AktualnościOgraniczanie zagrożenia wybuchem w instalacjach współspalania węgla i biomasy w energetyce. Część II: Techniczne aspekty współspalania węgla i biomasy.AktualnościOgraniczanie zagrożenia wybuchem w instalacjach współspalania węgla i biomasy w energetyce. Część II: Techniczne aspekty współspalania węgla i biomasy.
Węgiel jest dostarczany do elektrowni transportem kolejowym: talbotami albo węglarkami. Talboty są rozładowywane nad bunkrem rozładowczym, spod którego wózki wygarniające kierują węgiel bezpośrednio na przenośnik taśmowy. Węglarki są rozładowywane wywrotnicą wagonów do leja zsypowego. Bunkry węglowe i leje zsypowe są budowlami podziemnymi, skąd węgiel jest transportowany układem przenośników taśmowych albo na plac składowy albo bezpośrednio do spalania.
Biomasa jest dostarczana do elektrowni transportem samochodowym. Rozładunek następuje bezpośrednio na specjalny plac składowy biomasy. Z placu biomasa spychana jest do dołu zsypowego z przenośnikiem zgrzebłowym.
W elektrowniach i elektrociepłowniach budynki linii nawęglania: doły zsypowe paliw, bunkry węgla, budynki przesypowe i budynek bunkrowni łączą się z sobą przestrzennie poprzez tunele i galerię skośną. W tych połączonych z sobą budynkach łatwo może dojść do rozprzestrzeniania się pożaru i wybuchu. Z chwilą wprowadzenia biomasy zagrożenie wybuchem stało się bardziej realne niż przy węglu. Pył biomasy łatwiej tworzy chmurę wybuchową, łatwiej ulega zapłonowi i stanowi materiał, który wybucha pierwszy. Fakt ten domaga się uwzględnienia w rozwiązaniach budowlanych linii biomasy.
Z punktu widzenia zapobiegania skutkom wybuchu podziemne usytuowanie urządzeń nie jest korzystne. Wybuch pyłu w podziemnej przestrzeni zamkniętej prawie zawsze powoduje poważne zniszczenia i wznieca chmurę pyłu osiadłego w połączonych z nią przestrzeniach innych budowli i budynków.
Budynki i budowle, w których stosuje się, przerabia bądź magazynuje materiały palne mogące utworzyć z powietrzem groźne atmosfery wybuchowe, muszą odpowiadać szczególnym przepisom prawa [1], tak by skutki ewentualnego wybuchu mogły być zminimalizowane.
Lokalizację podziemną instalacji zasypu biomasy na linię nawęglania, ważenia biomasy i mieszania z węglem można zastąpić bardziej bezpiecznymi rozwiązaniami w lekkich budynkach naziemnych.
Transport paliwa do zasobników przykotłowych odbywa się przenośnikami taśmowymi. Zwykle posiadają one budowę otwartą. W czasie transportu występują drgania konstrukcji i ruch powietrza, co powoduje unoszenie drobnych frakcji ziaren węgla i biomasy i osiadanie ich na powierzchni posadzek i urządzeń. Z uwagi na własności biomasy zapobieganie pyleniu w elektrowniach i elektrociepłowniach oraz usuwanie jego skutków musi być brane pod uwagę w stopniu większym niż dotychczas.
W niektórych rozwiązaniach linii biomasy zastosowano przenośniki taśmowe całkowicie osłonięte i szczelne. Nieraz jednak uważa się, że po zmieszaniu z węglem pylenie zostaje ograniczone wskutek przykrycia warstwy biomasy warstwą węgla. Jak wynika z wielu dokonanych kontroli nie jest to pogląd w pełni usprawiedliwiony. Należy koniecznie ograniczać pylenie na trasach przenośników taśmowych, szczególnie latem, gdy wysuszona biomasa jest bardziej lotna.
Ważnym elementem układu transportu paliwa są budynki przesypowe. W budynkach tych zlokalizowane są zsypnice jedno- lub dwudrożne umożliwiające odpowiednie skierowanie strumieni paliwa. Węzły przesypowe są tymi szczególnymi miejscami, gdzie pylenie jest większe. Zapobieganie pyleniu polega na uszczelnieniu konstrukcji przesypów oraz na stosowaniu nawilżania mgłą wodną wnętrza zsypnic w czasie transportu paliwa. W ten sposób likwiduje się możliwość powstania atmosfery wybuchowej wewnątrz i na zewnątrz przesypów. Warto również wiedzieć, że razem z wilgotnością pyłu wzrasta minimalna energia zapłonu iskrowego.
Największe zapylenie powstaje w bunkrowni (galeria zasobników) w trakcie nawęglania zasobników przykotłowych, gdy węgiel z biomasą jest zrzucany do zasobnika. W miarę zapełniania zasobnika coraz więcej pyłu unosi się nad rejonem zasypu. W tych miejscach należy rozważyć zastosowanie metod zasypu z odciąganiem pyłu lub nawilżanie mgłą wodną.
W obiektach, w których w wyniku prowadzonego procesu magazynowania i transportu paliwa następuje pylenie, ważne staje się usuwanie obłoków pyłu oraz pyłu osiadłego.
Odpowiednia wentylacja lokalizująca, odsysająca pył z miejsc pylenia może zapobiec niepożądanemu gromadzeniu się pyłu na powierzchniach posadzki i urządzeń. Pomieszczenia w budynkach i budowlach linii nawęglania są w elektrowniach z reguły wyposażane w uruchamianą w razie potrzeby wentylację mechaniczną ogólną. Wpływ takiej wentylacji na ograniczenie gromadzenia się pyłu węglowego w miejscach emisji jest mały. Zastosowane w elektrowniach systemy wentylacyjne zapewniają zaledwie niski poziom wentylacji i małą dyspozycyjność. Zmianę może przynieść zastosowanie miejscowych odciągów pyłu z miejsc pylenia. Może to dotyczyć na przykład zsypnic i zasobników przykotłowych paliwa.
Mimo stosowania najlepszych systemów wentylacyjnych zawsze dochodzi do uwolnienia najbardziej lotnych frakcji pyłu do atmosfery pomieszczenia. Na skutek tego pył osiada na powierzchni posadzki i urządzeń. O skali problemu świadczy to, że wystarczy, aby źródło emisji pyłu posiadało wydajność 0,01 g/s, aby po upływie kilku dni w pomieszczeniu powstała kilkumilimetrowa warstwa pyłu o masie kilku kilogramów. Taka ilość pyłu jest już niebezpieczna – gdy wybuchnie, może spowodować przyrost ciśnienia powyżej 5 kPa.
Ważnym problemem staje się systematyczne i skuteczne usuwanie nagromadzeń pyłu. Często elektrownie powierzają to zadanie firmom specjalistycznym. Spotyka się także instalacje centralnego odkurzania wykonane w budynkach przesypowych i bunkrowni, a nawet w galerii skośnej.
W elektrowni z kotłami pyłowymi każdy blok energetyczny wyposażony jest w kilka instalacji młynowych do przygotowania mieszanki pyłowo-powietrznej, kierowanej następnie bezpośrednio do palników kotła. Najczęściej stosowane są instalacje z nadciśnieniowym młynem miażdżącym. W skład instalacji młynowej nadciśnieniowej wchodzą: zasobnik paliwa, podajnik ślimakowy dozujący paliwo do młyna, młyn kulowo-misowy z pyłoprzewodami, wentylator powietrza susząco-transportującego i wentylator powietrza uszczelniającego oraz układ olejowy.
W czasie ruchu młyna w jego wnętrzu jest obecna pyłowa atmosfera wybuchowa.
Bezpieczeństwo młyna w czasie normalnej pracy zapewnia stały przepływ powietrza susząco-transportującego z prędkością ok. 10 m/s. Inaczej jest w czasie uruchamiania lub zatrzymywania młyna. Gdy pojawią się źródła zapłonu, może dojść do wybuchu. Młyn nie jest wykonany jako odporny na ciśnienie wybuchu oraz nie jest wyposażony fabrycznie w system ochronny zabezpieczający przed skutkami wzrostu ciśnienia w czasie wybuchu.
Źródłami zapłonu pyłu wewnątrz młyna mogą być: cząstki rozżarzonego paliwa, gorące powierzchnie, iskry uderzeniowe oraz iskry krzesane. W praktyce wybuch wewnątrz młyna rzadko powoduje poważniejsze uszkodzenia. Jednakże konieczny jest postój – czyszczenie i przegląd młyna. Wybuch może natomiast spowodować przedmuch gorących gazów i rozżarzonych cząstek paliwa z młyna do zasobnika przykotłowego, a także do wentylatora – i spowodować tam wybuch wtórny. Przyrost ciśnienia wskutek wybuchu może spowodować wydmuchy gorącego pyłu lub płomieni przez uszczelnienia drzwi rewizyjnych do kotłowni. Prawdopodobieństwo takiego zdarzenia wzrasta przy współmieleniu biomasy z węglem.
W czasie ruchu młyna przeciwdziałanie wybuchowi w jego wnętrzu polega przede wszystkim na zadaniu i utrzymaniu bezpiecznej temperatury mieszanki pyłowo-powietrznej za młynem. Wartość tej temperatury należy ustalić w zależności od parametrów charakteryzujących łatwość zapłonu paliwa. Zawartość wilgoci w paliwie i aktualne obciążenie młyna decyduje o ilości i temperaturze powietrza susząco-transportującego.
Młyn powinien posiadać szczelne odcięcie od zasobnika przykotłowego, działające automatycznie przy wzroście temperatury w rurze zasypowej. Do ochrony młyna przed pożarem i wybuchem wykorzystuje się uruchamiane automatycznie instalacje gaśnicze. Instalacje młynowe powinny posiadać również zabezpieczenia ograniczające skutki wybuchu. Najwłaściwsze wydaje się stosowanie urządzenia ochronnego w postaci bezpłomieniowego odciążenia wybuchu. Wskazane jest, aby takie urządzenie zainstalować na dopływie powietrza do młyna, z uwagi na niższą wytrzymałość mechaniczną tego fragmentu instalacji.
Przenośniki taśmowe należą do głównych urządzeń układu nawęglania elektrowni. Sterowanie pracą przenośników taśmowych nawęglania realizowane jest w rozproszonym systemie pomiarów i automatyki DCS z wizualizacją (Distributed Control System). Cały układ przenośników taśmowych elektrowni, ze składowiska i punktu rozładowczego wagonów do bunkrowni, jest zdalnie sterowany z nastawni nawęglania.
Ciągi przenośników taśmowych połączone są budynkami przesypowymi, w których następuje skierowanie strugi paliwa na odpowiedni ciąg nawęglania. Elementem kierującym paliwo są zsypnice sterowane zdalnie z nastawni nawęglania. Zsypnice wyposażone są często w czujniki przepełnienia.
Bezpośredni wpływ na bezpieczeństwo pożarowo-wybuchowe przenośników taśmowych ma stosowanie środków zapobiegających pyleniu paliw oraz środków zapobiegających iskrzeniu i nadmiernemu nagrzewaniu. Sposoby ograniczenia pylenia to: obudowy taśmociągów, szczelne zsypnice, sprawne zgarniaki pyłu węglowego z taśm przenośników, czujniki obecności paliwa na taśmie, czujniki kontroli zboczenia taśmy, czujniki przepełnienia zsypnic. Do sposobów zapobiegania iskrzeniu i nadmiernemu nagrzewaniu należą: kontrola temperatur części ruchomych – łożysk zestawów krążnikowych przenośników taśmowych (rolek), łożysk napędów, łożysk bębnów, np. z wykorzystaniem kamery termowizyjnej.
Zasobniki przykotłowe stanowią bufor gwarantujący ciągłą dostawę paliwa do młynów. Specyfiką ich pracy jest przetrzymywanie paliwa przez kilka godzin. Własności paliwa, takie jak zawartość wilgoci i lepkość, mogą powodować zaburzenia w pracy zasobnika. Sklejanie paliwa jest przyczyną powstawania w zasobniku nawisów w postaci mostka, komina, leja lub sklepienia itp. Może to doprowadzić do zatrzymania przepływu paliwa z zasobnika do młyna. Jeżeli w tym czasie nastąpi opróżnienie podajnika ślimakowego z paliwa, to sama konstrukcja podajnika nie zapewni szczelnego odcięcia od młyna. Wtedy nastąpi przedmuch gorącego powietrza z młyna do zasobnika. Skutkiem może być pożar lub wybuch w zasobniku i w bunkrowni na galerii nawęglania.
