Energetyka i przetwarzanie odpadów

Jest to miejsce, gdzie paliwo (biomasa) jest wprowadzana do komory spalania. Czynnikiem ryzyka dla wymurówki jest oddziaływanie termiczne; do 750 °C. Występuje duża ilość pary wodnej i wstępne zgazowanie, atmosfera redukcyjna i umiarkowanie niska temperatura. Można stosować tu wyłożenie z cegieł, prefabrykatów lub betonu ogniotrwałego. Zabudowuje się dwu lub trzywarstwowe wyłożenie; warstwa robocza oraz pojedyncza lub podwójna warstwa izolacyjna. Stosowane są przeważnie wieloszamoty (45%+ Al2O3) o wysokiej wytrzymałości i niskiej zawartości tlenku żelaza

Strefa ta rozciąga się wzdłuż rusztu kotła; czynnikiem ryzyka może być bardzo wysoka temperatura i szok termiczny oraz znaczna różnica temperatur od dolnej do górnej części tej strefy (od 200 do 1200 C). Zagrożeniem z uwagi na ruch wsadu po ruszcie jest ścieranie. Wymurówka jest przeważnie dwuwarstwowa; zalecanym rozwiązaniem są wyłożenia ze wzmacnianych prefabrykatów betonowych i betonu izolacyjnego w warstwie ochronnej.

Sklepienie pośrednie oddziela strefę spalania i strefę dopalania. Dzięki niemu możliwe jest zupełne spalenie biomasy w strefie położonej niżej oraz oddzielenie przepływu produktów spalania do wylotu z kotła. Sklepienie oddziela też dwie strefy temperaturowe; poniżej występują temperatury około 850 °C, nad sklepieniem temperatury przekraczają 1200°C. Proces przebiegający pod sklepieniem w strefie spalania jest dużo bardziej agresywny niż jego łagodniejsza postać w strefie dopalania. Z uwagi na różnicę w temperaturach po obu stronach sklepienia zaleca się wykonanie go z wyrobów andaluzytowych które są odporne na szok termiczny i na ścieranie wywoływane przez przepływ gazów.

Strefa spalania to obszar, w którym występują wysokie temperatury, przekraczające temperaturę mięknienia popiołów. Atmosfera tutaj jest utleniająca, co sprzyja pełnemu przebiegowi procesu spalania, a dodatkowo mogą występować dysze powietrza wtórnego, intensyfikujące mieszanie gazów. Temperatury panujące w komorze spalania to około 900 °C nad rusztem i 1100°C za dyszami powietrza wtórnego, przy czym biomasa bywa o różnej wilgotności i podanie suchszej może spowodować gwałtowny wzrost temperatury nawet do 1400°C. Wyłożenie strefy spalania może być realizowane za pomocą produktów wypalanych lub betonów odlewanych. Materiał wyłożenia powinien charakteryzować się odpornością na wysokie temperatury, stabilnością w atmosferze utleniającej oraz wytrzymałością na ewentualne oddziaływanie dysz powietrza.

Strefa dopalania, często uzupełniana o sklepienie pośrednie, to miejsce, gdzie proces spalania jest dopełniany przy bardzo wysokich temperaturach. Atmosfera pozostaje utleniająca, co umożliwia całkowite dopalenie pozostałości wsadu. W tej strefie zachodzą intensywne reakcje chemiczne, które muszą być finalizowane. W strefie dopalania stosuje się rozwiązania podobne do tych w strefie spalania – produkty wypalane lub beton odlewany. Kształt i grubość wyłożenia muszą być dostosowana do temperatur zakresu 950-1200 C, aby utrzymać ciągłość procesu dopalania.

