SAGOREVANJE NISKOKVALITETNIH SAGOREVANJE NISKOKVALITETNIH FRAKCIJA UGLJA LUBNICA U FRAKCIJA UGLJA LUBNICA U

FLUIDIZOVANOM SLOJUFLUIDIZOVANOM SLOJU

FLUIDIZED BED COMBUSTION OF LOW GRADE FLUIDIZED BED COMBUSTION OF LOW GRADE FRACTIONS OF LUBNICA COAL

mr Milica Mladenović dr Stevan Nemoda dr Dragoljub Dakić mr Aleksandarmr Milica Mladenović, dr Stevan Nemoda, dr Dragoljub Dakić, mr Aleksandar Erić, mr Dejan Đurović , dr Branislav Repić, mr Rastko V. Mladenović1

Institut VINČA Laboratorija za termotehniku i energetiku p p 522 11001Institut VINČA, Laboratorija za termotehniku i energetiku, p.p. 522, 11001 Beograd, R.Srbija,

1S.E.E.C., Makenzijeva 53, 11000 Beograd, Srbija

E-mail: mica@vinca.rs

ProblemProblem →ograničeni izvori primarne enrgije.

ZadatakZadatak →Substitucija uvezenog goriva i gasa niskokvalitetnim ineiskorišćenim gorivima poput ugljeva iz vanbilansnih rezervi(ugljevi sitne granulacije sa visokim sadržajem balasta i sumpora(ugljevi sitne granulacije, sa visokim sadržajem balasta i sumpora,niske toplotne moći).

RešenjeRešenje →RešenjeRešenje →Tehnologija sagorevanja u fluidizovanom sloju, uz smanjenuemisiju gasovitih zagađivačaLaboratorija za termotehniku i energetiku Instituta “Vinča” višeod trideset godina se bavi proučavanjem fenomena sagorevanjau fluidizovanom sloju i razvojem ložišta i kotlova sa ovimu fluidizovanom sloju i razvojem ložišta i kotlova sa ovimnačinom sagorevanja i u okviru tih istraživanja razvijena jemetoda ispitivanja podobnosti sagorevanja određenog goriva ufluidizovanom sloju (FS)fluidizovanom sloju (FS).

IIspitivanje podobnosti za sagorevanjespitivanje podobnosti za sagorevanje ::IIspitivanje podobnosti za sagorevanje spitivanje podobnosti za sagorevanje : : lubničkog uglja sitne granulacije u FS nalubničkog uglja sitne granulacije u FS na

poluindustrijskoj aparaturipoluindustrijskoj aparaturipoluindustrijskoj aparaturipoluindustrijskoj aparaturi

AKTIVNOSTIAKTIVNOSTI ⇒⇒•Karakterizacija goriva•Uzorkovanje i merenje sastava produkata sagorevanja: CO2, CO, O2, NOX, SO2. •Ispitivanje parametara sagorevanja•Količina pepela prikupljena u ciklonima i separatorima

Šema eksperimentalnog ložišta sa doziranjem u fluidizovani slojLegenda:

1. Duvaljka za primarni vazduh 2. (2.1 - 2.3) Merne blende 3. Električni grejač

12. (12.a) Boca sa propan-butanom 13. Pilot plamenik 14. Trodelni razmenjivač toplote

4. Vazdušna komora sa distributorom vazduha

5. Ložište sa fluidizovanim slojem (I promaja)

6. Mehanički taložnik čestica (II promaja) 7. Doziranje goriva

15. Slavina za ispuštanje materijala iz ložišta16. Posuda za prikupljanje materijala iz

ložišta 17. Duvaljka za vazduh za pneumatski

transport goriva u sloj 18. Deonica za vizuelizaciju protoka uglja7. Doziranje goriva

8. Hladnjak dimnih gasova 9. (9.1 – 9.2) Ciklonski otprašivači 10. (10.1 – 10.4) Sudovi za odlaganje čestica 11. Ventilator dimnih gasova

18. Deonica za vizuelizaciju protoka uglja19. Uvodnik uglja u sloj (19.1 – Uvodnik u

slučaju doziranja na sloj) 20. Skruber (radi samo kad se spaljuju

otrovne materije)

Eksperimentalna instalacijaEksperimentalna instalacija

Dimenzije ložišta 300x300mmRad sa hlađenjem ili bez hlađenjaRad sa hlađenjem ili bez hlađenja slojaMoguća organizacija doziranja na i

l ju sloj

Donji deo ložišta sa fluidizovanim Donji deo ložišta sa fluidizovanim slojemslojem sa sistemom za pneumatski transport uglja u sloj i otvorom za potpalu i nadgledanje i separatorom čestica pepela u II promaji (cilindrična posuda na slici).p j ( p )

Ek i t lEk i t lEksperimentalno Eksperimentalno postrojenjepostrojenje--sistem zasistem zasistem za sistem za doziranje (gornja doziranje (gornja platforma)platforma)

FrekFrekvventni regulatori za dozir entni regulatori za dozir i til t di ihi til t di ihpumpu i ventilator dimnih pumpu i ventilator dimnih

gasovagasova

Sistem za analizu gasa i akviziciju temperature4

22 31Furnace

~800°C

220 V

56

50 Hz

CO------------------------------%CO2--------------------------15%SO2----------------------------0%O2------------------------------2%

8 7Thermocouplese ocoup es

Legenda:

11 sondasonda zaza uzimanjeuzimanje uzorakauzoraka 66 analizatoranalizator gasagasa IMRIMR 30003000 PP1.1.sondasonda zaza uzimanjeuzimanje uzoraka,uzoraka,2.2.grubigrubi filter,filter,3.3.grejanogrejano crecrevovo--sprečavasprečava kondenzacijukondenzacijuvodenevodene pare,pare,

66..analizatoranalizator gasagasa IMRIMR 30003000 P,P,77..termoparovitermoparovi ii sistemsistem zaza akvizicijuakvizicijuFLUKE,FLUKE,88..računarračunar sasa odgovarajućimodgovarajućim softveromsoftverompp

4.4.kondicioner,kondicioner,5.5.priključakpriključak zaza odvododvod kondezatakondezata iziz sistema,sistema,

g jg jzaza prikupljanjeprikupljanje ii obraduobradu podatakapodataka..

Karakterizacija gorivaKarakterizacija goriva

Proračun adijabatske temperature Proračun adijabatske temperature sagorevanjasagorevanja pri pri različitim vrednostima viška vazduharazličitim vrednostima viška vazduharazličitim vrednostima viška vazduharazličitim vrednostima viška vazduha

ŽŽMERENJA U STACIONARNIM REŽIMIMA RADA MERENJA U STACIONARNIM REŽIMIMA RADA EKSPERIMENTALNE APARATUREEKSPERIMENTALNE APARATURE→→EKSPERIMENTALNE APARATUREEKSPERIMENTALNE APARATURE→→

11 REŽIMREŽIM II::1.1. REŽIMREŽIM II: : temperatura u sloju 850temperatura u sloju 850--860860°°CC

ŽŽ2.2. REŽIMREŽIM II II :temperatura u sloju 820temperatura u sloju 820--830830°°CCp jp j

U fluidizovani sloj je pneumatski doziran samleveni ugalj Lubnica granulacije 0 < d ≤ 2 mm. Ukupna aktivna visina FS je bila ≈400 mm (u nasutom stanju), dok se mesto uvođenja uglja nalazilo na rastojanju od ≈150mm od dna FS, odnosno nivoa j g j j j ,na kome se uvodio vazduh za fluidizaciju i sagorevanje.

Rezultati ispitivanja režima IRezultati ispitivanja režima I16 16

y

12

13

14

15

12

13

14

15

ions

, %

CO2

O2 sr.=13.8%

8

9

10

11

12

8

9

10

11

12

Con

cent

rat CO2

O2

60 80 100 120 140 160 1806

7

8

6

7

8

Time, min

CO2 sr.=7.9%

Koncentracije CO2 i O2 (izmerene iKoncentracije CO2 i O2 (izmerene i srednje vrednosti)

2500 2500SO2 ref.,sr=2462.85 mg/m3

Temperature u ložištu (izmerene vrednosti), položaj termoparova -levo

1500

2000

1500

2000

NO 26 / 3ntra

tions

, mg/

m3 COref

SO2ref NOxref

t2sr=855.7°C, t3sr=856.4°C

0

500

0

500

CO ref.,sr=23,17 mg/m3

NOx ref.,sr=726 mg/m3

Con

cen

Regulacija temperature u sloju, u oba radna režima je ostvarivana zaustavljanjem doziranja uglja u kratkim intervalima (~1min) čime se objašnjava "testerasti" profili temperatura.

