wz

Spalování tuhých paliv

Píše: Ing. Přemysl Kól (kolpremek@seznam.cz)

Zpět na domovskou stránku

 

V této kapitole bude jako tuhé palivo uvažováno ve většině případů uhlí. Spalování biomasy a obdobných paliv bude popsáno v některé z následujících kapitol.

Prvkové složení

    Organická hmota fosilních tuhých paliv pochází hlavně z pravěkých rostlin, které po odumření prošly nejdříve rozkladnými biologickými procesy a pak chemickými změnami způsobenými zejména teplotou a tlakem nadložních vrstev. Prvkový rozbor ukazuje, že hořlavina takových to paliv se skládá prakticky jen ze tří prvků: uhlíku, vodíku a kyslíku (viz. Tab. 1). Obsah dusíku a síry, pocházející z bílkovin rostlinného původu nebo mikroorganismů, je nepatrný a v součtu činní jen asi 2% hmotnosti.

     Prvkové složení hořlaviny se určuje chemickým rozborem, jehož způsob a postup je předepsán normami.

Druh paliva

Prvkové složení

Prchavý podíl [%]

Spalné teplo [MJ/kg]

Výhřevnost [MJ/kg]

název

značka

Hdaf

Cdaf

Sdaf

Ndaf

Odaf

Vdaf

Qvdaf

Qudaf

Antracit

A

2,79

92,32

2,49

1,10

1,30

9,22

36,01

35,40

Antracitové uhlí

T

4,25

90,42

0,68

1,71

2,94

16,95

36,95

36,02

Žírné uhlí

Ža

5,23

85,48

0,53

1,30

7,46

33,87

36,52

35,37

Pálavé uhlí

Db

5,13

80,70

1,04

1,41

11,72

36,87

34,15

33,02

Smolné uhlí

S

6,94

75,85

3,89

1,10

12,22

64,30

34,93

33,41

Lesklé uhlí

H

5,81

78,31

1,81

1,36

12,71

47,32

34,60

33,33

Celistvé uhlí

Hp

6,02

70,58

0,67

0,82

21,91

51,62

29,12

27,80

Celistvé uhlí

Hd

5,68

70,22

0,61

0,90

21,89

57,50

28,56

27,31

Kapucín

M

4,20

67,50

0,50

1,30

26,50

54,15

25,12

24,20

Lignit

L

5,71

68,95

1,32

1,05

22,97

60,83

28,90

27,65

Rašelina

-

5,80

58,69

0,27

2,0

33,24

70,0

24,90

23,63

Dřevo

-

5,94

50,72

0,03

0,21

43,10

84,0

21,53

20,23

Tab. 1 Složení a výhřevnost hořlaviny tuhých paliv

   Síra

     Síra se vyskytuje ve všech druzích tuhých paliv i v těžkých topných olejích. Její obsah v četných případech rozhoduje o tom, zda je vůbec palivo použitelné, protože má nepříznivý vliv na všechny jeho kvalitativní ukazatele, zvláště však:

-         Zhoršuje výhřevnost (spalné teplo síry je zhruba 1/3 spalného tepla uhlíku)

-         Zvyšuje podíl SO2 ve spalinách odcházejících do ovzduší

-         Výrazně snižuje rosný bod spalin (koroze a zalepování výhřevných ploch v oblasti nízkých teplot)

-         Způsobuje snížení charakteristických teplot popela (struskové nánosy v oblasti vysokých teplot)

-         Přispívá k samovznícení uhlí na skládkách

     Poměrný obsah síry S [kg/kg], [%], vyjádřený jeho podílem v jednotce hmotnosti surového paliva, není dost názorným ukazatelem. Lepší představu dává tzv. měrná sirnatost S, která udává, kolik gramů síry připadá na jednotku výhřevnosti surového paliva:

     Orientační hodnoty měrné sirnatosti jsou zaznamenány v tab. 2.

Palivo

Poměrný obsah síry [%]

Výhřevnost

[MJ/kg]

Měrná sirnatost [g/MJ]

Mazut

3,0

41,0

0,731

Černé uhlí

0,9 až 2,5

17,6 až 27,2

0,331 až 0,682

Hnědé uhlí

0,8 až 1,2

9,2 až 13,4

0,597 až 1,869

Lignit

0,6

7,6

0,754

Tab. 2 Měrná sirnatost

     Síru z paliva lze také před spálením částečně odstranit. Existují dva způsoby, fyzikální a chemický.

a)     Fyzikální způsob

     Praktické využití různých úpravnických technologií je podmíněno formou, jíž je síra vázána v palivu. Gravitační separace pyritu má přijatelnou účinnost jen tehdy, je-li pyrit v dostatečně velkých zrnech vázán na popeloviny. Magnetická nebo elektrostatická separace, stejně jako kombinované metody termické a magnetické úpravy paliva se rovněž ukázaly jako málo účinné.

b)     Chemický způsob

     Možnost chemického vyluhování, např. solemi železa nebo alkalickými roztoky. Účinnost tohoto způsobu se pohybuje kolem 70%. Použitá technologie je však velmi nákladná.  Bakteriologické loužení je velmi zdlouhavé a málo účinné.