Strefa wysypu popiołu i żużla charakteryzuje się niższymi temperaturami (650-850C) w porównaniu do wcześniejszych stref, ale równocześnie występuje tu podwyższone tarcie wynikające z ruchu i przemieszczania się materiałów. Często zachodzi również zjawisko dopalania węglanów, co dodatkowo wpływa na właściwości wyłożenia. W tej strefie, z uwagi na mniejsze wymagania termiczne, stosuje się rozwiązania umożliwiające odporność na tarcie, przy jednoczesnym zapewnieniu trwałości. Materiały wyłożenia powinny wykazywać wysoką odporność na ścieranie oraz tarcie. Dobór odpowiednich produktów musi uwzględniać specyfikę dopalania karbonatu, co wymaga stosowania materiałów o odpowiedniej stabilności chemicznej w niższych temperaturach.

Na wylocie proces przebiega celem przeniesienia ciepła z komory do kotła odzysknicowego. Geometrycznie, wymiar wylotu z komory i wlotu do kotła powinny mieć podobny wymiar (zachowanie przepustowości i ograniczenie spadków ciśnienia). W tym miejscu stosuje się wymurówkę z betonu, ponieważ jest łatwiejsza do wykonania; temperatury pracy sięgają nadal 1200 °C w komorze adiabatycznej, dobrze sprawdzają się betony wysokoglinowe (natryskiwane lub prefabrykaty).

Sklepienie zapłonowe - jest jednym z istotniejszych elementów decydujących o prawidłowej pracy kotła. Jego zadaniem jest absorpcja ciepła od płomienia i przekazanie tego ciepła na ruszt poniżej, gdzie następuje suszenie oraz zapłon paliwa. Materiał sklepienia narażony jest na oddziaływanie produktów zgazowania paliwa i atmosfery redukcyjnej, oraz na bardzo szybki wzrost temperatury podczas rozruchu – zależny od czasu osiągania temperatury pracy (do 1100°C). Wykonuje się go z kształtek (na wieszakach), jako lane w szalunki, lub jako segmentowe (z prefabrykatów). Źle pracujące sklepienie wymusza na obsłudze utrzymywanie ognia pod elementem, co jest niekorzystne dla materiału, czystości spalin oraz wydajności i sprawności kotła.

Skrzynki odchyleń rur ekranowych (włazy, wzierniki, czujniki, ciśnienia i temperatury itp.) wymagają "uszczelnienia" materiałami ogniotrwałymi, stosuje się tu najczęściej beton o temperaturze klasyfikacji co najmniej 1350 C.

Ściany kotłów (na obmurzy ciężkim) zastosowane materiały zależne są od miejsca ich zabudowy: w komorze spalania temperatury są znacznie wyższe niż na 2-gim ciągu i sięgają do 1100 C. Zadaniem ścian jest utrzymanie spalin wewnątrz kotła oraz niedopuszczenie do napływu powietrza z zewnątrz (w kotle jest podciśnienie), które obniżyłoby sprawność. Narażone są na działanie spalin, promieniowania od płomienia oraz na pokrywanie się napiekiem (jeśli proces spalanie nie jest prowadzony optymalnie).

Strefa przyrusztowa charakteryzuje się dużą zmiennością temperatur, a także możliwością wystąpienia tarcia spowodowanego przepływem wsadu. Stosuje się rozwiązania oparte przede wszystkim na cegłach wypalanych, rzadziej na prefabrykatach betonowych. Konstrukcja musi uwzględniać dynamiczne zmiany temperatur oraz oddziaływanie tarcia, co często wymusza stosowanie wielowarstwowych systemów wyłożenia. Wymagana jest wysoka odporność mechaniczna obmurza oraz odporność na szok termiczny; w razie wystąpienia lokalnego „przedmuchu”, temperatura procesu może punktowo wzrosnąć nawet do 1600 C.

Dno dyszowe – tędy przez liczne dysze tłoczone jest powietrze o temperaturze około 220°C fluidyzujące złoże. Przestrzeń między dyszami wylana jest betonem ogniotrwałym. Dysze kierują powietrze w dół, dlatego pojawia sią erozja. Na przejściu w ściany występuje często próg. Temperatury w tym obszarze są raczej niskie (około 600°C).

