INOVACE ODBORNÉHO VZDĚLÁVÁNÍ NA STŘEDNÍCH ŠKOLÁCH ZAMĚŘENÉ NA VYUŽÍVÁNÍ ENERGETICKÝCH ZDROJŮ PRO 21. STOLETÍ A NA JEJICH DOPAD NA ŽIVOTNÍ PROSTŘEDÍ

INOVACE ODBORNÉHO VZDĚLÁVÁNÍ NA STŘEDNÍCH ŠKOLÁCH ZAMĚŘENÉ NA VYUŽÍVÁNÍ ENERGETICKÝCH ZDROJŮ PRO 21. STOLETÍ A NA JEJICH DOPAD NA ŽIVOTNÍ PROSTŘEDÍ

CZ.1.07/1.1.00/08.0010

PARNÍ KOTLE Doc. Ing. VLADISLAV POLACH, CSc.

TENTO DOKUMENT JE SPOLUFINANCOVÁN EVROPSKÝM SOCIÁLNÍM FONDEM A STÁTNÍM ROZPOČTEM ČESKÉ REPUBLIKY

PARNÍ KOTLE OBSAH Předmluva Úvod Rozdělení kotlů Základní parametry kotle Tepelné ztráty kotle Účinnost kotle Uspořádání výrobních jednotek v kondenzační parní elektrárně Paliva, druhy a základní vlastnosti Druhy a složení paliv Důležité vlastnosti tuhých paliv Důležité vlastnosti kapalných paliv Důležité vlastnosti plynných paliv Základy spalování fosilních paliv Výpočet spotřeby spalovacího vzduchu a množství spalin při dokonalém spalování tuhých a kapalných paliv 3.2 Přibližný výpočet spotřeby spalovacího vzduchu a množství spalin z výhřevnosti fosilního paliva 4. Spalovací zařízení 4.1 Příprava paliva před spalováním 4.1.1 Příprava plynného paliva 4.1.2 Příprava kapalného paliva 4.1.3 Příprava tuhého paliva 4.2 Ohniště 4.2.1 Roštová ohniště 4.2.2 Prášková ohniště 4.2.2.1Granulační ohniště 4.2.2.2 Výtavná ohniště 4.2.3 Cyklonová ohniště 4.2.4 Fluidní ohniště 4.2.5 Ohniště na kapalná a plynná paliva 4.3 Ohříváky spalovacího vzduchu 4.3.1 Význam ohřívání spalovacího vzduchu 4.3.2 Typy ohříváků vzduchu 4.4 Zařízení k odstranění tuhých zbytků po spálení – odstruskovací zařízení 4.4.1 Odstruskování mechanické 4.4.2 Odstruskování hydraulické 4.4.3 Odstruskování pneumatické 4.5 Zařízení k odstranění škodlivých látek ze spalin 4.5.1 Techniky ke snižování tuhých emisí – odlučováky popílku 4.5.2 Techniky ke snižování plynných emisí 4.5.2.1 Odstraňování oxidu siřičitého 4.5.2.2 Odstraňování oxidů dusíku 5. Výměníková část parního kotle 5.1 Kotle s přirozeným oběhem vody ve výparníku 1. 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 2. 2.1 2.2 2.3 2.4 3. 3.1

3 3 3 4 8 8 10 10 10 13 15 16 17 19 19 19 19 20 21 23 24 27 28 29 31 32 35 36 36 37 38 39 40 41 42 42 45 45 47 48 49

5.2. 5.3 5.4 5.5 5.6 5.7 5.8 5.9 5.10 6. 6.1.1 6.1.2 6.1.3 6.1.4 6.2 6.2.1 6.3 6.3.1 6.3.2 6.3.3 6.3.4 7.

Kotle s nuceným oběhem vody Kotle průtočné Kotle se superponovanou cirkulací kotle Spalinové kotle paroplynových bloků Ohřívák vody Přehřívák páry, uspořádání a typy Přihřívák páry Armatura kotle Regulace parního kotle Voda pro parní kotle Vlastnosti vody Měrná elektrická vodivost Obsah solí, solnost Tvrdost vody Předúprava surové vody pro energetická zařízení Odstraňování mechanických nečistot, filtrace, čiření vody Úprava přídavné napájecí vody Změkčování vody Desilikace vody Demineralizace vody Odplynění vody Použitá literatura

51 51 54 55 56 57 60 61 62 64 65 65 66 67 68 68 70 71 72 73 74 76

Symboly a indexy jednotlivých veličin jsou uvedeny přímo v textu. Předmluva Předložený text udává základní poznatky z oboru spalovacího zařízení a výměníkové části parních kotlů. Je určen pro studenty středních škol technického směru a pro pracovníky v provozu energetických zařízení pro případné rozšíření znalostí z daného oboru.

1

1.

ÚVOD

ROZDĚLENÍ KOTLŮ -

-

kotel je zařízení vyrábějící horkou vodu nebo tlakovou páru pro otopné, technologické nebo energetické účely. Sestává v obecném případě: ze spalovacího zařízení s příslušenstvím – palivové hospodářství, ohniště, ohříváky vzduchu, vzduchové a sací ventilátory, zařízení k odvodu tuhých zbytků po spalování, zařízení k odstranění škodlivin ze spalovacího procesu z výměníkové části, v níž se uskutečňuje ohřev vody, dochází k jejímu odpaření a přehřívání vzniklé páry neoddělitelnou součástí kotle je též celá řada zařízení a přístrojů sloužících k měření, regulaci a zajištění spolehlivého a bezpečného provozu.

Rozdělení kotlů existuje celá škála různých způsobů dělení kotlů: - podle použití se kotle dělí na elektrárenské, teplárenské, kotle pro výtopny, pro spalovny, utilizační (na odpadní teplo) - podle provedení jsou stacionární, řidčeji mobilní, zvláštní skupinu tvoří kotle balené - podle použitého paliva a druhu ohniště rozeznáváme kotle na tuhá, kapalná a plynná paliva, kotle roštové, práškové (granulační resp. výtavné), cyklónové, fluidní, olejové, plynové, kombinované apod. - dle oběhu vody ve výparníku lze kotle rozdělit na kotle s přirozeným oběhem, nuceným oběhem, průtočné, se superponovanou cirkulací - podle tlaku se někdy dělí kotle na nízkotlaké (do 2,5 MPa), středotlaké (do 6,4 MPa), vysokotlaké (do 22,15 MPa) a s nadkritickým tlakem (nad 22,15 MPa) - podle způsobu nasazení se vyrábějí kotle jako špičkové, pološpičkové a pro základní zatížení. 1.2

ZÁKLADNÍ PARAMETRY KOTLE

Volba základních hodnot kotlů je do značné míry doporučena normou ČSN 07 0010. Tato norma definuje základní názvosloví: Jmenovitý výkon parního kotle [kg/s], [t/h] – výkon, který kotel musí trvale dodávat při dodržení jmenovitých hodnot základních parametrů. Řada jmenovitých výkonů je doporučena normou. Základní parametry kotle – tlak přehřáté pára, teplota přehřáté páry teplota přihřáté páry a teplota napájecí vody. Tlak přehřáté páry [MPa] – tlak páry na výstupu z kotle. Měří se před hlavním uzávěrem kotle. Není-li hlavní uzávěr, měří se na výstupu z tlakového celku kotle. Teplota přehřáté páry [°C] – teplota páry na výstupu z kotle. Měří se na stejném místě jako tlak páry

2

Teplota přihřáté páry [°C] – měří se na výstupu z přihříváku Teplota napájecí vody [°C] – měří se před místem, kde začíná přívod tepla z paliva do napájecí vody, tj. obvykle před ohřívákem vody, u kotlů bez ohříváku vody před vstupem do kotlového bubnu. Jmenovité parametry – hodnoty základních parametrů určené k udržování při trvalém provozu kotle. Řada jmenovitých parametrů je doporučena citovanou normou. Základní parametry kotlů Tlak páry (MPa) jmenovitý

nejvyšší

konstrukční

0,83

0,88

0,88 0,98 1,37 1,52 2,84 4,41 7,65 11,38 17,1

Teplota páry jmenovitá [°C]

sytá 200 sytá 220 380 445 485 540 540

Dovolené úchylky od jmenovité teploty [°C] +30, -15 +30, -15 +20, -15 +15, -10

Napájecí voda Teplota při jmen. výkonu úchylky jmenovitá dovolené [°C] [°C] do 105

Výkon kotle jmenovitý (t/h)

0,4;0,6;1,0;1,6;2,5; 4,0;6,0;8,0 1,32 1,37 105 0,4;0,6;1;1,6;2,5; 4;6;8;12;16;25 2,45 2,55 105 12;16;25 3,73 3,92 145 16;25;35;50 6,38 6,77 165 50;75;115 9,4 9,9 225 75;115;150;215 13,6 14,3 230 160;215;250;325 ± 10 ±8 420;480 540;570 240 350 17,5 18,6 540;570 250 630;800;1550 25,4 26,7 540;570 260 800;1550 Hodnota nejvyššího tlaku je závazná. Hodnoty konstrukčního tlaku uvedené v tabulce jsou nejvyšší, skutečné hodnoty určí výrobce kotle.

