Alternativní paliva a požadavky na vyzdívky tepelných agregátů

Odklon od spalování uhlí sebou přináší řadu praktických úskalí, která je třeba při konverzi na alternativní paliva překonat. Je třeba si uvědomit, že ne každé alternativní palivo je vhodné pro spalování v elektrárenských kotlích či spalovnách a některé technické požadavky zákazníků mohou být i protichůdné. Na základě praktických zkušeností vás tak chceme seznámit s provozními vlivy, které musejí vyzdívky odolávat při používání alternativních paliv.

V současné době se používají pro tepelné agregáty pro výrobu elektřiny a tepla tyto základní druhy pevných paliv:

• Černé a hnědé uhlí
• Biomasa – organická hmota vzniklá procesem fotosyntézy a hmota živočišného původu. Tato hmota je buď zbytková – odpady z dřevovýroby, zemědělství apod. Dále se může jednat o záměrně pěstovanou biomasu – energetické rostliny. Získávání energie se může realizovat přímým spalováním, zplyňováním, kombinací různých způsobů. Při používání biomasy se musí dbát na to, aby její získávání nemělo devastující vliv na přírodu, koloběh vody, úrodnost půdy. Tato nebezpečí hrozí při necitlivé těžbě dřeva, či nevracení zemědělských zbytků do půdy apod.
• TAP (RDF) – palivo vyrobené z komunálního a průmyslového odpadu. Pomocí různých technologií se vyrábí palivový mix se známými a garantovanými parametry.
• Čistírenské kaly

Důvodem pro používání tuhých alternativních paliv (TAP) či biomasy je odklon od spalování uhlí a zároveň snaha o likvidaci odpadů a spalitelných zbytků všech možných druhů materiálů. Tím odpadá skládkování části odpadů a dochází k šetření životního prostředí. Jejich termické zpracování je možné kombinovat, např. je možné použít pyrolýzy, přímého spalování, bioplynu apod. Stejně tak je možné spřáhnout některá zařízení - např. spalovnu s teplárnou a jiné způsoby výroby energií.

„Při navrhování vyzdívek pro tyto agregáty, kde se používají různé mixy paliv, vycházíme ze zkušeností, které jsme získali při instalaci vyzdívek a následném provozu ve spalovnách odpadů a elektrárnách,“ vysvětluje Vojtěch Kavan, senior projektový manažer ve firmě DITHERM, který dále popisuje další praktické dopady používání alternativních paliv.

Kromě zkušeností při instalaci a provozu agregátů jsou k dispozici technické parametry jednotlivých paliv a jejich mixů. Zákazník většinou definuje požadavky na vlastnosti navrhovaných vyzdívek. Naše projekční oddělení poté prostřednictvím těchto znalostí navrhuje typ konstrukce, materiály a způsob instalace vyzdívek.

Z provozu spaloven se ukázalo, že ne každý odpad se dá použít jako alternativní palivo. Stávalo se, že určitá vsázka odpadů dokázala při spalování zničit vyzdívku během jednoho týdne i při použití nejodolnějších materiálů vyzdívek. To se stávalo při nedostatečné znalosti parametrů mixu paliv případně paliva jednoho druhu – viz. obrázek č.1., kde byla nesprávně definovaná provozní teplota ve spalovací peci (projevila se chyba zadání objednatele).

To naznačuje, že pro využití alternativního odpadu jako paliva je nutná podrobná znalost jeho parametrů a vytvoření mixu paliv s přibližně stálými parametry, které budou zaručovat rovnoměrný chod zařízení bez velkých teplotních výkyvů a vzniku agresivních korozních tavenin. Alternativní paliva obsahují ve velké většině nízkotavitelné alkalické sloučeniny, což je nevýhodné vzhledem ke vzniku tavenin za nižších teplot. Důležité jsou parametry jejich popela DT - teplota deformace, ST - teplota měknutí, HT - teplota tavení, FT - teplota tečení, které se týkají vzniku taveniny a tím možností vzniku nálepů, které vznikají při natavení popílku a dochází k jeho nalepování na vyzdívku. Část nálepů steče a část zůstává na vyzdívce díky zatuhnutí. Tyto parametry popela při používání alternativních paliv jsou teplotně níže, než při používání uhlí jako paliva. Dále mohou být tyto sloučeniny rozneseny ve spalinách i mimo spalovací prostor a při teplotách 800 – 1000 °C způsobovat korozi vyzdívek.

Proto je nutné při používání těchto paliv, nebo jejich mixů, navrhovat nové materiály a konstrukce pro vyzdívky tepelných agregátů tak, aby co nejlépe odolávaly provozním podmínkám daného zařízení. Jedná se zvláště o odolnost alkalické korozi – ALKALIBURSTING – a dále o přizpůsobení se specifickým podmínkám provozu jednotlivých agregátů. Často se stává, že požadavky na vlastnosti vyzdívek, které jsou dány technickými parametry materiálu vyzdívek, jsou si vzájemně protichůdné.

Provozní podmínky a některá opatření pro vyzdívky při použití alternativních paliv nebo jejich mixů:

• Zamezení průniku spalin do struktury vyzdívky – je řešeno tím, že se navrhuje v převážné míře použití monolitických směsí ze speciálních materiálů s menším počtem spár. Také se uplatňují jiná řešení konstrukce dilatačních spár ve vyzdívce, než je běžné. Ve stále větší míře se používá torkretovacích směsí, které dosahují, díky speciálním vazbám, vlastností směsí vibrovaných, litých či dusaných. Dalším důvodem pro jejich používání je usnadnění temperace po provedené opravě a umožnění montáží ve špatně přístupných/nedostupných místech. Koroze – jak již bylo uvedeno, jedná se hlavně o alkalickou korozi - ALKALIBURSTNG, což je vznik cizorodých materiálů ve struktuře vyzdívky působením alkálií za příhodné teploty. Takto vzniklé materiály (zvláště živce) mají jiné vlastnosti než původní vyzdívka a tím dochází za provozu agregátu k odlupování vyzdívky, vzniku prasklin a k výrazné destrukci. Pro nasazení správného typu materiálu je nutno znát chemické složení spalin, popílku a jejich charakteristiky. Dále je nutný přesný popis provozování agregátu. To je nutné i pro určení rozsahu (kam až - do jaké výšky zařízení - má dosahovat) vyzdívky odolávající korozi.
• Odolnost proti teplotním šokům – materiál je volen dle provozních podmínek. Příliš rychlé chlazení i ohřev vyzdívek má za následek vznik trhlin ve struktuře vyzdívky. Trhliny a praskliny bývají většinou počátkem koroze vyzdívek. Příliš rychlé změny teplot bývají obvyklé u menších agregátů. Zvláště nebezpečné je rychlé ochlazování, kdy ve vyzdívce vznikají tahová napětí, kterým většinou vyzdívka neodolá, a vznikají trhliny. Určité vylepšení odolnosti může způsobit nasazení rozptýlené výztuže, ta je však limitována teplotou použití.
• Často je požadována vysoká odolnost proti abrazi a současně s tím požadavek na nízkou měrnou tepelnou vodivost. Splnění obou těchto parametrů jde však proti sobě. Je nutno tyto požadavky vybalancovat. Většinou se dostáváme na hraniční hodnoty parametrů materiálu, kdy tyto požadavky materiál splňuje v mezních hodnotách. Bohužel při změnách na vyzdívce za provozu např. vznikem nálepů, zeslabením vyzdívky vlivem abraze, vznikem trhlin apod. dochází též ke změně celkových parametrů a může se stát, že zařízení dosahuje projektovaných hodnot po delší době provozu jen obtížně.
• Požadavek na zamezení tvorby nálepů je nereálný. Můžeme jako projektanti vyzdívky zaručit za definovaných podmínek to, že materiál vyzdívky nebude reagovat po určitou dobu se spalinami, případně s taveninou. Tvorbě nálepů na povrchu však úplně nezabráníme. Pro částečné splnění tohoto požadavku by bylo nutno použít materiálů pro sklářské pece (elektrotavené). Tyto materiály by však neodolaly ostatním provozním podmínkám (např. teplotním šokům) a cenově jsou v tomto oboru nedostupné. Pro výrobu materiálu vyzdívek je možno použít surovin pro elektrotavené materiály, ale jiné zpracování než elektrotavení nezaručuje zabraňování vzniku nálepů. Je nutno zdůraznit, že vzniku nálepů na vyzdívce lze zabránit provozováním zařízení tak, aby nedocházelo k natavování provozního media.
• Požadavek na dosažení určité předepsané povrchové teploty na plášti bývá často nereálný. Je nutno zvažovat tloušťku vyzdívky a její složení, tj. požadavky na tloušťku pracovní vrstvy apod. Při tepelných výpočtech, které jsou prováděny při volbě vyzdívek, se ukazuje, že často není možno splnit, i při použití nejlepších izolačních materiálů, požadavky na tuto teplotu. K tomu přistupuje ještě výskyt tepelných mostů, které vytvářejí fixační prvky vyzdívky, tj. kotvy, konzoly aj. Do tepelných výpočtů je nutné zahrnout všechny vlivy, které ovlivňují povrchovou teplotu (tloušťka vyzdívky, jakost a skladba materiálů, fixační prvky apod.) a přesvědčit se pomocí výpočtů o reálnosti požadavku na teplotu pláště zařízení, aby nedocházelo v dalším období k nedorozuměním.
• Koroze fixačních prvků (kotev, konzol apod.) – ke korozi dochází v okolí trhlin a prasklin, dále po delším provozu zařízení, kdy spaliny začínají pronikat do vyzdívky. Může se vyskytnout i vznik rosného bodu, kde bývá toto napadání fixačních prvků nejintenzivnější. Dnes jsou vyvinuty speciální nátěry, které degradaci těchto prvků výrazně zpomalují.
• Degradace fixačních prvků křehnutím. Závisí na volbě jakosti kovového materiálu. Případně je možno provést náhradu kovových prvků keramickými. Je však nutno vždy důkladně zvážit možnosti tohoto nasazení.

