Spalanie w

ę

gla

Paleniska do spalania węgla

Paleniska podstawowe:
- rusztowe (z rusztem stałym i ruchomym)
- fluidalne (ze złożem pęcherzykowym i cyrkulującym)
- pyłowe
Inne:
- cyklonowe,
- retortowe,
- piece obrotowe.

Paleniska do spalania węgla

Wa

ż

niejsze sposoby

organizacji spalania
w

ę

gla: a) w zło

ż

u

stałym, b) na
ruszcie ruchomym,
c) w zło

ż

u

fluidalnym, d) w
palniku pyłowym

Paleniska do spalania węgla

Wa

ż

niejsze sposoby

organizacji spalania
w

ę

gla: a) w zło

ż

u

stałym, b) na
ruszcie ruchomym,
c) w zło

ż

u

fluidalnym, d) w
palniku pyłowym

Paleniska do spalania węgla

Wa

ż

niejsze sposoby

organizacji spalania
w

ę

gla: a) w zło

ż

u

stałym, b) na ruszcie
ruchomym, c) w
zło

ż

u fluidalnym, d)

w palniku pyłowym

Paleniska do spalania węgla

Wa

ż

niejsze sposoby

organizacji spalania
w

ę

gla: a) w zło

ż

u

stałym, b) na ruszcie
ruchomym, c) w
zło

ż

u fluidalnym, d)

w palniku pyłowym

Rozdrobnienie węgla

Rusztowe z rusztem:

• stałym: muł, miał, drobny, groszek, orzech, gruby,
• ruchomym: groszek, orzech (10-30 mm),

Fluidalny ze złożem:

• pęcherzykowe <25 mm,
• cyrkulujące < 6 mm,

Spalany w palniku pyłowym dla węgla:

• kamiennego: R

90

= 25-30%, R

200

<8%,

• brunatnego: R

90

= 48-55%, R

200

= 25-32%, R

1000

<2-3%

R90 – sito o oczkach 90 µm, R200 – sito o oczkach 200 µm,
R1000 – sito o oczkach 1000 µm (1 mm),

Proces spalania węgla dzieli się na dwa etapy:

•wydzielania i spalanie części lotnych,

•spalanie pozostałości koksowej

Proces spalania cząstki węgla

Stosunek tych czasów: 1:10

Skład części lotnych węgla

Popiół – zaszlakowana powierzchnia wymiany

ciepła kotła

Palniki i paleniska pyłowe –palniki wirowe

Pr

ę

dko

ść

wypływu mieszanki 20 – 22 m/s

Pr

ę

dko

ść

wypływu powietrza 26 – 30 m/s

PALNIK WIROWY (40-50 MWt)

Paniki na ścianie kotła

pracujący palnik wirowy

Palniki strumieniowe: na pył z węgla kamiennego

Palniki strumieniowe: na pył z węgla kamiennego

Palniki strumieniowe: na pył z węgla kamiennego

Pr

ę

dko

ść

wypływu

mieszanki 12 – 18 m/s

Pr

ę

dko

ść

wypływu

powietrza 40 – 50 m/s

Palniki strumieniowe: na pył z węgla brunatnego

Palniki strumieniowe: prędkość czynników

Czynnik nośny pyłu węglowego:

• węgiel kamienny – powietrze,
• węgiel brunatny – spaliny.

Prędkość wypływu z dysz (węgiel brunatny):

•mieszanki pyłowej 11-13m/s,
•powietrza górnego i dolnego 45–55 m/s,
•powietrza pośredniego 45–55 m/s,
•powietrza rdzeniowego i chłodzącego 20–25 m/s.

Palniki strumieniowe – węgiel brunatny

Współczynnik wentylacji palnika – na 1 kg pyłu węglowego
powinno przypadać około 1,6 kg transportujących spalin.

Spalanie w paleniskach tangencjalnych

Spalanie fluidalne

Skład i temperatura złoża fluidalnego

Złoże fluidalne składa się z:
-materiału inertnego (piasek, popiół),
- sorbentu wapniowego ( i produktów odsiarczania),
- 2-6% węgla

Temperatura złoża fluidalnego - 800 – 900

o

C

Optymalna temperatura złoża fluidalnego ze względu na
odsiarczanie wynosi 850

o

C

Spalanie w złożu fluidalnym

CaSO

4

gips palony

Spalanie w laboratoryjnym palenisku fluidalnym

Spalanie w kotłowym palenisku fluidalnym

W wyniku wzrostu porowatości oraz zderzania się i ścierania się

cząstek w złożu następuje rozdrobnienie cząstek koksu w złożu

fluidalnym

PALENISKA SPECJALNE

Palenisko retortowe dla małych kotów

PALENISKA SPECJALNE

Spalanie w palenisku cyklonowym

PALENISKA SPECJALNE

Kocioł z paleniskiem cyklonowym

Spalanie paliw ciekłych

Dwie fazy spalania paliw ciekłych:

a) faza parowania paliwa,

b) faza spalania par paliwa.