1.3 TEPELNÉ ZTRÁTY KOTLE Velikost jednotlivých tepelných ztrát kotle je nutno při návrhu nového kotle předem odhadnout. Obvykle se při spalování tuhých paliv uvažuje pět základních ztrát: a)

ρc

ztráta hořlavinou v tuhých zbytcích

b)

ρco

ztráta hořlavinou ve spalinách

c)

ρsv

ztráta sdílením tepla do okolí

d)

ρf

ztráta fyzickým teplem tuhých zbytků

e)

ρk

ztráta citelným teplem spalin (komínová)

3

a)

Ztráta hořlavinou v tuhých zbytcích vzniká pouze při spalování tuhých paliv, a to jestliže zrna paliva neshoří úplně, takže část uhlíku zůstane v tuhých zbytcích odchází s nimi z ohniště. Protože tuhé zbytky odcházejí z kotle v různých místech a formách, má ztráta ξC vždy několik složek (nejméně dvě: 1. ve škváře nebo strusce, popř. i propadu z ohniště, 2.v popílku z dodatkových ploch a odlučovačů popílku; předobré funkci odlučovačů je úlet zanedbatelný; ztráta palivem v brýdách přichází v úvahu jen u tzv. otevřených mlecích okruhů, kde se brýdy nezavádějí do ohniště, ale vypouštějí se do ovzduší). Obecný vzorec pro tuto ztrátu je

ξ c   ξ cj   X j

Ci Ar . 33 r 1  Ci Qi

(1.1)

kde je Ci – obsah (poměrná hmotnost) uhlíku v příslušné formě tuhých zbytků [kg/kg]. Xj – podíl příslušné formy tuhých zbytků v celkové popelové bilanci [v dílech 1] Ar – obsah popela ve spalovaném palivu [kg/kg] Q ir - výhřevnost spalovaného paliva [MJ/kg]

Obsah uhlíku se stanoví laboratorně z odebraných vzorků tuhých zbytků. Popelová bilance se může určit vážením jednotlivých forem tuhých zbytků; s uspokojivou přesností však lze použít také směrné hodnoty Xs, Xp a Xr. Xs – podíl tuhých zbytků ve škváře, strusce Xp - podíl tuhých zbytků v popílku Xr – podíl tuhých zbytků v propadu Typ ohniště Roštové Granulační Výtavné

Xs 0,65 až 0,75 0,10 až 0,20 0,35 až 0,50

Xp 0,33 až0,12 0,85 až 0,75 0,55 až 0,40

Xr 0 až 0,06 -

Předpokládá se, že část laboratorně stanoveného popela se v ohništi zplyní, takže v hmotové bilanci se projevuje deficit 5 až 10 %. Pro obsah uhlíku v tuhých zbytcích se uvádějí tyto směrné hodnoty: Typ ohniště Roštové Granulační Výtavné b)

Cs 0,10 až 0,18 0,10 0

Cp 0,20 až 0,25 0,03 až 0,08 0,02 až 0,06

Cr 0,30 až 0,35 -

Ztráta hořlavinou ve spalinách vzniká při nedostatku vzduchu nebo při špatném promísení paliva se vzduchem během spalování; projevuje se tím, že se ve spalinách objeví spalitelné plyny, zpravidla oxid uhelnatý (CO), méně často a v nepatrných množstvích také vodík (H2), metan (CH4) a popř. další plyny.

4

ξco



K CO CO 2  CO

(1.2)

kde je - součinitel;u tuhých paliv je K ≤ 0,62 - poměrný objem CO, CO2 [%] v suchých spalinách; může se stanovit přímo (pomocí detekčních trubiček nebo jinou metodou) anebo nepřímo (výpočtem z naměřených hodnot CO2 a O2). Aby bylo zajištěno dostatečné množství spalovacího vzduchu, doporučuje se udržovat v ohništi tyto součinitele přebytku vzduchu: K CO, CO2

Typ ohniště

Součinitel α 1,3 až 1,5 1,15 až 1,2 1,08 až 1,1 1,02 až 1,05

Roštové Granulační Výtavné Olejové nebo plynové

Ztráta sdílením tepla do okolí nazývaná také ztráta sáláním a vedením ξ sv, bývá u současných kotlů s dobrou izolací a oplechováním (zvláště je-li natřeno hliníkovou barvou) malá a ještě velmi rychle klesá s rostoucí velikostí kotle. U malých kotlů (pro ústřední nebo etážové vytápění) může dosahovat hodnoty až 0,04 (tj. 4 %). Informativní hodnoty (popř. s lineární interpolací) uvádí následující tabulka. U starších kotlů s těžkou cihlovou zazdívkou nebo s černým oplechováním jsou tyto hodnoty asi 1,3 krát až 2 krát vyšší. Protože při různých výkonech kotle zůstává absolutní velikost ztráty QSV [MWt] stálá, její relativní velikost bude nepřímo úměrná skutečnému výkonu Q ξ ´śv  ξ sv už nom (1.3) Q už skut c)

Informativní hodnoty ztráty sdílení tepla do okolí Jmenovitý výkon Quž nom 2 MW 10 MW 20 MW 50 MW 100 MW 500 MW

Ztráta ξsv 0,030 0,020 0,013 0,010 0,006 0,004

Ztráta fyzickým teplem tuhých zbytků se počítá podobně jako ztráta hořlavinou v tuhých zbytcích a jako součet ztrát v jednotlivých formách tuhých zbytků. Platí : Ar 1 ξf = ∑ ξfj = ∑ Xj r cj tj (1.4) Qi 1  C j d)

kde je cj – měrná tepelná kapacita tuhého zbytku j [kJ/kg °C] tj – teplota tuhého zbytku j [°C]

5

Tato ztráta není příliš velká a pro přibližný (informativní) výpočet lze připustit podstatné zjednodušení uvedeného vzorce tím, že se budou za nezávisle proměnné veličiny pokládat pouze Ar a Q ir , kdežto u ostatních veličin se jejich směrné (popř. doporučené nebo statisticky zjištěné) hodnoty budou brát jako konstanty. Pak bude Ar ξf = B (1.5) Q ir kam se dosadí hodnoty Ar [kg/kg ] a Q ir [MJ/kg] a příslušné hodnoty součinitele B: Ohniště B S pásovým roštem 0,6 S přesuvným roštem 0,5 Granulační 0,25 Výtavné 0,85 e)

ξk =

Ztráta citelným teplem spalin, komínová ztráta je dána rozdílem entalpie spalin při teplotě, s níž spaliny odcházejí z kotle (tk), a při teplotě vzduchu vstupujícího do kotle (tvz). I pvt k   I pvt vz 

(1.6)

Q dod

Teplo spalin by se v kotli využilo bez ztráty jen tehdy, kdyby se spaliny ochladily až na teplotu vzduchu přiváděného do kotle, tj. před jeho ohřátím . Výpočet vzorce (1.6) je komplikovaný, je nutné znát úplné složení spalin a měrné tepelné kapacity těchto složek při daných teplotách. Pro praktickou potřebu vyhovuje s uspokojivou přesností vzorec ξk = ( A +

t  t vz B ) k 100 CO 2

(1.7)

Součinitele A a B byly stanoveny pro typické druhy paliv takto : Palivo A Černé uhlí 0,005 0,008 Hnědé uhlí Wir = 0,2 0,012 W r = 0,4

B 0,63 0,63

Topný olej Zemní plyn

0,60 0,33

i

0,006 0,011

0,66

Příklad : V granulačním ohništi se spaluje hnědé uhlí s obsahem vody Wir = 0,3; ve spalinách odcházejících z kotle (za poslední výhřevnou plochou) bylo naměřeno CO2 = 14,5 % (tj. αk = 1,38); v tomtéž průřezu byla naměřena teplota spalin tk = 168 °C, teplota vzduchu dopravovaného do kotle je tvz = 33°C. Součinitele A a B pro dané Wir stanovíme lineární interpolací (A = 0,01; B = 0,645). Ze vzorce vychází ξk = 0,07355 = 7,36 %.

6

Teplota spalin má sice být co nejnižší, ale nesmí klesnout pod rosný bod spalin, protože pak by se chladnější výhřevné plochy (vstupní díly ohříváku vzduchu a ekonomizéru) zalepovaly popílkem a korodovaly by. Doporučené hodnoty tk jsou u práškových kotlů 130 až 160 °C a u roštových kotlů 150 až 200 °C (vyšší hodnoty platí pro paliva s větším obsahem vody a síry). ÚČINNOST KOTLE

1.4

a) Účinnost kotle přímým způsobem Z tepelné bilance kotle lze určit účinnost přímým způsobem : MpvQnηk = Mp (ip – in) + Mm (im2 – im1) + M0 (i´- in) (kW) v níž Mpv Qn značí teplo přivedené v palivu, Mp (ip – in) výrobní teplo přehřáté páry, Mm(im2 – im1) výrobní teplo přihřáté páry a M0 (i´- in) teplo v odluhované vodě využité v rámci zapojení zdroje. ηk =







M p i p  i n  M m i m 2  i m1   M o i  i n



M pv Q n

(1.8)

b) Účinnost kotle nepřímým způsobem Ze známé velikosti poměrných tepelných ztrát kotle je možné určit jeho účinnost nepřímým způsobem : ηk = 1 – ρc - ρco - ρsv - ρf - ρk [ - ]

(1.9)

Účinnost kotlů na vysoké parametry páry při spalování fosilních paliv je η = 88 – 92 %.

