Zastosowanie przedpaleniska cyklonowego, opracowanego przez specjalistów
z Politechniki Wrocławskiej, przeniosłoby polską energetykę
o całą epokę do przodu.

Piotr Kieraciński

Urządzenie prezentują jego twórcy: doc. dr inż. Rudolf Żamojdo i dr inż. Władysław Sikorski z Instytutu Techniki Cieplnej i Mechaniki Płynów Politechniki Wrocławskiej.

Polska energetyka węglem stoi. Użytkownicy domowych kotłowni węglowych starają się kupić węgiel najwyższej jakości. Na pył węglowy decydują się tylko w przypadku kryzysu rodzinnych finansów. Tymczasem wielka energetyka pali głównie pył węglowy.

CZYŚCIEJ I TANIEJ

Spalanie paliw kopalnych powoduje zanieczyszczenie środowiska. Polski węgiel zawiera dużo siarki, która uwalniana jest w trakcie spalania i przekazywana do atmosfery. SO2 zakwasza środowisko. To m.in. spalanie węgla odpowiedzialne jest za kwaśne deszcze niszczące nasze lasy.

Domowi energetycy starają się, aby spalanie w ich piecach przebiegało jak najszybciej. "Mam znakomity ciąg" - chwalą się kolegom. Tymczasem przy szybkim spalaniu węgla w wysokiej temperaturze wytwarzana jest największa ilość tlenków azotu, zwanych przez energetyków
NOx-ami. One także emitowane są przez nasze elektrownie i elektrociepłownie do atmosfery.

Kolejnym ubocznym efektem spalania węgla jest emisja ogromnej ilości popiołów lotnych, które wydostają się z palenisk przez kominy. Nie tylko zanieczyszczają one środowisko, ale także niszczą urządzenia grzewcze. Mineralne drobiny zawarte w popiołach przechodzą wraz z nimi przez stalowe rury kotłowe. Te drobiny ścierają ściany rur, powodując z czasem konieczność wymiany instalacji. O powadze problemu niech świadczy choćby ten fakt, że każda elektrociepłownia ma rury robione z nieco odmiennych gatunków stali, której skład uzależniony jest m.in. od jakości spalanego węgla. Oczywiście, zawsze chodzi o kosztowną stal kwasoodporną.

Wszyscy chcemy mieć ciepło, więc budujemy ciepłownie. Chcemy też żyć w czystym środowisku - dlatego tworzymy normy, które mają nam to zapewnić. Ciepłownie, aby spełnić normy emisji zanieczyszczeń, budują specjalne urządzenia odsiarczające i odazotowujące spaliny. Na kominy nakładają różnego rodzaju filtry - mogą to być np. elektrofiltry lub nowoczesne filtry tkaninowe - wychwytujące popioły lotne. Wszystkie te techniki są niezmiernie kosztowne.

4 marca 1998 r., podczas IX Międzynarodowych Targów Ekologicznych INTEREGO, dyrektor Zespołu Elektrociepłowni S.A. we Wrocławiu odebrał dyplom za zajęcie trzeciego miejsca w konkursie "Czyściej i taniej", przyznany za przedpalenisko cyklonowe. Podczas imprezy urządzenie prezentowali jego twórcy: doc. dr inż. Rudolf Żamojdo i dr inż. Władysław Sikorski z Instytutu Techniki Cieplnej i Mechaniki Płynów Politechniki Wrocławskiej.

Przedpalenisko cyklonowe - zbiornik sorbentu

Zastosowanie filtrów nie rozwiązuje do końca problemu z popiołami - mówi dr Sikorski. Nawet jeżeli Niemcy zabiorą część popiołów na budowę dróg, to i tak rury kotłów zostaną zniszczone. Kosztowne urządzenia odpylające muszą być zainstalowane. Jednak, mimo zainstalowania filtrów o sprawności przekraczającej 95 proc. (najnowocześniejsze filtry tkaninowe mają sprawność ok. 99 proc.), ilość pyłów, jaka przedostaje się do atmosfery, jest ogromna. Mieczysław Teisseyre przedstawił obrazowo ilość pyłów emitowanych przez ofiltrowaną polską energetykę, która odpowiedzialna jest za 30 proc. emisji popiołów lotnych: Z popiołów tych można by w ciągu roku usypać trójkątną pryzmę o podstawie 10 m, rozciągającą się wzdłuż drogi z Wrocławia do Oleśnicy (30 km). Jak wielkie ilości popiołów emitują kominy niech świadczy fakt, że właściwie wszystkie polskie kominy muszą być monitorowane, a taki warunek nałożono na kominy, które emitują więcej niż 800 kg pyłów w ciągu godziny. Popioły wychwycone przez filtry muszą być z nich regularnie usuwane. Są to tysiące ton pyłów, które setki ciężarówek wywożą na specjalnie zabezpieczone, rozległe składowiska.

PATENT NA PRZEDPALENISKO

Politechnika Wrocławska kształci energetyków od 1954 r. Jej mury opuściło ponad 2,5 tys. absolwentów tej specjalności. Trudno obecnie znaleźć w Polsce elektrownię, elektrociepłownię czy biuro projektowe związane z energetyką, gdzie nie pracowałby - często na kierowniczym stanowisku - absolwent PWr. Niemal co roku w murach uczelni odbywa się zjazd absolwentów jakiegoś rocznika. Obecni dyrektorzy pamiętają o swych mistrzach. Ufają im też, zlecając opracowanie rozwiązań technologicznych i urządzeń dla kierowanych przez siebie firm.

Doszliśmy do wniosku - mówi doc. Żamojdo - że najlepiej będzie pozbyć się zanieczyszczeń w miejscu, gdzie one powstają, czyli podczas spalania. I okazało się to możliwe. Pierwsze rozwiązania z tej dziedziny były gotowe już na początku lat 90. Patent nr P-290507 Politechnika otrzymała 31 maja 1991 r. Zespół Elektrociepłowni wrocławskich kierowany jest, oczywiście, przez absolwentów PWr. Postanowili oni skorzystać z doświadczenia macierzystej uczelni. Z gotowym rozwiązaniem problemów wrocławskich elektrociepłowni zgłosiła się już co prawda firma amerykańska. Jednak urządzenie zaproponowane przez Amerykanów było bardzo kosztowne - jak twierdzą polscy specjaliści, także dużo prymitywniejsze od przedpaleniska cyklonowego - a firma postawiła bardzo dużo wstępnych warunków. Dyrektorzy Zespołu Elektrociepłowni zdecydowali się sfinansować budowę urządzenia polskiej konstrukcji, które w dwa i pół roku po rozruchu otrzymało nagrodę na Targach Ekologicznych w Katowicach. Zgłoszono je także w Urzędzie Patentowym RP.

Nie nagroda jest tu jednak najważniejsza - podkreśla dr Sikorski, jeden z twórców przedpaleniska cyklonowego - ale fakt, że od ponad dwóch lat funkcjonuje na skalę półprzemysłową urządzenie, które pozwala uzyskać bardzo efektywne i czyste spalanie pyłu węglowego, dając przy okazji 2 MW ciepła dla miasta. Twórców urządzenia bardzo cieszy, że przemysł zdecydował się na jego budowę i próbną eksploatację. Pamiętają bowiem stworzony dla elektrociepłowni "Czechnica" projekt, który nie został wdrożony - przemysł obawiał się nowego, rodzimego rozwiązania i skorzystał z kosztownej, ale sprawdzonej technologii z Zachodu.

Przedpalenisko cyklonowe ma bardzo wiele zalet. Przede wszystkim pozwala wyeliminować potencjalne źródła skażenia środowiska już w strefie spalania. Jest to najtańszy z możliwych sposobów redukcji zanieczyszczeń. Na dodatek można je montować nie tylko w nowych instalacjach, ale także dobudowywać do kotłów już istniejących. Dzięki temu może z niego korzystać właściwie cała nasza energetyka. Obecnie działające palenisko dostosowane jest do spalania węgla kamiennego. Jednak jego konstruktorzy twierdzą, że możliwe byłoby dostosowanie go do pieców opalanych węglem brunatnym (w Polsce poważną część energii otrzymujemy właśnie z węgla brunatnego).

Zastosowaliśmy wstępną komorę, gdzie następuje zgazowanie paliwa - mówi dr Sikorski. Pył węglowy pali się w niej z niedomiarem powietrza. Dzięki temu na początku pali się on w niskiej temperaturze, bardzo powoli, uwalniając gazy palne. To jest coś w rodzaju minikoksowni. Ta obróbka zamienia węgiel w koks. Pozostałe po tym procesie paliwo spala się bardzo szybko - już jako koks - w komorze cyklonowej. Rozciągnięcie procesu spalania i jego spowolnienie we wstępnej fazie powoduje znaczące zmniejszenie emisji NOx. Dotychczasowe doświadczenia wskazują, że sama technologia spalania z zastosowaniem przedpaleniska cyklonowego ogranicza emisję tlenków azotu o 50 proc.

WIROWANIE LAWY

W celu redukcji siarki stosuje się sorbent wapienny. Dozuje się go punktowo na etapach, na których następuje wydzielanie dwutlenku siarki: w komorze gazowania, w komorze cyklonowej, a nawet w komorze paleniskowej kotła. Tam właśnie są strefy temperatur, w których sorbent najskuteczniej działa. Urządzenie pozwala ograniczyć emisję siarki SO2 o 70 proc. Związana siarka nie musi być specjalnie składowana. Jest ona wraz z popiołami usuwana w postaci granulatu. Ale to już kolejny problem rozwiązany prze fachowców z Instytutu Techniki Cieplnej i Mechaniki Płynów PWr.

Doc. Żamojdo podkreśla efekt związania popiołów lotnych. W wyniku spalania węgla w tradycyjnych kotłach 80-90 proc. popiołów lotnych emitowane jest, przez układ kotłowy, do atmosfery. To ogromne ilości, które narażają elektrociepłownie na opisane już koszty i kłopoty. Poprzez zastosowanie komory cyklonowej produkty mineralne zawarte w popiele węgla są stapiane i przybierają postać rozżarzonej lawy. Jest ona separowana w wirze wytworzonym w komorze cyklonowej i stamtąd spływa do urządzenia granulującego. Ognista lawa wpada tam do wody i w ten sposób powstaje granulat: czarne cząsteczki żwirku o średnicy od kilku do kilkunastu milimetrów. Jest to substancja zupełnie różna od znanego nam powszechnie popiołu czy żużlu powstającego przy spalaniu węgla. Nie zawiera ona - w przeciwieństwie do tamtych - żadnych substancji palnych. Normalne popioły zawierają ok. 1-1,5 proc. nie dopalonego węgla. Jakie są koszty takiego marnotrawstwa w skali całego kraju łatwo sobie wyobrazić, skoro sam Wrocław zużywa rocznie kilkaset tysięcy ton węgla. A cały kraj spala miliony ton tego surowca. Zastosowanie przedpaleniska cyklonowego pozwoliłoby zaoszczędzić ogromne sumy pieniędzy tylko na podstawie tej jednej właściwości.

Granulat, który powstaje w wyniku obróbki popiołów w przedpalenisku, zawiera także związaną przez sorbent wapienny siarkę. Ma on znakomite właściwości: jest lekki i porowaty. To znakomity materiał izolacyjny i wypełniający dla budownictwa.

Zastosowanie przedpaleniska cyklonowego pozwala ograniczyć emisję popiołów lotnych o 90 proc. O tyle mniej pyłów "szlifuje" ściany rur kotłowych i wydostaje się do kominów. Zarazem filtry, które wyłapywały ponad 90 proc. wszystkich popiołów, teraz będą mogły wychwytywać tę samą część z 10 proc. pyłów, których nie zdołano zgranulować w przedpalenisku. Oznacza to znacznie większą niż dotychczas możliwość oczyszczenia spalin z elektrociepłowni przy zastosowaniu tych samych filtrów.

NOWA EPOKA

Polska energetyka stoi na bardzo wysokim poziomie jeśli chodzi o technologie. Odstaje natomiast od wysoko rozwiniętych krajów skalą automatyzacji i skomputeryzowania. Tę różnicę nadrabia opisywane urządzenie. Tylko 8 MB pamięci operacyjnej zajmuje program, który pozwala zza pulpitu komputera sterować pracą całego przedpaleniska oraz monitorować wszystkie zachodzące w nim procesy. Półprzemysłowa instalacja, testowana przez wrocławską elektrociepłownię, jest naszpikowana elektroniką. Znajdują się w niej urządzenia sterujące oraz aparatura pomiarowa. Pozwala ona nie tylko kontrolować przebieg spalania, działanie mechanizmów przedpaleniska, ale także obserwować zmiany różnych parametrów urządzenia. Służy to m.in. do jego stałego udoskonalania. Zastosowanie przedpalenisk na większą skalę przeniosłoby naszą energetykę o całą epokę do przodu - w erę automatyzacji i komputeryzacji.

Urządzenia pomiarowe, które są własnością Zespołu Elektrociepłowni, będą wykorzystywane przez Politechnikę do celów dydaktycznych. Badania na przedpalenisku będą służyły studentom do pisania prac dyplomowych oraz doktoratów. Absolwenci Instytutu wspomagają uczelnię także w wielu innych sytuacjach. Stara poniemiecka kotłownia z 1908 r., która ogrzewała Politechnikę od kilkunastu lat, jest nieczynna. Teraz oprócz funkcji muzealnych będzie służyła także celom dydaktycznym. Remont i przebudowę obiektu prowadzą i finansują zaprzyjaźnione zakłady przemysłowe. Do najpoważniejszych sponsorów Instytutu Techniki Cieplnej i Mechaniki Płynów należą przedsiębiorstwa branży energetycznej: Zespół Elektrociepłowni S.A. we Wrocławiu, Fabryka Kotłów RAFAKO z Raciborza, Zakłady Remontowe Energetyki REMAK. Jesteśmy w stałym kontakcie z naszymi absolwentami - podkreślają pracownicy uczelni.

Uwagi.