Wpływ parametrów eksploatacyjnych kotła na powstawanie NOx w czasie spalania pyłu węglowego w kotłach z palnikami tradycyjnymi i niskoemisyjnymi
Mieczysław Świętochowski
Politechnika Wrocławska
1. Wprowadzenie
Z pośród wielu reakcji zachodzących w czasie spalania pyłu węgla kamiennego mechanizm tworzenia się NOx jest najbardziej skomplikowany i zależny od różnych często nakładających się czynników charakteryzujących własności węgla i warunki spalania. Chociaż w licznych badaniach odkryto wiele ważnych zależności mających miejsce przy formowaniu się NOx, dokładny mechanizm powstawania NOx w czasie spalania pyłu węglowego nie jest wciąż na tyle jasny aby móc a priori podać wartość emisji NOx dla różnych typów palników, warunków spalania, czy też różnych wielkości palenisk.
Według dotychczasowej wiedzy nie podważa się już w zasadzie tezy, że w czasie spalania pyłu węglowego w reakcjach tworzenia NOx bierze udział przede wszystkim azot dostarczany z paliwem, natomiast udział tzw. termicznych NOx, pochodzących z azotu powietrznego uważa się za stosunkowo mały. Z licznych publikacji wiadomo, że podstawowymi czynnikami wpływającymi na konwersję azotu do NOx w czasie spalania pyłu węglowego są: zawartość części lotnych (Vdaf) oraz azotu (Ndaf) w spalanym paliwie, lokalny nadmiar powietrza (λ) i maksymalna temperatura płomienia (Tmax) oraz początkowa koncentracja tlenu (RO2) w otoczeni cząstek pyłu (powietrze lub miesznina powietrzno-spalinowa). W jednej z podstawowych publikacji z tej dziedziny [1] podano matematyczną korelację między tymi czynnikami w postaci:
CR = -0.407 - 0.128 Ndaf + 3.34 10-4 (Vdaf)2(λ-1) + 5.55 10-4 Tmax + 3.5 10-3 RO2
gdzie przez CR oznaczono liczbę konwersji azotu, definiowanego jako stosunek końcowej koncentracji NOx w spalinach do koncentracji obliczonej dla 100% zamiany azotu paliwowego do NOx.
Wymienione wyżej czynniki często wzajemnie się nakładają zwielokrotniając końcowy efekt. I tak np. im wyższa jest temperatura płomienia tym CR ma wyższą wartość i efekt ten jest tym bardziej znaczący im wyższy jest nadmiar powietrza. Tendencja ta mocno zależy również od własności spalanego węgla. Im węgiel posiada wyższą zawartość części lotnych (przy tej samej zawartości azotu) tym dodatni wpływ temperatury płomienia na wartość CR jest bardziej znaczący oraz przeciwnie dla węgli o małej zawartości części lotnych (Vdaf<25%) wpływ temperatury płomienia na powstawanie NOx jest mało istotny. Powyższy efekt można wyjaśnić tym, iż im więcej azotu z paliwa może uwolnić się do fazy gazowej (sprzyja temu wyższa zawartość części lotnych) tym więcej i szybciej zachodzi konwersja azotu do NOx , i to szczególnie przy wyższych wartościach λ i Tmax .
Wpływ zawartości części lotnych na tworzenie się NOx jest silnie zależny od nadmiaru powietrza. Dla λ>1 wpływ ten jest dodatni, tzn. im wyższe Vdaf tym wyższa emisja. Dla λ<0.8 wpływ Vdaf jest ujemny, tzn. wyższej zawartości Vdaf towarzyszyć będzie niższa emisja. W zakresie zawartości λ=0.8÷1.0 nie obserwuje się widocznego wpływu Vdaf na emisję Nox. Znaczy to, że dla palenisk tradycyjnych wyższa zawartość części lotnych w paliwie sprzyja emisji NOx. Dla palenisk niskoemisyjnych zawartość części lotnych w paliwie nie powinna mieć znaczenia.
Z badań [1] wynika, że im wyższa zawartość azotu w paliwie tym CR ma niższą wartość i efekt ten jest bardziej wyraźny dla wyższych wartości λ i Tmax . Nie znaczy to, że z węgla o wyższej zawartości azotu będzie niższa emisja, tylko że mniejszy procent azotu z paliwa zamieni się w NOx .
Powyższe zależności otrzymano z tzw. badań podstawowych na stanowiskach laboratoryjnych. Ważnym jest sprawdzenie na ile pokrywa się to na obiektach rzeczywistych .
2. Badania emisji z kotła OP-430 EC Wrocław (K-3 i K-2)
Wykonano badania wpływu obciążenia kotła (wydajności), współczynnika nadmiaru powietrza w kotle (mierzono zawartość tlenu w spalinach przed podgrzewaczem wody po lewej i prawej stronie kotła oraz w miejscu pomiaru emisji) i konfiguracji pracujących młynów na wielkość stężenia NOx. Młyny typu MKM - 25 kotła wyposażone są w separatory dynamiczne. Młyny mają oznaczenia MW 1 do MW 4, gdzie MW 1 obsługuje najwyższe piętro palników, a młyn MW 4 zasila najniższe piętro palników. Stężenia NOx ,CO i zawartości tlenu w spalinach mierzono elektrochemicznym analizatorem typu GA-60 firmy MADUR, współpracującym z suszarką spalin typu GD-10.
Na rys.1 zamieszczono zestawienie uzyskanych w pomiarach średnich wartości stężeń NOx w spalinach za kotłem.
Zmierzone stężenia NOx w spa-
spalinach za kotłem, przeliczone na tlen bazowy (O2 = 6%), zawie- rały się w zakresie od 486 g/nm3 (dolne palniki, O2~3,0% ) do 960
mg/nm3(górne palniki, O2~4,0%)
co odpowiada emisji NOx od ok. 173 g/GJ do 340 g/GJ. Potwierdza to znany fakt bardzo dużego wpływu na emisję NOx,
zarówno konfiguracji młynów
(palniki górne, palniki dolne),jak
Rys.1. Stężenie NOx w spalinach przeliczone na tlen bazowy też współczynnika nadmiaru po-
O2 %, za kotłem OP-430 (K-3) w EC Wrocław w funkcji wietrza w palenisku. Praca mły-
wydajności parowej, zawartości tlenu oraz konfiguracji nów, połączonych z górnymi pal-
pracy mynów (1-palniki górne, 2-palniki dolne). nikami, zdecydowanie sprzyja tworzeniu się Nox. Dla tej samej palnikami, zdecydowanie sprzyja tworzeniu się NOx. Dla tej samej (w przybliżeniu) zawarto- ści tlenu przełączenie młyna z dolnego na górny dawało przyrost NOx z 540 mg/nm3 do 849 mg/nm3 dla wydajności kotła D= 400 t/h i O2 ~ 3,8 %; z 639 mg/nm3 do 844 mg/nm3 dla D = 345 t/h i O2 ~ 4,35 % oraz z 701 mg/nm3 do 960 mg/nm3 dla D=300 t/h i O2 ~ 4,4 %. Zebrany materiał nie daje wystarczających danych dla jednoznacznego stwierdzenia wpływu obciążenia kotła na stężenie NOx w spalinach badanego kotła. Można jednak zauważyć, że szczególnie przy pracy młynów na dolne palniki, prz y porównywalnej zawartości O2 w palenisku, stężenie NOxwyraźnie maleje wraz ze wzrostem wydajności kotła. Przy pracy górnych palników tendencja ta jest dużo łagodniejsza. Należy podkreślić, że dla każdego układu pracy kotła nawet chwilowy wzrost nadmiaru powietrza w palenisku daje natychmiastowy przyrost stężenia NOx w spalinach.
Spalany węgiel charakteryzował się wartością opałową ok. 22500 kJ/kg, zawartością popiołu Ar~20% oraz wilgoci Wr~11%. Zawartość części lotnych w masie palnej wynosiła Vdaf~33% a zawartość azotu Ndaf~1.1%.Zawartość części pa- lnych w popiele była w zasadzie stała i niezależna od zmian para- metrów eksploatacyjnych i wyno- siła ok. 2,2 %. Zawartość części palnych w żużlu zawierała się w granicach od 3 do 5 %.
