Spieki w palniku

W palnikach węglowych mogą się tworzyć dwa rodzaje spieków. Pierwszy – to spieki koksowe, drugi – spieki żużlowe. Przy niekorzystnym zbiegu własności węgla – spieki koksowe mogą przekształcać się w spieki żużlowe. Wszystkie rodzaje spieków są niekorzystne z punktu widzenia możliwości regulacji i efektywności spalania – jednakże z innych powodów i w inny sposób.

Jednocześnie ze zjawiskiem spalania, w palenisku węglowym występuje zjawisko odgazowania węgla (piroliza). Odgazowanie węgla przebiega w zakresie temperatur 350-550ºC, w części złoża paliwa o utrudnionym dostępie powietrza oraz wewnątrz ziaren węglowych. W fazie odgazowania pewne składniki węgla topnieją, tworząc z nietopniejącymi składnikami węgla półpłynną, plastyczną masę (gęstość tej masy zależy od typu węgla). Równocześnie, w wyniku termicznego rozkładu substancji organicznej węgla, gwałtownie wydzielają się pary i gazy (w ilości 30-40% całkowitej masy węgla). Powstające gazy uchodzą do strefy spalania, zaś pozostała odgazowana masa zlepia się i zestala, tworząc koks. Małe ziarna węgla zlepiają się w większe aglomeraty, tworząc duże spieki o charakterystycznym kształcie „kalafiora” lub bardzo dużej „kukurydzy” – w zależności od zdolności spiekania.

Taki spiek – to po prostu niespalony kawał koksu, który spala się znacznie, znacznie wolniej od małych kawałków żaru węglowego (żar węglowy to także koks). Ziarna żaru mają znacznie silniej rozwiniętą powierzchnię kontaktu z powietrzem. Ziarna sortymentu „groszek” mają powierzchnię 400-1200mm2/g, spieki – poniżej 100mm2/g (im większe spieki, tym mniejsze rozwinięcie powierzchni). Toteż podstawowy problem z tymi spiekami sprowadza się do tego, że najczęściej zostają wyewakuowane z palnika przed całkowitym spaleniem – zwiększając straty niedopału (duża zawartość części palnych w popiele).

Procesy odgazowania/koksowania zachodzą w pewnej odległości poniżej strefy żaru. Jest to strefa beztlenowa (powietrze tam nie dochodzi), co stwarza idealne warunki do koksowania. Węgiel się topi, odgazowuje i pęcznieje. „Dopychanie” węgla do strefy żaru przez podajnik ślimakowy (charakterystyczne dla zwykłej retorty) zagęszcza węgiel w tej strefie, co dodatkowo sprzyja powstawaniu większych i twardszych kawałków koksu. W ekstremalnych sytuacjach potrafią one nawet zakleszczyć palnik.

Spieki koksowe powstają w każdym palniku. Spieki koksowe tworzą się wtedy (i tylko wtedy), kiedy węgiel wykazuje właściwości spiekające (koksujące). Nie ma tu nic do rzeczy rodzaj sterownika, czy rodzaj i nastawy palnika. Własności koksujące węgla określa się za pomocą różnych wskaźników, jednak dla oceny wpływu spiekalności węgla na proces spalania wystarczy znajomość wskaźnika RI (indeks Rogi). Na tym wskaźniku – między innymi – opiera się polska klasyfikacja węgla. Podstawą podziału węgla kamiennego na typy są naturalne cechy, charakteryzujące jego przydatność technologiczną – patrz rozdz. Klasyfikacja węgli.

Im wyższy wskaźnik RI, tym większe i twardsze spieki tworzą się w strefie odgazowania węgla. Jeszcze do niedawna na rynku węgla dla „małej energetyki” występował wyłącznie węgiel typu 31.1 i 31.2, czyli węgiel niespiekający o zdolności spiekania RI najwyżej 5, który bez problemów mógł być stosowany we wszystkich typach palenisk i kotłów. W miarę wyczerpywania się pokładów tego węgla, wprowadzano stopniowo do obrotu węgle wyższych typów – początkowo typu 32.1, czyli węgiel nieznacznie spiekający o zdolności spiekania RI powyżej 5 do 20, potem typu 32.2, czyli węgiel słabo spiekający o zdolności spiekania RI powyżej 20 do 40, a ostatnio nawet typu 33, czyli węgiel średnio spiekający, o zdolności spiekania RI powyżej 40 do 55. Węgiel typu 32.1 może być stosowany także we wszystkich typach palenisk i kotłów, jednakże w przypadku zdolności spiekania RI bliskiej 20 może sprawiać pewne problemy w kotłach z konwencjonalnymi palnikami retortowymi. Węgiel typu 32.2 i 33 może być stosowany tylko w kotłach z palnikami retortowymi nowej generacji. Warto wiedzieć, że w polskiej bazie węglowej występują węgle o bardzo wysokiej spiekalności – nawet RI=80.

Od zjawiska spiekania węgla (tworzenia się koksu) należy odróżniać zjawisko spiekania popiołu z węgla. W przypadku zbyt niskich temperatur mięknienia, topliwości i spiekania popiołu oraz zbyt wysokich temperatur w strefie żaru (np. w wyniku zbyt intensywnego napowietrzania złoża paliwa) może następować spiekanie się popiołu z tworzeniem dużych i twardych spieków żużlowych.

Powstawanie spieków żużlowych też zależy od jakości węgla – konkretnie od topliwości popiołu ze spalenia węgla. Jednakże, o ile konstrukcja palnika i jego nastawy nie mogą spowodować zwiększenia naturalnych zdolności spiekania/koksowania węgla (pewnymi działaniami możemy je tylko osłabić), to powstawanie spieków żużlowych może być zintensyfikowane warunkami pracy palnika. Wszelkie działania, które prowadzą do podwyższenia temperatury żaru w palenisku, zwiększają jednocześnie ryzyko powstania spieków żużlowych.

Najwyższe temperatury w palenisku występują w strefie żaru, w miejscach intensywnego napowietrzania. Intensywne prowadzenie palnika zwiększa temperaturę żaru. Z taką sytuacją spotykamy się w przypadku forsowania zbyt małego palnika w okresie zwiększonego zapotrzebowania ciepła – jednak nie są to przypadki częste (na ogół palniki mają rezerwę mocy). Częste natomiast są przypadki prowadzenia palnika ze zbyt dużym nadmiarem powietrza. Wysoki nadmiar powietrza (ponad potrzeby) powoduje schłodzenie spalin wychodzących z palnika, co skutkuje zmniejszeniem efektywności pracy wymiennika (zmniejszeniem sprawności oraz rzeczywistej mocy kotła). Zwyczajową reakcją niewprawnego operatora jest dalsze zwiększanie nadmuchu, gdyż skutkuje to wzrostem temperatury spalin i zwiększeniem produkcji ciepła. Zwiększenie nadmiaru powietrza i równoczesny spadek sprawności kotła są niedostrzegalne gołym okiem. W przypadku „ręcznego” sterowania procesem spalania można bardzo łatwo osiągnąć temperaturę żaru tak wysoką, że spieka się nawet popiół, który w normalnych warunkach nie sprawia tego problemu. Ekstremalnym przykładem jest palenisko kuźnicze – intensywnym nadmuchem zwiększa się w nim temperaturę żaru do poziomu mięknienia, czy nawet topnienia żelaza.

Spalanie z wysokim nadmiarem powietrza jest także „prowokowane” przez węgiel, który ma duże zdolności do tworzenia spieków koksowych. Duże spieki koksowe zmieniają istotnie warunki przepływu gazów przez palenisko. Tworzą one powiększone kanały przepływu dla powietrza (kanały uprzywilejowanego przepływu), którymi przepływają duże ilości powietrza, nie biorąc udziału w procesie spalania, schładzając spaliny… itd. – ze skutkiem, jak opisano powyżej. Stąd też węgle koksujące częściej tworzą także spieki żużlowe.

I jeszcze jedno. Nie wgłębiając się zbytnio w szczegóły technologiczne – węgle w sortymencie „miał” mają większe tendencje do tworzenia spieków, niż „groszki”, zarówno w przypadku spieków koksowych, jak i żużlowych. To wynika z silniejszego rozwinięcia powierzchni „miałów” niż „groszków”. Stopień rozwinięcia powierzchni ziarna o średnicy 1mm wynosi aż 6.000mm2/g, a w „miale” są również ziarna mniejsze od 1mm. W przypadku spieków żużlowych dochodzi dodatkowo fakt, że w drobniejszych frakcjach wydobytego węgla gromadzi się więcej części mineralnej węgla (przyszłego popiołu). Jest to naturalny proces związany z charakterem występowania i wydobycia węgla.

Warto jednak zwrócić uwagę, że nie wszystkie „miały” tworzą spieki. Spieki nie są nierozłącznie związane z paleniem „miałem”. Fakt, że komuś w trakcie spalania „miału” powstają uciążliwe duże spieki nie oznacza, że trzeba zrezygnować z poszukiwania oszczędności w ogrzewaniu domu poprzez spalanie „miału”, który jest znacznie tańszy od „groszku”.

W ostatnich latach wprowadzono na rynek palniki retortowe nowej generacji BRUCER i BURNER-S, których konstrukcja powstała z myślą o umożliwieniu efektywnego spalania węgli „trudnych” – spiekających (tworzących spieki koksowe) i szlakujących (tworzących spieki żużlowe) oraz „miałów” węglowych. W tych konstrukcjach – w strefie odgazowania/koksowania węgiel nie jest nieruchomy. Dzięki elementom przeciwnego zwoju węgiel jest wypiętrzany i mieszany, co „pogarsza” warunki koksowania. W efekcie powstające kawałki koksu są mniejsze i słabsze. Specyficzna konstrukcja tych palników dodatkowo „pogarsza” warunki koksowania, gdyż strefa żaru jest w nich mocno rozciągnięta w dół, a strefa koksowania spłaszczona. Węgiel miesza się z częścią żaru, stwarzając warunki do napowietrzenia strefy spiekania – tlen z powietrza „niszczy” spiekalność węgla. Ponadto – pojemność tych palników jest duża i paliwo przebywa w nich dłużej, co sprzyja dopalaniu koksu. Powstające w strefie żaru spieki żużlowe, dzięki specyficznej konstrukcji palnika, są ewakuowane do popielnika, nie stwarzając zagrożeń zakleszczenia palnika.

Baza węgli, które można bezproblemowo spalać w palnikach retortowych nowej generacji jest znacznie szersza, niż w innych palnikach – jednak znajdą się węgle, które i w nich sprawią kłopoty. Sporo osób oczekuje cudu, który sprawi, że kiepskie węgle będą się spalać tak samo efektywnie, jak węgle dobre. Jednak w technice nie ma cudów. Takim cudem nie jest także palnik BRUCER lub BURNER-S. Można w nim spalać efektywnie szeroką gamę węgli, szerszą niż w innych palnikach – jednak nie wszystkie węgle występujące na specyficznym rynku krajowym.

Prawidłowe sterowanie procesem spalania (np. z wykorzystaniem sterownika eCoal.pl) może uchronić przed spiekami żużlowymi w przypadku stosowania węgli „normalnych”. Jeśli jednak będziemy spalać węgle o dużej spiekalności popiołu – nie ma żadnej możliwości obrony przed powstawaniem spieków żużlowych. Nieprawidłowe sterowanie procesem spalania może spowodować tworzenie spieków żużlowych nawet z węgli normalnych.

Palniki ratortowe nowej generacji zauważalnie redukują zdolności koksowania węgla, co pozwala spalać szereg węgli nie nadających się do spalania w kotle retortowym zwykłym, czy w tłokowym. Palniki te, ze sterownikiem eCoal.pl, będą poprawnie spalać nawet węgle tworzące niewielkie spieki koksowe. Silnie koksujące węgle, tworzące bardzo duże spieki, wprowadzają jednak tak duże zaburzenia hydrauliczne, że efektywność spalania musi być niższa. Spieki żużlowe, które wystąpią okazjonalnie, zostaną wyewakuowane do popielnika, zaś sterownik eCoal.pl stosunkowo szybko potrafi unormować warunki spalania w palniku. Jeśli jednak spieki żużlowe będą powstawać w sposób ciągły, w dużej ilości – nie można spodziewać się pozytywnych efektów energetycznych.