Zasobniki przykotłowe paliwa powinny być wyposażone w dwa pomiary poziomu paliwa: poziom maksymalny i poziom minimalny. Umożliwia to automatyzację pracy układu nawęglania. Obniżenie poziomu paliwa w zasobniku poniżej minimalnego jest niebezpieczne, gdyż likwiduje „korek materiałowy” chroniący przed przedmuchem z młyna. Z punktu widzenia zapobiegania wybuchowi ważny jest ciągły przepływ paliwa z zasobnika do młyna przy jednoczesnym uniemożliwieniu przepływu gorącego powietrza w przeciwnym kierunku. Przepływ paliwa z zasobnika do młyna usprawniają: przeciwnawisowa wykładzina bazaltowa zasobników, wibratory mechaniczne lub zdmuchiwacze pneumatyczne, pomiar poziomu zapełnienia zasobnika paliwem. Uniemożliwienie odwrotnego przepływu powietrza można uzyskać przez tzw. odcięcie materiałowe lub przez montaż zasuwy pneumatycznej na rurze zsypowej, tak jak w elektrowniach fluidalnych. Innym ważnym środkiem bezpieczeństwa jest detekcja toksykometryczna tlenku węgla nad zasobnikami. Pojawienie się tlenku węgla świadczy o rozwoju procesu tlenia w zasobniku. Wtedy wymagane jest podjęcie działań likwidujących ogniska pożaru.
Sterowanie pracą głównych urządzeń elektrowni jest wspomagane przez układy automatyki DCS, które działając samoczynnie, szybko i niezawodnie umożliwiają ekonomiczne i bezpieczne prowadzenie ruchu. Obiektem regulacji jest blok energetyczny: kocioł – turbozespół. Jednym z podstawowych układów automatycznej regulacji pracy bloku jest układ automatycznej regulacji (UAR) ciśnienia pary, który zmienia strumień paliwa do kotła przez oddziaływanie na prędkość (wysterowanie) podajników ślimakowych dostarczających węgiel z zasobników przykotłowych do młynów. W skład układu wchodzi również regulator powietrza susząco-transportującego do młyna oraz regulator temperatury mieszanki pyłowo-powietrznej za młynem.
Bardzo ważnym parametrem młyna jest wydajność [5]. Zmniejszenie wydajności powoduje ograniczenie produkcji pary w kotle, a to z kolei ogranicza moc elektrowni. Wydajność młyna zależy od:
Współmielenie mieszanki węgla z biomasą z reguły powoduje zmianę wydajności młyna. Aby zapewnić bezpieczeństwo procesu mielenia wraz ze zmianą paliwa (węgiel zastąpiono mieszanką węgiel + biomasa) – nastawienie UAR instalacji młynowej musi uwzględnić zmianę wydajności młyna i podajnika młynowego.
Aby bezpiecznie i prawidłowo eksploatować młyn, muszą być spełnione wymagania w zakresie zabezpieczeń, sygnalizacji i blokad.
Automatyczne wyłączenie młyna (blokada) powinno nastąpić, w przypadkach gdy:
Sygnalizacja stanów krytycznych pracy młyna jest wymagana, gdy:
Warunki zabezpieczeń, blokad i sygnalizacji młyna i wentylatora powinny zostać ustalone z uwzględnieniem własności fizykochemicznych
mielonego paliwa. W dokumentacji [6] wytwórcy młyna parametry blokad i sygnalizacji są podane w odniesieniu do węgla. Ważne jest, aby bezpieczne prowadzenie młyna na innym paliwie niż węgiel było poprzedzone ostrożnymi próbami.
Dobry stan techniczny urządzeń nawęglania zależy od terminowego i solidnego wykonywania czynności konserwacyjnych i przeglądów zgodnie z wymaganiami producenta zamieszczonymi w DTR (Dokumentacja Techniczno-Ruchowa). Należy przestrzegać terminów wykonania prac, jak i ich zakresów. W odniesieniu do urządzeń nawęglania najczęściej są to terminy półroczne.
Wpływ na poziom bezpieczeństwa przeciwpożarowego i przeciwwybuchowego przenośników taśmowych ma stan taśmy, krążników i urządzeń czyszczących taśmę. Uszkodzenie taśmy – pęknięcie, naderwanie, zniszczenie krawędzi należy szybko usunąć. Taśmę, która wyciągnie się poza zakres regulacji napinania, należy skrócić i wykonać nowe złącze. Niedopuszczalne jest rozwarstwienie taśmy. Każdy przenośnik taśmowy powinien posiadać sprawne urządzenia czyszczące taśmę z przylepionego węgla. Zły stan taśmy może być przyczyną większego pylenia czy wręcz rozsypywania paliwa. Innym ważnym elementem są krążniki (rolki), na których spoczywa taśma. Zużycie powierzchni zewnętrznych pierścieni krążników nie może przekraczać 25%. Krążniki powinny się lekko obracać. Zatarcie krążnika może doprowadzić do nadmiernego nagrzania, pożaru i/lub wybuchu.
