Úvod

Plazmová technologie prezentovaná v tomto článku, která je vyvíjena a realizována firmou ORGREZ, a.s. ve spolupráci s VŠB-TU Ostrava, je technologický systém určený pro roztápění a stabilizaci uhelných energobloků pomocí aktivačních plazmových generátorů. První elementární výzkumné práce a odborné zprávy provedené v této oblasti lze nalézt již v 60 letech minulého století, a to především z oblasti bývalého Sovětského svazu, kde byly prováděny první pokusy a experimenty. Lze říci, že po padesátiletém období, ve kterém se využití plazmové technologie pro roztápění a stabilizaci uhelných energobloků jevilo jako nezajímavé, a to především z důvodu relativního dostatku ušlechtilých paliv, nastává v současné době reforem energetického sektoru prostor, kdy může tato moderní technologie využívající čtvrtého skupenství hmoty přinést nesporné hospodářské úspory při řešení určitých problémů souvisejících s roztápěním a stabilizací pomocí dnes užívaných klasických ušlechtilých paliv, jakými jsou zemní plyn nebo mazut. Užití těchto klasických paliv s sebou přináší určité negativní aspekty mezi které patří například vysoká cena, zvýšené provozní náklady na vyrobenou MW elektrické energii, zvýšené produkce emisí oxidu dusičnatého, oxidu siřičitého a oxidu vanadičného a v neposlední řadě zvýšená bezpečnostní rizika související s manipulací a provozem s těmito látkami. Tyto uvedené problémy lze za určitých podmínek eliminovat užitím plazmového systému pro roztápění a stabilizaci. 8

Koncepce plazmové technologie

Pokud hovoříme o stabilizaci a roztápění uhelných energobloků, máme na mysli procesy a pochody spojené se spalováním a hořením uhelného prášku na hořácích a v prostoru spalovací komory kotlů uhelných elektráren nebo tepláren.

Základním palivem těchto kotlů je namleté surové uhlí - uhelný prášek, a to buď na bázi černého nebo hnědého uhlí. Uhelný prášek po rozemletí v mlecím zařízení (kulové, ventilátorové mlýny, aj.) proudí společně s nosným médiem (primární vzduch, spaliny) práškovody do hořáku, který zajišťuje jeho vstupní termochemickou aktivaci a určuje vstup do prostoru spalovací komory. Konstrukční provedení těchto hořáků se však výrazně liší podle typu a konstrukce kotle, druhu spalovaného paliva, konstrukce mlecího zařízení a podle typu a způsobu provádění procesu roztápění a stabilizace. Pro procesy roztápění (zapalování) a stabilizace uhelných kotlů se využívá jako zdroje aktivačního a stabilizačního výkonu druhého paliva (plynu, resp. těžkého topného oleje - mazutu). Pro užití těchto sekundárních ušlechtilých paliv však musí být blok nutně vybaven více či méně rozsáhlým a složitým vlastním hospodářstvím. Jak již bylo v úvodu zmíněno jednou z dalších možností jak provádět vlastní procesy roztápění či stabilizace energobloků je užití plazmové technologie. Základním "přídavným" sekundárním palivem je tedy v tomto případě nízkoteplotní plazma generovaná účinkem stejnosměrného oblouku na tlakový katodový a anodový vzduch v mezielektrodovém prostoru plazmového generátoru aktivující při vzájemném styku proud koncentrované primární uhelné směsi. Lze tedy říci, že plazmová technologie je systémem, kde výkonový proud primární uhelné směsi je zapalován prostřednictvím plazmou aktivovaného sekundárního (odděleného) proudu primární směsi. Jedná se tedy o zapalování prášku aktivovaným práškem. Principiální porovnání dosavadních způsobů roztápění a stabilizace se způsobem využívající plazmovou technologii je uvedeno na obr. I.

Vlastní princip aplikace plazmové technologie do oblasti práškových ohnišť

Principiálně se iniciace hoření uhelného prášku, ať již v procesu roztápění nebo stabilizace výkonu kotle pomocí plazmové technologie, uskutečňuje v aktivační komoře termochemické přípravy paliva (resp. výkonovém hořáku) osazené plazmovým generátorem, Tento generátor vytváří na výstupu z anody proud nízkoteplotní plazmy o teplotě 3000-6000 °C, která je tlakovým vzduchem unášena do prostoru komory termochemické přípravy paliva (aktivační komory). Vlastní palivo, primární směs, je stejně jako u klasických technologií, heterogenní směs nosného média - spalovacího vzduchu (resp. spalin) a uhelného prášku. Působením proudu nízkoteplotní plazmy na proud primární uhelné směsi dochází k iniciaci termických, termochemických a termodynamických procesů přípravy paliva vedoucím k následnému hoření a spalovaní uhelných částic.

Nastíněné procesy přípravy paliva působením aktivační energie nízkoteplotní plazmy lze, rozdělit do několika po sobě navazujících fází, jejichž hlavními představiteli jsou:

• termický výbuch uhelných částic způsobený následkem vysokého teplotního gradientu nízkoteplotního plazmatu,
• prudký nárůst měrného povrchu destruovaných uhelných částic a jejich reaktivnosti,
• vysokorychlostní ohřev destruovaných částic na teplotu uvolňovaní prchavých látek
• dynamický výron prchavých látek
• sled termochemických reakcí uvolněných látek s okysličovadlem a předchozími meziprodukty.

Výsledkem nastíněných procesu Je pak první fáze hoření sekundární uhelné směsi. Tepelná energie uvolněná hořením prchavých látek (reaktivního plynu, aktivních center) sekundárního proudu je na konci komory termochemické přípravy využita k iniciaci hoření hlavního výkonového proudu uhelné aerosměsi ve směšovací komoře (resp. ústí hořáku). Reaktivní plyny uvolněné ve směšovací komoře jsou před vstupem do prostoru spalovací komory směšovány, za použití vířičů, se sekundárním vzduchem, čímž je docíleno dokonalého vyhoření a současně uvolnění vázaného množství tepelné energie v uhelných částicích. Zjednodušené principiální schéma tohoto procesu a provedení hořáku je uvedeno na následujícím obr. 2.

Srdce plazmové technologie - Plazmatron GNP320

Základním stavebním prvkem popisované technologie je generátor nízkoteplotní plazmy - Plazmatron G P320. Úkolem tohoto generátoru je vyrobit a zajistit dodávku nízkoteplotní plazmy o daném množství a teplotě tak, aby její působení v prostoru komory termochemické přípravy paliva zajistilo termický rozklad uhelného prášku s následným dynamickým výronem prchavých látek a inicializovalo bezprostřední hoření uvolněných látek při kontaktu s okysličovadlem

Pro tento účel byl vyvinut plazmatron GNP-320 o jmenovitém výkonu 320 kW. Generátor pracuje na principu silně stabilizovaného stejnosměrného elektrického oblouku. Elektrický oblouk hořící ve vnitřní části plazmatronu je formován systémem plnícího tlakového plazmatvorného vzduchu přiváděného do plazmatronu ve dvou větvích. Úkolem tohoto plnícího vzduchu je formovat plynné prostředí a vytvořit vírové proudové pole mezi elektrodami tak, aby bylo zajištěno stabilní hoření stejnosměrného oblouku, jehož teplota se pohybuje kolem 10 000 až 12 000 K , a dále unášet obal trupu tohoto oblouku skrze kladnou elektrodu do prostoru termochemické komory výkonového hořáku. Teplota unášeného plazmatu z generátoru se pohybuje mezi 3000 až 6000 K podle nastavených pracovních parametrů (průtoku plnícího katodového a anodového vzduchu). Takto generovaná a unášená plazma tvoří vlastní iniciační médium pro hoření aerosměsi.

Pracovní výkonový rozsah plazmatronu je regulovatelný v rozsahu 160-320 kW, přičemž příslušný pracovní bod lze nastavovat v rozsahu stejnosměrného napětí 420-460V a proudu 350- 750A. Regulace výkonu plazmatronu se provádí množstvím přiváděného plazmatvorného vzduchu do obou větví a regulací napájecího napětí.

Nastavený výkon plazmatronu se odvíjí od potřeby vlastního režimu stabilizace (požadovaná výkonová hladina kotle, kvalita spalovaného uhlí) nebo od režimu roztápění kotle (konstrukčního a technologického provedení mlýnských okruhů, regulačního rozsahu podavače surového paliva, regulace průtoku primárního nosného média, regulace průtoků spalovacích vzduchů přiváděných do prostoru spalovací komory). Nastavení režimu provozu generátoru plazmy je vždy závislé na provedení výkonového hořáku a termochemické komory. Provedení termochemické komory (resp. výkonového hořáku) a nastavení provozních parametrů režimu stabilizace a roztápění je vždy navrhováno pro daný typ spalovaného paliva, technologický způsob jeho úpravy a dopravy do hořáků, regulační rozsah mlýnských okruhů (kvalitativní složení uhelné směsi), charakter proudění uhelné směsi aktivačními oblastmi a konstrukční provedení kotle. a obrázku 3 je zobrazen popisovaný plazmatron a jím generovaná plazma při testovacím provozu na vzduchu mimo aktivační komoru hořáku.

Pro úplný popis činnosti generátoru je rovněž vhodné uvést média a energie, která jsou nezbytná pro jeho provoz. Generátor nízkoteplotní plazmy byl konstruován a proveden tak, aby. k jeho provozu byly potřebná pouze média a energie běžně dostupná na elektrárnách případně teplárnách.

Provozní média plazmatronu GNP320 jsou rozdělena do tří skupin:

elektrické napájení: Plazmatron pracuje se stejnosměrným silně stabilizovaným obloukem, z čehož vyplývají i požadavky na elektrické napájení. Za tímto účelem byl vyvinut samostatný systém elektrického napájení plazmatronů. Principiálně se tento systém skládá z výkonového oddělovacího transformátoru (sekundární strana 3x400V), tří fázového polořízeného usměrňovače, vyhlazovací tlumivky, VN-vf ionizačního startovacího zdroje);

plazmatvorný plyn: Plnícím plynem generátoru, ve kterém je stabilizován a unášen elektrický oblouk, je tlakový vzduch (6 bar) zbavený mechanických nečistot, vlhkosti a mastnoty. Do plazmatronu je přiváděn pod daným tlakem ve dvou větvích - anodové a katodové;

chladicí kapalina: Vzhledem k vysokému tepelnému namáhání elektrod a ostatních částí plazmatronu je tento generátor chlazen tlakovou kapalinou. Chladicí kapalinou je užitková voda zbavená hrubých mechanických a chemických nečistot.

Principiální schéma přívodu těchto provozních médií do plazmatronu je na následujícím obr. 4.

Elektrárna Vojany (SR):

První vývojová akce plazmové technologie na území České a Slovenské republiky. Realizace byla provedena v rámci řešení RVT úkolu. Cílem tohoto projektu bylo ověřit funkčnost a životaschopnost plazmové technologie. Při realizaci tohoto projektu byl plazmovou technologií osazen tavicí kotel bloku č.3 o výkonu 110 MWe spalující doněcké antracitické T-uhlí o průměrné výhřevnosti 22,5 MJ/kg a obsahu prchavých látek v surovém palivu v rozmezí 4-9 %. Na tento vybraný blok, s frontálním umístěním 10 práškových hořáků v přední a zadní stěně spalovací komory stabilizovaných a roztápěných 6-ti plynovými hořáky, byly instalovány dva výkonové termochemické hořáky osazené prototypovými generátory plazmy. Firma ORGREZ, a.s. divize Ostrava ve spolupráci s VŠB - TU Ostrava vyvinula pro možnost aplikace plazmové zapalovací a stabilizační technologie nový vířivý práškový hořák splňující podmínky pro začlenění do koncepce kotle. Koncepční řešení práškového hořáku pro spalování antracitického uhlí osazeného nízkoteplotním generátorem plazmy je uvedeno na obr 5,6.

Práškový hořák (obr 5,6) je napojen na původní rozvod primární směsi a skládá se z těchto částí:

1. Francouzské koleno, které zrovnoměrňuje proudění uhelného prášku v oblasti před hořákovou rozdělovací klapkou.
2. Hořáková rozdělovací klapka s kalhotovým kusem - rozdělující přívodní proud primární uhelné směsi na proud směřující do výkonové části hořáku zakončené vířivými lopatkami a proud směřující do středové části hořáku označované jako aktivační komora.
3. Zavíření proudu primární směsi před vstupem do aktivační komory zajišťuje spirální skříň, jejíž smysl zavíření je shodný se smyslem zavíření výkonových vířivých lopatek a lopatek sekundárního vzduchu na ústí hořáku.
4. Do aktivační komory vyložené po délce keramickými vložkami je zaústěn přes chlazenou připojovací přírubu generátor nízkoteplotní plazmy.
5. Proud primární směsi aktivovaný plazmou se před ústím hořáku slučuje s výkonovým proudem primární směsi ve směšovací komoře, která je rovněž po délce vyložena keramickými vložkami.
6. Pro intenzifikaci hoření uvolněných aktivních plynných složek a žhavého uhlíku na ústí hořáku je vnějším mezikružím přiváděn spalovací vzduch

Regulace průtoku primární směsi hořákem (obr 5,6) a jeho výkonu při provozu s nízkoteplotní plazmou je řešena klapkou primárního vzduchu, otáčkami komůrkového podavače uhelného prášku, hořákovou rozdělovací klapkou a elektrickým příkonem plazmatronu.

Po celé řadě provedených zkoušek zaměřených na ověření plazmové technologie při stabilizačním provozu kotle na hranici 65 MWe bez podpory plynových hořáků a při roztápění kotle ze studeného odstávkového stavu lze tuto technologii hodnotit následovně:

1. umožnila dynamičtější a rychlejší najetí bloku s povoleným maximálním růstem trendů na teplosměnných plochách do předepsaných parametrů přehřáté a přihřáté páry v kratším časovém intervalu než při dosavadním roztápění za pomocí plynu,
2. odstranila chronické potíže s teplotou odtékající strusky zejména při sníženém výkonu kotle,
3. vířivý hořák nové konstrukce prokázal dlouhodobou životnost bez deformací následkem vysokých teplot oproti všem doposud používaným hořákům,
4. zvýšil se regulační rozsah kotle při zabezpečení dostatečné teploty v tavícím prostoru kotle bez podpory plynových hořáků,
5. zvýšila se úspora ušlechtilých paliv jejíž představitelem je zemní plyn,
6. snížily se cenové náklady při provozu kotle na žádaném výkonu
7. byly odstraněny časté problémy s tavením strusky způsobené velkými výkyvy v kvalitě dodávaného paliva (dodávky z 19 šachet bez homogenizace na skládce).

Elektrárna Prunéřov (ČR):

První realizace plazmové technologie na území České republiky řešená na komerční bázi. Instalace plazmové technologie je realizována na kotli bloku č.5 o výkonu 110 MWe. Jedná se průtlačný granulační kotel spalující chomutovské hnědé uhlí o průměrné výhřevnosti 11,0 MJ/kg, obsahu vody 31-36 % a obsahu prchavých látek v hořlavině 5l-57 %. Žádaného výkonu je dosaženo zatěžováním 5 mlýnských okruhů umístěných v půl obvodu spalovací komory. Koncepčně jsou hořáky jednoho mlýnského okruhu řešeny jako vířivý pro zahuštěnější část primární uhelné směsi a proudový se čtyřmi kruhovými hubicemi pro odvod nosného sušícího média - brýd. Smyslem této realizace bylo prokázat vhodnost její aplikace do prostředí mlecích okruhů s ventilátorovými mlýny, kterými je osazena drtivá většina kotlů v elektrárnách ČEZ, a.s. Tato technologie byla aplikována na jeden mlýnský okruh, který je přednostně využíván pro roztápění kotle. Celkové konečné řešení plazmové technologie na jednom mlýnském okruhu kotle spalujícího hnědé uhlí je patrné z obr. 8, 9, 10,11, 12, 13.

Pro zapalování prášku mlýnského okruhu MO5l je využito 2 ks plazmových generátorů umístěných na obtoku hořáku (obr 9, 10) a části výkonového vířivého hořáku (obr 13). Ventilátorovým mlýnem škrceným na sání regulačními deskovými uzávěry je nasáváno kanálem horkým spalin nosné médium (v počátcích vzduch) z prostoru spalovací komory, do kterého je zaústěno přes svodku surové palivo dávkované deskovým podavačem. Jemně namletá uhelná směs o požadované granulometrii proudí výtlačným hrdlem spirální skříně ventilátorového mlýna do práškového potrubí. Odtud přes frakční lopatkový koncentrátor a uzavřený vstup do brýdového kanálu regulační dvoulistou klapkou do kanálu výkonového hořáku.

Ve vstupní části kanálu výkonového hořáku (obr 8, II) je primární uhelné směs rozdělována s využitím usměrňovací klapky a hořákové rozdělovací klapky do původního kanálu výkonového hořáku a nově instalovaného obtoku s aktivační plazmovou komorou vyloženou keramickými vložkami (obr 9,10,12). Optimální rozložení hmotnostního toku uhelného prášku před jeho aktivací generátorem plazmy v keramické části zajišťují žaluziové koncentrační klapky (obr 10). Za základ aktivační komory, při zachování vnějších geometrických rozměrů, byla využita původní hubice vzduchu pro mazutový hořák.

Původní diagonální část kanálu výkonového hořáku byla pro možnost instalace druhého generátoru plazmy těsně před vstupem do vířivých vložek nahrazena novým dvouplášťovým přechodovým kusem (obr 13). Instalace generátoru plazmy do kanálu výkonového hořáku (obr 13) a aktivační komory (obr 9) je realizována přes vodou chlazené připojovací příruby.

Oba aktivované proudy z výkonové části hořáku a aktivační komory jsou slučovány před ústím hořáku. K dokonalému promísení obou proudů je využito původních hořákových vířivých vložek a usměrňovacího klínu předsazeného před aktivační komorou. Pro dosažení intenzivního spalování uvolněných plynných složek a žhavého koksu na ústí hořáku je využito přívodu sekundárního vzduchu přes vířivé lopatky souhlasného smyslu natočení jako u práškového hořáku. Nastavení průtoku primární směsi o optimálních parametrech pro provoz s plazmou je řešeno regulací: škrcením na sání ventilátorového mlýna, otáčkami deskového podavače a výškou vrstvy paliva na podavači, škrcením brýdového kanálu dvoulistou klapkou, polohou nastavení usměrňovací a hořákové rozdělovací klapky a nastavením žaluziových koncentračních klapek. Do současné doby byly provedeny 4 úspěšné ověřovací zkoušky roztápění kotle ze studeného stavu bez pomoci mazutového zapalovacího systému. U každé následují zkoušky byl zkrácen časový interval pro výkonové zatížení kotle (až o 30 minut), čehož bylo dosaženo optimalizací aerodynamických poměrů mlecího okruhu, optimaizací umístění generátorů plazmy a optimalizovaným přívodem spalovacích vzduchů do prostoru spalovací komory.

Z doposud provedeného souboru zkoušek na bloku č.5 vyplývají následující zjištění:

1. z výsledků třetí ověřovací zkoušky náběhu bloku ze studeného stavu za pomocí plazmového podpůrného systému zapalování instalovaného na mlýnském okruhu MO 51 plyne jeho 2,56 x vyšší efektivita využití vyvinutého tepla pro dosažení stejného tepelného efektu při počáteční fázi náběhu bloku oproti standardnímu systémem mazutového zapalování,
2. z výsledků bodu I plyne, že je zapotřebí vyvinout 2,56 x méně tepla (menší spotřeba hnědouhelného paliva a efektivnější využití tepla pro nahřev kotle) hořením hnědouhelného prášku za pomocí nízkoteplotní plazmy než hořením samotných mazutových hořáků,
3. při srovnání cenových nákladů na roztápění kotle nízkoteplotní plazmou a mazutem bude vždy výsledek výrazně hovořit ve prospěch plazmové technologie. Poměr cenových nákladů za nákup mazutu ku nákupu hnědouhelného paliva při počáteční fázi roztápění kotle bude 10,6 x nižší ve prospěch plazmové technologie

Zkušenosti s provozem plazmové technologie z hlediska provozovatele

Elektrárna Prunéřov přistoupila k odzkoušení plazmové technologie na základě příznivých závěrů studie "Plazmové hořáky na Elektrárně Prunéřov". V roce 2002 bylo rozhodnuto odzkoušet plazmovou technologii na jednom mlecím okruhu kotle číslo 5 (v případě uvedení do běžného provozu se předpokládá osazení dvou mlecích okruhů). Požadovalo se ověření možnosti použití plazmy pro najetí bloku ze studeného i teplého stavu, prověření spolehlivosti provozu a v neposlední řadě ověření přínosů plazmové technologie - rychlejší a provozně levnější najetí bloku. V uváděné studii byly navrženy dvě varianty umístění plazmatronů. Varianta I předpokládala osazení hlavního i brýdového hořáku plazmatrony. Varianta 2 předpokládala osazení hlavního hořáku dvěma plazmatrony a brýdový hořák osadit uzavírací klapkou. Na základě měření na mlýnském okruhu byla provedena opatření na snížení ventilačních schopností mlýnu a přerozdělení primární směsi mezi hlavní a brýdový hořák. Vzhledem k velkému přebytku vzduchu v brýdovém hořáku bylo rozhodnuto realizovat var.2, což znamená zapalování pouze hlavního práškového hořáku a brýdový hořák osadit v práškovodu uzavírací klapkou. Plazmatron 1 je umístěn na ochozu hlavního práškového hořáku, který je koncipován jako proudový hořák s usměrňovacím klínem a druhý plazmatron je osazen přímo na hlavním vířivém hořáku. Výsledky ze zapalovacích zkoušek vedly k nutnosti snižování množství uhlí do mlýna v počátcích najíždění a k doplnění ústí hlavního hořáku o usměrňovací klín.

V průběhu roku 2003 bylo provedeno cca 20 zapálení uhelného prášku a 3x najetí kotle pomocí plazmatronů bez použití najížděcích mazutových hořáků. Během této doby došlo pouze k poruše jednoho plazmatronu. Během všech zkoušek byla zajištěna přítomnost techniků Orgrezu, kteří prováděli najíždění plazmové technologie a před každou sérií zkoušek demontáž plazmatronů, jejich kontrolu a zpětnou montáž. Na základě zkušeností s provozem bylo rozhodnuto v roce 2004 plazmovou technologii doplnit automatikou umožňující najetí bez potřeby speciální obsluhy.

Závěrem lze konstatovat - prokázala se možnost nasazení plazmové technologie na daný typ kotle, již při první zkoušce byla po 2 hodinách a 40 minutách vpuštěna pára na turbínu, po dalších 45 minutách blok přifázován, během najíždění nedošlo k překročení povolených trendů teplot jednotlivých teplosměnných ploch kotle, provozní náklady na najíždění kotle lze snížit o 50 - 75%. Po osazení plazmové technologie automatikou a následném vyhodnocení provozu bude rozhodnuto o rozšíření plazmové technologie i na ostatní kotle.

Související

Související témata Kotle vysoko a středotlaké Kotle horkovodní Provozní média - chemická úprava