Laboratorium Spalania i Zgazowania jest najstarszym istniejącym laboratorium w Zakładzie Procesów Cieplnych. Od początku swojego istnienia głównym celem laboratorium był rozwój nowych technologii i technik spalania węgla kamiennego i brunatnego. Z czasem rozszerzono działalność laboratorium na nowe kierunki, takie jak zgazowanie paliw stałych, spalanie gazów niskokalorycznych, spalanie i współspalanie paliw alternatywnych, rozwój technologii ogniw paliwowych itp.
Laboratorium ma powierzchnię około 400 m2 i mieszczą się w nim przede wszystkim stanowiska badawcze oraz specjalistyczna aparatura pomiarowo-badawcza. Skala stanowisk pozwala zarówno na zbadanie procesów cząstkowych zachodzących w pojedynczych ziarnach, jak i oceny stabilności spalania z użyciem danego palnika pyłowego w skali półtechnicznej. Laboratorium jest także przygotowane do badań nad procesami oczyszczania spalin ze szkodliwych związków chemicznych z użyciem, np. metody SCR lub SNCR. Warto także podkreślić możliwości badania spalania paliw stałych w warunkach tlenowych na stanowiskach badawczych z możliwością użycia tlenu, dwutlenku węgla, pary, tlenków azotu i dwutlenków siarki wraz z odpowiednim stopniowaniem utleniacza i podaniem go we właściwej temperaturze (do 1 400°C).
Specjalistyczna aparatura badawcza zapewnia właściwą diagnostykę badanych procesów. Zakład Procesów Cieplnych jest w stanie zmierzyć niemal wszystkie interesujące z punktu widzenia spalania i zgazowania związki gazowe występujące w spalinach i gazach. Z kolei System Optycznej Diagnostyki Płomienia wraz z aparaturą umożliwiającą pomiar pół prędkości (PIV), temperaturę cząstek (pirometr dwu-barwowy), radiacyjny strumień ciepła (radiometry) oraz procesy żużlowania i osadzania jest w stanie dostarczyć nie tylko interesujących danych o samym procesie, ale wspomóc modelowanie matematyczne w celu weryfikacji samych modeli jak i polepszenia wyników symulacji numerycznych rzeczywistych kotłów energetycznych i urządzeń towarzyszących.
W skład Laboratorium wchodzą następujące stanowiska badawcze:
Stanowisko do badania wybuchowości mieszanin gazowych, pyłowych i hybrydowych w warunkach otoczenia oraz podwyższonych temperatur
Stanowisko umożliwia:
- wyznaczanie charakterystyk wybuchowości w/w mieszanin również w warunkach podwyższonej temperatury początkowej do ok. 350oC,
- wyznaczanie charakterystyk wybuchowości gazów pizolitycznych z biomasy,
- oznaczanie maksymalnego ciśnienia wybuchu,
- oznaczanie maksymalnej szybkości narastania ciśnienia,
- oznaczanie dolnej granicy wybuchowości,
- oznaczanie granicznego stężenia tlenu.
Opiekun stanowiska:
dr inż. Paweł Bocian
e-mail:
Stanowisko do badania spalania pojedynczego ziarna
Stanowisko umożliwia:
- przeprowadzenie badań podstawowych zapłonu paliw stałych poprzez wykonanie eksperymentu szybkiego spalenia cząstki paliwa stałego w zadanych warunkach temperaturowych i przy zadanym składzie atmosfery utleniającej,
- zarejestrowanie eksperymentu dzięki zastosowaniu szybkiej kamery i komputerowego systemu archiwizacji danych,
- dostarczenie informacji dla weryfikacji modeli numerycznych.
Stanowiska do badań kinetyki odgazowania części lotnych (PEST) i utleniania pozostałości koksowej (CORD)
Stanowiska badawcze umożliwiają:
- badania odgazowania części lotnych, czyli wyznaczanie szybkości wydzielania związków gazowych oraz ich składu w warunkach inertnej atmosfery,
- badania spalania pozostałości koksowej, czyli wyznaczanie szybkości spalania pozostałości koksowej (reaktywności) w warunkach spalania konwencjonalnego i w atmosferze wzbogaconej w tlen,
- badanie kinetyki wydzielania NOx, SO2 podczas spalania paliwa w różnych systemach spalania,
- badania technik redukcji NOxmetodami pierwotnymi i wtórnymi.
Reaktor o długości 1.5 m (PEST) wyposażony jest w ruchomą, pionową sondę odbierającą o długości 2 m, która umożliwia pobór próbki w dowolnym stadium odgazowania, natomiast reaktor o długości 6 m (CORD) wyposażony jest w poziomą sondę, którą za pomocą króćców rozmieszczonych na całej długości reaktora można pobierać próbki popiołu w całym zakresie czasu przebywania paliwa w komorze. Pobór gazowych produktów reakcji odbywa się za pomocą układu próbkowania i kondycjonowania gazu, doprowadzanego do analizatora spalin. Izokinetyczne pobieranie próbki gazowej, tzw. ścieżka gorąca spalin oraz analizator FTIR pozwalają na identyfikacje składników gazowych na różnych etapach procesu spalania, takich jak: CO, CO2, O2, SO2, NO, N2O, NO2, HCl, HF, NH3, HCN, HNCO, H2O, CH3NH2, CH4.
Stanowisko do badań zapłonu paliw stałych
Stanowisko badawcze przystosowane do badań spalania paliw stałych w postaci pyłu wykorzystywane jest do:
- wyznaczania charakterystyk zapłonu i spalania,
- badania wpływu temperatury komory oraz przepływu i składu czynnika pierwotnego i wtórnego na stabilność zapłonu chmury pyłu,
- badania wpływu rodzaju i ilości różnych dodatków do paliwa referencyjnego (np. mieszanka biomasy z węglem) na charakter spalania.
- dostarczania rzeczywistych informacji dla numerycznego modelowania procesów spalania i projektowania palników.
Stanowisko wyposażone jest w system grzałek i elektronicznych regulatorów przepływu. Połączone z komputerowym systemem archiwizacji danych. Przebieg eksperymentu rejestrowany jest z użyciem kamery cyfrowej umożliwiającej śledzenie historii zapłonu i spalania na całej długości rury opadowej.
Opiekun stanowiska:
dr inż. Paweł Bocian
e-mail:
Stanowisko do badań intensywności żużlowania węgli
Stanowisko wykorzystywane jest do:
- badań porównawczych skłonności do żużlowania węgli i innych paliw w warunkach zbliżonych do warunków panujących w komorach paleniskowych kotłów,
- wyznaczania zależności intensywności żużlowania od temperatury spalin; takie zależności dobrze charakteryzują przemiany, jakie zachodzą w popiołach węgli podczas spalania odwzorowując takie własności popiołu, jak jego lepkość, własności adhezyjne i inne parametry, które nie są badane podczas analiz chemicznych popiołów.
Stanowisko do spalania paliw stałych i gazowych o mocy 0,5 MW
Stanowisko umożliwia:
- testowanie nowych konstrukcji palników pod względem ich stabilności i granicznych wartości parametrów pracy,
- badanie zachowania się różnych paliw (m.in. pył węglowy, biomasa, paliwa odpadowe) podczas spalania i współspalania w skali półtechnicznej,
- badanie procesu spalania paliw zarówno w powietrzu, jak i w innych atmosferach, O2, CO2, N2, para wodna, tlenek azotu, dwutlenek siarki,
- badania procesów oczyszczania spalin (tzw. post combustion) metodami SCR czy SNCR oraz innymi,
- badania procesów żużlowania i osadzania oraz korozji,
- badania procesów spalania gazów niskokalorycznych (syngazów).
Stanowisko badawcze wyposażone jest w system kontrolno-pomiarowy, umożliwiający wizualizację i rejestrację wielu parametrów pracy stanowiska (przepływy czynników, temperatury i ciśnienia w różnych częściach instalacji, skład spalin w komorze spalania itp.). W pełni zautomatyzowane stanowisko dodatkowo wspomaga zapis z szybkiej kamery, pozwalający na wnikliwą analizę procesów zachodzących w komorze spalania.
Stanowisko jest rozbudowywane w celu przystosowania do pomiarów metodami bezstykowymi: pól prędkości (PIV), rozkładu składników gazowych NO, OH, CH, CN, CHC2, C2 (LIF), koncentracji pyłu w komorze (LII) i stref reakcji (ES). Dobudowywany jest nowy moduł komory spalania z większymi oknami.
Nowy moduł komory spalania z dużymi oknami dla laserów i kamer systemów PIV, LIF, LII i ES.
