Jak efektywnie spalać węgiel?

Transkrypt

1 Jak efektywnie spalać 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. 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. Dla przykładu najmniejsze ziarna w miale węglowym (0-31,5 mm) mają objętość poniżej 1 mm3, zaś objętość największych dochodzi do 30 cm3 ( mm3). W sortymencie groszek (8-20 mm) rozpiętość objętości ziaren wynosi od 0,5 cm3 do 8 cm3. Jednocześnie ze zjawiskiem spalania, w palenisku węglowym występuje szereg zjawisk termochemicznych, związanych ze wzrostem temperatury odparowanie wilgoci (powyżej 100ºC), odgazowanie węgla ( ºC) połączone ze spalaniem lotnych produktów odgazowania oraz spalanie stałej pozostałości po odgazowaniu (koksu). W fazie odgazowania (pirolizy) 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 wydymają półpłynną, plastyczną masę węgla, która po odgazowaniu zestala się, tworząc koks. Zjawisko to, pożądane przy produkcji koksu (w wyniku tego procesu z rozdrobnionego węgla tworzą się duże, wytrzymałe mechanicznie kawałki koksu), w paleniskach węglowych jest niepożądane, gdyż grozi poważnymi zaburzeniami eksploatacyjnymi (zakleszczenia w palnikach lub w komorach spalania). W pewnych strefach paleniska 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 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. 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

2 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, 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. 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

3 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. kotły ze spalaniem współprądowym - powietrze dostarczane jest do gorącej strony złoża paliwa, spaliny odprowadzane są również z gorącej strony złoża paliwa. 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. W 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).

4 Specyficzną 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. Technikę 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. T Spiekalność węgla Jednocześnie ze zjawiskiem spalania, w palenisku węglowym występuje zjawisko odgazowania węgla (piroliza). Odgazowanie węgla przebiega w zakresie temperatur ºC, 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

5 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. Zjawisko to w paleniskach węglowych jest niepożądane, gdyż grozi poważnymi zaburzeniami eksploatacyjnymi. Duże spieki koksowe (tzw. kalafiory ), powstałe ze zlepienia się małych kawałków węgla mają znacznie mniejszą powierzchnię kontaktu z powietrzem, co spowalnia przebieg spalania i zmniejsza wydajność kotła. Utrudniony dostęp powietrza do wnętrza kalafiora powoduje, że wzrastają straty niecałkowitego spalania (tzw. niedopału, czyli zwiększa się zawartość części palnych w popiele). W palnikach automatycznych spieki koksowe stwarzają ponadto poważną groźbę zakleszczenia palnika. Miernikiem zdolności węgla do tworzenia spieków koksowych jest wskaźnik RI (tzw. liczba Rogi) 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 II-ej generacji. 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. Źródło: