-
Prevádzkové problémy a poruchy kotlov spaľujúcich tuhé biopalivá
Ing. Ján K u d l o v s k ý, odborný poradca, Košice
Úvod
Znižovanie zásob fosílnych palív, najmä ropy a naliehavé potreby
ochrany prírodného
a životného prostredia, predovšetkým zníženia produkcie oxidu
uhličitého (CO2) a iných
škodlivých látok znečisťujúcich ovzdušie, vyvolali zvýšený
záujem o využívanie energie
obnoviteľných zdrojov vrátane biomasy.
Autor sa v príspevku zaoberá využívaním zdrojov energie tuhých
biopalív v osvedčených
klasických tepelných okruhoch, určených spravidla na výrobu
elektrickej energie a na
dodávku tepla. Analyzuje aj niektoré základné problémy v
prevádzke kotlov na spaľovanie
biomasy a niektoré špecifické procesy poškodzovania tlakových aj
netlakových zariadení
a ich komponentov. Pritom uplatňuje princíp uceleného prístupu k
revíziám a kontrolám
technického stavu kotlov, ktorý zahŕňa nielen posudzovanie stavu
tlakových častí, ale aj stavu
spaľovacích zariadení, stavu zanesenia, izolácie a výmurovky,
nosnej konštrukcie a podobne.
1. Tuhé biopalivá a ich základné vlastnosti
Biomasu tvoria biologicky rozložiteľné časti výrobkov, odpadu a
zvyškov biologického
pôvodu z poľnohospodárstva (vrátane rastlinných a živočíšnych
látok), lesného hospodárstva
a príbuzných odvetví vrátane rybného hospodárstva a akvakultúry,
ako aj biologicky
rozložiteľné časti priemyselného a komunálneho odpadu.
Tuhé biopalivo je tuhé palivo vyrobené priamo alebo nepriamo z
biomasy, určené na
energetické využitie. V oblasti využívania tuhých biopalív sú
dôležité informácie
a požiadavky obsiahnuté v STN EN ISO 17225-1 [1], ktorá od
januára 2015 nahradila
predtým platnú STN EN 14961–1 z júla 2010. Podľa normy [1] sa
tuhé biopaliva špecifikujú
podľa dvoch základných hľadísk, a to: a) podľa ich pôvodu a
zdroja, b) podľa hlavnej
obchodnej formy a vlastností.
Podľa pôvodu a zdroja sa rozlišujú tieto skupiny tuhých palív –
biomasy:
a) drevná biomasa, napríklad lesné a plantážové drevo, vedľajšie
produkty a zvyšky
drevospracujúceho priemyslu, použité drevo a rozličné zmesi,
b) bylinná biomasa – rastlinného pôvodu, ako sú traviny, slama,
olejniny a ich zvyšky,
c) ovocná biomasa – bobuľové a iné plody, zvyšky ovocia a
vedľajšie produkty spracovania,
c) vodná biomasa – riasy, vodné trávy, trstina a podobne,
d) homogénne zmesi a iné zmesi materiálov, vedľajších produktov
alebo odpadov.
Tak vo fáze konštruovania, ako aj pri praktickej prevádzke
kotlov je potrebné poznať
základné vlastnosti a charakteristiky tuhých biopalív a mať o
nich tieto základné informácie:
- pôvod, obchodná forma, rozmery a iné vlastnosti,
- pôvodný obsah vody - Mar [% - váhový] a pôvodný obsah popola -
Ad [% - váhový],
- použité prísady, napríklad aditíva,
- sypná hmotnosť kg/m3,
- výhrevnosť Q, qp [MJ/kg]a spalné teplo qv [MJ/kg],
- VM – obsah prchavej horľaviny (volatile matter) [%],
- obsah prvkov tvoriacich horľavinu, a to uhlíka, vodíka,
kyslíka, dusíka, síry, chlóru [%],
-
- obsah majoritných prvkov charakterizujúcich popoloviny –
hliníka, vápnika, horčíka, železa,
draslíka, mangánu, sodíka, fosforu, kremíka, titanu [mg/kg]. Pri
posudzovaní vlastností
popola sa zvyčajne posudzujú obsahy oxidov uvedených prvkov v
tuhých zvyškoch
spaľovania a udávajú sa v %. Tieto prvky a ich zlúčeniny
spravidla predstavujú zvýšený
potenciál tvorby popolovín s nízkymi teplotami taviteľnosti, ako
aj s vyšším koróznym
a eróznym potenciálom.
Podľa obsahu významných zlúčenín a vlastností popolovín existujú
tri skupiny tuhých
biopalív:
a) biopalivá s popolovinami obsahujúcimi vysoké podiely zlúčenín
vápnika a draslíka
a s menším obsahom zlúčenín kremíka, medzi ktoré patrí najmä
drevná hmota,
b) biopalivá obsahujúce v popolovinách väčšie podiely zlúčenín
kremíka a menšie obsahy
vápnika a draslíka a s častým výskytom zlúčenín chlóru, medzi
ktoré patria najmä biopalivá
rastlinného pôvodu,
c) biopalivá s vysokým obsahom zlúčenín vápnika, draslíka,
fosforu, medzi ktoré patria najmä
palivá založené na repkových a slnečnicových semenách,
- obsah stopových prvkov v popolovinách – arzénu, kadmia,
chrómu, medi, ortuti, niklu,
olova, vanádu, zinku [%], ktoré sú dôležité najmä z hľadiska
posudzovania niektorých
vplyvov na znečisťovanie ovzdušia a na životné prostredie,
napríklad pri využívaní popolčeka
a pri posudzovaní správania sa tuhých zvyškov spaľovania
biopalív,
- teploty taviteľnosti popolovín – označené DT, ST, HT, FT.
Uvedené značky znamenajú
teploty deformácie, mäknutia, tavenia a tečenia pri skúškach
normalizovaných vzoriek
popola, [3]
- frakcionárne zloženie paliva - dôležité pre navrhovanie
spaľovacieho zariadenia kotla [2],
- durabilita – vyjadruje trvanlivosť napríklad biopaliva vo
forme lisovaných peliet, skúšaná
podľa STN EN 15210-1. Čím nižšia je durabilita (vyjadrená v %),
tým vyššia je náchylnosť
peliet na mechanický rozpad, čo zvyšuje problémy pri
manipulácii, skladovaní, doprave
a spaľovaní biopaliva. Nízku durabilitu majú spravidla palivá
vyrobené z biopalív rastlinného
či bylinného pôvodu, napríklad zvyšky olejnín a podobne.
Cenné informácie o vlastnostiach biopalív možno získať aj z
podkladov [4, 15].
Niektoré porovnávacie hodnoty a kritériá používané pri
posudzovaní biopalív z hľadiska ich
náchylnosti na tvorbu nánosov typu slagging a fouling a z
hľadiska ich potenciálu vzniku
aktívnej oxidácie sú uvedené v [7, 13, 24,]. Významné informácie
týkajúce sa navrhovania
kotlov a spaľovacích zariadení na biopalivá sa nachádzajú v
podkladoch [8, 16, 23, 20, 28].
2. Kotly a spaľovacie zariadenie na konverziu tepla biopalív
Využitie potenciálu tepla biomasy je možné tromi základnými
spôsobmi [4] :
- tepelno-chemickou konverziou, kde patrí napríklad priame
spaľovanie, splyňovanie alebo
pyrolýza, karbonizácia, hydrotermické splyňovanie a
hydrotermické skvapalňovanie. Priame
spaľovanie biomasy sa uskutočňuje buď v samostatných
špecifických kúreniskách, alebo
spoločne s inými druhmi fosílnych palív pri tzv. co–firingu s
uhlím,
- biologicko-chemickými procesmi, ako je napríklad alkoholické
kvasenie, metánové
kvasenie, kompostovanie na produkciu alkoholov, bioplynov a
podobne,
- chemickými premenami biomasy, ako je napríklad esterifikácia
surových rastlinných
olejov.
-
Prehľad základných spôsobov a znakov priameho spaľovania
biomasy
2.1 Roštové ohniská:
a) s pevnými roštami vodorovnými alebo sklonenými,
b) pohyblivé rošty – rošty s pohybujúcou sa vrstvou paliva,
napríklad rovinný reťazový alebo
pásový rošt,
c) stupňovité rošty s pohyblivými roštnicami,
d) vibračný rošt,
e) rotačný rošt,
f) špeciálne rošty na spaľovanie odpadov, najmä valcové a šikmé
vratisúvne rošty.
2.2 Fluidné kúreniská, kde sa rozlišujú kotly s bublajúcou alebo
s cirkulujúcou fluidnou
vrstvou.
2.3 Horáky a iné spaľovacie zariadenia na spaľovanie zmesí a na
spolu spaľovanie – co-
firing, napríklad uhoľného prášku s biopalivom.
Náčrty základných spôsobov priameho spaľovania biopalív sú
znázornené na obrázku 1.
Roštové kúreniská sú najčastejšie a najprepracovanejšie
zariadenia na priame spaľovanie
a využitie tepla biopalív, a to tak pre potreby dodávky tepla,
výroby elektrickej energie, ako aj
pre kombinovanú teplárenskú dodávku tepla a elektrickej energie
[8].
Takéto spaľovacie zariadenia sa používajú spravidla pre kotly
malých a stredných výkonov až
do výkonu cca 50 MW, pre „kúskovité“ tuhé palivá s malým
rozsahom frakcionárneho
zloženia. Moderné roštové ohniská obsahujú zariadenia prívodu a
podávania paliva, rošt
s nosnou konštrukciou, vstup primárneho vzduchu s jeho
pásmovaním, priestor l. stupňa
ohniska, prívody sekundárneho a terciárneho vzduchu s priestorom
2. stupňa ohniska, niekedy
aj s recirkuláciou spalín a so zariadeniami odvodu tuhých
zvyškov popolovín.
Najdôležitejšie úlohy roštu:
- podopieranie paliva a zabezpečenie jeho pohybu potrebnou
rýchlosťou, prípadne aj
rozrušovanie pohybujúcej sa vrstvy,
- umožniť prístup a prechod spaľovacieho vzduchu (prípadne v
zmesi s recirkulovanou časťou
spalín) a jeho organizované rozdelenie – pásmovanie,
- zabezpečiť pohyb a organizovaný odvod tuhých zvyškov
popolovín,
- odolávať vysokým teplotám a pôsobeniu agresívneho, abrazívneho
prostredia z popolovín
a tuhých zvyškov spaľovania, prípadne plynných spalín.
Základné znaky a charakteristiky roštových spaľovacích
zariadení:
a) Sú schopné spaľovať biopalivá so širokým rozsahom
vlastností.
b) Významným opatrením využívaným pri súčasných moderných
roštových ohniskách je
využitie systému tzv. viacstupňového spaľovania [8, 24]. Hlavné
znaky viacstupňového
spaľovania:
b1) Rozdelenie spaľovacieho priestoru (ohniska) na dva základné
pod priestory:
1. stupeň ohniska siahajúci v priestore nad úrovňou roštu,
respektíve vrstvy paliva až po
úroveň tesne nad prívodom 1. stupňa sekundárneho vzduchu.
2. stupeň ohniska do ktorého je privedený zvyšok sekundárneho
vzduchu a terciárny vzduch.
b2) Vzduchové pomery sú konštrukčne aj prevádzkovými opatreniami
riešené tak, aby:
- množstvo primárneho vzduchu privedeného pod rošt tvorilo cca
40 % z celkového množstva
organizovaného spaľovacieho vzduchu. Pri spaľovaní biopaliva s
vysokým obsahom vody
(napríklad drevo štiepky s obsahom vody W = Mar = 35 - 50 %) sa
pripúšťa maximálny
-
podiel 50 % primárneho vzduchu na celkovom množstve vzduchu.
Podľa potreby sa do
primárneho vzduchu zavádzajú aj recirkulované spaliny,
- do priestoru 1. stupňa ohniska treba priviesť iba také
množstvo vzduchu, a teda aj kyslíka
ako oxidovadla, aby teplota spalín v tomto priestore bola o cca
70 až 80 °C nižšia, ako je
teplota tavenia popolovín biopaliva.
Ide o podstechiometrické horenie v tomto priestore s hodnotou
množstva vzduchu λ = 0,5 –
0,7,
- prvý stupeň sekundárneho vzduchu v spodnej časti ohniska má
byť organizovaným
spôsobom intenzívne rozvírený, tak aby tu plnil dve základné
funkcie, a to intenzívne
miešanie vzduchu s uvoľnenými horľavými plynmi a odlučovanie
tuhých zvyškov popolovín
s ich prednostným zachytením a ukladaním na roštovej ploche,
- zvyšok z celkového množstva spaľovacieho vzduchu sa privádza
do priestoru 2. stupňa
ohniska.
b3) Takéto stupňovité spaľovanie biopalív v roštových ohniskách
je spojené s dvoma
hlavnými výhodami:
- umožňuje udržať teploty v 1. stupni ohniska pod úrovňou
kritických teplôt taviteľnosti
popolovín, výrazne obmedziť vznik nánosov typu slagging a tvorbu
nánosov typu fouling [7].
Predpokladá sa napríklad, že znížením teploty plameňa v 1.
stupni ohniska o 100 °C sa zníži
množstvo splyňovanej zložky popolovín biopaliva o cca 15 – 20
%,
- umožňuje znížiť množstvo oxidov dusíka vznikajúcich vo
vysokoteplotnej oblasti ohniska
a spravidla aj dodržať limity oxidov dusíka NOx v spalinách za
kotlom. V danom prípade ide
o obdobu funkcie tzv. Low NOx horákov, teda nízko emisných
horákov.
Fluidné princípy spaľovania spočívajú v konštrukčnom dosiahnutí
prekročenia spodnej
prahovej fluidizačnej rýchlosti, pričom sa rozlišujú dve
základné riešenia:
a) kotly s bublajúcou fluidnou vrstvou – princíp znázornený na
obrázku 1b,
b) kotly s cirkulujúcou fluidnou vrstvou - obrázok 1c.
V týchto ohniskách je zabezpečené neprekročenie teplôt nad
úroveň cca 800 – 900 °C, a to
najmä na zabránenie aglomerácie – spekania fluidného lôžka a
neprekročenia limitov NOx
v spalinách. Fluidné ohniská sú aplikované pre stredné a väčšie
tepelné výkony v širokom
rozsahu druhov biopalív a zmesí a v širšom rozsahu ich
granulometrického zloženia.
Spaľovanie a spolu spaľovanie biopalív v práškových ohniskách je
znázornené na
obrázku 1d. V práškových ohniskách sa zatiaľ s úspechom využíva
spolu spaľovanie, teda
co-firing biopalív s uhoľným práškom. Co–firing s podielom do
cca 10 až 20 % biopaliva sa
uplatňuje bez väčších problémov spojených so vznikom nánosov
charakteru slagging
a fouling. Predpokladá sa, že pri takomto co-firingu sa
pozitívne prejavuje interakcia medzi
minerálnymi komponentmi obsiahnutými v uhlí (napríklad
zlúčeninami kremíka, vápnika,
horčíka) a alkalickými zložkami biopalív.
3. Technická bezpečnosť a prevádzkové problémy kotlov
spaľujúcich tuhé biopalivá
Veľkým problémom v prevádzke kotlov spaľujúcich tuhé biopalivá
je nadmerná tvorba
špecifických nánosov na ich výhrevných a na iných pracovných
plochách. Najčastejšie
vznikajú dva základné druhy nánosov tuhých zvyškov popolovín, a
to:
a) roztavených a natavených nánosov, ktoré sa spravidla zahŕňajú
pod spoločný pojem
slag, respektíve k príslušným procesom ich vzniku - k
slaggingu,
-
b) sypkých alebo stmelených nánosov, ktorých procesy vzniku
vyjadruje spoločný pojem
fouling.
Tieto problémy sa vyskytujú tak v kúreniskách kotlov spaľujúcich
biomasu v roštových
ohniskách, ako aj v ohniskách fluidného typu.
Pre tvorbu a vlastností uvedených druhov nánosov sú dôležité
tieto závažné skutočnosti:
A. Chemické obsahy príslušných prvkov popolovín a ich zlúčenín v
tuhých zvyškoch, a to
z hľadiska ich množstva, správania sa v procese spaľovania a z
hľadiska ich vplyvu na
charakteristické teploty taviteľnosti tuhých zvyškov popolovín.
Z hlavných zložiek popolovín
a tuhých zvyškov je to najmä vápnik a horčík a ich zlúčeniny,
ktoré zvyšujú úroveň týchto
teplôt. Naproti tomu draslík, chloridy a nízko taviteľné alkálie
(hydroxidu draselného KOH,
hydroxidu sodného NaOH) a aluminosilikáty výrazne znižujú tieto
charakteristické teploty
taviteľnosti popolovín biopalív.
B. Ak spaľovacie teploty najmä v spodnej časti roštového ohniska
alebo vo fluidnej vrstve sú
vyššie, ako príslušné teploty taviteľnosti tuhých zvyškov
popolovín (najmä teploty tavenia
HT), vznikajú roztavené či natavené nánosy typu slag, tvorené
najmä aluminosilikátmi.
Roztavené a natavené nánosy typu slag sa vyskytujú na výhrevných
plochách, na výmurovke,
ako aj na vrstve paliva na roštoch alebo vo fluidnej vrstve, a
to v oblasti existencie vysokých
teplôt spalín, spravidla prevyšujúcich teploty tavenia HT
popolovín biomasy.
C. Niektoré zložky popolovín sa pri spaľovaní odparujú
(zlúčeniny draslíka a chlóru), a to
tým intenzívnejšie, čím vyššie sú spaľovacie teploty a
kondenzujú na chladnejších
výhrevných plochách za ohniskom. Sú značne lepkavé a zvyšujú
možnosti ukladania
popolčeka, prípadne aj nespálených čiastočiek paliva.
Príklady vzniku natavených a roztavených tuhých zvyškov
popolovín typu slagg-
slagging sú dokumentované na obrázkoch 2a, 3a, 4a, 4b. Môžu mať
formu koláčov (na
roštoch, vo fluidnej vrstve), nálepov na výhrevných plochách, na
výmurovkách a na omazoch.
Nepriaznivé účinky nánosov takéhoto charakteru sú mnohostranné,
napríklad:
- obmedzovanie účinnej plochy roštu až výrazné obmedzenie jeho
funkcie, najmä
pohyblivosti skupiny roštnicových nosičov (vozíkov) a
poškodzovanie ich pohonov,
- zatečenie roztavených nánosov do kanálikov prívodu primárneho
vzduchu, obmedzenie
chladenia roštníc a vznik ich kombinovaných korózne - eróznych
poškodení,
- zanášanie vstupov sekundárneho vzduchu a zhoršenie jeho
miešacej aj odlučovacej funkcie,
- vznik balvanov vo fluidných ohniskách a narušenie procesov
fluidizácie,
- poškodenie výmurovky umiestnenej v kritických oblastiach
ohniska,
- možnosť pádu balvanov tuhých zvyškov a mechanického poškodenia
roštu,
- nerovnomernosť tepelného zaťaženia výparníka a výrazné
obmedzenie tepelného zaťaženia
v jeho spodnej oblasti predstavuje riziko narušenia správnej
cirkulácie parovodnej zmesi
výparníkom s prirodzeným obehom a reálnosti procesu postupného
poškodzovania materiálu
várnic, napríklad koróziou pod vnútornými nánosmi,
tepelne-koróznou únavou [26] .
Nánosy typu fouling sa ukladajú spravidla v oblasti stredných a
nízkych teplôt spalín - pod
úrovňami tavenia a tečenia popolovín - v oblasti konvekčných
plôch. V niektorých prípadoch
sa môžu vytvárať aj nánosy tvoriace prechod medzi typom slagging
a fouling. Podľa
chemického zloženia popolovín, teplotných a prúdových podmienok
sa môžu vytvárať
rozličné druhy nánosov typu fouling, ako je to dokumentované na
obrázkoch 2b, 3b, 3c.
-
Komplikované spaľovacie a prúdové podmienky a podmienky veľmi
malého až nulového
zachytenia tuhých zvyškov – škvary na rošte sa podieľajú aj na
vytváraní zvýšeného množstva
vznikajúcich nánosov a množstva popola unášaného spalinami do
ťahov kúreniska.
Charakteristika a účinky nánosov typu fouling
Podskupina slagging – fouling je dokumentovaná na obrázku 3b,
skupina nánosov typu
fouling je dokumentovaná na obrázkoch 2b a 3c. Tieto nánosy sa
ukladajú v oblasti s nižšími
teplotami tam, teda v oblasti prestupu tepla konvekciou
(niektoré časti prehrievačov,
ekonomizérov a prípadne aj ohrievačov vzduchu).
Existujú viaceré mechanizmy ukladania nánosov typu fouling,
napríklad kondenzácia
prchavých zložiek z popolovín v oblasti teplôt cca 600 °C, najmä
zlúčenín prvkov draslíka,
horčíka, vápnika, fosforu, chlóru, síry, sodíka, nárazy
prúdiacich častíc na výhrevné plochy,
zmeny smeru prúdenia, chemické reakcie s nánosmi už usadenými na
povrchoch,
termoforetický transport malých častíc. Pritom dochádza k týmto
javom:
- klinovité nánosy na nábehovej strane prvej rúrky bývajú
pomerne sypké a sú spravidla
dobre odstrániteľné parným ofukovaním,
- podľa chemického zloženia môžu byť nánosy nad vrstvou
kondenzovaných prchavých zložiek
buď tvrdé, ťažko odstrániteľné, alebo krehké a pri mechanickom
čistení ľahko odstrániteľné.
Niektoré hlavné následky nadmernej tvorby a ukladania nánosov
typu fouling:
- zhoršenie tepelnej účinnosti kotlov, napríklad zvýšenie
priemernej teploty spalín o 10 °C
predstavuje zhoršenie účinnosti o cca 0,5 až 0,6 %,
- potreba častého ofukovania výhrevných plôch - straty tepla a
kondenzátu, erózia materiálov,
zvýšenie nákladov na pohon ventilátorov,
- potreba niekedy až veľmi častých odstávok kotlov a náročného
čistenia výhrevných plôch,
znižovanie disponibility celkov, zvyšovanie nákladov na údržbu a
opravy.
Príčiny nadmernej tvorby a ukladania nánosov typu fouling:
a) nevyhovujúce prúdové podmienky v spodnej časti ohniska a
nedostatočná odlučovacia
funkcia 1. stupňa sekundárneho vzduchu,
b) vysoké teploty v spodnej časti ohniska, pri ktorých sa
uvoľňuje značné množstvo
prchavých zložiek popolovín (najmä draslíka a chlóru).
Pri prevádzke kotlov spaľujúcich biopalivá môže byť vážne
ohrozené aj zdravie a životy
osôb, a to z týchto príčin:
a) následkom ohrození spojených s rázovým porušením integrity
tlakových častí,
b) pri výbuchoch horľavých plynov alebo prachových zmesí v
kúreniskách kotlov,
c) pri údržbových a kontrolných (revíznych) prácach v
priestoroch kúreniska. Ide napríklad o
ohrozenia pádom tvrdých nánosov tuhých zvyškov popolovín,
d) pri veľmi častých čisteniach od nánosov popolovín na strane
spalín vzniká prašné
prostredie s agresívnymi zlúčeninami, ktoré môže pri vykonávaní
prác ohroziť zdravie osôb.
4. Procesy poškodzovania a poruchy v prevádzke kotlov
spaľujúcich biopalivá
Procesy poškodzovania, poruchy a poškodenia kotlov predstavujú
rozsiahlu problematiku
presahujúcu rámec tohto príspevku, ktorý sa orientuje najmä na
procesy a poškodenia
charakteristické pre oblasť kotlov stredných a veľkých výkonov
spaľujúcich tuhé biopalivá.
V prevádzke kotlov spaľujúcich tuhé biopaliva sa najčastejšie
vyskytujú tieto druhy
špecifických poškodení jednotlivých komponentov:
-
4.1 Poškodenia a poruchy tlakových častí kotlov, kde rozlišujeme
[6]:
a) vysokoteplotnú, aktívnu koróziu prehrievačov a iných kovových
súčastí pracujúcich pri
vysokých teplotách,
b) koróziu výparníkov zo strany spalín,
c) nízkoteplotnú koróziu a koróziu na strane spalín počas
odstávok,
d) eróziu zo strany spalín.
Ad a) V prípade aktívnej oxidácie ide o špecifický druh
korózneho procesu v podmienkach,
keď spaliny obsahujú chloridy alkalických kovov, teda chloridu
draselného a chloridu
sodného (KCl, NaCl), zlúčeniny síry (najmä síran sodný Na2SO4) a
na povrchoch rúrok
kondenzujú a ukladajú sa tuhé zvyšky komplikovaného zloženia,
obsahujúce prípadne aj
zlúčeniny schopné vytvárať ľahko taviteľné eutektiká. Na týchto
procesoch sa spravidla
podieľa aj oxidácia za prítomnosti kyslíka, oxidu uhličitého a
prípadne aj oxidu uhoľnatého .
Mechanizmus aktívnej oxidácie zahŕňa niekoľko stupňov procesu
(obr. 5) [11,13]:
1. formácia chlóru a chlorovodíka na povrchu nánosu a ich
penetrácia do ďalších vrstiev,
2. formácia chloridov kovov príslušných legúr,
3. difúzia chloridov kovov z hranice styku kov/vrstva oxidov k
hranici nános – oxid,
4. uvoľnenie chlóru spôsobené oxidáciou chloridov kovov na oxidy
kovov. Týmto procesom
sa chlór z korózneho hľadiska „recykluje“ a v blízkosti kovového
povrchu sa zvyšuje
množstvo agresívneho korózneho prostredia. Schéma aktívnej
oxidácie je na obr. 5.
Príklady niektorých porúch a poškodení prehrievačov kotlov
spaľujúcich biomasu alebo
odpady sú znázornené na obr. 6. Aktívnou oxidáciou môžu byť
kritické oblasti
prehrievačových systémov z nízkolegovaných ocelí pracujúcich pri
teplotách nad cca 500 °C
vyradené z činnosti už po cca 20 až 25 - tisíc prevádzkových
hodinách [12].
Niektoré dôležité základné informácie o účinkoch aktívnej
oxidácie:
- ofukovanie výhrevných plôch a odstránenie vrstiev popolovín,
prípadne aj vnútornej vrstvy
na povrchu kovovej steny proces korózneho napadnutia
zintenzívňuje,
- pri nízkouhlíkových a nízkolegovaných oceliach sú koróziou
najviac ohrozené úseky rúrok
prehrievača s najvyššou teplotou steny, najmä ak je ich teplota
vyššia, ako cca 490 – 500 °C,
- najvyššiu pozornosť z hľadiska kontroly technického stavu
treba venovať výstupným partiám
výstupných prehrievačov pary, súčastiam ofukovačov trvale
vystaveným spalinám s vysokou
teplotou, ako aj iným menej intenzívne chladeným kovovým
súčastiam, napríklad závesom,
väzbám rúrok, praporkom a podobne.
Ad b) Korózia výparníkov na strane spalín, kde sa predpokladajú
tri základné druhy procesov
poškodzovania:
b1) Korózia v značne redukčnom prostredí, napríklad pri
spaľovaní kontaminovanej biomasy
pri sledovaní dosiahnutia nízkeho obsahu oxidov dusíka NOx v
spalinách. Ide pravdepodobne
o obdobu procesov výskytu redukčnej atmosféry v ohniskách
práškových kotlov s výtavnými
ohniskami, kde sa predpokladá existencia sírovodíka (H2S) v
blízkosti stien výparníka.
b2) Korózia v prostredí roztavených solí [6], najmä chloridov a
síranov. Dochádza k nej
vtedy, keď nánosy tuhých zvyškov na výhrevnej ploche obsahujú
soli s nízkymi teplotami
tavenia, ako sú napríklad kombinácie chloridov KCl - ZnCl2 (230
°C), KCl - FeCl2 (355 °C)
a podobne. Takéto soli majú schopnosť intenzívne porušovať
ochranné oxidické vrstvy, a tým
značne urýchľovať oxidačné procesy. Obdobné korózne procesy sa
môžu prejavovať aj na
-
prehrievačových rúrkach v kotloch spaľujúcich komunálne a
priemyselné odpady, ktoré v
popolovinách obsahujú zlúčeniny zinku a olova.
b3) Alkalická korózia [6, 20]. Niektoré alkalické chloridy
(chlorid sodný NaCl, chlorid
draselný KCl), sírany (síran sodný Na2SO4) a uhličitany
(uhličitan draselný K2CO3) môžu
v nánosoch na stenách výparníkov narúšať ochranné vrstvy oxidov,
a to aj oxidov chrómu a
spôsobovať značné korózne napadnutia. Niektoré zdroje uvádzajú,
že na výparníkoch
vysokotlakových kotlov sa môže uplatniť aj aktívna oxidácia.
Ad c) Nizkoteplotná korózia býva príčinou poškodení a porúch
rúrok ekonomizérov,
ohrievačov vzduchu a za určitých okolnosti aj nosnej
konštrukcie.
Najčastejšou príčinou nízkoteplotnej korózie je:
- kondenzácia pár silných kyselín, najmä kyseliny sírovej,
prípadne aj kyseliny
chlorovodíkovej na kovových povrchoch,
- kondenzácia hygroskopických agresívnych solí (napríklad
chloridov K2ZnCl4, KCaCl2,
CaCl2) za súčasnej prítomnosti vlhkosti, pri tvorbe príslušných
agresívnych roztokov.
Určitou obdobou nizkoteplotnej korózie je aj korózia počas
odstávok tlakových systémov
kotlov spaľujúcich biomasu. Korózne poškodenia majú jamkovú
formu pripomínajúcu
poškodenia s depolarizáciou kyslíkom a vyskytujú sa v oblastiach
s lokálne navlhčenými
nánosmi (netesnosti ofukovačov a podobne). Pri chemickej analýze
príslušných vonkajších
nánosov možno zistiť značné množstvá chloridových a síranových
iónov [19].
Ad d) Erózia a abrázia zo strany spalín. Napriek tomu, že
biopalivá spravidla obsahujú
menšie množstvá popolovín, napríklad v porovnaní s uhlím, v
príslušných kotloch
spaľujúcich biomasu sa vyskytujú vážne poškodenia eróziou a
abráziou. Tieto procesy
poškodzovania sa môžu intenzívne uplatniť tak v prípade
podávacích a spaľovacích zariadení,
výmurovky, ako aj tlakových systémov a systémov odlučovania a
odvodu tuhých zvyškov
popolovín. Miesta výskytu eróznych poškodení sú znázornené na
obr. 7b).
4.2 Poškodenia výmurovky
Energetické využitie biomasy jej spaľovaním vyžaduje aplikáciu
nových vyhovujúcich
žiaruvzdorných keramických materiálov, výmuroviek a omazov.
Pritom sa vyskytujú tieto
základné procesy poškodzovania žiaruvzdorných keramických
materiálov [9, 10]:
a) reakcie žiaruvzdorných materiálov so zložkami a zlúčeninami
alkalických kovov popolovín
a v tuhých zvyškoch spaľovania (SiO2, TiO2, Al2O3, MgO, CaO,
Fe2O3) a nepriaznivé účinky
objemových zmien spojených s niektorými reakciami. Procesy
poškodzovania keramických
materiálov sú spojené aj s penetráciou uvoľnených alkalických
plynných zložiek popolovín,
b) poškodenia roztavenými zložkami popolovín,
c) poškodenia pri vysokých teplotných expozíciách, najmä tzv.
tepelnou únavou - účinkami
tepelného namáhania pri pôsobení rýchlych a častých teplotných
zmien,
d) kombinované procesy poškodzovania. Známe sú napríklad procesy
zmien vlastností
materiálov chemickými reakciami podľa bodu a), spojených so
znížením odolnosti proti oteru
a s urýchlenou abráziou a s eróziou exponovaných častí
keramických materiálov.
Prehľad niektorých foriem poškodzovanie žiaruvzdornej keramiky v
ohniskách kotlov:
- odlupovanie povrchových vrstiev a praskanie výmuroviek,
- znižovanie hrúbky izolačných keramických materiálov spojené so
zvýšenou teplotnou
expozíciou nosných kovových komponentov, s ich oxidáciou a s
narušením ich funkcie,
- deformácie a tečenie jednotlivých súčasti výmurovky,
-
- presuny a porušenia ucelených častí a narušovanie dilatačných
plôch a priestorov.
Problémy spôsobené extrémnymi procesmi poškodzovania keramických
izolačných
materiálov sú v mnohých prípadoch spojené s nízkou životnosťou
týchto častí a s potrebami
časovo aj finančne náročných opráv kotlov spaľujúcich biomasu.
Starostlivému výberu
keramických žiaruvzdorných materiálov treba venovať zvýšenú
pozornosť už vo fáze
konštruovania nových kotlov na spaľovanie biopalív, ako aj pri
zámeroch co-firingu biopalív
v existujúcich uhoľných kotloch.
4.3 Poškodenia exponovaných komponentov roštov
Niektoré konštrukčné časti roštov, najmä roštnice sú vystavené
značným tepelným
zaťaženiam sálaním z objemu ohniska, prípadne aj pôsobením
vrstvy spaľovaného paliva
najmä koksíku., teda tuhého zvyšku horľaviny paliva, po uvoľnení
plynnej zložky.
Účinné chladenie a ochranu tepelne exponovaných častí roštov
možno zabezpečiť napríklad:
- potrebným zakrytím plochy roštu vrstvou paliva a koksíku, ako
aj chladením prúdiacim
primárnym spaľovacím vzduchom, v kombinácii s použitím vhodného
materiálu roštnice,
- aplikáciou vodného chladenia, buď samostatným vodným okruhom
alebo zapojením
chladených súčasti roštu do výparníka kotla.
Napriek tomu v prevádzke dochádza k značným poškodeniam roštníc
a aj okrajových
tesniacich líšt nadmernou tepelnou expozíciou a korózne
abrazívnymi procesmi.
Na obr. 8 [14] je dokumentované rozsiahle poškodenie roštníc
stupňovitého pohyblivého
roštu, chladeného iba primárnym vzduchom. Poškodenia boli
spôsobené týmito procesmi:
- vznikom roztavených nánosov sa upchali kanáliky prívodu
primárneho vzduchu roštnice,
takže vysokými teplotami bola narušená štrukturálna stabilita a
žiaruvzdorné vlastnosti
materiálu, najmä jeho odolnosť proti agresívnym alkalickým
zlúčeninám,
- koróznymi a abrazívnymi procesmi došlo k rozsiahlym
poškodeniam mnohých roštníc.
5. Možné opatrenia na riešenie problémov prevádzky kotlov
spaľujúcich biopalivá
5.1 Základnou požiadavkou pri používaní biopaliva je dôkladné
poznanie jeho vlastností
(vrátane rozsahu ich odchýlok), ako aj využitie existujúcich
skúseností a uznaných
technických pravidiel pre navrhovanie, konštruovanie a stavbu
príslušných kotlov [8].
Špecifické požiadavky navrhovania kotlov na spaľovanie biopalív
spravidla zahŕňajú aj
využitie výpočtu niektorých charakteristických ukazovateľov
popolovín biomasy (napr.
alkalického indexu, indexov slaggingu, aglomerácie a foulingu,
pravdepodobnosti chloridovej
a aktívnej korózie), ako aj správne riešenie vzduchových a
spaľovacích pomerov, najme
pomeru množstiev primárneho a sekundárneho vzduchu, riešenie
organizovaného vírenia
sekundárneho vzduchu, uplatnenie recirkulácie spalín a pod.
Riešenia majú rešpektovať
potreby dodržania vyhovujúcich teplôt v ohnisku, predchádzania
nadmerného slaggingu
a foulingu, dodržania tepelnej účinnosti kotlov a limitov
ochrany ovzdušia pred
znečisťovaním.
5.2 Okrem technických požiadaviek je nevyhnutné brať do úvahy aj
ďalšie požiadavky, ako
zhodnotenie zabezpečenia spoľahlivej prístupnosti dostatočného
množstva biopaliva,
ekonómie jeho zhromažďovania, dopravy a skladovania, prípadne aj
predbežnej úpravy pred
spaľovaním.
-
5.3 Nové kotly na biopalivá a ich spaľovacie zariadenia by mali
byť riadne zoradené aj
z hľadiska vzduchových a spaľovacích pomerov a ich dodávateľ by
mal vydať príslušné
prevádzkové predpisy vrátane podrobného návodu na obsluhu a
údržbu zariadení.
5.4 V prevádzke a pri obsluhe treba dôsledne dodržiavať
prevádzkové predpisy. To sa týka aj
čistenia výhrevných plôch počas prevádzky (napríklad
ofukovania), ako aj počas odstávok.
5.5 Pri revíziách a kontrolách je potrebné venovať vysokú
pozornosť nielen stavu tlakových
systémov, ale aj stavu spaľovacích zariadení, možnému zaneseniu
výhrevných plôch
a priestorov, poškodeniam výmuroviek a podobne. Cieľom
pravidelnej kontroly stavu kotlov
spaľujúcich alebo spolu spaľujúcich biopalivá by malo byť aj
pravidelné zisťovanie
chemického zloženia nánosov, kontrola zmeny hrúbok stien v
kritických oblastiach tlakových
i netlakových častí a overovanie ich technického stavu [19].
Pritom treba dodržať aj príslušné
zásady bezpečnosti a ochrany zdravia.
5.6 Primeraná pozornosť by sa mala venovať aj periodickému
hodnoteniu dodržiavania
predpísanej kvality používaných biopalív.
5.7 Počas odstávok zariadení venovať potrebnú pozornosť aj
protikoróznej ochrane zo strany
voda – para, ako aj zo strany spalín.
5.8 Existujú mnohé pokusy o riešenie problému korózie v
spalinách biopalív aplikáciou
nových materiálov alebo použitím rozličných druhov povrchových
návarov, nástrekov
a povlakov [29].
5.9 Problémy vzniku nánosov a aktívnej oxidácie sa často riešia
aj aplikáciou príslušných
aditív. Je niekoľko skupín látok a chemických zlúčenín
používaných ako aditíva. Sú to
napríklad zlúčeniny obsahujúce hliník a kremík, vápnik, fosfor a
horčík, vybrané druhy
odpadov a podobne. Ich pridávaním sa zvyšujú charakteristické
teploty taviteľnosti popolovín
príslušných biopalív. Naproti tomu aplikáciou aditív
obsahujúcich síru, napríklad vo forme
síranu amónneho, sa dosahuje efekt zníženia intenzity aktívnej
oxidácie a obmedzuje sa
ukladanie tuhých zvyškov popolovín [21]. Prevádzková aplikácia
aditív vyžaduje starostlivú
prípravu a predchádzajúce odskúšanie ich účinkov. V kotloch so
stredným a s veľkým
výkonom sa problémy spaľovania biopalív často riešia aj
spomínaným spolu spaľovaním -
co–firingom s uhlím ako so základným palivom a s podielom
biomasy do cca 20 % tepelného
výkonu kúreniska. Výhodou co–firingu je aj jeho priaznivý vplyv
na zníženie nákladov na
odsírenie spalín a zníženie množstva ukladaných popolovín.
5.10 Pri navrhovaní kotlových zariadení a pri rekonštrukciách
kotlov na využitie tepla
biopalív treba pamätať aj na riešenie špecifických problémov
súvisiacich napríklad
s mechanickým rozpadom biopalív a s ich degradáciou, s
problémami skladovania
a dopravných ciest, požiarnou ochranou, s potrebou dodržanie
parametrov kotlov po
rekonštrukciách a podobne.
Použitá literatúra a podklady:
[1] STN EN ISO 17225- 1 Tuhé biopalivá – špecifikácie a triedy
palív. Časť 1: Obecné
požiadavky. Rok 2015.
[2] HRDLIČKA, J.: Biomasa pro výrobu tepla. Zborník. TLAK 2013,
s. 105 - 109.
[3] ČSN P CEN/TS 15370-1: Tuhá biopaliva – Metoda pro stanovení
teploty tání popela -
Část 1: metoda stanovení charakteristických teplot (2007).
[4] SKALA, Z., a i.: Energetické parametry biomasy. Projekt GAČR
101/04/1278.
-
[5] MEHRABIAN, R., a. a.: Application of numerical modeling to
biomass grate furnaces.
Journal of Thermal Engineering, Vol. 1, No. 6, May 2015.
[6] BERLANGA, C.: Study of Corrosion in a Biomass Boiler.
Journal of chemistry, 2013. [7] DIJAKON, A.: Analyses of slagging
and fouling properties of biofuels in terms of their
combustion and co-combustion in the boilers. Inžinieria
roľnicza, 2012, z. 4.
[8] CHUNGEN YIN, a. a.: Grate-firing biomass for heat and power
production. Progres in
Energy and Combustion Science 34 (2008), ps. 725 – 754.
[9] RAU, A. W.: CFB Refractory Improvements for Biomass
Co–firing. Power Engineering
07/01/2010.
[10] HENEK, M.: Žárobetonové výzdivky tepelných zařizení pro
spalovaní biomasy. Sborník
z konference Žarovzdorné materiály 2006. Silikátová společnost
ČR, Praha 2006.
[11] NIELSEN, H. P., a. i.: The implications of chlorine -
associated corrosion on the
operation of biomass-fired boilers.
www.elsevier.com/locate/pecs.
[12] SOREL, G.: The role of chlorine in high temperature
corrosion in waste-to-energy plants
G. Sorell Consulting Services, North Caldwell, New Jersey,
USA.
[13] CIZNER, J.: Vysokoteplotní koroze při spalovaní různích
druhu biomasy. Zborník
Korózia v energetike. Košice 2010.
[14] Protokol o materiálovém rozboru č. NDT/1360/2015. Doplnok.
NDT servis sro.
Chomutov.
[15] HENDERSON, P., a. a.: Combating Corrosion in Biomass and
waste fired Plants. Conf.
on Materials for advanced Power Engineering 2010, ps. 962 –
975.
[16] OCHRANA, L., a i.: Spalovaní kontaminované biomasy. FSI,
VUT-EU Brno.
[17] Alkali deposits found in biomass Power Plants. NREL, april
15, 1995.
[18] The Bioenergy System Planners Handbook – BISYPLAN.
[19] CIZNER, J. - BRENNER, O.: Korozní inspekce energetických
kotlů při spalovaní nebo
spoluspalování biomasy. Zborník Korózia v energetike. Košice
2012.
[20] ALIPOUR, Y.: High temperature corrosion in a biomass-fired
power boiler. Reducing
furnace wall corrosion in a waste wood-fired power plant with
advanced steam data.
[21] Chlor – Out Combating corrosion, fouling and emisions in
biomass fired heat and power
plants. www.besustaintablemagazine.com.
[22] LIVINGSTON, W. R.: Biomass ash deposition, erosion and
corrosion processes. IEA
Tas 32/Thermalnet Workshop Glasgov. Sept. 2006, Mitsui
Babcock.
[23] Hansen, J.: B&W Volund Grate combustion technology AUE
4. November 2013.
[24] MORROW, Rs.: Renewable fuel grate firing combustion
technology, the europ. exp.
2005.
[25] WERTHER, J., a. a.: Combustion of agricultural residues.
Progr. Energy Combustion Sci
2000, 26: 1 – 27.
[26] SHARP, W.: Superheater Corrosion in Biomass Boilers.
September 30. 2010.
[27] ČSN/STN EN 15210 – 1. Tuhé biopalivá. Stanovenie
mechanickej odolnosti peliet
a brikiet. Časť 1: Pelety.
[28] WILEWSKA - BIEN, M.: Investigation of Ash Sintering during
Combustiom of
agricultural Residues and the Effect of Additives.
Energy&Fuels 23/2009.
[29] DEEPA, M., a. a.: Corrosion Problems in Incinerators and
Biomass-Fuel-Fired Boilers.
International Journal of Corrosion Volume 2014 (2014), Article
ID 505306.
-
a) b) c) Obr. 2. Kotol 17,5 t/h, 72 bar, 490°C, roštové ohnisko
na drevo štiepku,
stav po cca 2 ročnej prevádzke
a) nánosy typu slagging, na výmurovke v hornej časti
ohniska,
b) dvojvrstvové nánosy typu fouling na výstupnom
prehrievači,
c) Trhliny a povrchové plošné poškodenia výmurovky nad
ohniskom
a) b) c)
Obr. 3. Kotol 25 t/h, 45 bar, 470°C, roštové ohnisko,
slnečnicové pelety
a) koláč z roztavených tuhých zvyškov popolovín (slagging), na
roštovej ploche,
b) zmiešané nánosy typu slagging – fouling na prehrievačových
rúrkach,
c) nánosy typu fouling na rúrkach ekonomizéra
-
a) b) c) Obr. 4. Príklady poškodenia výmuroviek a omazov kotlov
na biomasu
a), b) poškodenie výmurovky nad roštom tepelnými napätiami a
nánosmi slagging
c) poškodenie omazov kotla s CFB zlúčeninami draslíka a
chlóru
spaliny g – plyn. fáza s – tuhá fáza
vrstva popola
vrstvy oxidov
korózny front
stena rúrky Obr. 5. Schéma mechanizmu aktívnej vysokoteplotnej
oxidácie v spalinách biopalív 1. – sulfidizácia a uvoľňovania
plynného chlóru, 2., 3., 4. – tvorba oxidov železa,
5.-- korózia steny uvolneným chlórom alebo HCl , prípadne aj
vznik eutektík
Obecne platí: XMCl2(g) + YO2(g) → MxO2Y(s) + XCl2(g) s
recykláciou Cl
Obr. 6. Príklady poškodenia prehrievačov pri spaľovaní (resp. co
– firingu) biomasy
a) aktívna korózia pri co – firingu bio paliva s uhlím, b)
aktívna oxidácia pri spaľovaní
biopaliva, c) aktívna oxidácia pri spaľovaní komunálneho
odpadu
a) b) c)
-
a) b) Obr. 7. Rúrky ekonomizéra kotla spaľujúceho biopalivo
poškodené a) nizkoteplotnou koróziou, b) eróziou na strene
spalín
1 – prúdenie spalín, 2 – steny kúreniska, 3 – tvar erózneho
poškodenia
rúrok v 1. rade, 4 – miesta erózneho poškodenia rúrok v ďalších
radoch
Obr. 8. Charakter korózne – abrazívneho poškodenia roštníc
stupňovitého roštu pre spaľovanie peliet biomasy rastlinného pôvodu
[14]
1 – nánosy tuhých zvyškov v kanálikoch prívodu primárneho
vzduchu, 2 – poškodenie čela roštnice
v hornej časti, 3 – poškodenie roštnice abráziou v spodnej
časti, 4 – korózne –abrazívne poškodené
rebrá roštnice prívodu primárneho vzduchu
-
Obr. 10. Roztavené nánosy tuhých zvyškov popolovín pri pokusnom
spoluspaľovaní slamy
a drevoštiepky v kotli so šikmým posuvným roštom
a) b) Obr. 9. Korózne poškodenie prehrievačovej rúrky zo strany
spalín počas
dlhodobej odstávky kotla spaľujúceho biopalivo
[NDT/712/2015]
a) rez rúrkou Ø 31,8x 3,6 mm z ocele 16Mo3,
b) tvar korózneho poškodenia v spodnej časti rúrky (pod
nánosmi)