Realizace a optimalizace kotle na spalování vysokopecního plynu

Vysokopecní plyn (dále VPP) je stále běžným produktem při výrobě železa ve vysoké peci a železárny jej využívají pro výrobu páry potřebné pro technologii železáren. To je standardním a fektivním řešením. Naše fi rma má praktické zkušenosti s návrhem kotlů pro tyto účely, jednou z nedávných úspěšných realizací byla výstavba kotle 157 t/h ve Voest Alpine Linz v Rakousku. roto jsme se také zúčastnili soutěže na dodávku kotle K4 na kombinované spalování VPP a zemního plynu (dále ZP), kterou vypsala firma USS Steel Serbia pro železárny ve Smederevu nedaleko Bělehradu. Soutěž probíhala relativně ve velmi krátkých termínech.
První kontakt se zákazníkem byl 8. září 2004, nabídka byla podána koncem září, smlouva vešla v platnost 2. listopadu 2004 s termínem pro první zapálení kotle 15. srpna 2005 a převzetím dodávky zákazníkem v termínu 30. září 2005. Garanční měření proběhlo v říjnu 2005.
Spěch ze strany zákazníka byl na úkor kvalitní přípravy podkladů zadání technických vstupních podmínek pro kontrakt, což se posléze projevilo v potížích při provozu kotle. Kotel je umístěn ve stávající kotelně (v plánovaném prostoru pro čtvrtý kotel), kde jsou instalovány 3 podtlakové kotle ruské klasické konstrukce o parametrech 75 t/h, 3,8 MPa, 450 °C z roku 1971. Kotle jsou zapojeny do společné sběrnice; pára se využívá pro turbogenerátory a pro turbokompresory. Spaliny všech kotlů jsou zavedeny do společného komína. Palivem je zemní plyn a vysokopecní plyn, stávající kotle jsou také vybaveny olejovými hořáky.

Provedení kotle

POŽADOVANÉ PARAMETRY KOTLE K4
Parní výkon                                                        75 t/h
Teplota přehřáté páry                                         450 °C
Tlak přehřáté páry                                              3,9 MPa
Minimální výkon kotle                                           30 t/h
Teplota páry při minimálním výkonu kotle
100 % VPP                                                        450 °C
100 % ZP                                                          430 °C
Teplota napájecí vody                                          130 °C
Projektovaná spotřeba VPP při jmenovitém výkonu   15,8 Nm³/s
Účinnost kotle podle DIN 1942
100 % VPP                                                         91,7 %
100 % ZP                                                           94,9 %
 

Garance emisí (mg/Nm³ při standardních vztažných podmínkách):
           VPP   ZP
NO_x      200  200
CO       100  100
Prach     10     5
 

Provoz kotle v celém operačním rozsahu na kombinaci obou paliv i samostatně. Specifi kované parametry paliv:
                                 VPP        ZP
Výhřevnost (MJ/Nm³)    3,8–4,2  34
Přetlak (kPa)                5,8        30

Na základě těchto parametrů jsme pro tento projekt upravili náš standardní plynový kotel. Kotel je podepřený, je kompaktní, má podélnou spalovací komoru a buben, je vybaven dvěma kombinovanými hořáky v čelní stěně, dvěma samonosnými stupni přehříváku s jedním vstřikem ve druhém tahu kotle, kde je též umístěna vodorovná žebrovaná výparníková plocha vetknutá přímo do membránových stěn tahu a žebrované eko.
Konvekční výparník hraje u spalování balastních paliv významnou roli při zvýšení účinnosti kotle a snížení teploty spalovacího vzduchu. Poslední výhřevnou plochou kotle je samostatně stojící trubkový ohřívák vzduchu. Kotel je přetlakový s jedním vzduchovým ventilátorem. Toto řešení umožnil přijatelný přetlak VPP. Kombinace s podtlakovými kotli do jednoho komína nečiní žádný problém. Pro podporu přehřátí kotle při minimálním výkonu kotle na zemní plyn je instalován ventilátor recirkulace spalin do spalovací komory. Vzhledem k dostatečné výhřevnosti VPP bylo počítáno se samostatným provozem na toto palivo bez stabilizace spalování zemním plynem. Hlavní díly vlastního kotle (jsou tvořené třemi moduly samostatně dopravenými) dorazily na stavbu 30. května 2005, k prvnímu zapálení kotle došlo 1. srpna 2005.

Příprava základů

Instalace nosného rámu kotle

Usazení modulu spalovací komory

Montáž hlavního bloku

Přední plošina kotle s hořákem

Přes extrémně krátkou dobu projektu byly dodrženy všechny termíny včetně zapálení kotle a garančních zkoušek, které podmiňovaly předání kotle zákazníkovi. Po uvedení kotle do provozu se však ukázalo, že kotel vykazuje významně vyšší přehřátí, než bylo počítáno. Mělo to za následek ohrožení životnosti přehříváků a problémy se vstřikem, VPP také nemohl být spalován bez podpory ZP. Po laboratorních zkouškách paliva se prokázalo, že výhřevnost VPP byla pod 3 MJ/Nm³. To je hodnota, která již neumožňuje samostatné spalování a druhým důsledkem bylo i vysoké přehřátí, dané podstatně větším objemem balastu ve spalinách a spalin celkově. V neposlední řadě z tohoto důvodu došlo také ke snížení účinnosti kotle při provozu na VPP. Přitom se ukázalo, že aktuální výhřevnost VPP byla u zákazníka známa, avšak došlo k zaměnění podkladů pro tento projekt z doby výstavby ze 70. let, kdy tyto hodnoty byly platné. Situace byla vyřešena dodatkem smlouvy se zákazníkem, která zahrnovala vyhodnocení provozu kotle, úpravy kotle spočívající v návrhu redukce smyček obou přehříváků a snížení garantované účinnosti kotle.
Úpravy kotle proběhly v listopadu 2005 a následně byly opakovány garanční zkoušky, které prokázaly všechny dodatkem smlouvy požadované parametry. Významným následkem této chyby ovšem zůstal problém podpory spalování VPP zemním plynem. Původní požadavek projektu zněl, aby byl kotel dával plný výkon při spalování ZP. Znamená to, že v tomto případě se v současné době podporuje spalování VPP výkonovým hořákem. Vzhledem k velmi nízkému tlaku ZP, který je v kotelně k dispozici, je však jeho regulovatelnost 1:3, takže kotel musí být provozován s vyšší spotřebou ZP, než by bylo nutné. To s sebou nese zvýšené provozní náklady.
Z několika variant řešení, které jsme připravili, byla vybrána instalace dalších, „pilotních“ hořáků na ZP, které budou v případě spalování VPP trvale v provozu a budou spalovat optimální množství ZP a zaručí spolehlivý plamen. Tyto hořáky budou umístěny do osy hlavních hořáků, kde je prostor původně plánovaný pro možnou instalaci vsuvek olejového hořáku. Toto řešení je nyní ve stadiu pokročilé projekční přípravy. Tímto způsobem se vyřeší spalování a hoření, které bylo dodatečně řešeno v přípravě projektu. To však stálo nezanedbatelné náklady.

Autoři

• Ing. Hudeček Mirko CSc.
• Ing. Ryšavý Milan