Młyny węglowe należą do urządzeń pomocniczych kotła. Służą one do rozdrabniania i mielenia paliwa, które doprowadzane jest wraz z powietrzem do kotła. Pod względem sposobu rozdrabniania oraz prędkości obrotowych „u” młyny można podzielić na:
• wolnobieżne, u = 2,5 ÷ 3,5 m/s;
• średniobieżne, u = 3,0 ÷ 3,5 m/s;
• szybkobieżne, u do 85,0 m/s.
    W krajowej energetyce pracuje jeszcze niewielka ilość młynów wolnobieżnych. Znacznie częściej stosowane są młyny średniobieżne (misowo-rolkowe, pierścieniowo-kulowe), używane do węgla kamiennego oraz szybkobieżne (wentylatorowe), przeznaczone głównie do węgla brunatnego.

    Pracę młyna charakteryzują: pewność pracy, łatwość wymiany elementów ścieralnych oraz wielkości, takie jak: jakość przemiału (określona w % pozostałości na znormalizowanych sitach), jednostkowe zużycie energii na przemiał i wentylację, zużycie jednostkowe metali oraz wydajność znamionowa. Z kolei wydajność młyna zależy od:
• podatności przemiałowej paliwa i wymaganego stopnia przemiału;
• strumienia ciepła dostarczanego do suszenia;
• wentylacji młyna – strumienia czynnika susząco-transportującego.

Rys. 1. Analiza sitowa pyłu węglowego pochodząca ze współspalania biomasy.

Zespół młynowy
    Od pojęcia „zespołu młynowego” należy w tym miejscu rozróżnić pojęcie „instalacji młynowej”, ponieważ nazwy te będą pojawiać się w dalszej części artykułu. Zespół młynowy to układ doprowadzający paliwo do palników kotła. Jego głównymi elementami są: podajnik węgla, przewody łączące, młyn węglowy, odsiewacz, wentylator młynowy (w przypadku młyna wentylatorowego element ten nie występuje oddzielnie) oraz pyłoprzewody. Instalacja młynowa natomiast to wszystkie zespoły młynowe danego bloku (zwykle ich liczba wynosi od czterech wzwyż).
    Istotną kwestią dotyczącą pracy młynów jest także zużycie ich elementów ścieralnych. Zużycie to decyduje głównie o wydajności maksymalnej młyna. Wpływ stopnia wyeksploatowania poszczególnych elementów na pracę młyna nie jest taki sam dla wszystkich typów tych urządzeń. Największy wpływ zużycia elementów ścieralnych na pracę młyna ma miejsce w młynach wentylatorowych, ponieważ poprzez zwiększenie szczelin maleje wentylacja, a co za tym idzie – wydajność samego młyna. Ten sam typ młyna w miarę zużywania się jego poszczególnych elementów daje pył lepszej jakości (przy tym samym ustawieniu odsiewacza).

Biomasa
    Przy współspalaniu węgla i biomasy występują ograniczenia, m.in. po stronie instalacji transportu paliwa oraz wydajności młynów zaprojektowanych pierwotnie na węgiel. W przypadku młynów pierścieniowo-kulowych dodatek biomasy do węgla waha się w granicach 5÷20% w zależności od konstrukcji kotła i wydajności instalacji przygotowania pyłu.
    Warto zwrócić uwagę na fakt, że gęstość nasypowa biomasy wynosi od ok. 150 kg/m³ (dla zrębków) do ok. 700 kg/m³ (dla peletów), podczas gdy gęstość nasypowa węgla kamiennego mieści się zwykle w przedziale 1000 kg/m³÷1100 kg/m³.
    Porównując wartości opałowe biomasy i węgla kamiennego również widoczne są duże różnice między tymi paliwami.
    Biomasa cechuje się wartością na poziomie 6000 kJ/kg÷18 000 kJ/kg, natomiast węgiel kamienny spalany w elektrowniach mieści się przeciętnie w zakresie 18 000 kJ/kg÷28 000 kJ/kg. Wynika z tego jednoznacznie, że aby dostarczyć do kotła wymaganą ilość energii cieplnej w paliwie podczas współspalania węgla z biomasą, należy podawać zdecydowanie większą objętość paliwa. Konieczna jest wtedy zwiększona wydajność pracy podajników węgla, co powoduje podniesienie poziomu wypełnienia komory mielenia młyna, nasilenie oporów zespołu młynowego, a także podwyższenie ryzyka tzw. zasypania młyna, czyli jego unieruchomienia z powodu nadmiaru paliwa do zmielenia. Współspalanie węgla i biomasy zwiększa również ryzyko samozapłonu paliwa, szczególnie w zasobnikach przykotłowych oraz w młynach węglowych.
    Mimo wszystkich wymienionych niedogodności na wielu obiektach Krajowego Systemu Elektroenergetycznego (KSE) stosowane jest współmielenie biomasy w młynach węglowych, gdyż jest to rozwiązanie tanie w implementacji, a przynoszące duże zyski.
    Innym sposobem na współspalanie w kotle węgla i biomasy jest budowa odrębnej instalacji podawania, rozdrabniania i transportu biomasy do kotła węglowego. 
    Alternatywnym rozwiązaniem do wyżej wymienionych metod jest budowa zupełnie nowej instalacji wraz z kotłem całkowicie opalanym biomasą, co wiąże się jednak z dużymi nakładami inwestycyjnymi.

Rys. 2. Wykres strat cieplnych kotła OP-650 stworzony na podstawie pomiarów przy spalaniu węgla kamiennego oraz współspalaniu biomasy z węglem kamiennym.

Badanie wpływu współspalania biomasy na pracę kotła
    W 2005 r. Energopomiar wykonał ocenę możliwości współspalania biomasy (trocin) z węglem kamiennym (w stosunku wagowym 10/90%) w jednej z elektrowni [2]. Zakres badań obejmował przeprowadzenie pomiarów:
• kotła OP-650 i zespołów młynowych przy spalaniu węgla kamiennego z uwzględnieniem czterech poziomów obciążenia bloku (225, 188, 162, 135 MW);
• kotła OP-650 i zespołów młynowych przy współspalaniu biomasy z węglem kamiennym z uwzględnieniem czterech poziomów obciążenia bloku (225, 188, 162, 135 MW).
    Przeprowadzone pomiary pozwoliły na ocenę wpływu współspalania biomasy na pracę kotła oraz instalacji młynowej.

Wpływ współmielenia biomasy na pracę instalacji młynowej
    W trakcie mielenia w młynie węgiel powinien być wysuszony do zawartości wilgoci higroskopijnej w dostarczanym paliwie. Większa zawartość wilgoci w biomasie niż w węglu powoduje konieczność dostarczenia większej ilości ciepła do suszenia podczas współmielenia obu paliw. Podobnie było w przytoczonym przykładzie. Zawartość wilgoci całkowitej w węglu kamiennym podczas mielenia tylko jednego typu paliwa wynosiła średnio 9,6%, a wilgoci higroskopijnej 1,9%, natomiast zawartość wilgoci całkowitej przy współmieleniu węgla z biomasą wynosiła średnio 12,1% przy wilgoci higroskopijnej 2,1%. Wilgoć pyłu wynosiła odpowiednio dla samego węgla 1,3%, a dla węgla i biomasy 1,5%.
    W obu przypadkach widać, że warunek wysuszenia pyłu do odpowiedniej zawartości wilgoci został spełniony, jednak przy współmieleniu węgla z biomasą potrzebny był większy strumień wentylacji, a to spowodowało wzrost zużycia energii elektrycznej.
    Przy współmieleniu węgla z biomasą należy pamiętać o konieczności obniżenia temperatury mieszaniny paliwowej do poziomu ograniczającego ryzyko wystąpienia samozapłonu paliwa z jednej strony, ale zapewniającego jednocześnie dostateczne jego wysuszenie z drugiej.
    Poniżej przedstawiono wnioski z przeprowadzonych na obiekcie pomiarów, które pokazują wpływ współmielenia biomasy z węglem na pracę instalacji młynowej.
• Dla podobnych wydajności kotła przy współspalaniu biomasy z węglem młyny pracowały z wydajnościami wyższymi średnio o ok. 11%.
• Stosowane wentylacje były wyższe średnio o ok. 10% (czyli proporcjonalnie do wydajności).
• Silniki młynów zużywały średnio o ok. 6% więcej energii elektrycznej podczas mielenia mieszaniny.
• Silniki wentylatorów młynowych zużywały średnio o ok. 19% więcej energii elektrycznej podczas mielenia mieszaniny.
• Pył wytwarzany z mieszaniny węgla i biomasy charakteryzował się grubszą granulacją (pozostałości R200 były kilkukrotnie wyższe niż w przypadku spalania samego węgla, w pyłach z mieszaniny pojawiły się znaczące ilości frakcji grubych – rys. 1).
• Nastąpiło zmniejszenie dynamiki pracy zespołów młynowych.

Podawanie biomasy.

    Szczególnie ważnym aspektem było zmniejszenie dynamiki pracy młynów, czyli zwiększenie czasu reakcji na zmianę strumienia paliwa doprowadzanego do młyna. Ma ona bowiem bezpośredni wpływ na dynamikę pracy samego kotła oraz całego bloku.
    Wpływ współmielenia biomasy z węglem w młynach węglowych zależy nie tylko od typu współmielonej biomasy, ale przede wszystkim od typu samego młyna. Inaczej mielenie paliwa przebiega w młynach średnio-, a inaczej w szybkobieżnych. W młynach wentylatorowych (szybkobieżnych) mielony jest głównie węgiel brunatny. Podczas jego współmielenia z biomasą zbliżone właściwości fizykochemiczne obu typów paliwa pozwalają uniknąć problemów eksploatacyjnych występujących podczas współmielenia węgla kamiennego z biomasą w młynach średniobieżnych. Ponadto węgiel brunatny ma niższą wartość opałową i większą zawartość wilgoci niż węgiel kamienny oraz strukturę podobną do biomasy (zbliżoną do drewna). Młyny wentylatorowe skuteczniej rozdrabniają biomasę niż młyny średniobieżne, dlatego wpływ dodatku biomasy do mielonego paliwa na pracę instalacji młynowej i kotłowej jest niewielki.
    Warto zwrócić uwagę na fakt, że mimo wyższej temperatury czynnika suszącego w młynach szybkobieżnych niż w młynach średniobieżnych ryzyko wystąpienia zapłonu paliwa, przez wzgląd na konfigurację urządzeń instalacji młynowej, jest większe w przypadku stosowania tych drugich.

Wpływ współspalania biomasy na parametry kotła
    Wyniki pomiarów jednoznacznie wykazały (rys. 2), że w badanym przypadku przy współspalaniu biomasy znacznie wzrasta wartość strat cieplnych kotła, a przez to maleje jego sprawność. Dla poszczególnych serii pomiarowych średnie wartości sprawności kotła wynosiły:
• przy spalaniu samego węgla kamiennego – 89,21%;
• przy współspalaniu biomasy – 87,57%.

    Wpływ na tak dużą różnicę miała przede wszystkim wartość straty niecałkowitego spalania w popiele lotnym. Wyznaczona dla próbek węgla, pobranych podczas podawania do zasobników, strata wahała się w granicach 1,9÷3,0% przy zawartości części palnych w popiele lotnym na poziomie 4,7÷7,1%.
    Podczas współspalania biomasy z węglem straty cieplne związane z niedopałem w popiele lotnym były znacznie wyższe i wynosiły 3,0÷4,4%, co związane było z wysoką zawartością części palnych w popiele lotnym na poziomie 8,8÷11,7%.
    Do nieco innych wniosków prowadzi analiza wpływu współspalania biomasy na sprawność kotła dokonana w oparciu o wyniki pomiarów przeprowadzonych przez Energopomiar na obiekcie z kotłem OP-380b opalanym węglem brunatnym z ok. 10-procentowym udziałem biomasy w postaci słomy lub otrębów zbożowych. W skład badanej instalacji wchodziły młyny wentylatorowe N90-60, w których następowało współmielenie węgla z biomasą. W sprawozdaniu z tych pomiarów [3] autorzy zauważają, że dodatek biomasy do węgla brunatnego (przy jej 10% udziale) wpływa na nieznaczną poprawę sprawności kotła – o 0,2 pkt %.
    Warto przy tym odnotować, że niedostateczne wysuszenie paliwa w młynach powoduje zwiększony pobór energii do jego wysuszenia kosztem podgrzania czynnika roboczego w obiegu wodno-parowym, zaś zbytnie wysuszenie paliwa utrudnia jego spalanie. W tym drugim przypadku może dojść do występowania spalania niecałkowitego i/lub niezupełnego, co z kolei przekłada się na dużą zawartość części palnych w produktach spalania, zmniejszenie sprawności kotła oraz zaburzenia procesu spalania w komorze paleniskowej, które mogą spowodować szereg problemów z prawidłową eksploatacją urządzenia.

Podajnik ślimakowy biomasy.

Warto zapamiętać
    Z przytoczonych przykładów wynika, że zarówno typ biomasy, jak i sposób jej przygotowania przed doprowadzeniem do młynów mają duży wpływ na parametry
osiągane przez kocioł, głównie na jego sprawność. W większości przypadków można zauważyć spadek sprawności kotła przy współspalaniu biomasy, jednak nie jest to regułą, co pokazuje przykład współspalania słomy i otrębów zbożowych w kotle OP-380b. Do podobnych wniosków dochodzi w swym artykule [5] dr inż. Kazimierz Mroczek z Politechniki Śląskiej, który zauważa, że „sukcesywne wprowadzanie biomasy uprawnej (...): suchej, dostatecznie rozdrobnionej i zagęszczonej umożliwia zwiększenie dodatku tego paliwa do węgla bez istotnego pogorszenia (...) jakości pyłu”.
    W dalszej części swojego referatu zwraca on jednak także uwagę na spadek wydajności młyna przy jednoczesnym mieleniu węgla z biomasą (nawet do ok. 70% wartości uzyskanej przy mieleniu samego węgla przy 30% udziale peletów słomy zbożowej) oraz dużą segregację obu składników paliwa w zasobniku, co znacznie zwiększa ryzyko zapłonu.
    To właśnie wybuchowość biomasy jest podstawowym problemem, który ma wpływ nie tylko na pracę kotła, ale również całego bloku. Biomasa zawiera bowiem znacznie więcej części lotnych niż węgiel, co może doprowadzić do samozapłonu paliwa w zasobnikach przykotłowych lub w młynach węglowych.
    Z punktu widzenia prawidłowej eksploatacji i konstrukcji młynów powinno się unikać mielenia w nich mieszaniny kilku różniących się od siebie paliw. Powoduje to bowiem pogorszenie pracy młynów, zwiększenie zużycia energii elektrycznej oraz poziomu ryzyka wybuchu, a także szereg innych trudności.
    Najczęstsze przyczyny i skutki trudności eksploatacyjnych, jakie mogą pojawić się podczas współspalania węgla kamiennego z dodatkiem biomasy w kotłach pyłowych, to:
• odmienny rozkład granulacji pyłu w przypadku mieszaniny oraz znacznie różniące się od siebie właściwości fizykochemiczne węgla i biomasy powodujące zmiany w przebiegu procesu spalania w komorze paleniskowej kotła w porównaniu ze spalaniem samego węgla kamiennego. Często spotykanym przypadkiem, opisanym w referacie H. Pawlak-Kruczek [6], jest szybsze spalanie się mieszaniny biomasy z węglem od samego pyłu węglowego, co powoduje przesunięcie się tzw. jądra spalania i niesie za sobą ryzyko przepalenia ekranów kotła po długiej eksploatacji;
• niedostateczne wymieszanie biomasy z węglem powodujące wahania wydajności kotła, które w przypadku współspalania występują w znacznie większym zakresie niż przy spalaniu samego węgla;
• znacznie wyższa zawartość wilgoci w biomasie wymagająca dostarczenia większej ilości energii do wysuszenia mieszaniny paliw w młynie węglowym, co przekłada się na większe zużycie energii na potrzeby własne, a co za tym idzie – na sprawność całego bloku.

    W trosce o prawidłową i efektywną pracę kotła, i urządzeń pomocniczych przed podjęciem decyzji o współspalaniu biomasy należałoby wykonać analizę techniczno-ekonomiczną alternatywnego wariantu, tj. budowy osobnej instalacji podawania biomasy. Wszystkie inne warianty współspalania biomasy należy traktować jako działania tymczasowe nastawione na maksymalizację bieżących zysków.

 

Literatura:

[1] Lamch M.: O czym pamiętać mieszając węgiel z biomasą, „Energetyka Cieplna i Zawodowa” 2009, nr 7,8.

[2] Szymanowicz R.: Sprawozdanie z badań, prób i testów współspalania biomasy dla uzyskania koncesji na współspalanie (...), opracowanie „ENERGOPOMIAR” Sp. z o.o., Gliwice (niepubl.).

[3] Lamch M., Sobota J.: Sprawozdanie z badań obiektowych oraz analiz chemicznych dla określenia możliwości współspalania paliw pochodzenia rolnego (...), opracowanie „ENERGOPOMIAR” Sp. z o.o., Gliwice (niepubl.).

[4] Pawlik M., Strzelczyk F.: Elektrownie, Wydawnictwo Naukowo-Techniczne, Warszawa 2009.

[5] Mroczek K.: Współmielenie węgla i biomasy AGRO w młynie pierścieniowo-kulowym, w: Aktualne problemy budowy i eksploatacji kotłów: Międzynarodowa XI Konferencja Kotłowa ICBT 2010, Szczyrk 19–22.10.2010, t. 2, Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice 2010.

[6] Pawlak-Kruczek H., Czerep M., Zgóra J.: Współspalanie różnych typów biomasy – wpływ na parametry spalania, w: Aktualne problemy budowy i eksploatacji kotłów: Międzynarodowa XI Konferencja Kotłowa ICBT 2010, Szczyrk 19–22.10.2010, t. 2, Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice 2010.

 

Autor: Dariusz Dekarz, „ENERGOPOMIAR” Sp. z o.o., Zakład Techniki Cieplnej

Artykuł został opublikowany w magazynie "ECiZ" nr 6/2012

Źródło fot.: Energopomiar

Artykuł powstał na podstawie referatu wygłoszonego podczas IV Konferencji Szkoleniowej Zakładu Techniki Cieplnej „Optymalizacja procesów energetycznych – dobra praktyka inżynierska w energetyce i przemyśle”, 23-25 kwietnia 2012 r.