Ściany komory w zakresie kontaktu ze złożem; tu znajdują się palniki rozpałkowe, wloty paliwa i sorbentu, wloty materiału powrotnego z separatorów, włazy itp. Zadaniem obmurza jest głównie ochrona komory ciśnienia przed ścieraniem przez złoże. Temperatury nie przekraczają 900 C. W miejscach nieciągłości ekranu beton ogniotrwały może mieć dużą grubość, natomiast na ekranie ma on najczęściej 50 – 80 mm nad szczytami rur. W miejscach tych powstaje gęsta siatka spękań – ważnym jest by gęstość kotwienia była wystarczająco duża, wtedy nie ma to wpływu na trwałość obmurza.

Wyłożenie kanałów spalin, tj. kanałów pomiędzy separatorami (dotyczy kotłów CFB) lub komorą spalania (dotyczy kotłów BFB) a częścią konwekcyjną kotła. Transportowane są nimi nisko zanieczyszczone, słabo erodujące spaliny o temperaturze 850 – 950°C.

Wlot do cyklonów tj. kanałów pomiędzy komorą a separatorami (dotyczy kotłów CFB). Transportowane są nim zanieczyszczone spaliny (silnie erodujące, efekt erozji jest wzmacniany zmianą przekroju między komorą, a kanałem wlotowym, gdzie gazy są przyspieszane) o temperaturze 850 – 950°C, mogą być one wykonane jako ekranowane, lub izolowane. W kanałach ekranowanych, ze względów technologicznych najczęściej strop kanału wykonywany jest torkretem, podłoga wylewana a ściany mogą byś torkretowane, wylewane lub wykonane z prefabrykatów, a wyłożenie jest cienkowarstwowe. Dla wyłożeń cienkowarstwowych stosowane są betony samopłynące np. PCOCAST BNABFl, czy MULCAST BN80MFl, zaś dla miejsc o większych grubościach wyłożenia (np. kompensator) beton do wibrowania np. PCOCAST BMAB160, czy PCOCAST BN160AZS (dla trudnych warunków pracy).

Separatory (gorące cyklony - dotyczy kotłów CFB); wstępnie oczyszczone w separatorach spaliny kierowane są do części konwekcyjnej kotła kanałami spalin, mogą być one wykonane jako ekranowane, lub izolowane. Atmosfera jest zdecydowanie redukcyjna, a temperatury to 850 – 950°C. W cyklonach ekranowanych, ze względów technologicznych najczęściej strop cyklonu wykonywany jest torkretem, a ściany mogą być wylewane, ubijane z mas plastycznych lub wykonane z prefabrykatów, gdzie wyłożenie jest cienkowarstwowe. W cyklonach izolowanych najczęściej strop cyklonu wykonywany jest torkretem, a ściany mogą być murowane z klinów, wylewane lub wykonane z prefabrykatów, a wyłożenie warstwy robocze jest grubsze, a izolacja ma skutecznie odciąć strumień ciepła traconego i obniżyć temperaturę pancerza.

Jest to główny ośrodek, w którym następuje zgazowanie i częściowe spalanie odpadów; dzięki obrotowi cylindra obmurze cyklicznie nagrzewa się (gdy jest na górze) i oddaje ciepło do wsadu (gdy się po nim przetacza). Wymagania dotyczące obmurza zdeterminowane są założeniami projektowymi, tj. agresywnością środowiska, temperaturą procesu. Wymurówka jest najczęściej jednowarstwowa, wykonywana jest z klinów wysokoglinowych, najczęściej andaluzytowych lub korundowych. Okolice włazów lub otworów palnikowych wykłada się betonem ogniotrwałym o klasie temperaturowej powyżej 1600 °C.

Zadaniem tego fragmentu pieca jest spiętrzenie karbonatu i popiołu by dokończyć procesy gazyfikacji / spalania, zanim opuszczą piec. Wyłożenie ogniotrwałe wykonuje się z cegieł wypalanych wysokoglinowych w warstwie roboczej (wyroby andaluzytowe, korundowe) oraz wyroby szamotowe i izolacyjne w warstwach ochronnych.

