Paliwa dla kotłów węglowych małej mocy – 3. Kryteria dla węgla

zobacz artykuł w wersji pdf pdf pdf

Jakość węgla stosowanego w kotłach c.o. czystego spalania, zgodna z wymaganiami stawianymi przez tę technikę, warunkuje uzyskanie parametrów energetycznych i emisyjnych określonych w certyfikatach na zgodność ich jakości z odpowiednimi normami (PN EN 303-5 wersja 2012 oraz PN EN12809), wydawanych przez laboratoria akredytowane. Paliwa węglowe są charakteryzowane za pomocą następujących właściwości fizykochemicznych: wartość opałowa, Qai (MJ/kg), zawartość wilgoci w stanie roboczym WRt (%), zawartość popiołu Ar (%) oraz jego temperatury charakterystyczne (ts – temperatura spiekania, tA – temperatura mięknienia, tB – temperatura topnienia, tC – temperatura płynięcia), zawartość części lotnych Va (%), zawartość siarki Sad (%), uziarnienie (mm), zdolność spiekania (RI). Biorąc pod uwagę zagrożenie emisją dioksyn i rtęci, również zawartość chloru i rtęci winna być uwzględniona w wymaganiach jakościowych paliwa.

Części lotne
Części lotne zawarte w stałym paliwie to produkt rozkładu jego substancji organicznej, złożony przede wszystkim z węglowodorów oraz heterozwiązków tlenu, azotu i siarki. Związki te, ulegając utlenieniu nad rusztem, tworzą widoczny płomień. Skład części lotnych wpływa na temperaturę zapłonu. Węgle wyżej uwęglone – starsze węgle zwierają więcej węglowodorów wysoko zaromatyzowanych (o wyższej temperaturze zapłonu) o większej wartości ciepła spalania i dłuższym czasie spalania. Z kolei części lotne węgli młodych (niżej uwęglonych) zawierają więcej związków alifatycznych, alkiloaromatycznych o niższej temperaturze zapłonu. W wyniku tego proces spalania takiego węgla przebiega intensywniej i krócej. Przy tej samej wartości opałowej większa ilość części lotnych to mniejszy udział koksiku, co przyczynia się do skrócenia czasu spalania. Wówczas też zapłon paliwa jest szybszy, a długi płomień powoduje wzrost natężenia wymiany ciepła drogą promieniowania. Zbyt niska zawartość części lotnych prowadzi do utraty stabilności procesu spalania, powoduje wydłużenie procesu spalania, który w dużej mierze musi przebiegać w oparciu o powolne reakcje stałego karbonizatu z tlenem. Stosowanie paliwa o zbyt wysokiej zawartości części lotnych, wyższej niż zastosowane rozwiązanie technologiczne instalacji wymaga, powodować będzie straty wylotowe. Z kolei zbyt niska zawartość części lotnych wpłynie na zwiększenie strat w żużlu i obniżenie sprawności kotła, można wówczas zastosować domieszkę węgla o wyższej zawartości części lotnych. W kotłach z automatycznym ciągłym podawaniem paliwa do paleniska zalecane jest spalanie węgli o zawartości części lotnych powyżej 28%.

Spiekalność

Zdolność spiekania według Rogi (RI) jest istotnym parametrem węgla stosowanego w kotłach rusztowych, obok zawartości części lotnych w stanie suchym bezpopiołowym, niezbędnym dla wyznaczenia typu węgla według PN-82/G-97002. Liczba Rogi (RI) jest oznaczana w próbce węgla, w której zawartość popiołu w stanie suchym nie przekracza 10% – w przypadku, gdy zawartość popiołu jest wyższa niż 10%, próbka przed analizą musi być wzbogacona laboratoryjnie. Tak wyznaczony wskaźnik RI określa zdolność substancji organicznej węgla do tworzenia koksu i umożliwia prognozowanie zachowania się węgla w procesie spalania. Zbyt duża wartość RI, wysoka zdolność spiekania, występująca zazwyczaj z jednoczesną niską zawartością części lotnych, powoduje wystąpienie dużych strat energii, spowodowanych wzrostem udziału niecałkowitego spalania substancji organicznej węgla (duża zawartość części palnych w żużlu). Powstający stały półprodukt w procesie spalania, „koksik”, charakteryzuje się niską reaktywnością, w wyniku czego dłuższego czasu wymaga całkowite jego spalenie oraz przebywanie na ruszcie, w retorcie. W wyniku takiego przebiegu spalania paliwa rosną straty niecałkowitego spalania, straty w żużlu. Wysoka wartość liczby Rogi może także powodować problemy z eksploatacją kotła retortowego z ślimakowym transporterem paliwa do retorty – spiekanie złoża w retorcie i w skrajnym przypadku zniszczenie podajnika.

