Základní problémy při provozu kotlů spalujících biopaliva

Ing. Ján Kudlovský
odborný poradca
Košice

Znižovanie zásob fosílnych palív, najmä ropy a naliehavé potreby ochrany prírodného a životného prostredia, hlavne zníženia produkcie CO2 a iných ovzdušie znečisťujúcich škodlivých látok,  vyvolal i zvýšený záujem  o využívanie energie obnoviteľných zdrojov vrátane  biomasy.

Tento príspevok sa zaoberá najmä využívaním zdrojov energie tuhých biopalív  v osvedčených, klasických tepelných okruhoch, určených spravidla na výrobu elektrickej energie a na dodávku tepla. Autor analyzuje niektoré základné problémy v prevádzke kotlov na spaľovanie biomasy a niektoré špecifické procesy  poškodzovania tlakových aj netlakových zariadení a ich komponentov. Pritom v príspevku sa uplatňuje princíp uceleného prístupu k revíziám a  kontrolám technického stavu kotlov, ktorý zahrňuje nielen posudzovanie stavu tlakových častí, ale aj posudzovanie stavu spaľovacích zariadení, stavu zanesenia, izolácie a výmurovky, nosnej konštrukcie a pod.

Tuhé biopalivá a ich základné vlastnosti

Biomasa sú 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 pre jeho energetické využitie. V oblasti využívania tuhých biopalív sú dôležité informácie a požiadavky obsiahnuté v ČSN EN ISO 17225- 1 [1], ktorá od ledna 2015 nahradila predtým platnú ČSN EN 14961 – 1 z června 2010. Podľa normy [1] sa tuhé biopaliva špecifikujú podľa dvoch základných hľadísk, a to: a) ich pôvodu a zdroja, b) podľa hlavnej obchodnej formy a vlastností.

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

  1. drevná biomasa lesné a plantážové drevo, vedľajšie produkty a zvýšky drevospracujúceho priemyslu, použité drevo a rozličné zmesi,
  2. bylinná biomasa – rastlinného pôvodu, ako sú napr. slamy, traviny, olejniny a ich zvyšky,
  3. ovocná biomasa – bobuľové a iné plody, zvyšky ovocia a vedľajšie produkty spracovania,
  4. vodná biomasa – riasy, vodné trávy, trstina a pod.
  5. homogénne zmesi a iné zmesi materiálov, vedľajších produktov alebo odpadov.

Pre praktické využívania tuhých biopalív sú spravidla potrebné tieto základné informácie, ktorých poznanie vyžaduje napr. aj norma [1]:

  • Pôvod, obchodná forma, rozmery a iné vlastnosti.
  • Obsah vody pôvodný-  Mar [ % – w], obsah popola  pôvodný Ad [ % – w].
  • Použité prísady, napr. aditíva .
  • Sypná hmotnosť kg/m3.
  • Výhrevnosť  Q. qp  [MJ/kg], spalné teplo  qv [MJ/kg]
  • VM – obsah prchavej horľaviny [ % – w].
  • Obsahy prvkov tvoriacich horľavinu C, H, O, N, S, Cl [ % – w].
  • Obsah majoritných prvkov charakterizujúcich popoloviny – Al, Ca, Mg, Fe, K, Mn, Na, P, Si, Ti  [mg/kg]. Pri posudzovaní vlastnosti popola sa obvykle posudzujú obsahy oxidov uvedených prvkov v tuhých zvyškoch spaľovania a udávajú sa v %. Uvedené prvky a ich zlúčeniny spravidla predstavujú zvýšený potenciál  tvorby  popolovín s nízkymi teplotami taviteľnosti, ako aj s vyšším koróznym a eróznym potenciálom.
  • Stopové prvky – As, Cd, Cr, Cu, Hg, Ni, Pb, V, Zn [ % – w], ktorých obsah je dôležitý najmä z hľadiska posudzovania niektorých vplyvov na znečisťovanie ovzdušia a na ŽP, napr. pri využívaní popolčeka a pri posudzovaní chovania sa tuhých zvyškov pri spaľovaní biopaliva.
  • Teploty taviteľnosti popolovín – označené  DT, ST,  HT, FT, resp. ako TS, TA, TB, TC [3].
  • Frakcionárne zloženie paliva.  Je dôležité pre potreby navrhovania spaľovacieho zariadenia kotla [2].
  • Durabilita – vyjadruje trvanlivosť napr. bio paliva vo forme lisovaných peliet, skúšaná napr. podľa ČSN EN 15210-1.  Čím nižšia je durabilita (vyjadrená v %), tým je vyššia náchylnosť peliet k mechanickému rozpadu, čo zvyšuje problémy pri manipulácii, skladovaní, doprave a spaľovaní biopaliva. Nízku durabilitu majú spravidla paliva vyrobené z biopalív rastlinného – bylinného pôvodu – napr.  zvyšky olejnín a pod.

Cenné informácie o vlastnostiach biopalív a ich význame  možno získať z podkladov [4, 15].

Niektoré porovnávacie hodnoty a kritéria používané napr. 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,]. Pre navrhovanie kotlov a  spaľovacích zariadení na  biopalívá sa významné informácie nachádzajú napr. v podkladoch [8, 16, 23, 20, 28] .

Kotly a spaľovacie zariadenie na konverziu tepla biopalív

Využitie potenciálu tepla biomasy je možné troma základnými cestami [4] :

Tepelno – chemickou konverziou, kde patrí napr. priame spaľovanie, splyňovanie  alebo pyrolýza , karbonizácia, hydrotermická gazifikácia a hydrotermické skvapalňovanie.

Biologicko – chemickými  procesmi, ako je  napr.  alkoholické kvasenie, metanové kvasenie, kompostovanie pre produkciu alkoholov, bioplynov  a pod.

Chemické premeny biomasy napr. esterifikácia surových rastlinných olejov.

Prehľad základných spôsobov a znakov priameho spaľovania biomasy

Roštové ohniská:
a) S pevnými roštami vodorovnými alebo sklonenými.
b) Pohyblivé rošty – rošty s pohybujúcou sa vrstvou paliva:
b1) Rovinný  reťazový alebo
b2) Rovinný pásový rošt
c) Stupňovité rošty s pohyblivými roštnicami
d) Vibračný rošt.
e) Rotačný rošt.

Fluidné kúreniská, kde sa rozlišujú:
a) Kotly s bublajúcou fluidnou vrstvou.
b) Kotly s cirkulujúcou fluidnou vrstvou.

Horáky a iné spaľovacie zariadenia na spaľovanie zmesí a na spolu spaľovanie – co- firing napr. uhoľného prášku s biopalivom.

Roštové kúreniská sú najčastejšími a najprepracovanejšími zariadeniami na priame spaľovanie a využitie tepla biopalív, a to tak pre potreby dodávky tepla, výrobu elektrickej energie, alebo 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 „kuskovité“ 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 pasmovaním, 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 bio – palivá so širokým rozsahom vlastností .
b) Významným opatrením, využívaným u súčasných moderných roštových ohnísk 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 resp. vrstvy paliva na rošte až po úroveň tesne nad prívodom 1. stupňa sekundárneho vzduchu.

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 bio paliva s vysokým obsahom vody  (napr. drevo štiepky s W = 35-50%) sa pripúšťa maximálny podiel 50% primárneho vzduchu. Podľa potreby sa  do primárneho vzduchu zavádzajú aj recirkulované spaliny,
  • do priestoru 1. stupňa ohniska je potrebné doviesť 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 bio paliva. Ide o tzv. pod stechiometrické  horenie v tomto priestore  s hodnotou 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 odlučovaniu tuhých zvyškov popolovín s ich prednostným ukladaním a zachytením na roštovej ploche.
  • zvyšok z celkového množstva spaľovacieho vzduchu sa privádza do 2. priestoru ohniska , nad 1. stupňom ohniska, vo forme  2. stupňa sekundárneho aj terciárneho vzduchu.
  • 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 napr. že znížením teploty plameňa v 1. stupni ohniska o 100 °C sa zníži množstvo splyňovanej zložky popolovín bio paliva o cca  15 -20% ,
  • umožňuje znížiť množstvo oxidov  dusíka vznikajúcich vo vysokoteplotnej oblasti ohniska a spravidla aj dodržať limity NOx v spalinách za kotlom. Ide v danom prípade o obdobu funkcie tzv. Low NOx horákov.

Fluidné princípy spaľovania spočívajú v konštrukčnom dosiahnutiu prekročenia  spodnej prahovej fluidizačnej rýchlosti, pričom sa rozlišujú dva základné riešenia:

a) Kotly s bublajúcou fluidnou vrstvou,
b) Kotly s cirkulujúcou fluidnou vrstvou.

V týchto ohniskách je zabezpečené neprekročenie teplôt nad úroveň cca 800 – 900°C, a to najmä v záujme zabránenia aglomerácie lôžka a neprekročenia limitov NOx v spalinách. Fluidné ohniská sú spravidla aplikované pre stredné a väčšie tepelné výkony v širokom rozsahu druhov biopalív a zmesi v širšom rozsahu ich granulometrického zloženia.

Spaľovanie a spolu – spaľovanie biopalív v práškových ohniskách V práškových ohniskách sú zatiaľ s úspechom spolu  spaľované (co – firing) bio palivá s uhoľným práškom.  Co – firing s podielom do cca 10 až 20% biopaliva sa bez väčších problémov spojených so vznikom nánosov charakteru slagging a fouling využíva. Predpokladá sa pritom, že pri takomto co – firingu sa pozitívne prejavuje interakcia medzi minerálnymi komponentmi  obsiahnutými v uhlí (napr. zlúčeniny síry, Ca, Mg ) a alkalickými zložkami bio palív.

Prevádzkové problémy kotlov spaľujúcich tuhé biopalivá

Veľkým problémom v prevádzke kotlov spaľujúcich tuhé biopalivá  je nadmerná tvorba  špecifických nánosov na výhrevných a iných pracovných plochách kotlov. Najčastejšie dochádza k vzniku dvoch základných druhov nánosov tuhých zvyškov popolovín, a to :

a) roztavené a natavené nánosy, ktoré sa spravidla zahrňujú pod spoločný pojem slag, resp. príslušné procesy ich vzniku pod pojem slagging.

b) sypké, alebo stmelené nánosy, ktorých procesy vzniku sú zahrňované pod spoločný pojem fouling.

Uvedené problémy sa vyskytujú tak v kúreniskách kotlov spaľujúcich biomasu v roštových ohniskách ako aj v ohniskách fluidného typu.  

Roztavené a natavené nánosy typu slag sa vyskytujú na výhrevných plochách, výmurovke ako aj na vrstve paliva na roštoch, alebo vo fluidnej vrstve, a to v oblasti existencie vysokých teplôt spalín, spravidla prevyšujúcich teploty tavenia HS, resp. TB popolovín  biomasy.

Príklady vzniku natavených a roztavených tuhých zvyškov popolovín typu slagging sú dokumentované na. Môžu mať formu koláčov (na roštoch, vo fluidnej vrstve), nálepov na výhrevných plochách, nálepov na  na výmurovkách alebo na omazoch.

Účinky nánosov takéhoto charakteru sú mnohostranné napr.:

  • obmedzovanie účinnej plochy roštu až výrazne obmedzenie jeho funkcie, pohyblivosti skupiny roštnicových nosičov (vozíkov) a poškodzovanie ich pohonov,
  • zatečenie roztavených nánosov do kanálikov prívodu primárneho vzduchu, obmedzenie chladenia roštníc a vznik ich  kombinovaných poškodení,
  • zanášanie výtokových otvorov vstupov sekundárneho vzduchu a zhoršenie miešacej aj odlučovacej funkcie vzduchov,
  • vznik balvanov vo fluidných ohniskách a narušenie procesov fluidizácie,
  • poškodenie výmurovky umiestnenej v kritickej oblasti ohniska,
  • možnosť pádu balvanov tuhých zvyškov vytvorených vo vyšších partiách ohniska a mechanické poškodenie roštu,
  • nerovnomernosť tepelného zaťaženia výparníka a výrazné obmedzenie tepelného zaťaženia v jeho spodnej oblasti predstavuje jedno z rizík narušenia podmienok správnej cirkulácie parovodnej zmesi výparníkom s prirodzeným obehom a reálnosti procesu postupného poškodzovania materiálu várnic napr. koróziou pod vnútornými nánosmi, tepelne – koróznou únavou a pod. [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 môžu sa vytvárať rozličné druhy nánosov typu fouling.

Komplikované spaľovacie a prúdové podmienky a podmienky veľmi malého až nulového zachytenia tuhých zvyškov – škvary na rošte a na prepade do odškvarovacej nádoby  sa podieľajú aj na vytváraní podmienok na množstve vznikajúcich nánosov a na množstve popola unášaného spalinami do ťahov kúreniska.

Charakteristika a účinky tejto skupiny nánosov:

  • podskupina slagging – fouling,
  • skupina nánosov typu fouling. Tieto nánosy sa ukladajú v  oblasti s  nižšími teplotami, tam kde sa stráca aj minimálna schopnosť vzájomnej lepivosti – teda v oblasti prestupu tepla konvekciou (niektoré časti prehrievačov, ekonomizérov a prípadne aj ohrievačov vzduchu),
  • existujú viaceré mechanizmy ukladania  nánosov typu fouling, kondenzácia prchavých zložiek z popolovín v oblasti teplôt cca 600°C najmä zlúčenín prvkov K, Mg, Ca, P, Cl, S, Na, nárazy prúdiacich častíc na  výhrevné plochy, zmeny smeru prúdenia,   chemické reakcie  s nánosmi už usadenými  na povrchoch, termoforetický transport malých častíc,
  • 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 aukladania nánosov typu fouling:

  • zhoršenie tepelnej účinnosti kotlov , napr. 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 (K, Cl) .

Procesy poškodzovania v prevádzke kotlov spaľujúcich biopaliva

Procesy poškodzovania, poruchy a poškodenia sú rozsiahlou problematikou, ktorá presahuje 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 komponent :

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

  1. Vysoko teplotnú – aktívnu koróziu prehrievačov a iných kovových súčastí pracujúcich pri vysokých teplotách
  2. Koróziu výparníkov zo strany spalín .
  3. Nízko – teplotnú koróziu a koróziu na strane spalín počas odstávok.
  4. Erózia zo strany spalín.

ad a) V prípade aktívnej oxidácie  ide o špecifický druh korózneho procesu v podmienkach, kedy spaliny obsahujú  chloridy alkalických kovov (KCl, NaCl), oxidy síry (Na2SO4) a na povrchoch rúrok kondenzujú a ukladajú sa tuhé zvyšky komplikovaného zloženia, obsahujúce prípadne aj zlúčeniny schopné vytvárať nízko taviteľné eutektiká. Na týchto procesoch sa spravidla podieľa aj oxidácia  pri vysokých teplotách za prítomnosti  O2, CO2 a prípadne aj CO.

Mechanizmus aktívnej oxidácie zahrňuje niekoľko stupňov  procesu [11,13]:

  1. formácia chlóru, resp HCl na povrchu nánosu a ich penetrácia do ďalších vrstiev,
  2. formácia chloridov kovu príslušných legúr,
  3. difúzia chloridov kovov z hranice styku kov / vrstva oxidov ku hranici nános – oxid,
  4. uvoľnenie Cl spôsobené oxidáciou chloridov kovov na oxidy kovov. Týmto procesom sa Cl z korózneho hľadiska „recykluje“ a v blízkosti kovového povrchu sa zvyšuje množstvo agresívneho korózneho prostredia. Obecná schéma aktívnej oxidácie – viď obr. 5.

Príklady niektorých porúch a poškodení prehrievačov  kotlov, spaľujúcich biomasu alebo   odpady sú uvedené na. Aktívnou oxidáciou môžu byť v niektorých prípadoch kritické oblasti prehrievačových systémov z nizkolegovaných ocelí, pracujúcich nad cca 500°C vyradené z prevádzky už po cca 20 až 25 tisíc prevádzkových hodinách [12].

Niektoré dôležité základné informácie:

  • ofukovanie výhrevných plôch a odstránenie vrstiev popolovín, prípadne aj vnútornej vrstvy  na povrchu kovovej steny proces korózneho napadnutia zintenzívňuje!
  • pri nízkouhlíkových a nizkolegovaných oceliach sú najviac korózne ohrozené úseky prehrievačových rúrok s najvyššou teplotou steny najmä ak je ich teplota vyššia, ako cca 490 – 500°C,
  • najvyššiu pozornosť z hľadiska kontroly technického stavu je potrebné venovať výstupným partiám výstupných prehrievačov pary, súčastiam ofukovačov trvale vystaveným spalinám s vysokou teplotou, ako aj iným menej intenzívne chladeným kovovým súčastiam, napr. závesom, väzbám rúrok, praporkom a pod.

b) Korózia výparníkov na strane spalín, kde sa predpokladajú tri základné druhy procesov poškodzovania:
b1) Korózia v značne redukčnom prostredí, napr. pri spaľovaní kontaminovanej biomasy pri sledovaní dosiahnutia nízkeho obsahu NOx. Ide pravdepodobne o obdobu procesov  výskytu redukčnej atmosféry v ohniskách práškových kotlov s vytavnými ohniskami, kde sa predpokladá existencia H2S v blízkosti stien výparníka.
b2) Korózia v prostredí roztavených solí [6]  hlavne chloridov a síranov. Dochádza k nej vtedy, keď nánosy tuhých zvyškov na výhrevnej ploche obsahujú solí s nízkymi teplotami tavenia, ako je napr. KCl-ZnCl2 (230°C), KCl-FeCl2 (355°C ) a pod.  Takéto solí 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 obsahujú zlúčeniny  Zn a Pb.
b3) Alkalická korózia [6, 20]. Niektoré alkalické  chloridy (NaCl, KCl), sírany (Na2SO4) a uhličitany (K2CO3) v nánosoch na stenách výparníkov môžu narušovať ochranné vrstvy oxidov , napr. aj oxidov chrómu podľa nasledujúcej schémy a spôsobovať značné korózne napadnutia:

2KCl(s) +1/2Cr2O3(s) +H2O(g) +3/4O2(g) → K2CrO4(s) + HCl

Pritom  K2CrO4(s)  nemá dostatočnú ochrannú funkciu.

Niektoré zdroje uvádzajú, že na výparníkoch VT kotlov sa môže uplatniť aj aktívna oxidácia.

c) Nizkoteplotná korózia býva príčinou poškodení a porúch rúrok ekonomizérov, ohrievačov vzduchu a za určitých okolnosti aj nosnej konštrukcie.

Najčastejšou príčinou  nizkoteplotnej korózie je :

  • kondenzácia pár silných kyselín, najmä kyseliny sírovej, prípadne aj kyseliny chlorovodíkovej na kovových povrchoch,
  • kondenzácia hygroskopických agresívnych solí (napr. K2ZnCl4, KCaCl2, CaCl2) 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 pod.). Pri chemickej analýze príslušných vonkajších nánosov sú zisťované značné množstva chloridových a síranových iónov [19].

d) Erózia a abrázia zo strany spalín . Napriek tomu, že biopalivá spravidla obsahujú menšie množstvá popolovín napr. v porovnaní s uhlím, vyskytujú sa v príslušných kotloch spaľujúcich biomasu vážne problémy s procesmi poškodzovania 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.

Poškodenia výmurovky

Potreby energetického využitia a  uplatnenia procesov spaľovania biomasy sú spojené aj s  potrebami  aplikácie nových vyhovujúcich žiaruvzdorných keramických materiálov, najmä výmuroviek a omazov. Napriek viacerým technickým riešeniam  technologických zariadení pre tepelné energetické využitie biomasy, vystupujú do popredia tieto základné procesy poškodzovania príslušných žiaruvzdorných keramických materiálov, a to [ 9, 10]:

  1. Reakcie žiaruvzdorných materiálov so zložkami a zlúčeninami alkalických kovov popolovín obsiahnutých v biopalive a v tuhých zvyškoch spaľovania (SiO2, TiO2, Al2O3, MgO, CaO, Fe2O3), vrátane nepriaznivých účinkov objemových zmien spojených s niektorými reakciami. V niektorých prípadoch sú procesy poškodzovania keramických materiálov spojené aj s penetráciou uvoľnených alkalických plynných zložiek popolovín.
  2. Poškodenia roztavenými zložkami popolovín.
  3. Poškodenia pri vysokých teplotných expozíciách,  najmä  tepelnou únavou – pôsobením tepelných namáhaní od rýchlych a častých teplotných zmien.
  4. Kombinované procesy poškodzovania. Známe sú napr. procesy zmien vlastnosti materiálov chemickými  reakciami podľa procesov uvedených v bode a), ktorých výsledkom je výrazné zníženie oteru vzdornosti. Tieto zmeny sú potom príčinou urýchlenej abrázie alebo erózie  exponovaných častí  keramických materiálov.

Prehľad niektorých foriem poškodzovanie žiaruvzdornej keramiky v ohniskách TEZ:

  • odlupovanie povrchových vrstiev a praskanie výmuroviek,
  • znižovanie hrúbky izolačných keramických materiálov, spojené so zvýšenou teplotnou expozíciou nosných – upevňovacích, 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, s potrebami časovo i finančne náročných opráv kotlov spaľujúcich biomasu. Starostlivému výberu keramických žiaruvzdorných materiálov je potrebné venovať zvýšenú pozornosť už vo fáze konštruovania nových kotlov pre spaľovanie bio palív, ako aj pri zámeroch co-firingu biopalív s existujúcich uhoľných kotloch.

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 – charu).  Účinné chladenie tepelne exponovaných časti roštov môže byť zabezpečené  napr.:

  • riešením potrebného zakrytia plochy roštu vrstvou paliva a koksíku a účinným chladením prúdiacim primárnym spaľovacím vzduchom, v kombinácii s použitím vhodného materiálu roštnice – napr.
  • 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 prípadne aj okrajových tesniacich líšt nadmernou tepelnou expozíciou a spravidla aj kombinovaných korózne abrazívnymi procesmi poškodzovania.

Napr. na [14]  je dokumentované rozsiahle poškodenie  roštníc stupňovitého  pohyblivého roštu, ktorého roštnice boli chladené iba primárnym vzduchom. Predpokladá sa, že rozsiahle poškodenie bolo spôsobené týmito procesmi:

– vnikom roztavených nánosov došlo k upchaniu kanálikov prívodu primárneho vzduchu  roštnice, vysokými teplotami došlo k narušeniu štrukturálnej stability a žiaruvzdorných vlastnosti materiálu, najmä odolnosti voči agresívnym alkalickým zlúčeninám,

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

Možné opatrenia pre riešenie problémov v prevádzke kotlov spaľujúcich biopalivá

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. Často sa využívajú aj  metódy výpočtového modelovania pomerov v kúreniskách kotlov  (CFD) [5].

Spaľovacie zariadenia nových bio – kotlov  by mali byť riadne zoradené a ich dodávateľ by mal vydať príslušné prevádzkové predpisy, vrátane  podrobného návodu na obsluhu a údržbu zariadení.

V prevádzke a pri obsluhe by mali byť prevádzkové predpisy dôsledne dodržiavané. To sa týka tak čistenia výhrevných plôch počas prevádzky (napr. ofukovanie), ako aj počas odstávok.

Pri revíziách a kontrolách je potrebné vysokú pozornosť venovať nielen stavu tlakových systémov, ale aj  stavu spaľovacích zariadení, stavu zanesenie výhrevných plôch a priestorov, poškodeniam výmuroviek a pod. Účelom pravidelnej kontroly stavu kotlov spaľujúcich alebo spolu spaľujúcich biopaliva by mala byť aj pravidelná kontrola chemického zloženia nánosov, ale najmä kontrola zmeny hrúbok stien v kritických oblastiach  tlakových i netlakových častí a overovanie stavu ich zvyškovej životnosti [19].

Primeraná pozornosť by mala byť venovaná aj periodickému hodnotenia dodržiavania predpísanej kvality používaných biopalív.

Počas odstávok zariadení venovať potrebnú pozornosť aj protikoróznej ochrane na strane voda – para aj na strane spalín

Existujú mnohé pokusy riešenia problémov korózie v spalinách biopalív  aplikáciou nových materiálov alebo použitím rozličných druhov povrchových návarov a nástrekov [29].

Problémy vzniku nánosov a aktívnej oxidácie sú často riešené aj aplikáciou príslušných aditív. Existuje niekoľko skupín látok a chemických zlúčenín používaných ako aditíva, ako sú napr. zlúčeniny obsahujúce prvky – Al a Si, Ca, P a Mg, vybrané druhy odpadov a pod. Ich pridávaním sa zvyšujú charakteristické teploty taviteľnosti popolovín príslušných biopalív. Naproti tomu aplikáciou aditív obsahujúcich síru napr. vo forme síranu amónneho sa dosahuje efektu zníženia intenzíty aktívnej oxidácie a obmedzenie ukladania tuhých zvyškov popolovín [21]. Prevádzková aplikácia aditív vyžaduje starostlivú prípravu a predchádzajúce odskúšanie ich účinkov.

Použitá literatúra a podklady

[1]  ČSN EN ISO 17225- 1  Tuhá biopalivá – Specifikace a třidy palív. Čast 1: Obecné požadavky.  Leden 2015
[2]  Hrdlička, J.: Biomasa pro výrobu tepla. Zborník TLAK 2013. S. 105-109.
[3]  6. 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, Vol. 2013
[7]  [21]  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 materiálaly 2006. Silikátová splečnost 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, 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 Plans. 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.: Korozni inspekce energ. kotlů při spalovaní nebo spolu spalovaní biomasy. Zb. 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. W. besustaintablemagazine.com
[22]  Livingston, W.R.  Biomass ash deposition, erosion and corrosion preocesses. 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,