REKONSTRUKCE UHELNÝCH KOTLŮ NA SPALOVÁNÍ BIOMASY
František HRDLIČKA Sněžné Milovy 2015 Czech Technical University in Prague, Czech Republic Faculty of Mechanical Engineering
CHARAKTERISTIKA BIOMASY ODLIŠNOST FYZIKÁLNÍCH VLASTNOSTÍ OD UHLÍ
• výrazně nižší hustotu i sypnou hmotnost • velmi špatnou melitelností Nižší sypná hmotnost (i hustota) znamená, že pro dopravu stejného množství paliva do kotle je potřeba palivová trasa, která je pro daný tepelný příkon schopna přepravit výrazně větší objem paliva, než je tomu u uhlí. Špatná melitelnost omezuje využití biomasy v těch typech kotlů, kde je potřeba úprava částic paliva na menší velikost. Nelze použít práškové hořáky s výjimkou na piliny.
ROZMĚROVÁ VARIABILITA BIOMASY • NEPŘEPRACOVANÁ BIOMASA – produkce z technologie - Štěpka (dřevní, zelená z odpadu po těžbě, zelená z plantáží rychle rostoucích rostlin) - Kůra (z odkorňovačů, z papírenské technologie) - Piliny (z nesušeného dřeva, ze sušeného dřeva) - Balíkovaná sláma Biomasu je, dle typu spalovacího zařízení, obvykle nutno před spalováním rozměrově upravit nebo vytřídit. • STANDARDIZOVANÁ PŘEPRACOVANÁ BIOMASA – PELETY - Dřevní pelety - Rostlinné pelety (celé rostliny z produkce pro energetické využití) - Pelety z odpadů sklizně produkčních rostlin (sláma, seno, odpadní zrno) Biomasa je standardně upravena pro spalování
PALIVOVÉ VLASTNOSTI
hrubý rozbor (spalné teplo hořlaviny, výhřevnost, obsah vody , obsah popelovin, prchavý podíl)
• Spalné teplo hořlaviny Qsdaf a prchavý podíl Vdaf jsou veličiny, které se liší málo pro různé druhy biomasy a zásadně se liší od uhlí Q sdaf = 18,5 až 20,5 MJ/kg – je výrazně nižší V daf = 75 až 82 % - je výrazně vyšší a navíc dochází ke spontánnímu uvolňování již při 250 0C
• Popel v sušině paliva As je velmi variabilní hodnota Pohybuje se od 0,5 % u pelet ze dřeva do 6,5 až 8 % u lesní štěpky a zbytků z čištění zrna • Obsah vody W Je nejvariabilnější hodnotou od 8 % u dřevních pelet po 60 % u čerstvé zelené štěpky
ZÁVISLOST SPALNÉHO TEPLA A VÝHŘEVNOSTI PRO ŠTĚPKU NA OBSAHU VODY V PALIVU
PRVKOVÝ ROZBOR BIOMASY HLAVNÍ PRVKY
Cdaf
Hdaf
Odaf
Ndaf
Sdaf
Vdaf
dřevo
50,96
6,93
41,75
0,26
0,03
81,9
šťovík
50,62
7,08
41,06
1,10
0,10
80,3
vojtěška
51,16
7,11
37,90
3,47
0,20
79,4
šťovík + chrastice 1:1
50,44
6,86
41,79
0,51
0,10
79,2
obilní zbytky – žito
48,48
7,24
41,53
2,35
0,33
78,4
odpad z čištění obilí
50,65
7,89
36,27
3,69
0,29
85,2
uhlí + šťovík 1:1
69,52
6,85
22,62
0,69
0,27
54,7
šťovík + piliny 1:1
50,54
7,05
41,81
0,27
0,08
77,0
seno
50,55
7,56
38,81
2,00
0,18
80,0
hm. %
VYBRANÉ HLAVNÍ A STOPOVÉ PRVKY POPELOVIN V BIOMASE hm. %
Na
K
Ca
Mg
Si
Al
P
S
obilní zbytky-žito
0,201
15,44
4,63
24,36
0,823
17,89
5,75
dřevo
0,504
17,55
29,09 50,47
3,72
4,18
0,325
5,76
2,36
odpad z čištění obilí
0,346
14,91
15,59
3,01
49,19
1,37
9,99
3,14
vojtěška
2,46
25,9
38,13
6,1
8,36
1,35
10,65
3,34
šťovík
0,422
48
25,26
3,39
9,43
1,27
4,59
3,73
šťovík+uhlí 1:1
0,715
23,9
28,91
4,36
8,56
5,17
2,34
10,23
šťovík+chrastice 1:1
0,246
27,41
15,85
3,1
39,79
1,17
5,56
4,89
Cl 0,486 0,417 0,570 2,34 1,16 0,418 0,422
Cu 0,012 0,052 0,011 0,017 0,012 0,030 0,016
Zn 0,031 0,071 0,054 0,017 0,016 0 0,047
hm. % obilní zbytky-žito dřevo odpad z čištění obilí vojtěška šťovík šťovík+uhlí 1:1 šťovík+chrastice 1:1
Fe 0,883 3,63 1,53 0,955 1,93 13,2 1,09
Mn 0,168 10,11 0,09 0,077 0,408 0,481 0,166
Ti 0,059 0,054 0,127 0,131 0,134 1,24 0,090
Sr 0,111 0,222 0,049 0,122 0,125 0,104 0,069
Ba 0,061 0,505 0,019 0,019 0,082 0,105 0,052
Teplota deformace popela, teplota měknutí, tavení a tečení
ŘEŠENÍ SPALOVACÍ KOMORY
Obecně lze volit buď ohniště roštové nebo fluidní. Pro oba typy ohnišť platí dvě zásady: a) Vícestupňový přívod spalovacího vzduchu – sekundární vzduch je pro biomasu významnější než primární pro dokonalé spalování a terciární je pro řízené spalování obvykle nezbytný b) Recirkulace vyčištěných spalin za filtrem pro biomasu s vlhkostí paliva do 25 % pro snížení teplotových maxim ve spalovacím prostoru a pro účinné řízení spalování při sníženém výkonu
TOK SPALINY – PALIVO PRO ROŠTOVÝ KOTEL
Uspořádání toku paliva a spalin a případné umístění odrazné klenby se liší podle vlhkosti paliva, což je ilustrováno na následujícím obrázku. Pro vlhké palivo se používá protiproudý tok spalin a paliva s ohřevem odrazné klenby (A), zatímco kotle pro suché palivo jsou obvykle souproudé (C). Podle prostorových možností je možné volit i variantu B s částečným protiproudem spalin.
