Na świecie istnieje zaledwie kilka instalacji o skali demonstracyjnej, w których przeprowadza się proces spalania tlenowego w warunkach podwyższonego ciśnienia [1,2]. Badania w skali technicznej i laboratoryjnej nie są liczne, stąd też proces POFC określany jest w literaturze naukowej terminem „knowledge gap” („luka w wiedzy”) [2]. Uważa się, iż spalanie ciśnieniowe w tlenie posiada wiele zalet w porównaniu do procesu spalania tlenowego pod ciśnieniem atmosferycznym.

Spalanie ciśnieniowe wymaga precyzji

Analiza układów POFC w różnych konfiguracjach wykazała, iż wzrost ciśnienia w komorze spalania skutkował wzrostem sprawności układu [3-9]. Przykładowo Hong i inni [7] wykazali, iż w przypadku układu ciśnieniowego (10 bar) sprawność wynosiła 34,9%, podczas gdy sprawność układu bezciśnieniowego o tej samej mocy (839,1 MWt) wynosiła 31,5%. Dodatkowo, określono optymalny zakres ciśnienia komory spalania w różnych układach. Zazwyczaj, wyraźny wzrost sprawności układu uzyskuje się przy wzroście ciśnienia w komorze spalania od ciśnienia atmosferycznego do około 8 barów, po czym następuje spadek sprawności [4-6,9]. Inną zaletą spalania ciśnieniowego, zarówno w powietrzu, jak i tlenie jest obniżenie emisji tlenków azotu (NOx) w porównaniu do odpowiednich procesów prowadzonych w warunkach ciśnienia atmosferycznego [10-12]. Dodatkowo postuluje się, iż prowadzenie procesu spalania tlenowego przy podwyższonym ciśnieniu sprzyja łatwiejszemu usuwaniu CO2 ze spalin [4], jak również daje możliwość zmniejszenia gabarytów palenisk poprzez intensyfikację procesów transportu ciepła i masy.

Podkreśla się również rozwiązanie problemu wnikania fałszywego powietrza do komory spalania, które może występować podczas spalania tlenowego pod ciśnieniem atmosferycznym [13]. Należy zaznaczyć, iż spalanie ciśnieniowe jest procesem wymagającym precyzj, np. w fazie projektowej, w trakcie doboru materiałów konstrukcyjnych, które podlegają zwykle wyższym obciążeniom niż te, które stosowane są w paleniskach bezciśnieniowych. Podczas eksploatacji ewentualne „odstawienie” komory spalania w przypadku sytuacji niespodziewanych (np. awarie, zjawiska
atmosferyczne) i prace konserwacyjne wewnątrz komory spalania są bardziej skomplikowane. Ciśnieniowe spalanie jest źródłem wielu korzyści, ale jednocześnie należy brać pod uwagę wyzwania, które mogą stanąć przed osobami eksploatującymi układ zaopatrzony w komorę ciśnieniową.

W prezentowanym artykule przedstawiono wybrane zagadnienia oraz doświadczenie zdobyte przez Instytut Chemicznej Przeróbki Węgla w Zabrzu (IChPW), podczas realizacji Strategicznego Programu Badań Naukowych i Prac Rozwojowych pt. „Zaawansowane technologie pozyskiwania energii” Zadanie Badawcze nr 2 „Opracowanie technologii spalania tlenowego dla kotłów pyłowych i fluidalnych zintegrowanych z wychwytem CO2”. W szczególności podjęto analizę uzyskanych rezultatów z wykorzystaniem instalacji ciśnieniowego spalania tlenowego w skali laboratoryjnej i pilotowej.

Przeczytaj więcej w magazynie Energetyka Cieplna i Zawodowa nr 4/2014