algorytm spalania

Kocioł węglowy jest bardzo trudny w prowadzeniu, gdyż paliwa węglowe charakteryzują się dużą zmiennością parametrów istotnych z punktu widzenia procesu spalania. Ocena węgla tylko przez pryzmat jego wartości opałowej jest dalece niewystarczająca. Wartość opałowa jest tylko miarą ilości zawartej w węglu energii chemicznej, możliwej do przekształcenia w ciepło w procesie spalania. Efektywność przekształcania energii chemicznej w ciepło zależy jednak od szeregu innych własności węgla – zawartości części lotnych, uziarnienia, zawartości wilgoci i popiołu, oraz spiekalności (zdolności tworzenia dużych spieków koksowych), toteż węgle o takiej samej wartości opałowej nie muszą zachowywać się tak samo w procesie spalania – a tym samym i skutek spalania może być różny.

Upraszczając nieco – węgiel spala się 2-stopniowo. Po przekroczeniu 300°C z węgla zaczynają się wydzielać gazowe produkty rozkładu termicznego, które – jak to gazy – spalają się bardzo szybko, gdyż bardzo dobrze mieszają się z powietrzem. W tym czasie gwałtownie wzrasta ilość gazów oraz ich ciśnienie w palenisku i w komorze spalania. Po osiągnięciu temperatury 550°C pozostaje już tylko stała pozostałość – koks, który spala się znacznie, znacznie wolniej, bo spala się tylko powierzchniowo (tylko powierzchnia ziaren ma kontakt z powietrzem). Ilość gazów oraz ich ciśnienie w palenisku i w komorze spalania są znacznie mniejsze. Istotne znaczenie dla przebiegu tych procesów ma zawartość części lotnych (decyduje o ilości stałej pozostałości koksowej) oraz uziarnienie (decyduje o stopniu rozwinięcia powierzchni kontaktu stałej pozostałości koksowej z powietrzem).

W krajowych węglach kamiennych zawartość części lotnych wynosi od 30% do 45%, w węglach kamiennych z importu zawartość części lotnych może być niższa i wynosić nawet 10% (węgle antracytowe). Rozpiętość uzysku stałej pozostałości koksowej może więc być dość duża.

Jeszcze większe różnice mogą wystąpić w wielkościach aktywnej powierzchni kontaktu z powietrzem, wynikających z różnego uziarnienia węgla. Dla przykładu – stopień rozwinięcia powierzchni ziaren o średnicy 30mm wynosi około 200mm²/g, ziaren o średnicy 10mm – 600mm²/g, ziaren o średnicy 5mm – 1.200mm²/g, a ziaren o średnicy 1mm – aż 6.000mm²/g. Większe ziarna spalają się wielokrotnie dłużej, muszą więc dłużej przebywać w strefie spalania. Przedwczesna ewakuacja (z powodu np. zbyt małego palnika, z którego kolejne porcje podawanego paliwa wypychają niedopalone ziarna żaru) skutkuje zwiększeniem straty niecałkowitego spalania (straty ciepła w wyniku niedopalenia stałych substancji palnych – podwyższona zawartość części palnych w popiele).

Uziarnienie węgla ma również bardzo silny wpływ na hydraulikę przepływu gazów (powietrza i spalin) przez złoże paliwa, ponieważ od uziarnienia zależy wielkość objętości wolnych przestrzeni międzyziarnowych w złożu paliwa. Teoretycznie – przy założeniu jednakowych rozmiarów i kulistego kształtu ziaren – sumaryczna objętość wolnych przestrzeni międzyziarnowych nie zależy od średnicy ziaren (jest taka sama bez względu na to, czy naczynie wypełnione jest kulami dużymi, czy małymi – byle wszystkie kule w naczyniu były jednakowe) i wynosi 30-40% całkowitej objętości złoża, w zależności od sposobu ułożenia się kul względem siebie (ułożenie luźne czy zagęszczone). W przypadku ziaren o nieregularnych kształtach objętość wolnych przestrzeni zwiększa się wyraźnie, szczególnie przy dużej chropowatości powierzchni ziaren – np. dla koksu może osiągnąć nawet 50-55%. Niemniej jednak – z oczywistych powodów – opory przepływu będą większe przy ziarnach drobniejszych (mniejsze powierzchnie przekroju kanałów międzyziarnowych, większe powierzchnie kontaktu gazów z paliwem stałym). Zwiększenie rozpiętości uziarnienia paliwa silnie zmniejsza objętość wolnych przestrzeni międzyziarnowych, gdyż ziarna drobniejsze lokują się w wolnych przestrzeniach tworzonych przez ziarna grubsze – wzrasta gęstość nasypowa paliwa oraz opory przepływu (np. gęstość nasypowa węgla w sortymencie „miał” jest o 10-15% większa niż w sortymencie „groszek”).

W tym miejscu trzeba zwrócić uwagę na bardzo istotny element technologiczny – instalowane w kotłach podajniki paliwa pracują w systemie dozowania objętościowego, tzn. jednorazowa porcja paliwa podawanego do paleniska ma stałą objętość a nie stałą masę (w przypadku podajnika tłokowego powtarzalność objętości jednorazowej porcji jest wysoka, w przypadku podajnika ślimakowego powtarzalność objętości jednorazowej porcji jest niższa, gdyż podając paliwo ślimak nie wykonuje pełnego obrotu, tylko zmienną część obrotu, w zależności od intensywności podawania). Zmiana uziarnienia węgla powoduje zmianę jego gęstości nasypowej (zmianę ilości węgla w tej samej objętości), a więc skutkuje zmianą ilości energii chemicznej dostarczonej w tej samej objętości paliwa (czyli w tym samym czasie). Zmiana uziarnienia paliwa wywołuje więc konieczność zmian chwilowych proporcji paliwa i powietrza do spalania, pomimo niezmiennej wartości opałowej paliwa.

Dwa paliwa o takiej samej wartości opałowej (i nawet o takim samym uziarnieniu) mogą różnić się zawartością wilgoci i popiołu – jeden może mieć więcej popiołu i mniej wilgoci, drugi mniej popiołu i więcej wilgoci. Skutki spalania tych paliw muszą być różne, na co mało kto zwraca uwagę.

I ostatni bardzo ważny element technologiczny – spiekalność węgla, czyli zdolność do tworzenia dużych spieków koksowych. Duże spieki (większe od największych ziaren stosowanego paliwa węglowego), po pierwsze – zmniejszają powierzchnię kontaktu paliwa z powietrzem (im większy kawałek paliwa, tym mniejsza jego powierzchnia w stosunku do masy), po drugie – zwiększają objętości wolnych przestrzeni międzyziarnowych w złożu paliwa, tworząc kanały uprzywilejowanego przepływu (zmniejszonego oporu przepływu), którymi przepływają zwiększone ilości powietrza, nie biorąc udziału w spalaniu (tzw. fałszywe powietrze).

Na przedstawione powyżej problemy wynikające ze złożoności chemizmu i hydrodynamiki procesu spalania paliw stałych, nakładają się problemy wynikające ze spadku ciśnienia powietrza podawanego przez wentylator w miarę obniżania wydajności wentylatora (zmniejszania chwilowej mocy kotła). Na wykresie poniżej przedstawiono przykład kształtowania się ciśnienia powietrza [Pa] w komorze powietrznej palnika retortowego napełnionego węglem w sortymencie „groszek”, w zależności od wydajności/obrotów wentylatora [%]. Jak widać, 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.

wentylator

To wszystko, o czym napisano powyżej, dzieje się w warunkach określonych przyjętymi rozwiązaniami konstrukcyjnymi paleniska i komory spalania, które w poszczególnych typach kotłów są różne. Tak ogromna złożoność mechanizmów procesu spalania paliw stałych, przy ciągłej dynamice zmian wzajemnego oddziaływania na siebie poszczególnych parametrów (wzmacnianie lub tłumienie reakcji), powoduje, że ujęcie ich w proste formuły matematyczne jest praktycznie niemożliwe.

%d bloggers like this: