Załącznik I do części 88
Treść maszynopisu artykułu ze stycznia 1976 r., który następnie nigdy nie został opublikowany w GPiE.
Mgr inż. Jerzy Kopydłowski
Rola instalacji nawrotu lotnego koksiku w kotle z paleniskiem narzutowym.
Samo palenisko narzutowe rozwiązuje między innymi powszechny w skali krajowej problem w uzyskaniu przez kotły rusztowe z paleniskami warstwowymi ich projektowanej wydajności oraz gwałtownego wzrostu straty niecałkowitego spalania przy ich dociążaniu. Sprawia to przebieg procesu spalania węgla częściowo w zawieszeniu, stwarzający ze wzrostem obciążenia cieplnego coraz lepsze warunki dopalania żużla na ruszcie. Po przekroczeniu pewnego obciążenia cieplnego rusztu, strata niecałkowitego spalania w żużlu zamiast rosnąć, zaczyna maleć. Tendencji tej można doszukać się również na Rys. 77c - krzywa 1.
Drugą składową straty niecałkowitego spalania w palenisku rusztowym jest jednak strata w pyle unoszonym ze spalinami z komory paleniskowej, obniżającym udział popiołu związanego z żużlem. Niska przeciętna wartość tego udziału w przypadku paleniska warstwowego (Rys. 77b) wynika z intensywnego wydmuchiwania koksiku z pokładu rusztu wskutek skoncentrowania procesu spalania w przedniej jego części.
Rozłożenie procesu spalania w palenisku narzutowym na całej powierzchni rusztu, mimo stosowania przeciętnie dwukrotnie wyższych obciążeń cieplnych, obniża intensywność wydmuchiwania pyłu z pokładu rusztowego; do unoszonej ze spalinami jego ilości dochodzi jednak pył pochodzący ze spalania węgla w zawieszeniu.
Utrzymanie w palenisku narzutowym stosunkowo niskiej straty niecałkowitego spalania w lotnym koksiku wymagałoby ograniczenia obciążenia cieplnego rusztu, trudnego do spełnienia w przypadku dużych kotłów; także niewskazanego ze względu na trudności w prowadzeniu kotła w zakresie mniejszych jego obciążeń z niskim współczynnikiem nadmiaru powietrza.
Do obniżenia straty w lotnym koksiku palenisko narzutowe wyposaża się w instalację nawrotu wytrąconego ze spalin lotnego koksiku z powrotem do komory paleniskowej dla jego dopalenia. Część nawracanego lotnego koksiku opada przy tym na ruszt , przechodząc w postać żużla, natomiast reszta zwłaszcza najdrobniejszych jego ziaren unoszona jest ponownie ze spalinami, po częściowym dopaleniu w płomieniu wypełniającym przestrzeń nad rusztem.
Określenie straty niecałkowitego spalania.
Do określania straty niecałkowitego spalania w palenisku narzutowym można dotychczas korzystać jedynie z nomogramu na Rys. 76 [1]. Powstał on w wyniku działalności powołanego w 1958 r. w USA zespołu roboczego, w skład którego weszli przedstawiciele firm kotłowych American Engineering, Combustion Engineering, Detroit Stoker, Babcock Wilcox i Riley Stoker, będących członkami sekcji paleniskowej Stowarzyszenia Amerykańskich Wytwórców Kotłów - American Boiler Manufacture Association (ABMA).
Wartość straty uzależniono od obciążenia cieplnego rusztu, stopnia odzyskania lotnego koksiku, typu rusztu i takich parametrów charakterystycznych węgla jak wartość opałowa oraz udział popiołu i części lotnych.
Nomogram został opracowany dla węgli występujących na rynku amerykańskim jako „bituminous coals, odpowiadających tym typom polskich węgli kamiennych, które charakteryzują się odpowiednio wysoką wartością części lotnych i przynajmniej średnią zdolnością do spiekania się. Był to również węgiel o składzie ziarnowym 0÷32 mm, przy znacznie większym udziale grubszych ziaren w porównaniu z polskimi sortymentami miałowymi.
Tą samą wartość współczynnika K2 co dla rusztów wibracyjnych stosuje się dla płaskich rusztów posuwowo-zwrotnych lub rusztów wstrząsanych.
