Spalanie węgla

Proces spalania

Surowy węgiel wprowadzany do paleniska zawiera wilgoć. Procesowi podgrzewania paliwa towarzyszy jednocześnie odparowanie wilgoci. Oba te procesy odbywają się kosztem energii cieplnej, pobieranej z wnętrza komory paleniskowej.
Suszenie kończy się po osiągnięciu przez ziarno temperatury ok. 105°C, gdyż woda musi być odparowana nie tylko z powierzchni, ale również ze szczelin i porów (kapilarnych), gdzie ze względu na wklęsłe zwierciadło wody temperatura wrzenia jest wyższa.
Dalszemu podgrzewaniu paliwa towarzyszy również endotermiczny proces odgazowania. Jest to sucha destylacja paliwa, w wyniku której paliwo pozbawione zostaje części lotnych. Uchodzące części lotne są węglowodorami o wysokiej wartości opałowej. Wymagają więc one do spalenia stosunkowo dużych ilości powietrza. Powietrze to powinno się znaleźć w dostatecznej ilości wewnątrz komory paleniskowej, aby uniknąć strat wskutek niezupełnego spalania.

Zgazowanie polega na utlenieniu części palnych pozostałych w stałej masie paliwa po procesie odgazowania. Proces ten jest procesem powierzchniowym (odbywa się na powierzchni ziarna). Substancją palną w zgazowanym paliwie jest węgiel pierwiastkowy.
Zgazowanie jest procesem złożonym, który w największym skrócie można opisać następująco: tlen z powietrza przenika (przez dyfuzję) do powierzchni ziarna przez warstewkę dwutlenku węgla (powstała w wyniku utlenienia węgla) i powoduje spalenie dalszych ilości węgla pierwiastkowego. Pod wpływem wysokiej temperatury w otoczeniu ziarna następuje dysocjacja termiczna dwutlenku węgla na tlenek węgla i tlen, który bądź bierze udział w dalszym procesie utleniania węgla, bądź zostaje uniesiony poza płonąca warstwę do komory paleniskowej. Dopiero tutaj, przy dostatecznym zmieszaniu i wystarczającej ilości tlenu, następuje utlenienie tlenku węgla na dwutlenek. Równomierny rozkład powietrza powinien zatem panować nie tylko w warstwie paliwa, ale również we wnętrzu komory paleniskowej.

Zapotrzebowanie powietrza jest różne w poszczególnych fazach spalania. W czasie suszenia jest niepotrzebne, gdyż temperatura paliwa jest zbyt niska, aby zainicjować proces spalania. Zapotrzebowanie powietrza rośnie w miarę odgazowania, aby osiągnąć w pewnej chwili wielkość największą; następnie w miarę zgazowania – wskutek ubytku substancji palnej również i zapotrzebowanie powietrza maleje.

Wyróżniane fazy spalania nie są jednak ściśle rozgraniczone między sobą, lecz częściowo wzajemnie zachodzą. Dlatego też zapotrzebowanie powietrza będzie miało przebieg płynny.
Czas trwania jednego cyklu, od chwili zasypania paliwa do chwili jego całkowitego zgazowania, jest zależny w głównej mierze od wielkości ziarna. Ze względu na to, że spalanie jest procesem powierzchniowym, ziarno paliwa tym prędzej się pali, im większy jest stosunek powierzchni do jego masy – zwany powierzchnia właściwą. Wielkość ta będzie więc rzutowała na długość cyklu spalania.
Jest rzeczą istotną, aby części lotne, będące mieszaniną węglowodorów o różnej budowie (zarówno lekkich jak i ciężkich) nie spotkały na swej drodze powierzchni chłodnych. Ochłodzenie powoduje bowiem wydzielanie się sadzy, która na ogół nie ulega spalaniu, co z kolei pociąga za sobą straty. Części lotne muszą mieć zapewnioną dostatecznie długą drogę (czas) przepływu przez komorę paleniskową.
Warunkiem całkowitego i zupełnego spalania w komorze paleniskowej kotła jest: dostatecznie wysoka temperatura, intensywne mieszanie substratów, dostateczna ilość tlenu i czas przebywania cząstki w obszarze spalania.

Minimalizacja straty w żużlu

Na stratę w żużlu ma decydujący wpływ: 

• Typ spalanego węgla, 

• Wilgotność i granulacja paliwa, 

• Poziom nastawy posuwu rusztu, 

• Jednorodność węgla w zakresie typu węgli jak i ziarnistości.

