Vliv V daf na výbušnost prášku

Předběžný návrh koncepce kotle a přípravy paliva Podle zadaných parametrů se volí typ parního generátoru (výparníku)

Prchavá hořlavina se stanoví z úbytku hmotnosti analytického vzorku paliva po jeho žíhání v uzavřeném kelímku.

s přirozeným oběhem, nucenou nebo superponovanou cirkulací průtočný.

Zvolí se uspořádání kotle a sestaví se tepelné schéma, které určuje posloupnost řazení výhřevných ploch umístění výhřevných ploch po délce traktu spalin rozdělení tepla na jednotlivé plochy volbu teploty ohřátí vzduchu

Volba schématu závisí na mnoha faktorech :

Stavba kotlů - přednáška č. 5

1

Množství a výhřevnost prchavé hořlaviny má rozhodující vliv na


2

Jemně mleté palivo (uhelný prášek) v suspenzi se vzduchem tvoří výbušnou směs V ní se může rozšířit spalování velmi rychle od místa iniciace na celý objem výbušné směsi Iniciaci může vyvolat

vzněcovací (zápalnou) teplotu paliva na jeho reaktivitu

Tím je dána

vnější zdroj zvýšení teploty usazené vrstvy prášku nad vzněcovací teplotu

rychlost jeho vzněcování rychlost vyhořívání

Průvodním jevem zapálení výbušné směsi v uzavřeném prostoru je

Vzněcovací teplota závisí na velikosti částice, na teplotě okolí, na teplotním spádu mezi okolím a částicí

31.10.2015

31.10.2015

Vliv Vdaf na výbušnost prášku

Vliv Vdaf na vzněcovací teplotu

Různí autoři uvádějí odlišné hodnoty

Zbývající část hořlaviny (organické hmoty) je v podstatě pouze tuhý uhlík (koks), jehož výhřevnost je přibližně 33,9 MJ/kg. Výhřevnost prchavé hořlaviny je značně proměnná a závisí na stupni prouhelnění paliva.

na druhu a vlastnostech paliva na parametrech páry na typu kotle na způsobu regulace teploty páry a dalších 31.10.2015

Vliv obsahu prchavé hořlaviny Vdaf

„a“ - drobnozrnné palivo se zkouší v horkém vzduchu „b“ - práškové uhlí se zkouší při pádu v zahřáté svislé trubce „c“ - přibližná hodnota vznícení usazeného prášku (viz tabulka)


3

prudké zvýšení tlaku tlaková vlna postupuje v prostoru vyplněném výbušnou směsí rychlostí řádově 103 m/s

31.10.2015


4

Informativní hodnoty výbuchových parametrů

Vliv Vdaf na výbušnost prášku Nejčastější příčiny výbuchů pokračující přívodu prášku a vzduchu do ohniště kotle po zhasnutí plamene ve mlýně při jeho doběhu v práškovodech

Důsledky výbuchů deformace stěn daného prostoru jejich destrukce

Jako kritérium výbušnosti se zpravidla uvádí: spodní (horní) mez výbušnosti maximální tlak dosažený při výbuchu práškového mraku v uzavřeném prostoru rychlost stoupnutí tlaku při výbuchu optimální koncentrace směsi (při níž jsou nejprudší účinky)

31.10.2015


5

31.10.2015


6

1

Faktory ovlivňující možnost vzniku výbuchu obsah prchavé hořlaviny vytvoření usazené vrstvy prášku koncentrace uhelného prášku ve směsi se vzduchem jemnost uhelného prášku obsah O2 ve směsi plynů s uhelným práškem obsah metanu ve směsi plynů s uhelným práškem obsah vody a popela v palivu 31.10.2015


7

Zohlednění obsahu prchavé hořlaviny při rozhodování o koncepci a návrhu kotle a mlýnice Obsah prchavé hořlaviny má významný vliv na návrh a provedení ohniště kotle z funkčního hlediska z hlediska pevnostního dimenzování.

Faktory ovlivňující možnost vzniku výbuchu

a - jemnost prášku b- obsah kyslíku v nosném plynu c- obsah vody v prášku

31.10.2015


8

Volba jemnosti mletí uhelného prášku Čím menší je obsah prchavé hořlaviny, tím jemnější musí být mletí uhlí, Doporučená jemnost mletí bývá definován jako zbytek na sítě 90µm (R90), který je definován rozsevovou funkcí

Zejména se obsah prchavé hořlaviny bere v úvahu při rozhodováni o: jemnosti mletí uhelného prášku pevnostním dimenzování stěn spalovací komory a zařízení mlýnice obsahu spalitelných látek v pevných zbytcích po spalování provedení práškového ohniště přebytu spalovacího vzduchu a jeho rozdělení

31.10.2015


9

31.10.2015

Doporučená jemnost mletí


10

Doporučená jemnost mletí

a- granulační ohniště, hnědé uhlí b- granulační ohniště, černé uhlí c- výtavná ohniště s větším zachycením popela ve strusce d- výtavná ohniště s malým

31.10.2015


11

31.10.2015


12

2

Paliva s velmi malým obsahem prchavé hořlaviny

Granulometrie uhlí pro ohniště s cirkulující fluidní vrstvou

U paliv s velmi malým obsahem prchavé hořlaviny (pro Vdaf < 12%) se kromě jemného mletí musí u práškových ohnišť provést i konstrukční opatření pro dobré zapalování a stabilní hoření uhelného prášku.

Většinou se používají tato opatření: volí se vyšší teplota spalovacího vzduchu provede se izolace varnic (omaz žárobetonem) v oblasti kolem hořáků nebo v hořákovém pásmu (zapalovací pás) volí se větší přebytek vzduchu na konci ohniště předpokládá se větší délka plamene (větší výška spalovací komory)

31.10.2015


13

Informativní granulometrie uhlí pro fluidní ohniště

Spaluje se drcené uhlí. Požadavky na granulometrii paliva stanoví každý výrobce podle parametrů ohniště a parametrů a vlastností spalovaného paliva Pro česká černá uhlí se většinou udává hodnota 0 až 10 mm, pro česká hnědá uhlí většinou hodnota 0 až 15 mm,

31.10.2015


14

Vliv obsahu Vdaf na pevnostní dimenzování stěn spalovací komory a zařízení mlýnice zohledňují se i vzněcovací teploty různých paliv, ale především výbušnost práškové směsi na dimenzování stěn spalovací komory. dimenzování zařízení mlýnice a práškovodů.

*1 Práškový zásobník je opatřen pojistným ústrojím

31.10.2015


15

Vliv obsahu Vdaf na podíl spalitelných látek v tuhých zbytcích po spalování

31.10.2015


31.10.2015


16

Vliv obsahu Vdaf na volbu součinitele přebytku vzduchu

17

31.10.2015


18

3

Vliv obsahu síry v palivu

Specifická (měrná) sirnatost

Síra v uhlí se rozlišuje na síru síranovou Ssir pyritovou Spyr sirníkovou Ss organickou Sorg

udává, kolik gramů síry připadá na jednotku výhřevnosti surového uhlí, tedy

síra spalitelná (prchavá)

První tři uvedené formy jsou obsaženy v popelovinách a to: síranová síra - v síranech, hlavně v sádrovci (sulfáty) pyritová síra - v disulfidech, hlavně v pyritu a markazitu sirníková síra - v monosulfidech, hlavně FeS

Poslední uvedená forma, síra organická, je vázána v organických sloučeninách a obvykle se stanovuje jako rozdíl veškeré síry v palivu a součtu prvních tří uvedených forem Sorg = St - (Spyr + Ssir + Ss).

31.10.2015


19

Důsledky obsahu síry v palivu

kde Str je obsah síry [kg/kg] Qir [MJ/kg] je výhřevnost původního vzorku paliva


31.10.2015

20

Vliv síry na korozi na straně spalin

síra ovlivňuje chemické reakce, které za vhodných podmínek probíhají mezi složkami popelovin a teplosměnnou plochou kotle mezi složkami spalin a materiálem teplosměnných ploch kotle.

Při spalování se spalitelná síra oxiduje na SO2 a z menší části, cca z 1 až 5%, na SO3 Tyto plyny vstupují do korozních reakcí s materiálem trubek teplosměnných ploch. Vznik a průběh korozí určují především: vlastnosti paliva, tj. obsah síry a dalších nežádoucích složek v popelovinách (např. vanad, alkálie, chlor, apod.) způsob spalování teplota spalin a teplota povrchu teplosměnných ploch v místě koroze.

Příčiny koroze i její působení a důsledky jsou různé a projevují se v různých částech spalinového traktu kotle. Při spalování sirnatého uhlí vznikají koroze

úzce tedy souvisí s tvorbou struskových či popílkových nánosů s korozí na straně spalin

vysokoteplotní nízkoteplotní. 31.10.2015


21

31.10.2015


22

Vysokoteplotní koroze

Nízkoteplotní koroze

Vyskytují se na trubkových stěnách ohniště a v oblasti přehříváku. Příčinou těchto korozí je především redukční atmosféra - s obsahem CO a H2 a byť velmi malým podílem sirovodíku. Intenzita koroze závisí

Tyto vznikají na těch částech parního kotle, kde na materiál kotle mohou působit kondenzující složky spalin. Některé složky spalin (SO2, SO3, HCl a jiné) s vodní párou přítomnou ve spalinách při určité teplotě a dalších podmínkách vytvářejí kyseliny Jejich páry při ochlazení na teplotu nižší než je jejich rosný bod při dané koncentraci (parciálním tlaku) kondenzují a vzniká tak agresivní kondenzát, který napadá materiály kotle. Účinek je závislý

na složení a vlastnostech plynného prostředí (toto je za přítomnosti H2S mnohem agresivnější než čistě redukční nebo oxidační atmosféra) na složení a stavu slinutých nánosů na trubkách na stavu ochranné vrstvy oxidů.

Při spalování hnědého uhlí se vysokoteplotní koroze neprojevují tak často a intenzivně jako při spalování uhlí s malým obsahem Vdaf (horší podmínky pro spalování, redukční atmosféra) při spalování mazutu (vanadová koroze).

Vysokoteplotní koroze se vyskytují zejména u kotlů s výtavným ohništěm (stěny trubek ohniště přivrácené k plameni) u kotlů olejových, u nichž přítomný vanad v popelovině spalovaného oleje vytváří nízkotavitelná eutektika V2O5 a Na2SO4 (570°C), která rozrušují ochrannou vrstvu kysličníků i u legovaných ocelí.

31.10.2015


23

na koncentraci korozitvorných složek na pracovních podmínkách provozovaného zařízení, zejména na teplotě, přebytku vzduchu fyzikálních a chemických vlastnostech popílku ve spalinách. (Tvoří kondenzační jádra).

Nízkoteplotní koroze vzniká v těch místech, kde teplota povrchu (stěny) a mezní vrstvy v její těsné blízkostí klesne pod teplotu kondenzace vodní páry nebo par kyseliny sírové při daném parciálním tlaku. 31.10.2015


24

4

Nízkoteplotní koroze

Nízkoteplotní koroze hlavní příčinou je kondenzace par kyseliny sírové parciální tlak kyseliny sírové je úměrný obsahu SO3 ve spalinách, tento vzrůstá

Teplota rosného bodu vodní páry ve spalinách závisí na obsahu vody ve spalinách na přebytku vzduchu, viz obrázek.

s rostoucím obsahem síry v palivu se zvětšujícím se obsahem kyslíku ve spalinách. Vliv obsahu vody a přebytku vzduchu na teplotu rosného bodu vodní páry ve spalinách 1 - vysokopecní plyn 2 - černé uhlí 3 - sušené hnědé uhlí (W 15%) 4 - rašelina 5 - dřevo 6 - koksárenský plyn 7 - středoněmecké hnědé uhlí (W 50%) 8 - rýnské hnědé uhlí (W 60%)

V oxidačním prostředí (při větším přebytku vzduchu) se tvoří SO3 přímo, další oxidací (konverzí) SO2.

Součinitel konverze lze vyjádřit vztahem

kde ω jsou objemové podíly složek ve spalinách. Stavba kotlů - přednáška č. 5

31.10.2015

25

31.10.2015

Stupeň konverze SO3 v závislosti na měrné sirnatosti a způsobu spalování


26

Nízkoteplotní koroze při obvyklých podmínkách směs (H2O + H2SO4) začne kondenzovat při teplotě kolem 140°C koncentrace H2SO4 v tvořícím se filmu

1- roštové ohniště, 40 t/h 3- výtavné ohniště, 80 t/h 2- roštové ohniště s přídavným vz. 4 až 8- granulační ohniště, 110 t/h - 220 t/h M- regresní čára udávaná pro kapalná paliva (Murray)


31.10.2015

27

nejdříve odpovídá koncentraci při odpařování při teplotě 140°C teprve při dalším ochlazování (pod 140°C) se začne snižovat (zřeďuje se) pokračující kondenzací H2O.

31.10.2015


28

Zohlednění obsahu síry při rozhodování o koncepci kotle a jeho návrhu

Nízkoteplotní koroze Rychlost koroze

Vysokoteplotní koroze výskyt lze očekávat u kotlů: s výtavným ohništěm - stěny ohniště se chrání vrstvou vhodného žáruvzdorného materiálu s fluidním ohništěm a to v oblasti výstupního přehříváku, pokud se spaluje uhlí s větším obsahem chloridů, protiopatřením je

závisí na teplotě korodující plochy má charakteristický průběh pro každý druh spalovaného paliva.

Průběh koroze při spalování sirnatého oleje(1) a hnědého uhlí (2) je uveden na obrázku.

volba vhodného materiálu přehřívákových trubek nepřekročení kritické teploty stěny přehřívákových trubek ochrana trubek proti abrazi.

s práškovým granulačním ohništěm - u přehříváku páry i u výparníku a to v případech, kdy se spaluje uhlí s vyšším obsahem chloridů. Korozi se předchází

Kromě nízkoteplotní koroze je průvodním jevem provozu teplosměnných ploch kotle pod teplotou rosného bodu spalin i nalepování popílku a vznik nánosů, které v důsledku hydratace sulfátů a silikátů mohou způsobit i ucpání průtočného průřezu pro spaliny.

omezením výskytu redukční atmosféry = dokonalé vyhoření paliva před vstupem spalin do přehříváku teplota stěny přehřívákových hadů by neměla překračovat odpovídající kritickou teplotu řazením přehříváku jako souproud, snížením tepelného toku apod.,

volba vhodného materiálu přehřívákových trubek ochrana trubek proti abrazi popílkem. 31.10.2015


29

31.10.2015


30

5

Odstranění (omezení) příčin nízkoteplotní koroze

Zohlednění obsahu síry při rozhodování o koncepci kotle a jeho návrhu

cílem je snížení obsahu SO3 ve spalinách, lze provést např.:

Nízkoteplotní koroze Při spalování uhlí jsou nízkoteplotní koroze zcela běžným a předpokládanýzn jevem. Konstruktér kotle může pouze

snížením obsahu síry ve spalovaném palivu - není dnes k dispozici komerčně využitelný způsob, omezením konverze SO2 na SO3 - snížení parciálního tlaku kyslíku ve spalinách (tedy přebytku vzduchu v kotli). U moderních kotlů je tato možnost - v rámci reálných řešení - již vyčerpána. snížením obsahu SO3 ve spalinách aditivním odsiřováním spalin v ohništi kotle. Využívá se zejména

omezit jejich rozsah zmenšit jejich účinek

Při řešení tohoto problému může v zásadě postupovat dvěma směry: zaměřit se na odstranění příčin vzniku této koroze zaměřit se na omezení jejich účinků. 31.10.2015


31

Konstrukční opatření pro omezení rozsahu působení nízkoteplotní koroze návrh vhodného materiálu teplosměnných ploch pro spalinový ohřívák vzduchu, ať již trubkový nebo regenerativní. vhodné materiály pro tyto teplosměnné plochy mohou být kovové materiály - vysoce legované oceli obecně nejsou považovány za perspektivní, neboť „zvýšená" odolnost proti korozi není úměrná ceně. Vhodnější se zdají některé speciální nízkolegované oceli se zvýšenou odolností. Litina se u velkých kotlů nemůže použit. nekovové materiály - pro určité podmínky lze použít např. skleněné trubky pro studený konec trubkových ohříváků vzduchu. korozivzdorné povlaky a nátěry - ty mohou být kovové (např. olovo pro ochranu studených kouřovodů a komínů) nekovové, jako např. smalty, makromolekulární hmoty a nátěry.

Korozivzdorné smalty se uplatňují především u plechů studeného konce regenerativních ohříváků vzduchu. Povlaky z makromolekulárních látek (fluorované plasty, fenolplasty, pryskyřice) a korozivzdorné nátěry se osvědčily jako jednoduchá a účinná ochrana kouřovodů.

Použití některého z uvedených materiálů nebo povlaků je především otázka ekonomická

31.10.2015


33

Schéma předehřevu napájecí vody v bubnu

u kotlů s fluidním ohništěm s cirkulující fluidní vrstvou - při dávkování aditiva do ohniště se dosahuje účinnost odsiřování nad 90%. u kotlů s roštovým ohništěm - při přidávání práškového aditiva s uhlím na rošt lze dosáhnout účinnost odsiřování 30 až 40% a při dávkování práškového aditiva do horní části ohniště pak až 60%. 31.10.2015


32

Konstrukční opatření pro omezení rozsahu působení nízkoteplotní koroze konstrukční řešení pro udržení provozní teploty stěny teplosměnné plochy nad teplotou bezpečnou z hlediska nízkoteplotní koroze konstrukční řešení lze uplatnit pro Ohřívák vody - nebezpečí nízkoteplotní koroze hrozí jen při nízké teplotě napájecí vody - tj. při napájení kotle odplyněnou vodou (105°C) nebo málo ohřátou vodou, s teplotou nižší než 140°C (160°C). Jediným účinným opatřením je zvýšit teplotu napájecí vody na vstupu do ohříváku vody. Toto lze provést (kromě regeneračního předehřevu napájecí vody) např. ohřevem napájecí vody v parním bubnu. Ohřívák vzduchu - teplotu stěny lze udržet nad teplotou bezpečnou z hlediska teploty rosného bodu spalin vhodnými konstrukčními úpravami, kterými se příznivě ovlivní přestup tepla ve spalinovém ohříváku vzduchu zvýší teplota vzduchu na vstupu do spalinového ohříváku vzduchu využije pro sdílení tepla ze spalin do vzduchu vhodná (pomocná) teplonosná látka.

31.10.2015


34

Konstrukční opatření pro omezení rozsahu působení nízkoteplotní koroze ovlivnění součinitele přestupu tepla u trubkového ohříváku vzduchu. Příznivé změny součinitele přestupu tepla (poměru αs/αv ) se dosáhne např. změnou způsobu obtékání trubek

1 - ohřívák vody 2 - výparník 3 - přehřívák 1 - ohřívák vody 2 – trubkový OVZ

31.10.2015


35

31.10.2015


36

6

Konstrukční opatření pro omezení rozsahu působení nízkoteplotní koroze

Schéma předehřevu vzduchu parou

zvýšení teploty vzduchu na vstupu do ohříváku vzduchu Pro sirnaté uhlí se v praxi provádí předehřev vzduchu na teplotu 65°C až 80°C a velikost ohřevu (∆t) je výrazně odlišná při provozu kotle v létě a v zimě. předehřevu lze dosáhnout prakticky dvěma způsoby: recirkulací ohřátého vzduchu předehřevem vzduchu jiným médiem, např, parou

někdy se s výhodou používá kombinace obou uvedených způsobů.

předehřev vzduchu ve výměníku s pomocným tepIonositelem ve výměníku tepla z tepelných trubic (Perkinsovy trubky), v nichž je pomocná teplonosná látka 1 – spalinová odparka


31.10.2015

37

Vliv obsahu dusíku v palivu

31.10.2015

2 – cizí (odběrová) pára


38

Mechanizmus vzniku NO

Dusík v uhlí je součástí prchavé hořlaviny. Pro česká uhlí hnědá se jeho obsah v hořlavině pohybuje v rozmezí 0,7% až 1,6% černá v rozmezí 1,1% až 1,9,%.

Při spalování částic uhlí vznikají oxidy dusíku (NOx) jako směs oxidu dusnatého (NO) oxidu dusičitého (NO2),

výrazně převažuje obsah NO, NO2 je však několikanásobně toxičtější Stavba kotlů - přednáška č. 5

31.10.2015

39

31.10.2015


40

Termické NOx – poměrná hodnota

Mechanismy vzniku NOx Termické NOx mechanismus vzniku vychází z náhrady vzdušného dusíku molekulami kyslíku. proces je podmíněn vysokou aktivační energií - může probíhat jen při vysokých teplotách (nad 1400°C) při relativně dlouhé časové prodlevě na této teplotě.

Podle Zeldoviče lze termické NOx stanovit z rovnice rovnovážného stavu při přebytku kyslíku

kde: - T [K] je teplota v ohništi, - N2 [m3/m3] nebo [mol/mol] - O2 [m3/m3] nebo [mol/mol] Vzhledem k potřebné vysoké teplotě a dlouhé době setrvání na této teplotě nejsou u práškových granulačních ohnišť „termické NOx“ rozhodující pro celkové emise NOx. 31.10.2015


41

31.10.2015


42

7

Palivové NOx – mechanismus vzniku a potlačení jejich vzniku

Mechanismy vzniku NOx Promptní NOx (rychlé) Mechanizmus je založen na náhradě molekul vzdušného dusíku radikály CHi a to v primární reakční zóně uhlovodíkového plamene. Vzniká HCN a další oxidací přes sloučeniny NHi vzniká NO. Při spalování práškového uhlí nemá „promptní NOx“ z hlediska celkové emise NOx rovněž velký význam

Palivové NOx Mají při spalování práškového uhlí rozhodující vliv na celkové emise NOx Dusíkaté sloučeniny vázané v palivu jsou rychlými reakcemi s radikály přeměny na HCN a další relativně pomalou reakcí na sloučeniny NHi. Podle lokálních podmínek může dále proběhnout přeměna na NO redukce na molekulární dusík.

Mezi „lokální podmínky“ patří vytvoření redukční atmosféry v oblasti spalování, např. odstupňovaným přívodem vzduchu - při nedostatku kyslíku se zesiluje redukce na molekulární dusík odstupňovaný přívod paliva (Reburning).

Toto má značný význam při snižováni emisí NOx 31.10.2015


43

Vliv reakční teploty na tvorbu NOx

31.10.2015




44

Sumární produkce NOx v závislosti na teplotě

45

Vliv doby setrvání v redukční zóně na tvorbu NOx

31.10.2015

31.10.2015

47

46

Vliv přebytku vzduchu na tvorbu NOx

31.10.2015


48

8

Optimalizace splování z hlediska tvorby NOx a CO

S obsahem dusíku v palivu souvisí především opatření, která se musí realizovat, aby byl vznik oxidu dusíku omezen na co nejnižší míru Veškerá opatření zaměřená na omezení tvorby NOx při spalování uhlí v ohništi kotle se dnes zahrnují do skupiny tzv. „primánlích opatření“, která v principu vytváří optimální podmínky pro spalování uhlí z hlediska minimalizace vzniku NOx a CO Za primární opatření se tedy považuje:

Emisní minimum NOx je při přebytku vzduchu 0,8 Ohniště však s tímto přebytkem nelze provozovat vzhledem k enormně vysoké hodnotě CO To znamená, že se musí při hledání cest pro redukci NOx současně respektovat zvyšující se 1 - ohřívák vody podíl spalitelných látek 2 – trubkový OVZ na odchodu z ohniště, tj.

snížení přebytku vzduchu na výstupu z ohniště na nezbytné minimum z hlediska účinnosti spalování a redukce CO a NO, zvýšená koncentrace prášku v zóně hlavních hořáků, odstupňovaný přívod spalovacího vzduchu odstupňovaný přívod paliva zajištění potřebných koncentrací v celém průřezu (účinné příčné míchání) recirkulace spalin do ohniště.

Pokud by realizací primárních opatření nebylo možné zajistit splnění emisního limitu NOx, pak se musí použít některá z metod pro redukci obsahu NO ve spalinách,

zbytkový koks (obsah spalitelného uhlíku v popílku) CO.

31.10.2015


Zohlednění obsahu dusíku v palivu při rozhodování o koncepci kotle

metoda SCR k redukci NO ve spalinách na konci kotle (před ohřívákem vzduchu) metoda SNCR snižující obsah NO ve spalinách na výstupu z ohniště.

49

31.10.2015


50

9

Vliv V daf na výbušnost prášku

Recommend Documents