Stopień odzyskania lotnego koksiku, od którego uzależniona jest wartość współczynnika K1, odnosi się do rozwiązania instalacji nawrotu lotnego koksiku. Aktualna jego interpretacja przez firmę Detroit Stoker jest następująca:
0,0- bez nawrotu w kotle wielociągowym lub przy nawrocie z lejów kotła jednociągowego;
0,3- z nawrotem z lejów z kotła wielociągowego, a w kotle jednociągowym dodatkowo z jednego rzędu lejów pod ciągiem podgrzewa-
cza wody, powietrza, lub spod przegród wytrącających;
0,5- z nawrotem z lejów kotła oraz z jednego rzędu lejów pod ciągiem podgrzewacza wody, powietrza, lub spod przegród wytrącających
w przypadku kotła wielociągowego i z dwóch rzędów takich lejów w kotle jednociągowym;
0,7- z nawrotem z odpylacza pośredniego o odpowiednio wysokiej sprawności lub ze zgrubnej separacji odpylacza dwustopniowego
oraz ze wszystkich lejów przed nimi;
0,85- z nawrotem z odpylacza końcowego o sprawności przynajmniej 85 % oraz ze wszystkich lejów przed nim.
Powyższa interpretacja odnosi się do typu kotła, który mimo że wprowadzony na rynek USA już w latach międzywojennych, nie rozpowszechnił się na kontynencie europejskim (charakteryzuje się on dużym pęczkiem konwekcyjnym parownika poprzedzielanym skośnymi przegrodami mającymi za zadanie skierowanie strugi spalin w kierunku porzecznym do omywanych przez nie rur), oraz do nowszych rozwiązań dużych kotłów z jednokrotnym poprzecznym lub zbliżonym do poprzecznego przepływem spalin przez pęczek konwekcyjny. Kotły te mają również wolnostojący podgrzewacza wody i powietrza, któremu to rozwiązaniu z konstrukcji krajowych odpowiadają jedyne nowe kotły z serii KDR (Rys. 77a) i z serii DSR.
Uwzględniając gorsze właściwości węgla będącego do dyspozycji krajowych kotłów rusztowych, a zwłaszcza duże jego rozdrobnienie, w projektach kotłów z paleniskami narzutowymi odczytywaną z wykresu wartość straty powiększono nawet o 100 %.
Bilans popiołu w kotle z paleniskiem narzutowym.
Na Rys. 75 przedstawiono w postaci wykresu pasmowego bilans popiołu dla różnych wariantów rozwiązania instalacji nawrotu lotnego koksiku na przykładzie kotła OR16-110 przy wydajności 20 t/h pary. Liczby w kółku na tych rysunkach odpowiadają liczbom porządkowym w tablicy. Są one powtórzone na Rys. 77a. któremu odpowiada wariant z Rys. 75c. Wartości mające wymiar kg/h określają ilość czystego popiołu, natomiast wyrażone w procentach są składowymi straty niecałkowitego spalania, podsumowanej w słupku.
Rys. 75a przedstawia wariant przy stopniu odzyskania koksiku 0,0, to znaczy bez nawrotu, gdy cały wytrącony ze spalin pył odprowadzany jest z kotła podobnie jak w kotłach z paleniskami warstwowymi.
Wariant z Rys. 75b odpowiada rozwiązaniu zastosowanemu w kotłach OR16-101 i OR16-102, w których do komory paleniskowej nawracany jest jedynie lotny koksik wytrącający się w lejach pod ciągami konwekcyjnymi kotła oraz w leju pod ciągiem konwekcyjnym podgrzewacza wody i powietrza.
Wariant z Rys. 75c odpowiada rozwiązaniu zastosowanemu w kotle OR16-110 (Rys.77a) z nawrotem koksiku z lejów oraz z odpylacza pośredniego usytuowanego przed podgrzewaczem wody.
Ostatni wariant (Rys.77d) dotyczy nawrotu lotnego koksiku z odpylacza końcowego oraz ze wszystkich lejów znajdujących się przed nim.
W kolejnych wariantach maleje strata niecałkowitego spalania z 11,2 % przy braku nawrotu koksiku, do 2,45 % przy nawracaniu maksymalnej jego ilości. Obniżenie straty niecałkowitego spalania następuje wskutek dużego spadku straty w lotnym koksiku, przy równoczesnym nieznacznym wzroście straty w żużlu.
Założenia stanowiące podstawę opracowania bilansów.
Wszystkie cztery warianty bilansu popiołu zostały opracowane przy założeniu, że w przypadku każdego z nich kocioł OR16-110 osiąga tą samą wydajność 20 t/h pary, a jego sprawność podporządkowana jest zmieniającej się wartości straty niecałkowitego spalania. Z obniżeniem tej ostatniej maleje więc, podobnie jakby się dzieje w warunkach ruchowych, ilość doprowadzonego do paleniska węgla oraz obniża się obciążenie cieplne rusztu.
Do obliczeń przyjęto węgiel o parametrach najbardziej zbliżonych do podstawowej masy węgla dostarczanego dla krajowych kotłów rusztowych z paleniskami mechanicznymi (Qi = 5150 kcal/kg [21560 kJ/kg], Ac= 23,8 %, Wc = 6 %, Vl= 24%). Podstawą do opracowania bilansów była strata niecałkowitego spalania odczytywana z nomogramu na Rys. 76, przy przyjęciu dla kolejnych wariantów wartości stopnia odzyskania koksiku: 0,0; 0,4; 0,7 i 0.85. Wartości poszczególnych składowych tej straty w żużlu i w pyle wytrąconym na drodze przepływu spalin przez kocioł i w instalacji odpylania oraz w pyle unoszonym do atmosfery obliczono drogą wielokrotnych kolejnych przybliżeń.
Z doświadczeń eksploatacyjnych można było wykorzystać jedynie wyniki badań kotła OR2,5-010 (Rys. 77c) bez nawrotu lotnego koksiku i o konstrukcji całkowicie różnej od kotła OR16-110. Pozwoliły one na uchwycenie poziomu udziału części palnych w żużlu oraz udziału popiołu związanego bezpośrednio z żużlem. Udział tego popiołu w funkcji obciążenia cieplnego rusztu podporządkowano krzywej 2 na Rys. 77c. Wartości procentowe przy poszczególnych punktach na tym rysunku określają zawartość części palnych w żużlu.
W wariantach z nawrotem lotnego koksiku przyjęto, że jedynie około 40 % popiołu z nawracanego do komory paleniskowej koksiku zostaje związana z żużlem, natomiast reszta unoszona jest ponownie ze spalinami. Dla odpylacza pośredniego i końcowego przyjęto sprawność odpowiednio 70 i 90 %. Udział części palnych w koksiku określono w oparciu o doświadczenia ruchowe, wykazujące że ilość części palnych w pyle jest proporcjonalna do wielkości jego ziarna [2] oraz że jest ono większe im bliżej komory paleniskowej wytrąca się ze spalin.
Czynniki oddziaływujące na bilans popiołu.
Opracowane bilanse popiołu, przedstawiające zasadę i efekt działania instalacji nawrotu lotnego koksiku w jej różnych stosowanych wariantach, ze względu na w dużej mierze teoretyczny charakter odnośnie wartości liczbowych, informują jedynie co warunkuje uzyskanie dla konkretnego wariantu wielkości straty niecałkowitego spalania w wysokości określonej zgodnie z nomogramem na Rys. 76. Będzie ona tym niższa, im więcej popiołu zostanie związane w żużlu, jako że palenisko narzutowe zapewnia bardzo dobre jego wypalenie, co potwierdzają nawet wyniki badań kotła OR6,5-030 (Rys. 77d), oraz im niższy będzie udział części palnych w pyle odprowadzanym z kotła. Jest to uzależnione od szeregu czynników konstrukcyjnych i eksploatacyjnych.
Podstawowym warunkiem, wymagającym przede wszystkim spełnienia, jest zapewnienie prawidłowego pokrycia rusztu węglem, co uzależnione jest zarówno od poprawnych rozwiązań konstrukcyjnych paleniska, jak i od właściwego nastawienia organów regulacyjnych narzutnika.
Ilość koksiku unoszonego ze spalinami z komory paleniskowej wzrasta proporcjonalnie do obciążenia cieplnego rusztu. Ten sam efekt powoduje jednak również niekontrolowany wzrost ilości powietrza do spalania powyżej niezbędnego minimum, a także nieprawidłowy rozdział powietrza podmuchowego pod rusztem wskutek niewłaściwego wyregulowania stref podmuchowych. Niższego stopnia związania popiołu z żużlem należy spodziewać się w paleniskach wyposażonych w ruszty o uproszczonej regulacji, a zwłaszcza pozbawionej jej w ogóle.
Koncentracja pyłu w spalinach będzie również rosła ze wzrostem rozdrobnienia spalanego węgla, w związku ze wzrostem udziału węgla spalanego w zawieszeniu. Na stopień jego wypalenia nie ma przy tym żadnego wpływu wysokość komory paleniskowej powyżej strefy rozprzestrzeniania się płomienia nad rusztem, ponieważ proces palenia się lotnego koksiku urywa się w momencie opuszczenia jej. Na spalanie węgla w zawieszeniu nie ma również wpływu spiekalność węgla. Przy jej braku mało stabilne jest jednak złoże pokrywające pokład rusztowy, spalające się bowiem na ruszcie grubsze ziarna węgla nie ulegają w takim przypadku spieczeniu w procesie odgazowania z nich części lotnych, lecz przeciwnie podlegają procesowi rozproszkowania, co sprzyja ich wydmuchiwaniu z powierzchni rusztu i unoszeniu w strumieniu spalin.
Wszystkim czynnikom powodującym wzrost ilości pyłu unoszonego ze spalinami, a zarazem wzrost straty niecałkowitego spalania, przeciwstawia się działanie instalacji nawrotu lotnego koksiku, polegające na wprowadzeniu pyłu z powrotem do komory paleniskowej. Im większe jednak będzie działanie czynników oddziaływujących na obniżenie stopnia związania popiołu z żużlem, tym trudniejsze do spełnienia zadanie będzie miała ta instalacja lub mniejsza będzie skuteczność jej działania.
O skuteczności działania instalacji nawrotu lotnego koksiku stanowi przede wszystkim udział nawracanego przez nią pyłu z całkowitej jego ilości unoszonej ze spalinami z komory paleniskowej. Istotne przy tym znaczenie ma sposób wprowadzenia koksiku do komory, zapewniający maksymalny stopień jego związania z żużlem, a dla pyłu unoszonego powtórnie ze spalinami możliwie najdłuższy czas przebywania w strefie płomienia, decydujący o obniżeniu udziału części palnych w pyle.
Wybór optymalnego rozwiązania instalacji nawrotu lotnego koksiku.
W początkowym okresie rozwoju palenisk narzutowych do komory paleniskowej nawracany był cały pył wytrącany we wszystkich lejach oraz w odpylaczu (Rys. 75d). Okazało się jednak, że wytrącające się w nim najdrobniejsze ziarna pyłu zawierają bardzo mało części palnych, których dopalenie staje się nieopłacalne wobec wzrastających kosztów samej instalacji nawrotu, zużycia energii na transport, czy ujemnych skutków nadmiernej ilości pyłu recyrkulującego w spalinach, którego intensywność unoszenia ze spalinami rośnie odwrotnie proporcjonalnie do wielkości ziarna.
Stosowaną aktualnie generalną zasadą jest wyeliminowanie z nawracanego pyłu ziaren leżących poniżej granicy wynikającej z rachunku ekonomicznego. Jej prawidłowe określenie jest jednak bardzo trudne, ze względu na konieczność uwzględnienia bardzo wielu czynników, w tym również takich, jak możliwość obniżenia zapylenia spalin na wylocie z kotła, czy poprawienia warunków eksploatacyjnych.
Obecnie powszechnie praktykuje się stosowanie pośrednich odpylaczy spalin (Rys. 75c i Rys.77a), usytuowanych w kotłach z końcowymi powierzchniami ogrzewalnymi jak najbliżej komory paleniskowej, na ile pozwala konstrukcja kotła oraz odporność odpylacza na działanie wysokich temperatur spalin (Rys. 77a). Takie usytuowanie zapewnia najwyższą skuteczność odpylania w stosunku do zapotrzebowania energii na pokonanie oporów przepływu przez odpylacz.
Kilkakrotne obniżenie zapylenia spalin, przepływających przez powierzchnie ogrzewalne usytuowane za odpylaczem pośrednim, pozwala na stosowanie w nich znacznie wyższych prędkości spalin decydujących o ekonomiczności ich rozwiązania, bez obawy o uszkodzenie przez erozję. Nie ma również potrzeby nawracania pyłu z lejów znajdujących się za nim ze względów ekonomicznych.
W kotle OR16-110 (Rys. 77a) nawrót pyłu z leja pod podgrzewaczem wody i powietrza zastosowano wyłącznie dla uniknięcia konieczności okresowego ręcznego usuwania pyłu z niego lub stosowania w tym celu tradycyjnych urządzeń mechanicznego odpopielania. Uzyskane przez to obniżenie straty niecałkowitego nie przekracza 0,3 %, co potwierdzają wyniki badań kotła OR6,5-030.
Rolę odpylacza pośredniego w niektórych konstrukcjach kotłów mogą przejąć same ciągi konwekcyjne kotła. Charakterystycznym przykładem jest kocioł OR2,5-010. W trzech ciągach pęczka konwekcyjnego parownika tego kotła wytrąca się 85 % pyłu unoszonego ze spalinami z komory paleniskowej.
Wnioski.
1. Kocioł z paleniskiem narzutowym z wysokim obciążeniem cieplnym rusztu wymaga wyposażenia go w instalację nawrotu lotnego koksiku, dzięki której można kilkakrotnie obniżyć stratę niecałkowitego spalania.
2. W kotłach, w których nie występuje intensywne wytrącanie pyłu ze spalin w obrębie ich ciągów konwekcyjnych, należy stosować pośrednie odpylacze spalin, odciążające znacznie odpylacze końcowe i zwiększające ich żywotność oraz obniżające zapylenie spalin odprowadzanych do atmosfery.
3. Efektem zastosowania instalacji nawrotu lotnego koksiku jest dalsze, w porównaniu z paleniskiem warstwowym, zwiększenie udziału popiołu związanego z żużlem.
4. Nie jest jednak ona środkiem dla eliminowania skutków niewłaściwie prowadzonego procesu spalania w palenisku narzutowym, powodującego dodatkowe skrócenie żywotności jej elementów wskutek konieczności nawracania do komory paleniskowej nadmiernej ilości lotnego koksiku, łącznie z możliwością zablokowania poszczególnych jego odbiorów wskutek nadmiernego ich przeciążenia. Obniżenie udziału popiołu związanego z żużlem podczas badań kotła OR6,5-030 (z rozregulowanym paleniskiem i zakłóceniami w równomierności zasilania węglem wskutek wadliwej konstrukcji narzutników węgla) ilustrują punkty na Rys. 77c.
Literatura
1. Funk M.O.: Carbon losses from stokers, American Power Conference, Chicago, 26÷28 marzec, 1963 r.
2. Knox H.L.: Trends in fly-carbon reinjection (Developments and improvements), Industrial Coal Conference , Purdue University
Lafayette, Indiana, 7.10. 1964 r.
Przepisał i w komentarze zaopatrzył: inż. J. Kopydłowski; 01.01.2010 r. (-) J. Kopydłowski
Na czas jego napisania nie było jeszcze żadnego kotła zmodernizowanego z zastosowaniem polskiego paleniska narzutowego i wyposażonego w najdoskonalsze w świecie rozwiązania instalacji nawrotu lotnego koksiku do paleniska.
W odpisie maszynopisu jego rysunkom nadano numery w kolejności ich występowania w opowieści.
Warunki do tego inż. J. Kopydłowski zapewnił dopiero później odpowiednią konstrukcją samego rusztu oraz wynalezioną przez niego regulacją dopływu powietrza do stref podmuchowych.
Pneumatyczny nawrót lotnego koksiku z całkowitym jego opadaniem na ruszt inż. J. Kopydłowski wynalazł dopiero w 1981 r.
Nie uwzględniono najważniejszej właściwości węgla stanowiącej w Polsce o wartości straty niecałkowitego spalania, jaką jest jego spiekalność, a ściśle brak zdolności węgla do spiekania się; prawdopodobnie dlatego, że nie ma tam pokładów węgla typu 31.
Opracowanych w latach 1965÷1966 przez inż. J. Kopydłowskiego.
Nie została odpisana.
W praktyce również we wszystkich kotłach konstrukcji CBKK, z zachowanym jeszcze paleniskiem narzutowym.
Również następnie w kotle OR40-010 oraz we wszystkich kotłach parowych typoszeregu ORp.
Z tego to powodu w pyle wytrąconym w elektrofiltrze kotła OR50, ocenianego przez naukowców z IMiUE, nie znalazłyby się większe ziarna pyłu, gdyby działała instalacja jego nawrotu do paleniska.
Jeśli udało się utrzymać w nim w miarę stabilny proces spalania.
Czyli absolutnie nie pod teorię „zimnego spalania” autorstwa naukowców z IMiUE Politechniki Śląskiej.
To nie było prawdą, ponieważ węgiel niespiekający się ulega rozdrobnieniu w procesie odgazowania, a im bardziej drobny, tym łatwiej się spala, w analogii do procesu spalania w kotłach pyłowych.
Co jednoznacznie potwierdza porównanie wartości tych udziałów na Rys. 77b i Rys. 77d.
2