Prevádzkové problémy a poruchy kotlov spaľujúcich tuhé biopalivá Ing. Ján K u d l o v s k ý, odborný poradca, Košice

Úvod

Znižovanie zásob fosílnych palív, najmä ropy a naliehavé potreby ochrany prírodného

a životného prostredia, predovšetkým zníženia produkcie oxidu uhličitého (CO2) a iných

škodlivých látok znečisťujúcich ovzdušie, vyvolali zvýšený záujem o využívanie energie

obnoviteľných zdrojov vrátane biomasy.

Autor sa v príspevku zaoberá využívaním zdrojov energie tuhých biopalív v osvedčených

klasických tepelných okruhoch, určených spravidla na výrobu elektrickej energie a na

dodávku tepla. Analyzuje aj niektoré základné problémy v prevádzke kotlov na spaľovanie

biomasy a niektoré špecifické procesy poškodzovania tlakových aj netlakových zariadení

a ich komponentov. Pritom uplatňuje princíp uceleného prístupu k revíziám a kontrolám

technického stavu kotlov, ktorý zahŕňa nielen posudzovanie stavu tlakových častí, ale aj stavu

spaľovacích zariadení, stavu zanesenia, izolácie a výmurovky, nosnej konštrukcie a podobne.

1. Tuhé biopalivá a ich základné vlastnosti

Biomasu tvoria biologicky rozložiteľné časti výrobkov, odpadu a zvyškov biologického

pôvodu z poľnohospodárstva (vrátane rastlinných a živočíšnych látok), lesného hospodárstva

a príbuzných odvetví vrátane rybného hospodárstva a akvakultúry, ako aj biologicky

rozložiteľné časti priemyselného a komunálneho odpadu.

Tuhé biopalivo je tuhé palivo vyrobené priamo alebo nepriamo z biomasy, určené na

energetické využitie. V oblasti využívania tuhých biopalív sú dôležité informácie

a požiadavky obsiahnuté v STN EN ISO 17225-1 [1], ktorá od januára 2015 nahradila

predtým platnú STN EN 14961–1 z júla 2010. Podľa normy [1] sa tuhé biopaliva špecifikujú

podľa dvoch základných hľadísk, a to: a) podľa ich pôvodu a zdroja, b) podľa hlavnej

obchodnej formy a vlastností.

Podľa pôvodu a zdroja sa rozlišujú tieto skupiny tuhých palív – biomasy:

a) drevná biomasa, napríklad lesné a plantážové drevo, vedľajšie produkty a zvyšky

drevospracujúceho priemyslu, použité drevo a rozličné zmesi,

b) bylinná biomasa – rastlinného pôvodu, ako sú traviny, slama, olejniny a ich zvyšky,

c) ovocná biomasa – bobuľové a iné plody, zvyšky ovocia a vedľajšie produkty spracovania,

c) vodná biomasa – riasy, vodné trávy, trstina a podobne,

d) homogénne zmesi a iné zmesi materiálov, vedľajších produktov alebo odpadov.

Tak vo fáze konštruovania, ako aj pri praktickej prevádzke kotlov je potrebné poznať

základné vlastnosti a charakteristiky tuhých biopalív a mať o nich tieto základné informácie:

- pôvod, obchodná forma, rozmery a iné vlastnosti,

- pôvodný obsah vody - Mar [% - váhový] a pôvodný obsah popola - Ad [% - váhový],

- použité prísady, napríklad aditíva,

- sypná hmotnosť kg/m3,

- výhrevnosť Q, qp [MJ/kg]a spalné teplo qv [MJ/kg],

- VM – obsah prchavej horľaviny (volatile matter) [%],

- obsah prvkov tvoriacich horľavinu, a to uhlíka, vodíka, kyslíka, dusíka, síry, chlóru [%],

- obsah majoritných prvkov charakterizujúcich popoloviny – hliníka, vápnika, horčíka, železa,

draslíka, mangánu, sodíka, fosforu, kremíka, titanu [mg/kg]. Pri posudzovaní vlastností

popola sa zvyčajne posudzujú obsahy oxidov uvedených prvkov v tuhých zvyškoch

spaľovania a udávajú sa v %. Tieto prvky a ich zlúčeniny spravidla predstavujú zvýšený

potenciál tvorby popolovín s nízkymi teplotami taviteľnosti, ako aj s vyšším koróznym

a eróznym potenciálom.

Podľa obsahu významných zlúčenín a vlastností popolovín existujú tri skupiny tuhých

biopalív:

a) biopalivá s popolovinami obsahujúcimi vysoké podiely zlúčenín vápnika a draslíka

a s menším obsahom zlúčenín kremíka, medzi ktoré patrí najmä drevná hmota,

b) biopalivá obsahujúce v popolovinách väčšie podiely zlúčenín kremíka a menšie obsahy

vápnika a draslíka a s častým výskytom zlúčenín chlóru, medzi ktoré patria najmä biopalivá

rastlinného pôvodu,

c) biopalivá s vysokým obsahom zlúčenín vápnika, draslíka, fosforu, medzi ktoré patria najmä

palivá založené na repkových a slnečnicových semenách,

- obsah stopových prvkov v popolovinách – arzénu, kadmia, chrómu, medi, ortuti, niklu,

olova, vanádu, zinku [%], ktoré sú dôležité najmä z hľadiska posudzovania niektorých

vplyvov na znečisťovanie ovzdušia a na životné prostredie, napríklad pri využívaní popolčeka

a pri posudzovaní správania sa tuhých zvyškov spaľovania biopalív,

- teploty taviteľnosti popolovín – označené DT, ST, HT, FT. Uvedené značky znamenajú

teploty deformácie, mäknutia, tavenia a tečenia pri skúškach normalizovaných vzoriek

popola, [3]

- frakcionárne zloženie paliva - dôležité pre navrhovanie spaľovacieho zariadenia kotla [2],

- durabilita – vyjadruje trvanlivosť napríklad biopaliva vo forme lisovaných peliet, skúšaná

podľa STN EN 15210-1. Čím nižšia je durabilita (vyjadrená v %), tým vyššia je náchylnosť

peliet na mechanický rozpad, čo zvyšuje problémy pri manipulácii, skladovaní, doprave

a spaľovaní biopaliva. Nízku durabilitu majú spravidla palivá vyrobené z biopalív rastlinného

či bylinného pôvodu, napríklad zvyšky olejnín a podobne.

Cenné informácie o vlastnostiach biopalív možno získať aj z podkladov [4, 15].

Niektoré porovnávacie hodnoty a kritériá používané pri posudzovaní biopalív z hľadiska ich

náchylnosti na tvorbu nánosov typu slagging a fouling a z hľadiska ich potenciálu vzniku

aktívnej oxidácie sú uvedené v [7, 13, 24,]. Významné informácie týkajúce sa navrhovania

kotlov a spaľovacích zariadení na biopalivá sa nachádzajú v podkladoch [8, 16, 23, 20, 28].

2. Kotly a spaľovacie zariadenie na konverziu tepla biopalív

Využitie potenciálu tepla biomasy je možné tromi základnými spôsobmi [4] :

- tepelno-chemickou konverziou, kde patrí napríklad priame spaľovanie, splyňovanie alebo

pyrolýza, karbonizácia, hydrotermické splyňovanie a hydrotermické skvapalňovanie. Priame

spaľovanie biomasy sa uskutočňuje buď v samostatných špecifických kúreniskách, alebo

spoločne s inými druhmi fosílnych palív pri tzv. co–firingu s uhlím,

- biologicko-chemickými procesmi, ako je napríklad alkoholické kvasenie, metánové

kvasenie, kompostovanie na produkciu alkoholov, bioplynov a podobne,

- chemickými premenami biomasy, ako je napríklad esterifikácia surových rastlinných

olejov.

Prehľad základných spôsobov a znakov priameho spaľovania biomasy

2.1 Roštové ohniská:

a) s pevnými roštami vodorovnými alebo sklonenými,

b) pohyblivé rošty – rošty s pohybujúcou sa vrstvou paliva, napríklad rovinný reťazový alebo

pásový rošt,

c) stupňovité rošty s pohyblivými roštnicami,

d) vibračný rošt,

e) rotačný rošt,

f) špeciálne rošty na spaľovanie odpadov, najmä valcové a šikmé vratisúvne rošty.

2.2 Fluidné kúreniská, kde sa rozlišujú kotly s bublajúcou alebo s cirkulujúcou fluidnou

vrstvou.

2.3 Horáky a iné spaľovacie zariadenia na spaľovanie zmesí a na spolu spaľovanie – co-

firing, napríklad uhoľného prášku s biopalivom.

Náčrty základných spôsobov priameho spaľovania biopalív sú znázornené na obrázku 1.

Roštové kúreniská sú najčastejšie a najprepracovanejšie zariadenia na priame spaľovanie

a využitie tepla biopalív, a to tak pre potreby dodávky tepla, výroby elektrickej energie, ako aj

pre kombinovanú teplárenskú dodávku tepla a elektrickej energie [8].

Takéto spaľovacie zariadenia sa používajú spravidla pre kotly malých a stredných výkonov až

do výkonu cca 50 MW, pre „kúskovité“ tuhé palivá s malým rozsahom frakcionárneho

zloženia. Moderné roštové ohniská obsahujú zariadenia prívodu a podávania paliva, rošt

s nosnou konštrukciou, vstup primárneho vzduchu s jeho pásmovaním, priestor l. stupňa

ohniska, prívody sekundárneho a terciárneho vzduchu s priestorom 2. stupňa ohniska, niekedy

aj s recirkuláciou spalín a so zariadeniami odvodu tuhých zvyškov popolovín.

Najdôležitejšie úlohy roštu:

- podopieranie paliva a zabezpečenie jeho pohybu potrebnou rýchlosťou, prípadne aj

rozrušovanie pohybujúcej sa vrstvy,

- umožniť prístup a prechod spaľovacieho vzduchu (prípadne v zmesi s recirkulovanou časťou

spalín) a jeho organizované rozdelenie – pásmovanie,

- zabezpečiť pohyb a organizovaný odvod tuhých zvyškov popolovín,

- odolávať vysokým teplotám a pôsobeniu agresívneho, abrazívneho prostredia z popolovín

a tuhých zvyškov spaľovania, prípadne plynných spalín.

Základné znaky a charakteristiky roštových spaľovacích zariadení:

a) Sú schopné spaľovať biopalivá so širokým rozsahom vlastností.

b) Významným opatrením využívaným pri súčasných moderných roštových ohniskách je

využitie systému tzv. viacstupňového spaľovania [8, 24]. Hlavné znaky viacstupňového

spaľovania:

b1) Rozdelenie spaľovacieho priestoru (ohniska) na dva základné pod priestory:

1. stupeň ohniska siahajúci v priestore nad úrovňou roštu, respektíve vrstvy paliva až po

úroveň tesne nad prívodom 1. stupňa sekundárneho vzduchu.

2. stupeň ohniska do ktorého je privedený zvyšok sekundárneho vzduchu a terciárny vzduch.

b2) Vzduchové pomery sú konštrukčne aj prevádzkovými opatreniami riešené tak, aby:

- množstvo primárneho vzduchu privedeného pod rošt tvorilo cca 40 % z celkového množstva

organizovaného spaľovacieho vzduchu. Pri spaľovaní biopaliva s vysokým obsahom vody

(napríklad drevo štiepky s obsahom vody W = Mar = 35 - 50 %) sa pripúšťa maximálny

podiel 50 % primárneho vzduchu na celkovom množstve vzduchu. Podľa potreby sa do

primárneho vzduchu zavádzajú aj recirkulované spaliny,

- do priestoru 1. stupňa ohniska treba priviesť iba také množstvo vzduchu, a teda aj kyslíka

ako oxidovadla, aby teplota spalín v tomto priestore bola o cca 70 až 80 °C nižšia, ako je

teplota tavenia popolovín biopaliva.

Ide o podstechiometrické horenie v tomto priestore s hodnotou množstva vzduchu λ = 0,5 –

0,7,

- prvý stupeň sekundárneho vzduchu v spodnej časti ohniska má byť organizovaným

spôsobom intenzívne rozvírený, tak aby tu plnil dve základné funkcie, a to intenzívne

miešanie vzduchu s uvoľnenými horľavými plynmi a odlučovanie tuhých zvyškov popolovín

s ich prednostným zachytením a ukladaním na roštovej ploche,

- zvyšok z celkového množstva spaľovacieho vzduchu sa privádza do priestoru 2. stupňa

ohniska.

b3) Takéto stupňovité spaľovanie biopalív v roštových ohniskách je spojené s dvoma

hlavnými výhodami:

- umožňuje udržať teploty v 1. stupni ohniska pod úrovňou kritických teplôt taviteľnosti

popolovín, výrazne obmedziť vznik nánosov typu slagging a tvorbu nánosov typu fouling [7].

Predpokladá sa napríklad, že znížením teploty plameňa v 1. stupni ohniska o 100 °C sa zníži

množstvo splyňovanej zložky popolovín biopaliva o cca 15 – 20 %,

- umožňuje znížiť množstvo oxidov dusíka vznikajúcich vo vysokoteplotnej oblasti ohniska

a spravidla aj dodržať limity oxidov dusíka NOx v spalinách za kotlom. V danom prípade ide

o obdobu funkcie tzv. Low NOx horákov, teda nízko emisných horákov.

Fluidné princípy spaľovania spočívajú v konštrukčnom dosiahnutí prekročenia spodnej

prahovej fluidizačnej rýchlosti, pričom sa rozlišujú dve základné riešenia:

a) kotly s bublajúcou fluidnou vrstvou – princíp znázornený na obrázku 1b,

b) kotly s cirkulujúcou fluidnou vrstvou - obrázok 1c.

V týchto ohniskách je zabezpečené neprekročenie teplôt nad úroveň cca 800 – 900 °C, a to

najmä na zabránenie aglomerácie – spekania fluidného lôžka a neprekročenia limitov NOx

v spalinách. Fluidné ohniská sú aplikované pre stredné a väčšie tepelné výkony v širokom

rozsahu druhov biopalív a zmesí a v širšom rozsahu ich granulometrického zloženia.

Spaľovanie a spolu spaľovanie biopalív v práškových ohniskách je znázornené na

obrázku 1d. V práškových ohniskách sa zatiaľ s úspechom využíva spolu spaľovanie, teda

co-firing biopalív s uhoľným práškom. Co–firing s podielom do cca 10 až 20 % biopaliva sa

uplatňuje bez väčších problémov spojených so vznikom nánosov charakteru slagging

a fouling. Predpokladá sa, že pri takomto co-firingu sa pozitívne prejavuje interakcia medzi

minerálnymi komponentmi obsiahnutými v uhlí (napríklad zlúčeninami kremíka, vápnika,

horčíka) a alkalickými zložkami biopalív.

3. Technická bezpečnosť a prevádzkové problémy kotlov spaľujúcich tuhé biopalivá

Veľkým problémom v prevádzke kotlov spaľujúcich tuhé biopalivá je nadmerná tvorba

špecifických nánosov na ich výhrevných a na iných pracovných plochách. Najčastejšie

vznikajú dva základné druhy nánosov tuhých zvyškov popolovín, a to:

a) roztavených a natavených nánosov, ktoré sa spravidla zahŕňajú pod spoločný pojem

slag, respektíve k príslušným procesom ich vzniku - k slaggingu,

b) sypkých alebo stmelených nánosov, ktorých procesy vzniku vyjadruje spoločný pojem

fouling.

Tieto problémy sa vyskytujú tak v kúreniskách kotlov spaľujúcich biomasu v roštových

ohniskách, ako aj v ohniskách fluidného typu.

Pre tvorbu a vlastností uvedených druhov nánosov sú dôležité tieto závažné skutočnosti:

A. Chemické obsahy príslušných prvkov popolovín a ich zlúčenín v tuhých zvyškoch, a to

z hľadiska ich množstva, správania sa v procese spaľovania a z hľadiska ich vplyvu na

charakteristické teploty taviteľnosti tuhých zvyškov popolovín. Z hlavných zložiek popolovín

a tuhých zvyškov je to najmä vápnik a horčík a ich zlúčeniny, ktoré zvyšujú úroveň týchto

teplôt. Naproti tomu draslík, chloridy a nízko taviteľné alkálie (hydroxidu draselného KOH,

hydroxidu sodného NaOH) a aluminosilikáty výrazne znižujú tieto charakteristické teploty

taviteľnosti popolovín biopalív.

B. Ak spaľovacie teploty najmä v spodnej časti roštového ohniska alebo vo fluidnej vrstve sú

vyššie, ako príslušné teploty taviteľnosti tuhých zvyškov popolovín (najmä teploty tavenia

HT), vznikajú roztavené či natavené nánosy typu slag, tvorené najmä aluminosilikátmi.

Roztavené a natavené nánosy typu slag sa vyskytujú na výhrevných plochách, na výmurovke,

ako aj na vrstve paliva na roštoch alebo vo fluidnej vrstve, a to v oblasti existencie vysokých

teplôt spalín, spravidla prevyšujúcich teploty tavenia HT popolovín biomasy.

C. Niektoré zložky popolovín sa pri spaľovaní odparujú (zlúčeniny draslíka a chlóru), a to

tým intenzívnejšie, čím vyššie sú spaľovacie teploty a kondenzujú na chladnejších

výhrevných plochách za ohniskom. Sú značne lepkavé a zvyšujú možnosti ukladania

popolčeka, prípadne aj nespálených čiastočiek paliva.

Príklady vzniku natavených a roztavených tuhých zvyškov popolovín typu slagg-

slagging sú dokumentované na obrázkoch 2a, 3a, 4a, 4b. Môžu mať formu koláčov (na

roštoch, vo fluidnej vrstve), nálepov na výhrevných plochách, na výmurovkách a na omazoch.

Nepriaznivé účinky nánosov takéhoto charakteru sú mnohostranné, napríklad:

- obmedzovanie účinnej plochy roštu až výrazné obmedzenie jeho funkcie, najmä

pohyblivosti skupiny roštnicových nosičov (vozíkov) a poškodzovanie ich pohonov,

- zatečenie roztavených nánosov do kanálikov prívodu primárneho vzduchu, obmedzenie

chladenia roštníc a vznik ich kombinovaných korózne - eróznych poškodení,

- zanášanie vstupov sekundárneho vzduchu a zhoršenie jeho miešacej aj odlučovacej funkcie,

- vznik balvanov vo fluidných ohniskách a narušenie procesov fluidizácie,

- poškodenie výmurovky umiestnenej v kritických oblastiach ohniska,

- možnosť pádu balvanov tuhých zvyškov a mechanického poškodenia roštu,

- nerovnomernosť tepelného zaťaženia výparníka a výrazné obmedzenie tepelného zaťaženia

v jeho spodnej oblasti predstavuje riziko narušenia správnej cirkulácie parovodnej zmesi

výparníkom s prirodzeným obehom a reálnosti procesu postupného poškodzovania materiálu

várnic, napríklad koróziou pod vnútornými nánosmi, tepelne-koróznou únavou [26] .

Nánosy typu fouling sa ukladajú spravidla v oblasti stredných a nízkych teplôt spalín - pod

úrovňami tavenia a tečenia popolovín - v oblasti konvekčných plôch. V niektorých prípadoch

sa môžu vytvárať aj nánosy tvoriace prechod medzi typom slagging a fouling. Podľa

chemického zloženia popolovín, teplotných a prúdových podmienok sa môžu vytvárať

rozličné druhy nánosov typu fouling, ako je to dokumentované na obrázkoch 2b, 3b, 3c.

Komplikované spaľovacie a prúdové podmienky a podmienky veľmi malého až nulového

zachytenia tuhých zvyškov – škvary na rošte sa podieľajú aj na vytváraní zvýšeného množstva

vznikajúcich nánosov a množstva popola unášaného spalinami do ťahov kúreniska.

Charakteristika a účinky nánosov typu fouling

Podskupina slagging – fouling je dokumentovaná na obrázku 3b, skupina nánosov typu

fouling je dokumentovaná na obrázkoch 2b a 3c. Tieto nánosy sa ukladajú v oblasti s nižšími

teplotami tam, teda v oblasti prestupu tepla konvekciou (niektoré časti prehrievačov,

ekonomizérov a prípadne aj ohrievačov vzduchu).

Existujú viaceré mechanizmy ukladania nánosov typu fouling, napríklad kondenzácia

prchavých zložiek z popolovín v oblasti teplôt cca 600 °C, najmä zlúčenín prvkov draslíka,

horčíka, vápnika, fosforu, chlóru, síry, sodíka, nárazy prúdiacich častíc na výhrevné plochy,

zmeny smeru prúdenia, chemické reakcie s nánosmi už usadenými na povrchoch,

termoforetický transport malých častíc. Pritom dochádza k týmto javom:

- klinovité nánosy na nábehovej strane prvej rúrky bývajú pomerne sypké a sú spravidla

dobre odstrániteľné parným ofukovaním,

- podľa chemického zloženia môžu byť nánosy nad vrstvou kondenzovaných prchavých zložiek

buď tvrdé, ťažko odstrániteľné, alebo krehké a pri mechanickom čistení ľahko odstrániteľné.

Niektoré hlavné následky nadmernej tvorby a ukladania nánosov typu fouling:

- zhoršenie tepelnej účinnosti kotlov, napríklad zvýšenie priemernej teploty spalín o 10 °C

predstavuje zhoršenie účinnosti o cca 0,5 až 0,6 %,

- potreba častého ofukovania výhrevných plôch - straty tepla a kondenzátu, erózia materiálov,

zvýšenie nákladov na pohon ventilátorov,

- potreba niekedy až veľmi častých odstávok kotlov a náročného čistenia výhrevných plôch,

znižovanie disponibility celkov, zvyšovanie nákladov na údržbu a opravy.

Príčiny nadmernej tvorby a ukladania nánosov typu fouling:

a) nevyhovujúce prúdové podmienky v spodnej časti ohniska a nedostatočná odlučovacia

funkcia 1. stupňa sekundárneho vzduchu,

b) vysoké teploty v spodnej časti ohniska, pri ktorých sa uvoľňuje značné množstvo

prchavých zložiek popolovín (najmä draslíka a chlóru).

Pri prevádzke kotlov spaľujúcich biopalivá môže byť vážne ohrozené aj zdravie a životy

osôb, a to z týchto príčin:

a) následkom ohrození spojených s rázovým porušením integrity tlakových častí,

b) pri výbuchoch horľavých plynov alebo prachových zmesí v kúreniskách kotlov,

c) pri údržbových a kontrolných (revíznych) prácach v priestoroch kúreniska. Ide napríklad o

ohrozenia pádom tvrdých nánosov tuhých zvyškov popolovín,

d) pri veľmi častých čisteniach od nánosov popolovín na strane spalín vzniká prašné

prostredie s agresívnymi zlúčeninami, ktoré môže pri vykonávaní prác ohroziť zdravie osôb.

4. Procesy poškodzovania a poruchy v prevádzke kotlov spaľujúcich biopalivá

Procesy poškodzovania, poruchy a poškodenia kotlov predstavujú rozsiahlu problematiku

presahujúcu rámec tohto príspevku, ktorý sa orientuje najmä na procesy a poškodenia

charakteristické pre oblasť kotlov stredných a veľkých výkonov spaľujúcich tuhé biopalivá.

V prevádzke kotlov spaľujúcich tuhé biopaliva sa najčastejšie vyskytujú tieto druhy

špecifických poškodení jednotlivých komponentov:

4.1 Poškodenia a poruchy tlakových častí kotlov, kde rozlišujeme [6]:

a) vysokoteplotnú, aktívnu koróziu prehrievačov a iných kovových súčastí pracujúcich pri

vysokých teplotách,

b) koróziu výparníkov zo strany spalín,

c) nízkoteplotnú koróziu a koróziu na strane spalín počas odstávok,

d) eróziu zo strany spalín.

Ad a) V prípade aktívnej oxidácie ide o špecifický druh korózneho procesu v podmienkach,

keď spaliny obsahujú chloridy alkalických kovov, teda chloridu draselného a chloridu

sodného (KCl, NaCl), zlúčeniny síry (najmä síran sodný Na2SO4) a na povrchoch rúrok

kondenzujú a ukladajú sa tuhé zvyšky komplikovaného zloženia, obsahujúce prípadne aj

zlúčeniny schopné vytvárať ľahko taviteľné eutektiká. Na týchto procesoch sa spravidla

podieľa aj oxidácia za prítomnosti kyslíka, oxidu uhličitého a prípadne aj oxidu uhoľnatého .

Mechanizmus aktívnej oxidácie zahŕňa niekoľko stupňov procesu (obr. 5) [11,13]:

1. formácia chlóru a chlorovodíka na povrchu nánosu a ich penetrácia do ďalších vrstiev,

2. formácia chloridov kovov príslušných legúr,

3. difúzia chloridov kovov z hranice styku kov/vrstva oxidov k hranici nános – oxid,

4. uvoľnenie chlóru spôsobené oxidáciou chloridov kovov na oxidy kovov. Týmto procesom

sa chlór z korózneho hľadiska „recykluje“ a v blízkosti kovového povrchu sa zvyšuje

množstvo agresívneho korózneho prostredia. Schéma aktívnej oxidácie je na obr. 5.

Príklady niektorých porúch a poškodení prehrievačov kotlov spaľujúcich biomasu alebo

odpady sú znázornené na obr. 6. Aktívnou oxidáciou môžu byť kritické oblasti

prehrievačových systémov z nízkolegovaných ocelí pracujúcich pri teplotách nad cca 500 °C

vyradené z činnosti už po cca 20 až 25 - tisíc prevádzkových hodinách [12].

Niektoré dôležité základné informácie o účinkoch aktívnej oxidácie:

- ofukovanie výhrevných plôch a odstránenie vrstiev popolovín, prípadne aj vnútornej vrstvy

na povrchu kovovej steny proces korózneho napadnutia zintenzívňuje,

- pri nízkouhlíkových a nízkolegovaných oceliach sú koróziou najviac ohrozené úseky rúrok

prehrievača s najvyššou teplotou steny, najmä ak je ich teplota vyššia, ako cca 490 – 500 °C,

- najvyššiu pozornosť z hľadiska kontroly technického stavu treba venovať výstupným partiám

výstupných prehrievačov pary, súčastiam ofukovačov trvale vystaveným spalinám s vysokou

teplotou, ako aj iným menej intenzívne chladeným kovovým súčastiam, napríklad závesom,

väzbám rúrok, praporkom a podobne.

Ad b) Korózia výparníkov na strane spalín, kde sa predpokladajú tri základné druhy procesov

poškodzovania:

b1) Korózia v značne redukčnom prostredí, napríklad pri spaľovaní kontaminovanej biomasy

pri sledovaní dosiahnutia nízkeho obsahu oxidov dusíka NOx v spalinách. Ide pravdepodobne

o obdobu procesov výskytu redukčnej atmosféry v ohniskách práškových kotlov s výtavnými

ohniskami, kde sa predpokladá existencia sírovodíka (H2S) v blízkosti stien výparníka.

b2) Korózia v prostredí roztavených solí [6], najmä chloridov a síranov. Dochádza k nej

vtedy, keď nánosy tuhých zvyškov na výhrevnej ploche obsahujú soli s nízkymi teplotami

tavenia, ako sú napríklad kombinácie chloridov KCl - ZnCl2 (230 °C), KCl - FeCl2 (355 °C)

a podobne. Takéto soli majú schopnosť intenzívne porušovať ochranné oxidické vrstvy, a tým

značne urýchľovať oxidačné procesy. Obdobné korózne procesy sa môžu prejavovať aj na

prehrievačových rúrkach v kotloch spaľujúcich komunálne a priemyselné odpady, ktoré v

popolovinách obsahujú zlúčeniny zinku a olova.

b3) Alkalická korózia [6, 20]. Niektoré alkalické chloridy (chlorid sodný NaCl, chlorid

draselný KCl), sírany (síran sodný Na2SO4) a uhličitany (uhličitan draselný K2CO3) môžu

v nánosoch na stenách výparníkov narúšať ochranné vrstvy oxidov, a to aj oxidov chrómu a

spôsobovať značné korózne napadnutia. Niektoré zdroje uvádzajú, že na výparníkoch

vysokotlakových kotlov sa môže uplatniť aj aktívna oxidácia.

Ad c) Nizkoteplotná korózia býva príčinou poškodení a porúch rúrok ekonomizérov,

ohrievačov vzduchu a za určitých okolnosti aj nosnej konštrukcie.

Najčastejšou príčinou nízkoteplotnej korózie je:

- kondenzácia pár silných kyselín, najmä kyseliny sírovej, prípadne aj kyseliny

chlorovodíkovej na kovových povrchoch,

- kondenzácia hygroskopických agresívnych solí (napríklad chloridov K2ZnCl4, KCaCl2,

CaCl2) za súčasnej prítomnosti vlhkosti, pri tvorbe príslušných agresívnych roztokov.

Určitou obdobou nizkoteplotnej korózie je aj korózia počas odstávok tlakových systémov

kotlov spaľujúcich biomasu. Korózne poškodenia majú jamkovú formu pripomínajúcu

poškodenia s depolarizáciou kyslíkom a vyskytujú sa v oblastiach s lokálne navlhčenými

nánosmi (netesnosti ofukovačov a podobne). Pri chemickej analýze príslušných vonkajších

nánosov možno zistiť značné množstvá chloridových a síranových iónov [19].

Ad d) Erózia a abrázia zo strany spalín. Napriek tomu, že biopalivá spravidla obsahujú

menšie množstvá popolovín, napríklad v porovnaní s uhlím, v príslušných kotloch

spaľujúcich biomasu sa vyskytujú vážne poškodenia eróziou a abráziou. Tieto procesy

poškodzovania sa môžu intenzívne uplatniť tak v prípade podávacích a spaľovacích zariadení,

výmurovky, ako aj tlakových systémov a systémov odlučovania a odvodu tuhých zvyškov

popolovín. Miesta výskytu eróznych poškodení sú znázornené na obr. 7b).

4.2 Poškodenia výmurovky

Energetické využitie biomasy jej spaľovaním vyžaduje aplikáciu nových vyhovujúcich

žiaruvzdorných keramických materiálov, výmuroviek a omazov. Pritom sa vyskytujú tieto

základné procesy poškodzovania žiaruvzdorných keramických materiálov [9, 10]:

a) reakcie žiaruvzdorných materiálov so zložkami a zlúčeninami alkalických kovov popolovín

a v tuhých zvyškoch spaľovania (SiO2, TiO2, Al2O3, MgO, CaO, Fe2O3) a nepriaznivé účinky

objemových zmien spojených s niektorými reakciami. Procesy poškodzovania keramických

materiálov sú spojené aj s penetráciou uvoľnených alkalických plynných zložiek popolovín,

b) poškodenia roztavenými zložkami popolovín,

c) poškodenia pri vysokých teplotných expozíciách, najmä tzv. tepelnou únavou - účinkami

tepelného namáhania pri pôsobení rýchlych a častých teplotných zmien,

d) kombinované procesy poškodzovania. Známe sú napríklad procesy zmien vlastností

materiálov chemickými reakciami podľa bodu a), spojených so znížením odolnosti proti oteru

a s urýchlenou abráziou a s eróziou exponovaných častí keramických materiálov.

Prehľad niektorých foriem poškodzovanie žiaruvzdornej keramiky v ohniskách kotlov:

- odlupovanie povrchových vrstiev a praskanie výmuroviek,

- znižovanie hrúbky izolačných keramických materiálov spojené so zvýšenou teplotnou

expozíciou nosných kovových komponentov, s ich oxidáciou a s narušením ich funkcie,

- deformácie a tečenie jednotlivých súčasti výmurovky,

- presuny a porušenia ucelených častí a narušovanie dilatačných plôch a priestorov.

Problémy spôsobené extrémnymi procesmi poškodzovania keramických izolačných

materiálov sú v mnohých prípadoch spojené s nízkou životnosťou týchto častí a s potrebami

časovo aj finančne náročných opráv kotlov spaľujúcich biomasu. Starostlivému výberu

keramických žiaruvzdorných materiálov treba venovať zvýšenú pozornosť už vo fáze

konštruovania nových kotlov na spaľovanie biopalív, ako aj pri zámeroch co-firingu biopalív

v existujúcich uhoľných kotloch.

4.3 Poškodenia exponovaných komponentov roštov

Niektoré konštrukčné časti roštov, najmä roštnice sú vystavené značným tepelným

zaťaženiam sálaním z objemu ohniska, prípadne aj pôsobením vrstvy spaľovaného paliva

najmä koksíku., teda tuhého zvyšku horľaviny paliva, po uvoľnení plynnej zložky.

Účinné chladenie a ochranu tepelne exponovaných častí roštov možno zabezpečiť napríklad:

- potrebným zakrytím plochy roštu vrstvou paliva a koksíku, ako aj chladením prúdiacim

primárnym spaľovacím vzduchom, v kombinácii s použitím vhodného materiálu roštnice,

- aplikáciou vodného chladenia, buď samostatným vodným okruhom alebo zapojením

chladených súčasti roštu do výparníka kotla.

Napriek tomu v prevádzke dochádza k značným poškodeniam roštníc a aj okrajových

tesniacich líšt nadmernou tepelnou expozíciou a korózne abrazívnymi procesmi.

Na obr. 8 [14] je dokumentované rozsiahle poškodenie roštníc stupňovitého pohyblivého

roštu, chladeného iba primárnym vzduchom. Poškodenia boli spôsobené týmito procesmi:

- vznikom roztavených nánosov sa upchali kanáliky prívodu primárneho vzduchu roštnice,

takže vysokými teplotami bola narušená štrukturálna stabilita a žiaruvzdorné vlastnosti

materiálu, najmä jeho odolnosť proti agresívnym alkalickým zlúčeninám,

- koróznymi a abrazívnymi procesmi došlo k rozsiahlym poškodeniam mnohých roštníc.

5. Možné opatrenia na riešenie problémov prevádzky kotlov spaľujúcich biopalivá

5.1 Základnou požiadavkou pri používaní biopaliva je dôkladné poznanie jeho vlastností

(vrátane rozsahu ich odchýlok), ako aj využitie existujúcich skúseností a uznaných

technických pravidiel pre navrhovanie, konštruovanie a stavbu príslušných kotlov [8].

Špecifické požiadavky navrhovania kotlov na spaľovanie biopalív spravidla zahŕňajú aj

využitie výpočtu niektorých charakteristických ukazovateľov popolovín biomasy (napr.

alkalického indexu, indexov slaggingu, aglomerácie a foulingu, pravdepodobnosti chloridovej

a aktívnej korózie), ako aj správne riešenie vzduchových a spaľovacích pomerov, najme

pomeru množstiev primárneho a sekundárneho vzduchu, riešenie organizovaného vírenia

sekundárneho vzduchu, uplatnenie recirkulácie spalín a pod. Riešenia majú rešpektovať

potreby dodržania vyhovujúcich teplôt v ohnisku, predchádzania nadmerného slaggingu

a foulingu, dodržania tepelnej účinnosti kotlov a limitov ochrany ovzdušia pred

znečisťovaním.

5.2 Okrem technických požiadaviek je nevyhnutné brať do úvahy aj ďalšie požiadavky, ako

zhodnotenie zabezpečenia spoľahlivej prístupnosti dostatočného množstva biopaliva,

ekonómie jeho zhromažďovania, dopravy a skladovania, prípadne aj predbežnej úpravy pred

spaľovaním.

5.3 Nové kotly na biopalivá a ich spaľovacie zariadenia by mali byť riadne zoradené aj

z hľadiska vzduchových a spaľovacích pomerov a ich dodávateľ by mal vydať príslušné

prevádzkové predpisy vrátane podrobného návodu na obsluhu a údržbu zariadení.

5.4 V prevádzke a pri obsluhe treba dôsledne dodržiavať prevádzkové predpisy. To sa týka aj

čistenia výhrevných plôch počas prevádzky (napríklad ofukovania), ako aj počas odstávok.

5.5 Pri revíziách a kontrolách je potrebné venovať vysokú pozornosť nielen stavu tlakových

systémov, ale aj stavu spaľovacích zariadení, možnému zaneseniu výhrevných plôch

a priestorov, poškodeniam výmuroviek a podobne. Cieľom pravidelnej kontroly stavu kotlov

spaľujúcich alebo spolu spaľujúcich biopalivá by malo byť aj pravidelné zisťovanie

chemického zloženia nánosov, kontrola zmeny hrúbok stien v kritických oblastiach tlakových

i netlakových častí a overovanie ich technického stavu [19]. Pritom treba dodržať aj príslušné

zásady bezpečnosti a ochrany zdravia.

5.6 Primeraná pozornosť by sa mala venovať aj periodickému hodnoteniu dodržiavania

predpísanej kvality používaných biopalív.

5.7 Počas odstávok zariadení venovať potrebnú pozornosť aj protikoróznej ochrane zo strany

voda – para, ako aj zo strany spalín.

5.8 Existujú mnohé pokusy o riešenie problému korózie v spalinách biopalív aplikáciou

nových materiálov alebo použitím rozličných druhov povrchových návarov, nástrekov

a povlakov [29].

5.9 Problémy vzniku nánosov a aktívnej oxidácie sa často riešia aj aplikáciou príslušných

aditív. Je niekoľko skupín látok a chemických zlúčenín používaných ako aditíva. Sú to

napríklad zlúčeniny obsahujúce hliník a kremík, vápnik, fosfor a horčík, vybrané druhy

odpadov a podobne. Ich pridávaním sa zvyšujú charakteristické teploty taviteľnosti popolovín

príslušných biopalív. Naproti tomu aplikáciou aditív obsahujúcich síru, napríklad vo forme

síranu amónneho, sa dosahuje efekt zníženia intenzity aktívnej oxidácie a obmedzuje sa

ukladanie tuhých zvyškov popolovín [21]. Prevádzková aplikácia aditív vyžaduje starostlivú

prípravu a predchádzajúce odskúšanie ich účinkov. V kotloch so stredným a s veľkým

výkonom sa problémy spaľovania biopalív často riešia aj spomínaným spolu spaľovaním -

co–firingom s uhlím ako so základným palivom a s podielom biomasy do cca 20 % tepelného

výkonu kúreniska. Výhodou co–firingu je aj jeho priaznivý vplyv na zníženie nákladov na

odsírenie spalín a zníženie množstva ukladaných popolovín.

5.10 Pri navrhovaní kotlových zariadení a pri rekonštrukciách kotlov na využitie tepla

biopalív treba pamätať aj na riešenie špecifických problémov súvisiacich napríklad

s mechanickým rozpadom biopalív a s ich degradáciou, s problémami skladovania

a dopravných ciest, požiarnou ochranou, s potrebou dodržanie parametrov kotlov po

rekonštrukciách a podobne.

Použitá literatúra a podklady:

[1] STN EN ISO 17225- 1 Tuhé biopalivá – špecifikácie a triedy palív. Časť 1: Obecné

požiadavky. Rok 2015.

[2] HRDLIČKA, J.: Biomasa pro výrobu tepla. Zborník. TLAK 2013, s. 105 - 109.

[3] ČSN P CEN/TS 15370-1: Tuhá biopaliva – Metoda pro stanovení teploty tání popela -

Část 1: metoda stanovení charakteristických teplot (2007).

[4] SKALA, Z., a i.: Energetické parametry biomasy. Projekt GAČR 101/04/1278.

[5] MEHRABIAN, R., a. a.: Application of numerical modeling to biomass grate furnaces.

Journal of Thermal Engineering, Vol. 1, No. 6, May 2015.

[6] BERLANGA, C.: Study of Corrosion in a Biomass Boiler. Journal of chemistry, 2013. [7] DIJAKON, A.: Analyses of slagging and fouling properties of biofuels in terms of their

combustion and co-combustion in the boilers. Inžinieria roľnicza, 2012, z. 4.

[8] CHUNGEN YIN, a. a.: Grate-firing biomass for heat and power production. Progres in

Energy and Combustion Science 34 (2008), ps. 725 – 754.

[9] RAU, A. W.: CFB Refractory Improvements for Biomass Co–firing. Power Engineering

07/01/2010.

[10] HENEK, M.: Žárobetonové výzdivky tepelných zařizení pro spalovaní biomasy. Sborník

z konference Žarovzdorné materiály 2006. Silikátová společnost ČR, Praha 2006.

[11] NIELSEN, H. P., a. i.: The implications of chlorine - associated corrosion on the

operation of biomass-fired boilers. www.elsevier.com/locate/pecs.

[12] SOREL, G.: The role of chlorine in high temperature corrosion in waste-to-energy plants

G. Sorell Consulting Services, North Caldwell, New Jersey, USA.

[13] CIZNER, J.: Vysokoteplotní koroze při spalovaní různích druhu biomasy. Zborník

Korózia v energetike. Košice 2010.

[14] Protokol o materiálovém rozboru č. NDT/1360/2015. Doplnok. NDT servis sro.

Chomutov.

[15] HENDERSON, P., a. a.: Combating Corrosion in Biomass and waste fired Plants. Conf.

on Materials for advanced Power Engineering 2010, ps. 962 – 975.

[16] OCHRANA, L., a i.: Spalovaní kontaminované biomasy. FSI, VUT-EU Brno.

[17] Alkali deposits found in biomass Power Plants. NREL, april 15, 1995.

[18] The Bioenergy System Planners Handbook – BISYPLAN.

[19] CIZNER, J. - BRENNER, O.: Korozní inspekce energetických kotlů při spalovaní nebo

spoluspalování biomasy. Zborník Korózia v energetike. Košice 2012.

[20] ALIPOUR, Y.: High temperature corrosion in a biomass-fired power boiler. Reducing

furnace wall corrosion in a waste wood-fired power plant with advanced steam data.

[21] Chlor – Out Combating corrosion, fouling and emisions in biomass fired heat and power

plants. www.besustaintablemagazine.com.

[22] LIVINGSTON, W. R.: Biomass ash deposition, erosion and corrosion processes. IEA

Tas 32/Thermalnet Workshop Glasgov. Sept. 2006, Mitsui Babcock.

[23] Hansen, J.: B&W Volund Grate combustion technology AUE 4. November 2013.

[24] MORROW, Rs.: Renewable fuel grate firing combustion technology, the europ. exp.

2005.

[25] WERTHER, J., a. a.: Combustion of agricultural residues. Progr. Energy Combustion Sci

2000, 26: 1 – 27.

[26] SHARP, W.: Superheater Corrosion in Biomass Boilers. September 30. 2010.

[27] ČSN/STN EN 15210 – 1. Tuhé biopalivá. Stanovenie mechanickej odolnosti peliet

a brikiet. Časť 1: Pelety.

[28] WILEWSKA - BIEN, M.: Investigation of Ash Sintering during Combustiom of

agricultural Residues and the Effect of Additives. Energy&Fuels 23/2009.

[29] DEEPA, M., a. a.: Corrosion Problems in Incinerators and Biomass-Fuel-Fired Boilers.

International Journal of Corrosion Volume 2014 (2014), Article ID 505306.

a) b) c) Obr. 2. Kotol 17,5 t/h, 72 bar, 490°C, roštové ohnisko na drevo štiepku,

stav po cca 2 ročnej prevádzke

a) nánosy typu slagging, na výmurovke v hornej časti ohniska,

b) dvojvrstvové nánosy typu fouling na výstupnom prehrievači,

c) Trhliny a povrchové plošné poškodenia výmurovky nad ohniskom

a) b) c)

Obr. 3. Kotol 25 t/h, 45 bar, 470°C, roštové ohnisko, slnečnicové pelety

a) koláč z roztavených tuhých zvyškov popolovín (slagging), na roštovej ploche,

b) zmiešané nánosy typu slagging – fouling na prehrievačových rúrkach,

c) nánosy typu fouling na rúrkach ekonomizéra

a) b) c) Obr. 4. Príklady poškodenia výmuroviek a omazov kotlov na biomasu

a), b) poškodenie výmurovky nad roštom tepelnými napätiami a nánosmi slagging

c) poškodenie omazov kotla s CFB zlúčeninami draslíka a chlóru

spaliny g – plyn. fáza s – tuhá fáza

vrstva popola

vrstvy oxidov

korózny front

stena rúrky Obr. 5. Schéma mechanizmu aktívnej vysokoteplotnej oxidácie v spalinách biopalív 1. – sulfidizácia a uvoľňovania plynného chlóru, 2., 3., 4. – tvorba oxidov železa,

5.-- korózia steny uvolneným chlórom alebo HCl , prípadne aj vznik eutektík

Obecne platí: XMCl2(g) + YO2(g) → MxO2Y(s) + XCl2(g) s recykláciou Cl

Obr. 6. Príklady poškodenia prehrievačov pri spaľovaní (resp. co – firingu) biomasy

a) aktívna korózia pri co – firingu bio paliva s uhlím, b) aktívna oxidácia pri spaľovaní

biopaliva, c) aktívna oxidácia pri spaľovaní komunálneho odpadu

a) b) c)

a) b) Obr. 7. Rúrky ekonomizéra kotla spaľujúceho biopalivo poškodené a) nizkoteplotnou koróziou, b) eróziou na strene spalín

1 – prúdenie spalín, 2 – steny kúreniska, 3 – tvar erózneho poškodenia

rúrok v 1. rade, 4 – miesta erózneho poškodenia rúrok v ďalších radoch

Obr. 8. Charakter korózne – abrazívneho poškodenia roštníc stupňovitého roštu pre spaľovanie peliet biomasy rastlinného pôvodu [14]

1 – nánosy tuhých zvyškov v kanálikoch prívodu primárneho vzduchu, 2 – poškodenie čela roštnice

v hornej časti, 3 – poškodenie roštnice abráziou v spodnej časti, 4 – korózne –abrazívne poškodené

rebrá roštnice prívodu primárneho vzduchu

Obr. 10. Roztavené nánosy tuhých zvyškov popolovín pri pokusnom spoluspaľovaní slamy

a drevoštiepky v kotli so šikmým posuvným roštom

a) b) Obr. 9. Korózne poškodenie prehrievačovej rúrky zo strany spalín počas

dlhodobej odstávky kotla spaľujúceho biopalivo [NDT/712/2015]

a) rez rúrkou Ø 31,8x 3,6 mm z ocele 16Mo3,

b) tvar korózneho poškodenia v spodnej časti rúrky (pod nánosmi)