Na rys.2 zamieszczono wyniki badań emisji bliźniaczego kotła (oznaczonego nr2). Widać tu wyraźny wpływ zarówno konfiguracji młynów jak też obciążenia kotła. Pomiary wykonano przy stałym nadmiarze Rys. 2. Stężenie NOx w spalinach za kotłem OP-430 (K-2) powietrza za podgrzewaczem
w EC Wrocław w funkcji konfiguracji młynów i wody. Ze wzrostem wydajności
obciążenia kotła. kotła maleje emisja Nox.
3. Badania emisji z kotła OP-430 (K-1) EC Poznań
Celem wiodącym było określenie wpływu sposobu eksploatacji układu młynowego na przemiał, następnie na stratę niecałkowitego spalania w żużlu i lotnym popiele oraz w końcowym efekcie na emisję NOx. Badano też wpływ zawartości tlenu na wylocie z komory paleniskowej na emisję NOx.Kocioł wyposażony jest w pięć młynów MKM-25, z których młyn nr 5 pracuje na najniższe piętro a młyn 1 na najwyższe.
Dla młynów kulowo-misowych współpracujących ze zwykłymi palnikami (nie niskoemisyjnymi) przyjmowano (w literaturze) ,że przemiał charakteryzowany pozostałością na sicie o oczkach 90 mm powinien odpowiadać zawartości części lotnych w masie palnej paliwa , tzn. tu R88= 28 - 35 % oraz R200= 6 -7 %. Uzyskane przemiały dla kątów ustawienia łopatek zbliżonych do optymalnych mieszczą się w.w. zakresie . W zależności od wentylacji młyna wynosiły one : R88= 20 - 35 % oraz R200= 2.44 - 6.96 % (pomiary nr 1,2,3 i 4). Stwierdzono, że im niższa wentylacja młyna oraz większe obciążenie (większa wydajność) przemiał jest drobniejszy. Zauważyć też można oczywistą współzależność stopnia rozdrobnienia pyłu oraz końcowej wilgotności pyłu; im drobniejszy przemiał tym mniejsza zawartość wilgoci w pyle.W badanych próbkach a dotyczących kąta ustawienia łopatek separatora młynowego 45o wilgotność pyłu wynosiła 0.43 - 1.65%.Mając na uwadze ewentualną zabudowę palników niskoemisyjnych należy uznać otrzymane przemiały jako zbyt grube, w związku z czym należałoby przewidywać modernizację młynów
Wartość straty niecałkowitego spalania w żużlu zawierała się w granicach 0.33 - 0.88 % (odpowiada to zawartości części palnych w żużlu na poziomie 6 - 10 %).Nie stwierdzono wpływu obciążenia cieplnego kotła na wartość tej straty, natomiast występuje wyraźny wpływ stopnia przemiału węgla , im drobniejszy przemiał tym mniejsza wartość straty w żużlu. Szczególnie istotny wpływ ma wartość R200 na zawartość części palnych w żużlu a więc na wartość Snż , rys.3, zauważyć też można wpływ konfiguracji pracujących pięter palników . Praca dolnych pięter (młyn 5,4,3) powoduje pewien wzrost straty Snż . Wartość straty niecałkowitego spalania w lotnym popiele była w zakresie 0.5 - 2 % . Zawartość części palnych w lotnym popiele wahała się 1.7 - 6.5%. Wartość Rys.3. Strata niecałkowitego spalania w żużlu i lotnym popiele tej straty rośnie z obciążęniem
w funkcji stopnia przemiału węgla . kotła jak również z pogorszeniem przemiału. Na rys.4 zestawiono wyniki pomiaru emisji NOx otrzymane przy wydajności zna- mionowej kotła. Tu również zaważono istotne jej zależności od sposobu eksplo- atacji kotła. Na emisję NOx bardzo duży
Rys. 4. Stężenie NOx w spalinach przeliczone na tlen bazowy
O2 =6%, za kotłem OP-430 EC Poznań, w funkcji
zawartości tlenu oraz konfiguracji młynów dla Rys. 5. Emisja Nox w funkcji stopnia
znamionowej wydajności kotła. przemiału
wpływ ma zawartość tlenu jak równieżkonfiguracja młynów. Im wyższa zawartość tlenu w palenisku oraz im wyższe poziomy pracujących palników tym emisja jest wyższa (dla warunków skrajnych różnica może być dwukrotna). Nie można natomiast zauważyć istotnego wpływu stopnia rozdrobnienia pyłu na emisję NOx, rys.5. Przytoczone wyżej dane pomiarowe jednoznacznie potwierdzają wyciągnięte uprzednio wnioski.
