Kotły stałopalne i paliwa stałe (6). Termiczny rozkład

zobacz artykuł w formie pdf   zobacz pdfa zobacz pdfa  zobacz pdfa

Obecnie producenci kotłów stałopalnych oferują nowoczesne jednostki opalane węglem kamiennym lub biopaliwami stałymi w postaci peletu drzewnego, zrębek oraz drewna kawałkowego w postaci polan. Do tego czasu nie udało się jednak skonstruować nowoczesnego kotła, charakteryzującego się wysoką efektywnością, opalanego zarówno węglem, jak i peletami drzewnymi lub zrębką, który byłby równie efektywny dla wymienionych paliw stałych.
Dlatego opis nowoczesnych kotłów stałopalnych musi zostać podzielony na kotły opalane węglem oraz kotły stałopalne opalane biopaliwami.
Za sprawą systematycznego wzrostu cen nośników energii i paliw kopalnych drewno zaczęło wracać do łask jako paliwo, co możemy zaobserwować w postaci pojawiających się nowych konstrukcji kotłów na drewno.
Ponadto projektowane kotły na biopaliwa stałe stawały się bardziej efektywne, o coraz wyższej sprawności energetycznej.

Na wykresie sprawności z poprzedniego artykułu („Magazyn Instalatora” 2/2014 s. 39 – przyp. red.) możemy zaobserwować systematyczny jej wzrost w czasie.
Średnia sprawność kotłów małej mocy z początku lat 80. podniosła się z ok. 55% do prawie 90%, co w tej klasie urządzeń jest niewątpliwym osiągnięciem.
Szerokie spektrum sprawności produkowanych kotłów w obserwowanym okresie świadczy także o różnorodności rozwiązań. Kotły o niskiej sprawności są to urządzenia tradycyjne, które nie podlegały modernizacji. Kotły o wysokiej sprawności powstały w wyniku mocnych impulsów rozwojowych.
Obecnie obserwowany wysoki poziom techniczny kotłów stałopalnych na biopaliwa stałe jest możliwy dzięki ciągłemu rozwojowi tych urządzeń w wybranych regionach Europy.
Tak naprawdę nigdy z drewna jako paliwa nie zrezygnowano w Austrii, Bawarii i Skandynawii. Były ku temu oczywiście różne przesłanki. Austria jako kraj górzysty, mocno zalesiony praktycznie nie posiada węgla kamiennego, gazu ziemnego ani ropy naftowej, w sposób naturalny skierowała się więc w kierunku naturalnego paliwa, które posiada na wyciągniecie ręki (drewno). Analogicznie Bawaria.
Rozwój spalania biomasy w Skandynawii często łączy się z próbą wykorzystania paliw naturalnych, odnawialnych oraz ekologicznie neutralnych. Na tej bazie na początku lat 80. zaczęto systematycznie rozwijać technologię wykorzystywania biomasy jako biopaliwa dla celów energetycznych. Rozwój ten szedł wieloma ścieżkami, jedną z nich była zmiana konstrukcji kotłów do tradycyjnego spalania drewna i rozwój kotłów zgazowujących.

Na holzgaz
Kotły zgazowujące, zwane kotłami na holzgaz, proces spalania dzielą na dwa etapy. Pierwszy to zgazowanie drewna w komorze paliwowej, drugi to spalanie uwolnionego gazu drzewnego w specjalnie zaprojektowanym palniku. Gaz drzewny powstaje podczas termicznego rozkładu drewna. Mamy tu do czynienia z pirolizą, czyli częściowym spalaniem gazu drzewnego, powstałego podczas termicznego rozkładu drewna przy ograniczonym dostępie tlenu (zgazowanie). Cały proces spalania zachodzi w dwóch przestrzeniach, połączonych ze sobą, tj. w komorze paliwowej oraz palniku.

W przestrzeniach tych możemy wyróżnić procesy:
* suszenie i zgazowanie drewna,
* wstępne spalanie w komorze paliwowej,
* wtórne spalanie w komorze spalania.

Dzięki rozdzieleniu procesów na dwie komory kotły zgazowujące charakteryzują się bardzo niską emisją związków szkodliwych oraz wysoką sprawnością energetyczną, nawet 93%. Mała zawartość siarki w drewnie powoduje, że również emisja tlenków siarki jest bardzo niska.
Zawartość tlenków azotu jest także znikoma.
Pirolityczne spalanie drewna jest więc jednym z najczystszych, ekologicznych sposobów pozyskiwania ciepła. Zakres mocy kotłów zgazowujących wynosi od 15 do 80 kW, przez co urządzenia te znajdują szerokie zastosowanie. Paliwem podstawowym są polana drzewne, ale można także spalać rozdrobnione drewno.
Czas pracy po załadunku może wynosić nawet 12 godzin. Przy zastosowaniu kotła zgazowującego należy przewidzieć odpowiednią powierzchnię magazynową na paliwo.
Dla przeciętnie ocieplonego domu o powierzchni 160 m2 wymagany zapas paliwa na sezon grzewczy wynosi około 16-21 metrów przestrzennych (1 mp = 0,7 m3). Ceny drewna opałowego są bardzo zróżnicowane w zależności od rodzaju, formy oraz okresu sezonowania. Można jednak założyć, że sezonowy koszt ogrzewania oraz przygotowania c.w.u. przy użyciu kotła zgazowującego drewno będzie porównywalny z kosztami eksploatacyjnymi w instalacjach z gruntową pompą ciepła typu glikol/woda.
Relatywnie niska cena kotłów tego typu w porównaniu do pomp ciepła jest dodatkowym atutem, przemawiającym za wykorzystaniem energii ze zgazowania drewna. W kotłach do zgazowania jako paliwo używa się najczęściej drewna w postaci polan.
Ograniczeniem przy stosowaniu kotłów zgazowujących małej mocy jest ręczny załadunek paliwa, dlatego równolegle rozwijane były konstrukcje kotłów na pelety drzewne oraz zrębkę. Kotły na pelet są to zazwyczaj kotły wodne, niskotemperaturowe, wyposażone w palniki zintegrowane z korpusami kotłów, z wentylatorami ssącymi regulowanymi falownikiem, z pełną automatyzacją. Są to urządzenia nowoczesne (fot. 1), które powstawały ewolucyjnie przez rozwój kolejnych jednostek, które projektowano w oparciu o gromadzone doświadczenia w zakresie spalania biomasy.

Automatyka
Nowoczesność należy rozpatrywać w aspekcie automatyki i sterowania, wysokiej sprawności i efektywności, różnorodności systemów doprowadzenia paliwa, optymalizacji i design’u. W nowoczesnych kotłach stosuje się sterowniki swobodnie programowalne, realizujące wszystkie funkcje związane z automatyką, sterowaniem i komunikacją jednostki z otoczeniem. Jednostka centralna steruje wszystkimi procesami wewnętrznymi w kotle, związanymi ze spalaniem, tj. doprowadzeniem paliwa, doprowadzeniem powietrza w sposób płynny, odprowadzeniem spalin, automatycznym oczyszczaniem wymienników oraz palnika, pomiarami temperatury, pomiarami składu spalin z wykorzystaniem sondy lambda, regulacją, optymalizacją procesu spalania, automatycznym zapłonem oraz nowoczesnymi zabezpieczeniami.
Regulacja polega na doprowadzeniu paliwa w odpowiedniej ilości za pomocą dozownika ślimakowego, napędzanego precyzyjnym silnikiem elektrycznym oraz sterowaniu ilością doprowadzonego powietrza do komory spalania w zależności od zapotrzebowania na ciepło.
Optymalizacja realizowana jest przez indywidualne sterowanie pracą wentylatorów oraz ustalanie proporcji powietrza pierwotnego, wtórnego i wtórnego korygującego w zależności od mocy chwilowej, temperatury i składu spalin. W przypadku kotłów małej mocy jest to jeden wentylator na wywiewie, zabudowany na czopuchu kotła. Specjalną przesłoną ustala się na sztywno proporcje powietrza pierwotnego i wtórnego. Nowoczesna architektura sterownika pozwala na swobodną rozbudowę o dodatkowe moduły dla np. sterowania wieloma obiegami z mieszaczami, regulacją w układzie pogodowym, możliwością sterowania obiegiem ciepłej wody użytkowej, obiegiem solarnym, układem do podnoszenia temperatury powrotu, układem z buforem ciepła, z dodatkowym źródłem ciepła (kocioł gazowy, olejowy, grzałka elektryczna, odzysk ciepła), układem z wymiennikiem ciepła dla ciepłej wody użytkowej. Ponadto sterownik kontroluje poziom paliwa za pomocą czujników na podczerwień, może sterować klapą na przewodzie spalinowym, komunikować się z użytkownikiem za pomocą modemu w telefonii sieciowej lub za pomocą smsów w sieci komórkowej GSM.

Do komunikacji bezpośredniej z użytkownikiem służy zazwyczaj zintegrowany graficzny ekran ciekłokrystaliczny z klawiaturą. Płynna regulacja wydajności wentylatorów powietrza oraz szeroki zakres i doskonałe zestopniowanie mocy kotłów pozwalają na optymalne dopasowanie kotła do potrzeb użytkownika. Kotły takie pracują płynnie w zakresie mocy od ok. 30 do 100%.

Nowoczesne kotły na biomasę charakteryzują się wysoką sprawnością, sięgającą 92%, oraz niską emisyjnością substancji szkodliwych i pyłów, potwierdzoną atestami. Wysoka sprawność uzyskiwana jest przez zastosowanie nowoczesnych sterowników i skomplikowanych algorytmów, sterujących pracą podzespołów. Dla poprawienia sprawności optymalizowana jest geometria wewnętrznych elementów kotła, przez które przepływają spaliny. Dla zmniejszenia strat postojowych stosuje się izolację termiczną kotła o grubości nawet do 80 mm.
Możliwa jest zabudowa klap na przewodzie spalinowym (opcja) dla zmniejszenia strat postojowych. Stosowane sterowniki umożliwiają regulację pogodową, która w połączeniu z indywidualną regulacją obiegów grzewczych poprawia efektywność energetyczną całego systemu grzewczego. Wysoką funkcjonalność kotłów na biomasę uzyskuje się przez zautomatyzowanie wszystkich procesów od doprowadzenia paliwa, przez automatyczny rozruch, wyłączenie, oczyszczanie wymiennika i palnika, do automatycznego odprowadzenia popiołu. Duże ułatwienie może stanowić czytelny ekran oraz przejrzyście zaprojektowane menu ekranowe dla użytkownika.

Palniki
Palniki kotłów wykonane są ze stali stopowej, elementy szczególnie narażone na wysoką temperaturę wykonane są z żeliwa lub stali żaroodpornej, co gwarantuje ich wysoką trwałość. Ilość czynności serwisowych ogranicza się do minimum, które wykonuje się łatwo przez ergonomiczną budowę kotłów. Współczesne kotły na biomasę realizują skomplikowane operacje, związane z procesem wytwarzania ciepła, a więc mają złożoną konstrukcję. W typowych kotłach na biomasę występuje rozdzielona konstrukcyjnie komora spalania oraz wymiennik ciepła. Zazwyczaj są to dwa niezależne bloki, łączone na etapie zabudowy kotła. W przypadku kotłów małej mocy jest jeden element, wymiennik ciepła i komora spalania stanowią jedną całość (rys. 2).

Ruchomy ruszt
Kotły na pelety małej mocy posiadają tzw. ruchomy ruszt, na który od góry mechaniczne wprowadzane jest paliwo, zaś powietrze do spalania doprowadza jest dwiema drogami (rys. 3). Powietrze pierwotne wprowadzane jest od dołu, pod ruszt, analogicznie jak w prostych kotłach z nieruchomym rusztem. Powietrze to służy do wstępnego spalania (namiastka pirolizy) i zgazowania paliwa.
Powietrze wtórne wprowadzane jest nad rusztem specjalnymi dyszami do spalania wtórnego i dopalenia lotnych części palnych ze zgazowania paliwa. Proporcja powietrza wtórnego do pierwotnego, w przypadku kotłów małej mocy, jest ustawiana na „sztywno” na etapie pierwszego uruchomienia z wykorzystaniem analizatora spalin.

Doprowadzenie powietrza
W kotłach do spalania biopaliw modyfikacji uległa nie tylko konstrukcja komór spalania, ale także sposób wprowadzania powietrza oraz regulacja strumieniem. Ze względu na zmienne zapotrzebowanie na strumień ciepła oraz zróżnicowaną jakość paliwa nieodzowna stała się płynna regulacja wydajności powietrza wprowadzanego do komory spalania. Sterownik kotła w sposób płynny reguluje strumieniem wprowadzanego powietrza do komory spalania w zakresie prawie od 0-100%. Zmienne zapotrzebowanie na czynnik grzewczy automatycznie wymusił zmienny i regulowany precyzyjnie strumień objętości wprowadzanego paliwa do komory spalania.
Paliwo doprowadzane jest w trybie on/off (włącz/włącz podajnik paliwa), odstępy w czasie pomiędzy kolejnymi fazami stanu „on” do „off” są znacznie krótsze od czasu potrzebnego do spalenia najmniejszej porcji paliwa. Ze względu na znaczną inercję w spalaniu paliwa efekt wprowadzania paliwa do komory spalania jest jak przy regulacji ciągłej. Można powiedzieć, że regulacja wydajności wprowadzania paliwa jest „quasi ciągła”. Zaś strumień objętościowy wprowadzonego paliwa procentowo jest średnią arytmetyczną stanu „on” do czasu stanu „on” plus „off”, w stosunku do maksymalnej wydajności podajnika paliwa. Wysoka sprawność kotłów na biopaliwa stałe wynika nie tylko z zastosowania nowoczesnych i wysokoefektywnych palników. Podniesienie sprawności jest wynikiem wprowadzenia między innymi mechanicznego czyszczenia palników.
W przypadku kotłów o małej mocy jest to ruchomy ruszt z grzebieniem czyszczącym. Podczas czyszczenia ruchomy ruszt wykonuje ruch wahadłowy wzdłuż poziomej osi mocowania, od pozycji horyzontalnej do wertykalnej. Pozycja horyzontalna to położenie w trakcie normalnej pracy kotła, pozycja wertykalna to skrajna pozycja w trakcie czyszczenia. Wszystkie zanieczyszczenia, które zebrały się na ruszcie podczas normalnej pracy kotła, przy obrocie naturalnie opadają do popielnika poniżej rusztu. Wszelkie zanieczyszczenia (takie jak szlaka), które przykleiły się do rusztu przy przejściu rusztu do skrajnego położenia wertykalnego, zostają odklejone i wypchnięte przez grzebień czyszczący, który jest zamocowany pionowo (fot. 1). Można by rzec, że ruszt „nadziewa” się na grzebień czyszczący, który usuwa z niego zanieczyszczenia.
W kotłach, oprócz mechanizmów automatycznego czyszczenia palników, stosuje się mechaniczne, automatyczne czyszczenie wymienników ciepła. Realizowane jest ono poprzez ruchome (wahliwe) mocowanie turbulatorów spalin w płomienicach wymiennika ciepła, napędzanych mechanizmem posuwisto-zwrotnym.
Kolejnym rozwiązaniem stosowanym dla podniesienia sprawności kotłów oraz ograniczenia emisji zanieczyszczeń związanych ze spalaniem biopaliw stałych w kotłach jest sonda lambda. Zabudowywana jest ona na ciągu spalinowym za wymiennikiem ciepła, najczęściej jest to czopuch. Sonda lambda pozwala na procentowe określenie zawartości tlenu w spalinach. Przy założeniu upraszczającym, że cały ubytek tlenu w spalinach został zmieniony na dwutlenek węgla i parę wodną, można powiedzieć, że znamy zawartość spalin. Znajomość składu procentowego spalin pozwala na optymalne sterowanie procesem spalania, co poprawia sprawność energetyczną kotła i redukuje do minimum zanieczyszczenie środowiska produktami spalania.
Przedmiotem następnego artykułu będą nowoczesne kotły stałopalne opalane węglem kamiennym.
Grzegorz Ojczyk

Rys. 1. Kocioł zgazowujący.
Rys. 2. Kocioł do spalania peletu małej mocy z ruchomym rusztem.
Rys. 3. Doprowadzenie powietrza do spalania w kotle z ruchomym rusztem.
Fot. 1. Ruchomy ruszt – faza czyszczenia.

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