Možnosti použití výparníků typu La Mont u kotlů spalujících biomasu

Úvod

Spalování biomasy, a tím uvolňování tepla pro přímé využití člověkem, stojí na prahu jeho civilizačního vývoje.Postupně vzrůstající potřeba tepla pro další využití a přeměnu na jiné formy energie byla však umožněna použitím fosilních paliv, tj. uhlí ,ropy a zemního plynu. Nejběžnější forma přeměny chemicky vázané energie v palivu probíhá nejčastěji přes vodní páru, která se vyráběla a vyrábí v parních kotlích , spalujících převážně fosilní paliva. Lidstvo se vrací ve větší míře k použití biomasy jako paliva opět teprve v současnosti, tj. v posledních 20 až 30 letech, kdy ve srovnání s dlouhou předchozí periodou dochází k velkému rozmachu vývoje a použití parních kotlů spalujících biomasu. Náplní tohoto příspěvku není vyjmenovat důvody, proč došlo k tomuto vývoji, či systematicky analyzovat výhody, nevýhody a možnosti využití biopaliv ve srovnání s ostatními palivy, ale přispět k hledání optimálního řešení dílčího funkčního uzlu, jímž je u každého parního kotle jeho výparník, tj. výměník, v němž se vyrábí z předehřáté napájecí vody sytá pára, samozřejmě v souvislosti s problematikou spalování biomasy. Parní kotel se dělí na dva principielně funkčně odlišné celky:

• a to spalovací zařízení, v němž dochází k přeměně chemicky vázané energie paliva na energii tepelnou, představovanou citelným teplem vzniklých spalin
• a systém tlakových výměníků tepla spaliny-voda

Spalovací zařízení pro biomasu

Biomasa jako palivo se významně odlišuje od, u nás tradičně, využívaného uhlí, a proto i konstrukce kotlů a jejich spalovacích zařízení se odlišuje. Z fyzikálních vlastností lze zmínit zejména výrazně nižší hustotu i sypnou hmotnost, velmi špatnou melitelnost (respektive možnost úpravy na optimální granulometrii) a vysokou houževnatost. Nižší sypná hmotnost (i hustota) znamená, že pro dopravu stejného množství paliva do kotle je potřeba palivová trasa, která je pro daný tepelný příkon schopna přepravit výrazně větší objem paliva, než je tomu u uhlí. Špatná melitelnost omezuje využití biomasy v těch typech kotlů, kde je potřeba úprava částic paliva na menší velikost.

Z tohoto důvodu se prakticky nepoužívají práškové kotle spalující čistou biomasu, neboť vyžadují úpravu částic paliva na rozměry okolo desítek až stovek µm, což je hodnota u biomasy velmi obtížně dosažitelná. V praxi existují práškové kotle nižších výkonů (jednotky MW) na biomasu pouze ve specifických případech, kdy je k dispozici biomasa ve formě pilin nebo prachu jako odpadní produkty z jiného provozu, a není nutné velikost upravovat. I tyto kotle jsou však konstruovány tak, že se jedná o kombinaci spalování na roštu (hrubší frakce) a práškového hořáku (prachová frakce).

Z palivových vlastností je významnou odlišností velká variabilita vlhkosti paliva, která závisí na řadě faktorů, jako je původ biomasy, ale i způsob jejího zpracování, skladování a manipulace. Obecně platí, že biomasa pro větší zdroje musí být ekonomicky dostupná v dostatečném množství, a proto je obvykle horší kvality, mimo jiné většinou i s vysokým obsahem vody, který může dosahovat až 50 – 55 %. Z tohoto důvodu se zejména u menších výkonů spalovací komora kotle vyzdívá a provozuje se v adiabatickém (nechlazeném) režimu, aby nedošlo vlivem velkého množství tepla potřebného na odpaření vlhkosti k příliš velkému poklesu teploty v ohništi. Veškeré teplosměnné plochy kotle jsou pak řazeny až za spalovací komorou. U větších výkonů je pak vhodné využití fluidní vrstvy, kde potřebnou akumulaci tepla zajišťuje inertní náplň vrstvy a je pak možné použít spalovací komoru chlazenou. S vlhkostí biopaliva souvisí i nutnost předehřevu spalovacího vzduchu. Předehřev se nepoužívá, pokud má biopalivo dostatečnou výhřevnost, tj. okolo 11 MJ/kg, což přibližně odpovídá obsahu vody okolo 35 %.

Při vyšší vlhkosti je pak vhodný předehřev spalovacího vzduchu nebo lze využít recirkulace spalin a jejich přimíchání do primárního spalovacího vzduchu. Při vyšší vlhkosti paliva se u roštových kotlů rovněž používá pro předsoušení vlastních spalin přímo na vstupu paliva do spalovací komory, které jsou vedeny zpět z konce ohniště pod odraznou klenbu, která potom sáláním vysouší vstupující palivo, a slouží i jako akumulace tepla pro případné výkyvy ve vlhkosti paliva. Zcela samostatnou kapitolou je úprava vlhké biomasy sušením odpadním teplem, která patří do oblasti zušlechťování paliv a která pak samozřejmě ovlivňuje konstrukci kotle zásadním způsobem.

Další velkou odlišností biomasy od uhlí je obsah prchavé hořlaviny, který může být i podstatně vyšší, vztaženo na hořlavinu paliva např. 50 % u hnědého uhlí a 85 % u biomasy. Obecně u biomasy velmi výrazně převažuje prchavý podíl hořlaviny nad fixním podílem a prchavý podíl je navíc z velké míry tvořen nízkovroucími uhlovodíky. To znamená, že při ohřátí biomasy na teplotu už okolo 250 °C, začíná docházet k masivnímu uvolňování produktů rozkladu uhlovodíkových struktur biopaliva, které je velmi rychlé. Tomu je nutné přizpůsobit i spalovací režim, zejména přívod spalovacího vzduchu. Například u roštového spalování uhlí plně postačuje přívod spalovacího vzduchu pod rošt, neboť na něm probíhá hlavní část spalovacího procesu. U biomasy toto postačující není. Pokud se přivede spalovací vzduch pouze pod rošt, není možné efektivně promíchat vzduch a uvolněnou prchavou hořlavinu, aby došlo k dokonalému spálení. Výsledkem je vysoký obsah nespálených uhlovodíků a CO ve spalinách, kondenzace uhlovodíků ve formě dehtu na chladnějších teplosměnných plochách kotle a výrazně snížená účinnost. Spalování biomasy se proto obvykle řeší s vícestupňovým přívodem vzduchu.

V případě roštového ohniště je jako primární vzduch pod rošt přivedeno obvykle zhruba poloviční množství vzduchu, než je stechiometricky potřebné. Na roštu tak dochází zejména k odplynění a pyrolýze a pouze k částečnému spálení paliva na CO. Zbytek vzduchu se přivádí ve vyšších úrovních spalovací komory ve formě sekundárního, popř. terciárního vzduchu. Tento princip se využívá jak u roštových, tak u fluidních kotlů na spalování biomasy. Vzduch je přiváděn mimo oblast tuhé fáze paliva, a proto lze zajistit dobré smíchání se vzniklými spalinami. Nespálené uhlovodíky, produkty pyrolýzy i oxid uhelnatý tak hoří v homogenní plynné směsi a lze tím dosáhnout velmi dobrého stupně vyhoření. Proto se i obvykle liší geometrie spalovací komory pro biomasu, kde je potřeba zajistit dostatečně dlouhou dráhu pro vyhoření plynných produktů, přičemž nesmí dojít k přílišnému vychlazení tohoto dohořívacího prostoru. Z toho důvodu se obvykle staví v adiabatickém provedení, tj. bez anebo s minimálním odvodem tepla. Zejména u nižších tepelných výkonů (do jednotek MW) zde totiž opět v případě chlazené spalovací komory hrozí riziko přílišného snížení teploty v ohništi, které znamená kondenzaci uhlovodíků ze spalin a tvorbu dehtových nánosů.

U roštových kotlů, zejména tam, kde je rošt chlazený vodou, pak hrozí i riziko kondenzace pyrolýzních produktů na roštu. Kondenzát obsahuje i agresivní složky, např. kyseliny, které pak mohou způsobit korozi a významně zkrátit životnost roštu. Další specifickou vlastností zejména biomasy zemědělského původu je relativně nízká teplota tavitelnosti popelovin. U některých druhů biomasy byly zjištěny i teploty okolo 750-800 °C. Nízká teplota tavitelnosti je riziko zejména pro fluidní kotel, kdy může dojít k zapečení vrstvy a odstavení kotle.

Je nutné bezpodmínečně řídit teplotu vrstvy. Problém je to i u roštových kotlů, kde dochází k nalepování roztavených popelovin na rošt i vyzdívky a jejich poškození. Z výše popsaných hlavních specifických vlastností biomasy se tak odvíjí i konstrukce spalovacích zařízení. Pro větší výkony a vlhké palivo se používají fluidní kotle, a to jak s cirkulující, tak i se stacionární fluidní vrstvou, nejtypičtějším palivem je nepředsušená dřevní štěpka. Dominantní jsou však v současnosti roštové kotle. Pro menší výkony do jednotek MW se staví jako vertikální ohniště s podsuvným roštem a třístupňovým přívodem spalovacího vzduchu nebo horizontální ohniště s hořákem a keramickou dohořívací komorou. Pro větší výkony se obvykle používají roštové kotle se šikmým podsuvným, případně chlazeným vodou, a nebo s přesuvným,příp. vratisuvným roštem pro paliva s vysokou vlhkostí. Zejména kotle s nižšími výkonu mají celou spalovací komoru vyzděnou a pracují v adiabatickém režimu.

Systém tlakových výměníků tepla

Systém tlakových výměníků tepla spaliny-voda tvoří obvykle ohřívák vody, výparník a přehříváky. Nejvýznamnější částí výměníkového, tzv. tlakového systému parního kotle, je výparník, neboť ve většině případů odebírá největší podíl uvolněného tepla. To platí zvláště pro kotle s nižšími parametry páry, tj. tlakem a teplotou, jak je tomu často u kotlů, spalujících biomasu. Existují různé koncepční typy výparníků, od historicky nejstarších, tzv. velkoprostorových, k nimž patří výparníky plamencové, žárotrubné a kombinované. Příklad kotle s žárotrubným výparníkem je na obr. 1.

V současné době se převážně konstruují později se vyvinuté výparníky vodotrubné, které se dnes téměř výhradně používají u kotelních jednotek velkých výkonů. Základním předpokladem správné a spolehlivé funkce resp. provozu vodotrubného výparníku, zvláště z hlediska spolehlivého chlazení výparníkové výhřevné plochy je nutnost zajištění spolehlivého a dostatečně intenzivního pohybu vody, resp. parovodní směsi.

Je tomu tak dále i proto, že vzniklá pára musí být odvedena a jímána, resp. shromažďována, ve vhodném prostoru, jímž je buben kotle, aby tam eventuálně mohla být dále upravena a odtud odvedena do přehříváku. Kromě potřeby dosáhnout dostatečně intenzivního pohybu parovodní směsi ve výparníku je také třeba, aby parovodní směs obsahovala dostatečně velký objemový podíl neodpařené vody, a to řádově kolem 20 %, které bezpečně stačí pokrýt tzv. vodním filmem vnitřní stěnu varnice. Tím je zajištěno její bezpečné chlazení.

Oba požadavky spolu samozřejmě souvisí. Pokud je ve směsi vody méně dochází k tzv. krizi varu 2. druhu, při čemž se zhoršuje přestup tepla, a tím chlazení stěny a trubka se může poškodit. Veškerá voda vstupující do výparníku se po průchodu výparníkem na jeho konci nemůže u tohoto typu odpařit a vrací se opět zavodňovacími trubkami na jeho počátek, čímž se uzavírá tzv. oběhový okruh. Toto jsou tzv. výparníky s cirkulací, nejčastěji přirozenou, neboť nastává samovolně v důsledku rozdílu měrných hmotností vody v zavodňovací části okruhu a parovodní směsi v tzv. varnicích výparníku.

Vzniklý tlakový rozdíl je ovšem poměrně malý, řádově 103 Pa na 1 metr výšky, a musí překonat všechny odpory proudícího média, tj. vody a parovodní směsi v oběhovém okruhu. To má za následek, že výparníková trubka, proto, aby měla malý odpor, musí být volena o dostatečně velkém průměru, čímž z pevnostního hlediska narůstá potřeba větší tloušťky stěny, a tudíž vzrůstá hmotnost a cena výparník. Trubky musí být vedeny v trvale vzestupném směru bez sestupných částí, protože by mohly vzniknout tzv. parní pytle, které by brzdily oběh resp. snižovaly hnací tlakový rozdíl, kde by se mohla trubka přehřát a porušit.

Hnací tlakový rozdíl u přirozeného oběhu klesá se stoupajícím tlakem v kotli a při kritickém tlaku by tento přetlak téměř zmizel. Proto již v období 30. let minulého století, kdy docházelo z důvodu dosažení vyšší účinnosti výroby elektřiny k trvalému růstu tlaku kotlů, byl navržen systém s pomocným oběhovým čerpadlem, nazývaný La Mont. U tohoto systému není třeba spoléhat na přirozenou cirkulaci a tvar, délku a konfiguraci trubek lze volit mnohem volněji. Výše zmíněný požadavek na minimální nutný obsah vody v parovodní směsi pro výparníky s přirozeným oběhem v závislosti na tlaku je podle [3] a dalších autorů vyznačen obr. 3.

Pro výparníky typu La Mont se takto formulovaný požadavek na maximální přípustný podíl páry neuvádí. Z logiky problému plyne, že i zde by se mělo vycházet z těchto hodnot, přičemž z hlediska garance větší bezpečnosti a rovnoměrnosti průtoku jednotlivými paralelními hady můžeme u výparníku La Mont připustit minimální podíl vody na konci varnice nižší. Možnosti řešení koncepce a konfigurace výparníkových trubek u výparníků typu La Mont ukazuje obr 2.

Jak bylo již zmíněno byly původně kotle resp. výparníky systému La Mont vyvinuty pro vysoké tlaky, kde jsou jejich výhody nejvýraznější.. Pro optimální návrh byly doporučeny volby číselných velikostí některých parametrů, které vedou k k optimálním provozním vlastnostem a maximálnímu využití výhod tohoto řešení. Jsou to hlavně průměr a délka varnic, přijatelná tlaková ztráta oběhového okruhu a tlaková ztráta clonek, které byly do oběhových okruhů montovány. Jejich hodnoty jsou uvedeny v tabulce 1 [2]. Protože tyto výparníky byly původně navrženy pro kotle vysokotlaké, tj. nad 10 MPa, je třeba je pro kotle na biomasu, kde jsou převážně z různých důvodů voleny nižší tlaky, tato doporučení ověřit resp. upravit.

Tabulka 1: Navrhování kotlů La Mont podle [2]

Parní výkon Mp [t.h-1]	2 až 300 (650) 650
Výhřevná plocha [m2]	1 500 m2 i více
Tlak p [MPa]	0,1 až 13,0 (17)
Vnější Ø trubek d2 [mm]	32, 38
Délka varnic L [m]	20 až 40
Cirkulační číslo [-]	5 až 8
Celková tlaková ztráta Δp [MPa]	0,25 až 0,3
Vstupní rychlost vody w0 [m.s-1]	1 až 1,5
Průměr clonky [mm]	8 až 12
Nejvyšší tlaková ztráta varnice Δpvar [Mpa]	0,1 MPa
Tlaková ztráta clonky Δpcl [MPa]	minimální jak Δpv

Změny se týkají hlavně volby rychlosti vody a tzv. cirkulačního čísla výparníku, které souvisí s odpory oběhového okruhu a potřebným příkonem oběhového čerpadla, a dále, jak bylo výše uvedeno, s rizikem nedostatečného chlazení konce varnic při malém vodním podílu v parovodní směsi. Zachování souvislého vodního filmu na vnitřní stěně výparníkové trubky vyžaduje již výše zmíněný maximální přípustný obsah páry, resp. určitý minimální objemový podíl vody. Praktičtější je však pracovat resp. tento podíl přepočítat na hmotnostní podíl obvykle označovaný jako suchost páry x.

Mezi objemovým podílem vodní páry ß a hmotnostním podílem x, resp. tzv. suchostí páry, platí vztahy ( v´ a v´´ jsou měrné objemy vody a pára na mezi sytosti).

Výparník musí být navržen tak, aby pro daný tlak byla na konci varnice parovodní směs se suchostí x , menší nebo rovnou hodnotě ze vztahu (2) Převratnou hodnotou výstupní suchosti x je přibližně tzv. cirkulační číslo C, které je v kotlářské praxi považováno za základní ukazatel spolehlivosti funkce výparníku. Číselné hodnoty požadovaných cirkulačních čísel výparníků pro požadovaný maximální přípustný objemový podíl vodní páry ß, dle obr. 3 pro přirozený oběh jsou na tab. 2. 

Tabulka 2: Volba cirkulačního čísla pro přirozený oběh na základě poměru ß [5]

p	C
0,5	49
1,0	31,3
2,0	20
3,0	15,8
4,0	13,4

Obecně platí, že čím vyšší je cirkulační číslo, tím je provoz spolehlivější.. Současně, zdánlivě paradoxně i platí , že u výparníků typu La Mont tlaková ztráta se stoupajícím cirkulačním číslem klesá. Pro trubky 38/32 mm, což je běžný rozměr použitelných trubek se tlaková ztráta výparníku přibližně vypočítat dle vztahu (blíže odvozeno v [5]) .

Ze vztahu plyne, že tlaková ztráta resp. potřebný dopravní přetlak oběhového čerpadla silně závisí na volbě w₀ a nepřímo je úměrná tlaku ve výparníku p a čtverci cirkulačního čísla C₂. Proti doporučení klasické literatury [2], která , jak bylo vysvětleno, platí resp. se zabývala spíše vysokotlakými kotli typu La Mont je třeba u většinou nízkotlakých kotlů na spalování biomasy volit vstupní rychlost vody spíše nižší (avšak větší než 0,3 m/s a menší než 1 m/s) a cirkulační číslo vyšší, přibližně dle tabulky 2. Hodnoty uváděné v tabulce 1 platí tedy pouze pro vysokotlaké kotle. Potřebný příkon oběhového čerpadla se pak vypočte s použitím předchozího výrazu pro určení .p (4) dle vztahu (pro samotnou varnici),

z něhož vidíme vliv jednotlivých parametrů. Při jejich správné volbě vychází příkon oběhového čerpadla, což se někdy uvádí jako negativum této koncepce, zanedbatelně malý, při nesprávné volbě C a w₀ vychází příkon čerpadla zbytečně velký a stoupá vlastní spotřeba kotle. Např. pro výparník s tlakem p = 1 MPa, pro C = 30, w₀ = 0,8 m/s, při účinnosti čerpadla č = 0,6 a výhřevné ploše výparníku 100 m² (odvozené vztahy platí pro otápění celého obvodu trubky) a měrném tepelném zatížení 20 kW/m², což odpovídá parnímu výkonu cca 4 t/h vyjde příkon čerpadla, při 40% rezervě na další odpory oběhového okruhu, které v konkrétním případě je nutno dopočítat. Výstupní rychlost parovodní směsi pro w₀ = 0,8 m/s

Kdybychom zvolili cirkulační číslo podle tabulky 1, tj. z klasické literatury např. C = 5 a rychlost w₀ = 1,0 m/s vyjde příkon čerpadla 16 kW délka hadu 121 m a výstupní rychlost parovodní směsi w_x = 31,6 m/s. Při nízkých cirkulačních číslech a nízkém tlaku není dále také zaručen dostatečný objemový podíl vody ve směsi na konci výparníku, např. pro p = 1,0 MPa a C = 4 , což by ještě byla hodnota přípustná dle tabulky 1, vyjde dle vztahu (1) ß = 0,983, tedy pouze objemově 1,7 % vody, což nemůže zajistit vytvoření souvislého vodního filmu v trubce a tudíž její bezpečné chlazení.. Rychlost parovodní směsi by v tomto případ byla dokonce 43,7 m/s. Volba dříve doporučovaných hodnot vstupní rychlosti vody a cirkulačních čísel není pro nízké tlaky, které mohou být použity u kotlů na biomasu, kromě již uvedených zbytečně vysokých tlakových ztrát výparníku a tudíž i příkonu oběhového čerpadla správná též proto, že hrozí nebezpečí vzniku erozní koroze [4]. V důsledku velké rychlosti parovodní směsi může dojít zvláště v ohybech trubek k trvalému vymývání vznikající ochranné vrstvičky Fe₃O₄, takže se zmenšuje intenzivně tloušťka stěny trubky až dojde k její poruše. Rychlost úbytku tloušťky stěny je závislá kromě rychlosti parovodní směsi dále na teplotě, druhu materiálu trubky a alkalitě kotelní vody Závislost úbytku materiálu na výše uvedených faktorech ukazují obrázky 4 až 6 [4] Zajímavé je, kromě toho, že erozní koroze se objevuje právě jen v oblasti nízkých tlaků je i závislost na alkalitě vody, což může být jediná možná cesta nápravy u již špatně navržených systémů.

Problematika clonkování výparníků La Mont

Klasické výparníky La Mont byly clonkovány a to z těchto důvodů:

• při různých tepelných zatíženích , různých konstrukčních provedeních jednotlivých paralelních cirkulačních okruhů slouží clonky k nastavení takového průtoku, aby bylo dosaženo požadované cirkulační číslo
• clonka na začátku varnice stabilizuje a zrovnoměrňuje průtok paralelními větvemi výparníku, evt. může vyhladit sedlo hydraulické charakteristiky výparníku a tím zabránit nestabilitě prodění, tj. kolísání průtoku v jednotlivých paralelních hadech
• clonky nejsou nutné u výparníků, které mají zajištěn stejný průtok stejným konstrukčním provedením paralelních elementů a stejným otápěním, či pokud byl proveden podrobný hydraulický výpočet, který potřebu clonkování vyloučil

Závěry

Z nastíněné problematiky užití výparníků La Mont v konstrukci kotlů na biopaliva plynou tyto závěry.

1. Metodika návrhu výparníků typu La Mont je známa a prakticky ověřena.
2. Koncepce výparníku La Mont umožňuje volnější koncepční a konstrukční řešení kotle s použitím jednoduchých prvků, které nejsou výparníku s přirozeným oběhem přípustné, jako jsou např. horizontální hady.
3. Výparníky jsou lehčí a tudíž investičně levnější než výparníky s přirozeným oběhem.
4. Kotle s výparníky La Mont jsou z hlediska výkonu regulačně pružné, mají kratší dobu startu avšak menší akumulaci.
5. Krytí kolísavého odběru musí být řešeno výkonově pružným spalovacím zařízením.

Literatura

• [1] Ševelová K. a kol.: Parní kotle, VŠB-TU Ostrava, 2007
• [2] Ledinegg ,M.: Dampferzeugung, Springer Sien 1952
• [3] Jirouš,F.: Mezní suchost páry ve varnicích parních kotlů s přirozeným oběhem, Strojírenství 8/1980
• [4] Heitmann,H.G, Erosionskorosion in Wasserkreilaufen – Ursachen und Kastner,W.: Gegenmassnahmen, VGB Kraftwerkstechnik 62 (1982) H.3
• [5] Janeba,B.: Možnosti aplikace výparníků typu La Mont u kotlů na odpadní, Sborník konference Kotle“88“, Dům techniky ČSVTS Ostrava

Článek byl zveřejněn ve sborníku konference Energetika a biomasa 2010.

Tweet

Bioplynová stanice s kogeneračními jednotkami TEDOM

Olej pro plynové motory – klíčová volba pro kogenerační jednotky

Kam směřuje české odpadové hospodářství z pohledu prevence jejich vzniku?

Jak získat udržitelnou biomasu

Biometan se vyplatí a má budoucnost