4. Badania emisji z kotła OP-130 (K-1) EC Czecnica
. Zasadniczym celem pracy było przeprowadzenie optymalizacji procesu spalania w kotle.Głównym kryterium optymalizacji była możliwie niska emisja NOx przy jednoczesnym utrzymaniu dopuszczalnych zawartości części palnych w lotnym popiele i w żużlu oraz śladowej emisji CO. Na kotle wykonano prace modernizacyjno-remontowe w bardzo szerokim zakresie, wg projektu "RAFAKO", które było też dostawcą podstawowych elementów. Wymieniono ekrany komory paleniskowej na nowe, typu membranowego (ekrany szczelne) z lekką izolacją. Zamontowano nowe palniki pyłowe narożnikowe z uchylnymi dyszami góra - dół, zabudowano cztery dysze OFA (po dwie na bocznych ścianach), również z możliwą regulacją pochylenia w górę i w dół.
Kocioł wyposażono w nowe wentylatory podmuchu, typu WPX oraz nowe kanały powietrza z zabudowanymi na nich klapami regulacyjnymi z pomiarem głównych strumieni powietrza. Kocioł wyposażono w nowoczesny układ komputerowej wizualizacji pomiarowej i automatyki typu MASTER, wykonany przez JASE Wrocław. Kocioł opalany jest pyłem węgla kamiennego wytwarzanego w centralnej młynowni w młynach kulowo-bębnowych.
W celu określenia punktu odniesienia dla efektów przeprowadzonej modernizacji oraz sprawdzenia wpływu zmian kąta pochylenia dysz palników narożnikowych na parametry pracy kotła wykonano badania dla D = 130 t/h przy zamkniętych dyszach OFA. Przez dysze OFA przepływało tylko powietrze chłodzące, stanowiące ok.4,4% powietrza organizo-wanego. Pomiary przeprowadzono przy kącie pochylenia dysz palników wynoszącym:0o, -10o, +10o. Zmierzone średnie w czasie stężenie NOx ( dla O2 = 6 % ) wyniosło od 899 mg/nm3 do 972 mg/nm3; zawartość części palnych w popiele od 2,11 % do 2,35 %, w żużlu ok. 1 %, stężenie CO ok. 10 mg/nm3. Wpływu kąta pochylenia dysz palników naro- żnikowych na emisję NOx nie dało się wychwycić. Rozrzut w zmierzonym stężeniu NOx wynikał raczej z różnej
Rys.6. Zakres uzyskanych wartości stężeń NOx za kotłem i zawartości tlenu ( 3,3% do 3,8% ) dla
zawartość części palnych w popiele. poszczególnych wariantów. Kąt pochy- lenia dysz palników wpływał natomiast wyraźnie na wydajność cieplną komory paleniskowej.
Badania optymalizacyjne przeprowadzono dla ok. 30 wariantów pomiarowych zmieniając pochylenia palników i dysz OFA, nadmiar powietrza w kotle a przede wszystkim zmieniając proporcje rozpływu powietrza dla trzech wydajności kotła. Wyniki przedstawiono na rys.6. Wielkości skrajne to: wartości maksymalne NOx ~ 500 - 590 mg/nm3 uzyskane w warunkach małego udziału powietrza do dysz OFA lub wysokiego nadmiaru powietrza; zawartość części palnych w odpadach stałych dla tych wariantów zawierała się w granicach 1,91 % do 3,8 % oraz wartości minimalne: NOx ~ 322 mg/nm3 ( D = 130 t/h ); 369mg/nm3 ( D = 100 t/h ) i 339 mg/ nm3 ( D = 80 t/h ), uzyskane dla najwyższych badanych udziałów powietrza do dysz OFA oraz dolnych wartościach O2 . Odpowiadały im zawartości części palnych w popiele odpowiednio 4,72 %, 5,69 % i 5,18 %. We wszystkich przeprowadzonych wariantach badawczych zawartość CO w spalinach była niska i wynosiła w zasadzie poniżej 30 mg/nm3 ( dla O2 = 6 %).
