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, 2012.01.08
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 188
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 szesnasta.
Wykazanie które błędy popełniane w eksploatacji kotłów rusztowych z paleniskiem warstwowym oraz „udoskonalenia” wprowadzane w nich przez kotłowych szarlatanów mogły zrodzić debilny pomysł na zasysanie spalin z komory paleniskowej przez leje tylnych stref podmuchowych (zgłoszenie 387645 do UP), polecany do stosowania przez Instytut Techniki Cieplnej Politechniki Śląskiej - część dziesiąta.
Ustęp siedemnasty. Pomysł na zasysanie spalin z komory paleniskowej przez leje tylnych stref podmuchowych wieńczy - jak dotąd - wszystkie liczne ignoranckie pomysły z ostatnich kilkunastu lat na pogorszenie i tak już złych wyników eksploatacyjnych kotłów z paleniskiem warstwowym z rusztem łuskowym.
a. Konstruujący po wojnie wodno-rurowe kotły rusztowe oraz tacy jak naukowcy z Instytutu Techniki Cieplnej Politechniki Śląskiej niewątpliwie musieli nie czytać książki z 1956 r. pod tytułem „Kotły parowe”, uznanej ówcześnie za podręcznik dla techników energetyczno-mechanicznych.
1. W sprawie samego procesu spalania węgla na ruszcie łuskowym dowiedzieliby się bowiem z niej: Przejście paliwa z jednej fazy spalania do następnej jest … zależne od przebytej na ruszcie drogi. Na początku komory paleniskowej paliwo pod wpływem doprowadzonego ciepła przez rozgrzane części obmurza lub przez bezpośrednie promieniowanie płomienia ulega wysuszeniu. W miarę posuwania się rusztu w głąb paleniska i coraz to silniejszego nagrzewania paliwa następuje wydzielanie się z paliwa części lotnych, tj. gazów, a więc druga faza spalania. Na skutek spalania się gazów wytwarzają się znaczne ilości ciepła, które wspólnie z ciepłem doprowadzonym przez promieniowanie (czytaj: gołych sklepień i ścian komory paleniskowej) powodują trzecią fazę spalania, tj. zgazowanie części palnych stałych (czytaj: koksu na tlenek węgla) … . Ostatnia faza spalania tj. spalanie produktów zgazowania (czytaj: tlenku węgla na dwutlenek węgla) nie odbywa się na ruszcie (czytaj: w warstwie koksu pokrywającego ruszt) ale ponad rusztem w przestrzeni paleniskowej, [na pozostałej części rusztu następuje wypalenie się resztek części palnych oraz wytworzenie żużla i popiołu].
Ujęta w klamry końcowa część zdania nie odpowiada prawdzie, ponieważ żużel zaczyna tworzyć się na powierzchni koksu od momentu jego utleniania się (zgazowania) na tlenek węgla, czyli od rozpoczęcia się „zgazowania części palnych stałych”. Natomiast popiół w stosunku do żużla jest „masłem maślanym”.
Mogli także dowiedzieć się: Dzięki rozmieszczeniu poszczególnych faz spalania wzdłuż całego rusztu, można przeprowadzić racjonalną gospodarkę powietrzem potrzebnym do do spalania, regulując dopływ powietrza do poszczególnych faz spalania.
Jak jednak należy prowadzić racjonalną gospodarkę powietrzem w palenisku warstwowym z rusztem łuskowym to do tego dopiero w 2002 r. doszedł jeden polski inżynier, stwarzając następnie możliwość takiej racjonalnej gospodarki. Nie jest ona jednak taką, jak to można przeczytać dalej w książce: W tym miejscu rusztu, gdzie odbywa się trzecia faza spalania (czytaj: zgazowania koksu na tlenek węgla), a więc gdzie jest potrzebna największa ilość powietrza, klapy regulujące dopływ powietrza do tych stref (czytaj: podmuchowych) będą najczęściej całkowicie otwarte; natomiast klapy pod przednią i tylną częścią rusztu będą otwarte tylko częściowo.
Już bowiem w samej książce można przeczytać: Odgazowanie (czytaj: części lotnych) polega na wydzieleniu się z paliwa pod wpływem doprowadzonego ciepła przez promieniowanie obmurza lub gorących spalin, lekkich węglowodorów w postaci gazów. Do przeprowadzeniu tego procesu nie jest potrzebne powietrze, lecz tylko ciepło. Oznacza to, że nie jest potrzebny przepływ powietrza przez przednią część rusztu, gdzie na jego pokładzie zgodnie z Rys.117a. przebiega proces suszenia węgla i odgazowania z niego części lotnych.