Czoło pieca dostarcza wsad/paliwo do instalacji oraz zależnie od technologii (współprądowa czy przeciwprądowa) zabudowany tam może być palnik i dysze powietrza. Płyta czołowa pieca pracuje często w zmiennych warunkach termicznych i jest wtedy narażona na stałe wysokie różnice temperatur oraz na oddziaływanie produktów odparowanie i zgazowania paliw/odpadów. Obszar czoła pieca wykonywany jest z materiału monolitycznego, najczęściej wysokoglinowego betonu odlewanego lub z prefabrykatów betonowych.

Wlot z pieca obrotowego to kluczowe miejsce, w którym gazy unoszone są do dalszych etapów procesu, a cięższe frakcje – takie jak żużle, popioły oraz niespalone resztki – opadają. Warunki pracy w tej strefie charakteryzują się umiarkowaną temperaturą, zwykle nieprzekraczającą 950 °C, oraz atmosferą lekko utleniającą. Występuje tu intensywna erozja mechaniczna spowodowana ruchem materiału oraz spadkiem ciężkich frakcji z cylindra pieca. Dla instalacji opalanych biomasą leśną rekomendowany jest beton MULCAST BN50M, natomiast w przypadku spalania odpadów komunalnych lub medycznych zalecany jest MULCAST BN80MZr.

Złoże fluidalne to strefa, w której dopalane są karbonaty – czyli zwęglone, stałe pozostałości po procesie zgazowania i spalania paliw w piecu obrotowym. Temperatura w tym obszarze nie przekracza 950 °C. Choć warunki erozyjne są trudne z uwagi na intensywny kontakt z materiałem stałym i dynamiczny przepływ powietrza, to środowisko korozyjne jest mniej agresywne – większość związków chemicznych ulatuje bowiem z gazami we wcześniejszych etapach procesu. Do najczęściej stosowanych betonów należą MULCAST BN50MZr oraz PCOCAST BNAK160, zalecany w aplikacjach wymagających zwiększonej odporności na zużycie i stabilności wymiarowej.

W strefie spalania, następuje intensyfikacja procesu utleniania. W piecu temperatura utrzymywana jest zwykle poniżej 1000 °C – ogranicza się ją celowo, by zapobiec oklejaniu się obmurza przy niedoborze tlenu. W tej części układu gazowe składniki spalin trafiają do przestrzeni, gdzie wprowadzane jest powietrze trzeciego stopnia (powodując gwałtowne wzrosty temperatury). Ze względu na warunki pracy tej strefy polecane są cegły z linii ABRAL zawierające dodatek węglika krzemu lub betony specjalne BNSiC, charakteryzujące się bardzo dobrą odpornością chemiczną i termiczną oraz trwałością w kontakcie z utleniającą atmosferą o wysokiej temperaturze.

Strefa dopalania odpowiada za końcową fazę procesu utleniania gazów powstałych w wyniku spalania odpadów. Jej podstawowym celem jest wydłużenie czasu przebywania spalin w warunkach wysokiej temperatury oraz ich dokładne wymieszanie z powietrzem wtórnym lub trzeciego stopnia, co umożliwia całkowite dopalenie pozostałych składników palnych. Temperatury w tej strefie mogą przekraczać 1050 °C. Podobnie jak w strefie spalania, polecanym wyłożeniem pozostają produkty z linii ABRAL i betony BNSiC.

Przegrody mieszające pełnią istotną funkcję w końcowej fazie procesu spalania – ich zadaniem jest wydłużenie czasu przebywania spalin w obszarze temperatur utleniających oraz intensywne ich wymieszanie z wtórnym lub trzecim powietrzem. Temperatura w tej strefie może przekraczać 1050 °C, a dla podtrzymania wymaganych parametrów termicznych często uruchamiane są dodatkowe palniki gazowe. Z uwagi na wymagania procesowe i atmosferę utleniającą w przegrodach mieszających stosuje się cegły ogniotrwałe o wysokiej zawartości SiC.