Jak spala się węgiel

Procesy spalania paliw stałych są dużo bardziej złożone od spalania paliw gazowych czy ciekłych. Komplikuje je różnorodność zjawisk fizyko-chemicznych zachodzących w fazie gazowej (powietrze, spaliny) i stałej (węgiel) oraz na granicy faz. Jednocześnie ze zjawiskiem spalania w palenisku występują równocześnie zjawiska zgazowania węgla (z węgla i dwutlenku węgla tworzy się tlenek węgla, z węgla i pary wodnej tworzy się tlenek węgla i wodór), zjawiska pirolizy (termo-chemiczny rozkład substancji węglowej z wydzielaniem gazowych produktów rozkładu), zjawiska związane z przepływem ciepła od gazu do ciała stałego i wewnątrz ciała stałego, a także wiele innych. Zjawiska te przebiegają równocześnie w różnych strefach paleniska, w stosunkowo szerokich zakresach temperaturowych, przy czym charakterystyczne strefy paleniska (spalania, zgazowania i pirolizy) zachodzą na siebie, tworząc zróżnicowane dynamiczne układy w zależności od praktycznej organizacji procesu spalania.

Jak wiadomo, na efektywność procesu spalania (wszystko jedno czy to w piecu, czy np. w silniku samochodu) znaczący wpływ ma stopień wymieszania powietrza i paliwa (jednorodność mieszanki paliwowej). Mieszanka węgla i powietrza jest – z oczywistych powodów – mieszanką niejednorodną, przy czym stosunkowo duża rozpiętość uziarnienia paliwa zdecydowanie wzmacnia tę wadę.

W kotłach węglowych małej mocy stosuje się technikę spalania w warstwie nieruchomej. Ziarna paliwa w palenisku pozostają względem siebie nieruchome lub przemieszczają się z niewielkimi prędkościami (wynikającymi na przykład z osuwania się złoża w miarę jego wypalania), natomiast powietrze dopływa do strefy spalania poprzez przestrzenie między cząstkami paliwa. Rodzaj przyjętej organizacji procesu spalania uznaje się za kryterium podziału kotłów zasilanych paliwem stałym na:

kotły ze spalaniem przeciwprądowym – powietrze dostarczane jest do gorącej strony złoża paliwa, spaliny odprowadzane są z przeciwnej (zimnej) strony złoża paliwa,

kotły ze spalaniem współprądowym – powietrze dostarczane jest do gorącej strony złoża paliwa, spaliny odprowadzane są również z gorącej strony złoża paliwa.

Konwencjonalne komorowe kotły rusztowe z okresowym podawaniem paliwa (zasilane paliwem grubokawałkowym o uziarnieniu powyżej 30 mm – z początku koksem, potem stopniowo coraz częściej węglem sortyment „orzech”), które jeszcze pod koniec XX wieku dominowały w małych instalacjach centralnego ogrzewania w Polsce, są typowym przykładem techniki spalania przeciwprądowego.

komora_cb

W palenisku przeciwprądowym powietrze podawane jest przeciwnie do kierunku podawania paliwa, od strony gorącej w kierunku strony zimnej wsadu paliwa. Spaliny powstające w strefie spalania (w wyniku egzotermicznych* reakcji utleniania: C + O2 = CO2 + Q; 2C + O2 = 2CO + Q; 2CO + O2 = 2CO2 + Q) przechodzą w kierunku zimniejszej części wsadu paliwa, podnosząc stopniowo temperaturę kolejnych warstw wsadu. Spaliny przechodzą kolejno przez strefę zgazowania (gdzie zachodzi endotermiczna** reakcja redukcji: CO2 + C = 2CO – Q), strefę pirolizy (gdzie zachodzą endotermiczne** reakcje rozkładu termicznego organicznej substancji paliwa na związki węglowodorowe, zwane potocznie „substancjami smołowymi”, z równoczesnym spalaniem powstałych węglowodorów) oraz strefę suszenia paliwa (endotermiczne** zjawisko parowania wody), co wiąże się ze stopniowym obniżeniem temperatury spalin.

