IMiUE, WSZYSTKO O ENERGII I ENERGETYCE, ENERGETYKA, KOPYDŁOWSKI

Tarnowskie Góry, 2008.12.14

Instytut Maszyn i Urządzeń

Energetycznych Politechniki

Śląskiej

ul. Konarskiego 22

44-100 Gliwice.

Opowieść o losie polskiej energetyki zgotowanym jej przez jednego agenta SB.

Część trzydziesta czwarta

Powody pozostawienia polskich kotłów rusztowych w stanie zacofania technicznego

z okresu pierwszych lat istnienia Peerelu.

C. O skutkach pozbawienia przez agenta SB przemysłu kotłowego Peerelu jedynego przyszłego konstruktora rusztów.

Część szósta: Jedną z wielu konsekwencji całkowitego braku konstruktorów rusztów jest również działanie Trustu Mózgów w Instytucie Techniki Cieplnej Politechniki Gliwickiej.

Dowodem na jego istnienie jest treść referatu autorstwa Andrzeja Szlęka. Można się z niego dowiedzieć, że „... niedoskonałości konstrukcyjne kotła (czytaj: rusztu), takie jak szczeliny pomiędzy rusztem (czytaj: pokładem rusztowym) a strefami podmuchowymi (czytaj: uszczelnieniami międzystrefowymi ) oraz nieszczelności konstrukcji (czytaj; skrzyni podmuchowej rusztu) uniemożliwiają pełną kontrolę ilości powietrza w poszczególnych strefach.

Można przy tym stwierdzić, że niedoskonałości te prowadzą do nadmiaru powietrza w tylnej części kotła (czytaj: rusztu), którego konsekwencją jest wyższa emisja tlenków węgla oraz wyższa emisja pyłów. Dalej można dowiedzieć się, że „te niekorzystne zjawiska ograniczyć można przez zastosowanie recyrkulacji powietrza.”

Z rys. 4 załączonego do referatu wynika, że ta recyrkulacja powietrza polega na zastosowaniu drugiego wentylatora powietrza, którego zadaniem jest odsysanie powietrza z tylnych stref podmuchowych rusztu i wtłaczanie go z powrotem do nieszczelnej skrzyni powietrznej rusztu, z której część tego nawracanego powietrza - przez „niedoskonałe konstrukcyjnie” uszczelnienia międzystrefowe - działaniem tego odsysania ze strefy bez tego odsysania w jeszcze większej ilości dostanie się znowu do sąsiadującej z nią strefy z jego odsysaniem. Dlaczego tylko część? Ponieważ dla nieszczelności skrzyni powietrznej, przez które powietrze z nich wypływa wprost do przestrzeni komory paleniskowej nad rusztem, obojętne jest źródło pochodzenia tego powietrza - a mianowicie, czy pochodzi ono z wentylatora podmuchowego, czy z owej recyrkulacji.

Z dalszej treści owego referatu można się dowiedzieć dodatkowo, że tą recyrkulacją z ponad pokładu rusztowego wraz z nadmiarem powietrza doprowadzanego do strefy podmuchowej zasysany jest zarazem tlenek węgla powstający z utleniania się leżącej na nim warstwy koksu, z następnym wprowadzaniem go do skrzyni podmuchowej.

Dlaczego naukowiec politechniczny specjalności cieplnej nie jest w stanie pojąć, że taki efekt odsysania przede wszystkim musi całkowicie odcinać wypływ powietrza ze strefy ponad pokład rusztowy, to już nie jest sprawa do dochodzenia przez inż. J. Kopydłowskiego.

O niezdolności do pojmowania tego stanowi niezbicie stwierdzenie, że recyrkulacją odsysa się tylko nadmiar powietrza dopływającego do strefy podmuchowej, natomiast „ ... nie ulega zmniejszeniu strumień gazów przepływających przez warstwę paliwa (czytaj: przez warstwę spalającego się nad strefą podmuchową koksu), co mogłoby prowadzić do zwiększenia straty w żużlu.”

Działaniem takiej recyrkulacji powietrza żadna jednak jego ilość ze strefy podmuchowej przez pokład rusztowy wypływać nie może, ponieważ zasysania tlenku węgla (ściśle spalin z warstwy koksu palącego się na ruszcie) przez wentylator pod pokład rusztowy, z jednoczesnym wypływem ze strefy powietrza podmuchowego ponad pokład rusztowy, a więc w drugim kierunku (ściśle: tym samym kanałem), żadnymi prawami fizyki wyjaśnić nie sposób.

Z przysłowiowego „kapelusza” zostały również wzięte efekty „wstępnych badań” zastosowania owej recyrkulacji w kotle typu WR25, co wynika z danych podanych w owym referacie: zawartość tlenu w spalinach wylotowych miała obniżyć się (jako zmiana względna) o 9 %, to jest z wartości O₂ = 16,9 % do wartości O₂ = 15,4 %, co miało dać zwiększenie sprawności kotła z η = 89 % osiąganej bez recyrkulacji do η = 92,6 %.

Dlaczego? Ano bo:

Z podanej dodatkowo temperatury spalin wylotowych 118 ⁰C można obliczyć, że przy zawartości tlenu w spalinach O₂ = 16,9 % (λ = 5,1) strata wylotowa kotła wynosiłaby 18,6 %, a przy zawartości tlenu O₂ = 15,4 % (λ = 3,8) strata wylotowa kotła wynosiłaby 13,7 %.

Zmniejszeniu zawartości tlenu w spalinach z O₂ = 16,9 % do O₂ = 15,4 % odpowiadałby więc spadek straty wylotowej o 18,6 % - 13,7 % = 4,9 % . Po dodaniu do rzekomej wcześniejszej wartości tej sprawności wynoszącej η = 89 % dałoby to nawet sprawność η = 93,9 %.

Dodając jednak do sprawności kotła η = 89 %, podanej bez owej recyrkulacji powietrza, wszystkie możliwe straty cieplne (przyjmując, poza stratą wylotową, najniższe z możliwych do wystąpienia wartości straty niecałkowitego spalania i straty promieniowania kotła do otoczenia), otrzymuje się w sumie wartość: 89% + 18,6 % + 3,5 % + 2,0 % = 113,1 %. Nadmiaru sprawności ponad 100% (w odniesieniu do dolnej wartości opałowej węgla) żadną z dotychczas powstałych teorii dotyczących kotłów rusztowych wyjaśnić nie sposób. [

Wyjątkowy bezsens stosowania tej recyrkulacji powietrza podmuchowego, przy dodatkowym stwierdzeniu że podana sprawność „obarczona jest niepewnością związaną z wyznaczeniem gęstości nasypowej węgla oraz jego wartości opałowej”, również że badania te trwały trzy godziny, wcale nie stanął na przeszkodzie w wyprowadzeniu przez Andrzeja Szlęka takich oto wniosków końcowych:

„Analizowana metoda poprawy działania kotła rusztowego poprzez zastosowanie recyrkulacji gazów z wnętrza komory spalania jest rozwiązaniem przynoszącym wiele korzyści, które przedstawione zostały w poprzednim punkcie artykułu.

Podstawową zaletą jest wyraźne ograniczenie emisji pyłów, które daje nadzieję na możliwość spełnienia przyszłych ograniczeń emisyjnych bez instalacji kosztownych odpylaczy elektrostatycznych.

Równie istotne jest zwiększenie sprawności kotła i związane z tym zmniejszenie zużycia paliwa oraz emisji dwutlenku węgla W przypadku niskiego obciążenia kotła, jakie miało miejsce w opisywanych badaniach, system pozwala na zapewnienie właściwej, koniecznej do całkowitego spalania, ilości powietrza w strefie spalania bez konieczności zwiększania całkowitego stosunku nadmiaru powietrza.

Ten Trust Mózgów nie kompromitowałby owym „wynalazkiem” szkolnictwa politechnicznego, gdyby przynajmniej wiedział, że:

- nieszczelność skrzyni powietrznej rusztu nie powoduje wzrostu ilości powietrza dopływającego do stref podmuchowych rusztu, lecz odwrotnie - zmniejsza ją,

- wadliwa konstrukcja uszczelnień międzystrefowych przy różnicy ciśnienia w poszczególnych strefach - wynikającej z prawidłowej regulacji procesu spalania węgla, lub spowodowanej jego zakłóceniami - powoduje przepływ powietrza z jednej strefy do drugiej niezależnie od tego w którym miejscu znajdują się one na długości rusztu, a więc nie tylko z tyłu,

- do zasysania tlenku węgla i dwutlenku węgla - ściśle, spalin powstających z palącego się na ruszcie koksu - do strefy podmuchowej, musiałoby istnieć w niej podciśnienie; to podciśnienie powodowałoby, że ze strefy tej nic nie mogłoby wylatywać, a jedynie mogłoby wlatywać, z następnym odsysaniem z niej działaniem owego wentylatora, do następnego wtłaczania do skrzyni podmuchowej rusztu; czego faktycznie, to z mętnej treści referatu Andrzeja Szlęka trudno dociec.

W przypadku gdyby nawet było prawdą, że ta recyrkulacja sprawdziła się,

spowodowaniem obniżenia w kotle typu WR25 współczynnika nadmiaru powietrza z λ = 5,1 do λ = 3,8,

to o wyjątkowym mizernym efekcie jej zastosowania powinien stanowić rys. 20.

Zostały na nim naniesione krzywe współczynnika nadmiaru powietrza z dokonanych 15 ÷ 20 lat temu badań kotłów wodnych typu WCO80 z „nieco zmodernizowanym” rusztem konstrukcji inż. J. Kopydłowskiego. Nie wnikając w szczegóły, ruszt ten miał już wtedy całkowicie szczelną skrzynię podmuchową oraz znacznie poprawioną konstrukcję uszczelnień międzystrefowych. Pozbawiony więc był mankamentów, które zgodnie z treścią owego referatu stanowiły wyłącznie o konieczności wyposażania kotłów rusztowych w ową recyrkulację powietrza podmuchowego do odsysania nadmiaru powietrza z tylnych stref podmuchowych rusztu, z jednoczesnym zasysaniem spalin z wnętrza komory paleniskowej do skrzyni podmuchowej rusztu poprzez owe strefy podmuchowe - kupa śmiechu!

W celach poglądowych, na rysunku tym za 100 % nominalnej wydajności kotła WCO80 nie przyjęto jego katalogowej wydajności 1,1 MW (patrz pionową linię przerywaną), lecz wydajność 2,0 MW, którą po takiej modernizacji powinien osiągać spalając węgiel niespiekający się. Wartości przy wszystkich punktach krzywych zmiany wartości współczynnika nadmiaru powietrza to strata wylotowa kotła i odpowiadająca jej temperatura spalin wylotowych.

Krzywe leżące w polu wykresu powyżej wydajności 2,0 MW (do 150 % jej wartości) należy traktować jako wyniki uzyskane przy spalaniu w kotle węgla średnio spiekającego się, z czym wiąże się zarówno możliwość takiego dalszego jej przekraczania, jak i spalania z jeszcze niższym współczynnikiem nadmiaru powietrza. Nad linią odciętą wykresu naniesiono również skalę obciążeń, przy założeniu, że wydajność nominalna zmodernizowanego kotła typu WCO80 odpowiada jego mocy cieplnej 3,0 MW (prawy skraj wykresu).

W górnym polu wykresu naniesiono również (przeniesione z rys.12) krzywe współczynnika nadmiaru powietrza z dokonanych w 1977 r. badań parowych kotłów typu OR16, jako porównawczych z wynikami badań kotłów amerykańskich z paleniskiem narzutowym.

Krzywe dla kotłów typu OR16 (będących połówką kotłów typu OR32, które konstrukcją i wielkością paleniska odpowiadają kotłom wodnym typu WR25) dowodzą wyraźnie układania się w ich polu wartości współczynników nadmiaru powietrza (λ = 5,1 i λ = 3,8) z badań efektów owej recyrkulacji. Przedstawiony przez Andrzeja Szlęka wynik obniżenia nadmiaru powietrza do λ = 3,8 sugerowałby więc wręcz zlikwidowanie w ogóle stref podmuchowych, bo przecież lepsze wyniki uzyskano w badaniach kotłów z amerykańskim paleniskiem narzutowym pozbawionym tych stref (patrz rys.12).

W zorientowaniu jak bardzo źle były eksploatowane kotły typu OR16, a więc zarazem ów kocioł WR25 z zastosowaną w nim recyrkulacją nie wiadomo czego, powinna pomóc krzywa 7 na tym rysunku. Informuje ona jak zmieniałaby się wartość współczynnika nadmiaru powietrza przy obniżaniu wydajności kotła z zachowaniem stałej ilości doprowadzanego do paleniska powietrza, odpowiadającej jego ilości dla wydajności nominalnej kotłów przy λ = 1,3.

Wieloletnim staraniem inż. J. Kopydłowskiego było jednak między innymi to, aby wartości tego współczynnika „nie bujały tak w obłokach”, lecz leżały jak najniżej linii odciętej tego wykresu. Tylko niewiele wyżej niż w przypadku krzywych z rys. 12 z badań kotłów zmodernizowanych przez wyposażenie ich w polskie palenisko narzutowe.

Z przebiegu na rys. 20 krzywych dla kotłów typu OR16 wynika przy tym, że wzrost wartości współczynnika nadmiaru powietrza wcale nie musi być powodowany obniżaniem obciążenia kotła.

Zależność straty wylotowej kotła od wartości tego współczynnika przedstawia tabela załączona do pisma z 2008.11.30 do IMiUE oraz rys. 15. Natomiast jak jego wzrost wpływa na samo zużycie węgla przez kocioł, to można zorientować się z rys.21. W sprawie wzrostu zużycia węgla wartości straty wylotowej obliczone z danych zawartych w referacie Andrzeja Szlęka mogą nieco dezorientować, ponieważ dotyczą przypadku kotła z bardzo niską temperaturą spalin wylotowych, dla której nie została nawet przewidziana krzywa temperatury na rys.15 - z braku dla niej danych ze sprawozdań z badań cieplnych kotłów rusztowych.

Załączniki: Rys. 20 i rys. 21 (-) J. Kopydłowski

Przez co poza energetyką zawodową dysponuje ona kotłami o konstrukcjach pochodzących sprzed wojny i sięgających w zakresie kotłów o małych wydajnościach okresu wojen napoleońskich.

Wstępna ocena wpływu recyrkulacji powietrza podmuchowego na pracę kotła rusztowego, referat na XII Forum Ciepłowników Polskich, Międzyzdroje, 14 ÷17 września 2008 r.

Dr hab. inż. Andrzej Szlęk jest profesorem nadzwyczajnym i zarazem zastępcą dyrektora d/s nauki w Instytucie Techniki Cieplnej Politechniki Śląskiej.

Tutaj można się tylko zgodzić ze stwierdzeniem o zwiększonej ilości pyłu unoszonego z komory paleniskowej ze spalinami. Oczywiście również jako efektu spalania z wysokim współczynnikiem nadmiaru powietrza, o czym będzie, ale po kolei.

Każdy zdolny do logicznego rozumowania zapytałby oczywiście: nie lepiej to jak w „nieco zmodernizowanym” ruszcie konstrukcji inż. J. Kopydłowskiego pozbyć się całkowicie nieszczelności skrzyni podmuchowej, a nieszczelności międzystrefowe zredukować do niezbędnego technicznego minimum?

Przy założeniu straty paleniskowej S_c = 3,5 % i dla wartości opałowej węgla Q_r = 20 MJ/kg.

Przy możliwym modernizacją kotłów techniką inż. J. Kopydłowskiego spalania węgla przy współczynniku nad-miaru powietrza λ = 1,3 (O₂ = 5 %) wynosiłaby ona 5 %.

Niskie straty wylotowe - nawet przy λ = 5,1 i λ = 3,8 - wynikają z bardzo niskiej temperatury spalin wylotowych, w stosunku do występujących w kotłach rusztowych - patrz rys. 15.

Skąd wzięła się recyrkulacja gazów z wnętrza komory spalania, skoro przedmiotem owego „wynalazku” jest recyrkulacja powietrza podmuchowego w obrębie skrzyni podmuchowej rusztu, tego już chyba nie pojmie nikt.

Co naprawdę może być powodem niemożliwości uzyskania właściwego przepływu powietrza przez poszczególne strefy po- dmuchowe rusztu, to wymaganie znajomości tego od owego Trustu Mózgów byłoby nietaktem.

Dwadzieścia lat temu byli już nawet zwolennicy czegoś tak bezmyślnego, a nazywali się mgr inż. Karol Machura i mgr inż. Józef Wasylów.

Dla inż. J. Kopydłowskiego amerykańska technika konstruowania paleniska narzutowego już jednak od 1975 r. nie była żadnym wzorem do naśladowania.

Dlaczego nawet w zmodernizowanych kotłach typu WCO80 wartość tego współczynnika, jako mierzona na wylocie spalin z kotła, zwiększała się wraz z obniżaniem ich wydajności, to wszystko po kolei.

Ściśle, najbliżej wartości λ = 1, czyli teoretycznego zapotrzebowania powietrza do spalania.