ŘEŠENÍ SPALOVACÍ KOMORY PRO ROŠTOVÝ KOTEL
KOTLE PRO BIOMASU S W≤30 % kotel typu Rk s protiběžným roštem a pohazováním paliva pomocí pneumomechanického pohazovače
KOTEL S PODSUVNÝM ROŠTEM W≥25 %
Spalovací zařízení Biopower s podsuvným roštem
OHNIŠTĚ SE ŠIKMÝM PŘESUVNÝM ROŠTEM NA ŠTĚPKU W≤ 40 %
FLUIDNÍ OHNIŠTĚ S CIZÍ FLUIDNÍ VRSTVOU (VYTŘÍDĚNÝ POPEL Z UHELNÉHO KOTLE, LIAPOR) Komplikovaná rekonstrukce s nutností třístupňového přívodu vzduchu
SPOLUSPALOVÁNÍ S UHLÍM NA PRÁŠKOVÝCH KOTLÍCH Upravená výsypka s pásovým protiběžným roštem
PROBLÉMY SPALOVÁNÍ BIOMASY
• Zanášení výhřevných ploch sypkými nánosy • Krustování nánosů • Nízkotavitelná eutektika
• Vysokoteplotní koroze
Zanášení výhřevných ploch sypkými nánosy Krustování nánosů
BEZ PRŮBĚŽNÉHO ČIŠTĚNÍ NÁNOSŮ
Nízkotavitelná eutektika • Vznikají při spalování suché rostlinné biomasy s popelovinami tvořícími eutektika v adiabatické komoře pro biomasu s vysokým obsahem vody:
Vysokoteplotní koroze
vznikají na přehřívákových trubkách při spalování rostlinných pelet
4 KCl(s) + 2 SO2(g) + 2 H2O(g) + O2(g) = 2 K2SO4 + 4 HCl(g)
• Ze stechiometrie této reakce plyne, že jeden atom síry se váže s draslíkem do sloučeniny, přičemž vytěsní dva atomy chloru. Při poměru S/Cl < 2 lze proto očekávat pravděpodobnost zvýšené koroze. Při poměru S/Cl > 2 by měla být koroze snížena. Jelikož však menší část síry zůstává v popelu a nekonvertuje tak na SO2 a tuto reakci podpoří jeho přebytek, lze snížení koroze očekávat až při S/Cl > 4.
Rosný bod spalin pro běžné provozní podmínky Palivo
Rosný bod bez síry [0C]
Zvýšení teploty rosného bodu [0C]
Výsledná teplota rosného bodu [0C]
dřevo
44,3
9,5
53,8
Bílina o2
42,8
64,3
107,1
směs 1 : 1
43,6
53,2
98,8
SUŠENÍ BIOMASY ODPADNÍM TEPLEM ZVYŠOVÁNÍ ÚČINNOSTI SNÍŽENÍ KOMÍNOVÉ ZTRÁTY A ZVÝŠENÍ ÚČINNOSTI KOTLE V ZÁVISLOSTI NA OBSAHU VODY V BIOMASE 0,17
0,88 0,87
stack loss efficiency
0,15
0,86
stack loss [-]
0,14
0,85
0,13
flue gas temperature air excess coefficient loss in unburned C loss in unburned CO surface loss bottom ash loss
0,12 0,11
0,84
150°C 1,6 0,03 0,0005 0,01 0,002
0,83 0,82
0,1
0,81
0,09
0,8
0,08
0,79
0,07
0,78 0,1
0,15
0,2
0,25
0,3
0,35
0,4
0,45
0,5
biomass water content [-]
0,55
0,6
0,65
0,7
boiler efficiency [-]
0,16
DĚKUJI ZA POZORNOST
Hypotetická náhrada 1 bloku JE Temelín (1000 MWel) lokálními teplárnami na energetickou biomasu
• 65 tepláren (15 MW el) – svozová vzdálenost do 20 km • celkem čistá pěstební plocha 60 x 60 km • odpovídá potřebě 360 tisíc ha orné půdy • odpovídá veškeré volné půdě pro energetickou biomasu • pokryje 8,5 % výroby elektřiny
