Spalanie

Spalanie

Ciepło generowane w procesie spalania stanowi główne źródło energii cieplnej dla większości kotłów. Niektóre kotły wykorzystują inne metody ogrzewania wody, takie jak kotły elektryczne, jednak te rozwiązania są mniej popularne niż kotły opalane paliwami kopalnymi.

Proces spalania polega na utlenianiu atomów wodoru w paliwie w celu uwolnienia energii cieplnej. Ponieważ kotły opalane paliwami kopalnymi są ściśle związane z produkcją pary, zrozumienie procesu spalania jest kluczowe dla lepszego pojęcia, jak generowana jest para. Ten rozdział omawia proces spalania oraz jego znaczenie w kontekście produkcji pary.

Reakcja chemiczna spalania

Spalanie to szybka reakcja utleniania paliwa, prowadząca do uwolnienia energii w postaci ciepła i światła. W tej lekcji konieczne jest zapoznanie się z niektórymi podstawowymi pierwiastkami chemicznymi i ich symbolami.

Tabela symboli chemicznych

Uwaga: Chociaż tlen ma symbol chemiczny „O”, najczęściej występuje w postaci cząsteczkowej „O2” i jest często tak oznaczany.

Paliwa są oparte na węglowodorach i reprezentowane przez wzór chemiczny CxHy; wartości x i y różnią się w zależności od rodzaju paliwa. Inne związki mogą powstawać, gdy pierwiastki łączą się ze sobą, na przykład gdy dwa atomy wodoru (H) łączą się z jednym atomem tlenu (O), tworząc wodę (H2O).

Poniższy obraz przedstawia reakcję chemiczną , która zachodzi, gdy paliwo (CxHy) jest spalane z tlenem (O). Reaktantami reakcji chemicznej są paliwo (węglowodory) i tlen. Produktami reakcji chemicznej są dwutlenek węgla (CO2), woda (H2O) i ΔH.

Symbol „ΔH” (delta H) to ciepło reakcji (znane również jako entalpia reakcji). ΔH reprezentuje ilość energii uwalnianej/przenoszonej przez reakcję chemiczną. ΔH różni się w zależności od stopnia kompletności spalania.

Reakcja chemiczna spalania

Wymagania dotyczące spalania

Spalanie może wystąpić tylko wtedy, gdy obecne są trzy czynniki:

• Tlen
• Ciepło
• Paliwo

W przypadku kotła tlen dostarczany jest przez powietrze atmosferyczne, które zawiera około 21% tlenu. Główne paliwa kotłowe to gaz ziemny, olej opałowy i węgiel. Ciepło można dostarczyć podczas zapłonu, na przykład tworząc łuk elektryczny w celu zapalenia mieszanki powietrza i paliwa.

Trójkąt ognia (znany również jako trójkąt spalania) wskazuje wymagania dotyczące spalania; tetraedr ognia (pokazany poniżej) pełni podobną funkcję.

Tetraedr ognia

Trzy czynniki spalania muszą być również dostarczone w odpowiednich proporcjach, w przeciwnym razie spalanie nie może wystąpić. Zbyt dużo powietrza i zbyt mało paliwa może uniemożliwić spalanie, podobnie jak zbyt dużo paliwa i zbyt mało powietrza.

Perfekcyjne, pełne i niepełne

Spalanie w kotle określa się jako perfekcyjne, pełne lub niepełne.

• Perfekcyjne spalanie – dostarczana jest dokładna ilość powietrza, aby osiągnąć pełne spalanie paliwa. Perfekcyjne spalanie jest osiągalne tylko w warunkach laboratoryjnych.
• Pełne spalanie – dostarczana jest minimalna ilość powietrza, aby osiągnąć pełne spalanie. Operatorzy kotłów powinni zawsze dążyć do osiągnięcia pełnego spalania.
• Niepełne spalanie – dostarczana jest zbyt mała ilość powietrza i dochodzi do niepełnego spalania. 

Pełne spalanie jest niezbędne, aby uniknąć obniżenia wydajności kotła i potencjalnych zagrożeń bezpieczeństwa. Gdy paliwo spala się całkowicie, powszechne produkty spalania to dwutlenek węgla (CO2), para wodna (H2O), azot (N2), tlenki siarki (SOx) i tlenki azotu (NOx). Jeśli paliwo nie spala się całkowicie, produkty spalania mogą obejmować tlenek węgla (CO), sadzę i dym.

Tlenek węgla to toksyczny, łatwopalny gaz, który jest mniej gęsty niż powietrze. Niepełne spalanie może prowadzić do powstawania tlenku węgla, co nie jest pożądane, ponieważ stanowi zagrożenie dla zdrowia i bezpieczeństwa. Inne produkty uboczne niepełnego spalania to sadza i dym, które mogą zmniejszać transfer ciepła w kotle, prowadząc do ogólnego spadku wydajności.

Powietrze pierwotne, wtórne i nadmiarowe

Ilość powietrza dostarczanego do kotła w celu spalania różni się w zależności od tego, czy spalanie jest pełne czy niepełne. Możliwe jest zmierzenie gazów spalinowych, aby określić, czy spalanie było pełne czy niepełne. Zbyt duża ilość tlenu w gazach spalinowych wskazuje, że dostarczono zbyt dużo powietrza do spalania. Wysokie poziomy tlenku węgla w gazach spalinowych wskazują, że dostarczono zbyt mało powietrza i spalanie było niepełne.

Jeśli paliwo nie spala się podczas spalania, poziomy tlenku węgla będą wysokie i konieczne będzie dostarczenie większej ilości powietrza przez palnik kotła, aby osiągnąć pełne spalanie. Jeśli podczas spalania dostarczono zbyt dużo powietrza, poziomy tlenu w gazach spalinowych będą wysokie i ilość powietrza dostarczanego do palnika kotła będzie musiała zostać zmniejszona.

Całkowite powietrze dostarczane do kotła jest dalej kategoryzowane jako pierwotne, wtórne lub nadmiarowe.

• Pierwotne powietrze – jest mieszane z paliwem przed dotarciem do przestrzeni spalania. Pierwotne powietrze kontroluje ilość spalanego paliwa.
• Wtórne powietrze – jest dodawane do przestrzeni spalania podczas spalania. Wtórne powietrze kontroluje, jak efektywnie paliwo jest spalane.
• Nadmiarowe powietrze – to powietrze dodane do procesu spalania, które nie było wymagane do spalania. Nadmiarowe powietrze to wtórne powietrze, które nie było częścią procesu spalania.
• Całkowite powietrze – suma powietrza dostarczanego do procesu spalania, tj. pierwotne powietrze + wtórne powietrze + nadmiarowe powietrze = całkowite powietrze.

Uwaga: Termin powietrze rozcieńczające opisuje powietrze dodawane do przewodu kominowego (przestrzeń między kotłem a kominem), aby wspomóc przepływ gazów spalinowych z kotła do atmosfery

Dodatkowe zasoby

https://en.wikipedia.org/wiki/Combustion

https://www.bbc.co.uk/bitesize/topics/zypsgk7/articles/zcwxcj6#

http://www.auburn.edu/academic/forestry_wildlife/fire/combustion.htm