Podstawy fluidyzacji

Fluidyzacja jest procesem tworzenia się zawiesiny drobnych cząstek węgla w przepływającym od dołu strumieniu powietrza. Dobranie wymiarów cząstek węgla i prędkości strumienia powietrza powoduje, że jego cząstki wprowadzone w ruch turbulentny tworzą tzw. fazę fluidalną, wykazującą właściwości fizyczne bardzo zbliżone do cieczy. Cząstki węgla są wówczas doskonale wymieszane z powietrzem, a duża powierzchnia styku cząstek węgla i powietrza powoduje zwiększenie intensywności spalania.

Taka intensywność spalania pozwala na zmniejszenie wymiarów komory paleniskowej, w której proces ten zachodzi, oraz na obniżenie temperatury spalania do 800 – 900°C. Konsekwencją obniżenia temperatury spalania jest zmniejszenie się ilości wytwarzanych w procesie spalania tlenków azotu oraz ulatniania się cząstek sodu i wanadu. Tlenki azotu są groźne dla środowiska, a sód i wanad powodują korozję turbin gazowych napędzanych spalinami z paleniska fluidalnego [1]. Kotły fluidalne osiągnęły swój sukces dzięki ich zdolności do zgodnego z zaostrzającymi się normami ochrony powietrza oraz spalania paliw odpadowych. Dodatkowe korzyści z zastosowania spalania fluidalnego to [2]:

  • wysoka skuteczność wypalania paliwa (99%),
  • niska emisja NOX i SO2 bez konieczności stosowania dodatkowych instalacji dla ich redukcji,
  • możliwość jednoczesnego spalania różnych typów paliw, w tym także paliw bardzo niskiej jakości.

Dzięki idealnemu wymieszaniu cząstek węgla z powietrzem w warstwie fluidalnej oraz faktowi, że temperatura złoża fluidalnego jest niższa niż temperatura topnienia popiołu zawartego w węglu, możliwe jest spalanie węgla niskokalorycznego, zawierającego bardzo dużo popiołu. W palenisku fluidalnym możliwe jest spalanie węgla o wartości opałowej począwszy od ok. 6,3 [MJ/kg] bez odbioru ciepła z warstwy fluidalnej i od ok. 13 [MJ/kg] przy odbiorze ciepła z warstwy fluidalnej [1]. Pomyślnie wypadły próby ze spaleniem w różnych typach palenisk fluidalnych również innych rodzajów paliw. Ich wyszczególnienie zawarto w tabeli 1.

Tabela 1. Rodzaje paliw spalane w różnych typach palenisk fluidalnych

Odpady organiczne Odpady rolne/ biomasa

Drewno i odpady drzewne

Ścieki i ekskrementy

Węgiel(wszystkie klasy) Antracyt

Bitumiczny

Sub-bitumiczny

Lignit

Masa bitumiczna

Miał antracytowy

Torf

Gazy Ziemny

Gazy odlotowe

Koks naftowy Stały

Płynny

Muły i szlamy Komunalne

Odpady przemysłu papierniczego

Pozostałości z czernideł

Inne substancje i produkty odpadowe Paliwo uzyskane z odpadów (RDF)

Oleje resztkowe i odpadowe

Bituminy i asfaltyny

Strzępy opon

Łupki bitumiczne

Diatomit

Intensywność reakcji chemicznych zachodzących w warstwie fluidalnej jest również wykorzystywana do drugiego, niemniej ważnego celu, a mianowicie wiązania siarki zawartej w węglu i spalającej się na dwutlenek siarki z dodanym do węgla tlenkiem wapnia w postaci mielonego kamienia wapiennego lub dolomitu. Dwutlenek siarki wiąże się w warstwie fluidalnej z tlenkiem wapnia, tworząc siarczan wapnia wg reakcji:

(2.1.1)

(2.1.2)

Ponadto w kotłach fluidalnych siarkę zawartą w paliwie można związać wprowadzając sorbent. W wyniku czego powstaje siarczek wapnia. Stosunkowo niska temperatura panująca w palenisku powoduje, że wiązanie to pozostaje stabilne i powstający siarczek wapnia jest usuwany wraz z popiołem (w wysokich temperaturach panujących w kotłach ze zwykłymi paleniskami siarczek wapnia powstaje trudniej, a ponadto część jego rozkłada się z powrotem na tlenek wapnia i na dwutlenek siarki w dalszym odcinku drogi spalania). Skuteczność odsiarczania spalin w takim procesie osiąga 95% , a więc jest większa niż w innych procesach, a sam proces jest tańszy inwestycyjnie[1].

Wymiana ciepła między warstwą fluidalną a umieszczonymi w niej rurowymi powierzchniami ogrzewalnymi kotła jest także bardzo intensywna, co wpływa na wymiary komory paleniskowej. Do 60% ciepła uzyskanego ze spalania może być przyjęte przez te powierzchnie ogrzewalne.

Palenisko fluidalne pozwala na zmniejszenie emisji dwutlenku siarki do atmosfery przy stosunku molowym Ca/S = 1,5 o 80%, a przy stosunku molowym Ca/S = 2,5 nawet o 95%. Równocześnie emisja tlenków azotu do atmosfery zostaje zmniejszona o 50¸80% w stosunku do paleniska pyłowego [1].


[1] Kucowski J., Laudyn D., Przekwas M. – Energetyka a ochrona środowiska, Wydawnictwa Naukowo Techniczne, Warszawa 1993r.