strona

67

luty

2005

www.e-energetyka.pl

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).

Plazmowy rozruch kotłów pyłowych

Arkadiusz Dyjakon

1)

1)

Pan dr inż. Arkadiusz Dyjakon jest pracownikiem Politechniki Wro-
cławskiej, Instytutu Techniki Cieplnej i Mechaniki Płynów.
[e-mail]

Rys. 1. Oddziaływanie plazmy na pył węglowy

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

Ta b e l a 1

Zużycie mazutu podczas rozruchu kotła pyłowego

ze stanu zimnego [9]

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.

strona

68

luty

2005

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].

Plazmowy rozruch kotłów pyłowych

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].

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.

Ta b e l a 2

Moc i liczba plazmotronów w zależności od wydajności kotła

[12, 13, 14]

50–75

1

120–180

2

210–320

3

420–500

4

650–950

6–8

1150–1650

10–12

Zależnie od typu

paleniska i rodzaju

spalanego paliwa

60–200

Wydajność kotła,

Mg/h

Liczba

plazmotronów

przypadających

na kocioł

Moc plazmotronu,

kW

Rys. 2. Rozmieszczenie plazmotronów w komorze paleniskowej kotła pyłowego [12, 13]

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).

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.

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)

strona

69

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).

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),

dobór odpowiedniej mocy zasilacza i układu zapłonowego

plazmotronu,

energochłonność systemu.

Przygotowanie pyłu węglowego

do plazmowego rozruchu kotła pyłowego

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.

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

Plazmowe palniki pyłowe

Urządzenie do wytwarzania plazmy nazywa się plazmo-

tronem. Palnik pyłowy z zainstalowanym na nim plazmotro-
nem tworzy plazmowy palnik pyłowy.

Zasada działania

i budowa plazmowych palników pyłowych

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

strona

70

luty

2005

www.e-energetyka.pl

Umieszczenie plazmotronu w palniku pyłowym

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.

Rys. 5.

Umieszczenie plazmotronu

w dyszy palnika pyłowego [12, 13]:

wirowego (a),

strumieniowego (b),

muflowego (c).

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

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].

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).

a) b)

c)

strona

71

luty

2005

www.e-energetyka.pl

Rys. 7. Przykładowy schemat elektryczny układu zapłonowego

plazmotronu [12]:

1 – plazmotron, 2 – kondensator, 3 – rezystor, 4 – dławik,
5 – zasilacz, 6 – iskrownik

Rys. 8. Wpływ właściwości paliwa na pracę plazmowego palnika pyłowego [3]:

rodzaj paliwa (a), współczynnik nadmiaru powietrza (b), części lotne (c), rozdrobnienie (d)

Preferencje paliwowe w plazmowych palnikach pyłowych

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.

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.

Niektóre doświadczenia z zastosowaniem

plazmowego rozruchu kotłów

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

strona

72

luty

2005

www.e-energetyka.pl

Pierwszym przykładem jest kocioł pyłowy jednociągowy

z suchym odprowadzeniem żużla TPE-215 (wydajność pary
670 Mg/h) opalany węglem kamiennym. Komora palenisko-
wa rozdzielona jest dwustronnym ekranem. Pył węglowy jest
podawany przez 16 palników muflowych rozmieszczonych
na dwóch przeciwległych ścianach kotła w dwóch rzędach
(rys. 2d). Na czterech dyszach pyłowych w dolnym rzędzie
zainstalowano po jednym plazmotronie o mocy 60 kW każdy.
W momencie uruchamiania kotła do pracy włączano: jeden
wentylator ciągu, dwa wentylatory podmuchu, dwa wentyla-
tory powietrza pierwotnego i jeden młyn młotkowy. Po włą-
czeniu plazmotronów wygrzewały one paleniska muflowe
przez 10 minut. Następnie do palników z zainstalowanymi pla-
zmotronami doprowadzono pył węglowy o łącznym strumie-
niu 8 Mg/h. Po około 3 s na wylocie z palników formował się
płomień pyłowy, a po czasie około 5–7 minut jego temperatu-
ra na wylocie palnika muflowego wynosiła 950–1000°C. Na-
stępnie w miarę wzrostu temperatury na wylocie z komory
paleniskowej zwiększano obciążenie palników pyłowych. Po
godzinie temperatura czynnika suszącego wynosiła około
100°C, udział części palnych w popiele nie przekraczał 5%.
Po czterech godzinach od rozpoczęcia uruchamiania kotła
przystąpiono do uruchamiania turbiny parowej. Kiedy została
osiągnięta temperatura 350°C na wylocie z kotła uruchomio-
no pozostałe młyny węglowe i ostatnie cztery palniki pyłowe.
Plazmotrony zostały wyłączone po osiągnięciu wydajności
pary 480 Mg/h (analogicznie, jak w przypadku rozruchu kotła
palnikami mazutowymi) [12].

Innym przykładem może być kocioł jednociągowy, jedno-

walczakowy, z paleniskiem tangencjalnym, z suchym odprowa-
dzeniem żużla BKZ-420 (rys. 2a) o wydajności pary 420 Mg/h,
opalany węglem brunatnym Kocioł wyposażony w indywidu-
alny system nawęglania z bunkrowaniem pyłu węglowego.
Kocioł zasilany jest pyłem węglowym z 12 palników rozmiesz-
czonych narożnie w trzech rzędach. Do rozruchu kotła z uży-
ciem palników mazutowych służyły 4 palniki mazutowo-paro-
we. Czas rozruchu wynosił 3,5–4 h, a zużycie mazutu wynosi-
ło około 80 Mg. W celu plazmowego rozruchu kotła, na dwóch
przeciwległych dyszach pyłowych w dolnym rzędzie zainstalo-
wano plazmotrony. Po dwóch minutach od chwili włączenia
plazmotronu włączano podajniki węglowe na minimalnym ob-
ciążeniu, które podawały mieszankę pyłowo-powietrzną na
dwie dysze pyłowe, doprowadzano także powietrze wtórne do
spalania. Po 2–3 s na wylocie palnika pojawiał się płomień
z temperaturą w centrum około 1100–1150°C. Po godzinie
temperatura płomienia sięgała 1260–1290°C, a jego długość
wynosiła 7–8 m. Po czasie 3,3 h temperatura w komorze po-
wrotnej sięgała 400°C. Następnie uruchamiano pozostałe dwa
palniki pyłowe w dolnym rzędzie i po 10–15 s uruchamiano po-
woli pozostałe palniki na rzędach wyższych. Po czterech godzi-
nach rozruch kotła był zakończony [12].

Kolejny przykład to kocioł parowy o tangencjalnym pa-

lenisku z suchym odprowadzeniem żużla TPE-185 (rys. 2b)
o wydajności pary 160 Mg/h. Kocioł jest zasilany z trzech mły-
nów młotkowych pyłem węgla kamiennego. Kocioł posiada
6 skrzyń palnikowych (każdy młyn pracuje na dwa przeciw-
ległe palniki). Do osiągnięcia obciążenia nominalnego wy-
starczy praca dwóch młynów. W celu uruchomienia kotła
bez palników mazutowych na dwóch palnikach, leżących

naprzeciw siebie, zainstalowano plazmotrony o mocy 80 kW.
Czynnik suszący był podgrzewany do temperatury 60°C
za pomocą wymiennika parowego. Po 10 minutach od chwili
włączenia plazmotronów, uruchamiano młyn węglowy z wy-
dajnością 3,5 Mg/h. Po czasie 10–15 s na wylocie palnika
formował się płomień pyłowy, którego temperatura sięgała
1300°C. Po czasie 1,5 h uruchamiano pozostałe palniki py-
łowe. Po dwóch godzinach temperatura w drugim ciągu kotła
wynosiła 350°C, a temperatura powietrza suszącego do
młyna 170°C [12].

Ostatnim przykładem jest kocioł wodny (rys. 2e) KWTK-

-100 wyposażony w 6 palników wirowych rozmieszczonych
na bocznych ścianach kotła w dwóch rzędach. W górnym rzę-
dzie po dwa palniki i po jednym w rzędzie dolnym. Kocioł
jest opalany pyłem węgla kamiennego. W celu plazmowego
rozruchu kotła na planikach wirowych dolnego rzędu zainsta-
lowano plazmotrony o łącznej mocy 75 kW. Przed rozruchem
zamknięte są wszystkie kanały powietrza wtórnego. Palniki
pyłowe są obciążone na 20%, wydajność dolnych palników
pyłowych wynosiła 2,1 Mg/h. Po 3–4 s na wylocie z palnika
kształtował się płomień o temp. 1200°C i długości ok. 4–5 m.
Po uruchomieniu podajnika pyłu do wtórnego spalania kon-
centracja pyłu wynosi 0,3 kg/kg. Po 20 minutach temperatura
w drugim ciągu kotła sięgała 280°C, w rezultacie zwiększano
obciążenie palników do 3 Mg/h. Po dwóch godzinach obcią-
żenie palników dolnych wynosi 4 t/h przy koncentracji pyłu
0,65 kg/kg. Temperatura spalin w drugim ciągu wzrosła do
410°C, a na wylocie z kotła do 100°C. Po upływie następ-
nych 15 minut uruchamiano pozostałe palniki pyłowe z do-
prowadzeniem powietrza wtórnego. W czasie 2,4 h kocioł
osiągał obciążenie nominalne kotła, temperatura w drugim
ciągu wynosiła 750°C, a temperatura gazów wylotowych
130°C. W rezultacie po 3,1 h plazmotrony zostają wyłączone
z pracy [12].

Z przedstawionych przykładów wynika, że rozruch kotłów

pyłowych z zastosowaniem systemu plazmowego nie powo-
duje zmian w procedurze wygrzewania i obciążania komory
paleniskowej, a całkowity czas rozruchu nie ulega zmianie.

Ocena ekonomiczna

plazmowego systemu rozruchowego

Ze względów ekonomicznych (związanych ze stratami

rozruchowymi), czas rozruchu kotła pyłowego powinien być
jak najkrótszy, ale z powodu stosowania różnych materiałów
i konieczności utrzymania odpowiednich parametrów tech-
nicznych, nie można go przyspieszać.

Straty rozruchowe bloku są kosztami, które są konse-

kwencją ruchu przerywanego bloku i obejmują: wyłączenie
z ruchu bloku (rozpoczęcie zaniżania obciążenia), postój
bloku, uruchomienie bloku (uzyskanie równowagi cieplnej).
Z punktu widzenia bilansu energii straty rozruchowe są nad-
wyżką energii doprowadzonej do bloku w czasie jego cyklu
rozruchowego, w postaci paliwa pomocniczego i podstawo-
wego oraz dodatkowych strumieni energii (para obca, pod-
grzane powietrze, energia elektryczna), nad energię dopro-
wadzoną, która byłaby niezbędna do wyprodukowania rów-
noważnej energii użytecznej w ruchu ustalonym bloku [22].

strona

73

luty

2005

www.e-energetyka.pl

Ta b e l a 3

Porównanie kosztów rozruchu kotła pyłowego BB 1150

z użyciem palników mazutowych i plazmowych

palników pyłowych [3]

Wyszczególnienie

Wartość opałowa mazutu, MJ/kg

39,0–41,0

Wartość opałowa węgla brunatnego, MJ/kg

7,6–8,4

Cena mazutu (średnia), zł/Mg

500

Cena węgla brunatnego, zł/Mg

38

Cena energii elektrycznej potrzeb własnych, zł/MWh

110

Zużycie energii elektrycznej przez młyn

na wentylację i przemiał węgla, MWh/Mg

0,009–0,014

Zużycie energii elektrycznej na zapłon

i spalanie węgla przez plazmotron, MWh/Mg

0,05–0,15

Zużycie mazutu na jeden rozruch kotła

ze stanu zimnego, Mg

215–315

Zużycie węgla na jeden rozruch kotła

w przypadku zastąpienia mazutu, Mg

1325

Koszt mazutu na jeden rozruch kotła

ze stanu zimnego, zł

107 500–157 500

Koszt węgla na jeden rozruch kotła

w przypadku zastąpienia mazutu, zł

50 350

Koszt przemiału węgla w przypadku

zastąpienia mazutu

1 680

Koszt energii elektrycznej na zasilanie plazmotronu

13 250

Średni koszt rozruchu za pomocą

plazmowych palników pyłowych

65 280

Średni koszt mazutu na jeden rozruch kotła

ze stanu zimnego

132 500

Wartość

Ważnym aspektem mogącym mieć wpływ na rozwój tej

technologii jest porównanie kosztów rozruchu kotłów z uży-
ciem palników mazutowych i plazmowych palników pyło-
wych. W tym celu dokonano teoretycznej analizy kosztów
rozruchu kotła BB 1150 opalanego węglem brunatnym od
stanu zimnego z zastosowaniem plazmowego systemu roz-
ruchowego. Otrzymany wynik (tab. 3) porównano z rzeczy-
wistym kosztem rozruchu tego kotła przy użyciu mazutu
(dane pochodzą z jednej z elektrowni zawodowych „na wę-
giel brunatny”) [3].

W przedstawionej analizie została uwzględniona zamia-

na mocy cieplnej paliwa ciekłego (mazutu) na odpowiadającą
mu moc cieplną paliwa stałego (węgla brunatnego). Nie zo-
stały uwzględnione dodatkowe koszty związane z pracą pal-
nika olejowego, takie jak: podgrzewanie mazutu i eksploata-
cja instalacji mazutowej, emisja sadzy, konserwacja palnika.
W kosztach pracy plazmowego palnika pyłowego nie ujęte
zostały koszty wymiany zużytych elektrod, zużycie gazu pla-
zmotwórczego oraz chłodzenia plazmotronu [3].

Z przeprowadzonej analizy kosztów wynika, że plazmowy

rozruch kotła pyłowego jest około dwa razy tańszy w porów-
naniu z rozruchem kotła z użyciem mazutu. Jest to więc inte-
resujące i ekonomicznie uzasadnione alternatywne rozwią-
zanie. Oszczędności finansowe wynikające z zastosowania
plazmowej techniki rozpałkowej kotłów pyłowych potwierdzają
również dane ze źródeł rosyjskich [12].

Wnioski i podsumowanie

Zastosowanie termicznej plazmy w energetyce zawodo-

wej do rozruchu kotłów pyłowych i stabilizacji procesu spa-
lania paliw stałych jest możliwe i wydaje się zachęcające.
Korzyści wynikają z eliminacji dodatkowego paliwa z układu
kotłowego i ze zmniejszenia uciążliwości dla środowiska na-
turalnego układu rozpałkowego.

Wdrożenie nowego systemu rozruchu i podtrzymania pło-

mienia pyłowego w warunkach krajowych wymagać jednak
będzie szerokich badań w skali przynajmniej półtechnicznej
oraz pewnych nakładów finansowych w celu opracowania
takiego systemu i rozwiązania pewnych problemów technicz-
nych. Najważniejsze problemy to: trwałość elektrod plazmo-
tronu i energochłonność układu.

Z przeprowadzonych w różnych instytucjach i laborato-

riach badań [4, 5, 23] nad zapłonem i stabilnością płomieni
pyłowych można wyciągnąć następujące wnioski:



niskotemperaturowa plazma jest pewnym źródłem zapło-
nu pyłów węglowych,



podtrzymanie i zakres stabilności płomienia pyłowego mie-
ści się w szerokim zakresie współczynnika nadmiaru po-
wietrza,



moc elektryczna plazmotronu znacząco wpływa na zakres
stabilności płomienia pyłowego.

LITERATURA

[1] Orłowski P., Dobrzański W., Szwarc E.: Kotły Parowe. WNT, War-

szawa 1979

[2] Bobek J.: Palniki zapalające i zapalarki wysokoenergetyczne dla

palników olejowych i gazowych. Gospodarka Paliwami i Energią
2001, nr 1, s. 13

[3] Dyjakon A.: Stabilizacja płomienia pyłowego plazmą. Praca doktor-

ska 12/2003, ITCiMP, PWr., 2003

[4] Sugimoto M., Maruta K., Takeda K., Solonenko O.P., Sakashita M.,

Nakamura M.: Stabilization of pulverized coal combustion by pla-
sma assist, Thin Solid Films 2002, Vol. 407, s. 186

[5] Kanilo P.M., Kazantsev V.I., Rasyuk N.I., Schuenemann K., Vavriv

D.M.: Microwave plasma combustion of coal. Fuel, Vol. 82, 2003,
s. 187

[6] Celiński Z.: Plazma. PWN, Warszawa 1980
[7] Djakov A.F. Karpenko E.I.: Plazmenno-energeticeskie technologii

i ich mesto v teploenergetikie. Teploenergetika 1998, nr 6, s. 25–30

[8] Karpenko E.I., Messerle V.E.: Vvedenie w plazmenno-energetičeskie

technologii toplivoispolzovanija. Vostočno-Sibirskij Gosudarstven-
nyj Technologičeskij Universitet, 1996

[9] Informacje własne pozyskane z energetyki zawodowej

[10] Jakubik A.: Uszkodzenie niemechaniczne urządzeń cieplnych elek-

trowni. WNT, Warszawa 1974

[11] Cwynar L.: Rozruch kotłów parowych. WNT, Warszawa 1989
[12] Karpenko E.I., Zukov M.F., Messerle V.E., Bujantuev S.L., Djakov

A.F., Peregudov V.S.: Naucno-techniceskie osnovy i opyt eksplu-
atacii plazmennych sistem vosplamenenija uglej na TES. Nauka,
Novosibirsk 1998

[13] Messerle V.E., Peregudov V.S.: Plazmennaja bezmazutnaja rastop-

ka kotlov i stabilizacija rorenija pyleugolnogo fakela. Nizkotempera-
turnaja plazma 16. Nauka, Novosibirsk 1995

[14] Imankulov E.R., Messerle V.E., Sakilov Z.B., Sejtimov T.M., Usti-

menko A.B.: Plazmennyj rozzig i stabilizacija gorenija fakela donec-
kogo ASZ. Teploenergetika 1990, nr 1, s. 51–53

[15] Karpenko E.I., Messerle V.E.: Vvedenie w plazmenno-energetice-

skie technologii ispolzovanija tverdych topliv. Nauka, Novosibirsk
1997

[16] Krapivina S.A.: Plazmochimičeskie technologičeskie procesy.

Chimija, Leningrad 1981

[17] Hering M..: Podstawy elektrotermii, cz. II. WNT, Warszawa 1998
[18] Niewiedział R.: Plazmotrony łukowe z wydrążoną katodą, cz. I.

Przegląd Elektrotechniczny 1996, nr 1, s. 7–10

[19] Dautov G.Ju., Dzjuba V.L., Karp I.N.: Plazmotrony so stabilizirovan-

nymi električeskimi dugami. Naukova Dumka, Kiev 1984

[20] Niewiedział R.: Badania plazmotronów łukowych prądu stałego oraz

weryfikacja metod analitycznego ujmowania ich charakterystyk eks-
ploatacyjnych. Politechnika Poznańska, Poznań 1999

[21] Kordus A.: Plazma w technice. Politechnika Poznańska, Poznań 1973
[22] Andryjowicz Cz.: Straty rozruchowe bloku energetycznego Elektrowni

Bełchatów. Materiały Elektrowni Bełchatów 2001

[23] Dyjakon A.: Wpływ właściwości paliw stałych na efektywność za-

płonu plazmowego. Gospodarka Paliwami i Energią 2003, nr 4