Motto: „Szkoda … , że nie napisał Pan książki dotyczącej projektowania kotłów i nie zamieścił w niej swojej dużej wiedzy przedmiotowej. Myślę, że byłaby to wartościowa pozycja dedykowana do inżynierów i konstruktorów; napisana przez praktyka, a nie teoretyka. Oczywiście z pożytkiem także dla studentów” - naukowiec z IMiUE Politechniki Śląskiej. |
Tarnowskie Góry, 2012.01.15
Kancelaria Prezesa Rady Ministrów Al. Ujazdowskie 1/3 00-942 Warszawa
|
Wykazanie dlaczego nie można poprawić bardzo złej sytuacji energetyki przemysłowej i ciepłownictwa, mimo dysponowania przez Polskę najdoskonalszą w świecie techniką kotłową
autorstwa jednego polskiego inżyniera.
Część 189
Jak przez około sto lat błądzono w skali światowej w pomysłach na spalanie węgla w kotłach rusztowych, to do zorientowania powinno już wystarczyć ich porównanie z rozwiązaniami którymi to spalanie opanował inż. J. Kopydłowski.
Kotłowi szarlatani nie wyrządzaliby tyle szkody, gdyby w swojej działalności nie korzystali z rozwiązań zachodnich oraz z pomysłów krajowych naukowców politechnicznych, lecz przynajmniej trzymali się rozwiązań zastosowanych we wcześniejszych jego dokumentacjach, wstrzymując się zarazem od ich „udoskonalania” - część siedemnasta.
Wykazanie które błędy popełniane w eksploatacji kotłów rusztowych z paleniskiem warstwowym oraz „udoskonalenia” wprowadzane w nich przez kotłowych szarlatanów mogły zrodzić debilny pomysł na zasysanie spalin z komory paleniskowej przez leje tylnych stref podmuchowych (zgłoszenie 387645 do UP), polecany do stosowania przez Instytut Techniki Cieplnej Politechniki Śląskiej - część jedenasta.
Ustęp siedemnasty. Pomysł na zasysanie spalin z komory paleniskowej przez leje tylnych stref podmuchowych wieńczy - jak dotąd - wszystkie liczne ignoranckie pomysły z ostatnich kilkunastu lat na pogorszenie i tak już złych wyników eksploatacyjnych kotłów z paleniskiem warstwowym z rusztem łuskowym.
d. Nieświadomość naukowca z Instytutu Techniki Cieplnej Politechniki Śląskiej, że powodem ogromnego marnotrawstwa węgla w kotłach rusztowych z paleniskiem warstwowym („tradycyjnym”) jest gromadzenie się żużla ze spalania koksu na jego powierzchni, nie jest przypadkiem odosobnionym. Wystarczyłby w tej sprawie fakt, że nie informuje o tym rzeczowo żadna dotychczasowa literatura kotłowa, a to co w tej sprawie można się z niej dowiedzieć może tylko wprowadzać w błąd.
1. Proces spalania węgla na ruszcie paleniska warstwowego nie odpowiada ani rysunkowemu jego przedstawieniu przez naukowca z Instytutu Techniki Cieplnej (Rys. 177b, część 188), ani opisowi w jego artykule na XII Forum Ciepłowników Polskich.
W miarę dokładnie przedstawiony jest on na Rys. 178b. Jak to przedstawia ów rysunek, po rozpoczęciu się suszenia węgla (spowodowanego jego nagrzewaniem się od góry), nim dojdzie do jego wysuszenia na całej wysokości jego warstwy (wprowadzanej do paleniska przez przemieszczający się do tyłu pokład rusztowy), już z węgla wysuszonego u góry tej warstwy zaczynają odgazowywać części lotne. Jednocześnie z tym (tylko na tym rysunku, bo faktycznie nieco później) od góry warstwy rozpoczyna się proces zgazowania koksu ( utleniania na tlenek węgla), czego efektem musi być rozpoczęcie się gromadzenia na warstwie koksu stopniowo coraz grubszej warstwy żużla, będącego pozostałością ze spalania węgla (poza lotnym koksikiem, unoszonym z warstwy ze spalinami).