     Fyzikální a chemické vlastnosti

   Hustota

     Hustota tuhých paliv ρ [kg/m3] závisí jednak na poměrném obsahu vody, popelovin a organické hmoty, jednak na chemickém složení hořlaviny.

   Sypná hmotnost

     ρsyp [t/m3], je jednotková hmotnost volně sypaného paliva. Závisí především na měrné hmotnost ρ kompaktních částic paliva (tj. na obsahu paliva a vody), ale také na zrnění. Informativní hodnoty ρ a ρsyp jsou znázorněny v tab. 3.

Druh paliva

Hustota

[t/m3]

Sypná hmotnost

[t/m3]

Poznámka

Lignit

0,9 až 1,15

0,7

na vzduchu proschlý

Hnědá uhlí

 celistvá a zemitá

1,2 až 1,3

0,64 až 0,76

 lesklá

až 1,5

až 0,8

Černá uhlí

 žirná a pálavá

0,67 až 0,82

 antracitová

1,4 až 1,7

až 1,02

Koks

0,7 až 2,2

0,38 až 0,58

Tab. 3 Hustota uhlí

   Měrná tepelná kapacita

     Pro stanovení měrné tepelné kapacity uhlí c se doporučuje použít směšovací pravidla:

     Měrná tepelná kapacita hořlaviny (resp. uhelné hmoty) se při tom počítá ze vztahu:

     a měrná tepelná kapacita popela:

     Hodnoty h, A, W a Vdaf je nutné dosazovat v %. Měrnou tepelnou kapacitu vody lze brát konstantní 4,19 kJ/kgK. Informativní hodnoty měrné tepelné kapacity hnědého uhlí jsou uvedeny na obr. 1.

Obr. 1 Měrná tepelná kapacita hnědého uhlí

   Tepelná vodivost

     Experimentálně zjištěné hodnoty ukazují, že tepelná vodivost uhlí závisí jednak na hustotě a jednak na geologickém stáří. Informativní hodnoty při teplotě 20°C jsou na obr. 2.

Obr. 2 Tepelná kapacita uhlí

   Výbušnost

     Měřítkem výbušnosti, stejně tak jako u plynných paliv, je horní a dolní mez výbušnosti. Jiným ukazatelem výbušnosti je maximální tlak dosažený při výbuchu práškového mraku, obvykle nepřekračuje hodnotu 1MPa. U většiny běžně užívaných paliv bývá v mezích 0,2 až 0,5MPa.

     Popeloviny tuhých paliv

   Složení popelovin

     Složení popelovin se obvykle charakterizuje jejich chemickým složením. Zjišťují se zpravidla tyto složky, které jsou obsaženy takřka ve všech popelovinách různých druhů uhlí: SiO2, Al2O3, Fe203, CaO, MgO, Na2O, K2O, SO3.

     Vzájemný podíl jednotlivých složek kolísá v poměrně širokých mezích nejen v palivech různých typů, ale i u uhlí ze stejného dolu. Proto se musí uvažovat s přímo naměřenými hodnotami pro daný typ uhlí.

   Fyzikální a chemické vlastnosti popelovin

   Termofyzikální vlastnosti

     Chování popelovin při vysokých teplotách v ohništi, kdy některé složky měknou a popřípadě i přecházejí do kapalné fáze, je u většiny paliv jedním z nejvýznamnějších faktorů jak z hlediska konstruktéra tak provozovatele.

     Nejrozšířenějším kriteriem chování popelovin při vysokých teplotách jsou tzv. charakteristické teploty popela: teplota měknutí tmk (TA), teplota tavení tta (TB) a teplota tečení ttc (TC).

     Vzorek o předepsaných rozměrech se zahřívá předepsanou rychlostí a při tom se sleduje deformace a změny tvaru a zaznamenává se teplota. Zjištěné teploty TA, TB a Tc lze zakreslit do grafu na obr. 3.

Obr. 3 Charakteristické teploty

     Na obrázku 3 jsou znázorněny dva vzorky A a B. Vzorek A je příkladem tzv. dlouhého popela s velkým intervalem mezi TA a TB (v této oblasti není popel ještě plně roztaven, nýbrž jen plastický, takže neteče, ale nalepuje se na stěny spalovací komory). Vzorek B ukazuje vzorek tzv. krátkého popela (který prochází plastickou oblastí velmi rychle do taveniny o nízké viskozitě, takže na stěnách vytvoří jen tenkou vrstvu stékající strusky).

   Mechanické a chemické působení

     Popelové částečky unášené proudem spalin způsobují opotřebení (abrazi a erozi) kovových materiálů, zvláště dodatkových výhřevných ploch a spalinových ventilátorů. Opotřebení je úměrné třetí mocnině rychlosti, proto je důležité především rovnoměrné rozdělení rychlostí v celém průtočném průřezu spalin. Závislost na koncentraci částeček a na jejich abrazivnosti je lineární.

Spotřeba spalovacího vzduchu a množství spalin při dokonalém spalování tuhých paliv

     Množství hořlavých složek v 1 kg paliva ve stavu spalovaném bývá dáno prvkovým složením hořlaviny

 a obsah přítěže, tj. obsah vody W a popela A

     Je ovšem potřeba dát si pozor na to, o jaký obsah daného prvku se jedná. Zda jde o obsah v původním vzorku či jde o prvkový rozbor v hořlavině. Index h značí, že se jedná o složení v hořlavině.

     Stechiometrické vztahy při dokonalém spalování:

     Objemy V0 jsou v celém následujícím textu uváděny v tzv. normálním stavu (tedy 0,1 MPa a 0°C). Přepočet na skutečný stav je dle následujícího vzorce:

     Minimální (teoretická) spotřeba kyslíku (bez přebytku vzduchu) k dokonalému spálení 1 kg paliva o složení podle (1-5) je:

      Protože v suchém vzduchu je 21% (obj.) kyslíku, je teoretická spotřeba suchého vzduchu :

     Teoretická spotřeba atmosférického vzduchu o relativní vlhkosti φ [%] a celkovém tlaku pc je:

     Součinitel χv lze vypočítat z následující rovnice:

     Parciální tlak vodní páry p,, [MPa] na mezi sytosti pro danou teplotu vzduchu tv lze nalézt v parních tabulkách. Celkový tak vzduchu obvykle bývá pc = 0,1 MPa. Při dokonalém spálení 1 kg paliva bez přebytku vzduchu vznikne teoretický objem spalin:

     Objem suchých spalin Vss,min se skládá ze složek:

      Objem vodních par ve spalinách vznikl jednak spálením vodíku a odpařením vody z paliva a z vlhkosti vzduchu:

     Objemové koncentrace jednotlivých složek v suchých spalinách při dokonalém spalování bez přebytku vzduchu dosahují maximálních hodnot, např:

při přebytku vzduchu (α > 1), např:

     Podobně se mohou určovat i objemové koncentrace ve vlhkých spalinách, avšak většinou tyto údaje nejsou pro kontrolu provozu důležité. Součinitel přebytku vzduchu se určuje z hodnot oCO2 a oCO2max vztažených na suché spaliny, protože při odběru vzorku vodní páry v potrubí kondenzuje a analyzuje se tedy suchý vzorek.

     Ve skutečných spalovacích zařízeních nelze zajistit dokonalé vyhoření paliva pouze s teoretickým množstvím spalovacího vzduchu, protože dosavadní technická řešení neumožňují, aby všechny molekuly O2 přišly do styku s palivem. Z tohoto důvodu se spaluje s určitým přebytkem vzduchu, což se vyjadřuje tzv. součinitelem přebytku vzduchu:

     Optimální hodnota přebytku vzduchu v ohništi α0,opt pro dané zařízení vyplývá podle obr. 4 z minima součtu tepelných ztrát kotle, závisejících na přebytku vzduchu, tedy jmenovitě na ztrátách nedokonalým spalováním, které s rostoucím α0 klesají, a na ztrátě citelným teplem plynných spalin (komínová ztráta), která naopak s rostoucím α0 roste. Hodnota α0,opt závisí hlavně na druhu paliva, na způsobu a průběhu přípravy hořlavé směsi i vlastního spalování. Průměrné hodnoty optimálních součinitelů přebytku vzduchu pro jednotlivé typy ohnišť jsou ukázány v tabulce 4. Součinitel přebytku vzduchu se při průtoku kotlem vlivem netěsností průtahů a podtlaku v nich zvyšuje až o 0,2 popř. 0,3. Zvýšení je nežádoucí, protože roste komínová ztráta kotle a tím se zhoršuje účinnost kotle.

Obr2.JPG

Obr. 4 Závislost optimálního součinitele přebytku vzduchu

Ohniště

α0,opt

Ohniště

α0,opt

roštová

1,3 až 1,5

cyklonová horizontální

1,05 až 1,10

granulační

1,20

cyklonová vertikální

1,10 až 1,15

mlýnicová

1,24

olejová

1,01 až 1,15

výtavná

1,15

plynová

1,01 až 1,10

Tab.4 Optimální hodnoty součinitelů přebytku vzduchu pro základní typy ohnišť

     Skutečný objem spalovacího vzduchu o teplotě tv [°C] a tlaku pv [MPa] přiváděný do ohniště pro dokonalé spálení 1 kg paliva:

     A skutečný objem spalin o teplotě ts [°C] a tlaku ps [MPa] při dokonalém spálení 1 kg paliva s přebytkem vzduchu α:

Odkazy

1.     V. Černý, B. Janeba, J. Teyssler, Parní kotle, SNTL, Praha, 1983

 

Citace tohoto článku

     P. Kól, Spalování tuhých paliv, publikováno na stránkách Spalovací procesy, dostupné z http://Spalovaci-procesy.wz.cz/TP.html, 2011.

     © Přemysl Kól         

Zpět na domovskou stránku

TOPlist