Do całkowitego i zupełnego spalania konieczna jest mieszanka paliwowo-powietrzna o optymalnym składzie.
Przemysłowe instalacje kotłowe często pracują na obciążeniu częściowym. Wówczas zmniejszone jest zarówno dostarczanie paliwa jak i powietrza.
Wentylator palnika bez płynnie regulowanej prędkości obrotowej pracuje na pełnych obrotach również wtedy, gdy kocioł pracuje tylko na obciążeniu częściowym, ponieważ w takim wypadku ilośc powietrze doprowadzane do spalania jest ograniczana poprzez przymykanie klap powietrza. Wentylator pobiera wówczas dużo energii elektrycznej, która jest bezużytecznie marnowana na oporach dławienia. Gdy strumień powietrza można regulować poprzez modulację prędkości obrotowej wentylatora pobór prądu w fazach częściowego obciążenia jest daleko mniejszy.
Analogicznie do redukcji zużycia energii elektrycznej zmniejszeniu ulega hałas generowany przez wentylator. Wszystkie instalacje, które często przez dłuższy okres czasu pracują na obciążeniach częściowych, powinny być wyposażone w wentylatory o regulowanej prędkości obrotowej.
Przy średnim obciążeniu palnika w ten sposób można zaoszczędzić około 40 % energii elektrycznej. Z reguły są to czterocyfrowe kwoty oszczędności rocznie, wobec czego zakup palnika z wentylatorem z regulowaną prędkością obrotową najczęściej amortyzuje się w ciągu jednego roku.
Przykład:
Wydajność kotła
10 t/h
Wentylator palnika
22 kW
Zmniejszenie zużycia prądu
ok. 48 000 kWh/a (42 %)
Oszczędność
ok. 6720 €/a (przy cenie prądu 0,14 €/kWh)
Oszczędność energii dzięki wentylatorowi palnika z regulowaną prędkością obrotową
Idealnym technicznie spalaniem jest spalanie stechiometryczne. Ma miejsce, gdy każda cząstka spalanego paliwa wejdzie w reakcję z cząstkami tlenu. Występuje wtedy, gdy nie pozostają niedopalone składniki paliwa lub tlen.
Gdy proces spalania odbywa się przy niedostatecznym dostęp tlenu z powietrza do spalanego paliwa, może zachodzić jedynie spalanie niecałkowite. Negatywnym następstwem byłoby powstanie tlenku węgla, gazu silnie trującego. Gdy z kolei tlenu zawartego w powietrzu dostarczanym do spalania jest za dużo i wszystkie cząstki paliwa uległy już utlenieniu, to pozostałe, wolne cząstki tlenu tworzą nadmiarową objętość powietrza.
Do spalania dostarcza się zwykle chłodne powietrze z otoczenia w zbyt dużych ilościach, więc część uzyskanego ciepła ze spalania jest tracona na ogrzanie tej dodatkowej objętości powietrza, która następnie wraz ze spalinami ulatuje kominem.
Ustawienie optymalnej ilości powietrza dostarczanego do spalania jest zatem ważne dla efektywności i bezpiecznej, niskoemisyjnej pracy kotła. Z uwagi na ciśnienie, temperaturę i zmienną wilgotność powietrza z jednej strony i wahania jakości paliw z uwagi na dość liberalny rynek gazowy z drugiej strony pewien nadmiar powietrza w porównaniu z teoretycznym stanem idealnym musi być dla bezpieczeństwa ustawiony. Powstawanie trującego i wybuchowego tlenku węgla musi być absolutnie wykluczone. Ustawienia przeprowadza się w normalnym wypadku podczas uruchomienia instalacji kotłowej i kontroluje się je w ramach kwartalnych lub półrocznych konserwacji.
Regulacja poziomu zawartości O2 i CO w spalinach wylotowych kotła parowego (ilustracja przedstawia instalację w dużym uproszczeniu)
Regulacja
Sonda pomiaru O2
Sonda pomiaru CO
Para
Spaliny
Dla działania kotła bliżej optymalnego punktu pracy również w zmiennych warunkach niezbędne jest zastosowanie przyrządów do ciągłego pomiaru i regulacji. Układ regulacji O2 składa się z sondy do pomiaru poziomu zawartości tlenu w spalinach, zainstalowanej w strumieniu spalin i regulatora. Sonda mierzy w sposób ciągły poziom zawartości tlenu resztkowego w spalinach i wysyła sygnał do sterowania palnika, który odpowiednio ustawia potrzebną ilość powietrza do spalania.
Od kilku lat używa się elektrod kombinowanych do pomiaru poziomu zawartości O2 i CO. Elektroda mierzy poziom zawartości CO i przesyła informację do sterownika, który na tej podstawie określa współczynnik nadmiaru powietrza λ. Stosując regulację współczynnika nadmiaru powietrza sondą O2 i CO można zwykle zredukować ustawiony współczynnik nadmiaru powietrza z 3 – 4 % obj. tlenu w spalinach do 0,5 – 1,0 % obj. tlenu. Przy jednakowej temperaturze spalin odpowiada to zmniejszeniu straty kominowej o około 1 punkt procentowy. Regulacja procesu spalania sondą O2 i CO nie może być stosowania w instalacjach z kotłami opalanymi olejem.
Poziom zawartości tlenu w spalinach i współczynnik nadmiaru powietrza przy regulacji sondą O2 i CO w funkcji obciążenia palnika
Bez regulacji
Z regulacją O2
Z regulacją CO
Starsze, ale też nowo projektowane kotłownie, często są znacznie przewymiarowane w stosunku do rzeczywistego zapotrzebowania na parę.
Typowymi przyczynami tego stanu rzeczy są:
Następstwem przewymiarowania kotłowni jest zbyt mały odbiór pary w stosunku do mocy kotła, co skutkuje bardzo częstym włączaniem i wyłączaniem palników. Każdy zapłon palnika wymusza przewietrzanie kotła, co pociąga za sobą straty a także wywołuje naprężenia termiczne, które mogą być znaczne przy dłuższtch czasach przewietrzania.
Informacje o Przewietrzanie przed zapłonem palnika
Podejmując odpowiednie działania można zminimalizować efekty związane ze zbyt dużą moca kotła. Są to:
Przebieg ciśnienia przed i po korekcie mocy palnika
Przebieg ciśnienia przed korektą mocy palnika
Przebieg ciśnienia po korekcie mocy palnika
Przed każdym zapłonem palnika następuje przewietrzanie kotła dla zapewnienia, że w kanałach spalinowych nie są obecne palne mieszanki gazów. Zanim nastąpi zapłon palnika, uruchamia się wentylator palnika i tłoczy zimne powietrze z otoczenia przez kanały spalinowe wciąż rozgrzane do temperatury wrzenia spalin. Zimne powietrze ogrzewa się w kotle, odbierając część zmagazynowanego w nim ciepła. Komora spalania musi być dobrze przewietrzona świeżym powietrzem, co przy częstych zapłonach palnika pociąga za sobą niemałe straty energii.
Czas przewietrzania należy z reguły obliczyć na 2-3-krotną wymianę powietrza w całym systemie odprowadzania spalin. Obliczenia należy dokonać w porozumieniu z organami dozoru technicznego. Oprócz dodatkowych kosztów eksploatacji częste włączenia i wyłączenia palnika skutkują także szybszym zużyciem jego podzespołów. Idealnie byłoby uzyskać 1-2 cykle włączenia/wyłączenia palnika na godzinę. Jeśli cykli jest więcej niż 4 na godzinę, należy podjąć działania mające na celu zmniejszenie ich liczby, np. precyzyjnie wyregulować moc palnika.
Informacje o Dopasowanie mocy
Równanie do obliczenia przybliżonych strat w wyniku przewietrzania przed zapłonem palnika
Qstr.przewietrz = 1,26 ∙ Q·palenisko ∙ ΔT ∙ t ∙ 10-7
Qstr,przewietrz
Strata w wyniku przewietrzania przed zapłonem palnika [kWh]
Q·palenisko
Moc paleniska [kW]
ΔT
Różnica temperatur między temperaturą czynnika w kotle i temperaturą zasysanego świeżego powietrza [K]
t
Suma czasów otwarcia/zamknięcia siłownika i czasu przewietrzania
Równanie do obliczenia przybliżonej mocy paleniska kotła
ṁpara
Wydajność produkcji pary [kg/h]
ƞ
Sprawność kotła z ekonomizerem [%]
Równanie do obliczenia różnicy temperatur między czynnikiem w kotle i zasysanym świeżym powietrzem
ΔT = TK − Tpow = Twrz (pśr = 13 bar) − Tpow
Różnica temperatur między czynnikiem w kotle i zasysanym świeżym powietrzem [K]
TK
Temperatura czynnika w kotle [K]
Tpow
Temperatura zasysanego świeżego powietrza [K]
Twrz
Temperatura wrzenia czynnika w kotle przy określonym ciśnieniu pśr [K]
Równanie na obliczenie sumy czasów otwarcia/zamknięcia siłownika i czasu przewietrzania
t = t1 + t2 + tprzew
Suma czasów otwarcia/zamknięcia siłownika i czasu przewietrzania [s]
t1
Czas otwarcia siłownika (ok. 30 ... 60 s) [s]
t2
Czas zamknięcia siłownika (ok. 30 ... 60 s) [s]
tprzew
Czas przewietrzania (≤ 120 s) [s]
Przy średnio 4 cyklach rozruchowych palnika na godzinę i średnim obciążeniu kotła na poziomie 20 % strata ciepła sięgnie 6 % mocy cieplnej kotła.
Szacując dla czasu pracy kotła 4000 godzin rocznie strata ciepła ogółem wyniesie jakieś 300 MWh/a, co oznacza stratę rzędu 13 500 € rocznie.
