Motto: „Szkoda … , że nie napisał Pan książki dotyczącej projektowania kotłów i nie zamieścił w niej swojej dużej wiedzy przedmiotowej. Myślę, że byłaby to wartościowa pozycja dedykowana do inżynierów i konstruktorów; napisana przez praktyka, a nie teoretyka. Oczywiście z pożytkiem także dla studentów” - naukowiec z IMiUE Politechniki Śląskiej. |
Tarnowskie Góry, 2012.08.05
Kancelaria Prezesa Rady Ministrów Al. Ujazdowskie 1/3 00-942 Warszawa
|
Wykazanie dlaczego nie można poprawić bardzo złej sytuacji energetyki przemysłowej i ciepłownictwa, mimo dysponowania przez Polskę najdoskonalszą w świecie techniką kotłową
autorstwa jednego polskiego inżyniera.
Część 213
Jak przez około sto lat błądzono w skali światowej w pomysłach na spalanie węgla w kotłach rusztowych, to do zorientowania powinno już wystarczyć ich porównanie z rozwiązaniami którymi to spalanie opanował inż. J. Kopydłowski.
Kotłowi szarlatani nie wyrządzaliby tyle szkody, gdyby w swojej działalności nie korzystali z rozwiązań zachodnich oraz z pomysłów krajowych naukowców politechnicznych, lecz przynajmniej trzymali się rozwiązań zastosowanych we wcześniejszych jego dokumentacjach, wstrzymując się zarazem od ich „udoskonalania” - część czterdziesta pierwsza.
Głównym powodem ogromnego marnotrawstwa węgla w tysiącach polskich kotłów rusztowych nie są jednak aeroseparacja, węglospady, czy odpylanie spalin ich zasysaniem przez tylne leje stref podmuchowych, lecz jest powszechna nieświadomość jak trzeba doprowadzać powietrze do paleniska.
Ustęp dwudziesty pierwszy.
Jakiej ignorancji w sprawie samego doprowadzenia powietrza do paleniska warstwowego z rusztem łuskowym próbuje przeciwstawiać się polski konstruktor kotłów, to jednym z wielu dowodów na to jest treść Załącznika I oraz będąca jego uzupełnieniem treść Załącznika II. Jest to zasadnicza treść pięciu książek wydanych w przeciągu 20-stu lat (od 1952 r. do 1972 r.) dotycząca procesu spalania węgla w palenisku warstwowym z rusztem łuskowym oraz doprowadzania powietrza mającego służyć temu spalaniu.
g. Jak polski konstruktor kotłów w pierwszej dekadzie 21 - go wieku maksymalnie udoskonalił światową technikę samego doprowadzania powietrza pod ruszt łuskowy, będący jedną z odmian rusztów wędrownych znanych już w 19-tym wieku, to powinno wynikać z Załącznika IX do części 208 - ciąg dalszy.
g.9. Do ogromnego marnotrawstwa węgla w kotłach rusztowych jeśli chodzi o same książki, najbardziej przyczynia się ich treść informująca jak trzeba źle doprowadzać powietrze do spalania węgla.
Bez względu na różności wypisywane w książkach w sprawie stref spalania węgla na ruszcie (Rys. 205), w palenisku warstwowym w sposób logiczny można wyodrębnić tylko dwie takie strefy: suszenia węgla z jednoczesnym odgazowaniem z niego części lotnych oraz spalania się koksu, jako pozostałości z odgazowania z węgla części lotnych.
Ze względu na spalanie węgla o dużym rozdrobnieniu i zarazem z niską jego warstwą, pierwsza strefa (od przodu rusztu) jest przy tym krótka, a procesy zachodzące w obu strefach tylko bardzo nieznacznie zachodzą na siebie. W żadnym przypadku nie zachodzą na siebie tak, jak to przedstawia Rys. 205, występujący zarówno w książce [4] jak i [5].
WYJAŚNIENIE
dlaczego przepływ powietrza przez ruszt na długości pierwszej strefy spalania musi być odcięty całkowicie.
1. W prawidłowo wyregulowanym palenisku warstwowym, przy odpowiednio ukształtowanym oknie doprowadzenia węgla spod warstwownicy z niską jego warstwą oraz przy całkowitym braku sklepienia zapłonowego, nie ma problemów z wysuszeniem węgla. Natomiast polskie kotły rusztowe z reguły pozbawione są podgrzewacza powietrza. Powietrze podmuchowe ma więc temperaturę, jeśli nie taką samą jak węgiel wprowadzany na ruszcie, to tylko nieco niższą. Wypływające spod rusztu przez węgiel, mający ulec wysuszeniu, a następnie podgrzaniu aby doszło do odgazowania z niego części lotnych, powietrze to może więc jedynie opóźniać ten proces, pomniejszając swoim nagrzewaniem się temperaturę samego węgla.
2. Przepływ powietrza niepotrzebnie wzruszałby warstwę węgla na ruszcie, który w procesie odgazowania z niego części lotnych powinien być sprasowany, w analogii do takiego wymogu przy produkcji koksu w bateriach koksowniczych. Wzruszenie warstwy węgla spiekającego się uniemożliwia bowiem powstanie spieczonego koksu z najdrobniejszych ziaren węgla. Natomiast przy spalaniu się węgla niespiekającego się (płomiennego vel „tłustego”) intensywny przepływ powietrza powoduje wydmuchiwanie zarówno najdrobniejszych ziaren węgla, które jeszcze nie zdążyły odgazować, jak i ziaren koksu powstających w procesie odgazowania części lotnych, będących jeszcze drobniejszymi od ziaren węgla w stanie surowym; z przyśpieszaniem powstawania na ruszcie owych „kraterów”, „bruzd” i „pryzm”, ze wszystkimi tego ujemnymi konsekwencjami.
3. Odgazowujące z węgla części lotne spalają się w całości w przestrzeni komory paleniskowej, do czego nie ma służyć powietrze doprowadzane spod rusztu (podmuchowe), lecz noszące powszechną nazwę powietrze wtórne. Powietrze służące do spalania części lotnych przede wszystkim musi mieć odpowiednią prędkość, w analogii do spalania gazu w palnikach gazowych, nie mówiąc o spalaniu oleju opałowego, czy węgla w postaci pyłu. Powietrze jako doprowadzane pod ruszt już ma małą prędkość, która traci się prawie całkowicie na pokonanie oporów przepływu przez klapy strefowej regulacji i następnie przez warstwę tego co zalega na ruszcie. Po przejściu przez warstwę zalegająca na ruszcie ma więc ono tą samą prędkość, co unoszące się z niej odgazowujące w niej części lotne. O żadnym ich przemieszaniu strumieniem tego powietrza nie może więc być mowy.
W prawidłowe rozwiązanie powietrza wtórnego nie został jednak dotąd wyposażony ani jeden z tysięcy polskich kotłów rusztowych.
4. Przy krótkiej pierwszej strefie spalania się węgla i jednoczesnym spalaniu w polskich kotłach rusztowych węgla o udziale w nim części lotnych odpowiadającym trzeciej części energii chemicznej węgla, dostarczenie tlenu do ich spalenia w przestrzeni komory paleniskowej powietrzem podmuchowym musi następować nie tylko na długości pierwszej strefy, lecz także dodatkowo spod znacznej części strefy drugiej spalania się na ruszcie koksu pozostałego po odgazowaniu z węgla części lotnych w strefie pierwszej.
W tysiącach polskich kotłów rusztowych bierze ono udział w spalaniu części lotnych tylko dzięki temu, że są one wyposażone w długie przednie sklepienia. Sklepienia te kierują zarówno owe powietrze podmuchowe, jak i odgazowujące części lotne, w kierunku do tyłu komory paleniskowej, a więc nad spalający się koks. Doprowadzenie powietrza do spalania części lotnych wydzielających się z węgla w strefie pierwszej, przez warstwę koksu jako spalającego się w strefie drugiej, bardzo niekorzystnie intensyfikuje zarazem ten proces. Łącznie ze spalaniem się części lotnych nad koksem (jako skierowanych do tyłu przez przednie sklepienie) stwarza to doskonałe warunki do roztapiania się żużla - gromadzącego się nad spalającym się koksem, jak to przedstawia Rys. 205. Z tym, że warstwa tego żużla w miejscu poz. 4 jest w rzeczywistości nieporównywalnie grubsza, będąc tym grubszą, im większa jest zawartość popiołu w spalanym węglu. Także tym grubszą, im bardziej z tego powodu intensyfikowany jest proces palenia się koksu.
W książkach w sprawie samego powietrza wtórnego można jednak przeczytać:
5. Obecnie często stosowanym środkiem zastępującym lub uzupełniającym działanie sklepień jest wtłaczane powietrze kilkoma otworami do komory paleniskowej na wysokości powyżej sklepienia przedniego. Jest to tak zwane powietrze wtórne [3].
To wobec faktu, że powietrze wtórne ma zastępować doprowadzenie powietrza podmuchowego pod ruszt na długości pierwszej strefy spalania węgla na ruszcie do spalania odgazowujących części lotnych, a także doprowadzanego w tym celu pod przednią część drugiej strefy spalania na ruszcie koksu, a zadaniem odpowiednio doprowadzonego powietrza wtórnego ma być wyeliminowanie szkodliwego działania sklepienia przedniego, którego w kotle ma nie być. - patrz pkt 4.
6. Dla paliw o bardzo dużej ilości części lotnych, wdmuchiwanie powietrza dodatkowego, tzw. wtórnego, może się okazać potrzebne nie tylko dla przemieszania spalin ale i dla doprowadzenia tlenu do niespalonych produktów zgazowania [3].
W palenisku warstwowym powietrze wtórne ma służyć w całości do spalania „produktów zgazowania” - w zrozumieniu jako odgazowujących z węgla części lotnych.
7. Doprowadzenie wtórnego powietrza znajduje zastosowanie w urządzeniach kotłowych o wydajności większej od 10 t/h. [5] Nie ma na to żadnego technicznego uzasadnienia.
8. Ma ono (czytaj: powietrze wtórne) do spełnienia dwa zadania: zawirowanie i przemieszanie spalin, a więc przedłużenie czasu pobytu spalin w komorze paleniskowej oraz doprowadzenie dodatkowych ilości tlenu do spalania [3].
O przemieszaniu spalin jako pochodzących ze spalania odgazowujących części lotnych to oczywiście prawda, natomiast nie ma ono dostarczać tylko dodatkowych ilości tlenu, lecz cały tlen potrzebny do ich spalania w przestrzeni komory paleniskowej.
9. Ilość wdmuchiwanego powietrza (czytaj: wtórnego) nie powinna przekraczać 10 % całkowitej ilości powietrza potrzebnego do spalania [3].
Wobec udziału części lotnych w energii chemicznej węgla płomiennego i gazowo - płomiennego powinna go być jedna trzecia.
10. Ponieważ ze sposobu przesuwania się paliwa w palenisku szybowym (czytaj: z wysoką komorą paleniskową) z rusztem wędrownym wynika równoległy układ strug spalin w stosunku do przedniej ściany paleniska i to strug o różnym składzie gazów, powstała konieczność wymieszania tych strug między sobą, aby uniknąć strat wskutek niezupełnego spalania. W tym celu wprowadzono tzw. wtórne powietrze polegające na wdmuchu do komory paleniskowej pewnych ilości powietrza (około 10 % ogólnej ilości powietrza ) pod ciśnieniem około 300÷500 mm H2O. [4]
Powietrze wtórne nie ma służyć do przemieszania strug spalin na całej długości rusztu, lecz na długości spalania się tylko z przodu paleniska odgazowujących z węgla części lotnych.
11. Strumień powietrza wtórnego wtłaczany do komory paleniskowej jest w stanie wywołać przemieszanie spalin na głębokość do około 2 metrów, licząc od ścianki, przez którą jest wdmuchiwany; przyczyną tak małej skuteczności wtórnego powietrza jest lepkość spalin.[4].
Jest to zaprzeczenie treści pkt 10, pochodzącej z tej samej książki; także wobec długości rusztu dochodzącej do siedmiu metrów.
12. Nie należy przyjmować jako zasady twierdzenia, że powietrze jest korzystne dla wszystkich typów komór paleniskowych. Dla kotłów o wysokich komorach paleniskowych i rusztach o wystarczająco dużej powierzchni powietrze wtórne nie tylko nie daje żadnych korzyści, ale jest nawet szkodliwe, powoduje ochłodzenie spalin, obniżenie zawartości CO2 oraz dodatkowe niepotrzebne zużycie energii elektrycznej na napęd wentylatora. [3]
Zbyt ignoranckie do ustosunkowania się.
WYJAŚNIENIE
dlaczego przepływ powietrza przez ruszt na początku strefy spalania się koksu powinien być bardzo ograniczony.
