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 (30.000 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 (350-550ºC) 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
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
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).
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 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. 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: http://zawijan.wordpress.com