„Cała prawda o spalaniu leży w płomieniu” – mówi prof. Waldemar Wójcik. „Jeśli będziemy w stanie na bieżąco go monitorować i umieć nim sterować, będziemy mogli spalać węgiel i biomasę efektywnie i czysto”.

Prawda z płomienia

Piotr Kieraciński

Współczesna energetyka oparta jest na paliwach kopalnych, a w Polsce na węglu. Przed załadowaniem do kotła energetycznego zostaje on w specjalnych młynach przemielony na pył węglowy. Taki pył jest mieszany z powietrzem, wdmuchiwany do kotła energetycznego i spalany w palnikach w odpowiednio ukształtowanym strumieniu, czyli żagwi. Aby praca kotła była wydajna i ekologicznie akceptowalna, spalanie musi przebiegać w ściśle określony sposób. Kocioł – wielkie urządzenie o wysokości 20−30 metrów, wyposażone w 16 – 48 palników – to skomplikowane urządzenie, a jego praca to bardzo złożony proces.

Obserwacja spalania możliwa jest jedynie przez niewielkie otwory inspekcyjne. Powoduje to jednak dość dużą odległość obserwującego od płomienia i nie daje możliwości uzyskania precyzyjnych informacji na temat spalania. Inną metodą uzyskiwania danych o spalaniu jest analiza produktów spalania: tego, co ulatuje w powietrze i pozostałości w postaci popiołów i żużla. Ale tu dane nie pochodzą wprost ze spalania konkretnego palnika i są znacznie opóźnione w stosunku do samego procesu spalania. W rezultacie sterowanie pracą kotła zależy głównie od doświadczenia operatora. Tymczasem spalaniu stawiane są coraz wyższe wymagania, zarówno pod względem efektywności, jaki czystości.

Blisko ognia

Prof. Waldemar Wójcik z sondą światłowodową

W imię czystości spalin, a dokładnie – mniejszej zawartości w nich tlenków azotu, wprowadzono spalanie niskoemisyjne, stosowane dziś powszechnie w Polsce. Przebiega ono w dwóch strefach. W pierwszej spalanie następuje powoli z niedoborem tlenu i obniżoną temperaturą, w drugiej – temperatura wzrasta i dostarczana jest duża ilość tlenu. Jednak, aby ta metoda była faktycznie efektywna, należy dość precyzyjnie sterować płomieniem, a to jest możliwe tylko wtedy, gdy mamy bezpośrednie, uzyskane w czasie rzeczywistym informacje.

– Cała prawda o spalaniu leży w płomieniu – mówi prof. Waldemar Wójcik, szef Katedry Elektroniki Politechniki Lubelskiej. – Jeśli będziemy w stanie na bieżąco go monitorować i umieć nim sterować, będziemy mogli spalać węgiel i biomasę efektywnie i czysto. Do tego zaś potrzebna jest odpowiednia aparatura, która nie zaburzy procesu spalania, a równocześnie będzie mogła go monitorować na bieżąco z bezpośredniej bliskości, czyli z samego płomienia.

Takie urządzenia budowane są w Politechnice Lubelskiej. O ich potrzebie przekonał się współpracownik prof. Wójcika, dr Andrzej Kotyra, który w początkach swej przygody z kotłami energetycznymi usiłował podejrzeć płomień z bliska i osobiście. – Mało mi głowy nie upaliło – wspomina. Prof. Wójcik wyjaśnia: – Podczas otwierania wziernika dla inspekcji w czasie jego pracy możliwe jest wydmuchiwanie płomienia na zewnątrz. Doświadczeni operatorzy wiedzą, że należy zaglądać do niego z boku i z dystansu, aby uniknąć ognistego podmuchu.

Dr Andrzej Kozyra z boroskopem

Ze światłowodem do płomienia

– Problem pojawił się w pierwszej połowie lat 90. – mówi prof. Wójcik. Podczas konferencji przedstawiciel elektrociepłowni z Gdańska zainteresował się możliwością przeniesienia informacji z kotła do nastawni. Naukowcy z Lublina podjęli się tego zadania. – Zużyliśmy ok. 100 metrów światłowodu – wspomina uczony. Zastosowane wówczas rozwiązanie zastępowało czujnik zaniku płomienia. W tamtych latach bowiem to, czy płomień jest, czy go nie ma, było podstawową informacją dla operatora kotła. Przedsięwzięcie się udało. I tak zaczęła się przygoda lubelskich naukowców z zastosowaniem światłowodów do monitorowania pracy kotłów energetycznych.

Mniej więcej w tym samym czasie na seminarium prof. Wójcika w Lublinie pojawił się student z Kozienic. Stwierdził, że problemy i rozwiązania, które są tu omawiane, Elektrowni Kozienice proponują specjaliści z Niemiec. „Może zaprezentujecie swoje rozwiązania?” – zaproponował szefowi katedry. Specjaliści z Lublina pokazali swoje osiągnięcia w dziedzinie monitorowania procesu spalania. Musiały one zrobić wrażenie, bo współpraca Katedry Elektroniki z Kozienicami trwa do dziś.

W 2000 r. zespół prof. Wójcika uzyskał grant na realizację projektu celowego, w ramach którego wykonano światłowodowy układ do monitorowania płomienia, składający się z sondy światłowodowej i bloku optoelektronicznego. – To płomień jest dla nas najbardziej bezpośrednim źródłem informacji na temat spalania – mówi prof. Wójcik. – Im bardziej pulsuje, tym więcej informacji nam przekazuje.

Zasadniczą sprawą dla monitorowania pracy kotła była bezobsługowa praca sondy przez co najmniej trzy miesiące. Największym problemem bowiem jest wygaszanie i rozruch kotłów. Pierwszy model sondy został wdrożony przez przedsiębiorstwo Optotrakt, którego udziałowcem jest Politechnika Lubelska. Urządzenie uzyskało też certyfikat dopuszczenia do pracy w przemyśle. Wkrótce potem powstał kolejny model sondy. Oba mogły pracować w temperaturze 400 stopni Celsjusza. Tymczasem w kotle panują wyższe temperatury. Przy ścianach sięgają one 500o. Sondzie, która ma postać wysokotemperaturowego światłowodowego kabla obudowanego metalową osłoną, towarzyszyła skrzynia zawierająca oprzyrządowanie elektroniczne. Trzeba ją było nosić ze sobą i w praktyce do obsługi sondy potrzebne były przynajmniej dwie osoby. Obecnie budowana jest trzecia generacja urządzenia. Dr Andrzej Kotyra, adiunkt w Katedrze Elektroniki, mówi, że będzie ona odporna na temperaturę 700oC. Będzie też bardziej kompaktowa – cała elektronika znajdzie się w metalowej obudowie – i przez to łatwiejsza w stosowaniu. Obsłuży ją jedna osoba. Dużym problemem jest uzyskanie odporności głowicy sondy na zabrudzenia – pracuje ona bowiem w środowisku pyłu węglowego.

Zadanie realizowane jest z kolejnego grantu MNiSW. W sumie w obecnym stuleciu zespół prof. Wójcika uzyskał na realizację swych projektów badawczych 8 grantów, w tym 4 ministerialne, 4 międzynarodowe (w tym 2 w ramach 5.PR UE). Obecnie trwają przygotowania do podpisania umowy z Vattenfallem (Siekierki).

Boroskop

Światłowód ma szereg zalet, ale ma też ograniczenia – nie jest układem obrazowodowym. Pokazuje tylko pulsację płomienia w pewnym zakresie widma, a nie pełny obraz. Dlatego niedawno zakupiono boroskop. Z wyglądu urządzenie bardzo podobne do sondy światłowodowej, jednak działające na innej zasadzie. Za przekaz pełnego obrazu płomienia odpowiada szybka kamera, podczas gdy sonda światłowodowa umożliwiała obserwację płomienia w kilku miejscach. Może ona pracować w temperaturze do 2000oC. Za chłodzenie w warunkach przemysłowych odpowiada niewielki kompaktowy układ, który został opatentowany. Zakup tego aparatu umożliwi jeszcze bardziej bezpośrednią oraz dokładną obserwację i analizę płomienia.

Algorytm ognia

Bardzo ważnym elementem procesu spalania jest dozowanie pyłu do palników. W przypadku spalania niskoemisyjnego, różnice między ilością pyłu dostarczanego do poszczególnych palników nie powinny przekraczać 10 proc. W innym wypadku, zamiast oczekiwanego zmniejszenia emisji tlenków azotu możemy uzyskać bardziej szkodliwe spaliny. Monitorowanie i skuteczne, precyzyjne dozowanie pyłu to kolejne zadanie grupy prof. Wójcika. Zazwyczaj operator kotła bazuje na swoim doświadczeniu i uśrednionych danych ze wszystkich palników, z całego kotła. Tymczasem precyzyjne, czyli ekonomiczne i ekologiczne, spalanie wymaga kontroli i informacji uzyskanych z poszczególnych palników. – Każdy palnik powinien być wyposażony w sondę. Tylko wtedy uzyskamy rzetelne informacje o tym, co się dzieje w kotle oraz możliwość takiego sterowania jego pracą, by spalanie przebiegało w optymalnych warunkach – mówi prof. Wójcik.

Kolejny grant MNiSW dotyczy zbudowania takiego układu pomiarowo−sterującego, który uwzględni jak najwięcej parametrów pracy kotła. Układ sterowania procesem spalania będzie zawierał: pomiar ilości pyłu dostarczanego do poszczególnych palników, badanie on−line pozostałości niespalonego węgla w żużlu oraz sieciowy pomiar w czasie rzeczywistym tlenku węgla w różnych punktach kotła i oczywiście bezpośrednią informację z płomienia. Na podstawie badań zostanie skonstruowany algorytm, który pozwoli efektywnie sterować procesem spalania.

Od węgla do biomasy

Wszystko, czym zajmuje się zespół prof. Wójcika, musi być robione w dużej skali – przemysłowej lub półprzemysłowej. W przeciwnym razie uzyskane wyniki nie będą prawdziwe. Dlatego do jego badań niezbędna jest współpraca z zakładami przemysłowymi. Oprócz wspomnianej Elektrowni Kozienice, uczeni z Lublina prowadzili prace w Elektrociepłowni Stalowa Wola, gdzie badali spalanie biomasy. Prowadzą też prace na instalacji półprzemysłowej zlokalizowanej w Instytucie Elektroenergetyki w Warszawie.

W dalszych planach mają zbudowanie podobnej instalacji do spalania gazów i cieczy w ramach Centrum Zaawansowanych Technologii Politechniki Lubelskiej. Przydałaby się bardzo, bo wspólnie z zespołem prof. Lucjana Pawłowskiego z Wydziału Inżynierii Środowiska PL zespół prof. Wójcika podjął badania nad spalaniem biomasy i biogazów z niej uzyskanych. W tej chwili biomasa nie jest wykorzystywana na dużą skalę. Natomiast zgazowanie odpadów drewna i innych surowców naturalnych pozwoliłoby uzyskać ekonomiczny i ekologiczny gaz, który może być spalany sam lub w mieszance z pyłem węglowym. Ustalenie parametrów technicznych tego procesu to zadanie, jakie stoi przed uczonymi z Politechniki Lubelskiej.