Odnośnie natomiast doprowadzenia powietrza w miejscu gdzie przebiega proces zgazowania koksu na tlenek węgla, z treści książki można dowiedzieć się: Popiół o niskiej temperaturze topliwości daje żużel, który rozlewa się po powierzchni rusztu … . Strata w żużlu powstaje wskutek zalewania w grudkach płynnym żużlem lub półpłynnym popiołem (czytaj: żużlem) skoksowanych cząstek węgla, które wraz żużlem, jako produkt odpadkowy, zostają usuwane … na zewnątrz kotła. To zjawisko intensyfikuje duża ilość powietrza podmuchowego z przodu rusztu.
2. W sprawie samego rozwiązania dolnej części komory paleniskowej, przyczyniającego się do zalewania rusztu żużlem, a ściśle powierzchni jeszcze niespalonego koksu, w książce mogli przeczytać: Palenisko, konstrukcyjnie dobrze rozwiązane, powinno umożliwić … wypromieniowanie jak największej ilości wytworzonego ciepła na powierzchnię ogrzewalną (czytaj: ekrany komory paleniskowej). Węgiel krajowy, przeważnie (czytaj: w całości) bogaty w części lotne, a więc łatwo zapalający się, nie potrzebuje długich sklepień zapłonowych, a przy odpowiedniej długości rusztu (stosunek długości rusztu do szerokości ok. 2) odpada również konieczność stosowania sklepień tylnych. Duże sklepienia przednie o małym kącie nachylenia w kotłach starych (czytaj: książka jako z 1956 r. została napisana przed produkcją kotłów innych niż z produkcją wznowioną, a więc na czas produkcji tylko starych) są źródłem dodatkowych awarii, ponieważ wskutek szybkiego zapłonu paliwa znajdują się w strefie wysokich temperatur i ulegają szybkiemu wytopieniu. Na rys. VIII,3 pokazano sklepienie przednie o długości zaledwie 0,64 metra, zaprojektowane dla jednej elektrowni śląskiej. Przeszło dziesięcioletnia praca kotła, wyposażonego w ruszt łuskowy i opalanego miałem węglowym wykazała, ze sklepienie o tej długości jest najzupełniej wystarczające (kocioł sekcyjny bez ekranów). W kotłach nowoczesnych o wysokiej komorze paleniskowej, przy spalaniu paliwa o dużej zawartości części lotnych (powyżej 25 %) - długie sklepienie (czytaj: zapłonowe) jest zbędne, ponieważ zapłon paliwa następuje pod wpływem wypromieniowania ciepła z warstwy gazów w komorze paleniskowej.
b. Jaką ignorancją wykazali się sami naukowcy z Instytutu Techniki Cieplnej Politechniki Śląskiej w sprawie spalania węgla na ruszcie łuskowym paleniska warstwowego, to jeden z nich dowiódł treścią swojego artykułu na XII Forum Ciepłowników Polskich.
Swoje wywody na ten temat zilustrował rysunkiem będącym Rys. 177b, zestawionym z Rys. 177a ilustrującym ten sam przebieg spalania węgla wzdłuż rusztu w książce. Odpowiadające sobie, w książce są to trzy fazy, natomiast u niego na samym rysunku są trzy strefy, z występowaniem w samej treści w strefie II dwóch etapów. Fazie I z książki, w której następuje odgazowanie z węgla części lotnych, u niego odpowiada strefa I zapłonu, w której uwalniają się z węgla związki organiczne, przede wszystkim węglowodory. Ulegają one zapłonowi, w sprawie którego można mniemać, że chodziło mu o ich spalanie, o czym wyraźnie stanowi na Rys. 177b grafik oznaczony z lewa symbolem CH. Ten proces zapłonu uważa za zakończony po ukształtowaniu się frontu spalania - zgodnie z Rys. 177 b w II strefie propagacji frontu spalania, odpowiadającej fazie II zgazowania koksu na Rys. 177a.
Ów front w strefie II jego propagacji rozprzestrzenia się się w kierunku dolnej krawędzi (czytaj: spodu warstwy koksu leżącego na ruszcie), z prędkością rzędu kilku milimetrów na minutę. Poniżej frontu paliwo pozostaje zimne, a co za tym idzie nie zachodzą w nim żadne reakcje chemiczne. Natomiast w samym froncie następuje uwalnianie części lotnych w kolejnych warstwach paliwa, a do ich spalania zużywany zostaje cały dostarczany w powietrzu tlen.
Tym paliwem w II fazie lub strefie z obu rysunków może być jednak tylko koks pozostały z wcześniejszego odgazowania z węgla części lotnych, w którym żadnych części lotnych już być nie może. Z dalszej treści można dowiedzieć się, że rozprzestrzenianie się frontu spalania oraz towarzyszące mu procesy (czytaj: którymi może być tylko spalanie nieistniejących części lotnych) składają się na drugi etap spalania … .
Jeszcze śmieszniej przedstawia się opis trzeciego etapu spalania: Front spalania dociera po pewnym czasie do rusztu (czytaj: do powierzchni pokładu rusztowego) i nie mogąc rozprzestrzeniać się dalej zanika. Nad frontem spalania w paliwie pozostaje mieszanka popiołu i pierwiastka węgla, pozostałego po przejściu frontu. Rozpoczyna się trzeci etap spalania, w którym reakcja między powietrzem, a pierwiastkiem węgla pozostałym w złożu po przejściu frontu spalania zachodzi w całej wysokości złoża. W miarę wypalania się pierwiastka węgla reakcja ta zachodzi coraz wolniej, czego konsekwencją jest wzrost tlenu w gazach opuszczających warstwę oraz spadek temperatury warstwy.
Dlaczego śmieszniej? Ano, bo najpierw w drugiej strefie będącej propagacją frontu spalania, działaniem owego frontu w drugim etapie spalania zużywany zostaje cały dostarczany w powietrzu tlen, jako doprowadzany spod rusztu, a w trzecim etapie spalania węgla pierwiastkowego - w tej samej drugiej strefie - wcale nie stoi na przeszkodzie całkowity brak tlenu, zużytego wcześniej w całości w drugim etapie spalania, a nawet dochodzi wtedy do wzrostu ilości tlenu w spalinach z nad tej drugiej strefy.
To jednak jest niczym wobec pozostawiania nad frontem spalania mieszanki popiołu i pierwiastkowego węgla. Oczywiście jako wyodrębnionych z koksu. Przecież to sposób na rozwiązanie problemu spalania węgla w palenisku warstwowym. Wraz z nim wystarczy tylko zgłosić do Urzędu Patentowego pomysł na odpylanie tej mieszanki z popiołu, pozostawiając do spalenia na ruszcie sam węgiel pierwiastkowy - już całkowicie pozbawiony popiołu, który dotąd przechodząc w postać roztopionego żużla zalewa od góry mający się spalić koks.
Prawdą jest oczywiście tylko to, że w sprawie spalania węgla na ruszcie łuskowym naukowcowi z Instytutu Techniki Cieplnej Politechniki Śląskiej wszystko całkowicie pomieszało się z tego co musiał gdzieś przeczytać na ten temat.
c. Zgodnie z tym co napisano w książce i jak to przedstawia Rys. 177a, w związku ze spalaniem w polskich kotłach rusztowych miału węglowego o bardzo dużym rozdrobnieniu, proces odgazowania z węgla części lotnych następuje na krótkiej długości rusztu od jego przodu. Jednocześnie, ze względu na zawartość w jego masie palnej około jednej trzeciej części lotnych, nad tą krótką długością rusztu ma miejsce bardzo duże skoncentrowanie energii cieplnej z ich spalania, nad intensywnością którego panować nie można.
Pozostałe dwie trzecie energii chemicznej węgla doprowadzonego do paleniska pochodzi z koksu pozostającego na ruszcie, jako powstałego w procesie odgazowania z węgla części lotnych. Jeśli chodzi o koks, to nawet opałowego nie produkuje się z zarówno z węgla niespiekającego się, jak i zawierającego dużo popiołu (skały płonnej), ponieważ nawet w Polsce nie korzystano by z niego do palenia w piecach centralnego ogrzewania. W kotle rusztowym mamy jednak przeważnie do czynienia z koksem zarówno z węgla niespiekającego się, jak i zawierającego bardzo dużo popiołu - często o niskich temperaturach jego przemian, w tym topliwości.
W odróżnieniu od części lotnych, których intensywności spalania ograniczać nie można aby nie spowodować spalania niezupełnego, proces zgazowania koksu na tlenek węgla może zachodzić tylko w obecności tlenu doprowadzanego z powietrzem podmuchowym. Drugie, co niezbędne do tego, to osiągnięcie przez koks odpowiednio wysokiej temperatury. Ta jednak w przedniej części rusztu paleniska warstwowego jest akurat o wiele za wysoka.
Przy litej warstwie wszystkiego co schodzi z tylnej części rusztu, dowodem na gromadzenie się roztopionego, czy nawet tylko rozmiękczonego żużla na warstwie mającego spalić się koksu jest płyta zestalonego żużla, łamiąca się lub wymagająca jej ręcznego połamania przed spadnięciem do leja żużlowego, spod której zsypuje się tam jednocześnie niespalony koks.
Powód tego wyjaśnia prawidłowa praca paleniska narzutowego. W palenisku tym, jeśli do leja żużlowego spadają drobne ilości niespalonego koksu, to sypią się tam nie spod żużla, lecz z górnej jego powierzchni. Dolną częścią tego co zalega na pokładzie rusztu paleniska narzutowego, w odróżnieniu od paleniska warstwowego, jest warstwa wypalonego i zarazem rozdrobnionego żużla. Dzieje się tak z tego powodu, że jej grubość narasta stopniowo od powierzchni pokładu rusztowego (w kierunku do przodu paleniska ze względu na ruch pokładu rusztowego odwrotny niż w palenisku warstwowym), jako efekt spadania ziaren węgla w sposób ciągły na całą powierzchnię rusztu, pozostawiających pod sobą pozostałość po ich spaleniu, którą jest żużel. Sam żużel nie ulega w tym palenisku stopieniu, ponieważ jako gromadzący się od dołu warstwy pokrywającej pokład rusztowy jest schładzany powietrzem podmuchowym, dopływającym spod rusztu do spalania węgla narzucanego na ruszt począwszy od tyłu.
W przedniej części paleniska narzutowego, gdzie w przestrzeni komory paleniskowej panuje także najwyższa temperatura (pochodząca od odgazowujących tam i spalających się w zawieszeniu najdrobniejszych ziaren węgla), ruszt pokrywa więc warstwa wychłodzonego wcześnie żużla, na której dopalają i spalają się niewielkie ilości narzucanego na ruszt węgla. Nawet jeśli z jakichś powodów z przodu rusztu dojdzie do przegrzania warstwy żużla w górnej jej części, to skutki tego nie przenoszą się na całą pozostałą długość rusztu w kierunku do tyłu (ruszt w tym palenisku przemieszcza się do przodu).
W palenisku warstwowym - przy znacznie wyższych warunkach temperaturowych panujących w przedniej części komory paleniskowej - przednią część rusztu w całości pokrywa warstwa koksu, będącego pozostałością z odgazowujących z węgla części lotnych. Wypływające w tym miejscu spod rusztu zimne powietrze podmuchowe schładza leżący na ruszcie koks, który z tego powodu do pewnej wysokości jego warstwy od powierzchni pokładu rusztowego nie może osiągnąć wysokiej temperatury potrzebnej oprócz tlenu na jego zgazowanie na tlenek węgla.
Wysoką temperaturę osiąga wyłącznie jego górna warstwa, nad którą palą się odgazowane z węgla części lotne oraz palący się tlenek węgla z utleniającego się koksu. Skoro koks w całej swojej warstwie spala się od góry, to i na górnej jego powierzchni musi gromadzić się pozostałość z tego spalania, którą jest żużel.
Zróżnicowanie temperatury na wysokości warstwy koksu jest tym większe, im więcej zimnego powietrza przepływa przez nią spod rusztu, a zwiększona ilość powietrza wypływającego spod rusztu, intensyfikuje zarazem spalanie górnej warstwy koksu i przybywanie na niej żużla, z rosnącą jednocześnie jego temperaturą. Po przekroczeniu temperatury mięknienia staje się on - popularnie mówiąc - ciastowaty, a przy dalszym wzroście jego temperatury staje się na powierzchni koksu warstwą ciekłej lawy odcinającą dopływ powietrza do spalenia znajdującego się pod nią koksu. Na dalszej długości rusztu, a więc poza strefą oddziaływania płomienia palących się części lotnych, ochładzający się żużel zestala się w zwartą płytę, która ostatecznie kończy proces palenia się znajdującego się pod nią koksu, z czego bierze się przekroczenie granicznego obciążenia cieplnego rusztu, ze wszystkimi tego konsekwencjami.
W sprawie samego wpływu grubości warstwy węgla wprowadzanego na ruszcie, a tym samym grubości pozostającego do spalenia się na nim koksu, w książce można przeczytać: Normalnie stosowane grubości warstw węgla kamiennego na rusztach taśmowych wynoszą:
dla ziaren od 0 do 10 mm 80 do 120 mm
dla ziaren od 10 do 40 mm 100 do 150 mm
dla ziaren od 30 do 50 mm 140 do 220 mm
Im niższa warstwa paliwa, tym korzystniejsze są warunki spalania.
W tysiącach polskich kotłów z paleniskiem warstwowym i rusztem łuskowym spala się oczywiście prawie wyłącznie węgiel o ziarnistości od 0 do 10 mm, a często znacznie drobniejszy.
Jeśli chodzi natomiast o skutki spalania w nich węgla z przekroczonym granicznym obciążeniem cieplnym rusztu, spowodowanym zalewaniem powierzchni koksu roztopionym żużlem, to z książki do zacytowania jest, że spalanie polega w takich przypadkach prawie wyłącznie na odgazowaniu (czytaj z węgla części lotnych) i służyć może jako wybitny przykład marnotrawstwa paliwa. Stwierdzenie to dotyczyło rusztów bez podmuchu, ale przy powszechnym obecnie nieprawidłowym dopływie powietrza do stref podmuchowych wychodzi na to samo.
Na zmniejszenie marnotrawstwa węgla z tego powodu nie na wiele zdadzą się same zawarte w książce rady: Konstrukcja rusztu musi być dostosowana do gatunku paliwa oraz ilości paliwa, które trzeba spalić dla wywiązania potrzebnej ilości ciepła. Bardzo ważnym czynnikiem jest ilość i stopień sprężenia powietrza podmuchowego w poszczególnych strefach podmuchowych rusztu oraz prędkość rusztu i wysokość warstwy paliwa na ruszcie.
Całkowicie chybiona jest przy tym rada: Ilość spalanego paliwa w jednostce czasu regulować można dwoma sposobami: albo grubością warstwy paliwa na ruszcie albo też prędkością posuwu rusztu.
Szybkiemu roztapianiu się żużla na powierzchni mającego się spalić koksu ruchowo można tylko zapobiec całkowicie pozbawiając ruszt przepływu powietrza przez jego przednią część, z następnym ograniczaniem jego ilości w dalszej odległości od przodu odpowiednią regulacją dopływu powietrza do stref podmuchowych. Po to aby - odwrotnie niż to przykładowo zalecają naukowcy z Instytutu Techniki Cieplnej Politechniki Śląskiej - ograniczać intensywność spalania koksu nim wyjdzie on ze strefy wysokiego promieniowania pochodzącego z palących się części lotnych z przodu komory paleniskowej.
O konieczności odcinania przepływu powietrza przez przednią część rusztu oraz ograniczania jego przepływu na dalszej długości rusztu, do wyjścia ze strefy oddziaływania płomienia palących się z przodu części lotnych, nie ma oczywiście nic w żadnej książce o kotłach, ani w żadnej instrukcji eksploatacji paleniska. Wszystkie informacje które są, informują natomiast na opak.
W żadnej książce nie pisze także wprost, że powodem złego spalania węgla na ruszcie łuskowym paleniska warstwowego jest gromadzenie się żużla na spalającej się od góry warstwie koksu.
Załącznik I (-) Jerzy Kopydłowski
Z. Ostrowski, K. Zabłocki, J. Zagórski, A. Zmysłowski: Kotły Parowe, PWT, W-wa, 1956 r.
A...... S..... : Wstępna ocena wpływu recyrkulacji powietrza podmuchowego na pracę kotła rusztowego.
Sama podana prędkość jest o wiele za wolna w stosunku do faktycznej.
W praktyce ruchowej pokrycie rusztu żużlem przyjmuje różną postać, zależną od tego co dzieje się wcześniej na przedniej części rusztu, także w zależności od rodzaju ignoranckich rozwiązań, mających służyć pogorszeniu wyników eksploatacyjnych kotłów rusztowych.
O samym przekraczaniu granicznego obciążenia cieplnego rusztu i jego skutkach od lat pisze tylko jeden polski inżynier.
4