ENERGIA XX – Prywatyzacja polskiej energetyki, cz. 3
Dodatek reklamowy do RZECZPOSPOLITEJ.
nr 299 (5464) 21 grudnia 1999 r.

Modernizacja kotłowni w EC-2 w Inowrocławskich Zakładach Chemicznych
Lurgi Lentjes Service GmbH

 

W październiku 1997 roku Inowrocławskie Zakłady Chemiczne „Soda Mątwy” S.A. rozpisały akcję ofertową na proekologiczną modernizację 4 kotłów parowych, pyłowych.

W wyniku przetargu na wykonawcę prac wybrano firmę Lurgi Lentjes Service GmbH, z Düsseldorfu. Kontrakt podpisano w dniu 30.12.1997 roku. Zgodnie z jego zapisami, modernizacja będzie prowadzona przez 4 kolejne lata, po jednym kotle rocznie.

W roku 1998 zmodernizowano już kocioł nr 1, a od marca 1999 rozpoczęto prace na kotle nr 2.

Poniżej przedstawiono podstawowe dane techniczne pracujących w IZCh kotłów OP-110:

 

• Przepływ pary 110 t/h;
• Ciśnienie pary 7,1 MPa;
• Temperatura pary 465°C;
• Temperatura wody zasilającej 105°C;
• Temperatura spalin za podgrzewaczem powietrza ok. 140°C.

Założenia do modernizacji

Po zapoznaniu się ze stanem technicznym urządzeń klienta, zdecydowano iż w celu dokonania efektywnej modernizacji należy:

 

1. zabudować węglowe palniki pyłowe, obniżające emisję NOx,
2. zastosować stopniowanie powietrza i paliwa pomiędzy poziomami 1 i 2 palników w kotle oraz zabudować instalację dodatkowych dysz powietrza do komory spalania, tzw. dysz OFA,
3. zabudować nowy system automatyki sterowania kotłem, wraz z aparaturą do ciągłego monitorowania spalin.

Ze względu na priorytet minimalizacji kosztów inwestycji, pozostawiono nie zmienione następujące instalacje:

 

• młynową,
• dozowania węgla,
• elektryczną,
• automatyki dla systemu przygotowania węgla.

Zmiany w kotle

Modernizacja części kotłowej oprócz zabudowy nowych niskoemisyjnych palników wirowych obejmowała również modernizację istniejącego układu powietrza do spalania. Założono taki podział powietrza na pierwotne (do palników) i wtórne (do dysz OFA), aby w całym zakresie obciążenia kotła, przy pracy na węglu, uzyskać pewną i stabilną jego pracę w systemie automatyki z jednoczesnym dotrzymaniem norm emisji NOx. Dlatego przewidziano następujące rozwiązania:

 

1. pomiar i regulację wydatku powietrza pozostawiono bez zmian i zdecydowano o wykorzystaniu istniejących klap i urządzeń pomiarowych,
2. dolny poziom palników na przedniej i tylniej ścianie kotła został wyposażony po jednym pomiarze strumienia (anubarą) i jednej klapie regulacyjnej na stronę, dla umożliwienia indywidualnego nastawienia stosunku paliwo/powietrze,
3. górny poziom palników na przedniej i tylnej ścianie kotła został wyposażony analogicznie jak dolny. Określenie ilości powietrza następuje poprzez wyliczenie różnicy pomiędzy całkowitym strumieniem powietrza i strumieniem powietrza do obu stron kotła dolnego poziomu palników,
4. obie opisane w punktach b) i c) klapy regulacyjne zostały nastawione zgodnie z optymalną wielkością współczynnika lambda, zoptymalizowaną w trakcie uruchomienia kotła.

W celu dopalenia paliwa, zostały przewidziane dwie pary dysz powietrza OFA zabudowane na bocznych ścianach kotła; obie pary dysz są przyporządkowane każdemu z młynów, a ilość dostarczanego do nich powietrza jest oddzielnie mierzona i regulowana.

Konstrukcja palników niskoemisyjnych

Niskoemisyjne palniki produkcji firmy Lentjes, typu WS-M-S, są kombinowanymi palnikami węglowo-olejowymi z koncentrycznie zabudowanymi dyszami stopniowymi. Palniki te są podgrzewane powietrzem paleniskowym (z podgrzewacza powietrza).

Podstawową zaletą tych palników jest możliwość stopniowania powietrza wewnątrz samego palnika, tzn. jądro płomienia pracuje przy niedoborze powietrza, zaś strefy zewnętrzne płomienia przy dużej nadwyżce powietrza. Ten sposób działania powoduje, iż w jądrze płomienia tworzą się tzw. radykały paliwowe, które oddziałują redukcyjnie na NOx.

W rurze powietrza jądra palnika pyłowego jest zabudowana centralnie lanca palnika olejowego. Takie rozwiązanie gwarantuje pewny zapłon pyłu węglowego oraz niezawodne spalanie oleju. Istniejący układ regulacji zabezpiecza palniki przed przekroczeniem mocy znamionowej 100%.

Palniki olejowe mogą być wykorzystane do pracy przy niskiej mocy, jako palniki rozpałkowe i wspierające pracę na węglu. Palniki posiadają wbudowane zapalarki elektryczne.

Koncepcja systemu automatyki sterowania kotłem

Zdecydowano się na oparcie nowego systemu automatyki sterowania kotłem o wypróbowany już w Polsce, nowoczesny system komputerowy SIMATIC firmy SIEMENS umożliwiający kontrolę z trzech głównych poziomów:

 

• operatorskiego,
• procesowego,
• aparatury.

Opis działania instalacji

Do instalacji paleniskowej dostarczany jest pył węglowy, przygotowany uprzednio w dwóch istniejących młynach. Wychodząca z oddzielaczy mieszanka pyło-powietrzna jest doprowadzana pyło-przewodami do palników. Wszystkie palniki umieszczone na jednej ścianie kotła są zasilane przez jeden młyn. W każdym z pyło-przewodów jest zabudowana zasuwa odcinająca.

Powietrze potrzebne do transportu pyłu węglowego (powietrze pierwotne) jest doprowadzone do młynów poprzez istniejący wentylator powietrza, indywidualny dla każdego młyna. Wymagana temperatura odsiewania jest regulowana poprzez istniejące klapy powietrza gorącego i zimnego dla młynów.

Ilości powietrza do spalania oleju opałowego są mierzone i regulowane za pomocą już istniejących urządzeń. Dodatkowo jest przewidziana zabudowa urządzeń pomiarowych dopływu powietrza do dysz OFA i klap regulacyjnych. Regulacja ilości powietrza następuje przez istniejące klapy. Na kanale powietrza przed palnikami przewidziano zabudowę klapy sterowanej elektrycznie, ustawianej lub zamykanej (w przypadku gdy palnik zostanie wyłączony) w pozycji zapłonu lub stanu zimnego. Powietrze jest rozdzielane w palniku, odpowiednio do kryteriów obliczeniowych, na powietrze jądra i płaszczowe. Strumień powietrza jądra jest przejmowany ze skrzynki powietrznej palnika, regulowany za pomocą klapy i doprowadzany do płomienia równolegle do osi palnika. Powietrze płaszczowe jest doprowadzone do płomienia przez nastawny zawirowywacz.

Poprzez nastawę zawirowywacza wpływa się na intensywność mieszania. Zawirowywacze były nastawiane w trakcie rozruchu kotła. Dla uzyskania wystarczającej stabilności zapłonu i płomienia wewnątrz dyszy rozpylającej oleju jest zabudowany ekran zapłonowy (deflektor), w miejscu gdzie spotyka się rozpylone paliwo i powietrze do spalania. Strefa strumienia zwrotnego, tworzona poprzez ekran zapłonowy, zawierająca przede wszystkim gorące spaliny, doprowadza energię do punktu zapłonu (wspomaganie zapłonu). Poza tym następuje lokalne obniżenie prędkości. Zapłon następuje za pomocą elektrycznej lancy wysokonapięciowej. Mufla i końcówka rury jądra palnika są wykonane z materiału odpornego na wysokie temperatury i korozję, materiał ten, zawierający nikiel, jest wystarczająco odporny na erozję popiołową i korozję od soli.

Płyta czołowa palnika jest podzielona na dwie części i składa się z płyty zewnętrznej i wewnętrznej. Płyty czołowe są od wewnątrz izolowane. Na wewnętrznej stronie płyty palnika są zabudowane włazy rewizyjne i palniki zapłonowe. Na zewnętrznej płycie palnika znajduje się obsługa klap kierujących. Płyta ta jest przewidziana pierwotnie do rozbudowy skrzyni palnika.

Realizacja zadania

Pomiary

Pierwszym krokiem przy realizacji zadania było przeprowadzenie pomiarów kotła. W tym celu Lurgi Lentjes Sevice wysłało do Inowrocławia własny samochód pomiarowy i specjalistów, którzy w dniach 2.02-22.02.98 dokonali kontroli instalacji i przeprowadzili odpowiednie pomiary.

Wyniki pomiarów odbiegały od warunków kontraktowych i mogły mieć istotny wpływ na późniejsze wyniki eksploatacyjne.

Zawartość azotu w węglu zmierzona – 1,96% (węgiel Halex) i 2,21% (węgiel z kopalni Szombierki), odbiegała znacznie od wartości gwarancyjnej (Ł1,5%);

Jakość przemiału – jak przedstawiono poniżej pozostawiała wiele do życzenia zwłaszcza ze względu na bardzo duży udział ziarna grubego i bardzo grubego:

 

młyn 1	sito R 90 sito R 200 sito R 1000	54,64%/59,15% 19,94%/12,07% 1,31%/0,81%
młyn 2	sito R 90 sito R 200 sito R 1000	29,54% 11,85% 0,53%
pożądane	sito R 90 sito R 200 sito R 1000	20 – 25% < 2,5% bez pozostałości.

Rozrzut pyłu węglowego – stwierdzono asymetryczność rozrzutu pyłu węglowego pomiędzy poszczególnymi palnikami, maksymalnie +20%/-24% (warunki kontraktowe +/-7%). Ponadto stwierdzono znaczną asymetryczność powietrza nośnego +28%/-14%, odpowiednio dla asymetryczności pyłu węglowego +17%/-19%;

Niedopały w popiele lotnym i żużlu – stwierdzono wysokie straty niedopału, co było związane ze złą jakością przemiału i wysoką asymetrycznością rozdziału pyłu węglowego (wyniki pomiarów przedstawiono w tabeli).

Stwierdzono również nieszczelności na obrotowym podgrzewaczu powietrza.

Przed przystąpieniem do dalszych działań ustalono z zamawiającym stosowne przedsięwzięcia z jego strony, mające na celu zbliżenie się do parametrów gwarantowanych w zawartym kontrakcie, a więc:

 

• polepszenie pracy młynów (przemiał, modernizacja przesiewacza),
• modernizacja uszczelnienia obrotowego podgrzewacza powietrza,
• zalecono dozbrojenie zdmuchiwaczy sadzy.

Równocześnie Lurgi Lentjes Service GmbH podjął decyzję o dokonaniu zmian w konstrukcji standardowego palnika, na dające większe możliwości regulacji stopniowanie powietrza i lepsze zawirowywanie mieszanki.

Obliczenia

W oparciu o wyniki wcześniejszych pomiarów zostały wykonane obliczenia cieplne kotła. Obliczenia te bazują na wypracowanym w ciągu wielu lat doświadczeń w spółce Lurgi Lentjes Service GmbH modelu cieplnym kotła.

Przeprowadzone obliczenia miały za zadanie stwierdzenie zachowania się kotła przed oraz po modernizacji. W ich wyniku została m.in. ustalona optymalna lokalizacja dysz OFA oraz podział powietrza pomiędzy palniki poszczególnych poziomów i dysz OFA. Dane te były wyjściowymi do wykonania projektu wstępnego modernizacji.

 

Niedopał w popiele lotnym	Halex Szombierki wartość kontraktowa	4,75% przy 77 t/h pary 5,16% przy 110 t/h pary 7,11% przy 110 t/h pary <=1,0%
niedopał w żużlu	Halex wartość kontraktowa	60 – 70% przy 110 t/h pary <=5,0%

Projekt

Na bazie dokonanych obliczeń i wyników wizji lokalnej na kotle, wykonano projekt palników, sposobu ich zabudowy, lokalizacji dysz OFA oraz odpowiednich zmian w systemie kanałów powietrza do kotła. Na Politechnice w Essen w Niemczech przeprowadzono symulację komputerową procesu spalania. Równocześnie w ramach projektu podstawowego wykonano założenia dla nowego systemu automatyki kotła. Te ostatnie były niezbędne dla określenia ostatecznego zakresu dostaw tej branży oraz wybory poddostawcy.

Dostawy

Po konsultacji projektu podstawowego z IZCh „Soda Mątwy” S.A. dokonano wyboru dostawców palników i elementów wyposażenia, systemu AKPiA oraz firmy montażowej (dla montażu mechanicznego) i uruchomiono odpowiednie zlecenia.

Prace przygotowawcze

Równocześnie IZCh „Soda Mątwy” S.A. przygotowały się do prac modernizacyjnych będących w jej zakresie, a wynikłych także z przedstawionych wyników pomiarów kotła. Były to głównie:

 

• modernizacja młynów węglowych,
• uszczelnienie obrotowego podgrzewacza powietrza,
• zabudowa klap trymujących na pyło-przewodach z młynów.

Montaż

Prace na kotle rozpoczęto w początku lipca 1998, montaż mechaniczny zakończono we wrześniu 1998, prace w zakresie zabudowy nowego systemu automatyki trwały do końca października. Planowany termin rozpoczęcia rozruchu i ruchu próbnego kotła był w listopadzie.

Rozruch i regulacja

Rozruch kotła po stronie mechanicznej przebiegł praktycznie bez problemów. Specjalista Lurgi Lentjes Service, wspólnie z personelem zamawiającego szybko dokonali optymalizacji kotła.

Osiągane wyniki, w porównaniu z zamierzeniami

• Dotrzymano emisję NOx w wysokości 170 g/GJ, co odpowiada 460 mg/Nm3 (przy 6% zawartości O2 w spalinach), w zakresie wydajności kotła 65 – 110 t/h pary. Dzieje się to pomimo uzyskiwania w dalszym ciągu nie najlepszego przemiału na młynie nr 1 (pozostałość 35-40% na sicie R 200). Standardowo emisja NOx jest utrzymywana przez obsługę kotła na poziomie ok. 430 mg/Nm3, choć nie ma problemów z dotrzymaniem emisji 400 mg/Nm3. Jednakże podniesienie poziomu emisji zmniejsza stratę niedopału.
• W trakcie ruchu próbnego osiągnięto minimalną stabilną pracę kotła przy pracy na węglu wynoszącą 55 t/h pary, przy pracy na jednym lub dwóch młynach. Ustalono doświadczalnie, że kocioł przy tej wydajności pracuje poprawnie, jednakże wartości emisji nieco przekraczają założone normy. Kocioł dotrzymuje natomiast norm emisji NOx od wydajności 65 t/h pary.
• (Zakładano uzyskanie poziomu 70 t/h). Uzyskanie takiej elastyczności kotła jest bardzo ważne z uwagi na wahania w zapotrzebowaniu na parę przy produkcji sody.
• Uzyskano zmniejszenie straty niedopału w popiele i żużlu. Szczególnie duży spadek zanotowano w żużlu (wcześniej obserwowano pływający kożuch węgla w układzie mokrego odprowadzenia żużla pod kotłem).
• Nie zaobserwowano zmniejszenia sprawności kotła, spowodowanej zabudową nowych palników i systemu powietrza OFA.

40-241 Katowice, ul. Hutnicza 3, tel./fax (032) 730-46-17
Biuro w Warszawie:
02-981 Warszawa, ul. Augustówka 5, tel./fax (022) 858-81-08

 

• Strona Lurgi Lentjes Service GmbH