W czasie pracy młyna kulowo-misowego następuje zużycie elementów mielących, jakimi są dolny pierścień miażdżący, kule i pierścień dociskowy. Zużycie występuje wskutek ścierania powierzchni tych elementów. Dochodzi do zmniejszenia się wymiarów: średnic kul, grubości pierścieni i grubości ścian młyna. Dopuszczalne wartości zużycia zawarte są w DTR producenta młyna [6]. Na wielkość zużycia elementów mielących wpływają dwa zasadnicze czynniki:
Z punktu widzenia prewencji przeciwwybuchowej ważne jest, aby młyn wraz ze wszystkimi urządzeniami był w pełni sprawny. Decyduje to o jakości mieszanki paliwowo-powietrznej kierowanej do palnika. Należy zadbać również o zachowanie szczelności młyna. Uszczelnienia drzwi i włazów należy często kontrolować i w razie potrzeby wymienić. Należy utrzymywać sprawność wyposażenia przeciwpożarowego młyna w postaci instalacji gaszącej.
Stosowanie urządzeń elektrycznych w obiektach nawęglania elektrowni i elektrociepłowni powinno podlegać rygorom gwarantującym bezpieczeństwo przeciwpożarowe i przeciwwybuchowe. Jednym z nich jest sprawdzenie doboru urządzeń elektrycznych do warunków środowiskowych, w jakich pracują. Charakterystyczne dla instalacji nawęglania warunki pracy urządzeń elektrycznych to zapylenie. Poziom zapylenia należy ocenić integralnie, niekoniecznie nawiązując do klasyfikacji wybuchowej stref. Jeżeli na urządzeniach elektrycznych może gromadzić się pył, np. ze względu na trudności w jego usuwaniu, to wiadomo, że urządzenie takie może być przyczyną zapłonu, o ile nie jest urządzeniem przeznaczonym do pracy w strefie pyłowej. Dotyczy to szczególnie opraw oświetleniowych. Dlatego warto dokonać weryfikacji doboru urządzeń, zwłaszcza oświetlenia w miejscach, gdzie występuje pylenie.
Aby ograniczyć ryzyko wybuchu w elektrowniach i elektrociepłowniach wykorzystuje się również różnorodne środki organizacyjne, które zmniejszają ryzyko skutków wybuchu, jakie mogliby ponieść pracownicy. Do najczęściej stosowanych środków organizacyjnych zmniejszających ryzyko wybuchu zalicza się:
Elektrownie i elektrociepłownie chętnie korzystają z możliwości współspalania biomasy z węglem kamiennym. Wynika to z konieczności ograniczenia emisji gazów do atmosfery, ale również z rosnącej ceny węgla i z preferencji państwowych. Zasoby biomasy są duże i mogą zostać zwiększone przez planowe działania gospodarcze i korzystne ceny. Jednakże w związku ze spalaniem biomasy w elektrowni wzrasta zagrożenie pożarem i wybuchem. Wynika ono z własności fizykochemicznych tego paliwa. Produkcja biomasy powinna być objęta normalizacją gwarantującą jakość tego paliwa. Współspalanie biomasy z węglem kamiennym w jednym palniku pyłowym jest rozwiązaniem najprostszym i najtańszym, ale ideowo niewłaściwym. Istnieje wiele sposobów bardziej bezpiecznego i efektywnego spalania biomasy, np. w osobnym palniku. Wymaga to wprawdzie budowy oddzielnego układu paliwowego, lecz korzyści w ekonomice i bezpieczeństwie wydają się być oczywiste. Jak uczy doświadczenie, lepiej inwestować w nowsze rozwiązania niż stosować najprostsze traktując je jako tymczasowe.
Zmniejszenie zagrożenia wybuchem w elektrowniach i elektrociepłowniach, w istniejących układach współspalania biomasy z węglem kamiennym jest możliwe. W zastosowaniach praktycznych pojawiają się nowe technologie oferujące nowe urządzenia i systemy ochronne, które zabezpieczają przed wybuchem. Jednak zawsze najwięcej zależy od człowieka, jego poziomu wiedzy i umiejętności jej stosowania – szczególnie w trudnych sytuacjach ruchowych. Należy jednak podkreślić, że decydenci coraz częściej wybierają rozwiązania będące nośnikiem prawdziwego postępu technicznego w dziedzinie produkcji „zielonej energii” i trwalszych efektów ekonomicznych.
|
EKO-KONSULT Spółka z o.o. ul. Narwicka 6, 80-557 Gdańsk + 48 58 554 31 38 (39) |
|
Napisz do nas: |
|
Oddział w Krakowie: 32-095 Modlnica, +48 669 890 009 |