Węglowe kotły wodne z palnikiem retortowym. „Uszlachetniane” paliwo.

Zastosowanie kotła retortowego skutkuje istotną redukcją emisji zanieczyszczeń do atmosfery, szczególnie tlenku węgla i rakotwórczego benzoapirenu ze spalanego paliwa węglowego.

Do tej pory w małych instalacjach centralnego ogrzewania w Polsce przeważały konwencjonalne kotły rusztowe komorowe zasilane koksem. Specyfiką polskiego koksownictwa był wysoki (ponad 50%) udział koksu opałowego w całości produkcji koksu, w przeciwieństwie do innych krajów europejskich, które produkowały wyłącznie koks metalurgiczny i przemysłowy.

Kryzys krajowego koksownictwa, który miał miejsce w latach 90., spowodował spadek podaży i wzrost ceny koksu opałowego, zmieniając zdecydowanie charakter rynku paliw stałych w Polsce. Obecnie koks opałowy występuje na rynku w niewielkich ilościach, z tendencją zanikową. Konieczność stosowania węgla w miejsce koksu determinuje rozwój kotłów węglowych.

Groszek w natarciu

Podstawą proekologicznego trendu rozwoju sektora „małej energetyki“ w ostatnim okresie był dynamiczny wzrost produkcji i sprzedaży automatycznych kotłów zasilanych węglem kamiennym w sortymencie „groszek“, zwanych popularnie kotłami retortowymi. Kotły tego typu pojawiły się w Polsce kilkanaście lat temu w ramach realizacji programu Thermie WE 1993  Clean Coal Technology i wywarły zdecydowanie korzystny wpływ na skuteczność działań w zakresie obniżania „niskiej emisji” zanieczyszczeń z procesów spalania, wyjątkowo szkodliwej dla człowieka i środowiska.

Zastąpienie powszechnie stosowanych w tym okresie tradycyjnych kotłów komorowych z okresowym załadunkiem paliwa (zasilanych koksem lub węglem grubokawałkowym) kotłami retortowymi skutkowało istotną redukcją emisji zanieczyszczeń do atmosfery, szczególnie tlenku węgla i rakotwórczego benzoapirenu [1]. Konstrukcje tego typu są obecnie zdecydowanie najbardziej efektywne, co stanowi podstawę obserwowanego w ostatnim czasie dynamicznego wzrostu ich produkcji i sprzedaży (pomimo stosunkowo wyższej ceny).

Problemy surowcowe

Specyficzne konstrukcje konwencjonalnych palników retortowych stawiają wysokie wymagania dla stosowanego paliwa. Konwencjonalne palniki retortowe wymagają węgla o uziarnieniu 825 mm z minimalnymi zawartościami nadziarna i podziarna, zdolnością spiekania według Rogi 1200°C (takie wymagania ustalono dla pierwszych kotłów retortowych, wprowadzanych do krajowego ogrzewnictwa w połowie lat 90. [2]). Szczególnie ważnym parametrem jest zdolność spiekania, która decyduje o skłonności paliwa do tworzenia grubokawałkowych spieków (koksu), zaburzających hydraulikę przepływu gazów w palenisku oraz wywołujących poważne niebezpieczeństwo zakleszczenia palnika.

Niewłaściwa jakość węgla wpływa negatywnie na pracę systemu podawania paliwa (wzrost oporów podawania, zatory) i realizację procesu spalania (szlakowanie, spiekanie złoża paliwa). Automatyczne palniki węglowe są także bardzo czułe na zmiany wartości opałowej oraz uziarnienia paliwa. Skład ziarnowy paliwa wpływa nie tylko na hydraulikę przepływu gazów (powietrza i spalin) i czas spalania poszczególnych ziaren paliwa, ale także na gęstość nasypową paliwa i tym samym na jego wartość opałową w przeliczeniu na jednostkę objętości.

Dozowanie paliwa do palników automatycznych ma charakter objętościowy, toteż zmiana gęstości nasypowej paliwa (np. wskutek zmiany składu ziarnowego) skutkuje zmianą strumienia energii doprowadzonej w paliwie, co prowadzi do rozregulowania procesu spalania. Szczególnie wyraźnie zjawiska takie występują w kotłach najmniejszych, gdzie niskie wydajności cieplne i małe gabaryty palników narzucają konieczność operowania małymi porcjami paliwa, których powtarzalność przy wielkości ziaren paliwa rzędu 2030 mm może być trudna do uzyskania.

Intensywny wzrost produkcji i sprzedaży automatycznych kotłów zasilanych „groszkiem“ węglowym skutkuje obecnie tak wysokim wzrostem zużycia tego paliwa, że krajowy rynek paliw odnotowuje już wyraźny jego wzrost. Przełom XX i XXI wieku dla krajowej „małej energetyki“ (ogrzewnictwo indywidualne oraz małe kotłownie komunalne i przemysłowe oparte na kotłach o mocy jednostkowej poniżej 1000 kW) był okresem transformacji jakościowej, wynikającej z istotnych zmian krajowego rynku paliw dla tego sektora. brak.

