[Tisk]  [Poslat e-mailem]  [Hledat v článcích]
Plazmové najížděcí systémy v energetice
Datum: 4.7.2007
Autor: Prof. Ing. Pavel Kolat, DrSc.

Směry využití plazmových systémů v energetice

V současnosti existují tyto základní směry využití plazmových systémů v energetice:

  • najíždění práškových kotlů,
  • stabilizace plamene při spalování uhelného prášku,
  • stabilizace výtoku strusky z výtavných ohnišť,
  • snížení ztrát tuhým nedopalem, např. z důvodu hrubého mletí,
  • snížení emisí oxidů dusíku,
  • možnost spalování více druhů paliv,
  • zplyňování a zkapalňování uhlí.

Zvláštní význam v energetice má plazma v procesu zapálení práškové uhelné směsi. Výzkumné práce v tomto směru probíhají u významných energetických firem v Austrálii, Kanadě, Rusku a USA.

Firma Wilcox vyvinula plazmový hořák o příkonu 110 kWe. Náklady na najíždění kotle dosáhly pouze 28 % nákladů při použití mazutu.

Společnost Combustion Engineering využívá najížděcí práškové hořáky na suchý uhelný prášek s koncentrací primární směsi 2,5 kg uhlí na 1 kg vzduchu. Směs zapaluje vysokonapěťový oblouk o napětí 2  500 V. Hořáky jsou umístěny na kotli bloku 900 MWe.

V Austrálii se přes elektroobloukový kanál pouští dusík, který se ohřívá na teplotu 6 000 oC a jeho proud zapaluje uhelný prášek. Použití tohoto plazmového najíždění na dvou blocích o výkonu 500 MWe přineslo úsporu 1,8 mil. USD za rok při době návratnosti 5 let.

Plazmové systémy využívají také firmy Peabody Engineering, Foster Wheeler Energy a Union Carbide Corporation. Výzkumné práce probíhají i na Ukrajině, v Polsku a v Číně.

Zvláštní pozornost si zaslouží výzkumné a realizační práce prováděné v Rusku. Od 80. let se zde pracuje na projektu Spalování práškového uhlí pomocí plazmového elektrického oblouku [1], jehož cílem je řešení problémů efektivního využívání méně hodnotných druhů uhlí při minimalizaci škodlivých emisí.

Plazma v procesu zapálení práškového uhlí

Zvyšování koncentrace chemicky aktivních látek snižuje aktivační energii hoření i teplotu zapálení. Proto je významná termochemická příprava paliva k zapálení, která zvyšuje jeho reakční schopnost [2].

Pro lepší aktivaci zapálení uhelné směsi je účinné přivést do zóny zapálení relativně malé množství produktů neúplného vyhoření paliva. Tím se přivádějí chemicky aktivní radikály, které mohou dosáhnout zkrácení doby vzplanutí a čtyřnásobného až pětinásobného zvýšení rychlosti hoření při současném zlepšení ekonomie spalování (vyhoření paliva). Proto není rozhodující teplota přiváděných produktů spalování (teplota primární směsi), ale jejich neúplná reakce v předběžném procesu.

Elektrický oblouk, osově stabilizovaný ve výbojové komoře rotačním proudem plynu, se dnes ukazuje jako nejefektivnější způsob ohřevu plynotvorných látek na teplotu 5 000 až 7 000 oC. Zařízení, ve kterém se tento proces realizuje, se nazývá generátor nízkoteplotního plazmatu – plazmatron.

Plazmatron [3] znázorněný na obr. 1 je sestaven ze dvou souose uložených vzájemně izolovaných měděných elektrod – katody a anody, které tvoří osově symetrickou výbojovou komoru. Vzduch tvořící plazma je do výbojové komory přiváděn přes dva kruhové otvory (G1 a G2), umístěné na obou čelech katody. Pod vlivem aerodynamických sil se část oblouku v blízkosti elektrod pohybuje po povrchu elektrod a zbylá část oblouku se stabilizuje v ose výbojové komory. Části plazmatronu vystavené účinkům tepelného toku od elektrického oblouku jsou chlazeny vodou.

Plazmatrony se vyrábějí v různých výkonových řadách a jejich výkon se předběžně určuje podle druhu a množství spalovaného uhlí. Základní vlastností uhlí, která ovlivňuje požadovaný výkon, je obsah prchavé hořlaviny.