Minimalizacja straty wylotowej

Na stratę wylotową ma wpływ zarówno poziom temperatury spalin na wylocie z kotła, jak i nadmiar powietrza tj. poziom tlenu w spalinach. Można przyjąć, że dwa punkty tlenowe zmieniają stratę wylotową o ok. 1,5%. Stąd staje się jasne, że najbardziej ważącym parametrem decydującym o sprawności kotła jest nadmiar powietrza. Poziom tlenu w najnowszej generacji rusztowych kotłach SEFAKO waha się najczęściej pomiędzy 3-5% zbliżając się do kotłów pyłowych. Tak dobry rezultat jest konsekwencją zmian w ruszcie tj.: 

• kaskadowemu zasilaniu paliwem, 

• zrównoważenia rozdziału tlenu na szerokości i długości paleniska, 

• recyrkulacja spalin pod ruszt, 

• skuteczne uszczelnienie kotła, a szczególnie komór bocznych.

Regulacja tlenków azotu

Dobra praktyka eksploatacyjna pozwala na regulację tlenków azotu przez rozciąganie ognia na ruszcie. W praktyce sprowadza się to do przymknięcia odpowiedniej strefy.
Przeprowadzona numeryczna analiza komory paleniskowej kotła pozwoliła określić optymalne warunki aerodynamiki. Jako kryterium oceny poprawnej pracy kotła przyjęto:
-intensywność mieszania poprzecznego w komorze paleniskowej (znaczna redukcja emisji tlenków azotu)
-równomierny rozkład prędkości spalin i temperatury na wylocie z komory paleniskowej
Wynikiem powyższej analizy jest zastosowanie zespołu dysz wywołujące poziomy wir w komorze paleniskowej, który optymalizuje emisję i spalanie. Poziomy wir jest równoważny szwedzkiemu rozwiązaniu „Ecotubes”.
Regulacja tlenku węgla
Na straży niskiego poziomu tlenku węgla stoi Instalacja wtórnego powietrza, która równie dobrze może być zasilana spalinami. Istotne jest aby dysze wtórnego powietrza były odpowiednich rozmiarów. Bardzo pomocny jest optymalny kształt sklepienia przedniego. Jeśli kocioł zostanie wyposażony w pomiar CO wówczas nabiera sensu związanie obrotów wentylatora wtórnego powietrza z pomiarem tlenku węgla. Jeśli zdamy sobie sprawę ze zgubnego wpływu tlenu węgla (sadzy) na zanieczyszczenie powierzchni zastosowanie tego UAR staje ię uzasadnione.

Regulacja spalania i wydajności cieplnej kotła

Dla węgli o wartości opałowej 22-24MJ/kg zakłada się stały posuw rusztu. Jedynie dla węgli o małej zawartości popiołu pracę rusztu prowadzimy wg zasady stałej grubości warstwy.
Dla określonego typu węgla, istotnie różniącego się parametrami wielkość posuwu musi być ustalona praktycznie. Posuw rusztu w powiązaniu z ilością powietrza podmuchowego decyduje o ilości tlenu dostarczanego pod ruszt. Ustalenie minimalnej ilości tlenu wykonuje się przy pomocy pomiaru CO (0-100ppm) lub obserwacji koloru płomienia.
Powietrze wtórne nad rusztem tradycyjne nad sklepieniem przednim lub na ekranach bocznych, mieszając spaliny nad rusztem, pomaga zmniejszyć ilość CO oraz NOx.
Przy pomocy pierwszej przepustnicy ustalamy początek zapłonu. Podczas rozpalania kotła klapa ta jest w pełni otwarta. Podczas ruchu kotła na ustalonym obciążeniu klapa jest zamknięta. Obroty podajnika celkowego decydują o ilości wprowadzonego węgla a tym samym o wydajności cieplnej kotła.

Szczelność kotła

W praktyce oznacza to pracę kotła z zamkniętymi drzwiczkami rusztu, szczelnymi drzwiczkami rewizyjnymi. Podczas ruchu kotła otwieramy drzwiczki czy wzierniki tylko w przypadku wyraźnej potrzeby. Szczelności kotła od strony lejów gwarantuje zamknięcie wodne odżużlacza.