Wpływ rozmiarów geometrycznych cieczy na formę spalania

Spalanie kropli oleju opałowego ciężkiego

Cztery etapy spalania:
I –

czas indukcji zapłonu –

zakończony

zapłonem

lekkich

frakcji oleju
II – spalanie – parowanie, kraking
ci kich frakcji oleju, formowanie się
powłoki koksowej,
III – mikroeksplozja – rozerwanie
koksowej powłoki,
IV –

dopalanie cząstek koksu

olejowego.

Struktura płomienia olejowego – model jednowymiarowy

Strefy:

1 –parowania; 2 – homogenicznego spalania; 3 – heterogenicznego
spalania; 4 – dopalania

Struktura płomienia olejowego za dyszą rozpylającą

1 – struga cieczy rozpylonej; 2 – strefa parowania; 3 – strefa zapłonu;
4 – strefa dopalania indywidualnego kropel; 5 – granice płomienia.

Struktura zawirowanego płomienia rozpylonego oleju

Spalanie paliw ciekłych

Palnik olejowy

Blokowe palniki olejowe - przykład

Lancowe kotłowe palniki olejowe– na ciężki mazut

Rozpałkowy, lancowy palnik mazutowy dla kotłów pyłowych

1 - dyfuzor, 2 - lanca olejowa, 3 - elektroda zapalarki elektrycznej, 4 - skrzynia
powietrzna (P - para wodna, M - mazut, P1, P2 – powietrze pierwotne i wtórne)

Lanca palnika olejowego

Mocowanie palnika olejowego w palniku pyłowym

Detektory płomienia olejowego w kotłach pyłowych (skanery

płomienia)

Lampa naftowa

Spalanie paliw gazowych

Mieszanka

palna

to

mieszanina

powietrza z paliwem, w której:
po zniknięciu źródła zapłonu proces
spalania rozwija się w niej samorzutnie.

Spalanie paliw gazowych

Mieszanka palna to mieszanina powietrza z paliwem, w której: po
zniknięciu źródła zapłonu proces spalania rozwija się w niej samorzutnie.

Minimalne (dolna granica) i maksymalne (granica górna) stężenie

paliwa w mieszance, w której może nastąpić zapłon.

0

100%

Dolna

i

górna

warto

ść

st

ęż

enia paliwa w mieszance paliwa z

utleniaczem, poza którymi zapłon jest niemo

ż

liwy.

DGW – dolna granica zapłonu (wybuchu),
GGW – góna granica zapłonu (wybuchu).

Dolna i górna granica zapłonu – przykłady

Zapłon jest to spowodowanie stanu spalania przez lokalne
wywołanie intensywnej reakcji chemicznej w mieszance
palnej.

Rodzaje zapłonów:
- wymuszony (np.. iskrą elektryczna ...),
- samozapłon.

Minimalna energia zapłonu

Definicja:
E

min

– jest to najmniejsza ilość energii, która wywołuje zapłon

w mieszance palnej [J].

Typowe E

min

dla różnych paliw

- gazowe:

< 1 mJ

- płynne:

10-100 mJ

- pyły:

0,1-1,0 J

Minimalna energia zapłonu różnych gazów w mieszaninie
z powietrzem w zależności od składu mieszaniny palnej

Samozapłon: - jest to wywołanie stanu spalania (wybuchu) przez
przekroczenie temperatury samozapłonu w mieszance palnej.

Sposoby przenoszenia się procesu spalania:
1. Deflagracja jest przenoszenie się procesu spalania przez

płomień

Mechanizm

przenoszenia

jest

cieplny:

przez

przewodnictwo cieplne.

2. Detonacja
3. Tlenie

Płomień

jest to fala chemicznej reakcji egzotermicznej

rozchodząca się z charakterystyczną dla danej mieszanki palnej
prędkością, zwana prędkością propagacji płomienia.

Definicja detonacji:- fala detonacyjna jest to fala reakcji spalania
poprzedzona falą uderzeniową.

Strefa reakcji

Fala uderzeniowa (sprężanie mieszanki)
wzrost temperatury

Kierunek detonacji

Mieszanka
palna

Produkty
spalania

Ze względu na charakter przepływu płomienie dzielimy na:

- laminarne,
- turbulentne.

Ze względu na sposób mieszania:

- kinetyczne (wymieszane – mieszanka palna)
- dyfuzyjne (nie wymieszane – gaz i utleniacz osobno).

turbulentne

laminarne

dyfuzyjnie

mieszane

kinetycznie

mieszane

Laminarny płomień kinetyczny

Laminarny płomień dyfuzyjny

Schemat płomienia
dyfuzyjnego:
1 – paliwo,
2 – spaliny,
3 – utleniacz,
4 – temperatura,
5 – płomie

ń

Wykres stabilności płomieni w przestrzeni otwartej

Palniki gazowe

Zadaniem palnika jest dostarczenie gazu i powietrza oraz takie
zorganizowanie mieszania, żeby ukształtować płomień o
pożądanych cechach.

Cechy dobrego palnika:
- poprawna i stabilna praca w zakresie projektowego zakresu
warunków,
- mała emisja zanieczyszczeń,
- trwałość,
- mały poziom hałasu.

Rodzaje palników gazowych

•Powszechnego użytku (kompaktowe)
•Niskoemisyjne
•Rozpałkowe
•Pilotujące
•Specjalne

Zakres mocy palników gazowych: waty-megawaty

Palniki gazowe inżektorowe niskiego

ciśnienia - przykłady

Palniki gazowe inżektorowe niskiego

ciśnienia - przykłady

Palniki gazowe nadmuchowe - szczelinowe

Palniki gazowe nadmuchowe - wirowe

Lampa gazowa

Spalanie biomasy

W epoce pre-industrialnej (<1850 r.) drewno było dominującym

ź

ródłem energii wykorzystywane przede wszystkim w celach :

• grzewczych,

• w prymitywnych silnikach parowych,

• w metalurgii.

Do ważniejszych sposobów energetycznego wykorzystania

biomasy możemy zaliczyć:

1. Spalanie (spalanie bezpośrednie, współspalanie)

2. Pirolizę biomasy

3. Zgazowanie biomasy

4. Fermentację beztlenową

5. Fermentację alkoholową (np. bio-etanol)

6. Konwersję fizykochemiczną (np. bio-oleje)

Do negatywnych cech biomasy jako nośnika energii

możemy zaliczyć:

- różnorodność gatunków biomasy,

- zróżnicowanie rozmiarów i kształtów biomasy,

- zawilgocenie biomasy,

-rozproszenie biomasy,

-mały ciężar nasypowy biomasy,

-wysokie koszty transportu na większe odległości

-kłopotliwe magazynowanie

-Problemy z pozyskaniem odpowiedniej ilości biomasy

-i inne.

Paleniska do spalania biomasy:

Specyficzne cechy biomasy spowodowały,

ż

e nale

ż

ało opracowa

ć

wiele

typów specjalizowanych palenisk do jej spalania. Najbardziej typowe to:

• do spalania słomy,

• do spalania drewna w postaci: biedron, zr

ę

bków, pelletów,

• granulatów i trocin,

• do spalania odpadów produkcji ro

ś

linnej (łusek, kaczanów i bagassy).

Rekomendacja różnych form biomasy

zależnie od mocy paleniska

Spalanie większych kawałków drewna

Proces spalania cz

ą

stek drewna jest podobny do spalania młodych w

ę

gli, a

zwłaszcza w

ę

gli brunatnych. Fazy spalania cz

ą

stki drewna (biopaliwa stałego)

I. Nagrzewanie i suszenie.
II. Rozkład termiczny.
III. Spalanie produktów rozkładu termicznego.
IV. Spalanie pozostało

ś

ci koksowej.

Chemia spalania części lotnych

I. Rozkład termiczny na mniejsze molekuły, np.:

CH

3

COOH →CH4 + CO2

CH

3

CHO

→

CH4 + CO

II. Strefa spalania (generacji rodników):

C

2

H

6

+ M

→

2

CH

3

+ M

C

2

H

6

+ H

→

C

2

H

5

+ H2

CH

3

+ O

2

+ M

→

CH

3

O

2

+ M

CH

3

O

2

→

CH

2

O + OH

III. Strefa dopalania (rekombinacji i utleniania CO)

HCO + OH

→

CO + H

2

O

CO + OH

→

CO

2

+ H2

H + OH

→

H

2

O + M

Spalanie węgla drzewnego - Stałe pozostałości po

odgazowaniu części lotnych z biomasy

Pozostałość koksowa – (koks - węgiel drzewny):

- węgiel drzewny ma:
ok. 80% C
1-3% substancji mineralnej oraz
12-15% części lotnych.
- porowaty: 200-400 m

2

/g (po aktywacji 2000 m

2

/g

- reaktywny.