GARANČNÍ PODMÍNKY PRO VYZDÍVKY

Při použití alternativních paliv vzniká zvýšené riziko nedodržení provozních podmínek. Může se změnit složení palivového mixu, dojít tím pádem ke kolísání teplot apod. Je dobré znát fázové diagramy, tj. vliv působení jednotlivých složek, kde je často vidět, že již velmi malý posuv ve složení znamená např. možnost vzniku taveniny a tím nebezpečí vzniku nálepů, či koroze a tím změnu provozních podmínek. Proto je nutné při stanovení garančních podmínek přihlížet ke stanoveným provozním parametrům.

„Z výše uvedených skutečností je patrné, že používání mixů alternativních paliv znamená nejen změnu v technických parametrech vyzdívky, ale také změnu v přístupu dodavatel – odběratel. K zamezení destrukcí vyzdívky je nutná ještě větší spolupráce a informovanosti o všech rizicích provozu daného zařízení. Tyto poruchy ve větším měřítku mají velký vliv na provoz zařízení a na dosahování plánovaných parametrů zařízení. Uplatňování garančních podmínek při případné reklamaci je těžší, pokud nejsou dodavateli známa všechna rizika provozu zařízení nebo se následně mění,“ dodává Vojtěch Kavan.

Trend od černého či hnědého uhlí z důvodů budování minimálně uhlíkové neutrality je jasný a zřetelný. Zde se stát zřízením tzv. uhelné komise snaží nastavit termín a následně pravidla, za kterých dojde k útlumu a konci využívání těchto zdrojů. V současné době tak probíhají diskuze o mnoha projektech zejména v oblasti TAP, které jsou vedeny jednak ekonomickou rozvahou (zejména cena emisních povolenek), ale i legislativou, kterou reprezentuje zákon o odpadech. Ten ve své novele definuje a navyšuje částky za skládkování a zároveň navyšuje obcím limity % tříděného odpadu. Jak se povede naplnit očekávání, je otázkou, protože instalovaný výkon na uhlí nejenom v elektrárnách, ale i v teplárnách, je značný a konverzi k jiným palivům nejde zrealizovat okamžitě. Výstavba nových zařízení na spalování ať už kalů či ostatních odpadů, se musí řídit i další legislativou a též zabere nějaký čas. Proto bylo cílem článku poukázat na dopady a případně rizika, která mohou souviset se změnou paliva. Tento proces není jednoduchý, ale dá se ve spolupráci s projekčními organizacemi a dodavatelskými firmami zvládnout. „Akciová společnost DITHERM je na tuto změnu připravena a ráda poskytne zákazníkům patřičnou pomoc a podporu ať již ve fázi projektové, tak i ve fázi realizace,“ doplňuje Jan Ečer, předseda představenstva DITHERM a.s.

DITHERM a.s.

V článku jsme vycházeli primárně ze zkušeností společnosti DITHERM a.s. z prováděných generálních a běžných oprav obzvláště elektrárenských kotlů, spaloven odpadů a postupy při navrhování materiálu a konstrukce vyzdívek do našich nabídek.