(*reakcja egzotermiczna – reakcja, w wyniku której wydziela się ciepło, **reakcja endotermiczna – wymaga poboru ciepła z otoczenia)

Dla całkowitego spalenia unoszonych ze spalinami składników palnych (tlenek węgla ze strefy zgazowania i związki węglowodorowe ze strefy pirolizy), oprócz potrzebnej ilości tlenu, niezbędne są: temperatura środowiska przekraczająca temperaturę zapłonu składnika palnego oraz odpowiednio długi czas kontaktu z tlenem. W warunkach paleniska przeciwprądowego, w wyniku stopniowego obniżania się temperatury spalin dochodzi w pewnym momencie do przerwania procesu spalania, zanim składniki palne ulegną całkowitemu spaleniu. Stężenia składników palnych w spalinach wylotowych są bardzo wysokie, co skutkuje niską sprawnością spalania oraz wysoką emisją szkodliwych zanieczyszczeń (związków węglowodorowych i tlenku węgla), szczególnie w okresach cyklicznego uzupełniania złoża zimnym paliwem.

Kotły tego typu absolutnie nie powinny być stosowane do spalania paliw o wysokiej zawartości części lotnych, jak np. węgiel energetyczny. Obecnie, w świetle aktualnego stanu techniki w branży produkcji kotłów małej mocy, nie mają one racji bytu ze względu na niskie sprawności spalania i wysokie wskaźniki emisji szkodliwych zanieczyszczeń (w tym szczególnie związków rakotwórczych), chociaż znajdują jeszcze nabywców ze względu na niskie ceny.

Miejsce komorowych kotłów rusztowych ze spalaniem przeciwprądowym zajmują obecnie komorowe kotły rusztowe z okresowym podawaniem paliwa (zasilane węglem grubokawałkowym o uziarnieniu powyżej 30 mm), w których stosuje się technikę spalania współprądowego w dolnej części złoża.

dolne_cbW paleniskach współprądowych powietrze podawane jest do gorącej strony złoża paliwa. Spaliny odprowadzane są także z gorącej strony złoża paliwa (ze strefy żaru). Węglowodorowe produkty rozkładu termicznego paliwa ze strefy pirolizy muszą przejść przez strefę żaru, gdzie w warunkach najwyższej temperatury mają bardzo dobre warunki spalania. Para wodna ze strefy odparowania wilgoci również przechodzi przez strefę żaru, gdzie bierze udział w procesach zgazowania paliwa, wspomagając jego spalanie (C + H2O = CO + H2 – Q a następnie 2CO + O2 = 2CO2 + Q oraz 2H2 + O2 = 2H2O + Q). Stężenia związków węglowodorowych i tlenku węgla w spalinach wylotowych są wielokrotnie niższe niż z palenisk przeciwprądowych, znacząco wyższe są również uzyskiwane sprawności spalania. Efektywność energetyczną i ekologiczną tych palenisk zwiększa się dodatkowo przez zastosowanie kontrolowanego podawania powietrza pierwotnego do komory spalania oraz powietrza wtórnego do spalin opuszczających strefę żaru (tam gdzie mają one najwyższą temperaturę).

górne_cbSpecyficzną konstrukcję stanowią kotły miałowe komorowe, w których stosuje się technikę spalania współprądowego w górnej części złoża. Duża komora spalania napełniana jest miałem węglowym, zaś powietrze doprowadzane jest do górnej warstwy paliwa poprzez system dysz, zapewniających odpowiedni dopływ powietrza w miarę obniżania się poziomu paliwa w komorze spalania. Spaliny odprowadzane są ze strefy żaru, zgodnie z zasadą spalania współprądowego. Wydajność cieplna kotła jest zmienna w czasie. Proces spalania prowadzi się do czasu wypalenia całej ilości paliwa, po czym kocioł wychładza się, aby umożliwić wygarnięcie powstałego popiołu. Następnie ponownie napełnia się komorę spalania i rozpala od góry, powtarzając cyklicznie ten sam proces. Zmienna w czasie wydajność cieplna kotła oraz okresowy przestój w wytwarzaniu ciepła wymagają stosowania w kotłowniach układów co najmniej 2-kotłowych z przesuniętym w czasie cyklem załadunku komory spalania lub instalowania odpowiednio dużych zbiorników akumulacyjnych.

retorta_cbTechnikę spalania współprądowego stosuje się również w kotłach z palnikiem automatycznym. Zasilanie niewielkimi porcjami paliwa, podawanymi z częstotliwością od kilku do kilkudziesięciu sekund, sprzyja maksymalnemu wykorzystaniu zalet spalania współprądowego oraz możliwości nowoczesnych układów automatycznej regulacji. Od kilku lat obserwuje się dynamiczny wzrost produkcji i sprzedaży tych kotłów. Poważną zaletę dla licznego grona użytkowników stanowi możliwość nawet kilkudniowej praktycznie bezobsługowej eksploatacji kotła, dzięki automatycznemu zasilaniu z dużego zasobnika paliwa.

%d bloggers like this: