Самый простой процесс сжигания, используемый в котлах, состоит в том, чтобы иметь один источник воздуха для горения. Для повышения эффективности процесса сжигания, а также снижения различных выбросов была внедрена и широко используется технология, называемая ступенчатым сжиганием. Этот метод различается по сложности в зависимости от размера котельной системы. Ступенчатое сжигание, обычно используемое в котлах, представляет собой так называемый метод ступенчатого сжигания воздуха.

В системах, использующих этот метод, поток воздуха делится на первичный воздух и воздух наддува. Первичный воздух обычно подается непосредственно к топливу, точка входа немного различается в зависимости от типа горелки и топлива. В этой первичной зоне горения концентрация кислорода поддерживается ниже стехиометрического количества, обычной практикой является поддержание концентрации ниже 80 % стехиометрического количества. Это субстехиометрическое сгорание приводит к тому, что азот в топливе образует N2, тем самым значительно снижая образование NOx. Это также увеличивает время пребывания и повышает температуру. Неправильно контролируемый расход первичного воздуха может привести к увеличению количества несгоревшего топлива в дымоходе, сокращению времени пребывания, увеличению количества NOx и другим проблемам, отрицательно влияющим на эффективность.

В горелках на твердом топливе, особенно на биомассе, первичный воздух выполняет дополнительные функции. Поскольку топливо может содержать влагу, поток воздуха сначала используется для сушки топлива, а субстехиометрические условия вызывают газификацию топлива. На сайте более подробно описаны способы обработки содержания влаги. В системах с использованием колосников, в основном топочных, первичную зону горения можно разделить на три зоны; сушка, газификация и сжигание угля.

Для обеспечения полного сгорания вводится наддувочный воздух. Этот воздух подается над слоем горения и, в зависимости от размера котла, может подаваться в одну или несколько ступеней, называемых вторичным воздухом, третичным воздухом и т.д. Это поддерживает горение при относительно низких температурах, дополнительно снижая образование NOx. Воздух наддува часто размещается и управляется таким образом, что вызывает турбулентность, тем самым увеличивая время пребывания и улучшая смешивание воздуха и топлива.

В некоторых системах определенное количество дымовых газов рециркулируется в первичный воздух. В таких системах зона горения имеет более низкую концентрацию кислорода, что может снизить пиковые температуры пламени. Это может помочь значительно уменьшить образование термальных NOx.

Контроль избыточного воздуха

Как было сказано ранее, количество избыточного воздуха является важным аспектом эффективности котла. Идея контроля избытка воздуха заключается в том, чтобы определить точку, в которой потери от несгоревшего топлива и потери тепла в дымоходе минимальны. Эту точку обычно называют точкой дымления, а поскольку скорость потерь энергии на неполное сгорание в шесть раз больше, чем на избыток воздуха, предпочтительнее эксплуатировать котел как можно ближе к этой точке, не опускаясь ниже нее.

Во многих котлах уровень избытка воздуха устанавливается на фиксированное значение, которое находится при калибровке. В такой системе количество избыточного воздуха часто устанавливается на достаточно высокое значение, чтобы убедиться, что котел работает в безопасных пределах. В более сложных системах управления уровень избыточного воздуха постоянно контролируется и регулируется. Это позволяет осуществлять более консервативный контроль и снизить концентрацию избыточного кислорода в дымовых газах. Это делается путем измерения кислорода с помощью датчиков, размещенных в стратегических местах в дымоходе, и регулирования скорости воздушного потока для достижения определенного заданного значения кислорода.

Для каждой горелки, вида топлива и нагрузки существует определенная оптимальная концентрация кислорода в дымовых газах, чтобы свести к минимуму как потери тепла, так и потери через несгоревшее топливо, в зависимости от нескольких характеристик системы.

Тип топлива играет большую роль в определении необходимого избыточного воздуха, твердое топливо обычно требует большего избыточного воздуха, чем жидкое или газообразное топливо, для правильного смешивания. Система подачи топлива также может влиять на потребность в избыточном воздухе, поскольку некоторые системы способствуют лучшему смешиванию топлива и воздуха, чем другие, например, распыление жидкого топлива и суспензионное сжигание твердого топлива. Наконец, для конкретного топлива и горелки оптимальный уровень избытка кислорода зависит от скорости горения. Потребность в избыточном воздухе обычно минимальна, когда котел работает с полной нагрузкой, и увеличивается при снижении расхода топлива.

Чтобы еще больше улучшить контроль избыточного воздуха, можно измерять и другие соединения в дымоходе и использовать их для более точного контроля. Это можно сделать, например, используя значения CO для оптимизации контроллера O2. Большинство поставщиков и консультантов по системам управления предпочитают использовать О2 в качестве основной регулируемой переменной и использовать СО для усовершенствования управления там, где это экономически оправдано. Можно ожидать, что внедрение в систему регулятора избытка воздуха на основе O2 повысит эффективность на 80–90 %, в то время как добавление CO в регулятор, скорее всего, даст дополнительные 0,1–1 %.

Объединение данных мониторинга как CO, так и O2 обеспечивает точную картину условий горения в котле. CO как функция O2 в дымовых газах для определенной мощности сжигания образует кривую, по которой можно найти оптимальную рабочую точку. На графике видно, что оптимальное количество кислорода в дымоходе находится непосредственно перед изломом кривой. Таким образом, мониторинг CO в дымовых газах может позволить контроллеру определить оптимальную уставку для конкретных условий и динамически регулировать эту уставку независимо от типа топлива.

В дополнение к O2 и CO регуляторы избытка воздуха могут также использовать другие параметры, такие как CO2, углеводороды и непрозрачность. Например, в горелках с твердым топливом обычных методов контроля избытка воздуха может оказаться недостаточно, поскольку механизмы комбинирования воздуха и топлива менее точны. В этих котлах обычно используется ступенчатое сжигание, поэтому воздух подается в качестве первичного воздуха и воздуха для перегрева.

Уровень избыточного воздуха можно надлежащим образом контролировать, регулируя скорость воздушного потока в зависимости от скорости подачи топлива. Исследования показывают, что CO в первую очередь зависит от воздуха наддува и практически не зависит от расхода первичного воздуха. Таким образом, сигнал СО используется для управления потоком воздуха наддува, в то время как сигнал СО2 используется для управления расходом первичного воздуха с целью максимизации образования СО2. Управление первичным воздухом является сложной задачей, поскольку оптимальный уровень СО2 зависит от энергоемкости топлива, его влажности, распределения слоя и скорости потока.

Простая стратегия управления заключается в многократной ступенчатой регулировке расхода первичного воздуха в поисках движущегося пикового уровня CO2. Для измерения содержания CO, CO2, O2, а также других соединений в дымовых газах можно использовать различные устройства, такие как лямбда-сенсоры и различные методы спектроскопии. Наиболее часто используемые инструменты описаны в других статьях сайта.