USPOŘÁDÁNÍ VÝROBNÍCH ELEKTRÁRNĚ

1.5

JEDNOTEK

V KONDENZAČNÍ

PARNÍ

Princip tepelné elektrárny -

-

Do kotle je napájecími čerpadly dodávána chemicky upravená voda (demineralizovaná voda), v ohříváku napájecí vody (ekonomizéru) se napájecí voda předehřeje a poté vstupuje do výparníku kotle, kde se mění na páru. Takto vznikající sytá pára však obsahuje příliš málo energie a je proto dále ohřívána spalinami v tzv. přehřívácích na teplotu, která dosahuje u vysokotlakých kotlů až 650°C. Tato tzv. ostrá (admisní) pára pak proudí do turbíny. Pára svou vnitřní energii předává nejdříve ve vysokotlakém , poté v nízkotlakém díle parní turbíně, kterou roztáčí. Pro vyšší účinnost se pára po průchodu částí turbíny vede zpět do kotle k tzv. mezipřihřátí, při kterém se opět zvýší teplota, a pak se znovu zavede do středotlaké a nízkotlaké části turbíny. Když pára odevzdá veškerou využitelnou energii, kondenzuje v kondenzátoru a vrací se zpět do kotle. Odebrané teplo se ve vnějším okruhu odvádí z elektrárny do řeky nebo prostřednictvím chladicích věží do ovzduší.

7

Koncepce a hlavní jednotky. Ve starších elektrárnách s malými stroji (do 50 MW) a v parních teplárnách se dosud používá sběrnicové uspořádání výrobních jednotek (obr. 1.1). U čistě kondenzačních elektráren se užívá výhradně blokové uspořádání; obvyklý je sudý počet bloků s řídícími dozornami společnými pro dvojice (méně často pro trojice) bloků (obr. 1.2). Jednotkové výkony nad 800 MW (max. až 1200 MW) se vyskytují zřídka a jen pro kvalitní paliva (tj. málo popelnaté černé uhlí, topný olej, zemní plyn).

1 – kotel (125 t/h), 2 – přehřívák páry, 3 – parní ventil u kotle, 4 – parní sběrače 5 – parní ventil u turbíny, 6 – turbína s alternátorem (55MW),7 – kondenzátor páry 8 – čerpadlo chladicí vody (z řeky), 9 – nádrž napájecí vody s odplyňovačem, 10 – napájecí čerpadla, 11 – napájecí sběrnice Obr.1.1 Sběrnicové uspořádání

1 – kotel (350 t/h), 2 – přehřívák páry, 3 – vysokotlaká část turbíny 4 – mezipřihřívák páry, 5 – nízkotlaká část turbíny, 6 – alternátor (110 MW), 7 – kondenzátor páry, 8 – čerpadlo chladicí vody (z bazénu chladicí věže) 9 – nádrž napájecí vody s odplyňovačem, 10 – napájecí čerpadlo Obr. 1.2 Blokové uspořádání

8

2.

PALIVA, DRUHY A ZÁKLADNÍ VLASTNOSTI PALIV

2.1 PALIVA SPALOVANÁ V OHNIŠTÍCH PARNÍCH KOTLŮ – DRUHY A SLOŽENÍ PALIV Paliva jsou základní surovinou pro výrobu energie. Při výrobě energie jsou paliva zdrojem tepla, které se z nich získává chemickou nebo jadernou reakcí. Podle skupenství jsou paliva tuhá, kapalná a plynná. Paliva ve stavu těžby jsou paliva přírodní a patří k nim antracit, černé uhlí, hnědé uhlí, lignit, rašelina, živičné břidlice, dřevo, ropa a zemní plyn. Uhlí, ropa a zemní plyn se označují z hlediska jejich původu a stáří jako paliva fosilní neboli pravěká. Dřevo je nejmladším druhem přírodních tuhých paliv a je proto palivem nedávným nebo-li recentním. Fosilní a jaderná paliva tvoří rozhodující zdroje primární energie. Palivo se skládá z hořlaviny a přítěže. Hořlavinu h [kg kg-1] fosilních paliv i jiných druhů paliv tvoří ta jejich část, jejímž okysličováním se uvolňuje teplo obsažené v palivu. Hořlavina se skládá z prvků aktivních, jejichž spálením vzniká teplo a z prvků pasivních, které teplo nedodávají. Aktivními prvky hořlaviny uhlí jsou uhlík, vodík a síra. Pasivními prvky jsou kyslík a dusík. Prvky hořlaviny fosilních paliv, které jsou organického původu, jsou vázány ve složitých chemických sloučeninách. Hořlavinu plynných paliv tvoří uhlovodíky CxHy, oxid uhelnatý CO a vodík H2. Z uhlovodíků převládá metan CH4 a vyšší uhlovodíky jsou prakticky v poměrně malém množství jen v hořlavině zemního plynu. Přítěží neboli balastem tuhých a kapalných paliv je obsah popela A [kg kg-1], [%] a vody W [kg kg-1], [%]. U plynných paliv přítěž tvoří obsah vodní páry a nehořlavé plyny N2 a CO2. S růstem přítěže klesá výhřevnost 1kg nebo 1m3 paliva a snižuje se jeho hodnota. 2.2

DŮLEŽITÉ VLASTNOSTI TUHÝCH PALIV Z HLEDISKA VHODNOSTI KE SPALOVÁNÍ

a) výhřevnost a spalné teplo Výhřevnost Qn [kJ kg-1] je množství tepla, které se uvolní dokonalým spálením 1 kg paliva při ochlazení spalin na výchozí teplotu 20°C, přičemž vzniklá voda zůstane ve formě páry. Spalné teplo Qv [kJ kg-1] je rovněž množství tepla, které se uvolní dokonalým spálením 1 kg paliva při ochlazení spalin na teplotu 20°C, avšak dojde přitom ke kondenzaci vodní páry. Vztah mezi spalným teplem a výhřevností je Qn = Qv – 2453 (W + 9 H2) [kJ kg-1] (2.1) Spalné teplo paliva se určuje kalorimetricky. Kalorimetricky se určuje spalné teplo paliv tak, že se 1 kg paliva spálí v kyslíkové atmosféře o tlaku asi 2,5 MPa v kalorimetrické bombě, ponořené ve vodní lázni. Z oteplení vodní lázně kalorimetru teplem uvolněným spálením vzorku se vypočte spalné teplo podle vzorce V . ΔT Qv = [kJ kg-1] (2.2) G V – vodní hodnota kalorimetru [ kJ. K-1] G – hmotnost paliva [kg] Výhřevnost Qn se také určuje výpočtem ze známého složení paliva podle různých vzorců, platných většinou pro určitou skupinu paliv. Výhřevnost starších paliv se počítá např. podle vzorce Dulongova: O Qn = 33 910 C + 120 580 ( H2 - 2 ) + 10 470 S – 2453 W [kJ kg-1] (2.3) 8 9

Výhřevnost mladších paliv je lépe vypočítat ze vzorce Vondráčkova : Qn = (37 200 – 2596 Ch) C + 90 960 H2 + 10 470 S – 11 300 O2 – 2453 W [kJ kg-1]

(2.4)

Kde C, H2, S, O2 [kg kg-1] jsou obsahy prvků hořlaviny ve spalovaném palivu a Ch [kg kg-1] obsah uhlíku v hořlavině a W [kg kg-1] obsah vody veškeré v palivu. Příklady výhřevnosti fosilních paliv: Hnědé uhlí sokolovské Hnědé uhlí mostecké Černé uhlí ostravské Ropa, produkty z ropy Zemní plyn

Qn = 9.103 – 14.103 Qn = 12.103 – 16.103 Qn = 25.103 – 30.103 Qn = 39.103 – 42.103 Qn = 35.103 – 36.103

kJ/kg kJ/kg kJ/kg kJ/kg kJ/m3

b) obsah vody v tuhém palivu Obsah vody v uhlí se určuje laboratorně a rozděluje druhy vod takto:  přimísená voda, která se do uhlí dostala až po jeho vytěžení a kterou lze od paliva oddělit mechanicky (filtrací, odstředěním). Přimísenou vodu obsahují např. kaly nebo praná uhlí;  povrchová voda, tj. voda ulpívající na povrchu zrn paliva. Dá se odstranit mechanicky nebo např. odsát filtračním papírem;  hrubá voda, tj. voda, která se odpaří při volném vysychání rozdrceného vzorku na vzduchu při teplotách 18 až 20 °C a relativní vlhkosti vzduchu kolem 50 %;  hydroskopická, nebo-li zbylá voda (zbytková), tj. voda kapilárně vázaná, která zbyla v palivu po odpaření hrubé vody. Uvolňuje se sušením analytického vzorku paliva (zrno pod 0,2 mm) za zvýšené teploty při 105 °C;  volná voda, tj. celkový obsah vody přimísené, povrchové a hrubé;  veškerá voda, tj. celkový obsah vody povrchové, hrubé a zbytkové W [ kg/kg-1 ] [%]  v palivu je dále voda chemicky vázaná, a to voda hydrátová, vázaná na popeloviny a voda okludovaná, vázaná na hořlavinu. Hydrátová a okludovaná voda se při běžné analýze uhlí neurčují, a proto při hrubém rozboru uhlí je určované množství hořlaviny zatíženo malou chybou ve srovnání se skutečným obsahem hořlaviny. To je způsobeno rozdílností popelovin a popela a neúplným stanovením obsahu vody. Voda hydrátová a okludovaná se z uhlí nemohou ani usilovným sušením uvolnit. Uvolní se teprve při teplotách rozkladu paliva. Obsah veškeré vody v našich palivech Druh paliva Ostravské uhlí Kladenské uhlí Mostecké uhlí Sokolovské uhlí

W [%] 3 až 10 12 až 18 26 až 40 25 až 50

Druh paliva Lignit Čerstvá rašelina Sušená rašelina Dřevo palivové

10

W [%] 30 až 55 80 až 90 20 až 35 10 až 60

Voda je nepříjemným balastem u všech paliv. Její obsah souvisí se stupněm prouhelnění těženého uhlí. Čím je uhlí geologicky starší, tím více je prouhelněné, tím méně obsahuje vody. Při spalování se voda odpařuje, zvětšuje objem spalin a je příčinou větší komínové ztráty. Část tepla uvolněného při spalování se spotřebuje k odpaření vody, což snižuje spalovací teplotu. Vlhké palivo se také špatně mele a vyžaduje někdy předsoušení ve zvláštních zařízeních. Vysoká vlhkost spalin zvyšuje jejich rosný bod, a tím nebezpečí koroze teplosměnných ploch na konci kotle. Teplota spalin bývá na odchodu z parního generátoru asi 140 až 180°C, aby nedošlo k podkročení rosného bodu. Tím se snižuje stupeň využití tepla, a tedy i účinnost parního kotle. Potíže působí vlhké palivo v zimě, kdy namrzá. To ztěžuje jeho dopravu a překládání. Při obsahu vody asi nad 45 % jsou potíže v dopravě na běžně používaných dopravních zařízeních škrabákových, tzv. redlerech, korečkových dopravnících i v létě. Vlhké uhlí vázne i v zásobnících surového uhlí. c) popelovina, popel v tuhém palivu Minerální složky přítěže paliva jsou nazývány popelovinou. Popelovinu podle původu lze rozdělit na vlastní a přimísenou. Vlastní neboli vnitřní je syngenetická a epigenetická. Syngenetická pochází přímo z rostlin, z nichž uhlí vznikalo a je v hořlavině rovnoměrně rozptýlena. Bývá jí asi 2 %. Epigenetická popelovina byla zanesena do uhelné vrstvy v průběhu různých geologických změn a její množství kolísá. Přimísená je popelovina, která se dostává do paliva při dolování, je to hlušina mezivrstvy paliva. Popeloviny většiny našich uhlí obsahují převážně komplexní křemičitany hliníku, hořčíku, vápníku, železa, sodíku a draslíku, souhrnně označované v mineralogii jako illit. Dále tu bývá volný SiO2, uhličitany vápenatý, hořečnatý a železnatý, sulfáty, oxidy železa, poměrně malá množství alkalických kovů a řada jiných minerálů v malých až stopových množstvích. Popel jsou tuhé zbytky po dokonalém laboratorním spálení paliva, většinou ve formě oxidů kovu s nejvyšším stupněm oxidace. Protože při spalování paliva dochází k uvolňování konstituční vody, k rozkladu popelovin v oxidační atmosféře a k těkání některých složek popelovin, bývá hmota popela poněkud odlišná od hmoty popeloviny. Obsah popela v palivu: Lignit Hnědé uhlí Černé uhlí Antracit

A = 5 % až 30 % A = 5 % až 25 % A = 3 % až 20 % A = 2 % až 15 %

V ohništi kotle při spálení uhlí se z popeloviny vytvoří buď škvára, nebo struska a popílek. Jestliže spalování probíhalo při teplotách, při kterých nastalo spékání a tavení, tj. část minerálních zbytků dosáhla měknutí a teploty tavení popela a nastalo spojení jednotlivých zrn ve větší či menší kusy, vzniká škvára. Struska jsou minerální zbytky paliva po jeho spálení při teplotách nad teplotu tečení popela. Po rychlém ochlazení tvoří struska sklovitou hmotu. Struska jsou minerální zbytky paliva po jeho spálení při teplotách nad teplotu tečení popela. Po rychlém ochlazení tvoří struska sklovitou hmotu. Struska po granulaci ve vodě po výtoku z ohniště je hrubozrnnou skelnou drtí o velikosti zrn asi 5 mm, která se časem vnitřním pnutím rozpadá na ostrohranný skelný prach. Popílek jsou drobné minerální částice unášené spalinami, které se buď usazují ve výsypkách kotlů nebo jsou unášeny spalinami z kotle ven. Škvára a popílek obsahují kromě přetvořené popeloviny určitou část nespáleného paliva, hlavně uhlíku, ve formě koksu.

11

Popel v palivu zhoršuje účinnost ohniště v průběhu spalování tím, že ztěžuje přístup kyslíku k hořlavině. Částečky popela se usazují na teplosměnných plochách, vytvářejí nánosy a zhoršují přenos tepla v kotli. Tím stoupá teplota spalin do komína a komínová ztráta, tj. ztráta tepla odcházejícími spalinami z kotle. Ucpané tahy kotle nánosy kladou průtoku spalin větší odpor a příkon sacího ventilátoru roste. Někdy se také vyskytuje eroze (ošlehávání) trubek popílkem. Obojí vede k nutnosti zvětšení teplosměnných ploch kotle a ke snížení rychlosti spalin. Další ztráty vznikají citelným teplem, obsaženým ve strusce a škváře, odváděné z ohniště. Popílek odcházející do atmosféry obtěžuje okolí a musí se zachytit v co nejvyšší míře ve vlastním kotli nebo v odprašovacích zařízeních za kotlem. d) obsah síry v tuhém palivu Síra se v palivu vyskytuje jako spalitelná síra organická a pyritická i jako síranová v popelovinách. Spalitelná síra se nazývá též sírou prchavou a je součástí hořlaviny v množství 0,5 až 9 %. Protože má nízkou výhřevnost, je z hlediska získaného tepla nepodstatná, a naopak pro obtíže, které způsobuje, je spíše přítěží uhlí. Síra je zdrojem nežádoucích oxidů SO2 a SO3 ve spalinách. Síra ve formě značně tvrdého pyritu FeS2 ztěžuje mletí paliva. Nepříjemné z hlediska čistoty výhřevných ploch je tvoření některých prchavých sirníků, které vedle alkálií působí vytváření stmelených nánosů tím, že kondenzují v oblasti nižších teplot především na dodatkových plochách. Z těchto sirníků vznikají pevné nánosy na trubkách v tloušťce několika mm, které značně ztěžují přestup tepla. Ve spalinách je zejména nežádoucí SO3, neboť způsobuje s vodní párou korozi trubek a zvyšuje rosný bod spalin. Čím je větší koncentrace ve spalinách, tím je jejich rosný bod vyšší.

2.3

DŮLEŽITÉ VLASTNOSTI KAPALNÝCH PALIV Z HLEDISKA VHODNOSTI KE SPALOVÁNÍ

Nejužívanějšími kapalnými palivy jsou topné oleje. Jsou to produkty zpracování ropy. V ČR jsou pro spalování ve spalovacích zařízeních používány topné oleje ropného a dehtového původu a jsou tříděny na tři druhy. Druh oleje je dán obvykle normou nebo výrobní značkou. Naše topné oleje jsou označeny: TL, TM, TA. TL - lehký topný olej TM - těžký topný olej ropného původu TA – těžký topný olej dehtového původu Vlastnosti topných olejů : a) Výhřevnost Qn bývá 37 000 až 42 00 kJkg-1 podle chemického složení topného oleje. Rozdíly a výkyvy jsou malé. b) Bod vzplanutí je teplota, při které se při tlaku 0,1 MPa nad hladinou oleje tvoří páry v dostačujícím množství, aby při dočasném přiblížení plamene vzplanuly ihned hasnoucím plamenem. Bod vzplanutí je spodní mezí výbušnosti olejů a je ukazatelem stupně bezpečnosti. Podle bodu vzplanutí se třídí kapalná paliva do tří tříd, kde I. třída jsou látky s bodem vzplanutí do 21°C, II. Třída do 65°C, III. Třída do 125°C. Do těchto tříd patří pouze lehké topně oleje L. Těžké topné oleje mají bod vzplanutí až 200 °C. c) Bod hoření je teplota, kdy při přiblížení plamene páry nad olejem vzplanou a hoří stabilním plamenem, neboť z oleje se již odpařuje dostatek nových par, takže za přístupu vzduchu olej hoří. Bod hoření bývá asi o 60°C vyšší než bod vzplanutí.

12

d) Bod zápalnosti (samovznícení) je teplota, při které olej sám vzplane bez přiblížení ohně. Tato teplota u topných olejů bývá mezi 350 až 600°C. Mezi bodem vzplanutí a bodem hoření neexistuje žádná souvislost. Bod zápalu v proudu kyslíku je asi o 120°C nižší než bod zápalu v proudu vzduchu. e) Měrná hmotnost se při 20°C blíží 900 až 1000 kg m-3. Při vyšších teplotách klesá a lze ji určit ve vztahu ρ = ρ20 - a ( t – 20) [kg m-3 ] (2.5) kde a je součinitel objemové roztažnosti závislý na druhu oleje. Pro lehký olej a = 0,00068 kg m-3 °C-1, pro těžký olej a = 0,00062 kg m-3 °C-1 f) Viskozita (vazkost) oleje je pro spalování jedním z hlavních ukazatelů vlastností oleje. Měří se buď jako dynamická viskozita [Nsm-1 ] nebo v empirických jednotkách, např. ve stupních Englera [°E] nebo případně kinematická viskozita ν [m2s-1] nebo v empirických jednotkách Stokes [St], [cSt]. Viskozita oleje se mění s teplotou. Pro čerpání musí mít olej viskozitu menší než 80°E a pro rozprašování je třeba olej o viskozitě asi 4 až 6 °E g) Bod tuhnutí je teplota, při které oleje tuhnou. Závisí na složení a viskozitě oleje. U těžkých topných olejů bývá 18 až 40°C. h) Bod tečení je teplota, při které začíná olej téci. Bývá asi o 60°C vyšší než bod tuhnutí. i) Obsah vody v topném oleji bývá až několik procent, avšak má být co nejmenší. Naše normy připouštějí 0,5 až 1 % vody podle druhu. Voda se do oleje dostává většinou srážením vlhkosti na stěnách cisteren, nádrží atp. U lehkých topných olejů se usazuje u dna nádrží a u těžkých topných olejů zůstává rozptýlena v jemných kapkách v oleji. Voda v oleji je nežádoucí příměsí, neboť při ohřátí nad 100°C se odpařuje, olej pění popřípadě i náhle vzkypí a přeteče z nádrže, nebo může způsobit nebezpečné stoupnutí tlaku v nádrži. j) Obsah popela je v topných olejích proti tuhým palivům nepatrný a obvykle bývá 0,1 až 0,3 %, výjimečně 0,5 %. Nejvíce popela je v těžkých olejích. Lehčí druhy oleje, získané destilací, jsou bez popela. Popel olejů z ropy má však odlišné složení než popel v uhlí. Přestože obsah popela je velmi nízký, mívá nevhodné složení a bývá příčinou různých provozních obtíží následkem tvoření nánosů, vzniku vysoko teplotních, neboli vanadiových korozí přehříváků páry atp. Nežádoucími složkami popela jsou především oxidy alkálií Na2O, K2O a oxid vanadičitý V2O3 k) Obsah síry je rovněž nežádoucí složkou topných olejů. Zvyšuje rosný bod spalin, způsobuje nízkoteplotní koroze dodatkových ploch kotle, je škodlivou složkou exhalací a zvyšuje viskozitu olejů. Při zpracování ropy se síra koncentruje v těžších frakcích, takže v těžkých topných olejích jí bývá i nad 3 %.

13

DŮLEŽITÉ VLASTNOSTI PLYNNÝCH PALIV Z HLEDISKA VHODNOSTI KE SPALOVÁNÍ

2.4

Topné plyny podle svého druhu a původu mají různé fyzikální a chemické vlastnosti, z nichž jsou nejdůležitější výhřevnost, měrná hmotnost, chemické složení, zápalnost, teplota hoření atp. Protože objem plynů na rozdíl od tuhých nebo kapalných látek je závislý na tlaku a teplotě, jsou fyzikální a chemické vlastnosti plynu vztaženy na objemovou jednotku za teploty 0°C a tlaku 0,1 MPa. a)

Výhřevnost Qn [kJ m-3] je dána složením plynu. Protože chemická složení různých druhů topných olejů jsou značně rozdílná, jsou i značné rozdíly v jejich výhřevnostech, jak ukazuje tab. I.

Tabulka I - Složení některých plynných paliv Výhřevnost

Qn [kJ kg-1]

Plyn Metan Zemní plyn Vodní plyn Koksový plyn Vysokopecní plyn Generátorový plyn

b)

c)

35700 35400 10500 16300 3950 5250

CO2 [%]

O2 [%]

C2H2 [%]

CO [%]

H2 [%]

CH4 [%]

N2 [%]

zbytek

0,1 6,3 2,3 10,5 5,2

0,2 0,8 0,2

0,7 -

3,8 6,8 28,0 28,1

51 57,5 2,7 13,3

100 98 0,5 22,5 0,3 0,6

1,2 4 7,8 58,3 52,4

2,4 0,2

Měrná hmotnost ρ je dána složením topného plynu a bývá 0,46 až 1,22 t .m-3. Měrná hmotnost zemního plynu je 0,65 až 0,66 t.m-3, koksárenského plynu 0,46 až 0,5 a vysokopecního plynu 1,16 až 1,22 t.m-3. Měrná hmotnost plynu je důležitým kritériem pro posouzení spalovacích vlastností a pro dopravu plynu potrubím. Zápalná teplota bývá udávána jako podmíněná fyzikální konstanta, která je určitým měřítkem aktivační energie, potřebná k aktivaci reagujících látek. Závisí však na zkušebním zařízení a dalších podmínkách, proto se prakticky používá jen zřídka. Teploty vznícení plynů na vzduchu při atmosférickém tlaku jsou v tab. II.

Tabulka II - Teploty vznícení plynů na vzduchu při atmosférickém tlaku Plyn

°C

Plyn

°C

Metan CH4 Koksárenský plyn Vodík H2 Generátorový plyn

645 560 530 700

Oxid uhelnatý CO Propan C3H2 Acetylén C2H2 Etan C3H4

610 510 335 590

14

3.

ZÁKLADY SPALOVÁNÍ

Při spalování fosilních paliv se mění v palivu obsažená chemicky vázaná energie v energii tepelnou o vysokém teplotním potenciálu. Pracovními látkami spalovacího pochodu jsou: a) palivo, kterým může být každý, často se vyskytují a snadno dostupná hořlavá látka s dostatečnou výhřevností a aktivitou okysličovacích pochodů. Zpravidla bývá organického původu; b) okysličovadlo, kterým je látka obsahující kyslík. V technické praxi jím bývá zpravidla atmosférický vzduch, jako látka jen mírně aktivní; c) produkty spalovacího pochodu, které jsou výsledkem chemické reakce mezi palivem a okysličovadlem. K nim patří plynné spaliny a tuhá nebo kapalná struska. Spalování hořlavých prvků tuhých a kapalných paliv – uhlíku, vodíku a síry – je dáno exotermickými brutto-reakcemi C + O2 → CO2 + 33 910 kJ kg-1 (3.1) H2 + ½ O2 → H2O + 120 580 kJ kg-1 (3.2) -1 S + O2 → SO2 + 10 470 kJ kg (3.3) Ve kterých tepla na pravé straně jsou výhřevnosti. Pro praktickou potřebu jsou velmi důležité objemové výpočty vzduchu a spalin. Vycházejí ze základních stechiometrických vztahů. C + O2 1 Mol + 1 Mol 12,01 kg + 22,39 m3 1 kg + 1,865 m3

= CO2 (3.1.1) 2 H2 + O2 = 2 H2O = 1 Mol 2 Mol + 1 Mol = 2 Mol = 22,27 m3 4,032 kg + 22,39 m3 = 44,81 m3 = 1,854 m3 1 kg + 5,553 m3 = 11,11 m3

S 1 Mol 32,06 kg 1 kg

+ O2 + 1 Mol + 22,39 m3 + 0,699 m3

= = = =

SO2 1 Mol 21,89 m3 0,683 m3

(3.2.1)

(3.3.1)

Plynná paliva obsahují hořlavé složky H2, CO a uhlovodíky CxHy. Při určování vztahů pro objemové výpočty vycházíme z těchto stechiometrických základních vztahů: 2 H2 + O2 2 Mol + 1 Mol 2. 22,42 m3 + 22,39 m3 1 m3 + 0,5 m3

= = = =

2 H2O 2 Mol 2. 22,41 m3 1 m3

(3.4)

2 CO + O2 2 Mol + 1 Mol 2 . 22,37 m3 + 22,39 m3 1 m3 + 0,5 m3

= = = =

2 CO2, 2 Mol 2 .22,27 m3 1 m3

(3.5)

y y ) O2 = x CO2 + H2O 4 2 y y 1 Mol + ( x + )Mol = x Mol + Mol 4 2

CxHy.+ ( x +

(3.6)

15

3.1

VÝPOČET SPOTŘEBY SPALOVACÍHO VZDUCHU A MNOŽSTVÍ VZNIKLÝCH SPALIN PŘI DOKONALÉM SPALOVÁNÍ TUHÝCH A KAPALNÝCH PALIV

Minimální objemová spotřeba kyslíku při dokonalém spálení 1 kg paliva, obsahujícího poměrná množství C, H2, S, O2 [kg kg-1 ] ve spalovaném stavu, je

O 2 min 

22,39 22,39 22,39 22,39 C H2  S O2 12,01 4,032 32,06 32

m

3

kg 1



(3.7)

Objemové složení suchého vzduchu (bez vodní páry) je při zanedbání vzácných plynů He, Ne, Kr, Xe, obsažených v nepatrných množstvích O2 …. 21,00 N2 …..78,05 Ar ….. 0,92 CO2 …0,03

% % % %

= 0,2100 = 0,7805 = 0,0092 = 0,0003

m3 m-3 m3 m-3 m3 m-3 m3 m-3

A spotřeba suchého spalovacího vzduchu je Vvsmin =

100 O2min = 4,761 O2min [m3 kg-1] 21

(3.8)

Atmosférický vzduch použitý ke spalování však obsahuje určité množství vodní páry, které je závislé na teplotě vzduchu a na relativní vlhkosti φ. Objem vodní páry, připadající na 1 m3 suchého vzduchu a teplotě tvs je VH 2O =

φ

ps pc 

φps

[m3 kg-1]

(3.9)

Jestliže ps je absolutní tlak vodní páry na mezi sytosti při teplotě tv a jestliže pc značí celkový absolutní tlak vlhkého vzduchu. Faktor vyjadřující poměrné zvětšení objemu suchého vzduchu o objem vodní páry při dané relativní vlhkosti a teplotě vzduchu: ps υ=1+ φ (3.10) pc  φ ps Takže množství vlhkého spalovacího vzduchu pro 1 kg paliva je 100 ν O 2 min [m3 kg-1] Vvmin = υ Vvsmin = 21

16

(3.11)

Podobným způsobem lze určit i množství spalin. Teoretické množství a složení spalin, vzniklých spálením 1 kg paliva bez přebytku vzduchu je

V kotlích a jiných spalovacích zařízeních probíhá spalování paliv s přebytkem vzduchu, aby se doba hoření zkrátila a reakce proběhla beze ztrát mechanickým a chemickým nedopalem. Součinitel přebytku vzduchu je poměr množství vzduchu skutečně přivedeného do ohniště Vv k množství vzduchu teoreticky potřebnému pro dokonalé spalování Vvmin

α 

Vv Vv min



1

(3.13)

Skutečný objem vlhkých spalin při dokonalém spalování 1 kg paliva je pak součtem teoretického objemu spalin Vsmin a přebytečného objemu vzduchu (α - 1) . Vv min VS = Vsmin + (α - 1) Vvmin

[m3 kg-1]

(3.14)

Optimální hodnoty součinitelů přebytku vzduchu na odchodu z ohniště bývají : U roštových ohnišť 1,30 až 1,50 U práškových ohnišť granulačních 1,20 U fluidních ohnišť 1,25 až 1,3 U práškových ohnišť výtavných 1,15 U cyklónových ohnišť 1,05 až 1,10 U ohnišť na kapalná paliva 1,01 až 1,15 U plynových ohnišť 1,01 až 1,10 Při přebytku vzduchu α se tedy do ohniště kotle musí přivést pro 1 kg paliva množství vzduchu Vv = Vv min α

[m3 kg-1]

(3.15)

17

3.2

PŘIBLIŽNÝ VÝPOČET Vv min A Vs min Z VÝHŘEVNOSTI PALIVA

Pro dříve uvedené objemové výpočty potřebujeme provést složitou elementární analýzu paliva. Proto se velmi často výpočty vzduchu a spalin provádějí přibližně podle výhřevnosti paliva Qn [kJ kg-1], k jejímuž určení stačí běžně používaný kalorimetr. Rosin odvodil tyto vztahy: a) pro tuhá paliva Qn Vv min = 0,5 + 1,012 [m3 kg-1] (3.16) 4187 Qn Vs min = 1,375 + 0,95 [m3 kg-1] (3.17) 4187 b) pro kapalná paliva Qn Vv min = 1,7 + 0,88 [m3 kg-1] (3.18) 4187 Qn Vs min = 1,11 + [m3 kg-1] (3.19) 4187 c) pro plynná paliva Qn Vv min = 1,09 - 0,28 [m3 m-3] (3.20) 4187 Qn Vs min = 0,446 + 1,09 [m3 m-3] (3.21) 4187 4. SPALOVACÍ ZAŘÍZENÍ 4.1 PŘÍPRAVA PALIVA PŘED SPALOVÁNÍM 4.1.1 Příprava plynného paliva Aby mohlo být palivo spalováno v ohništi hospodárným způsobem, musí být pro spalování patřičně připraveno. Nejjednodušší přípravu vyžadují paliva plynná. Jejich příprava záleží, pokud je to vůbec třeba, pouze v redukci tlaku, odstranění pevných nečistot a vlhkosti, popř. plyny s nízkou výhřevností se ještě ohřívají, obr. 4.1. Míšení plynného paliva se spalovacím vzduchem při vytváření hořlavé směsi nečiní žádné potíže, protože měrné hmotnosti plynného paliva a vzduchu jsou přibližně stejné.

1 – hlavní plynovod, 2 – hlavní šoupátko, 3 – odlučovač cizích předmětů, 4 – obtok, 5 – regulátor tlaku, 6 – plynoměr, 7 – manometr, 8 – teploměr, 9 – hlavní potrubní řád, 10 – odbočky ke kotlům, 11 – tlakoměr, 12 – přívody k hořákům, 13 – profukování, 14 – odvodnění, 15 - vzorkování Obr. 4.1 Schéma palivového hospodářství plynové kotelny 18

4.1.2 Příprava kapalného paliva Kapalná paliva se ke spalování připravují v palivovém hospodářství kotle, které se skládá hlavně z přečerpávacího zařízení, ohřívání (aby palivo mělo patřičnou viskozitu), uskladňování a transportu. Palivové hospodářství kotlů na topné oleje se skládá z vnějšího hospodářství tj. z přijímacího objektu, což bývá stáčecí stanice s čerpadly a parním ohřevem sloužící k přepravě paliva do venkovních nádrží a registraci hmotnosti paliva. Vnitřní hospodářství je umístěno v kotelně. Začíná denní nádrží a v dalším přívodním potrubí je umístěn parní ohřívák, čerpadlo, filtry, měřiče, regulační ventil, hořáky. Schéma palivového hospodářství kotelny na kapalné palivo je na obr. 4.2.

Vnější hospodářství: 1 – cisterna, 2 topná pára, 3 – topné hady, 4 – odvaděč kondenzátu, 5 - filtr, 6 – odvodnění vnější nádrže, 7- stáčecí čerpadlo, 8 – průtokoměr, 9 – hlavní zásobní nádrž, 10 – odvzdušnění, 11 – stavoznak, 12 – dopravní čerpadlo Vnitřní hospodářství: 13 – denní nádrž, 14 – hořáková čerpadla, 15 – manometr, 16 – přepouštěcí ventil, 17 – recirkulační potrubí, 18 – průtokový ohřívák oleje, 19 – teploměr, 20 – uzavírací ventil 21 – rychlouzavírací ventil, 22 – hořák, 23 – regulační ventil, 24 – nádrž na topnou naftu, 25 – betonová vana pod hlavní nádrží (minimální obsah 1/3 objemu nádrže) Obr. 4.2 Schéma palivového hospodářství olejové kotelny

19

4.1.3 Příprava tuhého paliva Příprava tuhých paliv ke spalování se uskutečňuje jednak v místě těžby, tj. přímo na dole nebo v třídírně a úpravně, jednak v místě spotřeby, tj. na skládce a v kotelně. Na dole se uhlí upravuje drcením velkých kusů, oddělováním prachu (za sucha), oddělováním hlušiny (mokrou cestou v prádle) a tříděním soustavou sít na jednotlivé frakce podle velikosti zrn. Příprava tuhých paliv ke spalování v místě spotřeby je nejjednodušší u ohnišť roštových. Nejčastěji nebývá žádná; velmi mokrá uhlí se však někdy předsoušejí a spékavá uhlí naopak vlhčí. Naproti tomu příprava paliv pro prášková ohniště je poměrně složitá. Palivo se mele, suší, třídí na určitou jemnost, pneumaticky se transportuje, odlučuje od nosného média, uskladňuje v zásobnících atd. Zařízení k přípravě uhelného prášku se nazývá mlecí okruh. K předběžné přípravě dochází ve vnějším palivovém hospodářství, obr. 4.3. mimo vlastní kotelnu.

a – přijímání uhlí z vagónu se sklopnými bočnicemi do podzemních zásobníků, b – vyskladňování uhlí jeřábem 1 – železniční vlečka, 2 – váha, 3 – podzemní zásobníky 4 – pásová doprava, 5 – přepravní uzel, 6 – drtič, 7 - skládka, 8 - další úprava paliva, 9 - zásobníky v kotelně, 10 – jeřáb, 11 – lodní přístav Obr. 4.3. Schéma vnějšího palivového hospodářství kotelny na uhlí Zařízení k přípravě uhelného prášku pro prášková ohniště jsou umístěna přímo v kotelně, jedná se o vnitřní palivové hospodářství. Nejjednoduššími typy mlecích okruhů jsou soustavy s přímým foukáním prášku do ohniště, obr. 4.4. Surové uhlí zde padá ze zásobníku přes uzávěr do podavače, který je odměřuje do sušky ve tvaru svislé trouby potřebného průměru, ve které obvykle v sestupném smyslu proudí spolu s ohřátým vzduchem či spalinami a vysuší se asi o 1/3 až 2/3 obsahu vody, který se má z paliva odstranit. Sušicím médiem je palivo pneumaticky dále dopravováno do mlýna, kde se mele a dosuší. Sušení ve mlýně je velice intenzivní, protože měrný povrch uhlí se mletím mnohonásobně zvětší. Ze mlýna je uhlí unášeno sušícím mediem. Za mlýnem je umístěn třídič. Při průchodu třídičem se oddělí z umletého paliva hrubá frakce zrn, vrací se zpět do mlýna a prášek o požadované jemnosti postupuje do hořáků. Dopravu vzduchu obstarává buď jen

20

vzduchový ventilátor pak mlecí okruh je přetlakový – obr. 4.4 b, nebo dopravu vzduchu a prášku zajišťuje mlýnský ventilátor umístěný v práškovodu za třídičem, pak mlecí okruh je podtlakový – obr. 4.4.a. Uhlí s obsahem vody nad 35 % bývají sušena obvykle spalinami, odebíranými z prostoru na konci ohniště. V tomto případě se používá mlecích okruhů se samonasávacími ventilátorovými mlýny, obr. 4.4.c. Výhodou mlecích okruhů s přímým foukáním je jednoduchost, menší obestavěný prostor a nižší investiční náklady. Nevýhodou jsou větší měrná mlecí práce při částečných zatíženích a horší dynamické vlastnosti z hlediska regulace výkonu kotle. Kromě toho jemnost prášku a stupeň vysušení kolísají s výkonem. Nevýhodou je i chudší primární směs při poklesu výkonu kotle. Přesto okruhy s přímým foukáním převládají, zejména u kotlů na hnědá uhlí.

podtlakový

přetlakový

samonasávací

1 – zásobník surového uhlí, 2 – podávač surového uhlí, 3 – mlýn, 4 – suška, 5 – regulační klapka, 6 – hořáky, 7 – ohniště, 8 – vzduchový ventilátor, 9 – ohřívák vzduchu, 10 – brýdový (mlýnský ventilátor) Obr. 4.4 a, b, c Mlecí okruhy s přímým foukáním uhelného prášku Dalšími typy mlecích okruhů jsou soustavy s práškovým zásobníkem obr. 4.5. Uhlí zde stejně jako u mlecích okruhů s přímým foukáním putuje ze zásobníku surového uhlí do sušky, mlýna a třídiče, avšak prášek o požadované jemnosti se nevede do ohniště, ale postupuje s nosným médiem do odlučováků prášku, kde se oddělí a uskladňuje se na potřebnou dobu v práškových zásobnících. Do hořáků se uhelný prášek dopravuje primárním spalovacím vzduchem, se kterým může být tento typ mlecího okruhu buď otevřený, nebo uzavřený. U otevřeného uspořádání, které se hodí pro mokrá paliva a sušení spalinami, obsahují brýdy velké množství páry, a proto se odvádějí mlýnským ventilátorem do komína. Přitom je třeba zajistit co největší odloučení uhelného prášku (nad 98 %), aby nevznikla ztráta mechanickým nedopalem v důsledku ztráty určitého množství uhelného prášku. Uzavřený okruh může být řešen buď tak, že se brýdy zavádějí do zvláštních (brýdových) hořáků, nebo se brýd používá jako primárního nosného média k dopravě uhelného prášku do ohniště. Někdy se brýdy zčásti používají k temperování sušicího média pro okruh a zbytek se zavádí do brýdových hořáků. Výhody mlecích okruhů s práškovými zásobníky vyplývají ze skutečnosti, že mlecí okruh a kotel jsou z regulačního hlediska dva na sobě nezávislé regulační okruhy, takže je zde možnost přetržitého provozu mlecího okruhu a tedy větší provozní jistota. Zatímco u mlecího

21

okruhu s přímým foukáním znamená výpadek nebo porucha i výpadek nebo snížení výkonu celého kotle, je u mlecího okruhu s práškovým zásobníkem zásoba prášku v práškovém zásobníku rezervou pro případ poruchy. Další předností je menší měrná mlecí práce, jelikož lze mlýny provozovat bez zřetele na výkon kotle při jejich optimálním výkonu. Nedostatky mlecích okruhů s práškovým zásobníkem jsou ve větší komplikovanosti zařízení, větším obestavěném prostoru a vyšších investičních nákladech.

a) uzavřený b) otevřený 1 – zásobník surového uhlí, 2 – podávač surového uhlí, 3 – mlýn, 4 – suška, 5 – regulační klapka, 6 – hořáky, 7 – ohniště, 8 – vzduchový ventilátor, 9 – ohřívák vzduchu, 10 – brýdový (mlýnský ventilátor), 11 – odlučovák, 12 – turniketový uzávěr, 13 – práškový zásobník, 14 – práškový podavač a směšovací kus, 15 – ventilátor primárního vzduchu, 16 – odlučovák (2.stupeň), 17 – brýdové hořáky, 18 – spalinový ventilátor Obr. 4.5 a., b. Mlecí okruhy se zásobníkem uhelného prášku 4.2

SPALOVACÍ ZAŘÍZENÍ – OHNIŠTĚ

Spalovací zařízení parního kotle se skládá z ohniště s roštem nebo hořáky a z pomocného zařízení, tj. sacích a vzduchových ventilátorů, ohříváků vzduchu, zařízení pro přípravu paliva ke spalování, zařízení na odstraňování tuhých zbytků po spálení paliva atd. Ohniště parního kotle je prostor vymezený nechlazenými keramickými nebo vodou chlazenými (trubkovými) stěnami, v němž se spaluje určité množství paliva, ze kterého se má uvolnit potřebné množství tepla. Podle druhu spalovaného paliva se ohniště dělí na ohniště ke spalování paliv tuhých, kapalných a plynných, popř. ohniště kombinovaná, sloužící ke spalování paliv různých fází odděleně nebo současně (např. kombinované ohniště na uhlí a těžký topný olej a zemní plyn apod.) Podle způsobu spalování jsou ohniště na tuhá paliva buď roštová, spaluje-li se palivo v klidné vrstvě, nebo prášková, spaluje-li se tuhé palivo ve formě prášku v letu v prostoru ohniště. Ohniště, v nichž se kusové palivo spaluje ve vznosu (v kypící vrstvě), se nazývají fluidní. Prášková ohniště se podle způsobu proměny popelovin v ohništi konstruují jako ohniště granulační, kdy popelovina odchází z ohniště ve formě spečené porézní škváry, nebo jako

22

ohniště výtavná, z nichž popelovina přivedená palivem odtéká ve formě tekuté strusky. Cyklónová ohniště horizontální a vertikální spalují tuhé palivo v podobě drti za intenzivního víření ve spalovacím prostoru ohniště. Každé spalovací zařízení, má-li spolehlivě a funkčně i ekonomicky dobře pracovat, musí splňovat řadu požadavků. Především musí při každém výkonu zajistit spálení přiváděného paliva s optimálním přebytkem spalovacího vzduchu, a to s nejlepší možnou účinností spalování. Dále má ohniště dovolit co nejširší palivový program, aniž by vznikly nějaké provozní potíže nebo poklesla jeho účinnost. Vznikající zplodiny hoření, hromadící se v ohništi a přicházející do styku s výhřevnými plochami, nesmějí vyvolat zkrácení provozní periody, např. tvorbou nánosů, korozí, ucpáváním výpustních a odsávacích otvorů apod. Ve spalinách nemají být jedovaté složky, např. CO apod. Ohniště má mít jednoduchou a účinnou regulaci výkonu v co nejširším rozmezí. Stabilita hoření musí být při tom dobrá jak při stacionárních stavech, tak i při zásahu regulace, jmenovitě v blízkosti požadovaného minimálního výkonu. 4.2.1 Roštová ohniště Nejstarším typem průmyslového ohniště je ohniště roštové. Je určeno ke spalování kusových paliv ve vrstvě filtračním způsobem. Při tomto spalování leží palivo na roštu ve vrstvě, jejíž tloušťka závisí na tepelném výkonu ohniště a prodyšnosti vrstvy pro spalovací vzduch. Podle obr. 4.6 jsou základní části roštového ohniště : spalovací prostor (omezený stěnami a přední a zadní klenbou)  rošt s palivovou násypkou a palivovým hradítkem  škvárový jízek  škvárová výsypka  zařízení pro přívod a regulaci vzduchu. Rošt je tvořen - nosnou konstrukcí - roštnicemi a u mechanických roštů též hnacím zařízením pro pohyb roštu.

1 – hlavní ohniště, 2 – rošt, 3 – násypka, 4 – hradítko, 5 – škvárový jízek, 6,7 přední a zadní klenba Obr. 4.6 Hlavní části roštového ohniště

23

Rošt má plnit při spalování tyto funkce: a) podpírat spalované palivo a umožnit, aby se z něho vytvořila vrstva požadované tloušťky a prodyšnosti; b) zajistit přívod spalovacího vzduchu do jednotlivých míst plochy roštu tak, aby spalování probíhalo při optimálním přebytku vzduchu; c) umožnit postupné vysušení paliva, zahřátí na zápalnou teplotu, hoření a dokonalé vyhoření; d) shromažďovat tuhé zbytky po spalování (škváru), popř. zajišťovat jejich odvod z ohniště; e) měnit svůj výkon podle požadovaného výkonu kotle. Spalované palivo na roštu prochází postupně řadou fází : sušením, odplyňováním, zapálením, hořením a dohoříváním, které u pevných roštů a mechanických roštů s pohazováním následují za sebou ve směru výšky vrstvy a u roštů pásových a přesuvných za sebou ve směru délky roštu. Z toho, co bylo uvedeno o následnosti jednotlivých fází dějů ve vrstvě, vyplývá, že z celkové roštové plochy slouží k uvolňování tepla z paliva jen tzv. účinná plocha (popř. délka) roštu, obr. 4.7. Zbývající část plochy (délky) je jen pomocná a slouží k přípravě paliva pro zapálení a dohořívání.

Obr. 4.7 Celková, účinná a pomocná plocha roštu Typy roštů Podle způsobu přemísťování paliva vzhledem k ohništi se rozeznávají rošty s nehybnou vrstvou (např. rovinný rošt pevný), s vrstvou trvale se posouvající (např. rošty pásové) a přerušovaným přemísťováním vrstvy (např. rošty přesuvné). Pevný rovinný rošt, obr. 4.8 se skládá z řad vedle sebe a za sebou umístěných roštnic, vytvořených jako štíhlé nosníky ze žáropevné litiny. (Musí být dostatečně tuhé, aby se neprohýbaly pod vrstvou paliva a nekroutily se tepelným pnutím.) Mezera mezi nimi je úzká, aby palivo roštěm nepropadalo, avšak přitom dostatečně velká pro přívod vzduchu. Roštnice musí mít v mezeře, kde jsou chlazeny vzduchem, dostatečný povrch pro odvod tepla, aby se neopalovaly. Pevný rošt s ruční obsluhou vyhovoval jen pro malé výkony.

