Sterowanie kotłem na paliwa stałe. Stabilne spalanie

W wielu postulatach zgłaszanych przez użytkowników kotłów, serwisantów, a nawet producentów, pojawiają się sugestie, aby sterowniki stosowane do regulacji kotłów na paliwa stałe opierały się nie na temperaturze wody, ale na innych parametrach. Jakich? O tym w artykule poniżej.

Proces spalania węgla to bardzo skomplikowane zadanie. Po pierwsze, aby spalić całkowicie 1 kg węgla trzeba doprowadzić 8 m3 powietrza – ani więcej, ani mniej. Powietrze to musi dotrzeć do każdej bryłki węgla. W przeciwnym wypadku nastąpi niedopalenie tej bryłki, a zatem będziemy mieli do czynienia z procesem nieekonomicznym i nieekologicznym (dlatego nieekologicznym, ponieważ pozostaną odpady paliwa niedopalonego całkowicie). Jak to zrobić? Nie jesteśmy w stanie zapewnić każdej drobinie węgla tyle powietrza (tlenu), aby ten proces w całej objętości był optymalny. Najtrudniej jest to zrealizować w kotłach zasypowych. Z natury rzeczy paliwo o nieregularnych kształtach, różnej granulacji ze sporą domieszką miału jest tam podawane dość pokaźnymi porcjami (łopatami) i powietrze nie jest w stanie dotrzeć do każdej cząstki węgla. Można spróbować zwiększyć ilość powietrza. Pojawia się następny problem, a mianowicie „przedawkowanie” powietrza. Będzie to zjawisko niekorzystne, ponieważ powietrze będzie odbierało ciepło i schładzało palenisko. Z dwojga złego lepiej jednak będzie podać więcej powietrza niż wynika to z teorii, gdyż ograniczymy emisję trujących gazów, niestety kosztem ekonomii.

W wielu postulatach zgłaszanych przez użytkowników kotłów, serwisantów, a nawet producentów pojawiają się sugestie, aby sterowniki stosowane w regulacjach kotłów opierały się nie na temperaturze wody, ale na innych parametrach, takich jak:

  • podciśnienie w kanale kominowym (Pa),
  • przepływ spalin w czopuchu (m3/min),
  • temperatura spalin (oC),
  • temperatura w palenisku (oC),
  • zawartość w spalinach CO, CO2, O2 itd.

Analiza parametrów

Spróbuję odnieść się po kolei do tych proponowanych parametrów.

  • Stabilizacja podciśnienia w czopuchu. Jest to kosztowny system, ponieważ przetworniki ciśnienia na zakres ciśnień od pojedynczych paskali (Pa) do kilkudziesięciu stanowią bardzo poważny udział w kosztach regulatora. Drugim ograniczeniem jest fluktuacja naturalnego podciśnienia w kanale kominowym, która jest spowodowana zmienną temperaturą spalin i obmurza, ponadto występuje zjawisko iniekcji (wysysanie spalin) spowodowane wiejącym wiatrem oraz zmianą wilgotności powietrza. Wszystkie te czynniki należałoby uwzględnić w projekcie sterownika. Zasadnicze pytanie, jakie się pojawia, to jak regulować podciśnieniem, aby proces spalania odbywał się optymalnie?  Zupełnie inne zapotrzebowanie na powietrze jest przy rozruchu kotła, inne po nałożeniu porcji paliwa, jeszcze inne, gdy ruszt jest „zawalony” popiołem lub węglem. Zmiany zapotrzebowania na podciśnienie sięgają wg naszych pomiarów nawet od 0 do 90 Pa! Żaden komin nie jest w stanie wytworzyć takiego podciśnienia. Należałoby posłużyć się specjalnymi wentylatorami o regulowanej wydajności, przystosowanymi do pracy w atmosferze agresywnych spalin.
  • Stabilizacja przepływu spalin w kanale kominowym (czopuchu). Sytuacja jest podobna do ww. Do tego dochodzi duża trudność w zrealizowaniu pomiaru prędkości przepływu w warunkach podwyższonej temperatury, dużego zanieczyszczenia i silnej korozji. Jest to do zrobienia, ale niestety dość poważnym kosztem. W dalszym ciągu nie wiadomo, wg jakich kryteriów prowadzić regulację.
  • Temperatura w palenisku. Wydaje się, że byłoby to najbliżej ideału. Wg teorii o prawidłowym procesie spalania decyduje temperatura w palenisku. Powinna wynosić dla węgla – zależnie od gatunku – około 900oC. Jak to mierzyć w sposób ciągły? Żadne metody bezpośredniego kontaktu elementu pomiarowego z żarem w palenisku nie wchodzą w rachubę. Pozostaje jedynie metoda w oparciu o technikę podczerwieni. Należałoby regulować dwoma parametrami, tj. dawkowaniem węgla oraz dawkowaniem powietrza. Niestety nasze kotły nie są do tego przystosowane, bowiem musiałyby być wyposażone w specjalne wentylowane wzierniki, schładzane i niezapylające się. Przy okazji wyłoni się problem mocy kotła. Otóż zapotrzebowanie na ciepło jest zmienne od kilku kW do około 30 kW (mowa o kotłowniach przydomowych). Utrzymywanie optymalnej temperatury w komorze spalania przy określonych wymiarach gabarytowych w okresach małego zapotrzebowania na ciepło skutkuje dużą nadprodukcją ciepła. Przerywanie „produkcji” poprzez zatrzymanie podawania porcji paliwa i powietrza jest jakimś rozwiązaniem dla kotłów z podajnikami (retortowymi), ale dla kotłów zasypowych nie jest to żadne rozwiązanie, ponieważ nie można przerwać procesu spalania.
  • Regulacja temperatury spalin. Jest to rozwiązanie bardzo zbliżone do sterowania temperaturą paleniska, bowiem temperatura spalin w stanach ustalonych dość dobrze symuluje temperaturę paleniska. Zastrzeżenie „stany ustalone” odnosi się do momentów, gdy kocioł już przebrnął przez fazę rozruchu, gdyż wtedy występują poważne oscylacje temperatur. Konstrukcja sterownika uwzględniająca temperaturę spalin jest stosunkowo łatwa do zrobienia i nie podraża zanadto kosztów wykonania. Ta metoda wymaga jednak wyznaczenia zależności temperatury spalin od temperatury żaru w palenisku. Dla każdego kotła ta zależność jest inna, ponieważ zależy to głównie od stopnia wychłodzenia spalin w wymienniku. Należy podkreślić, że duży wpływ na tę temperaturę ma również temperatura wody w kotle i sterownik powinien to uwzględniać.
  • Regulacja w oparciu o parametry chemiczne. Jest to metoda najlepsza i najskuteczniejsza, ale też najdroższa. Regulacja taka za jednym zamachem omija wszelkie pośrednie parametry fizyczne i ustawia tak proces spalania, aby otrzymać pełną optymalizację pod względem ekonomicznym, jak i ekologicznym.

W powyższej analizie pominięto celowo regulację w oparciu o temperaturę wody, ponieważ ma to się nijak do spalania ekologicznego i w pewnym sensie do ekonomii. Jest to jedynie regulacja dla zapewnienia komfortu użytkownikom, a nie ingeruje w proces spalania opału. Parametr temperatury wody w kotle powinien być sygnałem do przerwania lub ograniczenia procesu spalania.

Wnioski

W świetle powyższych wywodów wysuwają się następujące wnioski:

  • Spalanie paliwa stałego należy prowadzić w określonej temperaturze (inna dla węgla, inna dla drewna),
  • Należy kontrolować i sterować temperaturą paleniska – inaczej dla kotłów retortowych, a inaczej dla zasypowych i kominków,
  • Moc kotła powinna być regulowana z zachowaniem ekologii – dostosowana do zmiennych warunków zapotrzebowania na ciepło – jesień-zima-wiosna. W tej chwili brak rozwiązań głównie dla kotłów zasypowych.
  • Kotły z podajnikami (retortowe, szufladkowe) powinny mieć możliwość spalania różnych gatunków węgli w sposób optymalny pod względem ekologicznym (ze względu na brak na rynku odpowiednich węgli).

Andrzej Bulanda

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