PRACE IMiUE POLITECHNIKI ŚLĄSKIEJ 2006

10th INTERNATIONAL CONFERENCE ON BOILER TECHNOLOGY 2006

Jarosław ZUWAŁA Krzysztof GŁÓD

Instytut Chemicznej Przeróbki Węgla, Zabrze

Kazimierz MROCZEK

Instytut Maszyn i Urządzeń Energetycznych, Politechnika Śląska, Gliwice

WPŁYW DODATKU WYBRANYCH GATUNKÓW BIOMASY NA PARAMETRY PRACY INSTALACJI MŁYNOWEJ KOTŁA OP-650

Streszczenie. W referacie omówiono rezultaty przemysłowych te­stów współmielenia dwóch wybranych gatunków biomasy (wierzba energetyczna, odpady drzewne) w młynie węglowym typu 9M75, stano­wiącym element układu przygotowania paliwa w układzie kotła OP-650 Elektrowni Dolna Odra w Nowym Czarnowie. Omówiono naj­ważniejsze zagadnienia związane z podstawami teoretycznymi procesu współmielenia mieszanek paliwowych w młynach energetycznych. W ramach pomiarów bilansowych młyna określono jego ważniejsze pa­rametry pracy, do których zaliczono: rzeczywistą wydajność i jakość przemiału oraz zużycie energii związane z procesem współmielenia. Kontroli poddano także stan komory mielenia po okresie współmielenia mieszanek węgiel - biomasa. Wykazano, że współmielenie biomasy drzewnej wpływa na zmianę wartości wskaźników jednostkowego zuży­cia energii przez młyn. Otrzymane wartości porównano dla wskaźni­ków towarzyszących procesowi mielenia samego węgla.

INFLUENCE OF BIOMASS ADDITION ON OPERATING PARAMETERS OF MILLING INSTALLATION FOR BOILER OP-650

Summary. The paper presents the full-scale industrial co-milling tests of coal and chosen biomass samples (wood clearance residue and willow) in the coal mill of 9M75 type being a part of a coal preparation

Dr inż Jarosław ZUWAŁA i mgr inż Krzysztof GŁÓD są pracownikami Instytutu Chemicz­nej Przeróbki Węgla, 41-803 Zabrze, ul. Zamkowa 1. Dr inż. Kazimierz MROCZEK jest ad­iunktem w Instytucie Maszyn i Urządzeń Energetycznych, Politechnika Śląska, 44-101 Gli­wice, ul. Konarskiego 18.

366

Jarosław Zuwała, Krzysztof Głód, Kazimierz Mroczek

system in 650 t/h steam boiler in Dolna Odra power plant in Nowe Czarnowo. The theoretical background of different fuels co-milling was given. The research included the most important mill performance in-dicators wich were as follows: real output, grinding performance and energy consumption by the grinding process. The mill chambers were visually inspected after the tests to control the milling performance. It was evaluated that during the process of the biomass - coal co-milling, the energy consumption for grinding and mill ventilation increases. The obtained results were compared to the indicators obtained during the coal alone grinding.

1. Wprowadzenie

Współspalanie biomasy z paliwami konwencjonalnymi wykorzystywanymi w charakterze paliwa podstawowego (węgiel kamienny, brunatny, torf) jest obecnie prowadzone w około 150 instalacjach energetycznych na świecie. Około 100 instalacji współspalania pracuje w Europie, głownie w krajach ta­kich jak: Szwecja, Dania, Finlandia, Niemcy, Austria, Holandia, Belgia, Ru­munia, Bułgaria oraz Hiszpania. Pozostałe instalacje współspalania zlokali­zowane są w Stanach Zjednoczonych. Współspalanie obejmuje różne konfigu­racje paliwowe (różne gatunki paliw podstawowych oraz biomasy) i technolo­giczne (instalacje kotłów rusztowych, pyłowych i fluidalnych). Zakres mocy elektrycznych obiektów energetycznych realizujących proces współspalania mieści się w zakresie 50-700 MW_el. Według danych dla roku 2004, na świecie pracowało około 40 instalacji przemysłowych współspalających biomasę wy­korzystujących pyłowe kotły węglowe, współspalające biomasę o średnim udziale ok. 3% w całkowitym strumieniu energii chemicznej paliwa. Działanie takie umożliwiło uniknięcie wykorzystania ok. 3,5 mln. ton węgla i pozwoliło na osiągnięcie emisji unikniętej na poziomie 10 mln. ton CO₂. Oce­nić można, że w najbliższych 5-10 latach udział technologii współspalania pa­liw konwencjonalnych i biomasy oraz biogazu będzie wnosił istotny wkład do realizacji międzynarodowych i europejskich zobowiązań Polski.

Obecnie w kraju pracuje około 20 instalacji energetycznych współspa­lających biomasę z paliwami podstawowymi. Większość z nich stanowią elek­trownie systemowe (ok. 15). Wykorzystywanym w procesie współspalania pa­liwem jest głównie biomasa drzewna (w postaci trocin, zrębków, pyłu) i bio­gaz, ale również klasyfikowane jako biomasa - odpady z produkcji zwierzęcej i roślinnej (wytłoki z rzepaku, wytłoki z produkcji kawy zbożowej, mączka zwierzęca). Przeprowadzono również eksperymentalne testy współspalania osadów ściekowych w kotłach rusztowych i pyłowych.

Jedną z głównych przeszkód uniemożliwiających pełne wykorzystanie za­sobów biomasy w procesach współspalania w energetyce zawodowej są tech­niczne ograniczenia ze strony istniejących instalacji kotłowych. Najczęściej

Wpływ dodatku wybranych gatunków biomasy na parametry pracy... 367

napotykanymi barierami technologicznymi są ograniczenia ze strony instala­cji transportu i podawania paliwa oraz instalacji młynowych zaprojektowa­nych pierwotnie na inne paliwo nominalne, np. węgiel kamienny bądź węgiel brunatny [14]. Maksymalizacja udziału biomasy we współspalanej mieszance węgiel - biomasa w kotłach zaprojektowanych na paliwa o właściwościach fi­zykochemicznych odmiennych od biomasy (węgiel kamienny, węgiel bru­natny) wciąż wymaga wielu badań pozwalających na identyfikację i elimina­cję technologicznych barier.

Instytut Chemicznej Przeróbki Węgla jako jedyny partner z Polski, uczest­niczący obecnie w programie badawczym NETBIOCOF (Integrated European Network for Biomass Co-firing) finansowanym przez Unię Europejską w ra­mach 6 Programu Ramowego jest odpowiedzialny między innymi za identyfi­kację technologicznych barier dla wielkoskalowego współspalania biomasy oraz opracowanie strategii dla szerokiego wdrożenia programu współspalania biomasy w Europie [14].

2. Podstawy teoretyczne procesu współmielenia biomasy i węgla kamiennego

Pomimo bardzo małej liczby dostępnych danych o charakterze ilościowym (literatura przedmiotu traktuje opisane zjawiska głównie jakościowo) można stwierdzić, że istniejące wyniki pomiarów oraz analiza pracy zespołów młyno­wych kotłów realizujących proces współspalania biomasy i węgla wskazująna istnienie granicznych wartości udziałów biomasy, powyżej których znaczne­mu pogorszeniu ulegają parametry pracy całego zespołu młynowego.

Do przemiału węgla kamiennego w polskiej energetyce stosowane są głów­nie średniobieżne młyny pierścieniowo-kulowe. Cechy eksploatacyjne mły­nów mają istotne znaczenie dla pracy kotła, jego dyspozycyjności i osiąganych charakterystyk ekologicznych (wielkość emisji substancji szkodliwych do at­mosfery). Pomimo ich dużej popularności i szerokiego zakresu zastosowań w energetyce, do tej pory zjawiska zachodzące w procesie mielenia paliwa w tych młynach nie są wystarczająco zbadane i rozpoznane. Brak jest również uniwersalnych metod projektowania młynów i określania charakterystyk wiążących ich wydajność ze zużyciem energii i metalu, w zależności od rodza­ju mielonego paliwa.

W procesie rozdrabniania paliwa w młynie średniobieżnym wykorzystywa­ne jest zjawisko miażdżenia i ścierania materiału. W zależności od właściwo­ści podawanego do mielenia materiału, a szczególnie o tego czy ma on lepszą czy gorszą „rozkruszalność” czy „ścieralność” (tzw. podatność przemiałową), zjawisko mielenia zachodzi mniej lub bardziej efektywnie.

368

Jarosław Zuwała, Krzysztof Głód, Kazimierz Mroczek

Wykorzystywana dla celów współspalania biomasa cechuje się (w stanie surowym, niepoddanym np. procesom suszenia i brykietowania) przeważnie dużą zawartością wilgoci, co wpływa na jej właściwości przemiałowe, jako że stanowi ona materiał plastyczny.

Dodatkowo, substancje organiczne znajdujące się w biomasie zawierają związki, które powodują zlepianie się cząstek materiału (tworzenie aglomera­tów) oraz ich odkładanie się na powierzchniach komory przemiałowej, co jest przyczyną powstawania osadów. Związki takie mogą być bezpośrednio wytłaczane z mielonego materiału lub wydzielać się z niego pod wpływem podwyższonej temperatury.

Lepsze właściwości przemiałowe (a głównie właściwości ścieralne) posiada biomasa sucha. Jednakże w celu jej wysuszenia dla osiągnięcia odpowiedniej zawartości wilgoci, oprócz dodatkowego wydatku energetycznego, potrzeba znacznej ilości czasu, m.in. z uwagi na fakt, że część wody jest związana z ma­terią (w postaci związków uwodnionych). Opisane właściwości biomasy skut-kująw przypadku jej współmielenia z węglem wyższą liczbą cyrkulacji mate­riału (mieliwa) w młynie. Negatywną konsekwencją wzrostu liczby cyrkulacji w młynie kulowo-misowym jest zwiększenie grubości warstwy mieliwa pod kulami, co powodować może wzrost oporu toczenia się kul i spadek tzw. efek­tu mielenia definiowanego jako wielkość przyrostu ilości pyłu uzyskiwanego z jednostki mieliwa [4]. Zwiększona koncentracja cząstek w gazie w prze­strzeniach separacyjnych młyna (nad pierścieniem dociskowym i w cyklonie) zakłóca dodatkowo proces odsiewania [10], co prowadzi do pogrubienia produ­kowanego pyłu. Całokształt wymienionych niekorzystnych zjawisk i zależno­ści powoduje obniżenie potencjalnej zdolności przemiałowej zespołu mielą-cego.

Zróżnicowane właściwości fizyczne pyłu biomasy w porównaniu z pyłem węglowym (odpowiednio: gęstość p_b =600 kg/m³ ap^ 1400 kg/m³ czy kształt cząstek, cząstki węglowe - o kształcie zbliżonym do kuli a cząstki drzewne - o kształcie wydłużonym) powodują wzrost przepustowości odsiewacza dla grub­szych cząstek [11] co skutkuje pogarszaniem się jakości przemiału. Cyrkula­cja w młynie w tym przypadku ma tendencję spadkową.

Wraz ze wzrostem cyrkulacji mieliwa rosną opory przepływu młyna, co wy­maga zastosowania wyższego ciśnienia przed młynem. Zwiększona wilgot­ność mieszanki paliwowej często wymaga również podniesienia wartości stru­mienia powietrza susząco-transportującego. Oba te czynniki powodują wzrost zapotrzebowania energii dla celów przetłaczania mieszanki przez młyn.

Wpływ dodatku wybranych gatunków biomasy na parametry pracy... 369

3. Charakterystyka obiektu i podstawy przeprowadzenia badań

Zespół Elektrowni Dolna Odra S.A. należy do największych w kraju produ­centów energii elektrycznej i ciepła . Dysponując mocą elektryczną 1960 MW i mocą cieplną 750 MW wytwarza ponad 7 % krajowej produkcji energii elek­trycznej, co lokuje przedsiębiorstwo w czołowej pozycji wśród polskich wy­twórców. W skład Zespołu wchodzą trzy elektrownie: elektrownia Szczecin, Dolna Odra oraz Pomorzany. Głównym ogniwem ZEDO S.A. jest Elektrownia Dolna Odra. Obecnie Elektrownia Dolna Odra dysponuje ośmioma blokami energetycznymi o zainstalowanej mocy elektrycznej w wysokości 1742 MWel a także zainstalowaną mocą cieplną na poziomie 100 MWth. Każdy blok ener­getyczny jest oparty o kocioł OP-650 (produkujący parę świeżąo parametrach 540°C, 13,5 MPa, wtórny przegrzew do parametrów 540°C i 2,3 MPa) i turbi­nę upustowo-kondensacyjną o mocy nominalnej 222 MWel (bloki 1,2,5,6,7,8) i 205 MW (bloki 3 i 4).

Elektrownia produkuje energię elektryczną wykorzystując w procesie spa­lania węgiel kamienny jako paliwo podstawowe. Trwale dopuszczalny udział masowy biomasy (trocin drzewnych) w mieszance z węglem kamiennym zo­stał określony na podstawie testów współspalania i dla kotłów wszystkich ośmiu bloków został przyjęty na maksymalnym poziomie 14%.

Analizując obowiązujące uwarunkowania prawne w zakresie wytwarzania energii odnawialnej w procesach współspalania (w tym Rozporządzenie Mini­stra Gospodarki i Pracy w sprawie szczegółowego zakresu obowiązku uzyska­nia i przedstawienia do umorzenia świadectw pochodzenia albo uiszczenia opłaty zastępczej oraz zakupu energii elektrycznej i ciepła wytworzonych w od­nawialnych źródłach energii, z dnia 19 grudnia 2005 r.) należy podkreślić, że rozporządzenie wprowadza narastający obowiązek posiadania określonego „[...] udziału wagowego łącznej masy biomasy pochodzącej z upraw energetycz­nych lub odpadów i pozostałości z produkcji rolnej oraz przemysłu przetwa­rzającego jego produkty, a także części pozostałych odpadów, które ulegają bio­degradacji, z wyłączeniem odpadów i pozostałości z produkcji leśnej, a także przemysłu przetwarzającego jego produkty, w łącznej masie biomasy dostar­czanej do procesu spalania [...]”. Obowiązek powyższy wprowadzony zostaje z rokiem 2008, w którym udział biomasy z upraw energetycznych w „puli” współspalanej biomasy wynosi 5 %. Podkreślenia wart jest fakt, że w roku 2014 producenci energii bedą zobligowani do współspalania biomasy innej niż leśna bądź pochodząca z przemysłu przetwarzającego pro­dukty leśne w udziale 60% w łącznej współspalanej ilości biomasy.

W celu zapewnienia sobie możliwości dostosowania się do wprowadzonych zmian legislacyjnych, elektrownia Dolna Odra podjęła współpracę z Fundacją Rozwoju Pomorza Zachodniego w Szczecinie oraz Instytutem Chemicznej

370

Jarosław Zuwała, Krzysztof Głód, Kazimierz Mroczek

Przeróbki Węgla w Zabrzu. W pierwszym etapie współpracy ocenie poddano wpływ współspalania nowych rodzajów biomasy (w tym wierzby energetycz­nej) na proces mielenia, parametry mieszanki pyłowo - powietrznej i dynami­kę pracy istniejących młynów, natomiast w drugim etapie przeprowadzono analizę dotrzymania podstawowych parametrów eksploatacyjnych bloku i analiza wpływu współspalania na proces spalania i żywotność powierzchni ogrzewalnych kotła. Niniejszy referat prezentuje wyniki przeprowadzonych w styczniu 2006 r. badań wytypowanego zespołu młynowego kotła OP-650, które miały na celu m.in. wykazanie, w jakim stopniu omówione teoretyczne zjawiska związane z procesem współmielenia biomasy z paliwami podstawo­wymi znajdą potwierdzenie w praktyce. Paliwami wykorzystanymi do badań była wierzba energetyczna oraz biomasa stanowiąca odpad z czyszczenia lasu.

4. Współmielenie wierzby energetycznej

W ramach pomiaru bilansowego młyna 9M75 określono jego ważniejsze pa­rametry pracy, do których zaliczono: rzeczywistą wydajność i jakość prze­miału oraz zużycie energii związane z procesem współmielenia. Kontroli pod­dano także stan komory mielenia po okresie współmielenia mieszanki węgiel - biomasa.

Charakterystykę paliw wykorzystywanych w czasie testów przedstawiono w tablicy 1.

Tablica 1 Charakterystyka paliwa

Lp.	Parametr	Symbol	Jed­nostka	Węgiel	Wierzba energety­czna	Odpady leśne
1	Wilgoć całkowita	W	%	9,1 + 11,9	56,2	45,3
2	Wilgoć analityczna	Wa	%	1,7-5-2,4	7,4	14,7
3	Zawartość popiołu	A^r	%	18,1+21,4	0	0
4	Całkowity udział siarki	S^r	%	0,35+0,52	0,05	0,03
5	Wartość opałowa	Qi	MJ/kg	23,19+24,7	6,78	9,06

Podczas pomiarów nadawę do młyna stanowiła mieszanka węgla i ok. 6% zrębków jednorocznej wierzby energetycznej o zawartości wilgoci całkowitej W_t^r na poziomie 56,2%. Zauważono, że zrębki były niejednorodne pod wzglę­dem rozmiaru, występowały cząstki o wymiarach w zakresie od 10 mm do

Wpływ dodatku wybranych gatunków biomasy na parametry pracy... 371

30 mm a nawet 100 mm. Niejednorodna granulacja sprawiała znaczne trud­ności podczas transportu tej biomasy na taśmociągach i przesypach. W trak­cie trwania pomiarów zespołu młynowego wysterowanie wydajności młyna było utrzymywane na stałym poziomie (rys. 1). Wentylator młynowy pracował przy ustalonej wentylacji w trybie automatycznym.

Określona średnia wydajność młyna wyniosła ok. 20,3t/h przy 6% dodatku wierzby w mieszance paliwowej. W stosunku do badania prowadzonego na samym węglu, wzrosło jednostkowe zużycie energii na przemiał do wartości e_m = 7 kWh/t, natomiast jednostkowe zużycie energii przetłaczania praktycznie pozostało na tym samym poziomie. Na wielkość energii przetłaczania miało wpływ obniżenie całkowitej wilgoci mieszanki paliwa do W_t =11,5% (wilgoć samego węgla W_t = 9,1%) i związane z tym zmniejszenie strumienia powietrza susząco-transportującego, w stosunku do pomiaru na samym węglu (rys. 6).

Rys. 1. Przebiegi czasowe rejestrowanych parametrów młyna (wierzba)

W tablicy 2 zamieszczono średni rozkład granulacji pyłu pobranego z czte­rech przewodów, wyznaczony metodą sitową i laserową. Obie metody dają pewne różnice w rozkładach ziarnowych wynikające z techniki pomiaru jak i właściwości cząstek [6]. W analizie sitowej przez sito przechodzą cząstki,

372

Jarosław Zuwała, Krzysztof Głód, Kazimierz Mroczek

których rozmiary w węższym przekroju są mniejsze od rozmiarów oczka. Na­tomiast metoda oparta na ugięciu wiązki laserowej mierzy średnicę rotującej cząstki przy założeniu, że jest ona kulą. Stąd metoda laserowa wykazuje grubszy pył w przypadku cząstek włóknistych. Obie metody dają porówny­walne wyniki dla cząstek kulistych, np. pyłu węgla kamiennego. Z punktu wi­dzenia obliczeń spalania cząstek analiza sitowa, wymagająca większej pra­cochłonności, wydaje się bardziej miarodajna.

Nadciśnienie przed młynem (będące miarą oporów przepływu w instalacji) minimalnie spadło do p₁ » 10,5 kPa. Spowodowane to było pewnym obniże­niem prędkości gazu w instalacji oraz spadkiem masowej wydajności młyna (wyniki przedstawione w tablicy 2 dokumentują zmniejszenie koncentracji pyłu w gazie). Można ocenić, że w przypadku podawania węgla o wyższej za­wartości wilgoci tendencja byłaby prawdopodobnie odwrotna. Zastosowany dodatek wierzby energetycznej spowodował pewne pogorszenie się jakości przemiału szczególnie w zakresie klas grubszych (tablica 2), co może wpłynąć na wzrost zawartości części palnych w popiele. Po odstawieniu młyna, po ok. 8-godzinnym czasie jego pracy, jego komora mielenia i odsiewacz były czyste (rys. 2).

Rys. 2. Widok układu mielącego po 8 godzinach współmielenia wierzby

Stwierdzono, że przy wysterowaniu podajnika na B = 23 t/h jest możliwe mielenie mieszanki o udziale ok. 6% wierzby energetycznej. Moc silnika młyna nie przekroczyła wartości dopuszczalnej - ok. 160 kW (dla jego zainsta­lowanej mocy znamionowej 200 kW). Oceniono, że w przypadku podawaniu węgla o wyższej wilgoci może wystąpić ograniczenie możliwości wysuszenia mieszanki (utrzymania dopuszczalnej temperatury mieszaniny pyłowo-gazo-wej t₂ > 100oC).

Orientacyjne graniczne wydajności młyna ze względu proces suszenia, w zależności od zawartości wilgoci mieszanki paliwowej W_tp (wyznaczanej zgodnie z zależnością 1), ilustruje rys. 3.

Wpływ dodatku wybranych gatunków biomasy na parametry pracy... 373

Tablica 2 Zestawienie wyników pomiarów i obliczeń

Lp.	Parametr	Symbol	Jedn.	Rodzaj mieszanki
								Węgiel	Węgiel +6% wierzby	Węgiel +6% odpad. leśnych
1.	Wydajność młyna na węglu	B^r	t/h	23,1	23,1	23,1
2.	Moc silnika	Nm	kW	127	142	153
3.	Prąd silnika wentylatora młyn.	Iw	A	35,5	34,1	34,5
4.	Wysterowanie podajnika	Wpod	%	66,4	66,3	66,5
5.	Temp. powietrza do młyna	tpow		290	290	301
6.	Temp. mieszanki pyłowo-powietrz.	tm		107	108	108
7.	Strumień powietrza za młynem	V^rn	m^3n/h	33 400	32 400	32 900
8.	Otw. klap powietrza gorącego	Okpg	%	95,5	97,7	96,1
9.	Wydajność młyna obliczona	B	t/h	21,8	20,3	19,6
10.	Strumień pyłu za młynem	Bp	t/h	19,6	18,3	17,7
11.	Koncentracja pyłu za młynem	V		0,393	0,373	0,370
12.	Wilgotność pyłu	Wp	%	2	1,6	1,6
13.	Analiza sitowa Udział cząstek: >0,90 mm >0,200 mm	R200	%	18,6 0,7	17,8 1,2	18,6 1,4
14.	Analiza laserowa Udział cząstek: >0,06 2mm >0,096 mm >0,149 mm >0,201 mm	R62 R96 R149 R201	%	38,0 22,4 6,9 1,6	41,9 24,2 7,6 2,0	43,0 24,8 9,3 3,6
15.	Jedn. zużycie energii młyna	em	kWh/t	6	7	8,1
16.	Jedn. zużycie energii wentylat.	ew	kWh/t	16	16,3	17,1

374

Jarosław Zuwała, Krzysztof Głód, Kazimierz Mroczek

W_{t ,p} =(1-U_b )W_{t ,w} +U_bW_{t ,b} (1)

Rys. 3. Graniczna wydajność młyna ze względu na wysuszenie paliwa: Ub = 5-6%, V1n = 32-

000 m³_n/h, t 1 = 300 oC i t2 = 100 oC

Jak wynika z wykresu przedstawionego na rys. 3, zwiększenie wilgoci mie­szanki paliwowej o jeden punkt procentowy powoduje praktycznie spadek maksymalnej wydajności młyna o jedną tonę na godzinę.

5. Współmielenie leśnych odpadów drzewnych

Pomiary młyna przy podawaniu mieszanki paliwowej z ok. 5-6% dodat­kiem zrębków otrzymanych z odpadów leśnych wykonano przy stałej nasta­wie podajnika B^r = 23 t/h. Podczas tych testów obserwowano ciągłe pogarsza­nie się warunków pracy młyna (przebieg rejestrowanych wielkości pokazano na Rys.4). W efekcie, w końcowej fazie pomiarów (po ok. 2 h) należało zmniej­szyć nastawę podajnika, ponieważ moc silnika młyna (krzywa nr 1, rys.1) osiągnęła wartości dopuszczalne. Moc silnika młyna narastała od wartości 144 do 160 kW, co wskazuje na gorsze właściwości przemiałowe tej biomasy w stosunku do wierzby, pomimo jej mniejszej wilgoci całkowitej.

Oprócz niejednorodności podawanej mieszanki, dodatkową przyczyną tego zjawiska była prawdopodobnie wysoka zawartość wilgoci higroskopijnej bio­masy (W_a =14,7%, dla zrębków wierzby energetycznej W_a = 7,4%) a także za­wartością żywic, jakie zawierają drzewa iglaste.

Wpływ dodatku wybranych gatunków biomasy na parametry pracy... 375

Określona średnia wydajność młyna wyniosła ok. 19,5 t/h, przy ok. 6% do­datku odpadów drzewnych w paliwie. W stosunku do badania na samym wę­glu, istotnie wzrosło jednostkowe zużycie energii na przemiał do wartości e_m=8 kWh/t oraz jednostkowe zużycie energii przetłaczania do poziomu e_w«17 kWh/t. Nadciśnienie przed młynem osiągnęło poziom graniczny p₁=11,2 kPa, co odpowiadało wartości maksymalnej spiętrzenia statycznego Ap_s zainstalowanego wentylatora, przy temperaturze powietrza gorącego t ₁=300oC [5].

Rys. 4 Przebiegi czasowe rejestrowanych parametrów młyna (odpady drzewne)

Pomimo zmniejszenia udziału biomasy w pomiarze produkowany pył był coraz grubszy, co wyraźnie wykazała analiza laserowa. Świadczy to o powol­nym i ciągłym zwiększaniu się cyrkulacji mieliwa (akumulacji) w młynie.

Po ok. 9 godzinnym czasie pracy młyna i jego odstawieniu, na bieżni mia­żdżącej zaobserwowano znaczne ilości niezmielonego paliwa. Po opróżnieniu młyna stwierdzono w nim ok. 0,2 m³ odpadów (rys. 5).

Podsumowując, zastosowany dodatek odpadów drzewnych okazał się zbyt duży dla utrzymania stabilnej pracy instalacji młynowej. Nadmierne opory

376

Jarosław Zuwała, Krzysztof Głód, Kazimierz Mroczek

Rys. 5 Widok układu mielącego po ok. 9 godzinach współmielenia biomasy (odpady leśne)

przepływu (ze względu na wysoką cyrkulację w młynie) spowodowały osiągnięcie granicznego sprężu wentylatora młynowego i równocześnie do­puszczalnego obciążenia silnika napędowego młyna, co wymagało zmniejsze­nia wysterowania podajnika.

6. Podsumowanie i wnioski

W trakcie realizacji pracy przeprowadzono badania wpływu na pracę młyna 7MW3 (9M75) ok. 6% masowego dodatku wierzby energetycznej (Q_i^r = 6,5 MJ/kg i W_t^r = 56,2%) i porównywalnego udziału masowego leśnych odpa­dów drzewnych (Q_i^r = 8,6 MJ/kg i W_t^r=45,3%) przy współspalaniu z węglem kamiennym, Mieszankę komponowano z użyciem węgla o średniej charakte­rystyce: Q_i^r = 23 MJ/kg i W_t^r=10,5 %.

Pomiary wykonano przy wysterowaniu podajnika B^r = 23 t/h i wentylacji masowej przed młynem V₁ « 32500 m³_n/h, a więc parametrach porównywal­nych do pracy młyna przy nominalnym obciążeniu bloku.

Wyniki badań wykazały, że przy warunkach podczas badań, jest możliwe współmielenie wierzby energetycznej do udziału masowego ok. 6%. W stosun­ku do przemiału samego węgla zaobserwowano spadek wydajności młyna B, wzrost jednostkowego zużycia energii na przemiał e_m i udziału grubszych frakcji w pyle R₀₂₀. Porównanie średnich wyników pracy młyna dla mielenia węgla i współmielenia wierzby energetycznej zilustrowano na rys. 6.

Natomiast przy mieleniu odpadów drzewnych została przekroczona zdol­ność przemiałowa młyna. Osiągnięto graniczny spręż wentylatora młynowego

Wpływ dodatku wybranych gatunków biomasy na parametry pracy... 377

Rys. 6. Porównanie wyników pracy młyna przy mieleniu: 1 - samego węgla, 2 - węgla+ok. 6% wierzby, 3 - węgla+ok. 6% odpadów drzewnych

i równocześnie dopuszczalne obciążenie silnika młyna, co wymagało zmniej­szenia wysterowania podajnika.

Dla poprawy zdolności przemiałowej młyna (ewentualnego zwiększenia udziału wierzby energetycznej w paliwie, jako biomasy o lepszych właściwo­ściach przemiałowych w stosunku do odpadów drzewnych) należałoby jako graniczny parametr przyjąć zawartość wilgoci W_t^r < 40%. Jest to wielkość, jaką można osiągnąć w warunkach naturalnych.

Sugeruje się ponadto, aby zastosować biomasę dostatecznie rozdrobnioną (< 10-15 mm), co w konsekwencji mogłoby ograniczyć segregację składników paliwa w zbiorniku. Ponadto, przy 6% dodatku wierzby w paliwie do każdego z czterech młynów, należy się liczyć z włączeniem piątego młyna dla osiągnię­cia nominalnej mocy bloku.

378

Jarosław Zuwała, Krzysztof Głód, Kazimierz Mroczek

W świetle uzyskanych wyników testów eksploatacyjnych oraz ponad rocz­nych doświadczeń ze współspalania biomasy na skalę przemysłową w elek­trowni, za celowe uznaje się przeprowadzenie analizy dostępnych rozwiązań technicznych realizacji procesu suszenia biomasy w trakcie jej rozdrabniania oraz ewentualnie w transporcie pneumatycznym do paleniska, z uwzględnie­niem dostępnych w źródle ciepła czynników transportujących i suszących, (np. podgrzane powietrze, spaliny, dodatkowy gaz ziemny, palnik na wysu­szoną biomasę, itd.). Należałoby rozważyć również ewentualną możliwość i celowość pośredniego buforowego magazynowania rozdrobnionej biomasy oraz warunków bezpieczeństwa takiego magazynowania a także ocenić atrak­cyjność ekonomiczną analizowanych rozwiązań w warunkach elektrowni. Wdrożenie instalacji suszenia i rozdrabniania biomasy pozwoliłoby na mini­malizację efektu pogorszenia przemiału i utrzymania części palnych w popie­le oraz w żużlu na poziomie dopuszczalnym. Rozwiązania takie pozwoliłyby ponadto na zwiększenie udziału produkcji energii odnawialnej.

Dalsze prace powinny zaowocować działaniami organizacyjnymi i technolo­gicznymi wpływającymi na ograniczenie ryzyka spadku sprawności kotłów w stosunku do współspalania biomasy surowej, zwiększenie bezpieczeństwa pracy układu podawania paliwa a także zwiększenie regulacyjności w ukła­dzie podawania biomasy do kotła.