60 80 100 120 140 160 180

Time, min

Koncentracije CO, SO2 i NO pri referentnom sadržaju O2 (O2ref=7%)

Rezultati ispitivanja režima IIRezultati ispitivanja režima II17 17

y

12

13

14

15

16

12

13

14

15

16

ons,

%

CO2

O2 sr.=13.9%

6

7

8

9

10

11

6

7

8

9

10

11

CO2 sr =7 1%

Con

cent

rati CO2

O2

Koncentracije CO2 i O2 (izmerene i

0 20 40 60 80 100 120 140 1604

5

6

4

5

6CO2 sr. 7.1%

Time, min

Koncentracije CO2 i O2 (izmerene i srednje vrednosti)

2500

3000

2500

3000

SO2,ref.,sr=2200 mg/m3

SO2,ref.,sr=2715 mg/m3

Temperature u ložištu (izmerene vrednosti), položaj termoparova -levo1000

1500

2000

1000

1500

2000

SO2,ref.,sr=1913 mg/m3

NOxref sr=763.88 mg/m3cent

ratio

ns, m

g/m

3

COref NOxref SO2ref

t2sr=821.4°C, t3sr=822.3°C

0 20 40 60 80 100 120 140 160

0

500

0

500

COref.,sr=11.57 mg/m3

xref.,sr g

Con

c

Koncentracije CO, SO2 i NO pri referentnom sadržaju O2 (O2ref=7%)

0 20 40 60 80 100 120 140 160

Time, min

Promena srednje temperature po visini ložišta, Promena srednje temperature po visini ložišta, j p p ,j p p ,za oba radna režimaza oba radna režima

2500 Regime IRegime II

2000

m

Regime II

1000

1500

ce h

eigh

t, m

m

500

Furn

ac

0

600 650 700 750 800 850 900

Temperature, oC

Materijalni bilans rada aparature u oba Materijalni bilans rada aparature u oba ate ijalni bilans ada apa atu e u obaate ijalni bilans ada apa atu e u obaradna režimaradna režima

Rež

im Protok

goriva m utrošenog

uglja Prikupljen pepeo Protok

primarnog vazduha

Protok sekundarn

-og

t sred aktivnog dela sloja

kgR

kg/h kg kg

kg/h kg/h °C Separator 1

Separator 2

Ciklon 1

Ciklon 2

I 7 77 31 52.32 1.05 0.71 0.29

71 53 18 23 856 0∑: 4 37 (86% pepela)I 7.77 31.5 71.53 18.23 856.0 ∑: 4.37 (86% pepela)Izašlo kroz dimnjak: 0.65 (14% pepela)

II 8.00 29.74 1.9 1.95 0.5 0.45

67.44 18.23 821.8 ∑: 4.8 (83% pepela) Izašlo kroz dimnjak: 0 74 (17% pepela)Izašlo kroz dimnjak: 0.74 (17% pepela)

Treba naglasiti da je, u oba radna režima, masa materijala iz ložišta pre i posle eksperimenta bila praktično j št k j t d ij d l il d d ž j l t ij l l j Nnepromenjena, što ukazuje na to da nije dolazilo do zadržavanja pepela u materijalu sloja. Na osnovu

izmerenih masa pepela prikupljenog u separatorima i otprašivačima, kao i na osnovu tehničke analize goriva izračunat je i udeo čestica letećeg pepela koji je kroz dimnjak ispušten u atmosferu. Ispitivanja uzoraka letećeg pepela iz oba režima, prikupljenih u separatorima i ciklonskim otprašivačima, pokazala su da je u g p p , p p j p p , p juzorcima bilo vrlo malo sagorljivog (< 3%), tj. da je najveći deo čestica skoro potpuno sagoreo u samom ložištu.

Rezultati ispitivanja letećeg pepela

Separator 1 Separator 2 Ciklon 1 Ciklon 2

Pepeo%

98.69 97.22 98.08 96.92

Sagorljivo 1 31 2 78 1 92 3 08Režim ISagorljivo 1.31 2.78 1.92 3.08

Srednji maseni prečnik čestice µm 157.99 91.66 44.52 42.78prečnik čestice µ

Pepeo%

98.77 96.98 97.87 96.96

Režim II%

Sagorljivo 1.23 3.02 2.13 3.04

Srednji maseni 1 9 1 93 88 38 91 38 9

jprečnik čestice µm 159.17 93.88 38.91 38.59

IIZRADA INDUSTRIJSKOG ZRADA INDUSTRIJSKOG DEMONSTRACIONOG KOTLADEMONSTRACIONOG KOTLADEMONSTRACIONOG KOTLADEMONSTRACIONOG KOTLA

Montaža pečurki za fluidizaciju na distributor vazduha za fluidizaciju

Radi dobijanja pouzdanijih projektnih parametara realnihRadi dobijanja pouzdanijih projektnih parametara realnih postrojenja u toku je izgradnja industrijskog demo-kotla sa FS na kome će se ubuduće ispitivati parametri

j ličitih i FS k tsagorevanja različitih goriva u FS, sa akcentom na niskovredna goriva i otpadne materije koje je teško ili ih je nemoguće sagoreti u konvencionalnim kotlovima. Maksimalna snaga kotla treba da bude 300 kW, da bude vodogrejni i da radi u režimu 90/65 0С.

ZaključakZaključakOstvareno potpuno i stabilno sagorevanje stacionarnim režimima u FS. U gasovitim produktima sagorevanja koncentracija CO bila je znatno niža od zakonom propisaneproduktima sagorevanja koncentracija CO bila je znatno niža od zakonom propisanemaksimalno dozvolje koncentracije (CO «250mg/m3).To ujedno znači i da su gubici usled nedogorelog u gasovitim produktima sagorevanja zanemarljivi. Količina nesagorelog u letećem pepelu je takođe zanemarljiva Zona intenzivnog sagorevanja je locirana unutar FS uz intenzivan prenos toplote i mase.Komentar kvaliteta sagorevanja sa stanovišta zadovoljenja propisa o zaštiti životne sredine je nešto nepovoljniji Koncentracija SO2 prevazilazi dozvoljeneživotne sredine je nešto nepovoljniji. Koncentracija SO2 prevazilazi dozvoljene maksimalne granice. Dodavanjem krečnjaka se mogu, relativno lako, spustiti koncentracija i emisija SO2. Koncentracija NOx u gasovitim produktima je bila viša od očekivane usled velikog viška vazduha prilikom izvođenja eksperimenata zbog načina

l ij d i j i l i l i l k l i k l i iregulacije doziranja goriva. U realnim uslovima, na realnom kotlu sa cirkulacionim FS, očekuje se manja koncentracija NOx jedinjenja. No, i pored toga mogu se predvideti načini dodatnog smanjenja koncentracije azotnih jedinjenja u gasovitim produktima dodavanjem amonijaka ili nekim drugim načinom.dodavanjem amonijaka ili nekim drugim načinom.Generalno gledajući može se konstatovati da je ispitani ugalj pogodan za sagorevanje u fluidizovanom sloju, a samim tim i u postrojenjima sa cirkulacionim FS. Potrebno je samo iskoristiti prednosti sagorevanja u FS i jednostavnim tehničkim rešenjima dovesti koncentracije štetnih gasovitih produkata u zakonom dozvoljene graniceprodukata u zakonom dozvoljene granice.Imajući u vidu veličinu vanbilansnih rezervi lignita u Srbiji, i veliki procenat nekomercijalnih ugljeva iz rudnika sa podzemnom eksploatacijom (oko 60% sitnih frakcija) moguće je graditi savremene, efikasne i ekološki prihvatljive kotlove sa

j fl idi l j i d j ij (t l t isagorevanjem u fluidizovanom sloju za proizvodnju energije (toplotne i električne) u industriji i u sistemima daljinskog grejanja sagorevajući ugljeve koji se u kotlovima drugih tipova ne mogu sagorevati, ili se ne može ostvariti potrebna efikasnost sagorevanja i zadovoljiti obavezne ekološke norme .