Czystość powierzchni ogrzewalnych

Niezwykle istotny czynnik związany z eksploatacja kotła. Odtworzenie czystości hutniczej jest możliwe na postoju przy użyciu szlaki pomiedziowej.
Stopień zanieczyszczenia zależy od składników popiołu w węglu. Najważniejsza jest temperatura popiołu. Jeśli jest dostatecznie wysoka nie ma zanieczyszczeń zestalonych, które mogą istotnie zwiększyć częstotliwość czyszczenia powierzchni.
W kotłach parowych powierzchnie ogrzewalne czyścimy zdmuchiwaczami pary. W kotłach wodnych SEFAKO wdraża oryginalną innowacyjną metodę mechanicznego otrząsania powierzchni ogrzewalnych zagrożonych zanieczyszczeniem zestalonym.

Własności węgla

Najważniejszy jest węgiel i jego poprawne spalanie. Zainteresowanie użytkowników kotłów rusztowych uzyskaniem max sprawności kotła jest w pełni uzasadnione i zrozumiałe. Poniżej omawia się wszystkie czynniki mające wpływ na efekt spalania decydującym o sprawności kotła.

Do cech mających zasadnicze znaczenie dla przebiegu procesów paleniskowych należą: 

1. Zawartość części lotnych
   Części lotne składają się głównie z węglowodorów, które przy spalaniu tworzą płomień widoczny nad rusztem. Proces ten rozpoczyna się od temperatury powyżej 100°C, osiąga swoje najwyższe nasilenie w granicach temperatur 400-500°C. Przy tej samej wartości opałowej większa ilość części lotnych to mniejsza ilość koksu, co przyczynia się do skrócenia czasu spalania. Wówczas zapłon paliwa jest szybszy, a długi płomień powoduje wzrost natężenia wymiany ciepła drogą promieniowania.
   Starsze węgle zwierają więcej węglowodorów, a co istotne posiadają jaśniej świecące węglowodory ciężkie o większej wartości opałowej i dłuższym czasie spalania. 

2. Spiekalność
   Spiekalność – jest to zdolność tworzenia brył podczas procesu odgazowania. Do określania tej cechy stosowany jest wskaźnik Rogi (RI - liczba Rogi). Cecha ta ma duże znaczenie w paleniskach rusztowych – szczególnie wówczas, gdy spalane są drobne sortymenty. Słaba spiekalność (20-30 RI) jest wówczas cechą korzystną, gdyż powoduje zespalanie drobnych frakcji w większe bryły, wskutek czego maleje strata przesypu, i strata lotnego koksiku. Słaba spiekalność dotyczy węgli starszych. Spalany koks nie kruszy się na ruszcie tworzy dostateczny opór dla przepływu powietrza, aby nadmiar powietrza był relatywnie niski.

3. Kaloryczność węgla
   Jak wiadomo, spalanie węgli gorszej jakości (<21MJ/kg) wywiera negatywny wpływ na: osiągi, sprawność, stan techniczny kotła, awaryjność, dyspozycyjność i koszty remontów. Spalanie wegla o wysokiej wartości opałowej (>25MJ/kg) w kotle powoduje wzrost temperatury jądra płomienia, a co za tym idzie wzrost emisji tlenków azotu. Może też doprowadzić do powstania uszkodzeń w wyniku nadmiernych lokalnych temperatur. 

