Prof. dr hab. inż Stanisław Mańkowski

Politechnika Warszawska

Źródła ciepła -ocena stanu obecnego i kierunki modernizacji

Wzrost sprawności energetycznej komunalnych źródeł ciepła zasilających miejskie systemy ciepłownicze zaczął być znaczącym problemem od pierwszej połowie lat osiemdziesiątych. W tym bowiem czasie z jednej strony koszt ciepła sieciowego w bilansach rodzinnych zaczął stopniowo wzrastać osiągając poziom 8 -10%. Proces ten wywoływał narastającą niechęć i krytykę racjonalności działania tych systemów. Przywołuję poniżej opracowanie z roku 1988 Komitetu Inżynierii Lądowej PAN o wymownym tytule odpowiadającym tej opinii. Zjawisko to było spowodowane trzema wiodącymi czynnikami: stopniowym wzrostem krajowych cen nośników energetycznych ( głównie węgla i gazu sieciowego ) do poziomu europejskiego przy zdecydowanie niższej sile nabywczej statystycznego odbiorcy, nadmiernej energochłonności obiektów budowlanych oraz niską sprawnością energetyczną systemów wytwarzania, transportu i rozdziału ciepła sieciowego. W efekcie w początku lat dziewiędziesiątych pojawił się dodatkowy czynnik konkurencja gazu sieciowego a kolejno pod koniec dekady opłaty środowiskowe związane z emisją zanieczyszczeń gazowych i stałych. W ostatnim okresie, a szczególnie po wejściu Polski do Unii Europejskiej pojawiły się dodatkowe przesłanki wymuszające dalszy wzrost sprawności energetycznej systemów ciepłowniczych. Do nich należy zaliczyć:

• przyjętą w roku 1995 przez Komisję Europejską tzw. „Białą Księgę” określającą podstawy i kierunki rozwoju europejskiej energetyki oraz dokument z roku 2000 określany jako „Zielona Księga” dotyczący redukcji emisji gazów powodujący w powstawanie efektu cieplarnianego,

• szereg Dyrektyw Europejskich takich jak :1996/61/EC określana jako IPPC dotycząca implementacji tych zapisów do polskiego prawa z zakresu ochrony środowiska , 2001/80/ WU w sprawie ograniczenia emisji zanieczyszczeń powietrza z dużych źródeł spalania paliw ( powyżej 50 WMt ), 2004/8/UE w sprawie promowania kogeneracji , czy dokument wynikający z Prawa Energetycznego określony pt. „Polityka Energetyczna Polski do roku 2025”.

W zbiorze działań zmierzających do zmiany jej sytuacji były programy obejmujące modernizacje źródeł ciepła a szczególnie węglowych kotłów z rodziny WLM i WR których kilka tysięcy pracowało w ciepłowniach komunalnych i przemysłowych. Działania te rozpoczęte na początku lat 80 -tych zostały opisane w bogatej literaturze tematu liczącej ok. kilkudziesięciu pozycji obejmujących również szereg praz autorów z Centralnego Biura Konstrukcji Kotłów - Tarnowskie Góry. Znaczący podsumowaniem tych działań w zakresie kotłów energetycznych była wydana w rok 2002 ksiązka autorstwa M. Pronobisa. Kotły przepływowe tego typu konstruowane były w latach 50 - tych w okresie w którym proces zaopatrzenia w ciepło sieciowe miast był działalnością administracyjno i charytatywną a nie gospodarczą. Pierwotne maksymalne sprawności energetyczne tych konstrukcji wynosiły 72 -76% przy stromych przebiegach ich charakterystyk sprawnościowych. Pierwotny przebieg charakterystyki sprawności energetycznej pokazana na rys.1.

100

η %

92

85 -87

72 -76

60

0,4 1,0 ϕ = Qx/Qo

Rys.1 Wzrost sprawności energetycznej modernizowanych przepływowych węglowych kotłów typu WR i WLM

Pierwotna modernizacja omawianych kotłów zmierzała w kierunku wzrostu ich mocy -co skutecznie osiągnięto wprowadzając kotły narzutowe. Liczne prace Kopydłowskiego publikowane w tym czasie prezentowały szereg szczegółowych rozwiązań tej drogi postępowania. Paleniska narzutowe poza znaczącym wzrostem mocy cieplnej kotła ( rzędu 30 do 50 % ) wywoływały jednak szereg zjawisk niekorzystnych takich jak;

• w wyniku wzrostu temperatury w komorze spalania występował wzrost wytwarzania NOx co do poziomu obecnie nie akceptowalnego

• następował zdecydowany wzrost zapylenia spalin za kotłem wymuszający stosowanie multicyklonów lub filtrów workowych powodując konieczność wymiany wentylatorów wyciągowych,

• regulacyjność kotła była ograniczona a zmiany obciążenia kotła prowadziły w wyniku krótkie drogi spalin do powstawania CO oraz sadzy.

Tak więc, po paru latach kotły narzutowe częściowo straciły swoją atrakcyjność. Jednak istnieją sytuacje w których przy stabilnych warunkach pracy kotły tego typu są stosowane z powodzeniem.

Próba wprowadzenia do ciepłowni komunalnych techniki spalania w warstwie fluidalnej również nie przyniosła pozytywnych rezultatów. Opracowano i wprowadzono do eksploatacji szereg rozwiązań prototypowych jednak proces ten okazał się zwycięstwem możliwości technicznej nad racjonalnością ekonomiczną.

Obecnie modernizacja kotłów głównie ma na celu wzrost ich sprawności energetycznej i ograniczanie emitowanych zanieczyszczeń. Powstało więc wiele równoległych rozwiązań poszczególnych modułów kotów. Obecnie problem standardowej modernizacji sprowadza się do wyboru konkretnego zestawu rozwiązań z uwzględnieniem czynników ekonomicznych. Poniżej podano ogólną specyfikację istniejących rozwiązań modernizacyjnych.

System podawania paliwa. Rozwiązania tego obszaru obejmują: podajniki obrotowe, pojedyncze lub podwójne przy współspalaniu biomasy, warstwownice grzebieniowe z nadmuchem części powietrza wtórnego, wózki z podająco - rozgarniające eliminujące segregację paliwa na ruszcie, regulacje położenia warstwownicy i napędu rusztu.

Komora spalania. Szereg rozwiązań uszczelniających komorę w celu ograniczenia współczynnika nadmiaru powietrza, ściany szczelne, zmodernizowane skrzynie rusztowe z nowy kształtem łuek rusztowych, rozwijane powierzchnie ekranów opromieniowanych w zakresie sekcji dolnych z komorą przyrusztową ( kotły WR10 ), optymalizacja wprowadzenia powietrza wtórnego, techniki czyszczenia powierzchni wymiany ciepła części opromieniowanej i konwekcyjnych.

Ciąg spalinowy. Wstępne oczyszczanie spalin- stosowanie odpylaczy koncentrycznych z nawrotem pyłu na ruszt, izolowanie cieplne i uszczelnanie kanałów spalinowych, instalowanie dochładzaczy spalin za kotłem, zastępowanie podgrzewaczy powietrza pierwotnego wodnymi nagrzewnicami powietrza, regulacja automatyczna pracy wentylatorów wyciągowych , wprowadzenie częściowej recyrkulacji spalin w celu obniżenia emisji NOx.

Automatyzacja i monitorowanie pracy kotłów. Obszar ten obejmuje: pomiary podstawowych parametrów pracy kotła a szczególnie składy spalin za kotłem, pomiary ciśnień i temperatur czynników, automatyzacje takich procesów jak stabilizację mocy kotła , podciśnień w komorze spalania i ciągu spalinowym, natężeń przepływu wody i powietrza, parametrów pracy dochładzaczy spalin oraz rozdziału powietrz pierwotnego w strefach podrusztowych.

Zmodernizowanie kotłów - według tych standardów określonych podanymi zakresami rozwiązań - charakteryzują się znacznie podwyższonymi sprawnościami i płaskim przebiegiem ich zmienności - co pokazano na rys 1. Przy właściwym doborze modernizowanych podzespołów oraz optymalnym obciążeniu kotła (ϕ = 0,6 do 08 ) można uzyskać sprawność energetyczną na poziomie 85 -88%.

Można postawić pytanie czy uwzględniając obecne możliwości techniczne oraz ograniczenia ekonomiczne osiągnięto kres wzrostu sprawności energetycznej rozpatrywanych kotłów. Uważam że poruszając się w obszarze realiów można podnieść graniczne sprawności omawianych rozwiązań na poziomie 92% a więc do poziomu właściwego dla dużych kotłów energetycznych. Oznacza to że przy 50% udziale w kosztach rodzajowych pozycji związanej z paliwem ( koszt paliwa, transportu, opłat środowiskowych itp. ) tą drogą można uzyskać ograniczenie kosztów operacyjnych o ok. 2,5 do 3%. Również na rys. 1 pokazano przebieg takiego - idealnego - kotła ciepłowniczego.

Schemat technologiczny takiego kotła pokazano na rys.2. Zasada pracy jest prosta - dochładzaczem spalin umieszczonym za kotłem obniża się ich temperaturę do poziomu przy którym temperatura wewnętrznych ścianek ciągu spalinowego jest nieznaczne wyższa od temperatury punktu rosy spalin wyższa o określony margines niedokładności np.15K. Jak wiadomo temperatura punktu rosy spalin określa początek przemiany fazowej wody która w kontakcie z występującym w spalinach SO₃ tworzy kwas siarkowy H₂SO₄. Tak określoną temperaturę definiują się często jako praktyczny albo kwasowy punkt rosy spalin co również uczyniono w pozycji 4 przypisów. Wartość tak określonej temperatury punktu rosy spalin (t^r_sp.) zależy od szeregu czynników takich jak:

• wartości współczynnika nadmiaru powietrza (λ) jego parametrów a szczególnie wilgotności,

• składu węgla energetycznego a szczególnie zawartości siarki palnej i wilgotności całkowitej traktowanej jako suma wilgotności przemijającej i higroskopijnej

• stopnia zapylenia spalin.

Tak więc wartość jest t^r_sp zmienna w szerokich granicach. Według Pronobiza (4 ) wodny punkt rosy spalin dla węgla kamiennego przy zmianie λ od 1 do 2 zmienia się od 43 do ok. 34 ⁰C. Natomiast kwaśny punkt rosy spalin określa się w sposób bardzo nie precyzyjny i według tej pozycji dla kotłów rusztowych_. przy zawartości siarki palnej w paliwie na poziomie o,4 do 0,6 % zawiera się w granicach od 85 do 125 ^oC. Z drugiej strony temperatura ścianek kanałów spalinowych też jest zmienna i zależy oczywiście od stanu izolacji cieplej, temperatury spalin oraz warunków termicznych powietrza zewnętrznego - temperatury, nasłonecznenia, prędkości wiatru itp.

Niezbędnym warunkiem wprowadzenia pokazanego na rys 2 układy funkcjonalnego jest konieczność prowadzenia technicznych pomiarów temperatury kwaśnego punktu rosy spalin. ⁰W Polsce zagadnieniem zajmował się zespół „ENERGOPOMIARU” Sp. z o.o. - Gliwice publikując referat dotyczący tego zagadnienia. W pracy tej stwierdzono, cytuję:

Z wykonanych do tej pory pomiarów wynika, że w większości polskich elektrowni istnieje możliwość znacznego a jednocześnie bezpiecznego obniżenia temperatury spalin do wartości, które spotyka się w podobnych obiektach na zachodzie.Na przykład w RFN uzyskano już w latach sześćdziesiątych średnie temperatury za kotłami na poziomie ok.125[⁰C] przy węglu....

I kolejne cytaty:

Niestety średnia temperatura..... za kotłami w polskiej energetyce zawodowej na węglu kamiennym wynosi 162,48[⁰C]...

W ostatnich latach uzyskuje się również pozytywne wyniki obniżając temperaturę spalin za kotłem poniżej 100[⁰C]jak np. przy nikotemperaturowym odsiarczaniu...

W oparciu o własne doświadczenia stwierdzam, że w ciepłowniach komunalnych eksploatujących w większości kotły przepływowe WLM i WR sytuacja w tym zakresie jest zdecydowanie gorsza gdyż średnie temperatury spalin za kotłami osiągają poziom 170 - 180 [⁰C]. a w skrajnych przypadkach 200 -240[⁰C]. Często jest to wynikiem stopniowego zarastania pyłem powierzchni wymiany ciepła zarówno w części opromieniowanej jak i konwekcyjnej.

Rys 2.Schemat funkcjonalny kotła z dochładzaniem spalin przy pomiarze temperatury punktu rosy

Przyczyn takiego stanu jest wiele jedną z nich jest przekonanie, że temperatura punktu rosy znacznie przekracza poziom 100[⁰C] a z reguły jest niższa od tej wartości. Drugim równie istotnym czynnikiem jest zła lub brak izolacji cieplnej ciągów spalinowych obejmujących również stalowe konstrukcje kominów. Konstrukcje kanałów spalinowych zawierają ponadto liczne mostki cieplne gdyż były projektowane bez zwracania uwagi ma proces racjonalizacji wytwarzania ciepła. Znam liczne ciepłownie komunalne dużych mocy w których zarówno urządzenia odpylające jaki całe cięgi kanałów spalinowych nie mają żadnej izolacji cieplnej.

Możliwość ciągłego pomiaru temperatury umożliwia miernik nazwany przez autorów „Rosomierzem KPR 02” jest kraju produkowany. Miernik ten wykorzystuje znane zjawisku znacznej zmiany rezystancji elektrycznej pomiędzy dwoma elektrodami umieszczonymi na sondzie z szkła borowo krzemowego w momencie kondensacji H₂O i powstawania na powierzchni czujnika elektrolitu kwaśnego. Temperatura powierzchni czujnika przy której następuje zmiana rezystancji traktowana jest jako temperatura kwaśnego punktu rosy . Cyklicznie czujnik jest podgrzewany i chłodzony strumieniem nadmuchiwanego powietrza co umożliwia prowadzenie punktowych ale ciągłych pomiarów tej wartości.

Osiągnięcie w omawianych kotłach sprawności energetycznej na poziomie 92 % wymaga rozwiązania szeregu dodatkowych problemów dotyczących zagadnień pomiarowych, regulacyjnych i czy konstrukcyjnych oraz ich oceny ekonomicznej. Wprowadzenie przez Urząd Regulacji Energetycznej możliwości utrzymania taryfy w kolejnych latach przy ograniczaniu kosztów rodzajowych np. wyniku modernizacji urządzeń procesowych jest decyzją właściwą.

Podsumowanie

W tym krótkim referacie wykazano istnienie dalszych możliwości technicznych -zawierających się w zbiorach ekonomiczne uzasadnionych - modernizacji komunalnych źródeł ciepła znajdujących się w tradycyjnych węglowych standardach technologicznych. Wprowadzanie nowych technologii jak turbin gazowych z kotłami odzysknicowymi , układów parowo -gazowych czy z silnikami tłokowymi gazowymi , współspalanie biomasy czy ogólnie systemy przetwarzania odpadów komunalnych na energię elektryczną są to procesy które pojawiły się w energetyce komunalnej ale z różnych względów również regulacyjnych ,zasięg ich jest i jeszcze przez wiele lat będzie ograniczony.

.

W.Cherubin i inni. Ekspertyza- Kierunki uciepłownienia miast i osiedli w świetle wysokich kosztów budowy eksploatacji awaryjności scentralizowanych systemów ciepłowniczych PAN KonitetInżynierii Lądowej. Warszawa 1988 r.

Froning S. Produkcja skojarzona i ciepło sieciowe w europejskiej polityce energetycznej. Ciepłownictwo w Polsce i na Świecie Rocznik VI /1999 zeszyt 1 /2

Parlament Europejski. Zielona Księga - 29 listopad 2000 r.

Pronobis M. Modernizacja kotłów energetycznych WNT Warszawa 2002 r.

Wąsik J. Błaszczyk ENERGOPROJEKT - Gliwice. Zagadnienie metody pomiaru temperatury kwaśnego punktu rosy spalin. Sympozjum Wymiany Ciepła i Masy. Kraków 2004 r.

Zakład Pomiarowo - Badawczy Energetyki ENERGOPOMIAR Sp. z o.o.

Prospekt Rosomierza KPR -02

3

Stan pierwotny

Modernizacja standardowa

Modernizacja docelowa - kocioł idealny

Sprawność energetyczna

Współczynnik obciążenia kotła

Pomiar temperatury punktu rosy spalin i temperatur wewnętrznej powierzchni ścianek kanałów spalinowych ch

Kryza

Regulator

W

spaliny

Dochładzacz spalin

powietrze

Kocioł

paliwo

---