Mechanizm spalania pozostałości koksowej

(koksu, węgla drzewnego)

2C + O

2

→

2C(O)

C(O)

→

CO

C(O) + C(O)

→

CO

2

+ C

E = 125 kJ/mol

Temperatura zapłonu koksu: 200-250 °C

Temperatura spalania w warstwie: 800-1000

°

C

Temperatura spalania w płomieniu: 1200 – 1700

°

C

Piroliza drewna

Główne składniki drewna rozkładają się w temperaturze:

– hemicelulozy 500–600 K,

– celuloza 600–650 K,

– lignina 500–773 K

Stopień odgazowania drewna i słomy

Produkty rozkładu termicznego drewna:

• Gazowe (CO, CO2, CH4, C2H4, C2H6 i H2)

• Ciekłe/kondensujące (woda, metanol, kwas octowy,

ldehyd octowy i smoła),

• Stałe – pozostałość koksowa (koks, węgiel drzewny)

Wpływ temperatury na produkty pirolizy drewna Ilość i skład

gazów, smoły i karbonizatu zależy od szybkości nagrzewania,

Temperatury końcowej i czasu trwania.

Wpływ szybkości nagrzewania drewna

na produkty pirolizy

Produkty szybkiej pirolizy drewna

Paleniska do spalania drewna

Wybór paleniska zależy od

- postaci drewna (drwa, zrębki, trociny, pył)

- mocy cieplnej kotła.

Najczęściej stosowane typy palenisk:

- rusztowe z rusztem:

-stałym

-przesuwnym (pochyłe, schodkowe,

posuwisto-zwrotne)

- fluidalne (pęcherzykowe, cyrkulujące),

- retortowe

- cyklonowe (pyłowe).

Kocioł z rusztem stałym „na drewno”

Polana

Palniki gazowe nadmuchowe - szczelinowe

Funkcje prawidłowo działającego rusztu

Paleniska rusztowe „na drewno”

Możliwość spalania:

- różne rozmiary,
- zawartość do wody
60%,
- nieduża emisja
popiołu,

Ze względu na duży
udział części lotnych i
zawilgocenie zwykle
wymagane jest
przedpalenisko.
Znaczna emisja:
NOx i CO

Palnik retortowy do spalania granulatów

(pelletów)

Kocioł z paleniskiem retortowym do

spalania granulatów (pelletów)

Kocioł z paleniskiem retortowym do

spalania granulatów (pelletów)

Paleniska fluidalne „na drewno”

Możliwość spalania:

- ograniczone rozmiary,

- zawartość wody do

60%,

- zmienne obciążenie,

- mała emisja NOx

Problemy:

niebezpieczeństwo

defluidyzacji

Kocioł w EC Ostrołęka

Jeszcze jeden przykład paleniska fluidalnego

Konstrukcja kotła fluidalnego na
biomasę firmy Babcock

Dane techniczne:
- moc: 10-150 MWt
- wartość opałowa: 3-20 MJ/kg

Przedpalenisko cyklonowe „na drewno”

SPALANIE SŁOMY

Przygotowanie słomy do spalania

Słoma może być spalania w następujących postaciach:

– w belach lub balotach,

– pocięta (sieczka, dłuższe włókna)

– jako brykiety lub granulat (pelety).

Typy palenisk do spalania słomy

Ze względu na sposób podawania paliwa można wyróżnić trzy

typy kotłów do spalania słomy:

• kotły wsadowe – do okresowego spalania bel/balotów słomy

(ok. 20 – 500 kW),

• kotły do spalania rozdrobnionej słomy (sieczka, dłuższe

włókna) (do 50 MW)

• kotły do cygarowego spalania balotów (do 30 MW).