4. Wilgotność
   Poziom wilgoci w węglu jest ważnym parametrem wpływającym na jakość spalania i odbiór ciepła w komorze paleniskowej. Zawartość wody ma wpływ na jakość spalanie węgla.
   Z punktu widzenia spalania i wymiany ciepła, korzystna jest taka ilość wody zawartej w paliwie, którą nie obniża jakości spalania, toteż opłaca się ją odparować i wprowadzić do komory paleniskowej.
   Praktyka wykazuje, że optimum zawiera się pomiędzy 10 a 12, tzn. do momentu, gdy nadmiar wody zaczyna opóźniać zapłon węgla. Można zadać pytanie: Po co woda w węglu? skoro trzeba energii na jej odparowanie w komorze paleniskowej.
   Para wodna jako gaz trójatomowy - świeci (uczestniczy w promieniowaniu). Jeśli wody jest mało płomień jest słabszy. Obsługa wie o tym, że suchy węgiel „słabo się pali”.
   Nadmiar wody powoduje obniżenie temperatury w dużej części komory paleniskowej poniżej temperatury zapłonu węglowodorów (szczególnie tych ciężkich). Początek zapłonu węgla przesuwa się do przodu. Wówczas obsługa mówi, że nie da się nic wyciągnąć z rusztu.
   Zawartość wody na poziomie >15% prowadzi do kłopotów z transportem węgla (lepienie się do leja, podajnika celkowego), nie mówiąc o wyraźnym obniżeniu osiągów kotła (wydajność, sprawność). Jeśli z węgla można ulepić kulkę, lub co gorzej woda cieknie z rusztu zawartość wody jest dużo za duża.
   W okresach letnich długotrwałych upałów, gdy zawartość wody spada poniżej 8%, zraszanie węgla jest jak najbardziej uzasadnione i stosowane w wielu kotłowniach węglowych. Równie uzasadnione jest kilkudniowe zadaszone składowisko na okres długotrwałych opadów. oże się ono przydać również w lecie.
   Pilnowanie wilgoci w paliwie podawanym na ruszt jest niezwykle prostym sposobem dbania o stabilną sprawność spalania w przekroju rocznym. 

5. Zawartość popiołu oraz jego własności
   Do istotnych własności popiołu należy: temperatura mięknięcia i temperatura topnienia. Wysokość tych temperatur zależna jest od składu chemicznego popiołu. Składnikami wpływającymi na wzrost temperatury topnienia są: krzemionka SiO2 oraz korund Al2O3. Rolę topnika, obniżającego temperaturę topnienia, spełnia tlenek żelaza Fe2O3.Ponadto w popiele występują tlenki wapnia CaO i magnezu MgO oraz siarczany np. CaSO4.
   Temperaturę mięknięcia najlepiej wyznaczyć bezpośrednim pomiarem metodą Bunte-Baumana.
   Temperatura mięknięcia popiołu <1100oC grozi oblepieniem kotła mięknącym popiołem strefy wysokich temperatur (komora paleniskowa, wlot do drugiego ciągu). Konsekwencją jest szybkie zanieczyszczenie kotła skutkujące zmniejszeniem sprawności ruchowej (zwiększenie temperatury spalin na wylocie z kotła). 

6. Zawartość siarki
   Zawartość siarki palnej – 0,6%, spełnia dopuszczalny poziom emisji 1300mg/m3n (w przeliczeniu na 6% tlenu).
   W warunkach paleniska w wyniku utlenienia siarki otrzymuje się SO2. Obecność tego gazu nie jest groźna dopóty, dopóki nie wejdzie on w związek z wodą, tworząc kwas siarkawy. Kwas ten ma silne własności korozyjne w stosunku do stali.
   Temperatura kwasowego punktu rosy w spalinach określona na drodze pomiarów dla zawartości siarki 0,6% wynosi ~ 45oC.
   Zagrożenie korozją kotła podczas pracy nie istnieje. Podczas rozruchu nie jest duże, szczególnie jeśli jest on wyposażony w obejście po stronie wody pierwszego stopnia podgrzewacza wody. Oddzielną sprawą jest odcinek kocioł/komin. Stąd nie bez znaczenia jest izolacja Instalacji Oczyszczania Spalin oraz przewodów spalin. Warte rozważenia jest wprowadzenie pomiaru temperatury spalin na wylocie z komina. 

7. Ziarnistość
   Warunki pracy palenisk rusztowych pogarsza przede wszystkim ilość podziarna. Podziarnem nazywa się ziarno o średnicy mniejszej od 1mm, nadziarnem – ziarno o średnicy większej od 10mm. Ziarnistość powoduje wzrost straty przesypu, a jednocześnie przyczynia się do zatykania drogi powietrza między ziarnami spalanej warstwy paliwa. Jeśli paliwo cechuje się ponadto niska spiekalnością, wówczas drobne frakcje mogą być unoszone do kanałów spalinowych kotła (szczególnie przy dużym natężeniu rusztu), powodując zarówno straty koksiku lotnego, jak również zanieczyszczenia powierzchni ogrzewalnych kotła. Wszystkie te zjawiska wpływają niekorzystnie na sprawność kotła. Najkorzystniej, zatem byłoby oddzielić podziarno (w szczególności o ziarnistości 0-1mm) i zużytkować je np. w paleniskach pyłowych.