Kotel / Fyzikální principy

Spalování tuhých paliv

Při spalování paliv se uvolňuje určité množství tepla

Spalování paliv je fyzikálně chemický děj mezi palivem a okysličovadlem, kdy dochází k oxidaci paliva s uvolňování tepla. Palivo se současně rozkládá až na konečné produkty spalování.

Hmotové složení tuhých paliv zahrnuje hořlavé složky, nespalitelné látky – popeloviny a vodu. Hořlavina se aktivně podílí na hoření a je nositelem uvolňované chemicky vázané energie v palivu. Nejvýznamnější prvky hořlaviny, u kterých se hořením uvolňuje energie, jsou uhlík, vodík a síra. Kyslík a dusík sice taky patří do kategorie hořlaviny, ale na hoření se podílejí jen pasivně bez energetického zisku.

Kromě hořlaviny obsahují paliva i nehořlavé složky různých chemicky vázaných látek, obecně nazývaných popeloviny. Působením tepla, vzniklého hořením hořlaviny, dochází v popelovinách k chemickým proměnám, přičemž vznikají látky nové, tvořící výsledný popel. Rostoucí podíl popelovin v palivu snižuje jeho výhřevnost (množství tepla, které se uvolní úplným spálením 1 kg paliva, bez uvažování měrného skupenského tepla vypařování vzniklé páry).

Taktéž větší obsah vody v palivu má negativní vliv na proces spalování. Po odpaření zvětšuje objem spalin a tím množství odvedeného tepla komínem, působí jako inhibitor hoření a snižuje teplotu spalování. Například dva roky sušené dřevo má přibližně dvojnásobnou výhřevnost než dřevo surové.

Proces spalování většinou potřebuje na začátku nějaký tepelný iniciátor, později se hořením části paliva iniciují další částečky nespáleného paliva a proces končí spotřebováním paliva nebo uhašením ohně (zamezení přístupu okysličovadla nebo prudké ochlazení hořícího paliva).

Výslednými produkty spalování jsou:

• teplo uvolněné spalováním,
• směs plynných spalin, většinou oxidů hořlavých látek,
• tuhé nespálené zbytky (popel a škvára).

Nejvýznamnější prvky hořlaviny

Chemicky lze spalování vyjádřit pomocí rovnic oxidace prvků hořlaviny:

C + O₂ = CO₂     2H₂ + O₂ = 2H₂O     S + O₂ = SO₂

Uvedené rovnice lze zapsat i hmotnostně, případně objemově. Uvedeme na příkladu první rovnice spalování uhlíku, při kterém se uvolní přibližně 400 MJ/kmol energie ve formě tepla.

C + O₂ = CO₂

1 kmol (C) + 1 kmol (O₂) = 1 kmol (CO₂)

12,01 kg (C) + 32 kg (O₂) = 44,01 kg (CO₂)

12,01 kg (C) + 22,39 Nm³ (O₂) = 22,26 Nm³ (CO₂)

Z uvedených rovnic vyplývá, že pro spálení 1 kg uhlíku je třeba dodat asi 2,67 kg (1,86 Nm³) kyslíku a vznikne 3,67 kg (1,85 Nm³) oxidu uhličitého. Analogicky pro spálení 1 kg vodíku je třeba 7,94 kg (5,55 Nm³) kyslíku a vznikne 8,94 kg (11,11 Nm³) vody nebo páry a 1 kg síry si vyžádá 0,99 kg (0,7 Nm³) kyslíku a vznikne 1,99 kg (0,68 Nm³) oxidu siřičitého.

Pokud označíme C^r, H^r, S^r a O^r jako poměrné hmotnostní zastoupení uhlíku, vodíku, síry a kyslíku v palivu, potom teoretické množství kyslíku potřebné ke spálení 1 kg paliva m_O2 [kg/kg] bude:

m_O2 = 2,67 . C^r + 7,94 . H^r + 0,99 . S^r − O^r

Poslední člen rovnice představuje odečtený kyslík, který je obsažen v palivu a není nutné jej dodávat externě. Pokud bychom chtěli výpočet převést na množství vzduchu potřebného pro spálení 1 kg paliva, vydělíme množství kyslíku poměrným zastoupením kyslíku ve vzduchu (O^rvzd = 0,2095).

m_vzd = m_O2 / O^rvzd

Podobně postupujeme i v případě objemového množství kyslíku V_O2 [Nm³/kg]:

V_O2 = Vm_O2 . (C^r / M^C + H^r / (2 . M^H2) + S^r / M^S − O^r / M^O2) a

V_vzd = V_O2 / O^rvzd

kde:

Vm^O2 – molární objem kyslíku (22,39 m³/kmol)
M^C, M^H2, M^S, M^O2 – molární hmotnost uhlíku, vodíku, síry a kyslíku

Rovnici objemového množství kyslíku můžeme zapsat zjednodušeně i pomocí koeficientů:

V_O2 = 1,865 . C^r + 5,553 . H^r + 0,699 . S^r − 0,7 . O^r

Tepelný výkon kotle

Tepelný výkon kotle představuje množství tepla potřebné pro ohřátí napájecí vody, odpaření a přehřátí určitého množství páry na nominální projektové parametry. Toto teplo se získává spalováním paliva o určité výhřevnosti – vzniklé spaliny předávají své teplo přes teplosměnné plochy vodě a páře. Porovnáním tepelného výkonu kotle Q_v [W] a celkového příkonu představujícího teplo přivedené v palivu Q_p [W] můžeme definovat účinnost spalovacího zařízení η – účinnost transformace energie při spalování.

η = Q_v / Q_p

Teplo přivedené v palivu můžeme zjednodušeně zapsat jako součin množství paliva za určitý čas M_pal [kg] a jeho výhřevnosti Q_ir [J/kg]:

Q_p = M_pal . Q_ir

Tepelný výkon předaný vodě a páře se u energetických kotlů skládá z několika částí. První je teplo předané ostré páře Q_pp [W]:

Q_pp = M_pp . (i_pp − i_nv)

kde:

M_pp – je průtok ostré primární páry z kotle na turbínu [kg/s]
i_pp – je entalpie ostré přehřáté páry z kotle [J/kg]
i_nv – je entalpie napájecí vody vstupující do kotle [J/kg]

Druhou položkou je teplo předané částečně expandované páře Q_mp [W] při jejím opětovném přihřívání v kotli:

Q_mp = (M_mp − M_vst) . (i_mp2 − i_mp1)

kde:

M_mp – je průtok přihřívané páry z kotle do ST dílu turbíny [kg/s]
M_vst – je průtok vstřiků napájecí vody do přihřáté páry z důvodu regulace teploty [kg/s]
i_mp2 – je výstupní entalpie přihřívané páry [J/kg]
i_mp1 – je vstupní entalpie přihřívané páry [J/kg]

Další částí tepelného výkonu je teplo předané napájecí vodě vstřikované do přihřáté mezipáry při snižování její teploty – Q_vst [W]:

Q_vst = M_vst . (i_mp2 − i_nv)

Pokud uvažujeme o bubnovém kotli s cirkulací ve výparníku, musíme do výrobního tepla započíst i teplo na ohřev odluhu bubnu Q_odl [W]:

Q_odl = M_odl . (i_w − i_nv)

kde:

M_odl – je průtok odluhové vody z kotle [kg/s]
i_w – je entalpie napájecí vody ohřáté na mez sytosti [J/kg]

Celkový tepelný výkon kotle Q_v [W] je součtem dílčích tepel:

Q_v = Q_pp + Q_mp + Q_vst + Q_odl