Spieki w palniku

W palnikach węglowych mogą się tworzyć dwa rodzaje spieków. Pierwszy – to spieki koksowe, drugi – spieki żużlowe. Przy niekorzystnym zbiegu własności węgla – spieki koksowe mogą przekształcać się w spieki żużlowe. Wszystkie rodzaje spieków są niekorzystne z punktu widzenia możliwości regulacji i efektywności spalania – jednakże z innych powodów i w inny sposób.

Jednocześnie ze zjawiskiem spalania, w palenisku węglowym występuje zjawisko odgazowania węgla (piroliza). Odgazowanie węgla przebiega w zakresie temperatur 350-550ºC, w części złoża paliwa o utrudnionym dostępie powietrza oraz wewnątrz ziaren węglowych. W fazie odgazowania pewne składniki węgla topnieją, tworząc z nietopniejącymi składnikami węgla półpłynną, plastyczną masę (gęstość tej masy zależy od typu węgla). Równocześnie, w wyniku termicznego rozkładu substancji organicznej węgla, gwałtownie wydzielają się pary i gazy (w ilości 30-40% całkowitej masy węgla). Powstające gazy uchodzą do strefy spalania, zaś pozostała odgazowana masa zlepia się i zestala, tworząc koks. Małe ziarna węgla zlepiają się w większe aglomeraty, tworząc duże spieki o charakterystycznym kształcie „kalafiora” lub bardzo dużej „kukurydzy” – w zależności od zdolności spiekania.

Taki spiek – to po prostu niespalony kawał koksu, który spala się znacznie, znacznie wolniej od małych kawałków żaru węglowego (żar węglowy to także koks). Ziarna żaru mają znacznie silniej rozwiniętą powierzchnię kontaktu z powietrzem. Ziarna sortymentu „groszek” mają powierzchnię 400-1200mm²/g, spieki – poniżej 100mm²/g (im większe spieki, tym mniejsze rozwinięcie powierzchni). Toteż podstawowy problem z tymi spiekami sprowadza się do tego, że najczęściej zostają wyewakuowane z palnika przed całkowitym spaleniem – zwiększając straty niedopału (duża zawartość części palnych w popiele).

Procesy odgazowania/koksowania zachodzą w pewnej odległości poniżej strefy żaru. Jest to strefa beztlenowa (powietrze tam nie dochodzi), co stwarza idealne warunki do koksowania. Węgiel się topi, odgazowuje i pęcznieje. „Dopychanie” węgla do strefy żaru przez podajnik ślimakowy (charakterystyczne dla zwykłej retorty) zagęszcza węgiel w tej strefie, co dodatkowo sprzyja powstawaniu większych i twardszych kawałków koksu. W ekstremalnych sytuacjach potrafią one nawet zakleszczyć palnik.

Spieki koksowe powstają w każdym palniku. Spieki koksowe tworzą się wtedy (i tylko wtedy), kiedy węgiel wykazuje właściwości spiekające (koksujące). Nie ma tu nic do rzeczy rodzaj sterownika, czy rodzaj i nastawy palnika. Własności koksujące węgla określa się za pomocą różnych wskaźników, jednak dla oceny wpływu spiekalności węgla na proces spalania wystarczy znajomość wskaźnika RI (indeks Rogi). Na tym wskaźniku – między innymi – opiera się polska klasyfikacja węgla. Podstawą podziału węgla kamiennego na typy są naturalne cechy, charakteryzujące jego przydatność technologiczną – patrz niżej.

Klasyfikacja węgli

W krajowej „małej energetyce” dominującym paliwem jest węgiel kamienny. Podaż węgla zabezpiecza potrzeby energetyczne tego sektora. Rynek węgla jest dobrze zorganizowany i obejmuje obszar całego kraju. Doraźne bezpieczeństwo energetyczne użytkownika kotłowni węglowej jest pełne. Węgiel można kupić wyprzedzająco i magazynować bez strat przez dłuższy okres, lub kupować go na bieżąco w wybranym składzie opałowym, w dowolnym dogodnym okresie. Kopalnie węgla posiadają dobrze zorganizowane zaplecza kontroli jakości, które działają w oparciu o wypracowane przed wielu laty i systematycznie doskonalone normy oraz metodyki badawcze, zabezpieczające poziom jakości wymagany przez reżimy technologiczne wytwarzania ciepła.

Jednak nie każdy węgiel nadaje się jako paliwo do małych kotłów węglowych. Warto zwrócić uwagę, że węgiel się wydobywa a nie „produkuje” w potocznym znaczeniu tego słowa. Jakość węgla jest zdeterminowana naturalną jakością podziemnych pokładów, z których się go wydobywa. Operacje technologiczne wykonywane w procesie przygotowania węgla do sprzedaży ograniczają się do selekcji urobku z poszczególnych pokładów oraz sortowania urobku na poszczególne sortymenty ziarnowe.

Wydobywany w kopalniach węgiel kamienny dzieli się na typy, sortymenty i klasy.

Podstawą podziału węgla na typy są naturalne cechy, charakteryzujące jego przydatność technologiczną.

Typy węgla

Podstawą podziału węgla na klasy są: wartość opałowa w stanie roboczym, zawartość popiołu w węglu w stanie roboczym oraz zawartość siarki w węglu w stanie roboczym. Podstawowym wyznacznikiem klasy węgla, decydującym o jego wartości energetycznej, jest wartość opałowa.

Wartość opałowa jest miarą ilości zawartej w węglu energii chemicznej, możliwej do przekształcenia w ciepło w procesie spalania. Jednostką wartości opałowej jest 1kJ/kg (kilodżul/kilogram). Wielkość wartości opałowej zależy przede wszystkim od zawartości w węglu wilgoci i popiołu, w mniejszym stopniu – od typu węgla. Kwalifikowane paliwa węglowe powinny wykazywać wartość opałową w stanie roboczym co najmniej 24.000kJ/kg.

Ponadto Im wyższy wskaźnik RI, tym większe i twardsze spieki tworzą się w strefie odgazowania węgla. Jeszcze do niedawna na rynku węgla dla „małej energetyki” występował wyłącznie węgiel typu 31.1 i 31.2, czyli węgiel niespiekający o zdolności spiekania RI najwyżej 5, który bez problemów mógł być stosowany we wszystkich typach palenisk i kotłów. W miarę wyczerpywania się pokładów tego węgla, wprowadzano stopniowo do obrotu węgle wyższych typów – początkowo typu 32.1, czyli węgiel nieznacznie spiekający o zdolności spiekania RI powyżej 5 do 20, potem typu 32.2, czyli węgiel słabo spiekający o zdolności spiekania RI powyżej 20 do 40, a ostatnio nawet typu 33, czyli węgiel średnio spiekający, o zdolności spiekania RI powyżej 40 do 55. Węgiel typu 32.1 może być stosowany także we wszystkich typach palenisk i kotłów, jednakże w przypadku zdolności spiekania RI bliskiej 20 może sprawiać pewne problemy w kotłach z konwencjonalnymi palnikami retortowymi. Węgiel typu 32.2 i 33 może być stosowany tylko w kotłach z palnikami retortowymi nowej generacji. Warto wiedzieć, że w polskiej bazie węglowej występują węgle o bardzo wysokiej spiekalności – nawet RI=80.

Od zjawiska spiekania węgla (tworzenia się koksu) należy odróżniać zjawisko spiekania popiołu z węgla. W przypadku zbyt niskich temperatur mięknienia, topliwości i spiekania popiołu oraz zbyt wysokich temperatur w strefie żaru (np. w wyniku zbyt intensywnego napowietrzania złoża paliwa) może następować spiekanie się popiołu z tworzeniem dużych i twardych spieków żużlowych.

Powstawanie spieków żużlowych też zależy od jakości węgla – konkretnie od topliwości popiołu ze spalenia węgla. Jednakże, o ile konstrukcja palnika i jego nastawy nie mogą spowodować zwiększenia naturalnych zdolności spiekania/koksowania węgla (pewnymi działaniami możemy je tylko osłabić), to powstawanie spieków żużlowych może być zintensyfikowane warunkami pracy palnika. Wszelkie działania, które prowadzą do podwyższenia temperatury żaru w palenisku, zwiększają jednocześnie ryzyko powstania spieków żużlowych.

Najwyższe temperatury w palenisku występują w strefie żaru, w miejscach intensywnego napowietrzania. Intensywne prowadzenie palnika zwiększa temperaturę żaru. Z taką sytuacją spotykamy się w przypadku forsowania zbyt małego palnika w okresie zwiększonego zapotrzebowania ciepła – jednak nie są to przypadki częste (na ogół palniki mają rezerwę mocy). Częste natomiast są przypadki prowadzenia palnika ze zbyt dużym nadmiarem powietrza. Wysoki nadmiar powietrza (ponad potrzeby) powoduje schłodzenie spalin wychodzących z palnika, co skutkuje zmniejszeniem efektywności pracy wymiennika (zmniejszeniem sprawności oraz rzeczywistej mocy kotła). Zwyczajową reakcją niewprawnego operatora jest dalsze zwiększanie nadmuchu, gdyż skutkuje to wzrostem temperatury spalin i zwiększeniem produkcji ciepła. Zwiększenie nadmiaru powietrza i równoczesny spadek sprawności kotła są niedostrzegalne gołym okiem. W przypadku „ręcznego” sterowania procesem spalania można bardzo łatwo osiągnąć temperaturę żaru tak wysoką, że spieka się nawet popiół, który w normalnych warunkach nie sprawia tego problemu. Ekstremalnym przykładem jest palenisko kuźnicze – intensywnym nadmuchem zwiększa się w nim temperaturę żaru do poziomu mięknienia, czy nawet topnienia żelaza.

Spalanie z wysokim nadmiarem powietrza jest także „prowokowane” przez węgiel, który ma duże zdolności do tworzenia spieków koksowych. Duże spieki koksowe zmieniają istotnie warunki przepływu gazów przez palenisko. Tworzą one powiększone kanały przepływu dla powietrza (kanały uprzywilejowanego przepływu), którymi przepływają duże ilości powietrza, nie biorąc udziału w procesie spalania, schładzając spaliny… itd. – ze skutkiem, jak opisano powyżej. Stąd też węgle koksujące częściej tworzą także spieki żużlowe.

I jeszcze jedno. Nie wgłębiając się zbytnio w szczegóły technologiczne – węgle w sortymencie „miał” mają większe tendencje do tworzenia spieków, niż „groszki”, zarówno w przypadku spieków koksowych, jak i żużlowych. To wynika z silniejszego rozwinięcia powierzchni „miałów” niż „groszków”. Stopień rozwinięcia powierzchni ziarna o średnicy 1mm wynosi aż 6.000mm²/g, a w „miale” są również ziarna mniejsze od 1mm. W przypadku spieków żużlowych dochodzi dodatkowo fakt, że w drobniejszych frakcjach wydobytego węgla gromadzi się więcej części mineralnej węgla (przyszłego popiołu). Jest to naturalny proces związany z charakterem występowania i wydobycia węgla.

POLECANE EKO GROSZKI DO KOTŁÓW DOBRZE SPALAJĄCE SIĘ W PALNIKU AUTOMATYCZNEGO KOTŁA NA EKOGROSZEK

Informacje

690 018 007