System ASSUT, a automatyczny dobór właściwej turbulencji

Wspólnie z indyjską firmą informatyczną mającą swoje biuro w Singapurze opracowaliśmy software pt. „ Automatyczny System Spalania przy Użyciu Turbulencji”. Algorytmy zastosowane w tym programie bazują na wynikach realnych testów przeprowadzonych na ponad 80 kotłach parowych.

Po latach rozwiązywania problemów związanych ze spalaniem w kotłach fluidyzacyjnych typu FBC, AFBC i CFBC, mamy opracowany algorytm do obliczania wymaganej i właściwej turbulencji dla danej konstrukcji kotła i stosowanego paliwa.

Turbulencja w kotle jest kluczem Vertice w trójkącie Turbulencja – Czas – Temperatura . Ta turbulencja, która kontroluje szybkość reakcji C i O2, odpowiada bezpośrednio za efektywność reakcji C i O2. Jeśli turbulencji jest za wysoka, prowadzi to do niecałkowitego spalenia paliwa, nieprawidłowej wydajności reakcji, wzrostu zużycia paliwa, zwiększa zajście Reakcji Boudouarda. Jeśli turbulencja jest za niska, to prowadzi do generowania niepełnego spalenia węgla w stosie, nieprawidłowej wydajności reakcji, większego zużycie paliwa, zwiększa zajście Reakcji Boudouarda. Szczegółowa analiza pracy kotłów w różnych warunkach turbulencji pokazuje, że kocioł może pracować w 27 kombinacjach turbulencji. Spośród wyżej wymienionych kombinacji aż 26 z nich prowadzi do nieprawidłowego działania. Przyczyną tego jest zwiększenie lub zmniejszenie gęstości paliwa, wysokości złoża, gęstości stosu, nieprawidłowo dobrane wentylatory, błędnych ustawień pracy pieca w stosunku do projektu.

Tylko 1 połączenie odpowiada prawidłowej eksploatacji kotła. 

Oznacza to, że kocioł może pracować nieprawidłowo na 26 sposobów i nigdy nie może być zrealizowana jego poprawna praca. Jeśli wykonywana jest ostatnia opcja, która jest poprawna, błędy można wyeliminować bezpośrednio z urządzenia, które mogą stanowić wskazówkę w ustalaniu właściwej turbulencji w systemie. Praca systemu, który jest uruchamiany na podstawie dopasowania do sprawności, która jest określona metodą pośrednią jest błędna. Często użytkownicy wpadają w pułapkę tych 26 błędnych sposobów ustawień turbulencji, ponieważ metoda pośrednia nie jest w stanie wykrywać prawdopodobieństw operacyjnych.

System ASSUT

System ASSUT może być samodzielny lub może być dodany do istniejącego Systemu Operacyjnego. Na polecenie operatora może przejąć pracę i ustawić system doskonale. Jako dodany do systemu ściągnie sobie wszystkie dane projektowe kotła oraz przechwyci dane operacyjne z DCS. Następnie doradza podmiotom użytkującym kocioł w celu skorygowania działań operacyjnych.

Określanie sprawności kotła metodą pośrednią jest mniej wiarygodnym niż określenie sprawności kotła metodą bezpośrednią. Na dowód tego przytoczę poniższe przykłady:

Przykład 1

Kocioł fluidyzacyjny AFBC ( kocioł fluidalny z atmosferycznym złożem stacjonarnym A-Atmosferic F-Fluidized B-Bed C-Combustion )  o wydajności 20 ton pary na godzinę, pracujący na importowanym węglu kamiennym dla którego określono rzeczywistą wartość opałową roboczą GVV, która wynosiła 3.100 kcal / kg, co jest równoznaczne 12.979 kJ / kg. Przestudiowano przypadek obciążenia tego kotła w 90 % tzn. wydajność 18 TPH. Studiami i badaniami tego kotła zajęła się  renomowana firma i potwierdziła sprawność wyznaczoną metodą pośrednią, która wynosiła 81,4 %.Określenie jego sprawności metodą bezpośrednią wykazało, iż kocioł pracuje rzeczywiści na sprawności 70 %.

Przykład 2

Sprawność kotła CFBC ( kocioł fluidalny ze złożem cyrkulującym C-Cirkulating F-Fluidized B-Bed C-Combustion )  pracującego przy wydajności 175 ton pary na godzinę określona metodą pośrednią wykazała, iż kocioł pracował na sprawności  87 %. Sprawność robocza określona metodą bezpośrednią wynosiła tylko 73 %.

Przykład 3

Kocioł AFBC o wydajności 100 ton pary na godziną pracował na sprawności 84 %, określonej wg. metody pośredniej . Sprawność określona metodą bezpośrednią wynosiła 76 %.

Przykład 4

Kocioł z rusztem mechanicznym pracował ze sprawnością 81 % określoną metodą pośrednią . Sprawność określona metodą bezpośrednią wynosiła 56 %.

Przykład 5

Kocioł z palnikami pyłowymi pracował na sprawności 91 %, określoną za pomocą metody pośredniej . Sprawność określona metodą bezpośrednią wynosiła 65 %.

Przykład 6

Kocioł fluidyzacyjny AFBC o wydajności nominalnej 25 ton pary na godzinę został uruchomiony przy 50 % obciążenia i pracował tylko na 2 przegrodach z 4 możliwych. Pośrednia metoda wykazała sprawność roboczą na poziomie 81,7%. Metoda bezpośrednia wykazała sprawność tylko 52%.

Istnieją dziesiątki przykładów na potwierdzenie odstępstw w sprawności kotła określanej metodą pośrednią i metodą bezpośrednią. Na podstawie dziesiątek przebadanych kotłów zauważamy, że tylko w przypadku od 1,5% do 2 % przebadanych kotłów podczas ich pracy odchyłki wielkości sprawności określane metodą pośrednią i bezpośrednią były mniejsze od 2 % do 3 %.

W pozostałych przypadkach odchylenie wynosiło średnio od 8 % do 10% przy czym zanotowaliśmy maksymalne odchylenie na poziomie około 20% .

Nasuwa się natychmiast pytanie: Dlaczego obie metody pokazują różne wartości ?

Na podstawie analizy pracy dziesiątek kotłów stwierdzamy, że główną przyczyną niskiej sprawności kotłów jest:

• praca na nieprawidłowym ciśnieniu powietrza niezbędnego do spalania,
• praca na niższych obciążeniach niż projektowane,
• niższe obciążenia stref cieplnych ,
• różnica zawartości procentowej popiołu w paliwach węglowych od założonych przez projektanta,
• różnica wartości opałowej roboczej GCV paliw węglowych od założonych przez projektanta,
• nieszczelnościach w kanałach powietrznych ,
• nieprawidłowego wyboru mieszanki paliwowej przez użytkownika w stosunku do projektowanej mieszanki w następstwie czego prowadzi to do zwiększenia stopnia zajścia Reakcji Boudouarda.

Skutki zajścia Reakcji Boudouarda:

• Dla doskonałych warunków utleniających, 11 – 14%  węgla jest konsumowane poprzez endotermiczną Reakcję Boudouarda.
• W przypadku niewłaściwych warunków utleniania w systemie  wynikających  z niezrównoważonej turbulencji, konsumpcja węgla w wyniku zajścia Reakcji Boudouarda może zwiększyć się nawet do 22%, co prowadzi do wzrostu zużycia paliwa
• Sprawność cieplna kotła podlega odchyłkom w zależności od metody jej określania: wyniki metody bezpośredniej i pośredniej nie pokrywają się

Referencje:

• http://en.wikipedia.org/wiki/Boudouard_reaction
• http://www.ifk.uni-stuttgart.de/allgemeines/Veroeffentlichungen/Diss2009/DissAl-Makhadmeh.en.html

Skutki złych warunków reakcji:

• Zwiększona ilość niespalonego węgla
• Większe zużycie paliwa
• Obniżenie sprawności kotła (pomiar metodą bezpośrednią)
• Niezrównoważona obsługa operacyjna.

Co z kolei prowadzi przy za wysokiej turbulencji do:

• Zwiększenia prędkości gazów
• Zmniejszenia czasu przebywania C i O2
• Indukuje więcej węgla C dla zrównoważenia spalania, co prowadzi do zwiększonego występowania Reakcji Boudouarda

jak również przy za niskiej turbulencji do:

• Zmniejszenia prędkości gazów
• Zwiększenia czasu przebywania C i O2
• Więcej węgla C reaguje z CO2 co związane jest ze wzrostem występowania reakcji Boudouarda.

Niestety do dnia dzisiejszego pokutuje postrzeganie występowania tylko jednej reakcji w procesach spalania, a mianowicie wysokoegzotermicznej:

C + O₂ = CO₂

Nikt nie bierze natomiast pod uwagę zajścia endotermicznej Reakcji Boudouarda:

CO₂ + C = 2 CO i

niskoegzotermicznej reakcji utleniania tlenku węgla

2 CO + O₂ = 2 CO₂

Tylko przy doborze właściwej i optymalnej turbulencji w połączeniu z Technologią AnLen® prawdopodobieństwo zajścia tych dwóch ostatnich reakcji jest bliskie zeru. Widać to bardzo dokładnie na niskotemperaturowych kotłach c.o. przysłowiowego „Polskiego Kowalskiego”. Przy dobraniu właściwej i optymalnej turbulencji do warunków spalania następuje generowanie maksymalnego ciepła przy minimalnym spożyciu paliwa węglowego lub drewna, minimalne straty jego przenoszenia i maksymalizacja jego absorbcji. To powoduje stabilną obsługę operatywną kotła bez żadnej różnicy o jakich kotłach mówimy. Czy to są kotły rusztowe czy też retortowe. Czy najprostsze zasypowe, czy też z automatycznym podawaniem paliwa – podajnikami ślimakowymi bądź szufladowymi ( tłokowymi ). Czy też zwykłe wkłady kominkowe, czy też z płaszczem wodnym. Właściwa turbulencja to klucz do wszystkiego.

Jerzy Sznerski