13. Nieliczne w książkach, do czego w sprawie palenisk rusztowych nie można mieć zastrzeżeń, to następujące stwierdzenia, a raczej fragmenty tych stwierdzeń:
a. Najczęściej ... spalane są węgle kamienne o pewnej spiekalności. Wskazane jest unikać spalania na ruszcie wędrownym ... węgli niespiekających się ... [gdyż występują duże straty w paliwie unoszonym ze spalinami.] ? [4]
b. Zgodnie z tym, że zasadniczym czynnikiem określającym maksymalne dopuszczalne obciążenie rusztu (forsowanie) jest zachowanie się warstwy paliwa podczas spalania, ostatecznie zakres forsowania zależy ... od skłonności paliwa do spiekania się. [1]
c. Tworzenie się kraterów ma miejsce najczęściej przy węglu niespiekającym się. [1]
d. Przy spalaniu na ruszcie pewne gatunki węgli rozsypują się, będą to węgle o niskiej liczbie Rogi. Inne gatunki spiekają się w bryły (o wysokiej liczbie Rogi). Łatwiej jest spalać węgle mało spiekające się. [5]
e. Paliwo przeznaczone do spalania na ruszcie wędrownym z podmuchem strefowym powinno odpowiadać warunkom: wartość opałowa > 4000 kcal/kg (czytaj: 16,7 MJ/kg); zawartość wilgoci W < 15 % ; … zawartość części mineralnych ... przy ze strefami P = 4÷25 %. [4]
f. Graniczna zawartość popiołu dla rusztów taśmowych wynosi około 15÷18 %. [1]
g. Mięknący żużel oblepia poza tym cząstki węgla, które dostają się wraz z nim do kosza popielnicowego zwiększając stratę popielnikową. Stąd wynika wniosek, że do palenisk rusztowych nadają się jedynie żużle krótkie. Żużle o małym zakresie ciastowatości noszą nazwę żużli krótkich. [4]
14. Pozostający do dyspozycji kotłów rusztowych polski węgiel, to przede wszystkim węgiel płomienny („tłusty”) typu 31, a więc całkowicie niespiekający się, przy praktycznie nieograniczonej zawartości popiołu. Węgiel niespiekający się w coraz większej ilości importowany jest także ze wschodu. Natomiast dokonujący jego dystrybucji, z przeznaczeniem dla kotłów rusztowych, mieszają go w dowolnych proporcjach z odpadami z polskich kopalń, czyniąc zawartość w nim popiołu także nieprzewidywalną.
Zaleceniami książkowymi aby unikać spalania na ruszcie wędrownym ... węgli niespiekających się oraz o zawartości popiołu powyżej 15÷18 %, a dodatkowo mającego niską temperaturę mięknienia, można więc tylko
przysłowiową dupę wytrzeć.
Jak go mimo to w miarę ekonomicznie spalić i z najmniejszą uciążliwością dla środowiska naturalnego, to w książkach nie ma ani słowa.
15. Powstanie bardzo drobnego koksu w procesie odgazowania części lotnych z węgla niespiekającego się - tłustego - nie skutkuje tylko niestabilnością jego warstwy, przy której niedopuszczalny jest intensywny przepływ powietrza spod rusztu. Wskutek bardzo dużego rozdrobnienia, spala się on bowiem o wiele szybciej, niż koks w postaci spieczonej z węgli spiekających się.
Przechodząc na dostarczanie tlenu do spalania części lotnych w powietrzu wtórnym (ponad rusztem) oraz odpowiednio zmniejszając przepływ powietrza spod rusztu przez przednią część strefy spalania się koksu, z następnym zachowaniem umiarkowanego przepływu tego powietrza w kierunku do tyłu rusztu, można więc osiągnąć efekt podwójny:
- stabilną warstwę spalającego się koksu;
- zapobieżenie rozmiękczenia żużla gromadzącego się nad spalającym się od góry koksem.
Do tego jednak wcale nie musiał dochodzić polski konstruktor kotłów, mając okazję zajmowania się w sezonie grzewczym 2000/2001 zmodernizowanym kotłem typu WCO80 w ówczesnym PEC w Tarnowskich Górach. Stanowi już bowiem o tym Rys. 205, przedstawiający ten sam rysunek z dwóch książek [4] i [5]. Na tym rysunku (pochodzącym niewątpliwie z literatury radzieckiej) są krzywe zapotrzebowania powietrza na długości rusztu przy spalaniu różnych typów węgla. Krzywa poz. 8 przedstawia zapotrzebowanie węgla na długości rusztu przy spalaniu węgla „tłustego”, czyli niespiekającego się węgla płomiennego typu 31.