Rys. 7. Wpływ zawartości tlenu w spalinach oraz udziału Rys.8. Optymalne strumienie powietrza do kotła z
powietrza do dysz OFA na stężenie Nox za podziałem na powietrze pierwotne (VpI), do
kotłem oraz zawartość węgla w popiele naroży (VpII), do dysz OFA w funkcji wy-
dla D = 130 t/h. dajności parowej kotła.
Dla jednego pomiaru, przy obciążeniu znamionowym, obniżono zawartość O2 przed podgrzewaczem powietrza do 2,8 % oraz zachowano wysoki udział powietrza do dysz OFA
(UOFA = 22,6 % ), co dało w efekcie bardzo niską i stałą w czasie emisję NOx, bo wyno-szącą 235 mg/nm3 przy stężeniu CO=28 mg/ nm3. Jednak zawartość części palnych w popie-ele wzrosła aż do 7,2 %, dlatego nie badano więcej wariantów o zawartości O2 poniżej 3.3%.
Na rys.7 przedstawiono wpływ udziału powietrza podawanego przez dysze OFA w stosunku do całego powietrza zorganizowanego w kotle na stężenie NOx za kotłem (przeliczone na O2 = 6 %) oraz na zawartość części palnych w popiele lotnym dla dwu zakresów zawartości O2 przed podgrzewaczem powietrza, tzn. O2 = 3,7- 3,8% oraz O2 = 3,3 - 3,4 %. Analiza wykresu potwierdza znany fakt, że im niższy nadmiar powietrza w palenisku (czywiście przy śladowej ilości CO ) oraz wyższy udział powietrza do dysz OFA, emisja NOx maleje, a rośnie zawartość części w popiele.
Jeśli idzie o kąt pochylenia dysz OFA ( w zakresie - 20o do + 100 ) to gdy pochylamy dysze w dół, zmniejsza się zawartość części palnych w popiele, ale rośnie emisja NOx, kierując dysze do góry otrzymano wzrost zawartości części palnych w popiele przy emisji porównywalnej z poziomym ustawieniem dysz.Podsumowując, z punktu widzenia emisji NOx i zawartości części palnych w popiele, najlepszym jest ustawienie poziome zarówno dysz palników, jak i dysz OFA.
Zawartość części palnych w żużlu była niska i nie przekraczała 2 %, nie zauważono tu wyraźnych za- leżności od ustawienia kotła.
Spalany pył węglowy miał wa- rtość opałową ok. 25000 kJ/kg , zawartości części mineralnych 22 - 23 % , wilgotności ok. 1.4 % oraz zawartości części lotnych w masie palnej Vdaf ok. 33 %. Węgiel surowy dostarczany do przemiałowni miał wilgotność ok 9 - 10 % i wartość opałową ok. 23000 kJ/kg .Zawartość azotu w spalanym węglu wynosiła ok.1.2% ( w stosunku do składu analitycznego). Średni przemiał dla całego okresu badań wynosił : R200 ~ 4.3, R90~ 25.5. Jest to przemiał raczej gruby jak dla młynów kulowo-bębnowych.
Rys.9. Stężenie NOx oraz emisja NOx, zawartość części palnych Na rys.8 podano rozpływy
w popiele i żużlu oraz temperatura pary przegrzanej powietrza uznane za optymalne.
w funkcji wydajności parowej kotła. Udział powietrza do dysz OFA dla przytoczonych rozpływów wynosi: 20% dla D=130t/h, 16% dla D=100t/h i 15% dla D=80t/h. Odpowiadające im wartości emisji i pozostałości części palnych w odpadach podano na rys.9. Zmierzone stężenia NOx były w zakresie 419 - 435 mg/nm3 co odpowiada emisji na poziomie 148 - 153 g/GJ przy dopuszczalnej ustawą po 1997r. 170 g/GJ.
