Regulacja kotłów na paliwa stałe. Zapotrzebowanie powietrza
Przy spalaniu energetycznym paliw tlen konieczny do przeprowadzenia reakcji czerpany jest z atmosfery, zawartość tlenu w atmosferze wynosi 21 %.
Znając skład paliwa oraz przebieg reakcji utleniania, można obliczyć niezbędną ilość tlenu potrzebną dla zupełnego i całkowitego spalania. Rachunek przeprowadza się przy pomocy równań stechiometrycznych, uwzględniając masę molową palnego pierwiastka.
Teoretyczna ilość tlenu pozwoliłaby na całkowite i zupełne spalenie paliwa tylko w przypadku, gdy każda cząstka paliwa zetknęłaby się z wynikającą z równania stechiometrycznego ilością cząstek tlenu. Musiałoby więc nastąpić idealne wymieszanie cząstek paliwa z tlenem, a ściśle biorąc z tlenem zawartym w powietrzu dostarczonym do spalania. Wymieszanie to jest, oczywiście, najlepsze w przypadku spalania paliwa gazowego. Stosunek rzeczywistej ilości dostarczanego powietrza do ilości teoretycznej nazywa się współczynnikiem nadmiaru powietrza lambda i określa wyrażeniem:
X = zapotrzebowanie rzeczywiste/ zapotrzebowanie teoretyczne
Z punktu widzenia ekonomiki procesu spalania należy dążyć do osiągnięcia całkowitego i zupełnego spalania, przy jak najmniejszym współczynniku nadmiaru powietrza, ponieważ część uzyskanego ciepła zostanie stracona na podgrzanie tej dodatkowej objętości powietrza.
Wskaźnikiem wielkości współczynnika nadmiaru powietrza jest ilość tlenu zawartego w spalinach. Można w sposób dostatecznie dokładny wyznaczyć współczynnik nadmiaru powietrza na podstawie analizy chemicznej spalin. Najłatwiej wykonać to posługując się trójkątem Ostwalda (patrz: Recknagel, Sprenger, Schramek „Ogrzewnictwo i klimatyzacja").
Emisja zanieczyszczeń
W procesach energetycznego spalania węgla głównymi zanieczyszczeniami emitowanymi do atmosfery są: pyły, tlenki siarki, tlenki węgla i tlenki azotu. Emisja pyłów zależy od zawartości popiołu w paliwie oraz uno-su pyłu z paleniska, który zależny jest od konstrukcji kotła. Emisję dwutlenku siarki łatwo jest obliczyć na podstawie znajomości zawartości siarki w paliwie. Siarka występuje w węglu w postaci siarki organicznej palnej oraz siarki pirytowej. W małych kotłach z rusztami stałymi lub mechanicznymi można przyjmować do obliczeń emisji SO2 tylko zawartość siarki palnej.
Określenie emisji tlenków azotu powstających w procesie spalania węgla jest trudniejsze. Tlenki azotu powstają w wysokich temperaturach panujących w komorze paleniskowej na skutek wiązania się atmosferycznego tlenu i azotu. Powstający tlenek azotu NO nie jest związkiem trwałym i może po zmianie warunków ulegać rozpadowi z powrotem na tlen i azot. Jak wykazały badania, zawartość azotu i siarki w paliwie nie wpływa na tworzenie się tlenków azotu. Zasadniczym parametrem wpływającym na reakcję wiązania tlenu z azotem jest temperatura. Im większa zawartość węglowodorów w paliwie, tym wyższa temperatura płomienia. Tak więc największe ilości tlenków azotu powstają przy spalaniu olejów opałowych, niższe przy spalaniu węgla i najniższe przy spalaniu gazu.
Tlenek węgla jest gazem bezbarwnym i bez zapachu. Dla istot żywych jest trujący dlatego, że w zetknięciu z krwią wiąże się z barwnikiem krwi -hemoglobiną, z którą ma 200-240 razy większe powinowactwo niż tlen. Jest to dość trwałe, koordynacyjne połączenie tlenku węgla z atomami żelaza hemoglobiny, które w konsekwencji uniemożliwia naturalną reakcję hemoglobiny z tlenem. Blokowanie hemoglobiny trwa przez kilka godzin od momentu wystawienia organizmu na działanie tlenku węgla, co powoduje, że gaz ten jest szczególnie niebezpieczny. Większość śmiertelnych wypadków, mających związek z efektami spalania, zdarzyło się w wyniku zatruć tlenkiem węgla w budynkach wyposażonych w piece o nieszczelnych paleniskach i kanałach kominowych, w pomieszczeniach słabo wentylowanych.
Stężenie 100 ppm (125 mg/m3) GO w powietrzu i oddziaływanie na człowieka w czasie jednej godziny powoduje wiązanie 40% hemoglobiny i wywołuje zaburzenia kardiologiczne. Wartość 250 mg/m3 tlenku węgla w powietrzu może być przyczyną śmierci.
