Bc. Tomáš Zelený 1 VÝPOČET ÚČINNOSTI KOTLE K3

Bc. Tomáš Zelený 1 VÝPOČET ÚČINNOSTI KOTLE K3 Abstrakt Tato práce se zabývá výpočtem minimální hrubé účinnosti práškového kotle K3 v teplárně ČSM nepřímou metodou po částečné ekologizaci kotle. Jejím úkolem je ověřit, zda byly na kotli zachovány jeho provozní parametry. Především účinnost, která nesmí podkročit 88%. Na úvod jsou popsány stojní celky kotle, prvkový rozbor garantovaného paliva i parametry napájecí vody a přehřáté páry. V práci jsou dále provedeny výpočty stechiometrie spalování, měrné tepelné kapacity spalin a poměrných tepelných ztrát kotle, ze kterých je určena účinnost kotle. Výpočty byly provedeny v programu Microsoft Excel. Výsledky výpočtů jsou v práci uvedeny tabulkovou formou. Výpočet je proveden dle zdroje [1]. Klíčová slova Granulační kotel, Účinnost, Tepelné ztráty, ČSN 070302 1 ÚVOD Popisovaný granulační kotel se nachází v teplárně při dolu ČSM Sever v obci Stonava nedaleko Karviné. Majitelem teplárny je Dalkia Industry CZ, a.s. V současnosti je na teplárně celkem šest kotlů K1-K6. Hlavní výrobní zařízení jsou kotle K1, K2 a K3 spalující černé uhlí a degazační plyn. V těchto dnech probíhá v teplárně ČSM tzv. ekologizace kotlů K1 a K3, rozdělená na 4 etapy. Skládající se z primárních a sekundárních opatření pro snížení emisí NOx a SOx. V první etapě, která již proběhla, byly na kotli K3 instalovány primární opatření pro snížení tvorby emisí NOx. Hlavní části etapy I: Využití recirkulace spalin Dodávka nových práškových hořáků Výměna stávajících potrubí uhelného prášku Optimalizace spalovacího procesu Nové armatury pro dodávku degazačního plynu 1 Bc. Tomáš Zelený, Katedra energetiky, Fakulta strojního inženýrství, Vysoká škola Báňská- Technická univerzita Ostrava, 17. listopadu 15/2172, Ostrava-Poruba, 708 33, email: tomas.zeleny.st@vsb.cz

Po uskutečněné rekonstrukci kotle bylo nutné provést garanční zkoušky. Projekt garančních zkoušek byl zpracován VŠB-TU Ostrava, KE. Tyto zkoušky byly rozděleny na 4 části. V jejich rámci byly měřeny emise (NOx, CO, TZL), nedopal v popílku, dodržení provozních parametrů (přetlak a teplota přehřáté páry), hodnota hluku a dodržení parního výkonu kotle v automatickém režimu, také minimálního a jmenovitého výkonu kotle. Dále byla měřena a stanovena min. hrubá účinnost kotle. Bližší popis garantovaných hodnot je v Kap. 3. Při garančních zkouškách byl spalován černouhelný prach (Zk.1 a 4) v kombinaci s degazačním plynem (Zk. 2 a 3). 2 POPIS GRANULAČNÍHO KOTLE K3 2.1 Kotel Jedná se o třítahový parní kotel s granulačním ohništěm pro spalování směsi černého uhlí a degazačního plynu, s přirozenou cirkulací ve výparníku. Výparník je tvořen praporkovanými trubkami, za kterými je polotěžká zazdívka. Kombinované práškové a plynové hořáky jsou umístěny pod stropem spalovací komory na bočních stěnách kotle. V druhém tahu kotle je umístěn výstupní visutý přehřívák. Vstupní přehřívák je umístěn ve vodorovné části kotle mezi druhým a třetím tahem. Ve třetím tahu kotle jsou umístěny zbylé dodatkové plochy. Jedná se dva svazky ohříváku vody a dva dílu trubkového ohříváku vzduchu. Mletí paliva je zajišťováno čtyřmi kroužkovými mlýny s přímým foukáním prášku do spalovací komory kotle. Základní parametry kotle K3: jmenovitý parní výkon kotle 50 t/h jmenovitý tlak výstupní páry 3,7 MPa jmenovitá teplota výstupní páry 445 +15-10 jmenovitá teplota napájecí vody 145 +15-10 o C o C Kotelní voda: Složení a vlastnosti podle ČSN 077401 Přehřátá pára: Složení a vlastnosti podle ČSN 077401 Měrná elektrická vodivost při 25 C 0,3 µs/cm Obsah SiO 2 20 µg/l Obsah Na 10 µg/l Obsah NH 3 1 µg/l 2.1. Parametry paliva pro K3 Ke splnění záruk uvedených v odstavci 4.1 je nutno zajistit splnění následujících technických podmínek: Projekční palivo: Černé uhlí hruboprach Výhřevnost paliva Qir 20,0 28,0 MJ/kg Obsah popela Ad 12,0 44,0 % Obsah vody v surovém palivu Wtr 4,6 11,0 % 2

Prchavá hořlavina Vdaf 23,0 26,0 % Obsah síry v surovém palivu Str 0,3 0,5 % Garanční palivo: Černé uhlí hruboprach Výhřevnost paliva Qir 24,0 26,0 MJ/kg Obsah popela v surovém palivu Ar 12,0 25,0 % Obsah vody v surovém palivu Wr 4,6 11,0 % Obsah síry v surovém palivu Sr max. 0,7 % Obsah prchavé hořlaviny Vdaf 15,0 26,0 % Za průměrné hodnoty lze uvažovat: Výhřevnost paliva Qir 25,2 MJ/kg Obsah popela Ad 21,22 % Obsah popela Ar 19,72 % Obsah vody Wr 7,11 % Obsah síry Sr 0,37 % Stabilizační palivo: Degazační plyn Výhřevnost paliva Qir 17,5 19,0 MJ/Nm3 Teplota t 10 30 C Tlak p 10 kpa Obsah CO2 5,0 7,0 % Obsah O2 1,5 4,0 % Obsah CH4 40,0 55,0 % Obsah N2 42,0 48,0 % Obsah H2O 1,0 1,5 % Obsah N 2 35 42 % 3 GARANTOVANÉ HODNOTY Při dodržení technických podmínek a po provedení úprav v rozsahu Technické specifikace při spalování garančního paliva černého uhlí o vlastnostech uvedených v kap 4.4, budou dosaženy následující hodnoty: Emise NOx ve výkonovém rozsahu kotle 25 50 t/h, při teplotě napájecí vody 145 ± 10 C, při výstupním přetlaku přehřáté páry 3,7 ± 0,2 MPa, při požadované výstupní teplotě přehřáté páry. Emise NOx 480 mg/nm3 3

Emise CO Emise CO ve výkonovém rozsahu kotle 25 50 t/h při teplotě napájecí vody 145 ± 10 C, při výstupním přetlaku přehřáté páry 3,7 ± 0,2 MPa, při požadované výstupní teplotě přehřáté páry, při spalování pevného garančního paliva. Emise CO 100 mg/nm3 Dosažení minimálního parního výkonu kotle 25 t/h Dojde k dosažení minimálního parního výkonu kotle 25 t/h při teplotěnapájecí vody 145 ± 10 C, při výstupním přetlaku přehřáté páry 3,7 ± 0,2 MPa, při výstupní teplotěpřehřáté páry 410 ± 10 C. Nedopal v popílku Nedopal v popílku bude max. 14 %. Minimální hrubá účinnost kotle Dojde k dosažení minimální hrubé účinnosti kotle při jmenovitém parním výkonu kotle 50 t/h. Minimální hrubá účinnost kotle bude 88 %. Měření a stanovení hrubé účinnosti bude provedeno nepřímou metodou dle ČSN 07 0302, z prvkového rozboru paliva, při teplotě napájecí vody 145 ± 10 C, při výstupním přetlaku přehřáté páry 3,7 ± 0,2 MPa, při výstupní teplotě přehřáté páry 440 ± 10 C, při spalování pevného garančního paliva, bez stabilizace. Na měření se vztahuje nejistota dle ČSN 07 0302. 4

3 VÝPOČTOVÁ ČÁST 3.1 Palivo Palivem při garanční zkoušce kotle K3 byl černouhelný hruboprach z dolu ČSM- Sever. Rozbor paliva byl proveden v akreditované laboratoři pro vyhotovitele garanční zkoušky VŠB-TUO KE. Prvkový rozbor paliva je ve stavu hořlaviny, k výpočtu stechiometrie proto musí být převeden na surový stav, viz vzorec (1) pod tabulkou. Tab. 1 Prvkový rozbor paliva Použité metody: SOP č.p 01 (ČSN 44 1377) SOP č.p 06 (ASTM D 7582) SOP č.p 06 (ASTM D 7582) SOP č.p 05 (ČSN ISO 1928) SOP č.p 05 (ČSN ISO 1928) SOP č.p 03 (ČSN ISO 562) Číslo vzorku: Datum odebrání vzorku: W t r (%) Voda veškerá původní A r (%) Popel původní A d (%) Popel bezvodý Q s daf (MJ/kg) Spalné teplo v hořlavině Q i r (MJ/kg) Výhřevnost původní V daf (%) Prchavá hořlavina 14/1643 12.-13.3.2014 4,90 14,22 14,95 35,79 27,97 23,3 Použité metody: Číslo vzorku: Datum odebrání vzorku: SOP č.p 07 (ČSN ISO 19579) S daf (%) Síra v hořlavině SOP č.p 12 (ČSN ISO 29541) C daf (%) Uhlík v hořlavině SOP č.p 12 (ČSN ISO 29541) H daf (%) Vodík v hořlavině SOP č.p 12 (ČSN ISO 29541) N daf (%) Dusík v hořlavině Hodnota je dopočtena *O d daf (%) Kyslík v hořlavině 14/1643 12.-13.3.2014 0,33 89,799 4,833 1,526 3,512 Použité metody: SOP č.p 10 Použité metody: SOP č.p 10 Číslo vzorku 14/U/894 Onačení vzorku popílek K3 zk.č.1-13.3. * Spalitelné látky (%) Číslo vzorku 23,14 14/U/935 Onačení vzorku škvára K3 zk.č.1-13.3. * Spalitelné látky (%) 4,96 1 (1) X r - Prvek v surovém stavu X daf - Prvek v hořlavině W r - Voda v surovém stavu A r - Popelovina v surovém stavu Tab. 2 Složení paliva v surovém stavu S r 0,26 % C r 72,63 % H r 3,9 % N r 1,23 % A r 14,22 % W r 4,9 % O r * 3,51 % *Obsah kyslíku v palivu je dopočítán. 5

3.2 Stechiometrické výpočty Pro výpočet účinnosti nepřímou metodou je nutné určit objem vzduchu pro dokonalé i nedokonalé spálení paliva, dále množství vzniklých spalin a jejich složky. Tyto hodnoty vypočítáme pomocí stechiometrie. Za předpokladu, že spalování je dokonalé, vypočtou se stechiometrické objemy spalovacího vzduchu, vzniklých spalin a vodní páry z rovnic 2,3,4.,,,,,, (2),,,,,,, 0,7905,, 7,121 (3), 11,1111 1,2433 1, 0,697 (4) Vvs,min Vss,min Vs, H2O - minimální množství spalovacího vzduchu - min. množství vzniklých spalin - vodní pára vzniklá spálením 1kg paliva Složky stechiometrických vzduchů je možné vyjádřit vztahy:, 0,0003, 0,0022 (5), 0,7809, 5,79 (6), 0,0093, 0,069 (7),,, 1,35 (8),,, 0,0018 (9) Dále pro nedokonalé spalování platí:,,, 1,355 (10),,, 1,355 (11) Vv, CO2 - CO2 potřebný pro dokonalé spálení 1kg paliva Vv, N2 - N2 potřebný pro dokonalé spálení 1kg paliva Vs, SO2 - SO2 uvolněné při dokonalém spálení 1kg paliva Vs, CO2 - CO2 uvolněné při dokonalém spálení 1kg paliva Vs,CO - CO uvolněné při nedokonalém spálení 1kg paliva Vs, O2(C) - O2 uvolněné při nedokonalém spálení 1kg paliva 6

Ve spalovacích zařízeních se musí palivo spalovat s větším množstvím vzduchu než je vypočtený teoretický objem. Skutečný objem vzduchu je charakterizován součinitelem přebytku vzduchu, definovaný vztahem (12). 1,33 (12) ω O2 ω CO - Naměřená koncentrace O ve spalinách - Naměřená koncentrace CO ve spalinách Ze součinitele lze určit skutečné množství vzduchu pro palivo. Dále suchých a vlhkých spalin.,, 9,91 (13), 1,, 9,715 (14),,, 10,41 (15) Vvs,s - skutečné množství spalovacího vzduchu 7

Vss,s Vss,v - skutečné množství vzniklých spalin, suchých - skutečné množství vzniklých spalin, vlhkých 3.3 Výpočet účinnosti kotle Účinnost parního kotle stanovená nepřímou metodou dle normy ČSN 070302 je definována vztahem (16). Garantovaná účinnost kotle při jmenovitém parním výkonu kotle 50 t/h nesmí být menší ne 88%. Tepelné ztráty 1 (16) ξ CO - poměrná ztráta hořlavinou ve spalinách ξ C - poměrná ztráta hořlavinou v popílku ξ k - poměrná ztráta fyzickým teplem spalin ξ f - poměrná ztráta fyzickým teplem tuhých zbytků ξ sv - poměrná ztráta sdílením tepla do okolí ξ c+ - poměrná ztráta hořlavinou v popelu Pro výpočet účinnosti nepřímou metodou je dále nutné určit následující veličiny provozní výkon kotle vztah (17), tok paliva do kotle (18) a teplo přivedené na kg paliva (19). 37,28 (17) ř 1,59 / (18) 27,97 / (19) mpp - průtok přehřáté páry na výstupu z kotle - 49,49 t/hod ipp - entalpie přehřáté páry - 3316 kj/kg inv - entalpie napájecí vody - 604,4 kj/kg ηpř - předpokládaná účinnost kotle - 88,3 % Qir - výhřevnost surového paliva Ztráta hořlavinou ve spalinách, 0,0000684 (20) Ztráta hořlavinou v popílku 32600 1000 0,0399 (21) Cpop1 - nedopal v popílku - 23,4 % 8

Xpop1 - stupeň zachycení popílku - 80 % Ztráta hořlavinou v popelu 32600 1000 0,0013 (22) Cpop2 - nedopal v popelu - 4,96 % Xpop2 - stupeň zachycení popelu - 15 % Ztráta fyzickým teplem spalin, 0,0711 (23) Cspal - střední měrná tepelná kapacita spalin - 1,4705 tsp - teplota spalin - 150 C t 0 - srovnávací teplota - 20 C Ztráta fyzickým teplem tuhých zbytků š š 0,00062 (24) Cšk - nedopal ve škváře - 4,96 % c si - střední měrná tepelná kapacita tuhých zbytků - 0,7873 kj.m -3.K -1 Xšk - stupeň zachycení škváry - 80 % Ztráta sdílením tepla do okolí,, 0,00853 (25) Qpar - parní výkon kotle - 50 t/h Účinnnost kotle 1 ξ ξ 1 6,8 10 0,0399 0,0711 0,00062 0,00853 0,0013 0,87847 (26) Účinnost kotle po odečtení všech ztrát je 87,847%. 9

Tab. 3 Přehled ztrát Ztráta Značka Vypočtená ztráta hořlavinou ve spalinách ξ CO 0,00684 ztráta hořlavinou v popílku ξ C 3,99 ztráta fyzickým teplem spalin ξ k 7,11 ztráta fyzickým teplem tuhých zbytků ξ f 0,062 ztráta sdílením tepla do okolí ξ sv 0,853 ztráta hořlavinou v popelu ξ + 0,13 ÚČINNOST η 87,847 4 ZÁVĚR Kotel byl provozován na 37,27 MWt, což je jmenovitý výkon. Při tomto provozním stavu byl stanoven součinitel přebytku vzduchu α = 1,33. Vypočtená hodnota účinnosti je 87,847%. Tato hodnota je však nižší než garantovaných 88%. Celkové tepelné ztráty kotle činily 12,15%, z nichž největší byly ztráta fyzickým teplem spalin (7,11) a ztráta hořlavinou v popílku (3,99). Zde je možno hledat důvody, které způsobily nesplnění garance účinnosti. Především překročení garantované hodnoty nedopalu v popílku, která hodnota činila 23,4 %. Dále možné nepřesnosti při měření v teplárně a určování měrné tepelné kapacity spalin a stupně zachycení popílku a popele. Veškeré údaje nutné pro stanovení účinnosti byly odečteny z měřících přístrojů po dobu zkoušky. Poděkování Děkuji Ing. Petru Sklenářovi za odbornou pomoc při zpracování této práce, ale také za vedení po celý průběh mé praxe ve firmě Dalkia Industry, a.s. Dále děkuji Moravskoslezskému energetickému klastru za zprostředkování stáže. Příspěvek byl realizován za finančního přispění Evropské unie v rámci projektu Partnerství v oblasti energetiky, č. projektu: CZ.1.07/2.4.00/31.0080. Literatura [1] ČSN 07 0302. Přejímací zkoušky parních kotlů. Praha: Český normalizační institut, 1996 CONTRIBUTION TITLE IN ENGLISH Keywords granulation boiler, efficiency, heat losses, ČSN 070302 Summary The boiler was operated at 37.27 MWt which is the nominal power. The calculated value of efficiency is 87.847 %. The total heat loss of boiler is amounted to 12.15 %, the largest of which was the loss due the heat of flue gas (7.11 %) and loss of combustible matter in fly ash (3.99 ). You can look for the reasons that caused the failure low efficiency. 10

First of all, exceeding the guaranteed value of unburned carbon in fly ash, which value was 23.4 %. A comparison of the efficiency results shows that measuring instruments in the heating plant are properly calibrated, because specified value is within the measurement uncertainty VSB. All data necessary for the calculation of the deduction of measuring instruments for testing. Measurements on operating devices introduced to determine the effectiveness of the measurement uncertainty, the systematic uncertainty. But they are not able to determine, because I do not know its value. For this reason I can not determine the overall uncertainty of the calculation. 11