nad złożem fluidalnym. Przestrzeń nad warstwą fluidalną oraz ekrany komory paleniskowej wykorzystywane są z niską efektywnością. Istnieje konieczność zabudowy dodatkowych powierzchni wymiany ciepła bezpośrednio zanurzonych w warstwie fluidalnej. W rezultacie paleniska z klasycznym złożem fluidalnym są dużej powierzchni, a zanurzone w warstwie dodatkowe powierzchnie wymiany ciepła narażone są na silną erozję. Występuje również duże ryzyko tworzenia się spieków.

Podstawową różnicą pomiędzy klasycznym złożem fluidalnym a niskotemperaturowym złożem fluidalnym jest wysoka szybkość (3÷10 m/s) ruchu warstwy tzw. forsowanie złoża. Dodatkowo proces spalania jest prowadzony w całej objętości komory paleniskowej co pozwala dopalić części palne poniżej 1% oraz drobne frakcje paliwa. Sprzyja również utrzymaniu grubszych frakcji w warstwie fluidalnej. W technologii tej nie trzeba zabudowywać dodatkowych powierzchni grzewczych zanurzonych w warstwie fluidalnej. W obszarze działania złoża rury ekranowe dodatkowo zabezpieczone są nakładkami, które eliminują jakiekolwiek zjawiska erozji.

Zalety technologii NFKS:

  • modernizację lub remont istniejących kotłów można przeprowadzić przy stosunkowo niedużych nakładach,
  • w porównaniu do klasycznych kotłów ze złożem fluidalnym istnieje możliwość spalania paliw o dużej granulacji,
  • wysoka niezawodność pracy złoża z możliwością pracy w szerokim zakresie obciążeń,
  • możliwość zabudowy w istniejących gabarytach kotłowni,
  • minimalizacja zjawiska szlakowania powierzchni grzewczych,
  • w porównaniu do klasycznych palenisk rusztowych posiadają lepsze wskaźniki eksploatacyjne i emisyjne,
  • nie ma potrzeby stosowania układów rozdrabniania i mielenia paliwa,
  • spalanie szerokiego zakresu paliw i odpadów,
  • szeroki zakres regulacyjny i wysoka stabilność pracy, co pozwala na pracę
  • z turbinami parowymi,
  • niska emisja szkodliwych substancji do otoczenia, w tym NOx oraz SOx,
  • brak potrzeby zabudowy powierzchni grzewczych zanurzonych w warstwie fluidalnej,
  • nietworzenie się spieków w warstwie fluidalnej,
  • brak potrzeby zabudowy kosztownych instalacji odsiarczania i odazotowania.

W technologii NFKS w złożu fluidalnym następuje zgazyfikowanie paliwa z niedomiarem powietrza (λ < 1). Wielkość niedomiaru powietrza zależy od wartości opałowej oraz rodzaju spalanego paliwa i może wynosić od λ=0,3 do λ=0,7. Spalanie z dużym niedomiarem powietrza pozwala zmniejszyć gabaryty reaktora oraz ilość powietrza podawanego pod ruszt złoża fluidalnego. Niezbędna ilość powietrza potrzebna do spalania produktów gazyfikacji paliwa oraz dopalenia unosu i lotnego koksiku podawana jest nad złożem fluidalnym. Powietrze wtórne (w ilości do 70 % powietrza do spalania) podawane jest na kilku poziomach z wytworzeniem wiru, który gwarantuje całkowite i zupełne dopalenie produktów spalania.

Kiedy warto stosować NFKS?

Większość aktualnie eksploatowanych kotłów może być zmodernizowanych pod kątem zabudowy złoża fluidalnego. A decyzje o wykorzystaniu technologii NFKS podejmowane są w przypadku:

  • budowy nowych jednostek kotłowych projektowanych na niskogatunkowe węgle i paliwa odpadowe,
  • konieczności zabezpieczenia dostaw ciepła i energii elektrycznej podczas spalania lokalnych paliw i odpadów,
  • konieczności obniżenia kosztów produkcji ciepła i energii elektrycznej poprzez spalanie tańszego paliwa z równoczesnym zwiększeniem sprawności,
  • konieczności wymiany starych lub zużytych elementów kotłów,
  • konieczność utylizacji części palnych w odpadach po procesie wzbogacania węgla, obróbki drewna, żużla z kotłów rusztowych i wielu innych odpadów,
  • konieczności dotrzymania norm emisji zanieczyszczeń w zakresie NOx oraz SOx.

Technologia NFKS jest najbardziej efektywna do spalania paliw o niskiej wartości opałowej.

Emisja tlenków siarki

Przy spalaniu paliw stałych w złożu fluidalnym w temperaturze 800 …. 900 stopni Celsjusza tlenki siarki wiążą się z tlenkami wapnia zawartymi w popiele węgla lub specjalnie dodawanymi do złoża. W wyniku tej reakcji powstaje nierozpuszczalny w wodzie gips, który wraz z żużlem usuwany jest z kotła. Ilość powietrza do spalania nie ma praktycznie wpływu na skuteczność wiązania tlenków siarki. Badania naukowe oraz doświadczenia eksploatacyjne wskazują największą skuteczność wiązania tlenków siarki w temperaturze 800 …. 900 stopni Celsjusza. W zakresie mniejszych temperatur szybkość reakcji wiązania się zmniejsza, a w zakresie wyższych temperatur następuje rozkład gipsu na szkodliwe substancje. W popiele węgla zawsze zawarty jest kamień wapienny, który całkowicie reaguje z związkami siarki. W zależności od wymaganego poziomu emisji tlenków siarki i rodzaju paliwa może okazać się, że nie ma potrzeby stosowania żadnych dodatkowych związków wapna. W przypadku przekroczenia emisji można zastosować kamień wapienny lub dolomit, który z dużą skutecznością będzie redukował związki siarki.

Emisja tlenków azotu

Spalając węgiel w paleniskach fluidalnych można znacząco obniżyć tlenki azotu w spalinach. Powstają one z azotu zawartego w paliwie oraz z powietrza uczestniczącego w procesie spalania. W paleniskach fluidalnych w wyniku niskich temperatur spalania 800 …. 900 stopni Celsjusza azot z powietrza praktycznie nie wpływa na poziom emisji tlenków azotu. W paleniskach fluidalnych NFKS węgiel jest spalany z niedomiarem powietrza (gazyfikacja). Azot zawarty w paliwie zostaje uwalniany do spalin w postaci N2, a nie NO. Prowadzenie procesu spalania w całej objętości komory paleniskowej z równoczesnym wytworzeniem wiru, zmniejsza ilość powstających szkodliwych tlenków azotu w spalinach. Azot z paliwa oraz z powietrza do spalania wprowadzany jest do atmosfery w bezpiecznej i nieszkodliwej postaci N2. W zależności od zawartości azotu w paliwie można w paleniskach fluidalnych uzyskać emisje tlenków azotu poniżej 100 mg/Nm3, przy 6 % tlenu w spalinach.

Emisja tlenków węgla

Aktualnie nie są określone normy emisji tlenków węgla. Dla kotłów rusztowych przyjmuje się graniczny poziom emisji 250 mg/Nm3. W przypadku kotłów fluidalnych utrzymując temperaturę złoża powyżej 850 stopni Celsjusza oraz stosując wir w komorze paleniskowej praktycznie eliminuje się emisję tlenków węgla (CO).

Emisja pyłu

W paleniskach fluidalnych emisja pyłu jest niewiele większa niż z kotłów rusztowych i mniejsza w porównaniu do kotłów pyłowych. Charakter pyłu jak i jego morfologia różni się od pyłu z innych palenisk. Obserwuje się znaczne dopalenie części palnych. Dodatkowo dzięki zastosowaniu wiru w komorze paleniskowej eliminuje się lotny koksik, który może powodować wytarcie części ciśnieniowej. Do ograniczenia emisji pyłu z palenisk fluidalnych można stosować odpylacze mechaniczne, elektrofiltry lub filtry workowe. Zaletą zastosowania filtrów workowych jest możliwość wyłapania bardzo drobnej frakcji pyłu wraz z metalami ciężkimi.

Części palne w żużlu i popiele

W kotłach rusztowych trudno jest uzyskać części palne w żużlu poniżej 5 %. Firmy budowlane są w stanie zagospodarować żużel, który ma minimalne ilości części palnych. W kotłach z paleniskami fluidalnymi NFKS można praktycznie całkowicie dopalić części palne w żużlu i popiele. W badaniach próbek żużla uzyskuje się poziom części palnych poniżej 1 %. W niektórych przypadkach można dopalać żużel z kotłów rusztowych, gdzie części palne mogą dochodzić do 20 %.

Modernizacja istniejących kotłów rusztowych wodnych i parowych

W zależności od stanu technicznego istniejącego kotła rusztowego istnieje możliwość zabudowy w miejsce rusztu niskotemperaturowego paleniska fluidalnego. Wielkość komory paleniskowej oraz przestrzeń pomiędzy poziomem odżużlania a palacza jest wystarczająca do zabudowy urządzeń. W zakresie nawęglania można wykorzystać istniejący bunkier. Odbiór pyłu może pozostać istniejący. Kształt komory paleniskowej nie ulega zmianie. Jedynie należy przewidzieć wykonanie wlotów powietrza wtórnego na dwóch poziomach. Automatyzacja procesu spalania w paleniskach fluidalnych jest prostsza niż w kotłach rusztowych. Automatyka w zakresie kontroli i zabezpieczeń nie ulega zmianie. Na bieżąco można kontrolować zużycie węgla oraz ilość podawanego powietrza. W przypadku sytuacji awaryjnych łatwo można odciąć dopływ paliwa. Nie istnieje problem akumulacji energii w komorze paleniskowej. Na szybkość zmian obciążenia kotła mogą mieć jedynie wpływ własności materiałowe części ciśnieniowej.

W wyniku modernizacji kotła rusztowego na palenisko fluidalne zmniejsza się emisja siarki i tlenków azotu. Istnieje możliwość spalania gorszych, a co za tym idzie tańszych gatunków węgla oraz dopalenia żużla z pozostałych kotłów rusztowych. Po modernizacji paleniska w miejsce węgla kamiennego można spalać tańszy węgiel brunatny lub wilgotną biomasę.

Z uwagi na rosnące ceny węgli stosowanych w klasycznych paleniskach rusztowych oraz nowe wymagania w zakresie emisji NOx i SOx należy poważnie zastanowić się nad spalaniem węgli i innych paliw w paleniskach fluidalnych lub wirowych. Pracujące w Polsce kotły rusztowe opalane miałem węglowym można modernizować na różne gatunki paliw stałych. Efektem modernizacji będzie obniżenie emisji NOx oraz SOx bez budowy kosztownych instalacji. Dzięki modernizacjom paleniska można zwiększyć wydajność istniejących kotłów. Poprzez znaczne dopalenie części palnych w żużlu i lotnym popiele oraz niskiej zawartości tlenu w spalinach, można uzyskać sprawności kotłów przekraczające 90 %.

autor: Andrzej Zuber, prezes zarządu EKOZUB

fot.: sxc.hu

czytaj także: