1.)
Ciepło spalania (Q
c
)
– ilość ciepła, jaka powstaje przy spalaniu
całkowitym i zupełnym jednostki masy lub jednostki objętości
analizowanej substancji w stałej objętości, przy czym produkty
spalania oziębia się do temperatury początkowej, a para wodna
zawarta w spalinach skrapla
się zupełnie. Jednostką ciepła spalania
jest J/kg.
Wartość opałowa - jest to ilość ciepła wydzielana przy spalaniu
jednostki masy lub jednostki
objętości paliwa przy jego całkowitym i
zupełnym spalaniu, przy założeniu, że para wodna zawarta w
spalinach nie ulega
skropleniu, pomimo że spaliny osiągną
temperaturę początkową paliwa.
Temperatura punktu rosy lub punkt rosy
– temperatura, w której,
przy danym składzie gazu lub mieszaniny gazów i ustalonym
ciśnieniu, może rozpocząć się proces skraplania gazu lub
wybranego składnika mieszaniny gazu.
Temperatu
ra zapłonu - charakterystyczna temperatura substancji
chemicznych. Określa ona przy jak dużej temperaturze ciśnienie par
substancji jest na tyle wysokie, aby utworzyć z powietrzem
mieszaninę palną.
Temperatura mięknięcia - temperatura przy której materiał zaczyna
zmieniać się z ciała stałego w masę plastyczną.
SPRAWN
OŚĆ KOTŁA – jest to strumień energii
̇ dostarczany z
paliwem do paleniska jest równoważny strumieniowi energii
̇ przyjmowanemu przez czynniki termodynamiczne (parę i wodę)
oraz strumieniami strat energii w kotle
̇ . Pojęcie to dotyczy
ustalonych
warunków pracy.
̇
̇
̇
̇
Natomiast jeżeli straty określa się w procesach doprowadzanego
ciepła to dla kotła parowego :
̇
̇ (
)
̇ (
),
a dla kotła wodnego :
̇
̇ (
) oraz
̇
̇
Gdzie :
̇ ,
̇ - strumień masy pary pierwotnej i wtórnej w [kg/s],
̇ - strumień masy paliwa dostarczanego do kotła w [kg/s],
-
entalpia pary pierwotnej na wylocie z kotła, pary na wlocie
i wylocie przegrzewacza wtórnego w [kJ/kg],
-
entalpia wody na wylocie z kotła wodnego w [kJ/kg],
-
wartość opałowa paliwa w [kJ/kg].
2.)
a. ) Niska wartość opałowa w przeliczeniu na jednostkę objętości
(konieczność operowania kilkukrotnie większymi objętościowo
ilościami biomasy w celu dostarczania do procesu takiej samej ilości
energii jak w węglu)
b.) Wysoka zawartość wilgoci w surowej biomasie (45-60%) wpływa
negatywnie na
efektywność procesu spalania.
c.) Wysoka zawartość części lotnych (2,5-krotnie wyższa niż w
węglu kamiennym) drastycznie zmienia warunki zapłonu i spalania.
d.) Zawartość popiołu w energetycznej przydatnej słomie jest
podobnego rzędu jak w węglu kamiennym, natomiast dla roślin
energetycznych mieści się w zakresie 2-6% a jedynie dla odpadów
drzewnych zawartość popiołu jest bardzo niska i wynosi ≤ 1%.
e.) Zawartość azotu i siarki w biomasie jest niska, ale duża jest
zawartość chloru, szczególnie w przypadku słomy, co stwarza duże
ryzyko występowania korozji.
f.) Skład substancji mineralnej węgla i biomasy różni się znacznie.
Głównymi składnikami popiołu z węgla kamiennego są SiO
2
, Al
2
O
3
i
Fe
2
O
3
, natomiast dla biomasy oprócz dużej ilości K
2
O i SiO
2
stwierdza si
ę duże ilości CaO.
g.) Większość typów stałych biopaliw wykazuje stosunkowo niskie
temperatury mięknięcia i topnienia popiołu w porównaniu z węglem,
głownie z powodu dużej zawartości związków metali alkaicznych.
3.) Tlenki azotu
łączą się z wodą tworząc kwasy azotowe. Unoszą
się do atmosfery tworząc kwaśne deszcze. Niszczą w ten sposób
roślinność przedmioty martwe, hemoglobinę w organizmach żywych.
Utleniając się z ozonem O
3
niszczą warstwę ozonową naszej
planety. Tlenki azotu powstają przy spalaniu wszystkich rodzajów
paliw energetycznych (przy spalaniach w kotłach udział dwutlenków
azotu jest rzędu 5-10%). W rezultacie utleniania azotu zawartego w
powietrzu doprowadzonym do spalania powstają NO
X
termiczne :
Tlenki NO
X
paliwowe, których udział jest największy w ogólnej emisji
NO
X
z kotła powstają z azotu zawartego w paliwie i bardzo łatwo
wchodzi w reakcję z tlenem. Tlenki NO
X
paliwowe powstają w
znacznie niższej temperaturze niż NO
X
termiczne. Podczas
podgrzewania i odgazowywania części lotnych z paliwa w pierwszym
etapi
e spalania części azotu paliwowego przechodzą do fazy
gazowej postaci cyjanowodoru HCN i amoniaku NH
3
, a część
zostaje zatrzymana w postaci koksowej.
Następnie w wyniku
złożonego łańcuch przemian poprzez rodniki HCN i NH
3
, zależnie od
atmosfery otaczającej spalające się paliwo może dojść do :
-
Powstania NO, przy atmosferze utleniającej (λ>1) :
2HCN+2,5O
2
→2NO+2CO+2H
2
O
2NH
3
+2,5O
2
→2NO+3H
2
O
-
Redukcja tlenku NO powstałego w pierwszym etapie spalania do
azotu molekularnego N
2
, przy atmosferze silnej redukcji
(λ≈0,7) :
2HCN+2NO+0,5O
2
→2N
2
+2CO+2H
2
O
Utlenianie NH
3
lub N zawartych w pozostałościach koksu prowadzi
również do powstania NO.
Dalsza redukcja NO zachodzi przy pojawieniu się rodników
węglowodorowych (np. : metanu CH
4
)
2NO+2CH
4
+3O
2
→N
2
+2CO
2
+4H
2
O
lub na powierzchni cząstek węgla :
2NO+C→N
2
+CO
2
2NO+2C→ N
2
+CO
Ograniczanie tworzenia się NO
X
termicznych jest
możliwe poprzez zapobieganie powstawania w płomieniu lokalnie
temperatury powyżej 1300
o
C i zmniejszenie
udziału O
2
w strefie
najwyższych temperatur. Pogorszenie warunków powstawania
tlenków azotu otrzymujemy poprzez :
a.) Zmniejszenie obciążania cieplnego powierzchni ogrzewalnych w
komorze paleniskowej.
b.) Bardziej równomierne rozłożeni obciążania cieplnego w
przestrzeni komory paleniskowej (w wyniku stosowania palników
narożnych).
c.) Spowodowanie procesu spalania przez lokalne obniżenie
temperatury na powierzchni cząstek paliwa przy jednoczesnym
zmniejszeniu koncentracji wolnego tlenu w bezpośrednim ich
otoczeniu.
d.) Zastosowanie recyrkulacji spalin.
e.) Zastosowanie palenisk fluidalnych.
Istnieją jeszcze dwie metody obniżania emisji tlenków azotu :
a.) Metoda stopniowania powietrza (realizowana na podział
powietrza na trzy stopnie : powietrze pierwotne tr
ansportujące pył,
powietrze wtórne i powietrz doprowadzające).
b.) Metoda stopniowania paliwa i powietrza.
4.)
Zalety odsiarczania spalin metodą mokrą :
a.) Najbardziej skuteczna ze wszystkich metod usuwania SO
2
poniżej 200mg/m
3
. J
ej skuteczność wynosi 90-95% przy małym
nadmiarze absorbentu oraz dużej niezawodności ruchowej instalacji.
b.) Z
e spalin są usuwane również związki HCl i HF oraz popiół.
c.) Odzysk ciepła ze spalin przed ich odsiarczeniem w wymiennikach
(spaliny/spaliny) statycznych lub obrotowych podgrzewaczy
regeneracyjnych.
d.) Z metody mokrej uzyskuje
się materiały budowlane.
e.) Małe koszty eksploatacyjne.
Wady odsiarczania spalin metodą mokrą :
a.) Mała rozpuszczalność kamienia wapiennego CaCO
3
w wodzie w
porównaniu z wapnem palonym lub kredą, gdy stosujemy CaCO
3
jako absorbent.
b.) Powstawanie ścieków, które należy oczyszczać. W skład ścieków
wchodzi chlor i fluor, które powstają w procesie odwadniania gipsu.
c.) Absorber oraz kanały spalin wprowadzają na drodze dodatkowe
opory i do ich pokonania instaluje się wspomagający wentylator
spalin, który wraz z innymi urządzeniami pomocniczymi instalacji
powiększa zużycie energii na potrzeby własne bloku
energetycznego.
d
.) Duże zużycie wody w stosunku do metod suchych i półsuchych.
e
.) niewiele większa emisja pyłów do atmosfery w stosunku do
metod suchych
i półsuchych.
f
.) Duże koszty inwestycyjne.
Aby uniknąć korozji kanałów ciągu spalin przy tak
niskich temperaturach spalin oczyszczone spaliny muszą być
ponownie podgrzewane o min. 10K w stosunku do temperatury
punktu rosy kwasu siarkowego. Temperaturę spalin oczyszczonych
można podnieść (najczęściej do 95
o
C) przy mieszaniu spalin
oczyszczonych odpowiednią objętością strumienia spalin gorących
(nieoczyszczonych), pobieranych z kotła, lub z ciepłym powietrzem
pobranym zza obrotowego podgrzewacza powietrza.
Zalety odsiarczania spalin metodą półsuchą :
a.)
Sorbent w postaci wodnej zawiesiny rozpyla się bezpośrednio w
strumieniu spalin. Nawilżeni spalin powoduje obniżeni ich
temperatury. Im niższa jest temperatura spalin, tym otrzymuje się
większą skuteczność odsiarczania.
b.) W metodzie półsuchej dozujemy tak strumień wody, aby końcowy
produkt procesu był suchy, a temperatura spalin była powyżej
wodnego punktu rosy. Co powoduje, że nie musimy podgrzewać
spalin przed wprowadzeniem ich do komina.
c.) Wykorzystanie zjawiska absorpcji (zatrzymanie zanieczyszczę
gazowych na powierzchni zewnętrznej i wewnętrznej ciała stałego).
d.) Niektóre metody półsuche dają możliwość wielokrotnej
recyrkulacji sorbentu, poprawia to efektywność metody.
e.) Nie występują ścieki.
f.) Mniejsze zużycie wody w porównaniu do metody mokrej.
g.) Średni i małe koszty inwestycyjne.
Wady odsiarczania spalin metodą półsuchą :
a.) W tej metodzie stosuje się Ca(OH)
2
, który jest 2-3 razy droższy
od CaCO
3
.
b.) Mniejsza skuteczność odsiarczania spalin w porównaniu do
metody mokrej.
Pociąga to za sobą zwiększoną emisję SO
2
do
atmosfery.
c.) Mniejsza skuteczność usuwania chloru i fluoru (HCl i HF).
d.) Duże koszty eksploatacyjne.
Wyróżnia się wiele odmian IOS z wykorzystaniem metody półsuchej,
różniących się rozwiązaniami aparaturowymi oraz wskaźnikami
techniczno-ekonomicznymi.
5.) Odpylacz cyklonowy
– są stosowane najczęściej do odpylania
spalin za kotłami rusztowymi. Do górnej cylindrycznej części cyklonu
doprowadza się zapylone spaliny z odpowiednią prędkością, aby
wlot następował stycznie do płaszcza cyklonu. Na ziarno pyłu
działają dwie siły. Siła odśrodkowa (bezwładności) F
0
i siła
dynamiczna oporu ośrodka F
s
.
Ziarno pyłu o większej masie, dla
którego siła bezwładności jest większa od siły dynamicznej oporu
ośrodka zostaje odrzucone w kierunku płaszcza cyklonu i po
zetchnięciu się ze ścianką wytraca swoją prędkość wskutek tarcia, a
następnie ruchem spiralnym wpadają do zbiornika pyłu. Lżejsze
ziarna poruszają się torem spiralnym, zostaną unoszone przez
spaliny do centralnie umieszczonego komina, na zewnątrz
odpylacza. Obraz zjawisk zachodzących w cyklonie jest bardzo
złożony ponieważ ziarna pyłu mogą się łączyć z większymi ziarnami
lub na skutek wzajemnego tarcia zmniejszając swoje wymiary.
6.)
Na nieruchomej płycie rusztowej znajduje się rozdrobniona
mieszanina węgla (2-3%), sorbetu odsiarczającego i inertu (piasek,
popiół) tworząc złoże. Doprowadzone od dołu powietrze przepływa w
wolnej przestrzeni kanałami między cząstkami stałymi przez
nieruchome złoże. Przy zwiększaniu strumienia przepływu powietrza
złoże pozostaje nieruchome, wzrasta spadek ciśnienia w złożu. Gdy
nadciśnienie powietrza zrówna się z ciśnieniem statycznym słupa
ciała stałego (zrównanie spadku ciśnienia w złożu z ciężarem
materiału złoża) wówczas zaobserwujemy rozszerzanie się złoża.
Dalsze zwiększanie prędkości powietrza (prędkość krytyczna
fluidyzacji) powodu
je zwiększeni złoża przy stałym nadciśnieniu
powietrza.
W pewnym przedziale prędkości przepływu powietrza
materiał w złożu osiągnie taki stan rozluźnienia, że ziarna ciał
stałych zaczynają wykonywać ruch i przesuwają się względem
siebie.
Zauważa się wtedy proces fluidyzacji. Przy dalszym
zwiększaniu prędkości powietrza materiał w złożu zaczyna
cyrkulować (podobnie jak wrząca ciecz). W takich warunkach złoże
składa się z dwóch faz (fazy gęstej i fazy pęcherzyków powietrza
wolnych od cząsteczek). Gdy prędkość powietrza przekroczy
prędkość swobodnego opadania ziaren ciał stałych wówczas kończy
się proces i następuje uniesienie cząstek stałych ze złoża (całkowite
uniesienie złoża). Zapłon złoża odbędzie się za pomocą palnika
pyłowego, olejowego bądź gazowego ogrzewającego złoże od góry,
bądź doprowadzenie od dołu gorących spalin o t=800
o
C. Początek
procesu spalania przebiega w niższych temperaturach niż w kotle
rusztowym.
Spalanie odbywa się w przedziale temperatury 750 do
950
o
C. Poniżej przedziału pogarszają się warunki utleniania węgla,
powyżej przedziału następuje spiekanie i mięknięcie popiołu.
Optymalną temperaturą jest wartość 850
o
C, gdyż przy niej najlepiej
siarka wiąże się z kamieniem wapiennym.
Spalanie paliwa w warunkach cyrkulacyjnej warstwy fluidalnej
przebiega w dwóch obszarach : redukcyjnym w dolnej strefie komory
paleniskowej i utleniającym ponad poziomem doprowadzania
powietrza wtórnego. Taki rozdział powietrza sprzyja niskiej emisji
NO
X
. W dolnej części komory tworzy się gęsta warstwa, która
zachowuje się podobnie jak warstwa pęcherzykowa. Recyrkulujący
strumień masy odbiera ciepło z dolnej części komory paleniskowej w
celu utrzymania temperatury w tej strefie na poziomie 850
o
C,
przenosi to ciepło i przekazuje do powierzchni ogrzewalnych wzdłuż
komory paleniskowej. Po drodze następuje transport
przereagowanego i nieprzereagowanego
sorbentu wiążącego
dwutlenek siarki oraz procesy wypalania ziaren paliw.