Całkowity brak spiekalności w węglu spalanym w kotle podsuwowym, tłokowym jest również niekorzystny, występują wówczas duże straty w przesypie oraz w popiele lotnym. Dla paliwa o dużym udziale drobnoziarnistej frakcji spiekalność na poziomie wartości RI 20-30 jest cechą korzystną. Przyczynia się ona do aglomeracji drobnych frakcji w większe cząstki, wskutek czego maleje strata przesypu i strata lotnego koksiku. Węgle stosowane w kotłach retortowych winny się charakteryzować wartością wskaźnika RI poniżej 20 (optymalnie poniżej 10). W przypadku kotłów z rusztem podsuwowym, tłokowym, gdzie stosowane jest paliwo o dużym udziale drobnoziarnistej frakcji, mogą być stosowane węgle o wartości RI do 30.

Siarka całkowita
Obecność siarki w spalanym paliwie ma niekorzystny wpływ na środowisko naturalne oraz na elementy konstrukcyjne kotłów. W wyniku utleniania siarki zawartej w paliwie powstaje ditlenek siarki SO2. Ilość powstającego SO2 jest wprost proporcjonalna do zawartości siarki w paliwie, oczywiście przy zbliżonej zawartości popiołu i jego składzie, zwłaszcza jeżeli chodzi o zawartość Ca i Mg, rys. 4.

Obecność tego produktu spalania nie jest groźna dla materiału dopóty, dopóki nie wejdzie on w reakcję z parą wodną, tworząc kwasy siarkowy i siarkawy. Kwasy te mają silne własności korozyjne w stosunku do stalowych konstrukcyjnych. Kwasy powstaną wówczas, gdy temperatura spalin obniży się poniżej temperatury kwasowego punktu rosy. Generalnie zagrożenie korozją kotła rusztowego podczas jego pracy nie istnieje, może natomiast wystąpić na drodze spalin kocioł – instalacja oczyszczania spalin – komin. Należy jednak zauważyć, że przy dużej zawartości siarki może występować zjawisko korozji systemu transportującego paliwo. Zawartość siarki w węglach polskich może przekroczyć nawet 1,5% w zależności od ich pochodzenia. Zazwyczaj w węglach oferowanych dla sektora komunalno-bytowego nie przekracza ona 1%. Mając na uwadze aktualne oraz planowane do wdrożenia dopuszczalne uregulowania prawne, odnoszące się do granicznych wartości stężeń SO2 w spalinach, zalecane jest stosowanie węgli o zawartości siarki optymalnie poniżej 0,6%.

Chlor
Chlor jest ważnym pierwiastkiem z punktu widzenia bezpieczeństwa technicznego instalacji oraz ochrony środowiska. Jego źródłem są przede wszystkim składniki substancji mineralnej paliwa. Jest on szczególnie korozyjny względem stali w wysokiej temperaturze. Powoduje tzw. aktywne utlenianie metalu niszczące ochronną warstwę tlenków, występujące w kotłach pyłowych. Jest też składnikiem powstających depozytów w trakcie spalania paliwa o dużej zawartości związków metali alkalicznych, zwłaszcza potasu, niszczących powierzchnie wymiany ciepła w instalacjach spalania. W przypadku kotłów rusztowych nie mamy do czynienia z występowaniem zjawiska korozji wysokotemperaturowej. Natomiast jeżeli obok chloru w paliwie występuje duża zawartość metali alkalicznych, zwłaszcza potasu, istnieje zagrożenie tworzeniem depozytów/osadów na powierzchni wymiany ciepła oraz żużlowaniem (szlakowaniem) złoża spalanego paliwa. Jak wykazują analizy polskich węgli, węgle zasolone z obszaru nadwiślańskiego charakteryzują się znaczną zawartością chloru i alkaliów. Należy także podkreślić, że obecność chloru w paliwie stałym spalanym w warunkach niezapewniających odpowiedniej temperatury spalania lotnych produktów odgazowania i odpowiednio długiego czasu przebywania mieszanki reakcyjnej w strefie utleniania przyczynia się do powstawania dioksyn (PCDD/Fs). Z lokalnym występowaniem takich warunków możemy mieć do czynienia w przypadku kotłów c.o., zwłaszcza kotłów z ręcznym podawaniem paliwa lub kotłów podsuwowych, tłokowych. Wskazane jest więc, by węgle spalane w kotłach małej mocy charakteryzowały się niską zawartością chloru, poniżej 0,2%.

