Uwagi na temat spalania

Proces spalania pozwala na uzyskanie niezbędnego dla ludzi ciepła. Może ono być zamienione w pracę mechaniczną, bądź użyte do celów grzewczych (ewentualnie przygotowania ciepłej wody użytkowej) w kotłach.

Gwoli przypomnienia: paliwami nazywamy związki chemiczne węgla C, wodoru H2 oraz siarki S. Ze względu na skupienie paliw możemy je podzielić na: stałe (np. węgiel kamienny, brunatny, drewno, torf), ciekłe (np. olej opałowy, nafta, benzyna) i gazowe (np. gaz ziemny, biogaz). W skład paliwa wchodzą również składniki niepalne, np. niepalne części stałe, woda (np. w paliwach ciekłych) czy niepalne gazy (np. azot w paliwach gazowych). Dla paliw stałych, a niekiedy również ciekłych, charakterystyczne jest pojawianie się w produktach spalania popiołu zawierającego składniki niepalne oraz pozostałości części palnych, które nie uległy całkowitemu lub zupełnemu spaleniu.

Spalanie to proces utleniania, zatem niezbędny jest w nim udział tlenu w postaci powietrza doprowadzonego do miejsca spalania. Zasada procesu spalania polega na utlenianiu palnych elementów paliwa. Jest to reakcja egzotermiczna – aby uzyskać możliwie największą sprawność tego procesu, składniki palne muszą być spalone całkowicie i zupełnie.

Spalanie całkowite a zupełne

Należy podkreślić, że mimo prawie identycznego potocznego znaczenia tych pojęć w technice spalania mają one zupełnie inne znaczenie. Spalanie całkowite oznacza, że w spalinach nie ma już składników palnych. W wyniku spalenia całkowitego otrzymujemy więc dwutlenek węgla (CO₂) i wodę (H₂O). Natomiast spalanie zupełne oznacza, że wszystkie składniki spalin są utlenione (spalone) do postaci ostatecznej. Spalanie niezupełne występuje wtedy, gdy elementy paliwa nie spaliły się do postaci ostatecznej.

Spalanie całkowite zupełne na przykładzie węgla:

Spalanie niezupełne:

W praktyce w spalinach występują jednocześnie oba te składniki, np.:

Zjawiskiem prawidłowym jest spalanie całkowite i zupełne, co oznacza, że wszystkie palne składniki paliwa uległy spaleniu do postaci ostatecznej i w spalinach nie pozostały żadne palne cząstki. Spalanie opisane zależnością (3) nie jest zupełne, gdyż w spalinach występuje jeszcze palny składnik (CO).

Badania wykazały, że można określić maksymalną, charakterystyczną dla danego rodzaju paliwa zawartość procentową dwutlenku węgla w spalinach (tab. 1).

Proporcje powietrza i paliwa

Jak wspomniano, a wszystkim czytelnikom na pewno jest wiadome, do spalania potrzebne jest powietrze, a ściślej tlen. Brak tlenu uniemożliwia spalanie paliwa. W zależności od tego, ile powietrza do spalania dostarczymy, wystąpić mogą różne sytuacje (rys. 1):

• pole żółte – spalanie stechiometryczne: ilość tlenu jest dokładnie taka, jaka wynika ze składu chemicznego, a więc z zawartości części palnych paliwa,

• pole czerwone – spalanie z niedomiarem powietrza: brakuje tlenu i nie wszystkie części palne ulegają spaleniu lub nie wszystkie spalają się do postaci ostatecznej,

• pole zielone – spalanie z nadmiarem powietrza.

Współczynnik nadmiaru powietrza λ

Do opisu proporcji powietrza do paliwa często używa się pojęcia współczynnika nadmiaru powietrza (lambda), który wskazuje, ile powietrza faktycznie dostarczono w stosunku do niezbędnej ilości powietrza wynikającej ze składu chemicznego, np.

• λ = 1,0 oznacza, że dostarczona ilość powietrza jest równa ilości wynikającej z równań chemicznych procesu spalania;

• λ = 1,16 świadczy o tym, że dodatkowo, ponad wymagania wynikające z równań, dostarczono 16% powietrza (objętościowo).

Jeśli λ jest mniejsza od 1,0, np. wynosi 0,8, oznacza to, że proces spalania odbywa się z niedomiarem powietrza (w tym przypadku: –20%). Dla przypomnienia – zależność pozwalająca na wyliczenie współczynnika nadmiaru powietrza λ (O2 i CO to procentowe udziały wymienionych składników w spalinach):

Mogłoby się pozornie wydawać, że wystarczy niewielki nadmiar powietrza, np. 2%, aby zapewnić właściwe spalanie. Nie jest on niestety wystarczający. Przyjmowanie znacznie większego nadmiaru powietrza jest konieczne ze względu na m.in.:

• zmiany ciśnienia i temperatury powietrza,

• zmiany składu paliwa,

• zmiany temperatury paliwa,

• zabrudzenie kotła i palnika,

• zabrudzenie wentylatora palnika,

• wahania ciągu kominowego,

• wahania napięcia w instalacji elektrycznej,

• brak ogrzewania w pomieszczeniu kotłów.

W przypadku np. kotłów grzewczych z palnikami olejowymi dojdą jeszcze dodatkowe czynniki, takie jak:

• zmienny skład chemiczny paliwa (różna wartość opałowa),

• zmiana temperatury paliwa (zmiana lepkości, a zatem różna wydajność dyszy),

• spadek wydajności dyszy na skutek zabrudzenia filtra wewnętrznego,

• zmiana wydajności dyszy na skutek powiększenia się otworu wylotowego,

• zmiana parametrów paliwa (ciśnienia i wydajności) podawanego przez pompę palnikową (zużycie elementów, zanieczyszczenie filtra itd.),

• zanieczyszczenie pyłami drogi powietrza w głowicy palnikowej,

• luzy w konstrukcji przepustnicy lub jej ewentualne zabrudzenie,

• zanieczyszczenie tarczy spiętrzającej sadzą lub osadami niespalonych węglowodorów.

Równie szczegółowe uwarunkowania można podać dla każdego rodzaju paliwa i rozwiązań konstrukcyjnych.

Niebezpieczeństwo związane z tlenkiem węgla

W wyniku braku dostatecznej ilości powietrza do spalania powstanie tlenku węgla i rozprzestrzenienie się go w pomieszczeniach skutkuje zatruciem użytkownika w różnym stopniu, do śmierci włącznie. Na rysunku 3., przedstawiono czas życia człowieka w atmosferze tlenku węgla w zależności od jego zawartości procentowej w powietrzu.

Doprowadzenie powietrza do spalania

W zależności od konstrukcji urządzenia spalającego (grzewczego) powietrze dostarczane jest różnymi drogami. Na rysunku 4. pokazano, jak to wygląda w przypadku palników kotłów atmosferycznych gazowych.

Paliwo, po przepłynięciu przez niewielki otwór dyszy, na skutek spadku ciśnienia i wzrostu prędkości powoduje zassanie powietrza, zwanego powietrzem pierwotnym. Następnie już wspólnie powietrze i paliwo wpływają do rury palnikowej i dalej jako mieszanina przez otwory rury do komory spalania, gdzie mieszanina ta ulega spalaniu. W strefie spalania nad rurą palnikową powietrze dodatkowo dopływa do płomienia. Uczestniczy też w spalaniu i zwane jest powietrzem wtórnym.

W kotłach atmosferycznych powietrze dopływa dodatkowo poprzez otwartą komorę czopucha, zwaną niekiedy skrzynką przyłączną. Nie bierze ono już udziału w spalaniu.

Inaczej wygląda spalanie w kotłach z palnikami wentylatorowymi. Mają one zamkniętą komorę spalania, nie ma więc możliwości dopływu powietrza wtórnego. Powietrze pierwotne zasysane jest przez wentylator i płynie w kierunku wylotu głowicy palnikowej, gdzie miesza się z paliwem i ulega spalaniu.

Jeszcze inne są konstrukcje palnikowe z tzw. wstępnym zmieszaniem. Paliwo miesza się w nich z powietrzem nieco wcześniej i mieszanka ta wpływa do komory, w której ulega spaleniu. Rozwiązania te stosowane są najczęściej w kotłach kondensacyjnych. Cechą szczególną jest tu stała proporcja paliwa do powietrza.

W palnikach nadmuchowych (wentylatorowych) obroty wentylatora i ustawienie klap regulacyjnych decydują o ilości powietrza. Wpływa na to ciśnienie atmosferyczne.

Użytkownik, a raczej serwisant, może regulować wzajemne proporcje paliwa i powietrza w celu optymalizacji procesu spalania zarówno poprzez zmianę ciśnienia gazu dopływającego do strefy zmieszania, jak i ilości powietrza dzięki zmianie położenia przepustnic regulacyjnych i tarczy spiętrzającej.

Podobnie zachowują się palniki nadmuchowe olejowe. Ich dodatkowymi elementami (ze względu na rodzaj paliwa) są dysza olejowa i pompa paliwowa. Decydują one o ilości paliwa wtryskiwanego do komory spalania, a wentylator z układem przepustnic wpływa na ilość powietrza podawanego do spalania.

Natomiast zupełnie inaczej wygląda proces spalania w przypadku kotłów czy też pieców na paliwo stałe. W piecu z zasypem ręcznym również mamy do czynienia z powietrzem pierwotnym i wtórnym. Powietrze wtórne wpływa do komory w strefę spalania, a pierwotne kierowane jest zwykle pod ruszt. Można regulować ilość jednego i drugiego powietrza poprzez zasłonięcie lub odsłonięcie otworów jego dopływu, a intensywność palenia poprzez ustawienie klapy szybra.

Z kolei kotły na pelet czy ekogroszek mają palnik retortowy. Paliwo podawane jest cyklicznie poprzez rurę ze ślimakiem transportowym, natomiast powietrze pierwotne do spalania, płynąc własnym kanałem, dostaje się już w strefę wylotową tacy (retorty). Powietrze wtórne przedostaje się poprzez otwory w drzwiczkach kotła i ewentualnie popielnika. Jego ilość jest regulowana przez zmianę wielkości tego otworu lub otworów.

Natomiast ilość powietrza pierwotnego regulowana jest najczęściej za pomocą ustawienia przepustnic lub zmiany obrotów wentylatora czy wentylatorów. W takim przypadku pojawia się dodatkowe niebezpieczeństwo (patrz fot. 1). Upraszczając, zbyt duża ilość powietrza pierwotnego, a więc zbyt duża prędkość jego wypływu w kielichu retorty powodować będzie wyrzucanie cząstek paliwa. Również asymetryczne podanie powietrza skutkuje asymetrycznym płomieniem i powstaniem dużej masy niespalonych cząstek paliwa.

We wszystkich tych wypadkach może występować zarówno spalanie niezupełne, jak i niecałkowite. Takie nieprawidłowości pojawiają się najrzadziej w kotłach kondensacyjnych. Konieczność wystąpienia zjawiska kondensacji powoduje wysokie wymagania wobec procesu i temperatury spalania. Osiągnięto to poprzez wstępne zmieszanie paliwa i powietrza oraz dużą dokładność regulacji zawartości dwutlenku węgla w spalinach (na poziomie 0,1%). Natomiast w palnikach wentylatorowych regulujący posiłkuje się zwykle dwiema wartościami, tj. optymalnym zakresem zawartości dwutlenku węgla w spalinach i dopuszczalną zawartością tlenku węgla. Można to także przedstawić w postaci odpowiedniej wielkości współczynnika nadmiaru powietrza i zwykle wynosi on od 1,16 do 1,30.

W praktyce często spotkać można takie „uregulowania” ilości powietrza, że współczynnik lambda wynosi 2,5 i więcej. Serwisanci wychodzą z założenia, że jeśli powietrza będzie bardzo dużo, tym lepiej. Nic bardziej mylnego. Okazuje się bowiem, że podając zbyt dużo powietrza, otrzymujemy efekt odwrotny od spodziewanego, wzrasta bowiem prędkość przepływu powietrza w głowicy palnika oraz komorze spalania, a paliwo nie zdąża się spalać, czego skutkiem jest gwałtowny wzrost zawartości tlenku węgla.

W piecach i kotłach z zasypem ręcznym (rusztowych), a więc tych najprostszych, nie może dojść do takiej sytuacji, nie ma bowiem możliwości zwiększenia ilości powietrza, ale zamykając jego dopływ, można spowodować wydzielanie się tlenku węgla i sadzy. Nie dotyczy to oczywiście kotłów rusztowych, które mają wentylator i układ przepustnic.

Podsumowanie

Zapewnienie właściwej ilości powietrza do spalania jest najważniejszą kwestią zarówno w aspekcie bezpieczeństwa użytkowania urządzeń grzewczych, jak i osiągania odpowiedniej ich sprawności. Na kwestie te ma wpływ wentylowanie pomieszczenia, w którym zlokalizowane są kotły, oraz regulacja palników kotłowych i czystość kanałów spalinowych.

Równie ważne jest prawidłowe ukształtowanie komina i zapewnienie odpowiedniego podciśnienia poprzez jego właściwą wysokość, szczelność, izolacyjność ścianek i ukształtowanie wylotu. Warto pamiętać, że funkcjonowanie komina można poprawić, zwiększając jego wysokość i izolując ścianki (mniejsze schłodzenie spalin), ale także montując głowicę (nasadę) zwiększającą ciąg kominowy (czyli ustawiającą się zawsze zgodnie z kierunkiem wiatru). Nie wolno jednak takich głowic obrotowych stosować do kotłów kondensacyjnych i należy pamiętać, że nasady wentylacyjne nie mogą być stosowane do kominów, ze względu na ułożyskowanie z tworzywa.

Literatura

1. Bylicki J., Lechman G., Palniki kotłów grzewczych cz. I–XIV, „Instal” 2002–2004.

2. Jarosiński J., Techniki czystego spalania, WNT, Warszawa 1996.

3. Kowalewicz A., Podstawy procesów spalania, WNT, Warszawa 2000.

4. Ryng M., Bezpieczeństwo techniczne w przemyśle – poradnik, WNT, Warszawa 1985.

5. Zdanowski M., Zapobieganie pożarom i wybuchom, IWZZ, Warszawa 1983.