Paliwa dla kotłów węglowych małej mocy – 1. Czystszy węgiel

zobacz artykuł w wersji pdf pdf pdf  pdf    

W Polsce średnioroczne zużycie węgla w indywidualnych źródłach spalania (sektor komunalno-bytowy i lokalne źródła spalania małej mocy poniżej 10 MW) jest wysokie i niemal niezmienne – od kilku lat kształtuje się na poziomie około 11 mln ton. Jednocześnie ten sektor jest najwyższym udziałowcem w całkowitej krajowRys. Powiązanie zużycia paliwa z różnymi parametrami pracy urządzenia grzewczego.ej emisji rocznej emisji tlenku węgla, pyłu całkowitego (TSP) oraz jego subfrakcji TSP, PM10, PM2.5, Cd, Pb, As, a także wielopierścieniowych węglowodorów aromatycznych i dioksyn, odpowiednio: 63,5%, 46,4%, 56,6%, 49,7%, 70,6%, 33,6%, 47,2%, 85,8% oraz 53,2% [1]. Stąd wynika tak duża presja na ograniczenie jego stosowania do produkcji ciepła w indywidualnych gospodarstwach domowych.

Jaka przyszłość?
Jaka jest więc przyszłość węgla jako paliwa w sektorze komunalno-bytowym?
Z pewnością bardzo ważnym atrybutem użytkowym, oprócz ceny, będzie jego jakość jako paliwa, określana nie tylko wartością opałową, ale także parametrami mającymi wpływ na emisję zanieczyszczeń, zwłaszcza pyłu, metali ciężkich, tlenków azotu i siarki oraz trwałych związków organicznych – dioksyn (PCDD/PCDFs). Na międzynarodowych rynkach wzrasta zainteresowanie węglem o odpowiednio wysokiej jakości, o wartości opałowej powyżej 25 MJ/kg.
Wynika to zarówno ze względów ekonomicznych – minimalizacji kosztów eksploatacyjnych instalacji spalania (kosztu wytwarzania energii, transportu paliwa, transportu stałej pozostałości spalania – popiołu, kosztu konserwacji urządzenia), jak też konieczności ograniczenia negatywnego oddziaływania na środowisko. Rozwój konstrukcji urządzeń grzewczych koncentruje się na wzroście ich efektywności, sprawności energetycznej, minimalizacji zużycia paliwa na jednostkę wytworzonej użytecznej energii cieplnej oraz także na zmniejszaniu ilości emitowanych zanieczyszczeń na jednostkę wytworzonego ciepła. Generalnie zużycie paliwa zależy od rzeczywistej mocy urządzenia (roboczej) i wartości opałowej zastosowanego paliwa oraz jego sprawności energetycznej przetwarzania energii chemicznej zawartej w paliwie na energię użyteczną (rys.). Przy ocenie kosztów eksploatacji kotłów z automatycznych podawaniem paliwa lub kotłów z nadmuchem należy uwzględniać koszty ponoszone z tytułu korzystania z energii elektrycznej.

Urządzenia grzewcze eksploatowane w indywidualnych gospodarstwach domowych w sektorze komunalno-bytowym zaliczane są do grupy instalacji spalania paliwa w warstwie na ruszcie. Charakteryzują się zróżnicowanym przeznaczeniem: bezpośrednie ogrzewanie pomieszczeń (piece, kominki), pośrednie ogrzewanie – kotły wodne c.o. bez lub z jednoczesnym podgrzewaniem wody użytkowej. Decydującym parametrem charakteryzującym urządzenia pod względem wymaganej jakości paliwa jest organizacja procesu spalania, zwłaszcza sposób wprowadzania paliwa: automatyczny (kotły c.o. retortowe, podsuwowe, tłokowe) i ręczny (kominki, piece, komorowe kotły c.o.).
W ostatnich latach nastąpił znaczący postęp w technice i technologii spalania paliw stałych – węgla – poprzez wprowadzenie technik spalania z automatyzacją procesu wprowadzania paliwa i powietrza do komory spalania. W wyniku tego sprawność energetyczna kotłów c.o. z automatyzacją procesu spalania wzrosła znacząco (do ponad 80%) z równoczesną redukcją emisji zanieczyszczeń. Wprowadzenie innowacyjnych rozwiązań konstrukcyjnych w węglowych kotłach postawiło także ostrzejsze wymagania jakościowe dla węgla jako paliwa. Od połowy lat 90. obserwuje się dynamiczny rozwój czystych technologii spalania węgla w zakresie kotłów małej mocy 5-2000 kW. W tym też okresie najwięksi producenci węgla, Katowicki Holding Węglowy SA (jego spółka zależna Katowicki Węgiel Sp. z o.o.), Kompania Węglowa SA, uruchomili produkcję kwalifikowanych paliw węglowych o właściwościach dostosowanych do nowych technologii spalania, tak by węglowe systemy grzewcze mogły być źródłem czystej energii i jednocześnie zapewniały komfort obsługi instalacji. Paliwa te przeznaczone są do kotłów z automatycznym podawaniem paliwa do paleniska – retortowych, podsuwowych, tłokowych (ekoret, ekofins, pieklorz, retopal) [3-5]. W ostatnich latach na rynku paliw dla tych kotłów pojawiły się tzw. eko-groszki. Niestety bardzo często daleko odbiegają one swoimi parametrami od wymagań jakościowych stawianych paliwu węglowemu, zapewniającemu uzyskanie parametrów energetycznych i emisyjnych wykazanych w certyfikatach. Kotły z ręcznym, okresowym wprowadzaniem paliwa, są mniej wrażliwe na jego jakość, niemniej jednak również w tych kotłach nieodpowiednia jakość paliwa powoduje straty w osiąganej sprawności spalania, większe zużycie paliwa i większą emisję zanieczyszczeń. W niniejszym opracowaniu skupiono się na parametrach węgla jako paliwa stosowanego w kotłach z automatyzacją procesu spalania – retortowych, podsuwowych, tłokowych, palnikowych.

Węgiel jako paliwo
Spośród stałych paliw kopalnych węgiel jest bezspornie najważniejszy zarówno jakościowo, jak i ilościowo jako palna heterogeniczna, osadowa skała pochodzenia organicznego i stanowi końcowe ogniwo metamorfizmu resztek roślinnych i części organizmów żywych. W postaci naturalnej węgiel składa się ze skomplikowanej w swojej strukturze cząsteczkowej kompleksowej mieszaniny substancji organicznej oraz nieorganicznej substancji mineralnej i wody. W skład substancji organicznej węgli wchodzą przede wszystkim takie pierwiastki, jak: węgiel, wodór, azot, siarka i tlen. Wzajemne udziały ilościowe poszczególnych pierwiastków są zależne od ich rodzaju i stopnia uwęglenia. Chlor, kolejny po azocie i siarce pierwiastek, szczególnie uciążliwy we wszystkich procesach termicznego przetwarzania węgla, występuje w nim w zróżnicowanej ilości (od śladowych ilości do ponad 1%) w postaci związanej chemicznie z substancją mineralną węgla oraz w mniejszym stopniu z substancją organiczną węgla i w postaci jonów chlorkowych w wilgoci wypełniającej pory węgla. Substancja mineralna węgla w znaczącej części zawiera minerały zaliczane do różnych grup, jak np.: glinokrzemiany — kaolinit i illit (materiały ilaste), kalcyt CaCO3, syderyt FeCO3, dolomit CaCO3×MgCO3 (węglany), kwarc SiO2, hematyt Fe2O3 (tlenki), piryt i markasyt FeS2, gips CaSO4×2H2O i anhydryt CaSO4 (siarczany), halit NaCl, sylwin KCl (minerały o charakterze soli).
Zdecydowanie wśród tych substancji dominują glinokrzemiany oraz tlenki i węglany.
Świadczy o tym przeciętny skład popiołu z węgla kamiennego:
SO2 – 41%, Al2O3 – 24%, Fe2O3 – 17%, CaO – 9%, MgO – 1,6%.

Dla celów utylitarnych węgiel jest traktowany jako swoista „mieszanina związków organicznych” o określonym składzie elementarnym, zawierająca w swoim składzie substancję mineralną. Dla jej oceny przyjęto stosować podstawowe parametry jakościowe, na podstawie których określa się jego wartość użytkową jako paliwa. Do nich zalicza się wartość opałową, zawartość wilgoci całkowitej, popiołu i siarki całkowitej. Do parametrów ważnych, z punktu widzenia procesu spalania i technologii jego realizacji, zaliczyć należy także: uziarnienie, zawartość części lotnych i zdolność spiekania wg Rogi (RI) – charakteryzujące stopień uwęglenia substancji organicznej węgla, temperaturę spiekania i mięknienia oraz jego skład chemiczny [6-8].

W zależności od stopnia uwęglenia rozróżnia się następujące rodzaje węgli (uszeregowane ze wzrostem stopnia uwęglenia): węgle brunatne, węgle kamienne energetyczne, węgle koksujące, antracyty. Podstawowym paliwem dla kotłów rusztowych jest węgiel kamienny. W klasyfikacji polskiej podstawą podziału węgla na typy są następujące właściwości: zawartość części lotnych w przeliczeniu na stan suchy i bezpopiołowy Vdaf (%), zdolność spiekania według Rogi (RI) – tabela 1. Parametry te są wyznaczane dla próbki węgla, w której zawartość popiołu w stanie suchym nie przekracza 10%. Dla doboru węgla, w zależności od technologii spalania, wykorzystuje się polską normę PN-82/G-97002. W kotłach rusztowych, do których zalicza się, jak wspomniano powyżej, kotły c.o. oraz piece, znajdują zastosowanie węgiel płomienny i gazowo-płomienny (tabela 1). Węgiel gazowy i gazowo-koksowy może być wykorzystywany do produkcji mieszanek energetycznych z przeznaczeniem do spalania głównie w paleniskach pyłowych, które mają mniejsze wymagania w stosunku do jakości spalanego węgla.

Pod względem uziarnienia węgle dzielimy na sortymenty, które mają znaczenie technologiczne – przeznaczenie dla rodzaju/typu paleniska. Pod względem uziarnienia węgle dzieli się na sortymenty, z uwzględnieniem przeznaczenia wg normy z roku PN-82/G-97001: gruby – kostka (200-60 mm) i orzech (80-25 mm) dla kotłów z rusztem stałym w gospodarce komunalnej; średni – groszek (30-8 mm) dla energetyki zawodowej i przemysłowej, miał – (30-0 mm) dla energetyki zawodowej i przemysłowej; muł – (1-0 mm) odpad (tabela 2). Według tej klasyfikacji sortymenty drobne, miały i muły nie powinny być używane jako paliwo w sektorze indywidualnego ogrzewnictwa. Z roku 1982 pochodzi również norma polska, która zawiera klasyfikację węgli energetycznych w zależności od zawartości popiołu i wartości opałowej w stanie roboczym, PN-82/G-97003. Normy te nie są obowiązujące, niemniej są wykorzystywane w ocenie węgli. Dla nowo budowanych instalacji spalania węgla w energetyce zawodowej i przemysłowej parametry węgli są uszczegóławiane z wykorzystaniem elementów zawartych w klasyfikacjach zawartych w wymienionych tutaj normach PN. Kotły energetyczne, eksploatowane w kraju, mają konstrukcję zazwyczaj przystosowaną do spalania węgla pochodzącego z polskich złóż, czyli z kopalń węgla kamiennego o parametrach, dla jakich palenisko zostało zaprojektowane.

Od czasu wprowadzenia w roku 1982 powyżej wymienionej normy (PN-82/G-97001) w kotłach c.o. stosowanych w gospodarce komunalnej nastąpiła swoista rewolucja techniczna. Nowo konstruowane kotły, zwłaszcza z automatyzacją procesu spalania, wymagają odpowiednio przygotowanych paliw węglowych, zarówno pod względem uziarnienia, jak i innych parametrów, które mają wpływ na bezpieczną ich eksploatację oraz na uzyskiwaną sprawność energetyczno-ekologiczną.

W kolejnej część przedstawione zostaną właściwości węgla jako paliwa dla kotłów węglowych z automatyzacją procesu spalania.

dr inż. Krystyna Kubica

Rys. Powiązanie zużycia paliwa z różnymi parametrami pracy urządzenia grzewczego.

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