Spalanie w kotle retortowym

Proces spalania najefektywniej przebiega w kotle o konstrukcji dostosowanej do specyfiki stosowanego paliwa. Przy doborze kotła trzeba bacznie zwracać uwagę na zapisy w dokumentacji dotyczące przeznaczonego dla niego paliwa

Potrzeba ograniczania zużycia paliw kopalnych na rzecz odnawialnych nośników energii jest akceptowana przez większość wysoko rozwiniętych państw świata, w tym także przez Polskę, której energetyka zdominowana jest przez technologie oparte na spalaniu węgla. Odnawialny charakter (eliminacja zagrożenia wyczerpywania się zasobów) oraz efektywność ekologiczna biomasy (zerowy bilans emisji dwutlenku węgla, kilkakrotnie niższe niż w węglu zawartości popiołu i siarki) uznane zostały za argumenty determinujące jej wprowadzanie do energetyki jako paliwa zastępującego węgiel w procesach wytwarzania ciepła.

Zamierzony rozwój krajowej energetyki w kierunku ograniczania zużycia paliw kopalnych na rzecz odnawialnych nośników energii zwiększył zainteresowanie problematyką zastępowania węgla biomasą stałą także w obszarze „małej energetyki". Rozproszony charakter występowania (niski stopień koncentracji podaży), który poważnie utrudnia wdrażanie biomasy w energetyce zawodowej, dla „małej energetyki" (kotły o mocach do 1000 kW) nie stanowi żadnego problemu. Rozproszenie produkcji jest tu cechą naturalną, a niewielkie moce zainstalowane w poszczególnych kotłowniach ułatwiają wykorzystanie lokalne upraw energetycznych oraz surowca odpadowego z gospodarki leśnej, rolnictwa, zieleni miejskiej itp. Warunkiem powodzenia przedsięwzięć wdrożeniowych jest dostatecznie duża podaż biomasy, o odpowiedniej jakości i cenie oraz w uzasadnionej ekonomicznie odległości od źródła ciepła.

Do tej pory potencjalnych producentów biomasy wstrzymywał brak dobrych, nowoczesnych kotłów, o wysokiej efektywności energetyczno-ekologicznej (brak pewności odbioru paliwa). Z drugiej strony, rozwój kotłowni zasilanych biomasą hamowany był obawą użytkowników o bezpieczeństwo energetyczne, wynikającą z niskiej podaży biomasy. Transport biomasy jest kosztowny ze względu na jej niską gęstość nasypową, toteż lokalnie, w rejonach o niskiej podaży biomasy, w ostatnich latach obserwuje się duże zainteresowanie użytkowników kotłami „dwupaliwowymi", w których możliwe jest współspalanie biomasy z węglem w szerokim zakresie wzajemnych udziałów tych paliw. Rozwiązania takie zapewniają użytkownikom bezpieczeństwo energetyczne oraz elastyczność w doborze paliwa, a tym samym możliwość skutecznego reagowania na ruchy cenowe na rynku paliw.

Dla paliw o wyższej zawartości części lotnych (węgiel, biomasa) należy stosować zaawansowane techniki spalania i rozwiązania konstrukcyjne, które umożliwiają skuteczne spalenie wydzielających się gwałtownie (w stosunkowo wąskim zakresie temperatury) gazowych produktów rozkładu termicznego tych paliw (Zawi-stowski J., „Techniki spalania paliw stałych - Ewolucja kotłów", "Magazyn Instalatora" 2(102)/2007, s. 38-39). Dla paliw średniokawałkowych (np. węgiel sortyment groszek, brykiety typu pellet) przeznaczone są kotły z palnikiem automatycznym. Konstrukcje tego typu są obecnie zdecydowanie najbardziej efektywne. Zasilanie niewielkimi porcjami paliwa, podawanymi z częstotliwością od kilku do kilkudziesięciu sekund, sprzyja maksymalnemu wykorzystaniu zalet techniki spalania współprądowego oraz możliwości nowoczesnych układów automatycznej regulacji. Poważną zaletę dla licznego grona użytkowników stanowi możliwość nawet kilkudniowej praktycznie bezobsługowej eksploatacji kotła, dzięki automatycznemu zasilaniu z dużego zasobnika paliwa. Udział kotłów automatycznych w rynku kotłów zasilanych paliwem stałym systematycznie rośnie. W opinii powszechnej za najlepsze uważa się zasilane wyselekcjonowanym węglem w sortymencie „groszek" lub brykietami biomasowymi typu „pellet" kotły retortowe, których sprzedaż w ostatnim czasie dynamicznie wzrasta.

Spalanie w kotle retortowym

Są dużo bardziej złożone od spalania paliw gazowych czy ciekłych. Komplikuje je różnorodność zjawisk fizykochemicznych zachodzących w fazie gazowej i stałej oraz na granicy faz, przy stosunkowo dużej rozpiętości uziarnienia paliwa. Procesy termicznego rozkładu substancji organicznej paliwa zachodzące z gwałtownym wydzielaniem par i gazów palnych, reakcje redukcji-utleniania zachodzące na powierzchni ciała stałego (pierwiastka C), zjawiska związane z przepływem ciepła od gazu do ciała stałego i wewnątrz ciała stałego, a także wiele innych, 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.

W procesie spalania paliw stałych mamy do czynienia z mieszanką heterogeniczną, w której nie ma możliwości doskonałego wymieszania paliwa z powietrzem. Szczególnie istotne znaczenie ma w tym przypadku system dystrybucji powietrza do spalania, który powinien zabezpieczać zarówno uzyskanie niezbędnego współczynnika nadmiaru powietrza, jak i optymalny rozdział powietrza na strumień pierwotny (doprowadzony do wnętrza złoża paliwa poprzez kanaliki pomiędzy ziarnami paliwa w celu spalenia stałej części paliwa) i wtórny (doprowadzony tuż powyżej strefy żaru w celu wytworzenia homogenicznej mieszanki powietrza z wytworzonymi gazami palnymi i ich dopalenia). Zbyt mały nadmiar powietrza skutkuje wzrostem straty z tytułu niedopalenia paliwa (niedopalone stałe części palne w żużlu i niedopalone gazy palne w spalinach), zbyt duży - nadmiernym zwiększeniem ilości spalin i tzw. straty kominowej. Optymalny podział strumienia powietrza na pierwotne i wtórne umożliwia minimalizację współczynnika nadmiaru powietrza, pozytywnie wpływając na sprawność cieplną kotła. Proces spalania najefektywniej przebiega w kotle o konstrukcji dostosowanej do specyfiki stosowanego paliwa. Przy doborze kotła trzeba bacznie zwracać uwagę na zapisy w dokumentacji dotyczące przeznaczonego dla niego paliwa.>

Palniki automatyczne są bardzo czułe na zmiany wartości opałowej oraz uziarnienia paliwa. Szczególne znaczenie ma przy tym skład ziarnowy paliwa, gdyż wpływa on nie tylko na hydraulikę przepływu gazów (powietrza i spalin) i czas spalania poszczególnych ziaren paliwa, ale także na gęstość nasypową paliwa i tym samym na jego wartość opałową w przeliczeniu na jednostkę objętości. Często zapomina się, że dozowanie paliwa do palników automatycznych ma charakter objętościowy. Zmiana gęstości nasypowej paliwa (np. wskutek zmiany składu ziarnowego) wywołuje odpowiednią zmianę ilości energii doprowadzonej w paliwie, prowadząc do rozregulowania procesu spalania.

Zamiana paliwa

Zastąpienie brykietu typu "pelet" węglem w sortymencie „groszek" skutkuje:

• około 2-krotnym zwiększeniem wartości opałowej paliwa w przeliczeniu na jednostkę objętości (pelet - ok. 10 GJ/m3, węgiel groszek - ok. 20 GJ/m3),

• ponad 2,5-krotnym zwiększeniem zapotrzebowania powietrza na jednostkę objętości paliwa, ponad 2-krotnym zmniejszeniem intensywności wydzielania się par i gazów palnych (pelet - części lotne ok. 80 %, węgiel - 30-40 %),

• ponad 2-krotnym zmniejszeniem intensywności wydzielania się par i gazów palnych (pelet - części lotne ok. 80 %, węgiel - 30-40 %),

• zwiększeniem objętości pojedynczych ziaren paliwa (pelet o średnicy 6 mm - 0,5 cm3, węgiel groszek 8-25 mm - od 0,5 do 15 cm3) i wydłużeniem czasu ich spalania,

• zwiększeniem oporów złoża (pelet - jednorodne uziarnienie, węgiel groszek - ponad 3-krotna rozpiętość średnic ziaren najmniejszych i największych).

Przedstawione powyżej, skondensowane do najistotniejszych pozycji, charakterystyczne różnice podstawowych paliw dla kotłów retortowych wskazują, że prosta zamienność tych paliw nie jest możliwa. Zmiana paliwa wymusza nie tylko zmianę ilości powietrza do spalania, ale także sposób jego dystrybucji. Tymczasem w kotłach retortowych przeznaczonych do spalania brykietów typu „pellet" powietrze do spalania tłoczone jest przeważnie za pomocą jednego wentylatora do kanału, w którym rozdziela się na strumień pierwotny i wtórny. W przypadku zmiany paliwa z biomasy na węgiel opory złoża rosną, co prowadzi do istotnego przesunięcia proporcji podziału strumienia powietrza do spalania w kierunku zwiększenia strumienia powietrza wtórnego, przeciwnie do potrzeb (węgiel potrzebuje mniej powietrza wtórnego). Operator kotła, dążąc do należytego dopalenia paliwa i utrzymania mocy koła, przeważnie zwiększa wtedy strumień powietrza, co skutkuje dalszym zwiększeniem nadmiernej ilości podawanego nad żar powietrza, które w tym przypadku obniża efektywność dopalania części palnych w spalinach poprzez nadmierne ich schłodzenie.

W tabeli przedstawiono porównanie wyników badań eksploatacyjnych kotła zaprojektowanego dla spalania biomasy zasilanego brykietem drzewnym typu pelet oraz węglem w sortymencie groszek. Analiza przedstawionych wyników prowadzi do wniosku, że zaprojektowany w tym kotle nieelastyczny układ dystrybucji powietrza do spalania nie pozwala na efektywne spalanie węgla. W przypadku spalania węgla obserwujemy zdecydowanie zbyt duży strumień powietrza wtórnego, skutkujący obniżeniem efektywności energetyczno-emisyjnej kotła (nadmiernie wysokie straty kominowe i współczynnik nadmiaru powietrza, wyższe wskaźniki emisji zanieczyszczeń oraz niższa sprawność cieplna).

Świadomość faktu, że złe paliwo (paliwo o nieodpowiedniej jakości) uniemożliwi uzyskanie oczekiwanych efektów energetycznych i ekologicznych kotła jest raczej powszechna. Natomiast często nie zwraca się uwagi na ograniczenia wynikające z rozwiązań konstrukcyjnych, które podporządkowane są specyfice podstawowego paliwa przewidzianego dla tego kotła. Przedstawione wyniki badań świadczą wymownie o praktycznym znaczeniu tego problemu.

Źródło: www.ogrzewnicto.pl