PULVERISEERDE KOOLSTOFFEN

Vervulkaniseerde steenkool (poederkool) is gestookt in roterende cementovens (zie Ovens) en ketelovens (zie Ketels). Deze laatste zijn in feite met buizen beklede dozen waarin water wordt verdampt en die een water/stoommengsel bevatten. De steenkool wordt verpulverd tot een fijn poeder, gewoonlijk zo dat 70% minder dan ongeveer 75 μm groot is, voordat het door een deel van de verbrandingsluchtstroom naar de branders wordt gevoerd. Deze kolenbranders zijn gewoonlijk gemonteerd op één verticale wand, twee tegenover elkaar liggende verticale wanden of gegroepeerd boven elkaar op de vier hoeken van de oven (zie figuur 1 en figuur 2). Hoekbranders vuren tangentieel in de oven waardoor één enkele vlambal in een centrale draaikolk ontstaat. Andere ontwerpen, bijvoorbeeld gebruikmakend van omlaag stoken voor weinig vluchtige kolen en branders voor laagwaardige kolen met een hoog vochtgehalte, zijn besproken door Dryden (1975) en Lawn (1987).

In alle tot nu toe beschreven ovens valt hete droge as naar de “droge bodem” van de ovenkamer, waar het wordt verwijderd. Een uitzondering hierop vormen de met cyclonen gestookte ovens, die gewoonlijk van twee types zijn. In de verticale cycloonoven, een variant van het tangentieel gestookte ontwerp, worden grotere kooldeeltjes uit de gasstroom gecentrifugeerd om te verbranden op de vuurvaste beklede wanden van het onderste deel van de kamer, waarbij de slakken uit de “natte bodem” kamer lopen. Het andere type cycloonoven maakt gebruik van afzonderlijke cilindrische, met vuurvaste beklede kamers waarin de steenkool verbrandt om hete gassen te produceren, die in de hoofdoven worden afgevoerd (zie eerdere referenties).

Grote pf-ovens hebben een brandstofinput van ongeveer 200 ton steenkool per uur (om een elektrische belasting van 500 MW te leveren) en kamers van 35 m hoog met een doorsnede van ongeveer 300 m2 zijn typisch. De ovenontwerper moet ervoor zorgen dat de juiste hoeveelheid warmte van de vlammen naar de wandpijpen wordt overgedragen om de gewenste hoeveelheid water te verdampen en nog steeds de juiste temperatuur van het gas bij de uitgang van de oven te hebben. Dit moet gebeuren zonder excessieve plaatselijke warmtefluxen die de buizen beschadigen, terwijl tegelijkertijd volledige verbranding van de kooldeeltjes moet worden bereikt. Daarbij komt nog dat verontreinigende stoffen, b.v. stikstofoxiden, tot een minimum moeten worden beperkt.

Een van de problemen die specifiek zijn voor kolengestookte ovens is de ophoping van as of slakken op de ovenwanden, hetgeen leidt tot veranderingen in temperatuur en emissiviteit. Raask (1985) heeft zich uitvoerig beziggehouden met as- en slakafzettingen op ovenwanden en de warmteoverdrachtseigenschappen van ketelafzettingen. Hij beschrijft ook maatregelen ter bestrijding van vervuiling in ketels (b.v. kolenreiniging en -menging, installatie van roetblazers en waterstralen). Gegevens over verbrandingsefficiëntie (meestal meer dan 98%), oventemperaturen van ongeveer 1300 K tot 1600 K en gemeten warmtefluxen tot ongeveer 320 KWm-2 (toenemend met ongeveer 10% na roetblazen) zijn gerapporteerd in grote pf-gestookte installaties door Godridge en Read (1976).

Ovenontwerpers maken gebruik van fysische en/of mathematische modellen (zie Ovens). De laatste maken gebruik van warmtebalansen of Computational Fluid Dynamics, CFD. Bij de eerste methode wordt de oven verdeeld in regio’s of zones, zie Hottel en Sarofim (1967) en Field et al. (1967), en een specifieke toepassing op een pf-gestookte oven, waarbij eveneens gebruik wordt gemaakt van een fysisch model om informatie over de massaoverdracht te verstrekken, is beschreven door Cooper en Gibb (1984). De CFD-methode is gebaseerd op de eindige-verschiloplossing van momentum-, enthalpie- en speciesbehoudsvergelijkingen. Toepassing van de methode op kolengestookte cycloonverbranders is gerapporteerd door Boyson et al. (1986).

Figuur 2. Muurpijpen en branderopeningen in een PF-gestookte waterpijpketel-oven in aanbouw. (Overgenomen met toestemming van PowerGen.)