Paliwa dla kotłów węglowych małej mocy – 2. Właściwości węgla

zobacz artykuł w wersji pdf pdf pdf

Jakość węgla stosowanego w kotłach c.o. czystego spalania, zgodna z wymaganiami stawianymi przez tę technikę, warunkuje uzyskanie parametrów energetycznych i emisyjnych określonych w certyfikatach na zgodność ich jakości z odpowiednimi normami (PN EN 303-5 wersja 2012 oraz PN EN12809), wydawanych przez laboratoria akredytowane. Paliwa węglowe są charakteryzowane za pomocą następujących właściwości fizykochemicznych: wartość opałowa, Qai (MJ/kg), zawartość wilgoci w stanie roboczym WRt (%), zawartość popiołu Aa (%) oraz jego temperatury charakterystyczne (ts – temperatura spiekania, tA – temperatura mięknienia, tB – temperatura topnienia, tC – temperatura płynięcia), zawartość części lotnych Va (%), zawartość siarki Sad (%), uziarnienie (mm), zdolność spiekania (RI). Biorąc pod uwagę zagrożenie emisją dioksyn i rtęci, również zawartość chloru i rtęci winna być uwzględniona w wymaganiach jakościowych paliwa. W tabeli zestawiono parametry paliw kwalifikowanych dla kotłów z automatyzacją procesu spalania, dostępnych na rynku [3-5], z uwzględnieniem optymalnych parametrów wynikających z wieloletnich badań. Rys. Porównanie osiągniętych uśrednionych wskaźników emisji dla zainstalowanych kotłów węglowych z kryteriami ekologicznymi IChPW [9]

* Uziarnienie
Dla prawidłowego spalania paliwa duże znaczenie ma jego uziarnienie, odpowiednia krzywa ziarnowa i jej stabilność w czasie, w odniesieniu do węgla wprowadzanego do paleniska. Istotną frakcją ziarnową dla pracy palenisk rusztowych jest podziarno, czyli cząstki paliwa o średnicy mniejszej od dolnej granicy zakresu uziarnienia (np. dla kotłów retortowych o mocy poniżej 100 kW – poniżej 4 mm). Zbyt duża zawartość drobnych ziaren może powodować trudności w dostępie tlenu do złoża, wzrost strat przesypu, znaczący wzrost unosu stałych produktów spalania – popiołu lotnego i pyłu, zwiększenie zagrożenia zanieczyszczenia powierzchni wymiany ciepła, zwłaszcza w przypadku niskiej temperatury topnienia i spiekania popiołu.

Stosowanie węgla o wyższej zawartości podziarna (zwłaszcza ziaren o wielkości < 1 mm) w warunkach eksploatacyjnych niż w czasie testowania w laboratorium, zwłaszcza w kotłach posuwowych, tłokowych jest przyczyną wyższej emisji pyłu niż wynika to z posiadanego certyfikatu (rys.).

Duża zawartość drobnych ziaren może być przyczyną nieprawidłowej pracy układu transportującego paliwo do retorty, zwłaszcza jeżeli jest to tradycyjny transporter ślimakowy. Przy spalaniu węgla o dużym udziale nadziarna mogą wzrastać straty niecałkowitego spalania (straty wynikające z dużej zawartości części palnych w żużlu), szczególnie jeżeli węgiel charakteryzuje się wysoką wartością liczby Rogi (RI).

* Wartość opałowa
Jest ona obliczana na podstawie pomiaru ciepła spalania, które jest uzależnione od stopnia uwęglenia substancji organicznej węgla – im wyższy stopień, tym wyższe ciepło spalania. Wartość opałowa w stanie roboczym, czyli w stanie stosowanym do zasilania paleniska, zależy również od zawartości popiołu i wilgoci w paliwie. Zwiększenie ilości balastu obniża wartość energetyczną paliwa, zmusza do spalenia większej ilości paliwa dla uzyskania tej samej jednostki energii użytecznej – ciepła. Spalanie węgli o niskiej wartości opałowej ( 30 MJ/kg) powoduje wzrost temperatury w palenisku – w jądrze płomienia, wskutek tego zwiększa się strata wylotowa fizyczna, jeżeli kocioł ma powierzchnię wymiany ciepła niedostosowana do takiego paliwa. Może też doprowadzić do powstania uszkodzeń w kotle w wyniku lokalnego wystąpienia wysokich temperatur. Zbyt niska wartość opałowa jest również przyczyną negatywnego oddziaływania na środowisko, wysokiej emisji zanieczyszczeń w przeliczeniu na jednostkę uzyskanej energii użytecznej. Dla kotłów z automatyzacją procesu spalania wskazane jest stosowanie węgli o wartości opałowej min. 26 MJ/kg.

* Wilgoć całkowita
Zawartość wilgoci w paliwie stałym jest ważnym parametrem, wpływającym na przebieg procesu spalania i odbiór ciepła w komorze paleniskowej, a w konsekwencji na jej wydajność i sprawność kotła oraz wielkość emisji, zwłaszcza produktów niepełnego spalania – CO, zanieczyszczeń organicznych (lotnych związków organicznych – OGC, WWA i sadzy). Nadmierna zawartość wilgoci wpływa na obniżenie wartości opałowej spalanego paliwa, powoduje duże straty energii na jej odparowanie. Dla poprawnego przebiegu procesu spalania paliwa w kotłach rusztowych wskazana jest obecność niewielkiej ilości wilgoci (około 10%) z uwagi na katalityczne działanie pary wodnej przy spalaniu nadmiernej ilości części lotnych. Para wodna jako gaz trójatomowy uczestniczy w promieniowaniu. Zawartość wilgoci w węglu powyżej 15% prowadzi do występowania problemów w transporcie węgla (w przypadku stosowania miału kwalifikowanego w kotłach posuwowych). Zaleca się, by w przypadku kotłów retortowych zawartość wilgoci nie była wyższa niż 10%.


* Popiół
Popiół stanowi balast, który niekorzystnie wpływa na wartość energetyczną paliwa i przebieg procesu spalania, zwłaszcza gdy jego temperatury charakterystyczne – temperatura mięknięcia i topnienia – są niskie. W paleniskach z rusztem obecność dużych ilości substancji mineralnej pogarsza proces spalania i podnosi koszty produkcji energii oraz wpływa negatywnie na środowisko. Wraz ze wzrostem zawartości popiołu rośnie ilość emitowanego pyłu, jeżeli brak jest instalacji odpylania. Im wyższa zawartość popiołu, tym wyższa emisja metali ciężkich – kadmu, ołowiu, rtęci, arsenu. Zalecane jest, by zawartość popiołu była jak najniższa oraz stabilna w trakcie eksploatacji kotła. Obecność niewielkiej ilości popiołu w paliwie jest wskazana, chroni ruszt przed nadmiernym nagrzewaniem się.

Do istotnych właściwości fizykochemicznych popiołu, mających wpływ na przebieg procesu spalania w kotłach rusztowych, zwłaszcza retortowych, należą jego temperatura spiekania i mięknienia. Wysokość tych temperatur zależna jest od składu chemicznego popiołu. Składnikami wpływającymi na wzrost temperatury topnienia są tlenki krzemu SiO2 (popularnie zwane krzemionką) i glinu Al2O3 (popularnie zwane korundem). Wysoka zawartość składników powodujących powstawanie popiołu o niskich wartościach temperatur charakterystycznych, zwłaszcza temperatury topnienia popiołu, jest przyczyną występowania zjawiska „szlakowania złoża” paliwa oraz zanieczyszczenia powierzchni wymiany ciepła – tworzenia depozytów w komorze paleniskowej i na powierzchniach konwekcyjnych wymiennika ciepła. Konsekwencją występowania tych zjawisk jest zmniejszenie sprawności ruchowej kotła (konieczność częstego czyszczenia powierzchni wymiany ciepła), zwiększenie temperatury spalin na wylocie z kotła (spadek sprawności energetycznej). Zaleca się, by w przypadku kotłów z automatycznym, ciągłym podawaniem paliwa do paleniska stosowane były węgle o małej zawartości popiołu oraz o odpowiedniej jego charakterystyce, zwłaszcza dla kotłów retortowych temperatura jego spiekania nie powinna być niższa niż 1100oC, a temperatura mięknienia popiołu co najmniej równa 1250oC lub wyższa.

Do omówienia zostały jeszcze takie parametry jak: części lotne, spiekalność, siarka całkowita i chlor. O tym w następnym artykule.

dr inż. Krystyna Kubica

Rys. Porównanie osiągniętych uśrednionych wskaźników emisji dla zainstalowanych kotłów węglowych z kryteriami ekologicznymi IChPW [9]

Prenumerata Magazynu Instalatora

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