Algorytm spalania

Algorytm spalania

Kocioł węglowy jest trudny w obsłudze ze względu na dużą zmienność parametrów związanych z procesem spalania. Wartość opałowa jest miarą zawartej w węglu energii chemicznej możliwej do przekształcenia w ciepło podczas spalania i zależna jest od szeregu innych właściwości opału czyli od części lotnych, uziarnienia, zawartości wilgoci i popiołu czy też spiekalności. Z tego też powodu węgle o ej samej wartości opałowej nie muszą spalać się tak samo a kierunek spalania może być różny. 
Węgiel spala się 2 stopniowo. Podczas gdy przekroczy 300stC zaczynają wydzielać się różne gazowe produkty rozkładu termicznego które spalają się w szybkim tempie ponieważ bardo dobrze mieszają się z powietrzem. Podczas tego procesu szybko wzrasta ilość gazów i ich ciśnienie w palenisku i komorze spalania, po osiągnięciu 550st C pozostaje koks który spala się bardzo wolno a jego spalanie jest tylko powierzchniowe. Ilość gazów i ciśnienie w palenisku i komorze spalania są wiele bardziej niższe. Bardzo ważna w tej sytuacji jest ilość części lotnych i uziarnienie która decyduje o stopniu poszerzenia powierzchni kontaktu stałej pozostałości koksowej z powietrzem. W polskich węglach zawartość lotnych części wynosi od 30% o 45%, natomiast w węglach z importu zawartość ich może być niższa i wynosić nawet 10%.
Różne uziarnienie węgla ma jeszcze większy wpływ na różnice w wielkościach aktywnej powierzchni kontaktu z powietrzem. Dla przykładu – stopień rozwinięcia powierzchni ziaren o średnicy 30mm wynosi około 200mm²/g, ziaren o średnicy 10mm – 600mm²/g, ziaren o średnicy 5mm – 1.200mm²/g, a ziaren o średnicy 1mm – aż 6.000mm²/g. Duże ziarna spalają się o wiele dłużej dlatego też przebywają dłużej w strefie spalania. Zbyt wczesne przesunięcie niedopalonych ziaren żaru powoduje stratę w postaci niecałkowitego spalania i powstaje podwyższona zawartość części palnych w popiele.
Wielkość ziaren węgla ma również istotny wpływ na hydraulikę przepływu gazów przez złoża paliwa, ponieważ od uziarnienia zależy wielkość objętości wolnych przestrzeni między ziarnami z złożu paliwa. Można teoretycznie stwierdzić że w razie gdyby ziarna miały jednakowy wymiar sumaryczna objętość wolnych przestrzeni między ziarnami nie zależy od średnicy ziaren czyli jest taka sama bez względu na to czy ziarna są duże czy małe byle były jednakowe. Objętość ta wynosi 30%-40% całkowitej objętości złoża w zależności od sposobu ułożenia kul względem siebie. Gdy ziarna mają nieregularne kształty objętość ta zwiększa się wyraźnie, a w szczególności gdy powierzchnia ziaren jest nieregularna i chropowata. Opory przepływu będą większe przy ziarnach drobniejszych.
(mniejsze powierzchnie przekroju kanałów międzyziarnowych, większe powierzchnie kontaktu gazów z paliwem stałym).
Przestrzenie rozpiętości uziarnienia paliwa silnie zmniejsza objętość wolnych przestrzeni między ziarnami ponieważ ziarna drobne lądują w pustych obszarach tworzonych przez ziarna grubsze. W ten sposób wzrasta gęstość nasypowa paliwa oraz opory przepływu.
W tym momencie należy zwrócić uwagę na fakt że instalowane w kotłach podajniki paliwa pracują w systemie dozowania objętościowego czyi jednorazowa dawka węgla podawanego do paleniska ma stałą objętość a nie stałą masę (w przypadku podajnika tłokowego powtarzalność objętości jednorazowej porcji jest wysoka, w przypadku podajnika ślimakowego powtarzalność objętości jednorazowej porcji jest niższa, gdyż podając paliwo ślimak nie wykonuje pełnego obrotu, tylko zmienną część obrotu, w zależności od intensywności podawania). Zmiana wielkości ziaren węgla doprowadza do zmiany chwilowych proporcji paliwa i powietrza pomimo niezmiennej wartości opałowej paliwa.
Dwa rodzaje węgla o tej samej wartości opałowej a tym samym uziarnieniu mogą różnić się zawartością wilgoci i popiołu, dlatego też skutki spalania tych paliw muszą być różne.
Spiekalność węgla czyli jego zdolność do tworzenia dużych spieków to fakt na który należy zwrócić uwagę. Duże spieki czyli takie które są większe od ziaren paliwa węglowego zmniejszają przede wszystkim powierzchnię kontaktu paliwa z powietrzem jak również zwiększają objętość wolnych przestrzeni między ziarnami w złożu paliwa. W ten sposób tworzą się kanały uprzywilejowanego przepływu którymi przelatują zwiększone ilości powietrza nie biorąc udziału w spalaniu. Na przedstawione wyżej problemy nakładają się problemy wynikające ze spadku ciśnienia powietrza [Pa] w komorze powietrznej palnika retortowego wypełnionego opałem w sortymencie „groszek” w zależności od wydajności wentylatora. Pełne ciśnienie oscyluje w zakresie obrotów wentylatora 100-70% a potem zaczyna spadać i przy obrotach wentylatora 50% ciśnienie osiąga zaledwie połowę ciśnienia wyjściowego, przy obrotach 40% wynosi tylko kilka Pa. Przy obrotach 35% natomiast spada już do zera.

Te wszystkie procesy dzieją się w okolicznościach ustalonych przyjętymi rozwianiami konstrukcyjnymi paleniska i komory spalania.