Specjalistyczna Aparatura Badawcza
- System Optycznej Diagnostyki Płomienia
Znane od wielu lat i wykorzystywane np. w przemyśle motoryzacyjnym laserowe techniki badania płomienia, takie jak Laserowo Wzbudzana Fluorescencja (PLIF), Spektroskopia Emisyjna (ES) czy Laserowo Wzbudzana Inkandescencja (LII), zostały wykorzystane w Laboratorium Spalania i Zgazowania w sposób unikalny, gdyż właśnie do badania płomienia podczas spalania paliw stałych, ciekłych i gazowych w skali 0,5 MWt.
Za pomocą w/w technik możliwe jest wyznaczenie stężeń NO, OH, CH, CN, C2, koncentracji cząstek, strefy reakcji oraz kształtu, położenia i stabilności płomienia.
- PIV
System Optycznej Diagnostyki Płomienia został uzupełniony o bezstykowy układ do pomiaru pól prędkości w komorze spalania, co umożliwia badania aerodynamiki w strefie palnika. Aparatura umożliwia wyznaczenie profilu prędkości w trzech wymiarach.
Osiągnięte zostało to za pomocą skonstruowania dodatkowego modułu stanowiska, wyposażonego w specjalny układ wzierników, wykonanych z kwarcu syntetycznego o wysokiej przepuszczalności promieniowania UV oraz układu trawersowania noża świetlnego lasera i kamer.
- Pirometr Dwubarwowy
Urządzenie służy do bezstykowego pomiaru temperatury powierzchni o nieznanej emisyjności. Istota jego działania polega na detekcji promieniowania podczerwonego emitowanego przez ciało. Zakres pomiaru długości fal został specjalnie dobrany dla potrzeb przeprowadzanych eksperymentów i wynosi od ok. 1 µm do ok. 1.65 µm.
Podstawowe dane techniczne:
- min temp. pomiaru ~500oC,
- max temp. pomiaru ~3000oC,
- max częstotliwość pomiaru 500 kHz,
- max błąd pomiaru <5%
- Analizatory FTIR
Pomiar stężenia szerokiej gamy składników gazowych spalin realizowany jest za pomocą analizatora działającego w oparciu o zasadę transformaty Fouriera w podczerwieni.
Główne cechy analizatora FTIR Gasmet DX-4000:
- pomiar w układzie ścieżki „gorącej”,
- równoczesny pomiar do 50 składników,
- analiza m.in. CO, CO2, O2, SO2, NO, N2O, NO2, HCl, HF, NH3, HCN, HNCO, H2O, CH3NH2, CH4,
- niewymagana kalibracja (za wyj. H2O raz do roku).
Opiekun stanowiska:
mgr inż. Krzysztof Jagiełło
e-mail:
Reaktor zgazowania 150 kW
Stanowisko badawcze obejmujące reaktor zgazowania o mocy 150 kW ze złożem stałym przystosowane jest do pracy ciągłej. Instalacja umożliwia:
- badanie wpływu czynnika zgazowującego (powietrze, para wodna, tlen, ditlenek węgla) i jego temperatury (do 800 oC) na przebieg procesu zgazowania i jakość gazu procesowego,
- testowanie różnych paliw i określanie stopnia ich przydatności w procesie zgazowania,
- pomiar składu gazu syntezowego.
Gaz z procesu zgazowania staje się w dalszym etapie paliwem w eksperymentach prowadzonych z wykorzystaniem palnika na gaz niskokaloryczny zamontowanego na stanowisku do spalania paliw stałych i gazowych o mocy 0,5 MWt.
Reaktor zgazowania 30 kW
Instalacja laboratoryjna oparta na współprądowym reaktorze zgazowania o mocy 30 kW połączonym z linią niskotemperaturowego czyszczenia gazu. Na stanowisku prowadzone są testy układów do produkcji energii z aplikacją gazu:
- w silniku spalinowym,
- w ogniwie paliwowym.
Stanowisko minizgazowarka KJ 20 kW
Stanowisko zgazowania o mocy 20 kW zbudowane według patentu na reaktor zgazowania pozwalającego uzyskać gaz o wysokiej czystości i wartości opałowej. Projekt tego reaktora jest innowacyjnym rozwiązaniem technicznym. Obecne prace badawcze przeprowadzane z użyciem tej konstrukcji mają na celu:
- weryfikację funkcjonalności oraz optymalizację parametrów pracy reaktora (uruchamianie, dostarczanie czynników zgazowujących)
- w kolejnym etapie prototyp KJ 20 kW ma posłużyć do zoptymalizowania samego procesu jak i sposobu dostarczania mediów procesowych oraz projekt reaktora w większej skali.