Do wysuszenia węgla, odgazowania z niego części lotnych i zgazowania koksu potrzebna jest kolejno coraz wyższa temperatura, pochodząca na początku rusztu z samych spalających się części lotnych, a dalej w kierunku do tyłu ze spalania koksu. Najlżejsze węglowodory zaczynają odgazowywać z węgla który osiągnął temperaturę 105 0C, co stanowi, że z górnej części warstwy węgla odgazowują one już przed jego wysuszeniem na całej wysokości jego warstwy. Natomiast do zgazowania (spalenia) koksu potrzeba temperatury znacznie wyższej, bo powyżej 700 0C. Duże różnice temperatur przy których zachodzi odgazowanie części lotnych i zgazowanie koksu powodują, że sam proces odgazowania części lotnych w całej warstwie węgla wprowadzonego na ruszcie kończy się znacznie szybciej (tym szybciej, im węgiel jest bardziej rozdrobniony), z jednoczesnym natychmiastowym ich spalaniem w przestrzeni nad rusztem, co powoduje bardzo dużą koncentrację energii ze spalania węgla w przedniej części komory paleniskowej.
Ta energia, objawiająca się bardzo wysoką temperaturą i intensywnością promieniowania płomienia palących się części lotnych, na przedniej części rusztu stwarza bardzo dobre warunki temperaturowe do intensywnego zgazowania koksu, mającego na początku rusztu grubość odpowiadającą grubości warstwy węgla wprowadzanego na ruszcie. Intensywne utlenianie się koksu na tlenek węgla, któremu to utlenianiu się w warstwie odpowiada 30 % całej energii chemicznej koksu, a następnie spalanie tego tlenku nad rusztem, także wyzwala dużą energię, która z przodu rusztu dokłada się do energii ze spalania części lotnych.
Im wyższą temperaturę osiąga z tego powodu koks z przodu rusztu, tym szybciej następuje tam jego zgazowanie, z procesem tym przebiegającym od góry w kierunku do powierzchni pokładu rusztowego i zarazem szybciej narasta na jego powierzchni grubość żużla, którego postać przyjmuje popiół zawarty w węglu. Im wyższej temperaturze podlega żużel, tym szybciej nagrzewa się on do temperatury w której ulega mięknieniu, a następnie topieniu się.
Skutkiem topienia się, a nawet już rozmiękczania żużla, jest odcinanie przepływu powietrza spod rusztu przez warstwę pozostającego jeszcze do spalenia koksu, a bez obecności tlenu koks nie ulegnie zgazowaniu (utlenieniu na tlenek węgla) jaka by nie była wysoka jego temperatura i efektem tego musi dojść do przekroczenia granicznego obciążenia cieplnego rusztu, spowodowanego spadaniem do leja żużlowego niespalonego koksu.
Obraz spalania z przekroczonym granicznym obciążeniem cieplnym rusztu przedstawia Rys. 178b, gdzie do końca rusztu pod warstwą żużla (oznaczonego jako Popiół) pozostaje gruba warstwa koksu (oznaczonego jako Zgazowanie). W palenisku, z zakończonym procesem zgazowania koksu (jego spalenia), linia oddzielająca znajdującą się u góry warstwę żużla (oznaczoną jako Popiół) od znajdującej się pod nią warstwy koksu (oznaczonej jako Zgazowanie) musiałaby przed końcem rusztu swoim prawym dolnym końcem dochodzić do pokładu rusztowego, na kształt linii oddzielającej Zgazowanie od Odgazowania.
Położenie tej linii jak na rysunku stanowi, że pod warstwą żużla na końcu rusztu rusztu, gdzie spada on do leja żużlowego, pozostaje jeszcze gruba warstwa niespalonego koksu.
Zobrazowanie spalania z przekroczonym granicznym obciążeniem cieplnym rusztu (Rys. 178b) powstało przypadkowo, ponieważ jego przedwojenni autorzy chcieli na nim przedstawić działanie spiętrzacza żużla, będącego całkowicie chybionym pomysłem, jak wiele innych pomysłów na spalanie węgla w palenisku warstwowym. Procesowi spalania węgla w tysiącach polskich kotłów rusztowych nie odpowiada także wysokość warstwy żużla oznaczonego jako Popiół, ponieważ bywa, że wysokość tej warstwy z tyłu rusztu, nawet gdy dochodzi do całkowitego spalenia koksu, nie jest dużo niższa od wysokości warstwy węgla z przodu.
Żużel wcale nie musi znajdować się przy tym nad warstwą niespalonego koksu, jak to przedstawia Rys. 178b, ponieważ w zależności od stopnia jego płynności oraz innych procesów zachodzących na przedniej części rusztu może on znajdować się w warstwie koksu, jako oblepiający sobą to co powinno się spalić. Nie spali się także przemieszany z żużlem koks w pryzmach powstających już na początku rusztu wskutek wydmuchania z pokładu rusztowego wszystkiego co znajduje się na styku rzędów rusztowin i po bokach rusztu.
Prawidłowe spalanie węgla (bez stosowania różnych ignoranckich pomysłów oraz z nieprzekroczonym granicznym obciążeniem cieplnym rusztu) najtrafniej ilustrowałoby jego przedstawienie na Rys. 178a. Z tym, że zaznaczona na rysunku strefa zgazowania prawą strzałką musiałaby znajdować się na wysokości prawej strzałki pokazującej koniec strefy płomienia. To co poza nią byłoby wtedy tylną częścią pokładu rusztowego, pokrytego już tylko samym żużlem. Pokrycie tylnego pokładu samym żużlem musiałoby wydłużać się w kierunku do przodu rusztu wraz z obniżaniem się obciążenia kotła.
Dopływ powietrza spod rusztu pod tą tylną część musiałby być odcięty całkowicie. W praktyce od przodu byłby odcięty tylko w takim stopniu na ile pozwala długość stref podmuchowych. Jest to jeden z powodów dla którego inż. J. Kopydłowski już 30 lat temu stosował leje stref podmuchowych o połowę krótsze, od występujących we wszystkich większych kotłach rusztowych.
Także pokazana na rysunku strefa odgazowania z węgla części lotnych musiałaby kończyć się przed licem przedniej ściany komory paleniskowej. Przy dłuższych sklepieniach zapłonowych cały proces odgazowania z węgla części lotnych przebiega bowiem pod przednim sklepieniem, co pozostaje do łatwego sprawdzenia. Tak to też przedstawia Rys. 177a - część 188. Samo przestrzeganie w instrukcjach eksploatacji paleniska o zapobieganiu dostawania się ognia pod warstwownicę dowodzi, że także proces spalania części lotnych może następować od samego przodu rusztu. Natomiast zaznaczona strefa zgazowania koksu musiałaby być o wiele dłuższa w kierunku do przodu rusztu, z zachowaniem jej końca na wysokości strefy płomienia. Potwierdza to już jej początek na Rys. 178b.
2. W sprawie samego gromadzenia się żużla na powierzchni koksu w procesie jego utleniania z książki (z której pochodzi Rys. 178b) można tylko dowiedzieć się.
Ujemną cechą spalania na ruszcie łuskowym jest to, że paliwo posuwające się w głąb paleniska (czytaj: przemieszczające się na pokładzie rusztowym w kierunku do tyłu komory paleniskowej) nie podlega ruchowi wewnątrz warstwy, bardzo pożądanemu ze względu na powiększanie szybkości (czytaj: intensywności) spalania i na łamanie oraz odgarnianie żużla tworzącego nieraz placki, które mogłyby się kruszyć przy przewracaniu warstwy.
Tą treść można odbierać jako stwierdzenie, że ze skutkami gromadzenia się żużla na powierzchni spalającego się koksu trzeba pogodzić się, ponieważ ruszt łuskowy o długości dochodzącej do siedmiu metrów to nie krótki ruszt stały najbardziej ówcześnie popularnego w Polsce kotła płomienicowego konstrukcji z okresu wojen napoleońskich, gdzie owe placki palacz łamie i odgarnia za pomocą ręcznej gracy.
Natomiast skutki takiego gromadzenia się żużla, przedstawione są następująco: [Jeżeli żużel mięknie, szybko staje się płynny] i przecieka między rusztowinami - nie jest to szkodliwe pod warunkiem, że nie zachodzą reakcje chemiczne między materiałem rusztowin z żużlem (FeS2). Ciastowatość żużla powoduje zalepianie prześwitów między rusztowinami, co utrudnia dostęp powietrza i hamuje spalanie. W dodatku niechłodzone rusztowiny nagrzewają się, deformują i spalają. Mięknący żużel oblepia poza tym cząstki węgla, które dostają się wraz z nim do kosza popielnikowego, zwiększając stratę popielnikową. Stąd też wypływa wniosek, że do paleniska rusztowego nadają się jedynie żużle krótkie.
