Regulacja kotłów na paliwa stałe (1). Węgiel – czarne paliwo

Najstarszym geologicznie węglem, o największej zawartości pierwiastka C, jest antracyt, pośrednie miejsca zajmują węgiel kamienny, następnie węgiel brunatny, a najmłodszy jest torf. Substancja mineralna występująca w węglu nie jest związana chemicznie z substancją organiczną. Na ogół ponad 50% substancji mineralnej przypada na związki glinu (Al2O3) i krzemu (SiO2), inne związki występują w mniejszych ilościach.
Węgiel kamienny składa się z trzech podstawowych składników:
* z substancji organicznej (palnej), czyli tych składników, które w procesie spalania ulegają utlenieniu,
* substancji nieorganicznej (niepalnej), która zamieni się w popiół,
* wody powodującej wilgotność węgla, składa się z wilgotności przemijającej (można usunąć przez suszenie) i higroskopijnej, związanej ze strukturą węgla.

Cechy węgla Zasadnicze znaczenie dla przebiegu procesu spalania mają następujące cechy węgla:
* Zawartość części lotnych, czyli ilość substancji, która wydziela się z węgla przy jego podgrzewaniu (suchej destylacji), w procesie odgazowania. Proces ten rozpoczyna się od temperatury powyżej 100°C, osiąga swoje najwyższe nasilenie w granicach temperatur 400-500°C i kończy w temperaturze 1100-1250°C. Prędkość spalania zależna jest w decydującej mierze od zawartości części lotnych w paliwie: w odróżnieniu od koksu (pozostałość po odgazowaniu) produkty odgazowania cechuje intensywny przebieg procesu spalania.
Ze wzrostem zawartości części lotnych maleje ilość pozostałej do spalenia substancji stałej, w rezultacie czego czas ogólny, potrzebny do spalenia całego paliwa, jest mniejszy. Długi płomień powoduje wzrost natężenia wymiany ciepła drogą promieniowania.
* Zdolność spiekania – to jest zdolność tworzenia brył podczas procesu odgazowania. Do określenia tej cechy stosowany jest wskaźnik Rogi (liczba Rogi) o wartości z zakresu 0-100. Cecha ta ma duże znaczenie w paleniskach z rusztem mechanicznym (np. kotły retortowe), szczególnie gdy spiekane są drobne sortymenty (groszek). Spiekalność jest wówczas cechą korzystną, gdyż powoduje zespalanie się drobnych frakcji w większe bryły, wskutek czego maleje zarówno strata wskutek przesypu, jak i strata koksiku lotnego. Jednak zbyt duża spiekalność może powodować powstawanie brył, które uniemożliwiają spalanie zupełne i całkowite. Ze wzrostem zawartości popiołu maleje spiekalność.
* Wilgoć: z punktu widzenia bilansu energetycznego zawartość wilgoci w paliwie jest niekorzystna, gdyż wpływa na wzrost straty kominowej i obniżenie wartości opałowej paliwa, ze względu na bardzo duże ciepło parowania wody.
* Zawartość popiołu oraz jego własności: duża zawartość popiołu zmniejsza wartość opałową węgla, ważna jest przy tym nie tylko ilość popiołu, lecz również jego własności, takie jak temperatura mięknienia i temperatura topnienia. Wielkość tych temperatur zależna jest od składu chemicznego popiołu. Składnikami wpływającymi na wzrost temperatury topnienia są: krzemionka SiO2 oraz korund Al2O3. Rolę topnika obniżającego temperaturę topnienia spełnia tlenek żelaza Fe2O3, ponadto w popiele występują tlenki wapnia CaO i magnezu MgO oraz siarczany, np. CaSO4. Ogólnie można stwierdzić, że żużle niskotopliwe powodują w paleniskach rusztowych zalewanie szczelin nadmuchowych (powietrza pierwotnego). Poza tym żużel taki zalewa cząstki paliwa, zamykając dostęp powietrza, w rezultacie rosną straty popielnikowe. Jeżeli kocioł zostanie zasilony paliwem o popiele łatwo topliwym, wówczas popiół – unoszony ze spalinami z komory paleniskowej do kanałów wypełnionych powierzchniami konwekcyjnymi – znajduje się w stanie plastycznym: w rezultacie popiół taki zaczyna przyklejać się do tych powierzchni. Nie tylko utrudnia to wymianę ciepła, lecz również zmniejsza przekrój kanałów – oba te zjawiska są przyczyną spadku wydatku i sprawności kotła.
* Zawartość siarki: polskie węgle energetyczne wykazują na ogół niską zawartość siarki wolnej (palnej), mimo to może ona stać się źródłem pewnych kłopotów. W wyniku utleniania siarki w warunkach paleniska otrzymuje się bezwodnik kwasu siarkowego SO2. Obecność tego gazu nie jest groźna, dopóki nie wejdzie on w związek z wodą, tworząc kwas siarkowy. Kwas ten ma silne własności korozyjne w stosunku do stali. W przypadku, gdy spaliny osiągają punkt rosy (w spalinach znajduje się duża ilość pary wodnej pochodząca z odparowania wilgoci i utlenienia wodoru części lotnych), w kotle występują silne zjawiska korozyjne. Obecność SO2 wpływa na wzrost temperatury punktu rosy spalin.
* Ziarnistość: ziarnistość węgla ma duży wpływ na pracę palenisk rusztowych. Warunki pracy takich palenisk pogarsza przede wszystkim ilość podziarna. Podziarnem nazywa się ziarno o średnicy mniejszej od dolnej granicy, nadziarnem – ziarno o średnicy większej od górnej granicy charakteryzującej dany sortyment paliwa. Ziarnistość powoduje wzrost straty przesypu, a jednocześnie przyczynia się do zatykania drogi powietrza między ziarnami spalanej warstwy paliwa. Jeśli paliwo cechuje się ponadto niską spiekalnością, wówczas drobne frakcje mogą być unoszone do kanałów spalinowych, powodując straty koksiku lotnego, jak również zanieczyszczenia powierzchni ogrzewanych kotła. Wszystkie te zjawiska wpływają niekorzystnie na sprawność kotła.

Reakcje spalania Spalanie jest chemiczną reakcją polegającą na bardzo szybkim łączeniu się części palnych paliwa z tlenem, przy równoczesnym wydzielaniu dużych ilości ciepła (reakcja egzotermiczna). Chemiczną reakcję spalania zapisuje się w postaci równania stechiometrycznego, w którym czynniki biorące udział w procesie spalania nazywa się reagentami i zapisuje się je po lewej stronie tego równania, natomiast produkty spalania, będące wynikiem reakcji, zapisuje się po jego prawej stronie. Zgodnie z prawem zachowania masy, masa reagentów musi być równa masie produktów spalania. W chemicznych reakcjach spalania zarówno reagenty, jak i produkty spalania znajdują się w tych samych warunkach termodynamicznych. W węglu kopalnym pierwiastkami palnymi są węgiel, wodór i siarka. Reakcje spalania dla tych pierwiastków przebiegają według następujących zależności: C + O2 ŕ CO2 H2 + 1/2O2 ŕ H2O S + O2 ŕ SO2 Powstałe produkty spalania, a więc dwutlenek węgla, woda i dwutlenek siarki w przypadku zupełnego spalenia nie ulegają dalszemu utlenianiu. Spalanie nazywamy niezupełnym, jeżeli dostęp tlenu do paliwa jest niedostateczny i reakcja spalania węgla może przebiegać według zależności: C + ½ O2 ŕ CO Dopiero po doprowadzeniu dodatkowej ilości tlenu może nastąpić dopalenie powstałego tlenku węgla związane z dalszym wydzieleniem ciepła według reakcji: CO + ½ O2 ŕ CO2 Przez spalanie całkowite paliwa rozumiemy reakcję, w której wszystkie części palne zostały utlenione, w przeciwnym przypadku spalanie jest niecałkowite. Spalanie zupełne jest wtedy, gdy w popiele nie pozostają niespalone fragmenty paliwa.
Oba te pojęcia pozwalają na wprowadzenie definicji ciepła spalania: Ciepło spalania jest to ilość ciepła powstała w wyniku zupełnego i całkowitego spalenia jednostki masy paliwa, jeśli produkty spalania osiągną temperaturę początkową, a woda w nich zawarta wystąpi w stanie ciekłym.
Różnica między ciepłem spalania a wartością opałową wynika głównie z uwzględnienia lub nie ciepła skraplania pary wodnej zawartej w spalinach. Oznaczając: Ws – ciepło spalania Wu – wartość opałowa w – udział wagowy wilgoci w paliwie h – udział wagowy wodoru r – właściwe ciepło spalania, zależność między ciepłem spalania a wartością opałową wyraża się wzorem: Wu = Ws – r* (9*h +w) Wyrażenie 9*h w nawiasie związane jest z wodą, która powstaje w wyniku spalenia wodoru zawartego w paliwie, dla odparowania której należy zużyć część wytworzonego ciepła. Jeżeli reakcja spalania wodoru przebiega według zależności: H2 + ½ O2 ŕ H2O to po uwzględnieniu ciężarów molowych, który dla cząsteczki wodoru wynosi 2, a dla cząsteczki tlenu 32, otrzymujemy: 2+ 0,5*32 = 18 czyli 1+8 = 9 a więc z 1 kg wodoru po spaleniu powstaje 9 kg wody. Dlatego też do ogólnej masy wilgoci zawartej w jednostce masy paliwa należy dodać wilgoć powstałą ze spalania wodoru, która masowo jest 9 razy większa od masy wodoru zawartego w paliwie.
Ciepło spalania i wartość opałową węgla wyraża się w jednostkach energii na jednostkę masy: w kilodżulach na kilogram lub kilokaloriach na kilogram. Kaloria jest definiowana jako ilość ciepła potrzebna do podgrzania, pod ciśnieniem 1 atmosfery, 1 g czystej chemicznie wody o 1°C (od temperatury 14,5°C do 15,5°C). Przeliczenie: 1 cal = 4,1855 J. Dla trzech pierwiastków palnych wartości opałowe podano w tabeli. Dane zawarte w tabeli wskazują wyraźnie, jak ważne jest spalenie części lotnych zawartych w paliwie, szczególnie wodoru, który ma bardzo dużą wartość opałową.
Maciej Szumski
Wykres. Zestawienie paliw stałych w odniesieniu do czystego węgla (wolnego od popiołu i wody).
Zobacz artykuł w wersji pdf pdf pdf

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *

Ta strona korzysta z ciasteczek (cookies) Więcej informacji

Ustawienia plików cookie na tej stronie są włączone na "zezwalaj na pliki cookie", aby umożliwić najlepszy z możliwych sposób przeglądania. Jeśli w dalszym ciągu chcesz korzystać z tej strony, bez zmiany ustawienia plików cookie lub kliknięciu przycisku "Akceptuję", a następnie użytkownik wyraża zgodę na to.

Zamknij