Modernizacja kotłowni

W ostatnim czasie obserwuje się również zjawisko modernizacji kotłowni o mocach rzędu kilku MW poprzez zastąpienie kotła z rusztem mechanicznym kilkoma kotłami retortowymi małej mocy (500 1200 kW), co dodatkowo silnie zwiększa popyt na deficytowe sortymenty węgla. Udział sortymentu „groszek“ w całkowitym urobku górnictwa stanowi tylko kilka procent (udział wyselekcjonowanego „groszku“ o parametrach przedstawionych powyżej  znacznie mniej), toteż istnieje naturalna granica jego podaży tym samym granica rozwoju ilościowego produkcji konwencjonalnych kotłów retortowych.

Głównym (ok. 80% urobku) produktem górnictwa jest miał węglowy, który jest aktualnie także najtańszym nośnikiem energii zawartej w węglu (w przeliczeniu na 1 GJ o 1014% tańszym od sortymentu „groszek“ i o 2540% tańszym od sortymentu „orzech“), toteż w sektorze „małej energetyki“ obserwuje się stałe zainteresowanie tym paliwem. Ze względu na niską cenę niewzbogacony, zapopielony miał węglowy w dużych ilościach spala się w kotłach nieprzystosowanych do tego rodzaju paliwa, z ogromną szkodą dla środowiska.

Sortymenty węgla

Taki sposób spalania „miału“ przynosi również poważne straty ekonomiczne użytkownikom kotłów (znaczące obniżenie sprawności cieplnej kotła), z czego nie zdają sobie sprawy ze względu na niski poziom świadomości technicznej w tym zakresie.Palniki retortowe Paliwa węglowe produkowane są w określonych sortymentach ziarnowych:

  • grube (kęsy ponad 125 mm, kostka 63 – 200 mm, orzech 25 – 80 mm),
  • średnie (groszek 8 – 31,5 mm, groszek I 16 – 31,5 mm, groszek II 8-20 mm),
  • drobne (drobny 0 – 50 mm),
  • miałowe (miał I do 31,5 mm, miał II do 10 lub 20 mm, miał III do 6 mm).

Aktualnie obserwuje się tendencje do modyfikacji przedstawionych powyżej tradycyjnych sortymentów węgla, inicjowane zarówno przez producentów, jak i użytkowników tych paliw. Deficyt „groszków“, wynikający z dynamicznego wzrostu sprzedaży kotłów zasilanych tym sortymentem oraz problemy technologiczne obserwowane podczas spalania drobnych „miałów“ (podwyższone emisje tlenków azotu i pyłów) najprawdopodobniej doprowadzą do zmiany granic uziarnienia „groszków“ na 5 – 31,5 mm w celu zwiększenia podaży tego najbardziej poszukiwanego na rynku sortymentu, być może nawet z podziałem na dwa sortymenty „groszkowe“ (grubszy i drobniejszy).

Kruszyć czy nie kruszyć?

Silna dynamika wzrostu sprzedaży automatycznych kotłów zasilanych „groszkiem“ węglowym wywołuje również dyskusje na temat zasadności kruszenia grubokawałkowych sortymentów węgla. Problem niedoboru ilościowego paliw kwalifikowanych dla sektora „małej energetyki“ wywołuje konieczność podjęcia intensywnych działań, które stworzyłyby możliwości spełnienia kryteriów kwalifikacyjnych na „znak bezpieczeństwa ekologicznego“ przez węgle charakteryzujące się mniej rygorystycznymi parametrami spiekalności i uziarnienia.

Badania w IChPW

W Centrum Innowacji Technologicznych IChPW podjęto, wspólnie z producentami paliw węglowych, systematyczne prace badawcze ukierunkowane na opracowanie i wdrożenie nowych gatunków wyselekcjonowanego paliwa kwalifikowanego, zarówno w sortymencie „groszek“ („groszki“ spiekające), jak i w sortymencie „miał“, w celu rozszerzenia bazy paliw kwalifikowanych dla „małej energetyki“. Jednocześnie w CIT IChPW podjęto prace zmierzające do opracowania i wdrożenia nowych konstrukcji palników automatycznych dostosowanych do tych paliw.

Palnik w produkcji

W wyniku tych prac w listopadzie 2007 r. jedna z firm uruchomiła produkcję i sprzedaż palnika retortowego II generacji Brucer (w oparciu o licencję IChPW [34]). Innowacyjne rozwiązanie konstrukcji podajnika oraz specjalnie zaprojektowany układ kanałów powietrznych paleniska pozwalają spalać zarówno węgiel „groszek“, jak i „miał“ (o uziarnieniu w zakresie 0 – 35 mm) oraz ich mieszanki w dowolnym udziale. Specyficzna konstrukcja paleniska umożliwia efektywne spalanie także węgli „trudnych“, o nadmiernej zdolności do spiekania się i szlakowania, które nie nadają się dostosowania w retortach konwencjonalnych stosowanych do tej pory.

Wszystkie elementy palnika wykonane są z żeliwa o podwyższonej żywotności, wielokrotnie większej od stosowanych obecnie spawanych palników stalowych. Dzięki wykonaniu palnika w postaci monobloku żeliwnego maksymalnie zredukowano drgania, zmniejszając do minimum poziom głośności pracy. Żeliwny ślimak to wielokrotnie większa trwałość i odporność na korozję, brak efektu zmęczenia materiału, odporność na wstrząsy cieplne i związane z nimi deformacje kształtu.

Charakterystyczne wymiary palnika umożliwiają zainstalowanie go także w istniejących kotłach, w miejsce konwencjonalnego palnika retortowego. Kompania Węglowa S.A. w Katowicach (największy w Europie producent węgla), doceniając znaczenie „małej energetyki“ jako odbiorcy znaczącej ilości węgla, podjęła intensywne działania w kierunku zwiększenia produkcji kwalifikowanych paliw węglowych dla tego sektora oraz doskonalenia systemu dystrybucji węgla w celu zabezpieczenia stabilności jakości na drodze od kopalni do odbiorcy końcowego. Aktualnie w IChPW realizuje się obszerny program badań w tym zakresie.

Celem prac badawczo – rozwojowych jest opracowanie systemu selekcji węgla dla sektora „małej energetyki“ oraz technologii produkcji kwalifikowanych mieszanek paliwowych, które powinny spełniać kryteria na „znak bezpieczeństwa ekologicznego“ według IChPW. Badania prowadzone są wielokierunkowo.

W tabelach przedstawiono częściowe wyniki jednego z kierunków badań, wskazujące na poważne możliwości technologiczne zwiększenia stopnia zabezpieczenia potrzeb „małej energetyki“ poprzez „uszlachetnianie“ niskokalorycznych i wysokosiarkowych miałów węglowych o zerowej zdolności spiekania dodatkami wysokokalorycznych i niskosiarkowych groszków o wysokiej zdolności spiekania, nawet rzędu 4555 według Rogi. Żaden z badanych sortymentów węgla (miał z kopalni Piast oraz groszki z kopalni Jankowice, Sośnica i Brzeszcze), z oczywistych powodów, nie nadaje się do samodzielnego stosowania w konwencjonalnych palnikach retortowych.

Badania wykonano w kotle retortowym seryjnej produkcji, w którym konwencjonalny palnik retortowy zastąpiono palnikiem retortowym II generacji Brucer. Charakterystykę badanych węgli przedstawiono w tabeli 1, wyniki badań testowych procesu spalaniaw tabeli 2. Na podstawie przedstawionych wyników, sygnalizowany powyżej kierunek badań należy uznaç za perspektywiczny, z poważnymi szansami wdrożeniowymi. Nowe paliwa węglowe, będące mieszanką wyselekcjonowanych groszków oraz modyfikowanych wzbogaconych miałów, powinny zdecydowanie rozszerzyć ofertę paliw dla automatycznych kotłów retortowych nowej generacji.
dr inż. Jacek Zawistowski

Literatura:
1. Publikacja Stowarzyszenia „Polski Ruch Czystszej Produkcji“, nr 1(36) styczeń marzec 2006, pt. „Czystsza energia z węgla: gospodarstwa domowe  sektor komunalny“, 2006

2. Biel E., Skworc H., „Gmina Ruda Śl. pierwsza umowa społeczna w zakresie bezdymnego spalania węgla  pierwsza konstrukcja polskiego pieca retortowego sprawozdanie z wieloletniej eksploatacji pieca retortowego“, Publikacja Stowarzyszenia Polski Ruch Czystszej Produkcji nr 1(36) styczeń – marzec 2006, pt. „Czystsza energia z węgla: Gospodarstwa domowe sektor komunalny“, 2006

3. „Szczelinowy palnik retortowy z sekcyjnym podajnikiem ślimakowym“, zgłoszenie patentowe IChPW, W115990, 2006 4. „Palnik retortowy zasilany paliwem stałym“, zgłoszenie patentowe IChPW, P383934, 2007.

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *

Ta strona korzysta z ciasteczek (cookies) Więcej informacji

Ustawienia plików cookie na tej stronie są włączone na "zezwalaj na pliki cookie", aby umożliwić najlepszy z możliwych sposób przeglądania. Jeśli w dalszym ciągu chcesz korzystać z tej strony, bez zmiany ustawienia plików cookie lub kliknięciu przycisku "Akceptuję", a następnie użytkownik wyraża zgodę na to.

Zamknij