W rzeczywistości żużel nawet w stanie płynnym nie przedostaje się przez znajdującą się pod nim warstwę koksu aż do powierzchni pokładu rusztowego już przez sam fakt, że w stanie płynnym pozostaje tylko z przodu rusztu, gdzie warstwa tego koksu jest najgrubsza. Dodatkowo w miejscu na długości rusztu, gdzie normalnie najintensywniej dopływa spod rusztu powietrze podmuchowe, czyniące zimnymi zarówno rusztowiny, jak i dolną warstwę koksu, która spowodowałaby wcześniejsze zestalenie żużla, a jeśli nawet nie, to dopełniłyby tego zimne rusztowiny. Natomiast przy braku przepływu powietrza w tym miejscu nie zachodziłby proces zgazowania koksu, a tym samym nie miałby z czego gromadzić się na jego powierzchni żużel. Oczywiście po to aby po staniu się płynnym, jako następnie ciastowaty powodować zalepianie prześwitów między rusztowinami. Żużel ciastowaty przede wszystkim pozostaje na powierzchni koksu, jako że jest to druga jego przemiana postaciowa po spiekaniu się, a nie czwarta - płynięcia.
Z treści książki można także dowiedzieć się dlaczego do spalania w palenisku warstwowym nadają się jedynie żużle krótkie oraz co to za jedne. Żużle o małym zakresie ciastowatości noszą nazwę żużli krótkich, o dużym zaś zakresie - żużli długich. Z podanego w książce przykładu, żużel krótki to taki, który zaczyna mięknąć przy około. 1400 0C i topi się przy ok. 1500 0C. Natomiast żużel długi, to taki, który mięknie przy około 1000 0C i jest ciastowaty w granicach 1000÷1500 0C. Podczas pracy urządzenia (czytaj: paleniska) ten drugi żużel sprawia większe kłopoty, gdyż zalewa ruszty … . Można się także jeszcze dowiedzieć, że zakres temperatur między temperaturą mięknięcia a temperaturą topliwości zwiemy zakresem ciastowatości.
Inż. J. Kopydłowski dysponuje jednak zestawieniem sprzed około 10 lat temperatur wszystkich czterech przemian popiołu węgli wydobywanych przez wszystkie ówczesne polskie kopalnie. Według tego zestawienia żadna z kopalń nie wydobywa węgla mającego temperaturę mięknienia (t2) wynoszącą około 1400 0C i temperaturę topnienia (t3) wynosząca około 1500 0C, które odpowiadałyby „krótkiemu żużlowi wyłącznie nadającemu się do paleniska rusztowego”.
Pewnym pocieszeniem powinien być jednak fakt, że w przypadku wszystkich kopalń temperatura mięknienia popiołu (t2) wynosiła powyżej 1200 0C, a nie zaledwie 1000 0C, jak podano w książce dla „długiego żużla”.
W tej wyższej temperaturze mięknienia popiołu inż. J. Kopydłowski już od dziesięciu lat pokłada nadzieję na zmniejszenie marnotrawstwa węgla w kotłach z paleniskiem warstwowym odpowiednim doprowadzeniem powietrza podmuchowego i zmianą dotychczasowych rozwiązań dolnej części komory paleniskowej.
Uzasadnia ją zdanie w książce, z której pochodzi Rys. 178a: Jeżeli te domieszki niepalne (czytaj: zawarty w węglu popiół, na który w miale składa się głównie skała płonna) nie dostaną się podczas spalania do strefy o temperaturze odpowiadającej ich punktowi topliwości, to pozostaną jako luźny popiół w postaci proszku (czytaj: spieczonego żużla, bo pierwszą temperaturą przemiany popiołu węgla jest temperatura jego spiekania (t1)); w przeciwnym razie stają się one pod wpływem żaru mniej lub bardziej płynne, w miarę zaś ochładzania się przybierają postać [nie tylko popiołu, lecz także] żużla w postaci większych brył lub płatów.
Załącznik I (-) Jerzy Kopydłowski
Zgodnie jednak z wnioskiem, że do paleniska rusztowego nadają się jedynie żużle krótkie, pozostaje że do spalania w tysiącach polskich kotłów rusztowych (z paleniskiem warstwowym) nie nadaje się węgiel z żadnej polskiej kopalni. Natomiast co się dzieje z kilkudziesięcioma kotłami z paleniskiem narzutowym, w którym mógłby się on spalać doskonale, to po kolei.
Fragment ujęty w klamry pozostaje bez związku z resztą zdania.
3