Palniki retortowe

Palniki zasilane węglem w sortymencie „groszek” zwane są potocznie „retortami” lub „stokerami”. Obie te nazwy są mało poprawne z technicznego punktu widzenia (jak zerknąć do encyklopedii – to znaczą one coś innego), ale skoro przyjęły się w powszechnym użyciu…

Najistotniejszą cechą palnika retortowego jest sposób spalania węgla – współprądowy w górnej części złoża (powietrze i węgiel podawane są w zgodnym kierunku – z dołu do góry). Jak wiadomo, u góry retorty jest warstwa żaru (powietrze doprowadzane jest do warstwy żaru), który ma temperaturę od około 800⁰C do powyżej 1000⁰C (w zależności od intensywności pracy palnika). Ten żar promieniuje w dół ogrzewając złoże węgla. Węgiel ma taką właściwość, że w temperaturach od około 300⁰C do około 550⁰C odgazowuje (czyli rozkłada się termo-chemicznie z wydzielaniem gazów palnych). Te gazy uchodzą do strefy żaru, spotykają się tam z powietrzem i wysoką temperaturą (wyższą od temperatur zapłonu tych gazów), mają więc idealne warunki do całkowitego i zupełnego spalenia się – jeśli tylko ilość powietrza, z którym się spotkają, jest odpowiednia do ilości tych gazów. Jeśli powietrza będzie za mało – braknie oczywiście tlenu do spalenia całej ilości gazów z odgazowania węgla. Jeśli powietrza będzie za dużo – środowisko reakcji (mieszanka gazów i powietrza) schłodzi się poniżej temperatur zapłonu tych gazów i spalanie zostanie przerwane (mimo, że tlenu jest nadmiar). W jednym i w drugim przypadku do wymiennika dostaną się niespalone gazy z rozkładu węgla, które w zetknięciu z chłodną ścianką wymiennika wykroplą się w postaci smoły. Zjawiskom tym mogą towarzyszyć (i najczęściej towarzyszą) procesy wydzielania się sadzy, która może tworzyć się na kilka różnych sposobów, zarówno w warunkach niedomiaru, jak i nadmiaru powietrza.

W retorcie zwykłej (zwanej także konwencjonalną, klasyczną lub – być może – jeszcze inaczej) pod warstwą żaru, gdzieś w rejonie kolana (zwanego także „fajką”) tworzy się warstwa węgla odgazowanego (czyli koksu) o ziarnach zbliżonych wymiarowo do wyjściowych ziaren węgla. Całe to złoże węgla – od zsypu z zasobnika do wylotu z retorty – jest łatwo przepuszczalne dla gazów, bo przestrzenie między ziarnami są w przypadku „groszku” dość duże, toteż gazy rozkładowe swobodnie przedostają się do strefy żaru, zgodnie z kierunkiem wymuszanym przez ciąg kominowy. Tak to się dzieje, jeżeli mamy do czynienia z węglem niespiekającym.

Inaczej to się dzieje, jeżeli mamy do czynienia z węglem spiekającym. Węgiel spiekający w zakresie temperatur odgazowania topi się, przyjmując konsystencję miodu – rzadszego lub gęstszego w zależności od typu węgla. Również odgazowuje w tym zakresie temperatur (tak samo, jak węgiel niespiekający), ale te gazy mają utrudnione ujście ze strefy odgazowania, bo nie ma tam już kawałków węgla przepuszczających łatwo gazy, tylko gęsta faza plastyczna, której opór trzeba pokonać. Wzrasta więc ciśnienie gazów w tej strefie, faza plastyczna się wydyma pod ich ciśnieniem i dociska się do żaru z jednej i do węgla z drugiej strony, zalepiając otwory między ziarnami. Gazy z tej strefy uchodzą zarówno w kierunku żaru (gdzie się spalają), jak i w kierunku zasobnika (gdzie ochładzają się i zlepiają kawałki zimnego węgla). Mogą przedostawać się nawet do zasobnika. Po przekroczeniu około 550⁰C ta plastyczna masa tężeje (zestala się) tworząc koks, ale już nie w kawałkach zbliżonych do ziaren węgla wyjściowego, tylko w kawałkach większych, które mogą nawet zakleszczyć podajnik. Co istotne – te kawałki koksu są tym większe i twardsze, im większe jest zagęszczenie węgla w fazie odgazowania. A jak wiadomo, w retorcie zwykłej węgiel jest pchany przez ślimak. Warstwa plastyczna jest więc z jednej strony dociskana do warstwy żaru, a z drugiej strony do warstwy plastycznej dociskany jest węgiel podawany z zasobnika. Tworzą się idealne warunki do wytwarzania bardzo dobrego koksu (w technologii koksowania istnieje taka operacja, jak zagęszczanie wsadu, stosowana w celu otrzymania lepszego koksu z węgli o słabszych własnościach spiekających). Więcej informacji na ten temat znajdziesz w rozdziale Spieki w palniku.

Myślę, że powyższy opis zjawisk zachodzących w palniku pozwala zrozumieć, skąd się wzięły retorty nowej generacji i co je w sposób istotny różni od retort zwykłych. Tą istotną różnicą jest sposób podawania węgla. W retortach nowej generacji węgiel w rejonie strefy plastyczności nie jest pchany (zagęszczany), tylko wypiętrzany, rozpulchniany i mieszany z częścią żaru, co rozbija fazę plastyczną i osłabia spiekalność węgla. Nie eliminuje to spiekalności węgla ani nie eliminuje powstawania spieków koksowych, osłabia tylko negatywne skutki zagęszczania węgla w fazie plastycznej. Powstające spieki koksowe są mniejsze i słabsze. Tę funkcję może spełniać zarówno przeciwzwój, jak i wszelkiego rodzaju „płetwy”, „dzióbki”, „haczyki” i inne twory stosowane w różnych rozwiązaniach, które będą wypiętrzać węgiel zamiast go pchać. Warunkiem podstawowym jest jednak eliminacja z palnika części kolanowej (fajkowej), gdzie występuje największe niebezpieczeństwo zakleszczenia podajnika – cała reszta stosowanych różnych rozwiązań to „galanteria”, bez istotnego znaczenia. Ten warunek spełniają także niektóre retorty obrotowe (ale nie wszystkie), które mogą być zaliczone do palników nowej generacji.

I to jest – moim zdaniem – podstawowe kryterium podziału palników retortowych na retorty starej i nowej generacji. Tych retort zwykłych (starej generacji) pracuje w kraju gdzieś z 200.000 sztuk. I będą one pracować jeszcze przez dobre kilka lat (do zużycia się kotłów, w których zostały zainstalowane). A węgla niespiekającego jest i będzie coraz mniej, bo po prostu się kończy. I chociaż retorty zwykłe nie są wcale złe (w końcu jeszcze do niedawna były uważane bezsprzecznie za najlepsze rozwiązanie technologiczne w obszarze „małej energetyki”), to bezsensem perspektywicznym byłoby kupno kotła z taka retortą. Zwracam także uwagę, że w perspektywie brakować będzie nie tylko „groszku” niespiekającego, ale także „miału” niespiekającego (którego jest obecnie kilkakrotnie więcej niż „groszku”, bo taka jest struktura sortymentowa wydobycia węgla), ponieważ kończą się pokłady węgla a nie zasoby „groszku”. I dlatego wszelkie retorty zwykłe (kolanowe/fajkowe) z przeróbkami umożliwiającymi spalanie miału także stracą rację bytu w warunkach braku węgli niespiekających.

Kolejny problem z obszaru palników retortowych – to problem dmuchaw montowanych w palnikach. Aby dobrze spalić paliwo potrzeba oczywiście odpowiedniej ilości powietrza (tlenu) – ani za mało, ani za dużo. Jeśli powietrza będzie za mało – braknie oczywiście tlenu do spalenia całej ilości części palnych, co w palnikach retortowych objawia się ciemnym, kopcącym płomieniem w palniku i ciemnym dymem z komina. To łatwo zauważyć nawet gołym okiem. Jeśli powietrza będzie za dużo – środowisko reakcji (mieszanka gazów palnych i powietrza) schłodzi się poniżej temperatur zapłonu tych gazów i spalanie zostanie przerwane (mimo, że tlenu jest nadmiar). Tego – niestety – nieuzbrojone w analizator spalin oko nie jest w stanie zauważyć. Skutek jednak jest taki, że temperatura spalin jest niższa, niż powinna być przy spaleniu takiej samej ilości węgla (powietrze nadmiarowe wchodzi do kotła z temperaturą otoczenia i ogrzewa się w nim do temperatury spalin wylotowych, wyprowadzając do komina spore ilości ciepła). Brakujące ilości ciepła trzeba zrekompensować zwiększeniem zużycia paliwa. To jedna strona medalu. Druga strona medalu – nadmiar powietrza w stosunku do rzeczywistych potrzeb skutkuje podwyższeniem temperatury żaru (ponieważ nie spalono całej ilości gazowych części palnych, trzeba spalić większe ilości stałych części palnych). Żar spala się tylko powierzchniowo, pali się więc intensywnie z bardzo wysoką temperaturą na powierzchni. To coś tak, jak w palenisku kuźniczym – żar (żar to przecież koks) może dawać tak wysokie temperatury, że grożą mięknieniem lub nawet topieniem żelaza. W takich warunkach nawet węgle o stosunkowo wysokiej temperaturze topnienia popiołu (nie dające szlaki w normalnych warunkach) tworzą spieki popiołowe (szlakują).

Co robi dmuchawa? Pompuje powietrze, sprężając je od ciśnienia otoczenia do jakiegoś ciśnienia w komorze powietrznej palnika. Szczelina wlotowa powietrza jest równa przekrojowi kanału wlotowego dmuchawy. Szczelina wylotowa powietrza jest równa sumie przekrojów otworów nadmuchowych w palniku. Jaka jest wydajność dmuchawy przy pracy z pełną mocą (na 100% obrotów)? Jest ona różna, w zależności od przekroju szczeliny wylotowej. Im przekrój szczeliny wylotowej jest mniejszy – tym wydajność dmuchawy jest mniejsza, ale za to ciśnienie w komorze powietrznej palnika jest większe.

Jaka jest wydajność jakiejś konkretnej dmuchawy zainstalowanej do jakiegoś konkretnego palnika? Nikt tego nie wie, bo to nie jest ta wydajność, którą podaje producent dmuchawy w specyfikacji technicznej. Wydajność dmuchawy zależy od palnika, w którym ją zamontowano (od wielkości szczeliny wylotowej). Przykładowo – w palniku BRUCER z pełnym garniturem otworów nadmuchowych ta wydajność dmuchawy wystarcza na uzyskanie mocy 55kW (ciśnienie w komorze powietrznej palnika wynosi tam 100Pa). Jak widać, nie podaję tej wydajności w m3/h, bo dla spalania nie jest istotne ile to metrów sześciennych – ważniejsze jest, ile mocy ta ilość powietrza może wyprodukować w kotle.

A co robimy, kiedy potrzebujemy mniejszej mocy? Najczęściej zmniejszamy obroty dmuchawy. Zmniejszamy w ten sposób wydajność dmuchawy (zmniejszamy ilość powietrza) – niestety jednocześnie zmniejszamy jego ciśnienie w komorze powietrznej palnika. Zobaczcie wykres zamieszczony w rozdziale „algorytm spalania” tego poradnika. Pełne ciśnienie utrzymuje się w zakresie obrotów wentylatora 100-70%, potem zaczyna spadać. Przy obrotach wentylatora 50% ciśnienie wynosi tylko połowę ciśnienia wyjściowego, przy obrotach 40% wynosi już tyko kilka Pa, a przy obrotach 35% spada do zera. Wprawdzie ilości obrotów dmuchawy nie należy utożsamiać z jej wydajnością (tzn. 40% obrotów dmuchawy nie oznacza, że ma ona 40% swojej maksymalnej wydajności), ale z wykresu ciśnień widać, że w obszarze poniżej 50% obrotów dmuchawy trudno mówić o poprawnym sterowaniu procesem spalania – to powietrze nie ma już siły (nie ma wystarczającego ciśnienia) do prawidłowego napowietrzenia złoża. Wydajność dmuchawy możemy zmniejszać także poprzez przysłanianie szczeliny wlotowej (przydławianie). W takim przypadku też występuje podobny efekt zmniejszenia ciśnienia w komorze powietrznej palnika. Także podobnie – przydławienie otworu wlotowego o połowę nie oznacza, że o połowę zmniejszyliśmy wydajność dmuchawy.

Co z tego wynika? Ano to, że stosując przewymiarowane dmuchawy (o zbyt dużej wydajności w stosunku do zapotrzebowania powietrza dla danej mocy kotła) sami wpędzamy się w obszar niskich ciśnień, w którym o poprawnym sterowaniu palnikiem można tylko marzyć. Zaglądnijcie na metryczki dmuchaw zainstalowanych w kotłach retortowych i sprawdźcie, jakie mają wydajności. Przy kotłach o mocy do 25kW kształtują się one w zakresie od 180 do 270m3/h. A teraz zestawcie to z zapotrzebowaniem na powietrze nadmuchowe, które dla mocy efektywnej 10kW wynosi 30-35m3/h (dla współczynnika nadmiaru powietrza 1,75). Jak widać, ich wydajności wystarczyłyby na uzyskanie mocy od 50 do 80kW. To chyba zbyt dużo?

Żeby nie być gołosłownym podam przykład z badań wykonanych z dmuchawą DM32SF (o wydajności 180 m3/h) dla palnika BURNER-S. Prototyp tego palnika przy wydajności dmuchawy 100% uzyskał moc efektywną 40-45kW przy ciśnieniu w komorze powietrznej palnika 160-170Pa i zawartości tlenu w spalinach poniżej 10% (patrz wykres poniżej).

Aby uzyskać moc nominalną 25kW trzeba było prowadzić palnik przy wydajności dmuchawy obniżonej do 40%, co skutkowało obniżeniem ciśnienia w komorze powietrznej palnika do 25-35Pa, również przy zawartości tlenu w spalinach poniżej 10%  (patrz wykres poniżej).

A tu pozostaje jeszcze do obsługi cały obszar wydajności palnika poniżej 25kW, bo z takimi wydajnościami on w rzeczywistości pracuje. Jakie są wtedy ciśnienia nadmuchu? Na niektórych sterownikach przy wydajności dmuchawy 30% to było 0-5Pa, na innych już przy 38% to było prawie 0Pa. Czy wyobrażacie sobie skuteczne sterowanie palnikiem przy tak niskich ciśnieniach nadmuchu? Czy w takiej sytuacji mogą dziwić specyficzne zachowania palników przy niskich mocach? Skoro u jednego użytkownika ten sam węgiel nie żużluje a u drugiego żużluje – można sądzić, że u tego drugiego nadmiary powietrza do spalania są przesadzone. Tak naprawdę nie wiadomo, jakie są rzeczywiste wydajności dmuchaw w konkretnych warunkach eksploatacyjnych poszczególnych kotłowni. Ja myślę jednak, że nie pomylę się twierdząc, że w większości znacznie za duże.

I to jest najważniejszy problem – szczególnie obecnie, kiedy wdrażane są nowe generacje sterowników, które starają się aby proces spalania w retortach był ciągły (bez przechodzenia w stan podtrzymania). Przy prostych sterownikach dwustanowych (praca – podtrzymanie) ten problem był zupełnie nieistotny, bo palnik albo pracował z pełną mocą, albo stał w podtrzymaniu, więc przydławienie dmuchawy w celu zmniejszenia jej wydajności nie niosło za sobą żadnych skutków negatywnych. Teraz, gdy sterowniki próbują prowadzić palnik w sposób ciągły na zmniejszonych mocach, pojawia się istotny problem – jak skutecznie sterować spalaniem w obszarze mocy dmuchawy poniżej 40% jej wydajności nominalnej, kiedy ciśnienia w komorze powietrznej palnika spadają do wartości bliskich zeru.

Co ma wspólnego moc palnika z mocą dmuchawy? Przede wszystkim – o mocy palnika decyduje wydajność dmuchawy. Bez dmuchawy każdy palnik ma moc równą zero, niezależnie od swojej konstrukcji. Weźmy więc dla przykładu dmuchawę DM32SF, o wydajności nominalnej 180m3/h. Ta wydajność dmuchawy umożliwiła w przypadku prototypu palnika BURNER-S uzyskanie mocy palnika 40-45kW (co widać na pokazanym wcześniej pierwszym wykresie). Ciśnienie w komorze powietrznej palnika jest wtedy wysokie (w tym przypadku wynosiło ono 160-170Pa). Jeśli chcielibyśmy uzyskać z tego palnika większą moc – nie uzyskamy jej, bo nie ma możliwości zwiększenia ilości powietrza. Jeśli chcemy taki palnik zainstalować w kotle np. o mocy nominalnej 20kW – to musimy ograniczyć jego wydajność do ok.24kW. To można zrobić poprzez zdławienie dmuchawy przysłonką na wlocie lub redukcją jej obrotów, jednakże w obu przypadkach ciśnienie w komorze powietrznej palnika spadnie (w tym przypadku do 25-35Pa, co widać na pokazanym wcześniej drugim wykresie). Mamy więc do dyspozycji tylko bardzo mały wycinek zakresu pracy dmuchawy, bo tylko od 30Pa do 0. A co będzie, jeśli zechcemy wsadzić ten palnik do kotła 17kW lub 12kW? Jak tu więc sensownie uzyskać niższe moce palnika? Bez odpowiedniego ciśnienia powietrza? To oczywiste, że złoże paliwa nie będzie wtedy dobrze napowietrzone – to powietrze nie ma siły (ciśnienia).

Jakie więc powinno być poprawne działanie? Trzeba zmniejszać szczelinę wylotową dmuchawy, co zmniejsza wydajność dmuchawy, utrzymując jednocześnie wysokie ciśnienie w komorze powietrznej palnika. Trzeba po prostu w odpowiedni sposób zmniejszyć sumaryczną powierzchnię otworów nadmuchowych palnika, aby moc nominalną palnika uzyskać przy 100% obrotów dmuchawy. Pozostaje nam wtedy do działań regulacyjnych cały obszar obrotów dmuchawy od 100% w dół, a nie tylko jego bardzo mały wycinek (patrz wykres poniżej).

Tego nie uzyska się jednak za pomocą przysłonki lub redukcji obrotów dmuchawy. I nie pomoże tu żaden sterownik, bo sterownik nie zwiększy ciśnienia powietrza. A palnik mając zbyt dużo powietrza będzie topił popiół, zaś mając zbyt małe ciśnienie powietrza będzie palił częścią złoża.

%d bloggers like this: