Konstrukcja, regulacja i przepisy dotyczące kotłów grzewczych

Specyfika konstrukcji kotłów grzewczych jest związana bezpośrednio z roboczą temperaturą i ciśnieniem. Na przykład zawór bezpieczeństwa dużego kotła parowego pod wysokim ciśnieniem nie może znajdować się wewnątrz budynku, co jest dozwolone w przypadku mniejszych wodnych kotłów grzewczych. Niekontrolowane uwalnianie pary jest niebezpieczne dla pracującego w pobliżu personelu. 

Fot. 1. Typowy kocioł, który może pracować na gazie ziemnym (rury żółte) i oleju opałowym (rury białe)

Z powodu istniejących zagrożeń, przy podłączeniu dwóch kotłów energetycznych do jednego rurociągu parowego, połączenie parowe od każdego z kotłów musi być wyposażone w dwa zawory odcinające i zawór spustowy pomiędzy nimi. Zabezpiecza to przed sytuacją, gdy jeden z kotłów nie pracuje i jest otwarty, ponieważ przechodzi coroczny przegląd techniczny, a awaria zaworu odcinającego mogłaby spowodować cofnięcie do niego pary. Pierwszy zawór na kotle powinien być zaworem jednokierunkowym, zainstalowanym na wylocie, a drugi zawór – zewnętrzny, powinien być zewnętrznym zaworem typu jarzmowego (nakrętki rzymskiej).

Duże kotły parowe podlegają restrykcyjnym przepisom prawnym. W Polsce szczegółowe zasady eksploatacji kotłów parowych i wodnych są definiowane przez Prawo Energetyczne z dnia 10 kwietnia 1997 (z późniejszymi zmianami (Dz.U. Nr 54, poz. 348), a konkretnie przez Rozporządzenie Ministra Gospodarki, Pracy i Polityki Społecznej z dn. 28 kwietnia 2003 (Dz.U. Nr 89, poz. 828) – w sprawie szczegółowych zasad stwierdzania posiadanych

kwalifikacji przez osoby zajmujące się eksploatacją urządzeń, instalacji i sieci. Zasady te obejmują kotły o mocy powyżej 50 kW. W takim przypadku osoby zajmujące się eksploatacją sieci oraz urządzeń instalacji zobowiązane są posiadać kwalifikacje potwierdzone świadectwem wydanym przez komisje kwalifikacyjne. 

Kotły w Polsce podlegają znakowaniu CE na zgodność z dyrektywami nowego podejścia m.in.:

• 97/23/EC na urządzenia ciśnieniowe,
• 92/42/EWG z dnia 21 maja 1992 w sprawie wymagań dotyczących efektywności energetycznej nowych wodnych kotłów grzewczych, opalanych paliwami ciekłymi i gazowymi.
• oraz 93/68/EWG, 2004/8/WE. 

Kontrola procesu spalania 

Wiele kotłów przemysłowych dostosowanych jest do podwójnego zasilania, zazwyczaj jest to gaz ziemny i olej opałowy (fot. 1). Firmy zużywające dużą ilość gazu mogą uzyskać ulgi fiskalne jeśli potrafią zredukować zużycie gazu i przejść na olej. Co ważniejsze, wiele zastosowań przemysłowych nie toleruje przerw w dostawie paliwa. 

Przy spalaniu oleju opałowego konieczne jest rozpylanie (atomizacja) paliwa. Mniejsze kotły w specjalnych obudowach często posługują się rozpylaniem ciśnieniowym, w którym pompa spręża olej do ciśnienia 13 – 20 bar. Większe kotły, ze specjalnymi palnikami do rozpylania paliwa, wymagają pary lub sprężonego powietrza. Rozpylanie parowe potrzebuje mniejszej ilości energii, a jego instalacja jest tańsza. Ponieważ metoda ta wymaga użycia pary pod ciśnieniem, w razie jej braku, systemu nie można ponownie uruchomić na oleju. Dla rozwiązania tego problemu można zainstalować połączenie pozwalające na uruchomienie systemu na propanie. Atomizacja powietrzem wymaga źródła sprężonego powietrza (fot. 2), do uzyskania, którego może być wymagana dmuchawa o większej mocy silnika, niż używana do powietrza potrzebnego do spalania. W rozwiązaniu tym nie tylko zużywa się dużo mocy, ale może ono być również bardzo hałaśliwe. 

Szybkość zasilania paleniska kotłów parowych jest zależna od wielkości odchylenia od nastawy mierzonej przez czujnik ciśnieniowy, który zazwyczaj znajduje się na komorze kotła. W większości kotłów przemysłowych jest stosowana strategia regulacji jednopunktowej, ustawiająca optymalny stosunek paliwa do powietrza dla wymaganego zapotrzebowania na ciepło. Sygnał sterujący szybkością zasilania jest używany do napędzania siłownika, który steruje zarówno dopływem paliwa poprzez modulowanie zaworu, jak i dopływem powietrza do spalania, poprzez regulację przepustnic. 

Krzywki na specjalnym siłowniku mogą mieć specjalne kształty dostosowane do wymagań klienta, odpowiednie dla zapewnienia specjalnych zależności regulacji pozycji pomiędzy sygnałem wejściowym a położeniem wału wyjściowego. Istnieje bardziej wyrafinowana metoda, nazywana pozycjonowaniem równoległym, która polega na posługiwaniu się osobnymi siłownikami do zaworu paliwa i do przepustnic powietrza spalania, co umożliwia bardziej precyzyjne regulowanie całym zakresem procesu zasilania paleniska.  

Regulacja wody zasilającej 

Niezwykle ważnym parametrem jest regulacja wody zasilającej. Jeśli poziom wody w kotle jest zbyt wysoki, krople wody mogą trafić do pary wychodzącej z kotła, powodując uszkodzenie znajdujących się dalej komponentów systemu, takich jak na przykład łopatki turbin. Przy niskim poziomie wody następuje spadek cyrkulacji w piecu, co może powodować przegrzanie się rurek i awarię. 

Fot. 2. Systemy kotłów grzewczych, w których stosowany jest olej, wykorzystują parę wodną do atomizacji. Nie można ich ponownie uruchomić na oleju w przypadku zaniku ciśnienia pary, można jednak uruchomić je ponownie przez zastosowanie atomizacji powietrze-propan, co wymaga. Źródła sprężonego powietrza

Systemy regulacji dopływu wody dzielimy na pojedyncze, podwójne lub potrójne. Systemy jednoelementowe (pojedyncze) działają jedynie na poziom wody w kotle. Kiedy poziom wody spada poniżej punktu nastawy, otwiera się zawór wody zasilającej, wpuszczając więcej wody do kotła. System ten dobrze sprawdza się w zastosowaniach, w których typowa jest powolna zmiana obciążenia oraz w których proporcjonalny sygnał całkujący (PI) jest stosowany do stwierdzenia różnicy pomiędzy rzeczywistym poziomem wody  w kotle a nastawą. 

Fot. 3. Osobny panel sterowania spalaniem jest typowy dla układów wykorzystujących dwuelementową regulację wody zasilającej

Jeśli spodziewane są znaczn

zmiany obciążenia, można rozważyć zastosowanie dwuelementowego (podwójnego) systemu regulacji wody zasilającej. Oprócz poziomu wody wykorzystuje się tu również chwilowy pomiar przepływu pary do obliczania przepływu właściwej ilości uzupełniającej wody zasilającej (fot. 3).

Trzyelementowa (potrójna) regulacja wody zasilającej zawiera dodatkowo pomiar przepływu w linii zasilającej, jak również przepływ pary i poziom w kotle dla zapewnienia jeszcze większego stopnia regulacji. Regulacja potrójna jest zazwyczaj spotykana w kotłowniach miejskich. 

Federalna Agencja Ochrony Środowiska określiła Narodowe Standardy Jakości Powietrza Otoczenia (National Ambient Air Quality Standards – NAAQS), które dotyczą sześciu czynników zanieczyszczających, takich jak: dwutlenek azotu, dwutlenek siarki, ozon, ołów, tlenek węgla oraz cząstki stałe.

Fot. 4. Wstrzykiwanie pary do płomienia palnika może zredukować emisję NOx nawet o 80%, przy spalaniu gazu ziemnego w niskoemisyjnym palniku NOx, takim jak ten zainstalowany w kotle parowym o wydajności 13 608 kg pary/h

W Europie podstawową zasadą wspólnotowej polityki ekologicznej jest zasada zrównoważonego rozwoju. W Polsce, w ramach zasady zrównoważonego rozwoju, opracowano zasady Polityki Energetycznej oraz Drugą Politykę Ekologiczną Państwa. W ramach tej polityki Unia wydaje szereg dyrektyw, które są w trakcie wdrażania lub już zostały w Polsce wdrożone. Podstawowa dyrektywa dotycząca powietrza to 96/62/EC w sprawie zarządzania i nadzorowania jakością powietrza atmosferycznego. W Polsce podstawowym aktem prawnym wprowadzającym tę dyrektywę oraz kilka innych jest: ustawa z dn. 27 kwietnia 2001 Prawo ochrony środowiska oraz akty wykonawcze do tej ustawy, m.in.: – Rozporządzenie Ministra Środowiska z dnia 6 czerwca 2002 w sprawie dopuszczalnych poziomów niektórych substancji w powietrzu, alarmowych poziomów niektórych substancji w powietrzu oraz marginesów tolerancji dopuszczalnych dla niektórych substancji.

W rozporządzeniu tym określono dopuszczalne poziomy zanieczyszczeń dla siedmiu substancji: benzenu, tlenków azotu (dwutlenku i tlenków), dwutlenku siarki, ołowiu, ozonu, cząstek stałych (pył zawieszony PM 10) oraz tlenku węgla.

W przeciwieństwie do innych zanieczyszczeń, związki azotu można zredukować przez samą konstrukcję palnika. Dwutlenek siarki jest zaliczany do zanieczyszczeń, ponieważ reaguje z parą wodną w powietrzu, tworząc kwas siarkowy przyczyniający się do powstawania kwaśnych deszczów. Przejście na paliwa o niskiej zawartości siarki jest najlepszym sposobem na redukcję tego zanieczyszczenia. 

Ozon jest zanieczyszczeniem wtórnym, powstającym na skutek reakcji węglowodorów z tlenkami azotu (NOx). Węglowodory, które czasami nazywa się lotnymi związkami organicznymi (Volatile Organic Compounds – VOC), można redukować przez utrzymywanie właściwych warunków spalania. 

Ołów nie stanowi problemu w przypadku emisji z kotłów energetycznych, chyba że pracują one na oleju odpadowym. Tlenek węgla (CO) powstaje w procesie niepełnego spalania oraz, podobnie jak VOC, jego poziom można regulować poprzez właściwą pracę palnika, a konkretnie przez zapewnienie właściwego stosunku powietrza do paliwa. Jeśli chodzi o siarkę, kluczem do redukcji emisji cząstek jest spalanie wybranych czystych paliw.  

Technologie niskich emisji NO_x 

Na redukcję emisji związków azotu można wpłynąć przez dobór odpowiedniego sprzętu. Obniżenie emisji tego zanieczyszczenia jest celem działań wielu przepisów prawnych, szczególnie przy instalacji nowych kotłów energetycznych. Tlenki NOx lub siarki mogą prowadzić do powstawania kwaśnych deszczów oraz przyczyniać się do powstawania ozonu troposferycznego. 

Kotły energetyczne mogą być źródłem NOx z powodu paliwa oraz wysokiej temperatury. NOx z paliwa tworzy się na skutek reakcji azotu zawartego w paliwie z tlenem znajdującym się w powietrzu i nie stanowi problemu, jeśli paliwem jest gaz ziemny. Jednakże oleje opałowe mogą zawierać znaczne ilości azotu, powstające z nich tlenki mogą stanowić do 50% emisji NOx z kotłów energetycznych. 

Tlenki NOx z procesu termicznego powstają kiedy azot i tlen w spalanym powietrzu łączą się pod wpływem wysokiej temperatury płomienia (ze spalania azotu z powietrza). „Termiczne” NOx stanowią większość NOx powstających podczas spalania gazu ziemnego oraz lekkich olejów opałowych. 

Ponieważ „termiczne” NOx powstają wskutek wysokiej temperatury płomienia palnika, emisję ich można obniżyć przez redukcję temperatury płomienia. Strategie używane do regulowania temperatury płomienia przynależą do kategorii technik regulacji spalania i obejmują recyrkulację spalin oraz wtrysk pary wodnej. Chociaż istnieją również metody pozwalające na redukcję NOx w gazach odlotowych, są one jednak drogie i nie stosuje się ich w kotłach o wydajności poniżej 400 MW.

Istnieje możliwość zredukowania „termicznego” NOx przez modyfikację palnika tak, aby ten produkował większy płomień. Technika ta ma ograniczenia i zazwyczaj łączy się ją z innymi metodami. Jedną z tych metod jest recyrkulacja spalin. Polega ona na zawróceniu części stosunkowo chłodnych spalin z powrotem do strefy spalania w celu zredukowania temperatury płomienia. 

Istnieją dwa rodzaje recyrkulacji spalin. Pierwszy z nich to zewnętrzna recyrkulacja spalin, w której osobny wentylator i system przewodów kierują część spalin z powrotem do palnika. Drugi rodzaj, znany jako indukowana recyrkulacja spalin, polega na używaniu dmuchawy palnika do wprowadzania gazów spalinowych z powrotem  i mieszania ich z nowo wprowadzonym do spalania paliwem i powietrzem. 

Inna technologia obniżania emisji NOx polega na wtrysku pary wodnej do płomienia, co powoduje redukcję jego temperatury, a tym samym redukcję powstawania NOx. W tym rozwiązaniu można zredukować emisje NOx aż o 80% przy spalaniu gazu ziemnego, jednakże towarzyszy temu spadek wydajności procesu spalania o 3 –10% (rys. 4).

W USA każdy nowy kocioł o wydajności powyżej 38 MW podlega regulacjom 1990 CAAA. Ważne jest przedłożenie stosownego wniosku o pozwolenie do lokalnej agencji ochrony środowiska na wczesnych etapach planowania projektu, tak aby można było wprowadzić zmiany przed procesem przetargowym. Wniosek musi zawierać informacje, takie jak proponowana lokalizacja kotła, opis sprzętu, harmonogram instalacji i testowania, oraz listę emisji zanieczyszczeń dla wszystkich substancji, których uwalnianie do atmosfery przekroczy jedną tonę rocznie. Wymagane są również inne obliczenia dodatkowe i schemat procesu. Schemat procesu może być bardzo prosty, uwzględniający parametry proponowanej instalacji, które są ważne dla władz. Są to między innymi: rodzaj paliwa, szybkość spalania, ilość gazów spalinowych oraz konfiguracja komina. 

Po otrzymaniu pozwolenia można rozpocząć budowę i instalację nowego kotła. Następnie, w celu zapewnienia, że spełnione są wymogi emisyjne określone w pozwoleniu, konieczne jest testowanie instalacji. Lokalne władze zajmujące się czystością powietrza dysponują wykazem wykwalifikowanych agencji testujących. Po otrzymaniu raportu zgodności emisji, władze lokalne udzielają pozwolenia na eksploatację urządzenia. 

Podobne procedury obowiązują w Polsce. Z jednej strony kotły jako urządzenia ciśnieniowe wymagają uzyskania znaku CE, z drugiej, ponieważ instalacje są źródłem emisji zanieczyszczeń, wymagają one zgody odpowiednich organów na emisje tych zanieczyszczeń. Dopuszczalne ilości SO2, NOx, pyłów oraz CO zależne są od wielkości jednostki oraz stosowanego paliwa (olej, gaz ziemny, węgiel).  

Artykuł pod redakcją Haliny Gawrońskiej

Autor: Carl C. Schultz, inżynier zakładowy, URS Corp.