Pro sestrojení vysoce efektivních a výkonných plazmatronů různého technologického určení je nutné důkladné studium základních fyzikálních procesů v komoře elektrických výbojů, které určují stabilitu hoření oblouku, elektrickou a tepelnou účinnost i životnost tepelně nejnamáhanějších částí.

Technologickou zvláštností a předností koncepce použití plazmatronů je to, že plazma působí přímo na proudící primární směs (uhelné částečky a vzduch) v práškovém hořáku.

Před stanovením základních principů plazmové termochemické přípravy práškového paliva je nutné si povšimnout zvláštnosti působení obloukového plazmatu na uhelný prášek.

Nízkoteplotní plazma je částečně ionizovaný plyn a jeho vzájemné působení s uhelným práškem patří k heterogenním procesům zahrnujícím procesy různých typů:

  • destrukci paliva s vývinem těkavých látek,
  • reakci těkavých látek s okysličovadlem,
  • ohřev koksového zbytku do teploty zplyňování,
  • reakci koksového zbytku s plynnou fází.

Pro obloukové plazma je charakteristický rozvinutý povrch hranice fází v takovýchto systémech, vysoké teploty a koncentrace nabitých částic a chemicky aktivní střety. To vede k velmi složitému působení plazmatu na uhelné částice.

Procesy, které nastanou při styku primární směsi s plazmovým obloukem, lze charakterizovat takto:

  • Teplota primární směsi na vstupu je přibližně 60 až 100 oC.
  • Při kontaktu proudu studené primární směsi s plazmatem proudícím z trysky plazmatronu se současně ohřívá vzduch a uhelné částice.
  • Teplota elektrického oblouku plazmatu na výstupu z plazmatronu je 3 000 až 4 000 oC, takže při míchání oblouku plazmatu s relativně chladnou primární směsí vzniká velký teplotní gradient.
  • Vzduch z primární směsi se zahřívá od plazmového zdroje v souladu s jeho tepelným výkonem a rozdílem teplot plazmatu a vzduchu.
  • V zóně vzájemného působení plazmatu a primární směsi se uhelná částečka se středním rozměrem 100 mm ohřívá tepelným šokem rychlostí 1 000 až 10 000 oC za sekundu. Pokusně bylo zjištěno, že částice energetického uhlí o rozměru do 0,25 mm se vlivem tepelného namáhání rozpadají na mikročástice za 0,01 až 0,05 s. Tento jev, nazývaný v některých pracích tepelný výbuch částic, vede k prudkému zvětšení reakčního povrchu.
  • Tepelný šok roztříští částečku na úlomky o velikosti 5 až 10 mm a mnohonásobně urychluje únik těkavých částic v důsledku výrazně zvětšeného a narušeného povrchu a vzniku velmi jemných částic, které se ohřívají na rozkladnou teplotu mnohem rychleji než částice větších rozměrů. Z těchto úlomků unikají prchavé látky – CO, CO2, CH4, C6H6, N2, voda a sloučeniny zadržující dusík (pyridin – C5H5N a pyrol – C4H5N).
  • Nastává destrukce sloučenin popela.
  • Probíhají reakce těkavých látek s kyslíkem a v plynné fázi se tvoří:
    1. atomy (O, H, N, C, S),
    2. elementy minerální části uhlí (Si, Al, Ca),
    3. radikály (NH, CH, CN, OH aj.),
    4. kladné ionty (C+, H+, N+, CO+, O+, Si+, K+ aj.),
    5. záporné ionty (O, H, N2–),
    6. tzv. elektronový plyn.
  • Koksový zbytek se ohřívá na teplotu zplyňování a reaguje s tvořící se plynnou fází.
  • Při vzájemném chemickém působení přecházejí těkavé látky – CO, H2, CH4, C6H6, CO2, N2, H2O a další do plynné fáze a začíná jejich chemické působení se vzduchem a vzájemně mezi sebou.

Vliv nízkoteplotního plazmatu se projevuje zvýšením intenzity reakcí v plynné fázi, reakcemi s aktivními částicemi a nízkou úrovní energie potřebné k vyvolání chemické reakce. Ukazuje se, že aktivační energie se snižuje již při přechodu reagentů z molekulární formy na atomární.