Przy stałej ilości tlenu w spalinach ( uznanej za optymalną z punktu widzenia sprawności kotła, np.: 3,8 % dla 130 t/h ) mażna w szerokim stopniu wpływać na wielkość emisji i zawartość części palnych w popiele poprzez zmianę ilości powietrza podawanego przez dysze OFA Wnioski powyższe potwierdzają się również dla niższych wydajności kotła.
5. Podsumowanie
Zebrany w pracy materiał badawczy jest bardzo fragmentaryczny i nie pozwala na wyciąganie pewnych i jednoznacznych wniosków, niemniej pewne spostrzeżenia można sformułować:
1. Najistotniejszym spostrzeżeniem z przprowadzonych pomiarów jest wniosek, że emisja NOx zależy od sposobu eksploatacji kotła. Nawet w kotłach z palnikami niemoderni-zowanymi mażna znacznie obniżyć emisję przez odpowiednią eksploatację. Prowadzenie kotła głównie z młynami zasilającymi dolne rzędy palników jak też staranne utrzymywanie stałego i niskiego nadmiaru powietrza może znacznie obniżyć emisję.
2. Przeprowadzone na kilku obiektach pomiary emisji potwierdzają ogólne zależności dotyczące formowania się NOx w czasie spalania pyłu węglowego a podane we wstępie. Szczególnie silny wpływ wywiera nadmiar powietrza w palenisku. Nie mniej spektakularny wpływ wywiera konfiguracja pracujących młynów (poziom palników). Włączeniem górnego piętra palników w miejsce dolnego piętra powoduje skokowy wzrost emisji NOx. Wytłumaczyć to można zmniejszonym czasem na ewentualną redukcję powstałych już NOx w warunkach pracy palników górnych.
3. Badania potwierdzają wpływ zawartości części lotnych w paliwie na poziom emisji NOx. Przeprowadzone pomiary na trzech podobnych kotłach (OP-430) wykazują, że ogólny poziom emisji był wyższy tam gdzie spalano węgiel o wyższej zawartości części lotnych.
4. Badania wykazały, że dla niższych obciążeń cieplnych kotła (gdzie spodziewać się należy niższej maksymalnej temperatury płomienia) emisja wyrażnie wzrasta. Ten pozornie sprzeczny wynik spowodowany być może dużą wyższą lokalną wartością λ ( w porównaniu do warunków z wyższą wartością Tmax ) wywołaną wolniejszym tempem wydzielania się i spalania części lotnych, szczególnie w przypadku niższej koncentracji pyłu węglowego.
5. W rzeczywistych paleniskach (głównie w czsie obciążeń maksymalnych) otrzymuje się niekiedy niższe wartości NOx dla wyższych wartości Vdaf; wytłumaczyć to można niższą lokalną wartością λ (λ<0.8) w strefach bogatych w paliwo spowodowane gwałtownym utlenianiem się części lotnych w przypadku złego wymieszania paliwa z powietrzem.
Literatura
[1] Okazaki K., Ohya M., Yuri I., Ohtake K.: NOx formation behaviours in pulverized-coal combustion process, . International Symposium on Coal Combustion at Tsinghua University, Beijing, Sppringer-Verlag,Berlin,1988
[2] Świętochowski M.: Badania składu spalin z kotła OP-430 (K-3) EC Wrocław. Raport Rafako-Energo Oddz.
Wrocław, 1995r.
[3] Świętochowski M.: Pomiar przedmodernizacyjny kotła OP-430 (K-1) EC Poznań. Raport Rafako-Energo
Oddz. Wrocław.1994r.
[4] Świętochowski M.: Badania optymalizacyjne rozpływu powietrza oraz procesu spalania w kotle OP-130
ZEC Wrocław - EC Czechnica po modernizacji układu paleniskoweg. Raport Rafako-Energo Oddz.
Wrocław. 1995r.
[5] Świętochowski M.: Badania przedmodernizacyjne kotła OP-430 (K-2) EC Wrocław. Raport Rafako-Energo
Oddz. Wrocław, (w opracowywaniu).