Ilości powietrza doprowadzanego na początku strefy spalania się koksu z węgla niespiekającego się są zasadniczo różne w stosunku do ilości powietrza doprowadzanego na tej samej przedniej długości rusztu przy spalaniu węgla „gazowego”, którym są węgle spiekające się typu 32.2 i typu 33.
Potwierdzenia samego gromadzenia się żużla na warstwie spalającego się koksu dostarcza także Rys. 205. Grubość jego warstwy normalnie jest tylko znacznie większa w proporcji do grubości warstwy wprowadzanego węgla oraz tym większa im więcej popiołu zawiera spalany węgiel. Dodatkowo, im więcej jest popiołu w węglu, tym więcej tego węgla trzeba spalić, co skutkuje odpowiednio grubszą warstwą żużla. Wskutek tego, od momentu rozmiękczania się żużla coraz więcej niespalonego koksu pozostaje pod żużlem spadającym z rusztu, z koniecznością doprowadzania coraz większej ilości węgla, proporcjonalnie do której coraz większą jest intensywność spalania się odgazowujących z niego części lotnych, przyczyniających się zarazem w coraz większym stopniu do rozmiękczania żużla.
Skutek tego, to coraz bardziej przekroczone graniczne obciążenie cieplne rusztu (jako termin techniczny pochodzący od polskiego konstruktora kotłów) i zarazem coraz niższa sprawność cieplna kotła z powodu coraz większej straty w żużlu.
O takich skutkach przekraczania granicznego obciążenia cieplnego rusztu można nawet przeczytać w książce [3]: Niewypalone części palne w żużlu są często przyczyną bardzo poważnych strat. ... przy spalaniu pewnych gatunków paliw (czytaj: typów węgli) na rusztach nieprzystosowanych do ich spalania, względnie przy przeciążeniu rusztu ... straty mogą wynosić 25 % , a nawet i więcej. Strata w żużlu wynosząca 25 %, to także taki sam procent niewykorzystanej energii chemicznej węgla doprowadzonego do kotła.
Pozostanie także faktem nieświadomość autorów książek, że sypka warstwa koksu pozostająca na ruszcie w strefie spalania się koksu, powstaje wyłącznie przy spalaniu węgla niespiekającego, której to nieświadomości dowodzi taka to treść tych książek:
16. … zakres forsowania (czytaj: zwiększanie obciążenia kotła) zależy od sortymentu paliwa, tzn. od wielkości jego ziaren … . Paliwo niesortowane, w którym ziarna nie mają ustalonego zakresu wymiarów i są bardzo różnych wielkości, a ponadto jeśli paliwo ma duży procent miału, w warstwie paliwa w miejscach, gdzie koncentruje się ten miał, tworzą się tzw. „kratery”. Ogólnie można powiedzieć, że wzrost ilości miału w paliwie powoduje zwiększenie straty przesypu i straty z lotnym koksikiem, wywołuje nadmierne „szlakowanie” paleniska oraz powoduje zanieczyszczanie kanałów spalinowych kotła. [1]
17. Największe straty przez niewypalone części palne w żużlu oraz przez lotny koksik powstają przy spalaniu węgla o nierównej ziarnistości. [3]
Załącznik XIII (-) Jerzy Kopydłowski
W odróżnieniu od ośmieszającego polskie szkolnictwo politechniczne jej przedstawienia na Rys. 205, gdzie ta pierwsza strefa (jako łącznie poz. 3 i poz. 4) rozciąga się prawie na dwie trzecie długości rusztu, a procesy odgazowania z węgla części lotnych i spalania się koksu także w połowie zachodzą na siebie.
Których w prawidłowo skonstruowanym palenisku nie powinno być w ogóle, wobec wyjątkowego owczego pędu do ich stosowania przez kotłowych szarlatanów.
Ta nieświadomość zaowocowała między innymi debilnymi wynalazkami współautorstwa rektora Politechniki Warszawskiej w latach 2002÷2005 mającymi służyć odsiewaniu - z wprowadzanego do paleniska miału węglowego - najdrobniejszych ziaren węgla, po to aby znalazły się na górze warstwy węgla. Oczywiście także w związku z niepojmowaniem, że to co schodzi z rusztu pod spadającym z niego żużlem jest wyłącznie niespalonym bardzo drobnym koksem powstającym już w samym palenisku w procesie odgazowywania części lotnych z węgla niespiekającego się.
4