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 stechiometrycz-nego 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.
Wskaz
nikiem 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 tle-
nu potrzebnego do całkowitego utleniania węgla,
niestabilność proporcji temperaturowej w przestrzeni spalającej paleniska i wahania temperatury
w palenisku.
Wpływ temperatury na konwersję CO2 w GO obrazuje wykres 1.
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 nadmucho-wego 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.
Kocioł pracuje optymalnie, gdy wytwarza właściwą ilość ciepła (zbyt mała powoduje dyskomfort w
ogrzewanych pomieszczeniach, zbyt duża oznacza straty nadmiaru wytwarzanej energii) oraz gdy
proces spalania jest regulowany według kryterium minimum emisji tlenku węgla.
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
KONTAKT
Magazyn Instalatora - lider wśród czasopism branży instalacyjnej