Systemy spalania wsadowego słomy

Palenisko ze stałym rusztem do wsadowego

spalania słomy w balotach (Dania)

Załadunek balotów do paleniska – kocioł wsadowy

Charakterystyka kotłów wsadowych

Kotły przepływowe

– sprawność: 35-40%
– duża emisja CO i pyłów

Kotły przeciwprądowe

– sprawność: 70-75%
– emisja CO: 1000-4000 mg/m3
– nadmiar powietrza: 25-50%

Cygarowy system spalania balotów

Palenisko cygarowe do ci

ą

głego spalania balotów, stosowane do kotłów

o mocy do 30 MW.

Charakterystyka kotłów na słomę rozdrobnioną

Podstawowe wyposażenie:

1. Linia podawania słomy (stół podawczy)

2. Rozdrabniacz słomy

3. Linia transportu słomy rozdrobnionej

(mechaniczny, pneumatyczny)

4. Zabezpieczenie przeciwpożarowe (śluza

mechaniczna oddzielająca układ transportu słomy

od podajnika)

5. Podajnik słomy do kotła (ślimakowy)

6. Kocioł z paleniskiem (ruszt schodkowy)

Rozdrabniacze słomy

Rozdrabniacze wolnoobrotowe tnące słomę na sieczkę o

długości 6-10 mm.

Moc kotłów : do 50 MW

Kocioł rusztowy na słomę w postaci sieczki

Spalania słomy w formie krótkich włókien

PEC Lubań Śl.
Typ kotła: WCO 80S
Moc: 1,0 MW

Wartość opał: 12-14,5 MJ/kg
Zużycie: 300 kg/h
Roczne zapotrzebowanie: 700-1200t/a

PEC Lubań Śl.

Charakterystyka emisji zanieczyszczeń

podczas spalania słomy

Emisja NOx i SO2 przy współspalaniu

biomasy z węglem w kotle pyłowym

Emisje innych zanieczyszczeń przy współspalaniu

węgla z biomasą

Przy współspalaniu biomasy z węglem w małych
kotłach (rusztowe) problemem jest emisja:

- tlenku węgla (ponad 10 tys. ppm co odpowiada 1%

obj. CO)

- WWA (wielopierścieniowych węglowodorów

aromatycznych

Duża emisja tlenku węgla wynika z dużej zawartości
części lotnych w biomasie typu: drewno i słoma.
Znaczenie ma też zawilgocenie węgla.
Spalanie drewna charakteryzuje się dużą emisją WWA.

Problemy związane ze spalaniem biomasy w kotłach:

- korozja chlorkowa (słoma),

- spiekanie i aglomeracja popiołów

(defluidyzacja złoża fluidalnego)

- tworzenie się osadów na powierzchniach

konwekcyjnych

- zagrożenia pożarowo-wybuchowe.

Składniki biomasy stwarzające problemy eksploatacyjne:

- znaczny udział chloru (słoma, trawa)

- znaczny udział metali alkalicznych

(drewno, słoma, trawa)

Porównanie właściwości popiołów

ze spalania biomasy i węgla

Korozja chlorowa podczas spalania biomasy

Mechanizm chemiczny korozji
chlorowej powierzchni stalowych

Zachodz

ą

ca w osadzie reakcja siarkowania chlorku potasu z udziałem

SO

2

ze spalin powoduje wyzwolenie gazowego chloru, który atakuje

ż

elazo i chrom w stali

2KCl(s) + SO2(g) + ½O

2

+ H

2

O

→

K

2

SO

4

(s) + 2HCl(g)

Spiekanie się złoża fluidalnego

Spalanie węgla
brunatnego ze
słomą rzepakową

Osady na ścianach kotła rusztowego opalanego biomasą

Zagrożenia wybuchowe stwarzane przez

pyły biomasy

Zgazowanie biomasy

Ważniejsze czynniki dla zgazowania biomasy

Produkty zgazowania biomasy:

• gazowe (główne),

• ciekłe (kondensujące, para wodna, alkohole, kwasy),

• smoła (ciężkie węglowodory kondensujące do stałej

postaci),

• stałe (popiół).

Technologie zgazowania biomasy

Gazogenerator
przeciwpr

ą

dowy

ze zło

ż

em stałym

Technologie zgazowania biomasy

Gazogenerator
fluidalny

Parametry procesu zgazowania drewna w

złożu fluidalnym

Porównanie gazu procesowego

otrzymanego ze zgazowania słomy i węgla

Zgazowanie drewna w małej skali:

kocioł do zgazowania i spalania drewna

YUGO RUNS BY WOOD-GAS

Zintegrowany gazogenerator-agregat SKIDS

3 kWe, 10 kWth wood pellet stirling

Dziękuję