Podsumowanie

Sektor komunalno-bytowy w Polsce charakteryzuje się wysokim udziałem produkowanej energii cieplnej z węgla. Intensywny rozwój nowoczesnych konstrukcji węglowych kotłów c.o. przyczynił się do uzyskiwania wysokiej sprawności przetwarzania energii chemicznej w energię użyteczną, powyżej 85%, i do znaczącego ograniczenia emisji zanieczyszczeń w przeliczeniu na jedną jednostkę wytworzonego ciepła. Kotły te stały się konkurencyjne dla pozostałych paliw kopalnych – gazu i oleju opałowego, ale także dla ciepła sieciowego pod względem ekonomicznym. Oczywiste jest, że w dalszym ciągu emisja zanieczyszczeń, zwłaszcza pyłu, SO2, NOx, jest znacząco wyższa niż z pozostałych paliw kopalnych, zwłaszcza gazu. Presja wymagań ochrony środowiska zmusza do stawiania dalszych wymagań w zakresie ograniczania emisji zanieczyszczeń ze spalania węgla w instalacjach małej mocy, nowo instalowanych w uwarunkowaniach lokalnych pozbawionych dostępu do sieci ciepłowniczych czy gazu sieciowego. Dlatego tak ważne jest zwrócenie uwagi na właściwy dobór węgla jako paliwa stosowanego w nowoczesnych kotłach z automatyzacją procesu spalania. Węgiel spalany w kotłach komorowych, z okresowym ręcznym wprowadzaniem paliwa, powinien również spełniać podobne wymagania w zakresie wartości opałowej, części lotnych, zawartości popiołu, wilgoci, siarki i chloru, spiekalności, jak w przypadku węgla dla kotłów zautomatyzowanych. Natomiast jeżeli chodzi o uziarnienie, zalecane jest stosowanie orzecha I lub II albo groszku o uziarnieniu 5-31 mm, z jak najmniejszym udziałem podziarna. Te sortymenty węgla zapewniają lepsze upakowanie i przewiewność złoża – warstwy spalanego paliwa. Polscy producenci węgla (KHW SA, Katowicki Węgiel Sp. z o.o., KW SA) w swojej ofercie produkcyjnej posiadają kwalifikowane paliwa węglowe. Niemniej jednak brak ujednoliconych krajowych kryteriów tych paliw oraz kontroli ich jakości powoduje, że w sektorze indywidualnych gospodarstw spala się, obok paliw kwalifikowanych, tzw. eko-groszki, których jakość wpływa niekorzystnie zarówno na żywotność urządzeń – kotłów, jak i efekty energetyczno-emisyjne.

Węgiel stosowany w sektorze komunalno-bytowym winien spełniać określone wymagania w odniesieniu do parametrów, które mają wpływ na parametry energetyczno-emisyjne. Wymagania winny być wprowadzone odpowiednim aktem prawnym krajowym, powiązanym z Ustawą Prawo Ochrony Środowiska (artykuł 96 dot. jakości paliw, aktualnie obowiązuje  Rozporządzenie Ministra Gospodarki z dnia 4 stycznia 2007 r. w sprawie wymagań jakościowych dotyczących zawartości siarki dla olejów oraz rodzajów instalacji i warunków, w których będą stosowane ciężkie oleje opałowe). Stosowanie paliwa węglowego, o stabilnej i odpowiedniej jakości, dobranego indywidualnie dla typu paleniska daje gwarancję bezawaryjnej eksploatacji instalacji spalania oraz możliwość uzyskania czystej energii o odpowiednio optymalnych wskaźnikach energetycznych, emisyjnych i  ekonomicznych.

dr inż. Krystyna Kubica

Literatura:

1. „Raport Krajowy Bilans Emisji SO2, NOx, CO, NMLZO, NH3, pyłów, metali ciężkich i TZO za lata 2009-2010 w układzie klasyfikacji SNAP i NFR, KOBIZE”, Warszawa, kwiecień 2012.

2. R. Łój, L. Kurczabiński, M. Korzeniowski, „Katowicki Holding Węglowy SA na rynku węgla energetycznego”, materiały XXV Konferencji z cyklu Zagadnienia surowców energetycznych i energii w gospodarce krajowej, Zakopane, 9-12.10. 2011 r.

3. http://www.kwsa.pl/sprzedaz_wegla/paliwa_kwalifikowane;

4. http://www.khw.pl/kwalifikowanepaliwa;

5. www.wegiel.katowice.pl;

6. Z. Blaschke Z., W. Blaschke, „Ocena celowości wzbogacania węgla na potrzeby energetyki w samodzielnych zakładach przeróbczych”, Praca PAN, Seria Studia, Rozprawy, Monografie 2003, nr 116.

7. H. Korolczuk, „Racjonalna gospodarka węglem energetycznym”, Wydawnictwo Naukowo-Techniczne, Warszawa 1978.

8. U. Lorenz, „Metoda oceny wartości węgla kamiennego energetycznego uwzględniająca skutki jego spalania dla środowiska przyrodniczego”, Praca PAN, Seria Studia, Rozprawy, Monografie 1999, nr 64.

9. K. Kubica, R. Kubica, Z. Zawiejska, I. Szyrwińska, „Ocena efektów ekologicznych i społecznych PONE na przykładzie projektu pilotażowego w Mieście Tychy”, Raport Nr 0433, NILU Polska, Katowice, maj 2005.

10. K. Kubica, A. Szlęk, R. Kubica, W. Mokrosz, „Opracowanie technologii niskoemisyjnego spalania paliw stałych – węgla i biomasy, w kotłach małej mocy oraz strategii ich wdrażania”, Raport dla Narodowego Centrum Badan i Rozwoju z proj. nr R06 009 03/2007-2011, ITC Politechnika Śląska, Gliwice, 31.03.2011 r.

Rys. 1. Wpływ spiekalności węgla spalnego w kotle retortowym o mocy 25 kW, na zawartość części palnych w popiele dennym, [10].

Rys. 2. Zależność emisji SO2, wyrażona w mg/m3 (10% O2 w spalinach), od zawartość siarki w węglu spalanym w kotle retortowym, [10].

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