На сайте представлены основные технические сведения по управлению котлами. Статьи предназначены для того, чтобы дать читателю достаточную информацию об основной теории, необходимой для понимания следующих статей, а также другой литературы по управлению котельными.

В статьях обсуждаются основы процесса сжигания, дается краткий обзор различных видов топлива, обычно используемых в этих процессах, и освещаются наиболее значительные выбросы и их последствия. Вместе с системами подачи топлива будут объяснены наиболее распространенные конструкции котлов, будет представлен обзор потерь в котельной системе, как измеряется эффективность такой системы, а также объяснены некоторые определения эффективности, часто используемые в контексте котла.

Горение

Горение – это химический процесс, при котором окислитель быстро реагирует с топливом, высвобождая накопленную энергию в виде тепловой энергии, обычно в виде высокотемпературных газов. В большинстве случаев окислителем, используемым для горения, является кислород (O2) в воздухе. Процессы горения были, есть и будут в ближайшем будущем основным генератором энергии в нашей цивилизации. Этими процессами необходимо хорошо управлять ради окружающей среды и устойчивости технологии.

Обычные виды топлива состоят из различных углеводородов, а это означает, что они состоят в основном из углерода (С) и водорода (Н). При сгорании углеводородов образуется в основном двуокись углерода (CO2) и вода (H2O). Для начала горения необходимо достичь температуры воспламенения топлива. Кроме того, пропорции топлива и воздуха должны быть в правильном диапазоне для начала горения. Например, природный газ не горит при концентрации в воздухе менее 5 % или более 15 %. Компоненты до реакции называются реагентами, а компоненты после сгорания называются продуктами.

Стехиометрическое сгорание

Идеальный процесс сгорания, при котором топливо сгорает полностью, называется стехиометрическим сгоранием. При стехиометрическом сгорании весь углерод, сера и водород окисляются и образуют только H2O, CO2 и SO2. Стехиометрический воздух, иногда также называемый теоретическим воздухом, представляет собой точное количество воздуха, необходимое для полного сгорания. На практике стехиометрическое горение реализуется редко из-за несовершенного перемешивания и конечных скоростей реакции. Поэтому процессы горения происходят с некоторым избытком воздуха.

Полное сгорание

Сгорание считается полным, если весь углерод в топливе сгорает до CO2, весь водород сгорает до H2O, а азот и сера образуют NO2 и SO2 соответственно. Кислород для горения обычно получают из воздуха, который в основном содержит азот, кислород, водяной пар, углекислый газ, аргон и другие газы. Для полного сгорания обычно требуется некоторое количество избыточного воздуха или кислорода сверх теоретического.

Неполное сгорание

Неполное сгорание – это когда продукты сгорания содержат несгоревшее топливо или компоненты, такие как C, H2, CO или OH. Например, не полностью окисленный углеводород образует частично окисленные соединения, такие как монооксид углерода, вместо воды и диоксида углерода. Кислород имеет большую склонность к соединению с водородом, чем с углеродом, поэтому топливо обычно полностью сгорает, образуя H2O. В результате некоторое количество углерода превращается в окись углерода или просто частицы углерода, сажу, в продуктах.

Неполное сгорание означает, что топливо используется неэффективно и даже может быть опасным из-за образования монооксида углерода. Недостаточное количество кислорода является очевидной причиной неполного сгорания. Другими причинами являются слишком низкие температуры пламени, недостаточное время пребывания реагентов в пламени и недостаточное перемешивание в камере сгорания в течение ограниченного времени, в течение которого топливо и кислород находятся в контакте.

Избыток воздуха

Для обеспечения полного сгорания в реальном процессе количество кислорода должно превышать теоретический уровень на определенный процент. Количество воздуха, превышающее теоретическое количество, называется избытком воздуха. Фактически невозможно предсказать фактическое сгорание и оценить необходимый избыток воздуха без измерения продуктов сгорания.

Избыток воздуха важен не только для обеспечения полного сгорания, тем самым гарантируя, что топливо не будет потрачено впустую, но также является ключевым фактором по соображениям безопасности, например, для сведения к минимуму образования опасных газов, таких как окись углерода. Избыток воздуха и его экстенсивное воздействие более подробно обсуждаются в следующих статьях.

Дымовые газы

Дымовые газы, также называемые выхлопными газами, являются результатом любого полного или неполного сгорания и содержат продукты сгорания, а также избыток воздуха. Если дымовые газы охлаждаются ниже определенной температуры, называемой точкой росы, часть газов конденсируется. Важно иметь возможность прогнозировать температуру точки росы, поскольку капли воды часто смешиваются с диоксидом серы, который может присутствовать в дымовых газах, образуя серную кислоту, обладающую высокой коррозионной активностью.

Топливо

Выбор топлива оказывает большое влияние на производительность печи. Как правило, топлива делятся по их физическому состоянию, т.е. твердые, жидкие и газообразные. Некоторые системы предназначены для использования более чем одного вида топлива. Свойства топлива различаются по многим аспектам, таким как содержание энергии, доступность и легкость равномерного распределения топлива в котле. Обычно используемые виды топлива кратко представлены ниже.

Твердое топливо

В качестве топлива в процессе сжигания может использоваться большое разнообразие твердых материалов. В принципе большинство горючих отходов можно использовать в качестве топлива. Чаще всего используются уголь, биотопливо, торф и отходы топлива.

Бытовой мусор – это неоднородное топливо, которое сильно различается по своему составу. Он может содержать различные типы материалов, таких как продукты питания, пластик, дерево, бумага, стекло и металл. Это приводит к высоким требованиям к оборудованию для сжигания и фильтрации дымовых газов для снижения выбросов. Поэтому отходы в основном используются в качестве топлива для производства централизованного теплоснабжения.

Уголь образуется в процессе, когда органический материал находится под давлением в течение длительных периодов времени. Процесс очень медленный, поэтому уголь считается невозобновляемым источником энергии. Наиболее распространенным видом угля для производства энергии в Швеции является битуминозный уголь или черный уголь. В Швеции уголь в основном используется в промышленности и на крупных теплоэлектростанциях.

Общее название изделий из древесины, соломы, тростника и энергетических культур – биотопливо. Биотопливо может быть преобразовано в древесную щепу, гранулы, брикеты или порошок, например, для облегчения транспортировки или придания топливу более однородной формы.

Эффективность сгорания пеллет очень высока по сравнению с древесиной, поскольку пеллеты очень плотные и имеют низкое содержание влаги. Единая форма также обеспечивает автоматическую подачу топлива.

Древесная щепа представляет собой небольшие однородные куски древесины, изготовленные из древесных отходов и отходов ландшафтного дизайна, лесозаготовок и лесопильных заводов.

Торф образуется на водно-болотных угодьях и состоит из частично разложившегося органического вещества и может трансформироваться в гранулы, брикеты или порошок. Годовое образование соответствует 20 ТВтч в Швеции, где собирается около 25 % этого количества. Торф до сих пор считается ископаемым топливом в рамках торговли квотами на выбросы.

Жидкое топливо

В основе большинства жидких топлив лежит нефть, полученная путем переработки сырой нефти, образовавшейся из растений и организмов при высокой температуре и давлении на дне морей и океанов. Основными компонентами нефтяного топлива являются углерод и водород. Другими составляющими являются азот, сера, зола и другие примеси. Классификация нефти различается в разных странах, но ее часто делят на шесть классов в соответствии с ее физическими характеристиками.

Мазут классов 1-2 имеет низкую плотность и, следовательно, также более низкую вязкость и называется дистиллятным маслом. Дизельное топливо относится к этой категории.

Наиболее распространенным топливом для горелок является нефть класса 1. Дистиллятные масла легче и являются относительно чистым топливом, в основном используемым для отопления домов, где важны такие факторы, как зольность и низкое содержание серы.

Классы 3-6 имеют более высокую плотность и называются остаточными маслами. Остаточные масла с высокой плотностью и высокой вязкостью должны быть предварительно нагреты, поскольку тяжелое дизельное топливо имеет тенденцию к затвердеванию при охлаждении. Одной из частых причин плохой работы жидкотопливной горелки является слишком высокая вязкость масла из-за недостаточного предварительного нагрева масла.

Иногда дистиллятные масла смешивают с более вязкими остаточными маслами для получения желаемой смеси. Также существуют некоторые виды жидкого биотоплива, такие как пальмовое масло и масло канолы, получаемые из измельченных семян рапса. Бионефть обычно имеет более низкое содержание энергии, чем мазут.

Газообразное топливо

Газообразное топливо легко равномерно распределить, чтобы добиться полного сгорания топлива. Таким образом, процесс горения легче контролировать по сравнению с использованием твердого или жидкого топлива. Более точное регулирование температуры позволяет влиять на образование NOx, температуру дымовых газов и добиваться оптимального регулирования.

Газообразные топлива содержат мало углерода по отношению к количеству энергии по сравнению с другими видами топлива, что приводит к относительно низким выбросам двуокиси углерода. Выбросы двуокиси серы, угарного газа и частиц сажи незначительны.

Примерами газообразного топлива, используемого для производства энергии путем сжигания, являются природный газ, городской газ и биогаз. Городской газ, произведенный из нефти, ранее распределялся по шведской газораспределительной сети. Сегодня его заменил природный газ, который также является ископаемым топливом, но приводит к более низким выбросам двуокиси углерода.

Природный газ представляет собой газовую смесь на основе метана. Газообразные углеводороды образуются при анаэробном разложении органического материала и откачиваются либо вместе с нефтью, либо из отдельных газовых скважин. Состав варьируется в зависимости от источника, обычно с концентрацией метана 70 % и выше. Природный газ в шведской газораспределительной сети состоит на 90 % из метана, на 6 % из этана и на 2 % из пропана. Сероводород всегда удаляется из газа, подаваемого через систему общего пользования, из-за высокой токсичности как самого газа, так и его продуктов.

Биогаз относится к газу, полученному в результате биологического разложения органических веществ, обычно из сточных вод и свалок, в отсутствие кислорода. Произведенный газ в основном состоит из метана и двуокиси углерода и считается возобновляемым источником энергии, который не способствует загрязнению окружающей среды, поскольку газ является частью природного цикла. Чтобы добавить биогаз в сеть распределения природного газа, газ должен быть повышен до более высокого содержания энергии, что достигается путем извлечения двуокиси углерода. Биогаз в основном используется для производства тепла, а затем используется в качестве топлива для транспортных средств.

Содержание энергии

Важным параметром для сравнения топлив для систем сжигания является скорость выделения тепла. Теплотворная способность – это количество тепла, выделяемое при полном сгорании единицы конкретного топлива. Если газ подается через фиксированное сопло, скорость потока будет варьироваться в зависимости от плотности, что приведет к разным скоростям выпуска. Лучшим параметром для сравнения газов является индекс Воббе, где более высокая теплотворная способность в МДж/м3 делится на удельную плотность по отношению к воздуху. Газы с одинаковым индексом Воббе будут производить одинаковое тепловыделение в печи при подаче через одно и то же сопло при одинаковом давлении подачи.

Управление котлами – повышение эффективности котельных