Jakie są mechanizmy powstawania tlenku węgla? Węgiel G, jako pierwiastek zawarty w paliwie, spalając się, przechodzi przez stadium tlenku węgla GO. Tak więc działania mające na celu zmniejszenie zawartości tlenku węgla w spalinach polegają na przyspieszeniu jego utleniania do nietoksycznego dwutlenku węgla GO2. Tlenek węgla GO powstaje w dużych ilościach w miejscach silnego niedoboru tlenu, który jest niezbędny do dokończenia reakcji utleniania węgla na CO2. Tlenek węgla może pojawić się również w zwiększonych ilościach w miejscach obszaru spalania, w których lokalny skład mieszanki jest bliski stechiometrycznemu, a odpowiadająca mu temperatura spalania bliska maksymalnej. W miejscach tych CO powstaje wskutek dysocjacji CO2. Tlenek węgla utlenia się stosunkowo wolno i w wielu urządzeniach technicznych właśnie prędkość utleniania GO wyznacza czas przebywania niezbędny do tego, aby spalanie dobiegło końca.
Stężenie tlenku węgla w spalinach pochodzących z urządzeń spalających paliwa węglowe jest zależne od całkowitości procesu spalania paliwa -utleniania węgla na produkt finalny CO2. Praktycznymi przyczynami wytwarzania tlenku węgla (GO) podczas spalania paliwa są:
- niecałkowite przemieszanie paliwa z czynnikiem utleniającym i wytwarzanie stref w przestrzeni spalającej paleniska z niedostatkiem tlenu potrzebnego do całkowitego utleniania węgla,
- niestabilność proporcji temperaturowej w przestrzeni spalającej paleniska i wahania temperatury w palenisku.
Emisyjny limit tlenku węgla z procesów spalania powinien być bardzo surowy. Powodem tej surowości jest nie tylko dążenie do największego wykorzystania ciepła związanego chemicznie w paliwie, ale przede wszystkim to, że mała emisja GO gwarantuje małe wytwarzanie emisji węglowodorów GxHy z których znaczna część, zwłaszcza węglowodorów wielkocząsteczkowych, należy do substancji karcogennych. Najważniejszą możliwością ograniczenia emisji GO ze spalania węgla jest optymalizacja procesu spalania uwzględniająca specyfikę paleniska.
Regulator paleniska
Ilość podawanego powietrza jest parametrem krytycznym: właściwa powoduje najlepsze spalanie, czyli pozwala z zadanej dawki paliwa uzyskać najwięcej energii przy jednoczesnej najmniejszej emisji szkodliwych substancji do atmosfery. Mniejsza ilość powietrza powoduje niespalenie części paliwa i niedopalenie paliwa spalanego, co powoduje negatywne skutki ekonomiczne. Zbyt duża ilość powietrza powoduje z kolei ochłodzenie przestrzeni spalającej paleniska i gwałtowny wzrost emisji tlenku węgla. Węgle kamienne zawierają znaczną zawartość części lotnych (około 40%). Przy spalaniu węgla ograniczenie dopływu powietrza nie spowoduje zatrzymania procesu, lecz następuje odgazowanie części lotnych, które niespalone w postaci tlenku węgla i sadzy będą uchodziły do komina. Nadmiar powietrza powoduje ochłodzenie paleniska i kotła, czyli mniejsza część uzyskanej ze spalenia energii jest przekazywana do instalacji ciepłowniczej - pogarsza się wymiana ciepła pomiędzy paleniskiem a obiegiem czynnika grzewczego (wody) w kotle. Ilość podawanego powietrza jest sumą strumienia nawiewanego przez wentylator oraz naturalnego ciągu kominowego.
Węgiel jest więc paliwem niejednorodnym o zmiennych parametrach. Zmienność składu chemicznego i wilgotności węgla należy uznać za zakłócenie tak jak wilgotność powietrza biorącego udział w procesie spalania.
Kocioł może być opisany poprzez następujące zależności (funkcje):
- właściwa ilość powietrza biorącego udział w procesie spalania w funkcji ilości podawanego paliwa jako suma wydajności wentylatora nadmuchowego i ciągu kominowego,
- ilość podawanego paliwa — węgla w zależności od zapotrzebowania na moc (energię w postaci ciepła),
- sprawności wymiany ciepła pomiędzy paleniskiem i obiegiem czynnika grzewczego wewnątrz kotła w funkcji ilości spalanego paliwa.
Ważnym parametrem opisującym paliwo jest temperatura punktu rosy spalin. Zależność tej temperatury od współczynnika nadmiaru powietrza X jest przedstawiona na rysunku poniżej. Kocioł powinien być tak sterowany, aby temperatura ścian pieca mających kontakt ze spalinami nie była niższa od temperatury punktu rosy gdyż w przeciwnym wypadku nastąpi wykraplanie się wody która zmieszana z produktami spalania tworzy substancje silnie żrące i powoduje szybkie uszkodzenie kotła. Najprostszy sposób to takie sterowanie kotłem, aby temperatura powrotu czynnika grzejnego nie była niższa niż temperatura punktu rosy (wykres 2).
Autor: Maciej Szumski
