1. Wstęp teoretyczny

W energetyce i ciepłownictwie wykorzystywane są różne paliwa stałe m.in.: węgle różnego rodzaju, biomasa czy odpady. Paliwa te są zazwyczaj pochodzenia organicznego, ale mimo to każde z nich wymaga innej technologii spalania. Najpowszechniej stosowany jest węgiel, lecz bacząc na względy ekonomiczne i ekologiczne jest on coraz częściej zastępowany przez inne paliwa. Węgiel składa się substancji mineralnej, wilgoci oraz substancji organicznej, a ich udział zmienia się w szerokim zakresie. Węgiel jest charakteryzowany na podstawie analizy elementarnej bądź technicznej. Pierwsza z nich polega na określeniu zawartości pierwiastków C, H, O, S, N oraz innych śladowo występujących w węglu. Substancja organiczna zbudowana jest głównie z tych kilku pierwiastków chemicznych a inne pierwiastki występują tylko w śladowych ilościach (P,Cl). Udziały poszczególnych pierwiastków w paliwach stałych są różne i zależne od rodzaju paliwa i jego stopnia uwęglenia. Zawartość węgla, wodoru i tlenu zależy od zaawansowania stopnia metamorfizmu. Wraz ze wzrostem stopnia metamorfizmu istotnie rośnie zawartość pierwiastka C natomiast maleje udział tlenu i nieznacznie spada zawartość wodoru. Udziały N i S w praktyce nie zależą od stopnia metamorfizmu paliwa. Za pomocą drugiej z nich oznacza się udziały wilgoci, popiołu i części lotnych oraz ciepło spalania i wartość opałową. Samo spalanie cząstki węgla ma charakter fizykochemiczny i jest wieloetapowe. Do procesów fizycznych należą: parowanie wody, pęcznienie cząstek węgla, powstawanie porowatej struktury karbonizatu, przemiany fizyczne substancji mineralnej. Z kolei procesy chemiczne to: piroliza węgla, spalanie części lotnych, spalanie pozostałości koksowej, przemiany chemiczne substancji mineralnej. Cząstka węglowa po dostaniu się do płomienia nagrzewa się, a następnie spala. Oba procesy dzieli moment zapłonu części lotnych. Okres spalania jest dwustopniowy: wydzielanie i spalanie części lotnych oraz spalanie pozostałości koksowej. Czas trwania poszczególnych faz zależy od warunków spalania, rozmiaru cząstki węgla oraz jego właściwości. Głównymi sposobami organizacji spalania węgla w energetyce są: spalanie w płomieniu pyłowym, w złożu fluidalnym stacjonarnym bądź cyrkulującym, w palenisku rusztowym z rusztem stałym lub ruchomym. Najczęściej węgiel spala się w  postaci pyły w palnikach pyłowych. Ze względu na konstrukcję i przepływ mieszanki pyłowo-powietrznej można wyróżnić: palniki strumieniowe (służą do spalania węgli chudych, w palenisku montowane są tangencjalnie) oraz palniki wirowe (przeznaczone do spalania węgli tłustych, w palenisku montowane są naściennie). Jeśli chodzi o produkty spalania paliw stałych to są to głównie CO₂ i H₂O. Paliwa te ponadto zwierają wiele innych pierwiastków oraz znaczne ilości substancji mineralnej, Ze względu zatem na składniki paliw, zanieczyszczenia w spalinach można umownie podzielić na powstające ze spalania substancji palnej, składającej się z węgla i wodoru, oraz zawartych w spalinach niepożądanych domieszek. Najważniejsze zanieczyszczenia w spalinach spowodowane obecnością w paliwach innych substancji to dwutlenek siarki, tlenki azotu oraz pyły. Znaczenie tych zanieczyszczeń dla środowiska naturalnego podkreśla fakt prawnego ograniczenia ich emisji.

Stopień emisji tych zanieczyszczeń w bardzo dużym stopniu uwarunkowany jest rodzajem spalanego paliwa.

1. Cel ćwiczenia

Zapoznanie się z procesem spalania pyłu węglowego w elektrycznie ogrzewanym piecu opadowym, przy stopniowym zmienianiu ilości pyłu i powietrza dostarczanego do spalania w celu uzyskania różnych parametrów spalania (ilość tlenu w spalinach, emisja zanieczyszczeń).

1. Schemat układu pomiarowego

1 – podajnik pyłu węglowego, z którego pył jest wdmuchiwany z powietrzem pierwotnym do komory paleniskowej

2 – piec opadowy z grzałkami elektrycznymi

3 – zbiornik z powietrzem, zapewniający stały strumień powietrza wtórnego

4 – analizator spalin

5 – palnik pyłowy

6 – separator pyłu

1. Tabela pomiarowo-wynikowa

Lp	Vpow	Vpal	O2	λ	CO	NO	SO2
	$$\frac{l}{h}$$	$$\frac{g}{\min}$$	%	-	ppm	ppm (6%O2)	$\frac{\text{mg}}{m^{3}}$ (6%O2)
1.	250	0,209	12,0	2,333	47	78,33	89,71
2.		0,239	10,7	2,039	48	69,90	80,05
3.		0,318	7,3	1,533	55	60,22	68,96
4.		0,348	6,0	1,400	63	63,00	72,15
5.		0,366	5,2	1,329	86	81,65	93,50
6.		0,382	4,5	1,273	82	74,55	85,37
7.		0,396	3,9	1,228	98	85,96	98,45
8.		0,417	3,0	1,167	186	155,00	177,51
9.		0,426	2,6	1,141	1130	921,20	1054,95

1. Przykładowe obliczenia

• Obliczanie współczynnika nadmiaru powietrza

$$\lambda = \frac{21}{21 - O_{2}} = \frac{21}{21 - 12} = 2,333$$

• Przeliczenie zmierzonego poziomu CO w spalinach na odniesiony do stałej zawartości tlenu 6%

$$\text{CO}^{6\%} = CO \times \frac{21 - 6}{21 - O_{2}} = 47 \times \frac{21 - 6}{21 - 12} = 78,33\ \text{ppm}$$

• Przeliczenie zmierzonego poziomu NO w spalinach na odniesiony do stałej zawartości tlenu 6%

$$\text{NO}^{6\%} = NO \times \frac{21 - 6}{21 - O_{2}} = 420 \times \frac{21 - 6}{21 - 12} = 700\text{\ ppm}$$

• Przeliczenie zmierzonego poziomu SO₂ w spalinach na odniesiony do stałej zawartości tlenu 6%

$${\text{SO}_{2}}^{6\%} = \text{SO}_{2} \times \frac{21 - 6}{21 - O_{2}} = 13 \times \frac{21 - 6}{21 - 10,7} = 18,93\text{\ ppm}$$

• Przeliczanie emisji zanieczyszczeń z ppm na $\frac{\text{mg}}{m^{3}}$ (T = 25̊ C, p = 760 mm Hg)

$$\text{CO}^{6\%}\ \left\lbrack \frac{\text{mg}}{m^{3}} \right\rbrack = \frac{\text{CO}^{6\%}\left\lbrack \text{ppm} \right\rbrack*M_{\text{CO}}}{24,45} = \frac{78,33*28}{24,45} = 89,71\frac{\text{mg}}{m^{3}}$$

• Obliczanie strumienia paliwa (pyłu węglowego)

Skład węgla kamiennego¹, który był spalany w postaci pyłu:

C – 84,24%

H – 4,58%

O – 4,51%

N – 1,52%

S – 0,39%

W^a – 1,75%

A^a – 3,01%

$$V_{\text{pow}}^{\text{rz}} = 250\frac{l}{h} = 0,00417\frac{m^{3}\text{pow}}{\min}$$

$$V_{\text{pow}}^{t} = L_{\text{pow}}^{t}*{\dot{m}}_{\text{pal}}$$

$$L_{\text{pow}}^{t} = 3,33*\left( \frac{8}{3}c + 8h + s - o \right) = 3,33*\left( \frac{8}{3}*0,8424 + 8*0,0458 + 0,0039 - 0,0451 \right)$$

$$= 8,561\frac{m^{3}\text{pow}}{\text{kg\ pal}} = 0,008561\frac{m^{3}\text{pow}}{\text{g\ pal}}$$

$\lambda = \frac{V_{\text{pow}}^{\text{rz}}}{V_{\text{pow}}^{t}} = \frac{V_{\text{pow}}^{\text{rz}}}{L_{\text{pow}}^{t}*{\dot{m}}_{\text{pal}}}$ ${\dot{m}}_{\text{pal}} = \frac{V_{\text{pow}}^{\text{rz}}}{L_{\text{pow}}^{t}*\lambda} = \frac{0,00417\frac{m^{3}\text{pow}}{\min}}{0,008561\frac{m^{3}\text{pow}}{\text{g\ pal}}*2,333} \approx 0,209\frac{\text{g\ pal}}{\min}$

1. Wykres

2. Wnioski

W czasie doświadczenia spalany był pył z węgla kamiennego o nieznanym pochodzeniu, dlatego też obliczony strumień dostarczanego do spalania paliwa różnił się od rzeczywistego strumienia (inny skład węgla inne teoretyczne zapotrzebowania powietrza do spalania).

Nasze doświadczenie było obarczone licznymi błędami wynikającymi np. z ograniczeń czasowych, błędów pomiarowych analizatora spalin czy wad pozostałego sprzętu (zassanie dodatkowego powietrza pod koniec doświadczenia).

Analizując otrzymane wyniki można zauważyć, iż wraz ze wzrostem ilości podawanego paliwa maleje współczynnik nadmiaru powietrza (większa ilość tlenu potrzebna jest do spalenie większych ilości paliwa udział tlenu w spalinach spada). Widać także, że wraz ze zmniejszaniem nadmiaru powietrza udział CO w spalinach łagodnie spada, aż do momentu gdy λ ≈ 1,2 (wtedy następuje bardzo gwałtowny wzrost, co sugeruje duże straty, ponieważ jest już za mało tlenu potrzebnego do dopalenia CO). Ponadto, zmniejszając ilość powietrza dostarczanego do spalanie obserwuje się w przybliżeniu paraboliczny wzrost SO₂ oraz spadek NO w spalinach.

Doświadczenie pokazało, że niemożliwe jest jednoczesne zredukowanie ilości emitowanych do środowiska zanieczyszczeń. Aby zmniejszyć emisję szkodliwych związków należy doświadczalnie wyznaczyć taką wartość współczynnika nadmiaru powietrza, dla której zawartości CO, NO i SO₂ w spalinach są możliwie najmniejsze. Z naszego doświadczenia wynika, że λ powinna kształtować się na poziomie ok. 1,3 (co odpowiada ok. 5% zawartości tlenu w spalinach) aby spalanie badanego pyłu węglowego było jak najmniej szkodliwe dla środowiska.

---

1. Dane dotyczące analizy węgla pochodzą ze strony: http://meeri.pl/Wydawnictwa/GSM23ZS/krzyzanowski-zarebska.pdf↩