W „małej energetyce” opartej na węglu mamy do czynienia z „dwoma światami równoległymi”. Pierwszy – to świat spalania podłych, tanich miałów, tworzących w palniku liczne duże spieki żużlowe. Drugi – to świat spalania „przyzwoitych” (a najlepiej dobrych) paliw w sposób naprawdę automatyczny, w dobrym kotle ze sterownikiem eCoal.pl.

„Światy równoległe” nie zachodzą na siebie, toteż każdy użytkownik musi podjąć decyzję, w którym świecie chce się znaleźć. Kto chce być w pierwszym (bo wierzy, że tani miał przyniesie mu efekt ekonomiczny, lub nie chce zadać sobie trudu poszukania „przyzwoitego” paliwa, bo wierzy, że to nic nie da) – niech zapomni o sterowniku eCoal.pl. Kto chce być w drugim (bo wierzy, że automatyczny sterownik zdejmie z niego konieczność żmudnego ręcznego sterowania palnikiem a poprawne spalanie przyniesie mu efekt ekonomiczny) – niech zapomni o spalaniu łatwo dostępnego i taniego podłego miału.

Palniki BRUCER i BURNER-S mogą występować w obu tych światach, jednakże w różnych kotłach. To producent kotła podejmuje decyzję, do którego świata kieruje swój produkt i to on potem ponosi skutki swojej decyzji (w postaci większej, lub mniejszej sprzedaży). Miału tworzącego duże ilości wielkich spieków nie da się dobrze spalić w żadnym palniku, także w palniku BRUCER czy BURNER-S. Dadzą sobie one radę z ewakuacją spieków z paleniska, jednak zaburzenia procesu spalania są w tych przypadkach tak duże i niepowtarzalne, że nie ma co marzyć o jego automatyzacji.

Zobaczcie na przedstawionym wykresie, jakie skutki wywołał tylko jeden spiek. Przez 3,5 godziny trwały poważne zaburzenia procesu spalania – na wykresie widać wielokrotny wzrost emisji tlenku węgla CO. W tym czasie wielokrotnie wzrosły również emisje innych substancji – nie mierzonych w sposób ciągły – substancji smołowych i sadzy. To był tylko jeden spiek, z którym palnik BRUCER i sterownik eCoal.pl uporały się w 3,5 godziny. Wyobraźcie sobie, jakie skutki wywołuje węgiel, który w sposób ciągły wytwarza takie spieki.


Jeśli jesteś mało wprawnym operatorem kotła – bezwarunkowo poszukaj dobrego „miału”. Kocioł z palnikiem retortowym nowej generacji i sterownikiem eCoal.pl spali poprawnie „miały” lekko spiekające (jednak na tyle spiekające, że nie dadzą sobie z nimi rady zwykłe palniki węglowe), nie da sobie jednak rady z „miałami” silnie spiekającymi. Które to „miały” są lekko, a które silnie spiekające? Ano właśnie – precyzyjnie tego nie określi nikt. Granica jest bardzo szeroka. Przebieg spiekania żużlowego jest tak przypadkowy i niepowtarzalny, że trudno tu tworzyć jakiekolwiek reguły. Jeśli jesteś wprawnym operatorem kotła i chcesz palić nawet „najtrudniejszymi miałami” (nieważne, z jakich powodów – to Twoja sprawa), zastosuj palnik BRUCER/BURNER-S ze sterownikiem „ręcznym”. Dla procesów przypadkowych i niepowtarzalnych jest to sposób najbardziej sensowny.

Nawet w „normalnych” warunkach eksploatacyjnych wprawny operator potrafi w pewnych przypadkach osiągnąć efekty lepsze od sterownika eCoal.pl (i innych sterowników, czy to z PID, czy z sondą lambda). Tylko, czy rzeczywiście jesteś wprawnym operatorem? To trochę tak, jak z samochodem ze skrzynią biegów automatyczną i manualną. Automatyczna daje teoretycznie większe zużycie paliwa, ale w rzeczywistości mało jest kierowców, którzy potrafią osiągnąć teoretyczne zużycie paliwa na skrzyni manualnej.

%d bloggers like this: