Poprawa efektywności i jakości warstwowego spalania paliwa stałego. Węgiel dobrze posolony.

To zdarzenie rozpoczęło długą historię opracowywania nowej metody poprawy efektywności wykorzystania paliwa stałego w przypadku warstwowego sposobu jego spalania. Uznanie jej [1, 2], świadczy o nowatorstwie odkrycia, lecz w rzeczywistości oznacza tylko początek badań i długą drogę do jej szerokiego, praktycznego wykorzystania.
Tylko pozornie warstwowe spalanie paliwa stałego wydaje się nienowoczesne i należy do przeszłości. Olbrzymia ilość żeliwnych i stalowych kotłów grzewczych, o takim właśnie sposobie spalania, nadal jest eksploatowana. Kotły te, przestarzałe moralnie i technicznie, wskutek wielu uwarunkowań gospodarczych i społecznych długo jeszcze pozostaną w eksploatacji.

Wdrożenie nowej technologii oznaczałoby realną możliwość modernizacji istniejących kotłów grzewczych na paliwo stałe, o małej mocy przy stosunkowo niewielkich nakładach finansowych. Dopiero w roku 1998 naukowcy katedry Ciepłownictwa, Gazownictwa i Ochrony Atmosfery Państwowego Uniwersytetu Budownictwa i Architektury w Sankt-Petersburgu dokonali pierwszych prób zastosowania metody w warunkach przemysłowych i wykonali serię usystematyzowanych badań.

Warunki eksperymentu i cele badań Celem badań było określenie, a następnie porównanie podstawowych wskaźników efektywności spalania paliwa stałego (węgiel kamienny):
*  przy zwykłym, warstwowym sposobie spalania;
* przy aktywnym oddziaływaniu na kinetykę strefy reakcji spalania, z zastosowaniem stałego komponentu dodatku soli, według badanej metody.

Ilość komponentu, sposób i częstotliwość jego wrzucania na powierzchnię palącego się paliwa, zostały ustalone we wstępnych obliczeniach teoretycznych i podlegały korekcie podczas badań eksperymentalnych. Określone wskaźniki zużycia dodatku w trakcie badań wynosiły: 5-7 g na 1 m2 co 5-10 min, co dało ok. 2,2-2,3 kg na 1 tonę węgla.

Jako obiekt badań wybrano kotłownię grzewczą pansjonatu „Zorza”, w miejscowości Repino, w rejonie Wyborgskim obwodu Leningradskiego. Badania, dla większej reprezentatywności, wykonano na dwóch typach kotłów:

* żeliwnym kotle grzewczym „Tuła-1”;

* stalowym kotle wodnym, konstrukcji Centralniego Instytutu Kotłowo-Turbinowego (CKTI).

Metodę badań oparto na pełnej analizie produktów spalania, natomiast pomiary były wykonywane z zastosowaniem komputerowego analizatora spalin „Testoterm – 300M”.

Charakterystyka użytego paliwa stałego:

* węgiel kamienny z basenu Donieckiego, o wartości opałowej: Qdrob = 5800 kcal/kg (24,3 MJ/kg), o maksymalnej zawartości gazów trójatomowych w spalinach: RO2max = 18,7% obj., z teoretyczną objętością powstających produktów spalania: Vp.s.0 = 1,18 m3/kg.

Paliwo było spalane zwykłym sposobem warstwowym na nieruchomym ruszcie, według technologii zawsze stosowanej w danej kotłowni. Żadnych wstępnych przygotowań i sortowania paliwa nie wykonywano.

Wyniki badań i ich analiza
Zastosowana technologia, w przypadku obu kotłów, ponad dwukrotnie zmniejszyła zawartość tlenku węgla w spalinach (po przeliczeniu na a = 1,0), tj.:

* w kotle „Tuła-1” – z 2862 ppm (0,29% obj.) do 1243 ppm (0,12% obj.);

* w kotle CKTI – z 2871 ppm (0,29% obj.) do 1320 ppm (0,13% obj.).

