Składniki węgla odgrywające istotną rolę w procesie spalania:

• Węgiel, zawartość pierwiastka węgla 15-95% i decyduje o wartości opałowej węgla.

• Wodór- występuje w węglu w ilości 2,5-5,5% i ma najwyższe ciepło spalania

• Siarka do 2,5% (znaczenie ekologiczne)

• Tlen występuje w ilości 2,5-18%

Duża zawartość siarki może wpływać na podwyższenie temperatury punktu rosy spalin.

Punkt Rosy- jest to temperatura w której prężność pary zawartej w gazie jest równa prężności pary wodnej nasyconej .

Przy dużej zawartości siarki, temperatura punktu rosy może być powyżej temperatury ścian kotła.

Doprowadzając do wykroplenia pary wodnej i w połączeniu ze spalinami tworzy roztwory kwasów I środowisko agresywne, doprowadzając do korozji metalowych części kotła.

System magazynowania węgla kamiennego :

• Powinien pozwalać na łatwy transport do paleniska kotła parowego.

• Węgiel jest mało wrażliwy na czynniki zewnętrzne- jest składowany na powietrzu w postaci składów

• Na warunki składowania ma wpływ odpowiednia wysokość pryzm oraz ograniczony doatep tlenu co zapobiega samozapłonowi węgla.

• Szczególnie niebezpieczny jest wzrost temperatury wewnątrz pryzmy co powoduje wzrost szybkości utleniania.

• Temperatura krytyczna 60C, co powoduje że w ciągu około 8 h pryzma osiąga temperaturę samozapłonu 200-270 C.

• Pochłonięciu około 0,01g pary wodnej towarzyszy wydzielenie 22 J energii.

• W czasie przechowywania stepują straty energetyczne związane z utlenianiem, wynoszą one

05-3% rocznie.

Oprócz węgła kamiennego stosowane też są inne paliwa:

1. paliwa gazowe:

• łatwości i dokładność regulacji i automatyzacja procesu wytwarzania procesu.

• Spalanie bezdymne , a tym samym mniejsze zanieczyszczenie atmosfery.

• Duża sprawność kotłów parowych, wyższa niż w przypadku węgła kamiennego.

• Paliwa gazowe wykorzystywane do celów energetycznych pochodzą ze źródeł naturalnych ( różne odmiany gazu ziemnego i propan-butan).

Gaz ziemny- jest to paliwo naturalne, należą do paliw pierwotnych. Występuje w przyrodzie samodzielnie lub razem z ropą naftową. Powstawał w wyniku przemian szczatków związków organicznych w węglowodory.

Cechy gazu ziemnego:

• Bezwonny, bezbarwny, gęstość mniejsza od powietrza.

• Dodawane substancje zapachowe ( w celu ułatwienia wykrywania ulatniania się)

• Różny skład chemiczny

• Główny składnik do 90% to metan , a także propan-butan i inne związki organiczne i mineralne.

2 rodzaje gazu ziemnego w Polsce:

• Gaz wysoko metanowy Gz 50

• Gaz zaazotowany Gz 35 i Gz 41,5

	jednostka	Gaz wysoko- metanowy	Gaz 41,5	Gaz 35
Ciepło spalania	J/m	34	30	26,0
Wartość opałowa	J/m	31	27	24,0

Każdy rodzaj gazu jest transportowany innym systemem rurociągów co zapobiega ich mieszaniu się.

Propan-butan- gaz płynny (przecedzi z fazy gazowej do płynnej pod odpowiednim ciśnieniem 25 barów w temperaturze pokojowej). Uzyskiwany na dwa sposoby:

• Pochodzenie naturalne z ropy naftowej :podczas wydobycia.

• Podczas rafinacji ropy naftowej tez powstaje w postaci skroplonej jako produkt dodatkowy.

Podział propan-butanu w zależności od składu mieszaniny ) :

• Mieszanina A- butan techniczny.

• Mieszanina B - propan-butan techniczny

• Mieszanina C -propan techniczny

Jest najbardziej energetycznym paliwem na rynku o wartości opałowej (zależy do składu):

43,6 (propan), 45,7 (butan)- MJ/kg

93,2 propan , 123,6 butan MJ/m

Propan- gaz bezbarwny, bezwonny, nietoksyczny, nawaniany ( aby był wyczuwalny około 0,4% gazu w powietrzu., łatwo palny, o gęstości mniejszej od powietrza i może się gromadzić w szczelinach. Może być przechowywany na dwa sposoby:

• Pod odpowiednim ciśnieniem w stanie płynnym

• Schłodzony pode niższym ciśnieniem.

Olej opałowy- produkt rafinacji ropy naftowej.

Podział ze względu na gęstość i właściwości :

• Olej opałowy lekki 820-850 kg/m

• Olej opałowy średni 850-890 kg/m

• Olej opałowy ciężki >890 kg/m

Występuje wewnętrzny podział ze względu na marki. Cechy decydują o jego przeznaczeniu:

• Stosuje olej lekki w kotłach o małej średniej wydajności .

• Olej średni i ciężkie w instalacjach w dużych zakładach przemysłowych

• Olej lekki jest pobierany przez pompę ze zbiornika do palnika, a ciężki jest najpierw ogrzewany , aby zmniejszyć μ

Wartość opałowa:

• Lekki 42 MJ/kg

• Średni 42,7 MJ/kg

• Ciężki 40,9 MJ/kg

Wartość opałowa- nazywana potocznie kalorycznością i nie może odbiegać od Normy .

• Gęstość- decyduje o eksploatacji

• Lepkość- przy zbyt dużej następuję pogorszenie rozpylania w dyszach ma wpływ na wydajność energetyczna.

• Temperatura zapłonu- decyduje o procesie spalania

• Temperatura płynięcia- oporność na niskie temperatury

• Zawartość siarki

Spalanie paliw:

• 18 400 do 20 000 kJ/kg węgla kamiennego.

• Zawartość popiołu 20-25%

• Wilgoć ( im bardziej zmechanizowany proces tym jest wieksza.)

Spalanie odbywa się w trzech etapach: suszenie. Odgazowanie i spalenie powstałego koksu):

Suszenie- Ogrzewanie ziaren węgla od ścian kotła , wzrost temperatury w celu usunięcia wilgoci higroskopijnej , proces ulega zatrzymaniu przy przekroczeniu temperatury 100C przez węgiel

• Powoduje szybki rozpad ziaren węgla

• Wymaga dostarczenia energii, wysokie ciepło parowania wody około 2500kJ/kg. -powoduje obniżenie temperatury w palenisku.

Odgazowanie- wydzielanie części lotnych i spalenie wytworzonych gazów z wytworzeniem wodoru, tlenków węgla. Najszybciej spala się wodór, wolniej dwutlenek węgla ,a węglowodory ulegają rozkładowi i dopiero produkty rozkładu ulęgają spaleniu.

Spalenie koksu- jest wolniejszy od spalania części lotnych. Koks zawiera głownie pierwiastek węgiel i inne związki mineralne. Decyduje o czasie potrzebnym do spalenia a trym samym pozostawienia węgla na palenisku

Ze względu na chemiczny charakter substancje zawarte węglu dzielimy na :

• Substancje organiczne

• Substancje nieorganiczne

• Woda.

Substancja palna i balast ( zachowanie w spalaniu )

(Węgiel) (wilgoć i substancje lotne)

Spalanie- jest to proces podczas którego następuje wydzielanie ciepła na skutek gwałtownego utleniania oraz fal elektromagnetycznych ( światło widzialne). C,H,S- pierwiastki palne w węglu

Spalanie zupełne- produktami są najtrwalsze związki możliwe do uzyskania na drodze całkowitego utleniania pierwiastków. (proces najbardziej ekonomiczny.)

Spalanie niezupełne- zawartość substancji, paliwa nie może ulec z jakiś powodów utlenieniu do końca ( np. zbyt mały dostęp tlenu)

Podczas tego procesu tracimy do 70% energii i jest nie ekonomiczny:

Zarówno spalanie w warunkach przy niedomiarze tlenu jak i nadmiarze jest nieekonomiczne ponieważ generuje straty.

Warunki dobrego spalania :

• Wysoka temperatura

• Dostateczna ilość tlenu

• Zapis wagowy spalania umożliwia ocenienie ilości potrzebnego tlenu:

• Skład możemy określić przez udziały masowe oraz wartość masową tlenu do spalenia :

kg tlenu /kg paliwa

C,H,S- udziały masowe pierwiastków w paliwie

• Jeżeli paliwo zawiera tlen to uwzględniamy to w równaniu :

• Objętościowe zapotrzebowanie tlenu :

m tlenu/kg paliwa

W praktyce do spalenia paliwa nie używamy tlenu a powietrze , procenty objętościowe tlenu 21% w powietrzu oraz 23% wagowe tlenu w powietrzu to:

• Duże zapotrzebowanie na tlen wynika z utrudnienia kontaktu cz paliwa z cz. tlenu co powoduje ze zapotrzebowanie rzeczywiste jest większe od teoretycznego (skład powietrza), bo zbyt dużo powietrza tez jest niekorzystne ( straty energii wynikające na zbędne ogrzewanie mas powietrza które przepływa przez palenisko)

Wielkość nadmiaru powietrza(współczynnik nadmiaru powietrza)

-strumień powietrza rzeczywiście doprowadzonego do paleniska

-strumień powietrza obliczony teoretycznie

Przy spalaniu z nadmiarem powietrza w spalinach obok
występuje
, co powoduje że procentowy udział
w spalinach maleje.

• Znając zawartość
  w spalinach, można określić współczynnik nadmiaru powietrza :

max- największa zawartość CO2 w spalinach możliwa do uzyskania w %

CO2-rzeczywistab zawartość w spalinach w %.

• Znając skład spalin powstających w palenisku współczynnik jest określony wzorem:

CO2,O2,N2- % objętościowe

• Uwzględniając minimalne różnice zawartości N2 w powietrzu i spalinach i przy założeniu spalania całkowitego (CO=)%, to równanie :

O2- % objętościowe tlenu w spalinach

Współczynnik nadmiaru powietrza dla paliw:

paliwo	Rodzaj obsługi kotła	Współczynnik nadmiaru powietrza.
Węgiel kamienny	Ręczna obsługa	1,5-2,0
Węgiel kamienny	Mechaniczne	1,5-1,6
Olej opałowy	Palnikowe	1,1-1,2
gazowe	Palnikowe	1,1-1,2

Komin- odpowiada za odprowadzenie spalin na zewnątrz.. Usuwa za zewnątrz gazy spalinowe powstałe podczas spalania oraz wytworzenie odpowiedniej siły ciągu niezbędnej do doprowadzenia odpowiedniej ilości powietrza.

Siła ciągu jest uzależniona od oporów hydraulicznych rusztu i warstwy paliwa i urządzeń odpylających.

Siła ciągu- jest wytwarzana na skutek różnicy ciśnień powietrza na zewnątrz i ciśnienia gazów spalinowych (zależy od temperatury ). Jest to różnica ciśnienień dwóch słupów gazów ( powietrza i spalin).

-gęstość powietrza w kg/m

-gęstość spalin w kg/m

g- przyśpieszenie ziemskie m/s

h- wysokość komina w m

Cechy siły ciągu :

• Jest proporcjonalna do wysokości komina ( wyższy komin, większa siłą ciągu)

• Im niższa temperatura na zewnątrz i wyższa w środku to
  ma dużą wartość

• Wysokość komina ma znaczenie w celu rozproszenia zanieczyszczeń na dużym obszarze.

Obok ciągu naturalne wyróżniamy też wymuszoną siłą ciągu:

• Ciąg kominowy wymuszony przez kocioł parowy jest tak duży i nie można wybudować dostatecznie dużego komina

• Nie można wybudować wysokiego komina ze względów urbanistycznych.

Największe zapotrzebowanie na powietrze występuje w fazie odgazowywania , po czym wyraźnie maleje :

Kocioł parowy obsługiwany ręcznie:

Kocioł parowy z rusztowaniem mechanicznym:

• Stosowany jest podmuch strefowy:

Do kontroli procesów spalania wykorzystywane są analizy i specjalne wykresy np. wykres Ostwalda. W spalinach oznacza się zawartość CO2 i O2. Przy pomocy wykresu można określić prawidłowy przebieg procesu spalania:

• Na osi X mamy procentowa zawartość O2 (max 21%)

• Na osi Y mamy zawartość CO2 (max zależy od rodzaju paliwa)

-Jeżeli wynik analizy przedstawia charakterystyka „a” to spalanie przebiega jako niezupełne bo jest w środku trójkąta ABO.

-Jeżeli wynik analizy przedstawia charakterystyka „b” opisuje proces spalania zupełnego- proces przebiega prawidłowo., ponieważ punkt przecięcia jest na linii AB.

-Jeżeli wynik analizy jest poza trójkątem AOB to oznacza że analiza jest błędna i trzeba ja powtórzyć.

Na ogólnym wykresie Ostwalda , na niesione są też inne wartości :
odwrotność współczynnika nadmiaru powietrza. Nadmiar powietrza jest nieekonomiczny mimo ze spaliny nie zawierają CO.

Kotły i ich Budowa

Kotłownia- pomieszczenie z kotłami parowymi , produkują parę o ciśnieniu wyższym od atmosferycznego i jest ona wykorzystywana do celów technologicznych , ogrzewania pomieszczeń i napędzania silników parowych.

W kotłach odbywają się dwa procesy:

• W paleniskach energia chemiczna jest zamieniana na energię cieplną

• Przez ściany metalowe powierzchni ogrzewanych i przenika do wody pary, lub mieszaniny pary i wody.

Części urządzenia kotłowego:

• Kocioł właściwy

• Palenisko( rusztowe, palenisko)

• Podgrzewacz pary

• Podgrzewacz powietrza

• Podgrzewacz wody

• Pompy zasilające wodę. ( zwykle 2x)

• Urządzenie do zasilania paliwa

• Urządzenie do usuwania odpadów stałych

• Aparatura kontrolno pomiarowa

• Aparatura sterująca

• Króćce i przewody

• Konstrukcja nośna

• Obmurzenie i izolacja

Kocioł właściwy- zbiornik ciśnieniowy, gdzie woda przechodzi w parę :

• Wytwarzanie pary odbywa się izobaryczne

• Ciśnienie powstającej pary jest wyższe od atmosferycznego

• Przy pobieraniu pary wodnej konieczne jest zasilanie kotła parowego z zawracaniem skroplin i uzupełnieniem wody.

Parametry kotła:

• Wydajność kotła - kg/h, t/h pary

• Moc cieplna [MW]

• Ciśnienie pary [MPa]

• Sprawność

W zależności o rodzaju obiegu wody wyróżniamy kotły:

• Z obiegiem naturalnym -wyk w przemyśle spożywczym

• Z obiegiem wymuszonym- nie wykorzystywane

• Przepływowe (stosowane sporadyczne )

W zależności czy spaliny opływają rury wewnątrz czy na zewnątrz :

• Płomieniowo-rurowe-( płomienicowy, płomieniówka)- wewnątrz rury.

• Opłomkowe- spaliny obmywają z zewnątrz rury wypełnionej wodą i parą.

Płomienica- rura o dużej średnicy

Płomieniówka- rura o małej średnicy

Opłomka- rura o małej średnicy

W zależności od sposobu wymiany ciepła wyróżniamy :

• Konwekcyjne- na zasadzie konwekcji

• Opromieniowanie- przez promieniowanie

• Częściowo opromieniowane- konwekcja i promieniowanie.

Cechy konstrukcyjne powierzchni ogrzewanych :

• Kotły sekcyjne

• Kotły stromkowe

Cechy konstrukcyjne -typ paleniska:

• Ruszkowe

• Pyłowe

• Cyklonowe

Kocioł płomieniowy- zbudowany z zewnętrznego płaszcza, zamkniętego, w którym zamontowane są jedna lub dwie płomienice :

• Płomienica może być wykonana z blachy lub blachy falistej

• Spaliny po wyjściu z płomienicy mogą być kierowane do podgrzewacza pary (podgrzewacz pary)

---