Praktické používání plazmatronů u kotlů

V procesu průmyslového využití a zkoušek bylo ve světě zvládnuto zapalování všech typů uhlí (hnědého, černého a antracitu) s výhřevností v rozmezí 12 až 25 MJ/kg, s obsahem prchavé hořlaviny v původním palivu 4 až 50 % a s obsahem popeloviny 15 až 50 % [1]. Zkušenosti lze shrnout do těchto bodů:

  • Systém plazmového zapalování byl ověřen u kotlů se suchým i mokrým odvodem popelovin.
  • Systém plazmového zapalování lze využít u kotlů s mezizásobníkem i přímým foukáním uhelného prášku.
  • Při bezmazutovém najíždění kotlů se zásobníkem uhelného prášku ze studeného stavu se suchý uhelný prášek v zásobníku jeví jako kladný faktor, usnadňující plazmové najíždění kotlů.
  • Při bezmazutovém najíždění kotle s přímým foukáním uhelného prášku ze studeného stavu se vzduch (se zředěnými spalinami) postupně ohřívá a zvyšuje se teplota v ohništi.

K zajištění bezpečného provozu kotle je nezbytná automatizace řízení plazmatronů, která musí splňovat tyto hlavní požadavky:

  • Při havárii plazmatronu musí dojít k automatickému vypnutí.
  • Při utlumení nebo zhasnutí plamene ve startovacím hořáku musí signalizace zastavit dodávku prášku do startovacího hořáku. Fotosnímač musí dát signál k možnému zapálení plynového hořáku, je-li jím startovací hořák vybaven. Při obnovení chodu startovacího hořáku se plynový hořák automaticky odstaví.

Výsledky ruského aplikovaného výzkumu v oblasti plazmatu, určeného původně pro kosmické technologie, je možné shrnout takto:

1. V roce 1989 proběhly první zkoušky bezmazutového najíždění kotle a zkoušky stabilizace hoření při snížených výkonech.
2. V roce 1993 se uskutečnilo první najetí kotle (o parním výkonu 670 t/h) ze studeného stavu bez použití mazutu.
3. V roce 1994 byl doporučen způsob bezmazutového najíždění kotlů a byly vypracovány normativy pro úspěšné používání plazmatu v elektrárnách spalujících práškové uhlí. Počet realizací je již vyšší než sto.
4. S ústavem, který byl v tomto oboru pověřen celostátním působením v Rusku a který realizoval uvedený vývoj a provádí další zdokonalování plazmové technologie, projektování a zaškolování obsluhy v elektrárnách [1], navázala firma ORGREZ, a. s., Ostrava vědecko-výzkumnou spolupráci, která vyústila v aplikaci plazmové technologie v elektrárně Vojany.

Plazmatrony je možné aplikovat na kotle různých konstrukcí a výkonů. Na obr. 2 je znázorněno schéma aplikace plazmatronů na ruský kotel BK-420, který byl původně osazen čtyřmi mazutovými hořáky. Kotel je projektován na spalování 75 t/h uhlí, spotřeba mazutu na jedno najetí kotle se pohybuje okolo 80 t a najíždění trvá asi 3,5 až 4 h. Po spuštění plazmových hořáků dosáhla teplota plamene za 3 s již 1 150 oC. Po čtyřech hodinách provozu kotle byly oba plazmové hořáky vypnuty [1].

Na Slovensku je projekt tohoto typu realizován v elektrárně Vojany [4]. Na kotli K3 o parním výkonu 335 t/h (13,63 MPa/540 oC, výkon bloku 110 MWe) jsou umístěny dva plazmatrony. Kotel je osazen deseti práškovými hořáky s radiálním vstupem primární směsi, přičemž pět hořáků je na přední stěně a pět hořáků na zadní stěně kotle. Na kotli je instalováno šest plynových a pět mazutových hořáků s výkonem 1 t/h pro mazut a 620 m3(n)/h pro plyn. Spalovaným palivem je ukrajinský antracit o výhřevnosti 25,5 MJ/kg.

Práškové hořáky č. 2 a 10 byly rekonstruovány a každý byl osazen plazmatronem o maximálním výkonu 320 kWe. Hořák je rozdělen na dvě komory – vnitřní a vnější. Do vnitřní je zaústěn plazmatron, jehož plamen zasahuje primární směs proudící touto komorou. Tento hořák může pracovat v režimu stabilizace, kdy je plazmatron v činnosti, i v době, kdy stabilizace není nutná a plazmatron je mimo provoz. Obě komory jsou vyvložkovány keramickými segmenty o tloušťce 45 a 100 mm. Vlastní plazmatron je chlazen vodou, stejně jako některé elektrické komponenty systému.

První zkoušky byly provedeny v prosinci roku 2000 bez uhelného prášku, pouze s primárním vzduchem. V září 2001 následovaly zkoušky s uhelným práškem v režimu startu kotle, který byl několik týdnů v odstávce [5]. Teplota primární směsi byla 50 oC. Koncentrace primární směsi při zkouškách byla 0,36 až 1,04 kg/kg. Plazmatron byl testován v rozmezí výkonu 160 až 260 kWe při průchodu primární směsi od 50 do 100 %. Při těchto parametrech bylo dosaženo stabilního hoření. Teplota plamene měřená pyrometrem se pohybovala v rozmezí 140 až 1 450 oC. Délka plamene byla v rozmezí 3 až 4 m. Optimálních parametrů hoření bylo dosaženo při výkonu hořáku 3,2 t/h, kdy byla primární směs rozdělena do komor v  poměru 70 % : 30 % a bylo dosaženo teploty plamene 1 440 oC.

Další projekt je připraven pro elektrárnu Nováky [6], pro granulační kotel K1 o celkovém tepelném výkonu 269 MW (350 t/h páry). Kotel má pět proudových hořáků na hnědé handlovské uhlí (o výhřevnosti 9,3 až 11,3 MJ/kg) a pět mlecích okruhů s ventilátorovými mlýny. Plazmatrony budou instalovány na tři proudové hořáky (2 500 mm od ústí hořáku), s tím, že alespoň dva z nich musejí být provozovány vždy pro možnost stabilizace plamene.

Závěr

Dosavadní výsledky ukazují, že aplikace plazmových zapalovacích a stabilizačních hořáků na Slovensku i u nás je vhodná a perspektivní. Bude nutné dále optimalizovat provozní podmínky tak, aby bylo dosaženo co nejdelší životnosti elektrod a aby docházelo k zapálení primární směsi a najíždění kotle v co nejkratší době, což by přineslo další úspory paliv. Provozní náklady plazmového zapalování uhelných prášků jsou výrazně nižší než náklady na provoz mazutového najíždění kotle. Předpokládá se, že plazmové systémy budou v blízké budoucnosti instalovány v českých elektrárnách a teplárnách. Potřebná měření aerodynamiky spalovacích procesů v  ohništích včetně měření tuhých a plynných emisí budou provedena ve spolupráci s VŠB-TU Ostrava a bude pokračovat další aplikovaný výzkum a vývoj, umožňující využití této špičkové technologie pro domácí hnědé a černé uhlí v rámci českých i mezinárodních výzkumných projektů EU.

Literatura

[1] KAPENKO, E. I. a kol.: Vědecko-technické základy a otázky zavádění plazmových zapalovacích systémů v tepelných elektrárnách, Snaukas PAH, Novosibirsk 1998.
[2] DEMBOVSKÝ, V.: Plazmová metalurgie, SNTL, Praha 1978.
[3] LASÁK, V.: Plazmatron, ORGREZ, a. s., Ostrava 2001.
[4] MALÝ, R., LASÁK, V.: Plazmové zapalovací a stabilizační systémy v elektrárně Vojany, sborník mezinárodní konference Spalování a životní prostředí – 2001, VŠB-TU Ostrava, ISBN 80-7078-906-9, Ostrava 2001, s. 74-80.
[5] LASÁK, V., MALÝ, R.: Využití plazmové technologie v energetice, sborník Workshop 2001, VŠB-TU Ostrava, ISBN 80-7078-858-5, Ostrava 2001, s. 88-94.
[6] GOŘULA, T.: Využití plazmové technologie na kotli K1 elektrárny Nováky, diplomová práce, VŠB-TU Ostrava, 2001.

Prof. Ing. Pavel Kolat, DrSc. (1943)
Je vedoucím katedry energetiky FS VŠB-TU v Ostravě a delegátem v  programovém výboru pro energetiku 5. rámcového programu výzkumu a vývoje EU v Bruselu.



 Hodnocení
Zhodnoťte, jak se Vám článek líbil (1 = výborný ... 5 = špatný)
 
průměrné hodnocení: 1,2 (počet známek: 5) 


Podmínky užívání portálu TLAKinfo.
Připomínky, náměty a dotazy - redakce portálu.
© Copyright DEKRA CZ, a.s. 2005-2019, všechna práva vyhrazena.