Możliwość znacznego zmniejszenia współczynnika nadmiaru powietrza w spalinach (o 20-25%), przy równych i niezmiennych innych warunkach, świadczy pośrednio o bardziej zupełnym spalaniu tej części masy paliwa, która przy stosowaniu zwykłej technologii spalania jest tracona w postaci chemicznego i mechanicznego niedopału (straty ciepła q3 i q4 w bilansie ceplnym kotła) oraz nie może być określona na podstawie metody analizy gazowej spalin. W przypadku kotła „Tuła-1” wartość a zmniejszyła się z 11,3 do 8,5 (kocioł znajdował się w bardzo złym stanie technicznym), natomiast w przypadku kotła CKTI – z 4,9 do 4,1.

Bezpośrednim dowodem podwyższenia efektywności wykorzystania paliwa okazało się zmniejszenie strat ciepła spalinowych (q2), co prawie automatycznie oznacza zwiększenie sprawności kotła o taką wartość:

* w kotle „Tuła-1” – o 12 %;

* w kotle CKTI – o 2,5 %.

Odnotowane stabilne zmniejszenie emisji tlenków azotu wyniosło:

* 30% w kotle „Tuła-1” (z 315 do 220 ppm);

* 10% w kotle CKTI (z 290 do 260 ppm, według zawartości NO w spalinach, przeliczonej na a = 1,0).

Zatem eksperymentalnie zostało potwierdzone, że aktywne oddziaływanie odczynnika na kinetykę strefy spalania, w postaci stałego dodatku soli, ma wszelkie oznaki kompleksowej, wysokoefektywnej technologii energo-ekologicznej rehabilitacji istniejących urządzeń do spalania paliw stałych.

Pod względem efektywności wykorzystania paliwa, podczas warstwowego spalaniu węgla kamiennego, można konstatować poziom oszczędności do 15¸20% w rachunku rocznym. Pogorszenie jakości paliwa, przez wzrost w nim zawartości płonnej skały, nawet zwiększa względny efekt zastosowania technologii.

Pod kątem ochrony atmosfery należy podkreślić, że metoda gwarantuje zmniejszenie emisji tlenku węgla dwa razy i więcej, natomiast zmniejszenie emisji tlenków azotu do 30%. Zmniejszenie emisji dwutlenku węgla, jako gazu cieplarnianego, jest równoznaczne podwyższeniu sprawności kotłów.

Dodatkowym pozytywnym efektem zastosowania technologii, jest zmniejszenie objętości żużla ok. 2-2,5 raza. Jest to zupełnie nowe zjawisko, które ma trwały efekt ekologiczny. Przejście stałych produktów spalania węgla do bardziej zagęszczonego stanu, zapewnia ich mniejszą podatność na wypłukanie przez opady atmosferyczne. Wskutek tego osiągane jest zmniejszenie przenoszenia substancji szkodliwych z żużla do gleby i wód gruntowych, a tym samym – soli metali ciężkich.

Biorąc pod uwagę istotne zwiększenie interwałów czasowych pomiędzy kolejnymi załadowaniami paliwa i wymienione wyżej zmniejszenie objętości żużla, można oszacować zmniejszenie pracochłonności na załadunek paliwa i wyładunek żużla do około 30¸50%, co jest dodatkowym efektem społecznym zastosowanej technologii.

Sprecyzowanie szczegółowych danych, uzyskanych metodą analizy gazowej w trakcie opisanych wstępnych badań, wymaga dalszych eksperymentów metodami pełnych bilansowych prób kotła. Nie podlega jednak wątpliwości, że następne etapy badań mogą nawet zwiększyć wskaźniki uzyskanych efektów.

Uzasadnienie teoretyczne Autorzy przyznają się, że pomimo dużego postępu w badaniach eksperymentalnych i zgromadzonych doświadczeń z praktycznego zastosowania technologii, nie dysponują jeszcze dokładnym teoretycznym wytłumaczeniem istoty zachodzących procesów. Nawet skład odczynników, dający maksymalny efekt, należy jeszcze sprecyzować.

Historyczna ciekawostka: na rosyjskiej wsi od wieków za przepis na poprawę pracy pieca opalanego drewnem, ze względu na wydzielanie ciepła przy źle palącym się wsadzie, uważano wrzucanie do pieca szczypty soli. Jednak naukowcy tradycyjnie tłumaczyli to podwyższeniem świetlności płomienia w charakterystycznej dla sodu żółtej części widma światła.

W komponentach soli rzeczywiście obecne są sole sodu. Ale w odróżnieniu od przytoczonego przykładu historycznego, opisywana technologia cechuje się maksymalnym efektem po wrzuceniu komponentów na już rozżarzoną warstwę palącego się paliwa. To wyraźnie wskazuje na termiczną destrukcję elementów składowych dodatku z powstawaniem nowej, aktywnej substancji chemicznej. Przy czym substancja ta jest na tyle aktywna, że do reakcji utleniania, prawdopodobnie, wstępują nieorganiczne składniki żużla, a nawet kamienia (płonnej skały). Właśnie na to wskazywałoby istotne zmniejszenie objętości żużla, a także zwiększenie względnego efektu zastosowanej technologii przy pogorszeniu jakości paliwa stałego, węgla.

Zwiększenie sprawności kotłów podczas niektórych eksperymentów było tak duże, że autorzy musieli odrzucić te wyniki jako niewiarygodne i niemiarodajne. Jednakże, ich powtarzalność wymaga poszukiwań teoretycznego uzasadnienia zachodzących procesów, ocenianych dotąd tylko po wynikach końcowych.

Jeden z kierunków takich poszukiwań teoretycznych skupiony był na możliwości powstawania NaOH podczas destrukcji termicznej zawierającej sód w składnikach dodatku. Aktywność chemiczna wodorotlenku sodu mogłaby w zasadzie wytłumaczyć gwałtowny wzrost ilości rodników w strefie reakcji z następującym włączeniem do reakcji utleniania nie tylko wszystkich organicznych związków paliwa, ale również pewnej ilości substancji nieorganicznych z płonej skały. Kierunek ten jest tym bardziej atrakcyjny, jeśli wziąć pod uwagę, iż właśnie na rozżarzonej powierzchni palącego się węgla NaOH nie tylko łatwo się topi (ttop. = 320°С), lecz także wyparowuje (tnas. = 1378°С).

Zupełnie nowy kierunek naszym poszukiwaniom teoretycznym nadała wcześniej niezauważona publikacja A. I. Kulikowa i J. Kowylanskiego „Nowy rodzaj paliwa dla energetyki” („Energetyk”, 9/1992). Autorzy artykułu uzasadniają nie tylko teoretyczną możliwość, ale i praktyczny sposób otrzymania olbrzymiej ilości energii w procesie rozłożenia wysokomodułowych silikatów, pod warunkiem przejścia reakcji z poziomu chemicznego do łańcuchowego stadium fizyko-chemicznego. Przykładem takiej reakcji może być rozłożenie wysokomodułowego silikatu Na2O×3SiO2 (rozkładającym odczynnikiem jest mieszanka karbidu i azotku krzemu: SiC+Si3N4). Nawet pobieżna analiza wykazuje istnienie w strefie spalania (zwykły węgiel kamienny plus dodatek soli) wszystkich komponentów niezbędnych do powstawania wyjściowych substancji i następnego przebiegu reakcji rozłożenia krzemianów.

Na ostateczne i wiarygodne, teoretyczne udowodnienie oddziaływania stałego dodatku soli, potrzebne są jeszcze obszerne eksperymenty, ze szczegółową analizą chemiczną zarówno warstwy palącego się paliwa, jak i ośrodka gazowego powstającego nad tą warstwą.

prof. dr hab. inż. Aleksander Szkarowski
Leopold NaskrętLiteratura:

[1] Zaświadczenie priorytetowe Państwowego Komitetu ZSRR do spraw wynalazków nr 828670/24-6 z dnia 03.05.63 na wniosek „Podwyższenie kaloryczności paliwa”.

[2] Patent Federacji Rosyjskiej nr 2011116 z dnia 15.04.94 pn.: „Sposób spalania stałego paliwa w bryłach”.
Zobacz artykuł w wersji pdf pdfpdf


Prenumerata Magazynu Instalatora

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