1.Sposoby ograniczania CO2,opisać jeden.

Typy kotłow fluidalnych

2. Przegląd literatury.

2.1 Podstawy fluidyzacji.

Fluidyzacja jest procesem tworzenia się zawiesiny drobnych cząstek węgla w przepływającym od dołu strumieniu powietrza. Dobranie wymiarów cząstek węgla i prędkości strumienia powietrza powoduje, że jego cząstki wprowadzone w ruch turbulentny tworzą tzw. fazę fluidalną, wykazującą właściwości fizyczne bardzo zbliżone do cieczy. Cząstki węgla są wówczas doskonale wymieszane z powietrzem, a duża powierzchnia styku cząstek węgla i powietrza powoduje zwiększenie intensywności spalania.

Taka intensywność spalania pozwala na zmniejszenie wymiarów komory paleniskowej, w której proces ten zachodzi, oraz na obniżenie temperatury spalania do 800 - 900°C. Konsekwencją obniżenia temperatury spalania jest zmniejszenie się ilości wytwarzanych  w procesie spalania tlenków azotu oraz ulatniania się cząstek sodu i wanadu. Tlenki azotu są groźne dla środowiska, a sód i wanad powodują korozję turbin gazowych napędzanych spalinami z paleniska fluidalnego [1]. Kotły fluidalne osiągnęły swój sukces dzięki ich zdolności do zgodnego z zaostrzającymi się normami ochrony powietrza oraz spalania paliw odpadowych. Dodatkowe korzyści z zastosowania spalania fluidalnego to [2]:

·        wysoka skuteczność wypalania paliwa (99%),

·        niska emisja NOX i SO2 bez konieczności stosowania dodatkowych instalacji dla ich redukcji,

·        możliwość jednoczesnego spalania różnych typów paliw, w tym także paliw bardzo niskiej jakości.

Dzięki idealnemu wymieszaniu cząstek węgla z powietrzem w warstwie fluidalnej oraz faktowi, że temperatura złoża fluidalnego jest niższa niż temperatura topnienia popiołu zawartego w węglu, możliwe jest spalanie węgla niskokalorycznego, zawierającego bardzo dużo popiołu.                  W palenisku fluidalnym możliwe jest spalanie węgla o wartości opałowej począwszy od ok. 6,3 [MJ/kg] bez odbioru ciepła z warstwy fluidalnej i od ok. 13 [MJ/kg] przy odbiorze ciepła z warstwy fluidalnej [1]. Pomyślnie wypadły próby ze spaleniem w różnych typach palenisk fluidalnych również innych rodzajów paliw. Ich wyszczególnienie zawarto w tabeli 1.

Tabela 1

Rodzaje paliw spalane w różnych typach palenisk fluidalnych

Intensywność reakcji chemicznych zachodzących w warstwie fluidalnej jest również wykorzystywana do drugiego, niemniej ważnego celu, a mianowicie wiązania siarki zawartej w węglu i spalającej się na dwutlenek siarki z dodanym do węgla tlenkiem wapnia w postaci mielonego kamienia wapiennego lub dolomitu. Dwutlenek siarki wiąże się w warstwie fluidalnej z tlenkiem wapnia, tworząc siarczan wapnia wg reakcji:

                                          (2.1.1)

                            (2.1.2)

              Ponadto w kotłach fluidalnych siarkę zawartą w paliwie można związać wprowadzając sorbent. W wyniku czego powstaje siarczek wapnia. Stosunkowo niska temperatura panująca w palenisku powoduje, że wiązanie to pozostaje stabilne i powstający siarczek wapnia jest usuwany wraz z popiołem (w wysokich temperaturach panujących w kotłach ze zwykłymi paleniskami siarczek wapnia powstaje trudniej, a ponadto część jego rozkłada się z powrotem na tlenek wapnia i na dwutlenek siarki         w dalszym odcinku drogi spalania). Skuteczność odsiarczania spalin          w takim procesie osiąga 95% , a więc jest większa niż w innych procesach, a sam proces jest tańszy inwestycyjnie[1].

Wymiana ciepła między warstwą fluidalną a umieszczonymi w niej rurowymi powierzchniami ogrzewalnymi kotła jest także bardzo intensywna, co wpływa na wymiary komory paleniskowej. Do 60% ciepła uzyskanego ze spalania może być przyjęte przez te powierzchnie ogrzewalne.

Palenisko fluidalne pozwala na zmniejszenie emisji dwutlenku siarki do atmosfery przy stosunku molowym Ca/S = 1,5 o 80%, a przy stosunku molowym Ca/S = 2,5 nawet o 95%. Równocześnie emisja tlenków azotu do atmosfery zostaje zmniejszona o 50¸80% w stosunku do paleniska pyłowego [1].

2.2 Zasada działania paleniska fluidalnego [3].

W celu poznania procesu fluidyzacji rozpatrzono układy z rys.1. Na nieruchomej płycie rusztowej 1 znajduje się rozdrobniony węgiel               o wymiarach cząstek 6÷10 [mm], tworząc złoże. Doprowadzone od dołu powietrze 2 przepływa w wolnej przestrzeni kanałami między cząstkami stałymi przez nieruchome złoże – zjawisko jak w zwykłym palenisku rusztowym.

Rys.1 Schemat procesu fluidyzacji.

Przy ciągłym zwiększaniu strumienia przepływu powietrza złoże pozostaje nieruchome (rys.1a), wzrasta spadek ciśnienia w złożu. Im gęstsze jest ułożenie cząstek w złożu (porowatość złoża mniejsza), tym strata ciśnienia jest większa. Gdy nadciśnienie powietrza zrówna się           z ciśnieniem statycznym słupa ciała stałego (węgla), co jest równoznaczne ze zrównaniem spadku ciśnienia w złożu z ciężarem materiału złoża przypadającym na jednostkę powierzchni, wówczas występuje ekspansja złoża – porowatość złoża zwiększa się (rys.1b). Dalsze zwiększanie prędkości powietrza powoduje zwiększenie ekspansji złoża, natomiast nadciśnienie powietrza pozostaje stałe.

W pewnym przedziale prędkości przepływu powietrza, materiał zawarty w złożu osiąga taki stan rozluźnienia, że poszczególne ziarna ciała stałego zaczynają wykonywać ruchy i przesuwają się względem siebie        ( rys.1c). występuje zjawisko fluidyzacji.

Przy dalszym zwiększaniu prędkości powietrza materiał zaczyna cyrkulować  w złożu, podobnie jak ciecz wrząca. W tych warunkach złoże składa się  z dwu współdziałających faz: fazy pęcherzy powietrza wolnych od cząstek stałych i fazy gęstej ( powietrze i cząstki stałe). Gdy prędkość powietrza przekroczy prędkość swobodnego opadania ziaren ciała stałego, wówczas zanika proces fluidyzacji i nastąpi unoszenie (wyrzucanie) cząstek stałych ze złoża – całkowite wyniesienie złoża (transport pneumatyczny) - (rys.1d).

Proces fluidyzacji przebiega w pewnym określonym przedziale prędkości przepływu powietrza – tzw. prędkość fluidyzacji, około 2,5 [m/s]. Dobranie wymiarów cząstek węgla i prędkości strumienia powietrza powoduje, że jego cząstki wprowadzone w ruch turbulentny tworzą fazę fluidalną, wykazującą właściwości fizyczne bardzo zbliżone do cieczy.

              Zapłon złoża odbywa się za pomocą palnika pyłowego, olejowego lub gazowego, od góry, lub przez doprowadzenie gorących spalin               o temperaturze 800°C od dołu złoża. Cząstki węgla są doskonale wymieszane z powietrzem, a duża powierzchnia styku cząstek węgla           i powietrza powoduje zwiększenie intensywności spalania pozwala na zmniejszenie wymiarów komory paleniskowej, oraz na obniżenie temperatury spalania do 750÷950°C. Poniżej temperatury 750°C pogarszają się warunki utleniania węgla i w spalinach występują znaczne stężenia CO – zwiększają się straty niezupełnego spalania.

Powyżej temperatury 950°C następuje spiekanie i mięknięcie popiołu, złoże traci sypką i drobnoziarnistą strukturę. Utrzymanie zakresu temperatur wymaga wprowadzenia do złoża nieaktywnego balastu             w postaci dolomitu kamienia wapiennego lub popiołu. Substancje nieaktywne (balast), dolomit lub kamień wapienny oraz popiół stanowią 97÷99% masy złoża a części palne 1÷3%. Występujące w warstwie fluidalnej pęcherze powietrza wprawiają w ruch warstwę, uaktywniają mieszanie się cząstek stałych w warstwie, dostarczając tlen do palących się cząstek paliwa. Zachodzi intensywna wymiana ciepła między cząsteczkami węgla i popiołu oraz między warstwą fluidalną a umieszczoną w niej powierzchnią ogrzewalną. Wysokość warstwy wynosi 0,6÷1,0 [m] i jest utrzymywana przez regulację strumienia popiołu odprowadzanego              z warstwy.

2.3 Podział kotłów fluidalnych [4]

Na świecie istnieje znaczna ilość różnych rozwiązań tego typu urządzeń. Większość z nich nie została jednak jeszcze dokładnie przetestowana, by mówić o handlowym charakterze kotła. W każdym przypadku tworzenia nowego rodzaju urządzenia wytwarzającego energię cieplną, konstruktorzy muszą ściśle współpracować tak z ekologami jak      i ekonomistami, by nie stworzyć czegoś, co nie przyniesie żądanych efektów w odniesieniu do poniesionych kosztów. Wiele pomysłów już zrealizowanych okazało się zupełnie nieopłacalnych we wdrożeniu. Istniejące typy kotłów fluidalnych posiadają wiele indywidualnych             a zarazem niepodważalnych zalet proekologicznych i ekonomicznych. Można je podzielić głównie ze względu na ciśnienie panujące w komorze spalania.
 

Podział kotłów ze względu na warstwę:

·         kotły z pęcherzykową (stacjonarne) warstwą fluidalną (BFB) bubbling fluidized bed

·         kotły z cyrkulacyjną warstwą (CFB) circulating fluidized bed

W zależności od ciśnienia panującego w komorze spalania rozróżnia się następujące typy kotłów fluidalnych:

·         kotły atmosferyczne (AFBC), atmospheric fluidized bed combustor

·         kotły ciśnieniowe (PFBC), Pressurized Fluidized Bed Combustion

·         hybrydowe kotły ciśnieniowe.

Zarówno kotły atmosferyczne, jak i ciśnieniowe można podzielić na kotły:

·         kotły z pęcherzykową warstwą fluidalną (BFBC), bubbling fluidised bed combustion

·         kotły z cyrkulacyjną warstwą fluidalną (CFBC), Circulating Fluidized Bed Combustion

·         kotły z binarną warstwą fluidalną (MSFB), Multi-Solid Fluidized Bed

·         kotły CIRCOFLUID,

·         kotły z wewnętrzną cyrkulacyjną warstwą fluidalną (ICFB). internal circulating fluidized bed

2.3.1. Kotły z pęcherzykową warstwą fluidalną (BFBC).

Kotły z pęcherzykową warstwą fluidalną znane również jako kotły ze stacjonarnym złożem fluidalnym były bardzo popularne w początkowym okresie rozwoju technologii fluidalnego spalania. Wraz ze wzrostem prędkości przepływu powietrza powyżej wartości krytycznej charakterystycznej dla określonego materiału ziarnistego warstwa zaczyna fluidyzować. Pojawiają się pęcherze gazowe, ale ziarna pozostają       w stosunkowo bliskim kontakcie między sobą. Górna granica warstwy jest z grubsza określona. Ponad nią znajduje się przestrzeń separacji, do której przepływają najdrobniejsze frakcje.

Na rysunku 2 przedstawiono schemat ideowy kotła BFBC.

Rys.2. Schemat ideowy kotła fluidalnego z atmosferycznym złożem stacjonarnym BFBC

              Wysokość komory paleniskowej dobiera się tak, aby czas pobytu gazu był ok. 6[s]. W kotłach atmosferycznych wysokość warstwy ograniczona jest spadkiem ciśnienia wzdłuż warstwy, decydującym o mocy wentylatora. Prędkość powietrza wynosi około 1¸3 [m/s], a temperatura utrzymywana jest na poziomie 850°C. O sprawności spalania i odsiarczania decyduje czas kontaktu ziaren z gazem w przestrzeni warstwy fluidalnej, który wynosi około 0,5 sekundy .

W dużych kotłach BFBC warstwa podzielona jest na szereg mniejszych modułów, w których zanurzone są powierzchnie grzewcze. Moduły wyłącza się w zależności od zapotrzebowania na parę. Wadą dużych jednostek jest skomplikowany system zasilania kotła paliwem         i sorbentem, który składa się z wielu kołpaków paliwowych rozlokowanych na dystrybutorze powietrza.

Kotły ze stacjonarnym złożem fluidalnym nadal znajdują zastosowanie w przemyśle. Mogą być stosowane w małych oraz średniej wielkości elektrociepłowniach. [5].

2.3.2. Kotły z cyrkulacyjną warstwą fluidalną (CFBC)

Kotły z cyrkulacyjnym złożem fluidalnym są alternatywnym rozwiązaniem dla obiektów wyposażonych w klasyczne kotły                     z paleniskiem pyłowym, które ze względu na coraz ostrzejsze wymagania dotyczące ochrony środowiska naturalnego muszą być wyposażone           w paleniska generujące niskie emisje NOx i w zewnętrzne instalacje odsiarczania spalin.

W złożu fluidalnym, dzięki bardzo dobremu wymieszaniu poszczególnych składników materiału inertnego (węgiel, sorbent, popiół, piasek) i niskiej temperaturze spalania, istnieją szczególnie korzystne warunki do spalania niskojakościowych paliw stałych, przy jednoczesnym znacznym ograniczeniu emisji tlenków azotu i tlenków siarki już w samym procesie spalania.

Na polskim rynku energetycznym obserwuje się stosunkowo duże zainteresowanie technologią spalania w złożu fluidalnym zwłaszcza dlatego, że pozwala ona wykorzystać do produkcji ciepła i energii elektrycznej paliwa niskojakościowe i uciążliwe do spalania w paleniskach pyłowych [6].

Charakterystyczne cechy konstrukcyjne kotłów z cyrkulacyjną warstwą fluidalną przedstawiono na rysunkach 3a i 3b. Głównymi elementami składowymi typowego kotła z cyrkulacyjna warstwą fluidalną są: komora paleniskowa 1, cyklon 2, układ nawrotu z zamknięciem syfonowym 3 lub zaworem typu L. Niektóre rozwiązania kotłów (rys. 3) wyposażone są w tzw. zewnętrzny wymiennik ciepła 4. Komora paleniskowa wyposażona jest w szczelne, membranowe powierzchnie wymiany ciepła, natomiast dolna część komory paleniskowej wyłożona jest masą ogniotrwałą. W tej części komory znajdują się także otwory dla wprowadzania paliwa, sorbentu, wtórnego powietrza, popiołu zawracanego spod cyklonu, palników rozpałkowych oraz odprowadzania popiołu. Spalanie paliwa zachodzi na ogół w dolnej części komory paleniskowej, podczas gdy przekazywanie ciepła do ścian odbywa się w górnej części komory, głównie drogą promieniowania i konwekcji ziaren materiału sypkiego.

Rys.3 Schematy kotłów z cyrkulacyjną warstwą fluidalną[2]:

a)      kocioł typu Ahlstrom, b) kocioł typu Lurgi.

1 – komora paleniskowa, 2 – cyklon, 3 – układ nawrotu z zamknięciem syfonowym, 4 – wymiennik ciepła, 5 – ruszt,  6  – walczak.

Cyklon, który na ogół wyłożony masą ogniotrwałą przewidziany jest dla oddzielenia ziaren materiału sypkiego unoszonych z gorącymi spalinami i zawrócenia ich z powrotem na dno komory paleniskowej, poprzez rurę opadową i syfon. Syfon przewidziany jest dla zabezpieczenia przed wstecznym przepływem spalin z komory paleniskowej do cyklonu [2].

Prędkość gazu z jaką przepływa on przez komorę paleniskową zwykle mieści się w przedziale 4,5 do 6 [m/s]. Powietrze wprowadzane do kotła jest sumą powietrza pierwotnego, wtórnego, powietrza transportującego paliwo i sorbent, powietrza zamykającego w syfonie, powietrza fluidyzującego w zewnętrznym wymienniku oraz klasyfikatorze popiołu. Klasyfikator popiołu odprowadzanego z dolnej części komory paleniskowej jest przewidziany dla wydzielenia z masy materiału sypkiego wypełniającego komorę paleniskową grubych ziaren popiołu w celu wyprowadzenia ich na zewnątrz kotła [2]. Temperatura w komorze paleniskowej utrzymywana jest na poziomie 850-900°C. Ten zakres temperatury wybrany został dla zapewnienia optymalnych warunków wiązania siarki.

Rys. 4. Schemat kotła fluidalnego konstrukcji Lurgi.

Rozmiar ziaren węgla i sorbentu zwykle mieści się w granicach 0-6 [mm] (średnia średnica ziaren 1-3 [mm]). Spotyka się kotły wymagające rozdrobnienia węgla do rozmiarów 0-1 [mm] (średnia średnica 0,1-0,3 [mm]) oraz kotły nie wymagające rozdrabniania paliwa.

Podstawowe konstrukcje głównych zagranicznych producentów kotłów: Lurgi (rys. 4), Ahlstrom Pyropower (rys. 5) i Foster Wheeler są podobne jeśli chodzi o rozmieszczenie powierzchni ogrzewalnych, rozmiary, konstrukcję cyklonów, układów nawrotu oraz drugiego ciągu. Zasadnicze różnice tych konstrukcji to przede wszystkim obecność zewnętrznego wymiennika ciepła oraz rozwiązania rusztu rozdzielającego gaz i układu odprowadzania popiołu. Konstrukcje Foster Wheeler'a zawierają dodatkowy wewnętrzny wymiennik ciepła typu INTREX (nowe konstrukcje) lub tzw. rury podwójne omega, czy też ściany „skrzydłowe" (konstrukcje starsze) [2]. Kotły konstrukcji Lurgii zwykle wyposażone są w zewnętrzny wymiennik ciepła, w którym zanurzone są powierzchnie parownika lub przegrzewacza. Ziarna nawracane są do komory paleniskowej przez ten wymiennik, dzięki czemu można dokonywać wielu zmian obciążenia kotła przy stałej temperaturze w komorze spalania.

Rys.5. Schemat instalacji paleniskowej cyrkulacyjnego kotła fluidalnego konstrukcji Ahlstrom Pyropower [2].

W Polsce projektowaniem i konstrukcją kotłów z cyrkulacyjnym złożem fluidalnym zajmuje się firma RAFAKO SA przy wykorzystaniu inżynieringu niemieckiej firmy EVT (obecnie ABB Alstom Power).         W roku 1997 został uruchomiony w Elektrociepłowni II Bielsko-Biała kocioł  OFz-230 (rys. 6) produkcji RAFAKO SA.

Rys. 6. Kocioł OFz-230 ECII Bielsko Biała konstrukcji RAFAKO SA.

Urządzenie posiada konstrukcję dwuciągową. W ciągu głównym umieszczono komorę paleniskową, w której zabudowano również ścianę działową z rur parownika oraz przegrzewacz grodziowy stanowiący przedostatni stopień przegrzewu. Oś komory paleniskowej ustawiona jest pod kątem prostym do osi drugiego ciągu. W górnej części komory paleniskowej usytuowano odprowadzenia spalin do dwóch cyklonów separacyjnych popiołu (materiału inertnego) znajdujących się odpowiednio po lewej i prawej stronie komory paleniskowej [6].

Spaliny z cyklonów kierowane są kanałami łączącymi do drugiego ciągu. W drugim ciągu zabudowane są kolejno pęczki konwekcyjne trzeciego i pierwszego stopnia przegrzewacza pary, a następnie pęczki podgrzewacza wody. W dolnej części drugiego ciągu, zabudowany jest rurowy podgrzewacz powietrza. Z rurowego podgrzewacza powietrza spaliny kierowane są do odpylacza spalin. Popiół oddzielony w cyklonach opada rurą zsypową do syfonów popiołowych, po przejściu których kierowany jest do dolnej części komory paleniskowej.

Powietrze do kotła podawane jednym wentylatorem powietrza świeżego poprzez rurowy podgrzewacz powietrza jest rozdzielane na powietrze wtórne i pierwotne. Powietrze wtórne stopniowane pod względem ilości podawane jest bezpośrednio do kotła na trzech różnych poziomach, a powietrze pierwotne przetłaczane jest przez szeregowo zabudowany wentylator do skrzyni powietrza zabudowanej pod lejem komory paleniskowej. Powietrze pierwotne służy do fluidyzacji materiału inertnego złoża wypełniającego komorę paleniskową.

Paliwo i sorbent podawane są do strumienia gorącego popiołu recyrkulującego z cyklonów poprzez syfony z powrotem do komory paleniskowej. Miejsce wprowadzenia tych składników złoża znajduje się na odcinku skośnym pomiędzy syfonami, a lejem komory paleniskowej. Dla uniknięcia problemów eksploatacyjnych celowym byłoby spalanie      w cyrkulacyjnym złożu fluidalnym węgla, który nie zawiera skały płonnej (kamienia) jako głównego składnika popiołu, lub zawiera popiół rozdrabniający się w procesie spalania. Można przystosować palenisko       z cyrkulacyjnym złożem fluidalnym do nietypowych paliw, jednak wyniki badań reprezentatywnych próbek paliwa, w tym również fizyczne                i chemiczne własności popiołu powinny stanowić punkt wyjściowy dla projektu kotła i jego urządzeń pomocniczych.

Paleniska fluidalne wykazują dużą zdolność przystosowania do spalania różnych paliw, a przynajmniej w pewnych granicach umożliwiają również spalanie specjalnych paliw. W praktyce znane jest wiele przypadków użycia tych paliw w palenisku fluidalnym. Dlatego też przewidziano do spalania w kotle OFz-230 jako paliwo pomocnicze muł węglowy [7]. W tabeli 2 pokazano podstawowe dane techniczne kotłów OFz-450 oraz OFz-230 produkcji RAFAKO SA.

Tabela 2

Dane techniczne kotłów fluidalnych ze złożem cyrkulacyjnym OFz-450       i OFz-230 produkcji RAFAKO SA [6].