Pádová trubka

Stanovení termokinetických vlastností uhelného prášku – Pádová trubka

Spalování uhlí hraje mezi primárními energetickými zdroji v České republice nezastupitelnou roli. Zejména spalováním uhelného prášku v elektrárnách a teplárnách získáváme významný podíl elektřiny a tepla do našich domácností a průmyslu. Tyto zdroje energie jsou ovšem zastaralé a proto bylo nutno přistoupit k jejich obnově a výstavbě nových. Moderní energetika musí splňovat vysoké nároky na účinnost, spolehlivost, dostupnost a v neposlední řadě také na minimalizaci dopadů provozu těchto velkých zdrojů emisí a odpadu na naše životní prostředí. Aby bylo těchto požadavků dosaženo, je potřeba mimo jiné správně pochopit a popsat chování uhelného prášku během spalovacího procesu ve velkých zdrojích a tyto poznatky využít při navrhování nových uhelných bloků.

Za tímto účelem vznikl projekt „Progresivní technologie a systémy pro energetiku“ – 1M 06059 programu MŠMT „Výzkumná centra“ v rámci jehož řešení bylo v prostoru zkušebny Výzkumného energetického centra vybudováno experimentální zařízení sloužící ke stanovení termokinetických vlastností uhelného prášku. Tyto vlastnosti jsou charakterizovány kinetickými parametry aktivační energií a před-exponenciálním faktorem a zejména průběhem vyhořívání uhelných částic. Experimentální zařízení, tzv. Pádová trubka umožňuje nastavit prostředí odpovídající podmínkám v reakčním prostoru kotlů velkých uhelných bloků spalujících uhelný prášek volbou teploty, koncentrace kyslíku a rychlosti proudění reakčního plynu v reakční komoře. Parametry plynu jsou nastavovány a řízeny v plně automatickém režimu.

Odstavec pro laiky

Vezmu trochu práškového uhlí, nasypu jej v různých výškách do trubky, ve které proudí horký plyn o daném složení. Uhlí padá dolů a postupně hoří. Na výstupu z trubky zachytím ty částečky uhlí a popele do filtru a podrobím je analýze, která mi řekne, jak se tohle uhlí chová během jeho hoření v kotli.

Parametry Pádové trubky

1. Koncentrace kyslíku v reakčním plynu 0–21 %obj., koncentrace N2 a CO2 se mění v závislosti na koncentraci kyslíku.
2. Teplota reakčního plynu v reakční komoře 600 °C až 1200 °C.
3. Rychlost reakčního plynu 1–4 m.s-1.

Reakční plyn o požadovaném množství a koncentraci kyslíku v rozsahu 0–21 % vzniká smíšením vzduchu vháněného do směšovače pomocí dmychadla a technického CO2 ze svazku plynů, jak je zobrazeno na obr. č. 2. Takto připravený plyn proudí skrze ohřívák reakčního plynu, kde jsou zabudovány elektrické topné spirály (obr. č. 11) ohřívající plyn na teplotu až 1200 °C. Po ohřátí na požadovanou teplotu vstupuje plyn shora do vlastní reakční komory pádové trubky a to rychlostí v rozmezí 1–4 m.s-1 dle požadavků obsluhy.

Reakční komora (obr. č. 12) je elektricky otápěná trubka o výšce 4900 mm a vnitřním průměru 66 mm z materiálu Kanthal APM (Fe75Cr20Al5), provozní teplota až 1300 °C, odolná vůči oxidačnímu prostředí. Vzhledem k problémům s dilatací kovové trubice jsou topné moduly zavěšeny na protizávaží (viz obr. č. 14). Po výšce je umístěno 8 vstřiků pro dávkování paliva, které jsou od sebe vzdáleny 500 mm. Odběr vzorku se provádí pomocí posuvné odběrové sondy chlazené kapalným dusíkem na bezpopelový filtr o průměru 300 mm (obr. č. 13).

Příprava vzorku

Příprava vzorku ke zkouškám se skládá z odběru paliva, jeho vysušení, namletí a stanovení hrubého rozboru a obsahu fixního uhlíku (obr. č. 4). Poté je vzorek nasítován síty (splňující normy ISO a ASTM) na požadovanou zrnitost. Stanovení distribuce velikosti částic se provádí na přístroji Mastersizer 2000.

Popis experimentu

Kontinuální dávkování vzorku o zvolené granulometrii v množství cca 5 g / 15 min zkoušku, které minimálně ovlivní reakční prostředí zajišťuje vibrační dávkovač paliva (obr. č. 15). Vzorek je poté pneumaticky vstřikován chlazenou dávkovací sondou rovnoběžně s osou reakční komory do vertikálního proudu reakčního plynu ve kterém dochází k jeho postupnému vyhořívání v závislosti na době setrvání v reakčním prostoru a nastavených parametrech reakčního plynu. Doba setrvání je závislá na rychlosti proudícího reakčního plynu a délce trajektorie částic po výšce reakční komory, kterou lze nastavit pomocí 8 dávkovacích bodů a posuvnou odběrovou sondou. Během „pádu“ částic práškového uhlí v unášivém proudu reakčního plynu směrem k odběrovému místu probíhá spalovací proces, který je v místě odběru vzorku okamžitě ukončen vstřikováním kapalného dusíku s bodem varu –196 °C.

Zachycený vzorek je analyzován stanovením nedopalu U (množství nevyhořelého uhlíku). Z výsledku stanovení nedopalu se poté sestaví křivky vyhořívání uhelných částic v čase (obr. č. 7), které slouží k nastavení matematického modelu Pádové trubky.

Matematický model

Na základě reálného experimentálního zařízení byl v programu ANSYS Fluent 12.0 definován matematický model vyhořívání uhelných částic v pádové trubce, který slouží nejen k určení vlastních kinetických konstant spalovacího procesu, ale lze s jeho pomocí zkrátit dobu stanovení celé sady kinetických parametrů pro dané uhlí a tím snížit náklady na jejich pořízení. Program je založen na metodě konečných objemů, kdy výpočetní oblast (v tomto případě pádová trubka) se vyplní elementy konečných prvků (šestistěny, čtyřstěny), ve kterých se provádí numerická simulace matematického modelu (obr. č. 6). Kinetické konstanty (obr. č. 9) získané na základě CFD simulace v programu ANSYS Fluent 12.0 lze poté využít při navrhování nových práškových ohnišť kotlů velkých výkonů a také při návrhu rekonstrukce stávajících zařízení nebo při optimalizaci spalovacího procesu, jak je zobrazeno např. na obr. č. 16.