Ocena funkcjonowania instalacji recyrkulacji powietrza podmuchowego kotłów
rusztowych
Rafał Buczyński, Andrzej Szlęk, Sebastian Werle
Instytut Techniki Cieplnej, Politechnika Śląska
Przemysław Bek, Maksymilian Gądek, Robert Kubica
Katedra Aparatury Chemicznej i Procesowej, Politechnika Śląska
Wstęp
Jednym z ciekawszych pomysłów, w zakresie usprawniania pracy kotłów rusztowych, jest
koncepcja zawracania części nadmiarowego powietrza z wnętrza komory spalania kotła do
strumienia powietrza podmuchowego [1]. Wstępna ocena działania takiej instalacji (na
przykładzie kotła wodnego WR-25) opisana została w [2], gdzie stwierdzono, że
zastosowanie układu recyrkulacji prowadzi do radykalnego obniżenia emisji pyłu (o
kilkadziesiąt procent), zauważalnego podniesienia sprawności kotła (o kilka punktów
procentowych) oraz dużego spadku stężenia tlenku węgla. Nie stwierdzono przy tym
negatywnych skutków ubocznych.
Opisana w [2] ocena z jednej strony wskazywała na bardzo korzystne efekty działania
recyrkulacji powietrza podmuchowego, ale z drugiej strony opierała się na jednostkowych
pomiarach obarczonych dużą niepewnością. Niepewność ta wynikała z faktu wykorzystania
do pomiaru stężenia substancji szkodliwych oraz pyłu układu centralnego monitoringu spalin,
zainstalowanego na wspólnym kominie, w czasie letnim, kiedy pracował tylko jeden
z kotłów elektrociepłowni i to na ułamkowej mocy. W konsekwencji spaliny były mocno
rozcieńczone fałszywym powietrzem. Z powyższych względów postanowiono dokonać
dogłębnej analizy pracy instalacji powietrza recyrkulacyjnego funkcjonującej w jednym z
kotłów rusztowych WR-25 Przedsiębiorstwa Energetyki Cieplnej w Gliwicach.
Pomiary przemysłowe kotła WR-25 z recyrkulacją powietrza
W Przedsiębiorstwie Energetyki Cieplnej w Gliwicach zainstalowane są 3 kotły pyłowe
WP-70 oraz 4 kotły rusztowe WR-25. Jeden z kotłów WR-25 wyposażony jest w analizowany
system recyrkulacji powietrza podmuchowego, którego idea polega na zawróceniu części
powietrza z wnętrza kotła, z rejonu tylnej części rusztu, do głównego strumienia powietrza
podmuchowego, co schematycznie przedstawia Rys.1.
1
2
Rys.1 Schemat układu recyrkulacji powietrza podmuchowego. 1- wentylator podmuchowy, 2-
wentylator recyrkulacji powietrza [2].
Zasysanie powietrza recyrkulacyjnego odbywa się częściowo przez ostatnią strefę
podmuchową kotła, która została fizycznie odseparowana od reszty podrusztowej przestrzeni
powietrznej, a częściowo przez przedostatni z lei żużlowych. Program pomiarów obejmował
trzy stany pracy kotła:
•
Wyłączony system recyrkulacji, przy czym pomiar ten posłużył jako stan odniesienia
dla dwóch pozostałych przypadków,
•
Normalnie funkcjonujący system recyrkulacji powietrza,
•
System recyrkulacji funkcjonujący przy zwiększonym wysterowaniu falownika
wentylatora recyrkulacyjnego przy jednoczesnej zmianie wysterowania falowników
wentylatorów podmuchowych, tak by ogólny stosunek nadmiaru powietrza w kotle
pozostawał niezmienny.
Główny punkt pomiarowy zlokalizowano na wylocie z kotła, przed urządzeniami
odpylającymi. Pomiaru stężenia pyłu dokonano referencyjną metodą grawimetryczną,
poddając później wyłapany pył analizie ziarnowej. Pomiaru stężenia substancji gazowych
dokonano za pomocą analizatora przenośnego, wzorcowanego gazami wzorcowymi przed
pomiarem. Zawartości części palnych w żużlu dokonało laboratorium własne PEC Gliwice.
Pozostałe parametry pracy kotła, takie jak na przykład temperatury, przepływy czy prędkości
rusztów rejestrowane były przez centralny system zbierania i archiwizacji pomiarów. Każdy
z pomiarów trwał około dwóch godzin, a pomiędzy nimi robiono przerwy konieczne do
ustabilizowania parametrów pracy kotła. Wyniki pomiarów poddano procedurze uzgadniania,
[3], która pozwala na poprawienie wyników pomiarów do najbardziej wiarygodnych wartości.
Uzgodnione wyniki pomiarów przedstawione są w tablicy 1.
Tab.1 Uzgodnione wyniki pomiarów
System recyrkulacji ->
Wyłączony
Normalna
praca
Zwiększona
wydajność
Zawartość tlenu w spalinach, O
2
. %
8,53
6,15
6,12
Moc kotła , MW
16,95
17,65
17,53
Strata wylotowa fizyczna, %
10,89
8,88
8,52
Strata chemiczna w żużlu, %
4,89
2,85
2,89
Sprawność kotła, %
83,11
87,15
87,46
Emisje przeliczone na 6% udział tlenu
Tlenek azotu NO
2
, mg/m
3
314
311
294
Tlenek węgla CO, mg/m
3
33
26
47
Pył (średnia z dwóch analizatorów), mg/m
3
574
131
178
Sprawność, %
x
+4,04
+4,35
Pył, mg/m
3
x
-443
-396
Z danych, przedstawionych w Tab.1 wynika, że efektem działania systemu recyrkulacji jest
radykalne obniżenie emisji pyłu, do około 30% początkowej wartości oraz wyraźne
podniesienie sprawności kotła, na skutek obniżenia dwóch podstawowych strat energii.
Wymienione efekty działania systemu recyrkulacji powietrza potwierdzają te, które
zaobserwowane były w cytowanej wcześniej pracy [2]. Wyjątek stanowi emisja tlenku węgla
.
W badaniach wstępnych stwierdzono radykalne obniżenie tej wielkości, podczas gdy w
trakcie pomiarów opisywanych w niniejszym artykule emisja tlenku węgla pozostała na
praktycznie niezmienionym poziomie. Trudno jednoznacznie wyrokować o przyczynach tej
rozbieżności, ale prawdopodobnie jest nią fakt, że w badaniach wstępnych kocioł pracował
przy bardzo niskim obciążeniu, a emisja wyjściowa emisja tlenku węgla była kilkakrotnie
wyższa niż w badaniach w PEC Gliwice.
Przeprowadzone analizy rozkładu ziarnowego pyłu wyłapanego w kanale wylotowym kotła
pozwalają na określenie skuteczności odpylającego działania systemu recyrkulacji w podziale
na zakresy ziarnowe. Wyróżniono przy tym średnicę 20
µ
m oraz 100
µ
m, dla których to
średnic rozkład ziarnowy wykazywał lokalne maksima. Wyniki obliczonej skuteczności
odpylania w podziale na zakresy ziarnowe, przy dwóch stanach pracy instalacji przedstawia
tablica 2. Z przedstawionych w niej danych wynika, że system w czasie normalnej pracy
charakteryzuje się zbliżoną skutecznością w szerokim przedziale średnic pyłu, podczas gdy w
trakcie pracy ze zwiększoną intensywnością jego skuteczność względem frakcji drobnych
spada. Prawdopodobnie w tym drugim z przypadków niższa skuteczność w zakresie małych
średnic spowodowana jest większym unosem drobnego pyłu z początkowego obszaru rusztu.
Przedstawione w tej części artykułu wyniki potwierdzają w sposób wiarygodny wyniki
uzyskane w trakcie oceny wstępnej, opisywanej w [2]. Dla potwierdzenia jednak
mechanizmów stojących za opisywanymi efektami zdecydowano się przeprowadzić
symulacje numeryczne procesów zachodzących we wnętrzu kotła.
Obliczenia numeryczne kotła WR-25
Obliczenia numeryczne przeprowadzono przy wykorzystaniu programu Fluent obejmując
nimi komorę spalania kotła oraz obszar skrzyń podmuchowych. Wykorzystano standardowe
modele zjawisk takie jak na przykład model k-
ε
turbulencji czy szybkości reakcji
zachodzących w fazie gazowej. Odnośnie spalania węgla na ruszcie wykorzystano modele
opracowane w ramach działalności własnej Instytutu Techniki Cieplnej. Ze względu na
symetrię kotła obliczeniami objęto tylko jego połowę, odpowiadającą jednemu z rusztów.
Przyjęto stałą temperaturę ścian chłodzonych kotła oraz stałą temperaturę ścian
niechłodzonych. Do analizy torów cząstek pyłu wykorzystano analizę wędrowną, zakładając
że pomiędzy płynem a cząstkami pyłu zachodzi wymiana pędu oraz energii. Ze względu na
fakt, że nieznany jest rozkład generowania pyłu wzdłuż rusztu przyjęto, że pył jest emitowany
równomiernie z całej długości kotła. Nie jest to założenie odpowiadające rzeczywistości i z
tego względu wyniki obliczeń nie mogą być porównywalne ilościowo z wynikami pomiarów,
a jedynie wyjaśniają mechanizm funkcjonowania systemu recyrkulacji powietrza. W
obliczeniach założono przy tym, że całość powietrza recyrkulowanego zasysana jest poprzez
ostatnią strefę podmuchową kotła, która jest odseparowana fizycznie od reszty przestrzeni
powietrznej.
Na Rysunku 2 przedstawiono obliczone pole stężenia tlenu we wnętrzu komory spalania kotła
w przypadku wyłączonego (lewa strona) i włączonego systemu recyrkulacji. Pierwszym
wnioskiem, jaki wynika z przedstawionych wyników jest mocne uwarstwienie przepływu w
kotle, w konsekwencji czego tlen obecny w tylnej części kotła nie uczestniczy w procesie
spalania, a przedostaje się do wylotu, będąc przyczyną zwiększonej straty wylotowej w
spalinach. Z danych wynika, że włączenie systemu recyrkulacji powoduje zmniejszenie
stężenia tego nadmiarowego tlenu, który nie uczestniczy w procesie spalania. W obu z
przedstawionych przypadków stężenie tlenu w początkowej części rusztu pozostaje na
podobnym poziomie.
Rys.2 Porównanie pola stężenia tlenu (%) w trakcie pracy kotła z wyłączonym systemem
recyrkulacji (lewa) oraz recyrkulacją przez ostatnią strefę (prawa).
Rysunek 3 przedstawia z kolei obliczone pole prędkości gazu w tylnej części rusztu w
przypadku włączonej i wyłączonej instalacji recyrkulacji powietrza. Jak wynika z
przedstawionych danych przy wyłączonej recyrkulacji gaz na całej długości rusztu kieruje się
ku górze, w efekcie czego cały pył uwolniony w tylnej części kotła unoszony jest do kanału
wylotowego. W przypadku włączonego systemu recyrkulacji, gazy w tylnej części kotła
zasysane są przez ostatnią ze stref podmuchowych, na której następuje osadzanie się cząstek
pyłu na warstwie żużla zalegającego na ruszcie.
Rys.3 Wektory prędkości (m/s) w trakcie pracy kotła z wyłączonym systemem recyrkulacji
(strona lewa) oraz recyrkulacją przez ostatnia strefę (prawa).
Jak już wspomniano, obliczenia numeryczne pozwalają na analizę toru lotu cząstek pyłu
emitowanych z danego miejsca rusztu. Ze względu na brak danych o intensywności tworzenia
się pyłu w poszczególnych częściach rusztu założono, że pył emitowany jest równomiernie z
całej długości rusztu. Zliczono ilości cząstek emitowanego pyłu, który wydostaje się z
komory spalania do części konwekcyjnej, a znając założone ilości cząstek emitowanego pyłu
określono skuteczność odpylania, która przedstawiona jest w Tablicy.3. Jak można zauważyć
recyrkulowany pył zasysany jest głównie z tylnej części rusztu, gdyż przede wszystkim na nią
oddziałuje analizowany system recyrkulacji.
Tab.3 Określona numeryczne skuteczność odpylania
Średnica cząstek, μm
1,0
10,0
100,0
Skuteczność średnia wzdłuż całego rusztu, %
25,0
27,5
62,5
Skuteczność z dwóch ostatnich stref, %
55,0
60,0
85,0
Obliczone skuteczności odpylania są zbliżone ilościowo do wartości określonych w
pomiarach, ale wobec przyjętego założenia upraszczającego należy to uznać za zbieżność
przypadkową.
Podsumowanie i wnioski
Przeprowadzone badania przemysłowe kotła WR-25 wskazują na pozytywne efekty działania
systemu recyrkulacji powietrza podmuchowego w postaci radykalnie obniżonej emisji pyłu
oraz wyraźnie zwiększonej sprawności kotła. Efekty te uzyskane zostały przy tym bez
pogarszania innych wskaźników emisyjnych kotła. W stosunku do przeprowadzonych
wcześniej analiz wstępnych [2] nie potwierdziło się obniżenie emisji tlenku węgla, co
prawdopodobnie wynika z kilkakrotnie wyższych poziomów emisji tlenku węgla w
przypadku badań wstępnych.
Przeprowadzona analiza numeryczna wskazuje na mechanizm osiągnięcia obserwowanych
efektów. Dzięki obniżeniu nadmiaru tlenu w tylnej części kotła, który nie uczestniczy w
spalaniu uzyskuje się zmniejszenie straty wylotowej fizycznej. Zmniejszenie to częściowo
wynika także z obniżenia temperatury spalin na wylocie kotła, co wynika z lepszego
schłodzenia spalin w efekcie obniżenia ich strumienia przepływającego przez część
konwekcyjną. Ten drugi efekt nie mógł zostać stwierdzony numerycznie, gdyż nie objęto
analizą części konwekcyjnej kotła. Jednocześnie zasysanie powietrza nadmiarowego przez
ostatnią ze stref podmuchowych powoduje zmianę pola prędkości w tylnej części rusztu.
W efekcie
,
gazy z tylnej części rusztu zasysane są przez układ recyrkulacji i unoszone przez
nie pyły osadzają się na żużlu zalegającym na ruszcie, nie będąc tym samym emitowane ze
spalinami.
W trakcie badań nie stwierdzono żadnych negatywnych efektów funkcjonowania instalacji.
Trudno jest wyrokować o wpływie instalacji na częstotliwość czyszczenia kotła. Z jednej
strony mniejsze zapylenie spalin powinno prowadzić do rzadszego czyszczenia kotła, a z
drugiej mniejsza prędkość spalin w części konwekcyjnej może sprzyjać osadzaniu się pyłu.
W analizowanym kotle, według słów obsługi okresy między czyszczeniami wydłużyły się.
Bibliografia
1. Zgłoszenie patentowe P 383941 i Patent Cooperation Treaty PCT/PL 2008000092
2. Szlęk A., Wstępna ocena wpływu recyrkulacji powietrza podmuchowego na pracę
kotła rusztowego, Nowoczesne Ciepłownictwo, Nr 07(190), 2008, s.22-26
3. Szargut J. Ziębik A., Podstawy energetyki cieplnej, PWN, Warszawa 1998