Podziękowania

Przedstawione w niniejszym referacie wyniki analiz otrzymano w trakcie realizacji pracy badawczej pt.: „Opracowanie charaktery­styk energetyczno-emisyjnych pracy kotła OP-650 w Elektrowni Dolna Odra przy współspalaniu węgla kamiennego i różnych gatunków bio­masy oraz analiza wpływu współspalania biomasy na parametry eks­ploatacyjne pracy kotła” wykonywanej we współpracy z Fundacją Rozwoju Pomorza Zachodniego w Szczecinie i Elektrownią Dolna Odra (grupa ZEDO SA) w Nowym Czarnowie.

Autorzy wyrażają serdeczne podziękowania Prezesowi Fundacji, dr. Piotrowi Lewandowskiemu, Dyrektorowi Technicznemu Elektrow­ni Dolna Odra, mgr. inż. Jerzemu Kondratowiczowi oraz mgr. inż. Ry­szardowi Wysockiemu i mgr. inż. Andrzejowi Pławskiemu (El. Dolna Odra - ZEDO SA) za pomoc w realizacji badań.

Literatura

[1] Austin L.G., Luckie P. T., Shoji K.: An Analysis of Ball-and-Race Mil-ling. Part II. The Babcock E 1.7 Mill. Powder Technology 33 (1982) pp. 113-125.

[2] Moroń W., Bębenek Z., Żelkowski J.: Podatność przemiałowa węgli i mieszanin węglowych. Energetyka nr 11, 2004, pp. 613-617.

Wpływ dodatku wybranych gatunków biomasy na parametry pracy... 379

[3] Mroczek K., Chmielniak T.: The choice of design features for ring-ball mills. The Archive of Mechanical Engineering, Vol. LII, 2005, 2 pp. 191-205.

[4] Mroczek K., Chmielniak T.: The Influence of the constructional features of a ring-ball mill on its efficiency. The Archive of Mechanical Engineer-ing, Vol. LIII, 2006, 1, pp. 89-116.

[5] Mroczek K., i inni: Pomiary optymalizacyjne obiegu młynowego 7MW1 w Elektrowni „Dolna Odra”. Opracowanie Przedsiębiorstwa Usługo-wo-Produkcyjnego i Wdrożeniowego Postępu Technicznego “WIROPOL” w Gliwicach. Gliwice 1996.

[6] Paulrud S., Mattsson J. E., Nilsson C.: Particle and handling characteri-stics of wood fuel powder: effects of different mills. Fuel Processing Technology 76 (2002) pp. 23- 39.

[7] PN-91/M-34131: Energia cieplna. Instalacje młynowe. Pobieranie pró­bek pyłu.

[8] Praca zbiorowa: IX Konferencja Kotłowa '02 „Aktualne problemy budo­wy i eksploatacji kotłów”. Politechnika Śląska, IMiUE. Prace naukowe, Monografie, Konferencje, z. 10, Gliwice 2002.

[9] PN:-M-34126:2004: Określenie koncentracji i strumienia masy pyłu wę-glowego transportowanego pneumatycznie do paleniska kotła energe­tycznego. Metoda grawimetryczna. [10] Sato K., Meguri H., Shoji K., Kanemoto H., Hasegawa H., Maruyama T.: Breakage of coals in ring-roller mills. Part I. The breakage properties of various coals and simulation model to predict steady-state mill perfor­mance. Powder Technology 86 (1996) pp. 275-283. [11] Świrski K.: Badania modelowe separatora pyłu węglowego. Prace Insty­tutu Energetyki, z. 8. Warszawa 1979. [12] Vecci S.J., Moore G.F.: Determine coal grindability. Power 1978, Nr 3. [13] Zuwała J., Głód K., Hrycko P.: Opracowanie charakterystyk energetycz-no-emisyjnych pracy kotła OP-650 w Elektrowni Dolna Odra przy współspalaniu węgla kamiennego i różnych gatunków biomasy oraz analiza wpływu współspalania biomasy na parametry eksploatacyjne pracy kotła. (Nr tematu w IChPW: 3.06/2006). [14] Raport D10: “PRELIMINARY REPORT OF TECHNICAL BARRIERS” Project no. SES6-CT-020007- (SES6) NETBIOCOF (Integrated Europe-an Network for Biomass Co-firing - Coordination Action). Opracowanie Konsorcjum - niepublikowane, 2006.

Recenzent: Dr hab. inż. Janusz KOTOWICZ, prof. nzw. Pol. Śl.

Wpłynęło do Redakcji: 18.08.2006 r.

---