Laboratorium Spalania i Zgazowania

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. 350^oC,
• 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: Ten adres pocztowy jest chroniony przed spamowaniem. Aby go zobaczyć, konieczne jest włączenie w przeglądarce obsługi JavaScript.

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: Ten adres pocztowy jest chroniony przed spamowaniem. Aby go zobaczyć, konieczne jest włączenie w przeglądarce obsługi JavaScript.

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 ~500^oC, 
-          max temp. pomiaru ~3000^oC,
-          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: Ten adres pocztowy jest chroniony przed spamowaniem. Aby go zobaczyć, konieczne jest włączenie w przeglądarce obsługi JavaScript.

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.