REKONSTRUKCE UHELNÝCH KOTLŮ NA SPALOVÁNÍ BIOMASY

Transkript

1 REKONSTRUKCE UHELNÝCH KOTLŮ NA SPALOVÁNÍ BIOMASY František HRDLIČKA Sněžné Milovy 2015 Czech Technical University in Prague, Czech Republic Faculty of Mechanical Engineering

2 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.

3 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

4 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 C

5 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

6 ZÁVISLOST SPALNÉHO TEPLA A VÝHŘEVNOSTI PRO ŠTĚPKU NA OBSAHU VODY V PALIVU

7 PRVKOVÝ ROZBOR BIOMASY HLAVNÍ PRVKY hm. % C daf H daf O daf N daf S daf V daf 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

8 VYBRANÉ HLAVNÍ A STOPOVÉ PRVKY POPELOVIN V BIOMASE hm. % Na K Ca Mg Si Al P S obilní zbytky-žito 0,201 15,44 29,09 4,63 24,36 0,823 17,89 5,75 dřevo 0,504 17,55 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, ,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 hm. % Fe Mn Ti Cl Cu Zn Sr Ba obilní zbytky-žito 0,883 0,168 0,059 0,486 0,012 0,031 0,111 0,061 dřevo 3,63 10,11 0,054 0,417 0,052 0,071 0,222 0,505 odpad z čištění obilí 1,53 0,09 0,127 0,570 0,011 0,054 0,049 0,019 vojtěška 0,955 0,077 0,131 2,34 0,017 0,017 0,122 0,019 šťovík 1,93 0,408 0,134 1,16 0,012 0,016 0,125 0,082 šťovík+uhlí 1:1 13,2 0,481 1,24 0,418 0, ,104 0,105 šťovík+chrastice 1:1 1,09 0,166 0,090 0,422 0,016 0,047 0,069 0,052

9 Teplota deformace popela, teplota měknutí, tavení a tečení

10 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

11 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.

12 ŘEŠENÍ SPALOVACÍ KOMORY PRO ROŠTOVÝ KOTEL

13 KOTLE PRO BIOMASU S W 30 % kotel typu Rk s protiběžným roštem a pohazováním paliva pomocí pneumomechanického pohazovače

14 KOTEL S PODSUVNÝM ROŠTEM W 25 % Spalovací zařízení Biopower s podsuvným roštem

15 OHNIŠTĚ SE ŠIKMÝM PŘESUVNÝM ROŠTEM NA ŠTĚPKU W 40 %

16 FLUIDNÍ OHNIŠTĚ S CIZÍ FLUIDNÍ VRSTVOU (VYTŘÍDĚNÝ POPEL Z UHELNÉHO KOTLE, LIAPOR) Komplikovaná rekonstrukce s nutností třístupňového přívodu vzduchu

17 SPOLUSPALOVÁNÍ S UHLÍM NA PRÁŠKOVÝCH KOTLÍCH Upravená výsypka s pásovým protiběžným roštem

18 PROBLÉMY SPALOVÁNÍ BIOMASY Zanášení výhřevných ploch sypkými nánosy Krustování nánosů Nízkotavitelná eutektika Vysokoteplotní koroze

19 Zanášení výhřevných ploch sypkými nánosy Krustování nánosů

20 BEZ PRŮBĚŽNÉHO ČIŠTĚNÍ NÁNOSŮ

21 Nízkotavitelná eutektika Vznikají při spalování suché rostlinné biomasy s popelovinami tvořícími eutektika v adiabatické komoře pro biomasu s vysokým obsahem vody:

22 Vysokoteplotní koroze vznikají na přehřívákových trubkách při spalování rostlinných pelet

23 4 KCl(s) + 2 SO 2 (g) + 2 H 2 O(g) + O 2 (g) = 2 K 2 SO 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 SO 2 a tuto reakci podpoří jeho přebytek, lze snížení koroze očekávat až při S/Cl > 4.

24 Rosný bod spalin pro běžné provozní podmínky Palivo Rosný bod bez síry [ 0 C] Zvýšení teploty rosného bodu [ 0 C] Výsledná teplota rosného bodu [ 0 C] dřevo 44,3 9,5 53,8 Bílina o2 42,8 64,3 107,1 směs 1 : 1 43,6 53,2 98,8

25 SUŠENÍ BIOMASY ODPADNÍM TEPLEM ZVYŠOVÁNÍ ÚČINNOSTI SNÍŽENÍ KOMÍNOVÉ ZTRÁTY A ZVÝŠENÍ ÚČINNOSTI KOTLE V ZÁVISLOSTI NA OBSAHU VODY V BIOMASE 0,17 0,16 0,15 stack loss efficiency 0,88 0,87 0,86 stack loss [-] 0,14 0,13 0,12 0,11 0,1 flue gas temperature 150 C air excess coefficient 1,6 loss in unburned C 0,03 loss in unburned CO 0,0005 surface loss 0,01 bottom ash loss 0,002 0,85 0,84 0,83 0,82 0,81 boiler efficiency [-] 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 0,55 0,6 0,65 0,7 biomass water content [-]

26 DĚKUJI ZA POZORNOST

27 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