Obr. 4.8 Pevný rovinný rošt

24

Prvním typem mechanizovaného roštu, který se prakticky osvědčil pro větší výkony, byl rošt pásový, obr. 4.9. Pásový rošt používá Gallova řetězu pouze jako nosného elementu na vnějších krajích plochy roštu. Tyto řetězy nepřicházejí s rozžhaveným palivem vůbec do styku. Roštnice jsou zasunuty do příčných trámců, přivařených na článcích řetězu. Aby se pod tíhou roštnic a paliva řetězy neprohýbaly, je na každém čepu řetězu kladka, odvalující se při pohybu řetězu po kolejnicích na nosném rámu. Ložiska poháněcích řetězových kol jsou obvykle pevně spojena s rámem, ložiska vodících řetězek jsou přestavitelná, aby bylo možno řetězy napínat. Vrstva paliva na roštu se reguluje hradítkem. Na konci roštu je výkyvný škrabák nebo jízek, který zadržuje škváru, aby dohořela a současně zabraňuje vnikání falešného vzduchu do ohniště.

1- nosný rám, 2 – hnací řetězka, 3 – napínací řetězka, 4 – napínací zařízení, 5 – článek řetězu, 6 – nosný trámec, 7 – roštnice, 8 – násypka, 9 – segmentový uzávěr, 10 – hradítko, 11,12 – přední a zadní klenba, 13 – boční chladicí komora, 14 – škvárový jízek, 15 – pásmování vzduchu, 16 – šnek na vyhrabávání škváry a propadu, 17 – výparník kotle Obr. 4.9 Pásový rošt Dalším typem mechanizovaného roštu je rošt přesuvný (obr. 4.10). Je to v podstatě stupňový rošt jehož plocha je složena z úzkých roštnic srovnaných do příčných vodorovných řad (stupňů). Všechny sudé a liché jsou protiběžně poháněné přímočaře, vratně od klikového mechanismu elektromotorem nebo hydraulicky. Pohybem roštnicových stupňů se dosáhne postupného sesouvání paliva, prolamování povrchu spékavého paliva a částečného promíchávání uhlí ve vrstvě. Povrch roštu je skloněn k vodorovné rovině v úhlu asi 15 až

25

20°. Výkon roštu lze měnit výškou vrstvy paliva a rychlostí pohybu paliva tj. rychlostí roštnic např. změnou převodu, změnou tlaku hydraulického pohonu.

Obr. 4.10 Přesuvný rošt Pro spalování městských odpadů ve spalovnách se používá válcový rošt. Má roštnice ve tvaru otáčejících se dutých válců s rovnoběžnými vodorovnými osami, umístěnými vedle sebe tak, že jejich povrch tvoří šikmou plochu se sklonem 30 až 40°. Válce se otáčejí ve stejném smyslu a zajišťují posuv a prolamování vrstvy paliva. Spalovací vzduch se přivádí dutými čepy válců a mezerami mezi roštnicemi tvořícími válce (obr. 4.11).

Obr. 4.11 Válcový rošt pro spalování městských odpadů 4.2.2 Prášková ohniště Prášková ohniště se konstruují ve dvou variantách. Spalování prášku může probíhat při relativně nízkých teplotách v ohništi, takže struska odchází z ohniště v tuhém stavu. Tento typ práškového ohniště se nazývá granulačním ohništěm, někdy také ohništěm se suchým odvodem strusky. U druhého typu práškových ohnišť se spaluje prášek při vyšších teplotách, takže popel zachycený v ohništi opouští spalovací prostor ve formě tekuté strusky. Taková ohniště se nazývají výtavnými. Zavedení práškových ohnišť přineslo řadu zlepšení v technologii spalování tuhých paliv. Jmenovitý výkon práškových ohnišť mohl být neomezeně zvětšován, účinnost spalování tuhých paliv (zejména méněhodnotných) se zvětšila a rozšířil se výběr paliv vhodných ke spalování.

26

V práškovém ohništi se spaluje jemně umletý uhelný prášek, který se přivádí tryskami hořáků spolu se spalovacím vzduchem do prostoru ohniště. Uhelný prášek se dopravuje ze mlýnů do spalovacího prostoru pneumaticky. Jako nosného prostředí se používá části spalovacího vzduchu (primárního vzduchu) nebo spalin, např. směsi spalin a vzduchu. Tato primární směs se směšuje ve spalovacím prostoru se zbylou částí spalovacího vzduchu, tzv. vzduchem sekundárním. Podíl primárního vzduchu bývá od několika procent až do 100 % z celkového objemu spalovacího vzduchu. Aby bylo dosaženo vyhovující účinnosti spalování, musí být doba potřebná k dokonalému spálení částečky paliva kratší než doba setrvání paliva v ohništi. Proto se uhlí mele velmi jemně. Největší četnost mají v uhelném prášku zrna o rozměrech 30 až 90 μm. Černá uhlí se melou jemněji, reaktivnější hnědá uhlí hruběji. Práškové ohniště má plnit dvě základní funkce: zajistit vyhoření paliva na pokud možno malý nedopal a zároveň ochladit spaliny na teplotu, při níž už může dojít ke vzniku nezvládnutelných nánosů na výhřevných plochách. 4.2.2.1 Granulační ohniště Granulační ohniště má tvar svislého hranolu s charakteristickým zúžením spodní části, tzv. výsypkou (obr. 4.12). Výsypka bývá vytvořena vyhnutím dvou protilehlých stěn ohniště. Má umožnit snadný odvod tuhých zbytků po spálení. Pod štěrbinovitými otvory výsypky je umístěno odstruskovací zařízení. Příčný řez ohništěm mívá tvar čtvercový, obdélníkový, někdy i mnoho úhelníkový. Mnoho-úhelníkový tvar řezu ohniště umožňuje lepší využití stěn ohniště, neboť tepelné toky po šířce stěny jsou rovnoměrnější.U čtyřúhelníkového tvaru průřezu ohniště se projevuje chladicí účinek rohů ohniště, takže velikost tepelného toku stěnou v rozích klesá. Princip spalování tuhých paliv v granulačním ohništi umožňuje volit uspořádání hořáků nejrůznějším způsobem. Hořáky mohou být v ohništi umístěny podle kteréhokoliv způsobu uvedeného na obr. 4.12.

Obr. 4.12 Granulační ohniště Podmínkou bezporuchového provozu granulačního ohniště je udržení teplot v ohništi na nižší úrovni. Nejvyšší teploty v jádru plamene u granulačních ohnišť nebývají vyšší než 1100 až 1500°C. Zvýšení teplot v ohništi může mít za následek nalepování změklé strusky na stěnách ohniště i na prvních konvenčních plochách zařazených za ohništěm. To vede ke zkracování provozní periody kotle, neboť je nutno ohniště častěji čistit. Granulační ohniště umožňují spalovat paliva ve velmi širokém výběru. Nejčastěji se používá granulačních ohnišť ke spalování méněhodnotných paliv (hnědá uhlí, lignity) a paliv se 27

středním a vysokým obsahem prchavého podílu. Granulační kotle je výhodné stavět v blízkosti dolů, kam je možno zavážet popílek a strusku, takže odpadají potíže s jejich uskladněním. Předností granulačních ohnišť je možnost snadného udržování malých minimálních výkonů (bez použití stabilizačních olejových hořáků až 30 % jmenovitého výkonu) a hrubší mletí paliva, takže spotřeba mlecí práce je za jinak stejných podmínek nižší než u ohnišť výtavných. Na přípravu paliva před spálením jsou nižší nároky, takže se většinou používá jednoduchých mlecích okruhů s přímým foukáním. Regulace spalovacího procesu granulačního ohniště je méně náročná než u ohniště výtavného, kde je nutno přesněji dodržovat velikost přebytku vzduchu. K nevýhodám granulačních ohnišť patří již zmíněné potíže s uskladněním popílku na složišti. Granulační ohniště je schopno zachytit jen malý podíl popela (asi 20 %). Ostatní část popela je odnášena z ohniště spalinami a popílek je nutno zachytit v rozměrných odlučovácích. Granulační ohniště mají za jinak stejných podmínek menší měrné tepelné zatížení spalovacího prostoru než ohniště výtavná a jsou tedy rozměrnější.

4.2.2.2.

Výtavná ohniště

V granulačních ohništích vznikaly často potíže se zastruskováním ohniště při spalování paliv s nízkou teplotou měknutí popelovin. Aby byly tyto obtíže odstraněny, byla vyvinuta výtavná ohniště, ve kterých se spaluje palivo při vyšších teplotách, takže se popeloviny roztaví a odstraňují se z ohniště v tekutém stavu. Vyšších spalovacích teplot se dosahuje snížením chlazení plamene stěnami ohniště, zvýšením teploty spalovacího vzduchu, zvětšením jemnosti mletí a zvětšením intenzity směšování paliva se vzduchem. Obě poslední opatření mají zajistit shoření paliva na kratší dráze. To umožňuje zvýšit měrné tepelné zatížení ohniště. Zvýšení intenzity směšování dovoluje rovněž zmenšit přebytek spalovacího vzduchu, což má za následek další zvýšení teploty v ohništi. Spodní část výtavného ohniště (tzv. výtavný prostor) má trubkové stěny pokryty vrstvou žárovzdorné keramické hmoty, takže chladicí účinek stěn je snížen. U některých tzv. dvouprostorových výtavných ohnišť se dosahuje zvýšení teploty plamene konstrukčním oddělením výtavného prostoru od prostoru vychlazovacího, takže výměna tepla mezi oběma prostory je omezena (obr. 4.13 b.). Výtavný prostor je oddělen u těchto typů ohnišť od vychlazovacího prostoru struskovou mříží. Mříž je vytvořena střídavě vyhnutými omazanými trubkami, takže spaliny mohou mezi nimi proudit do vychlazovacího prostoru. Výhodou struskové mříže je lepší tepelné odstínění obou prostorů ohniště a vyšší stupeň zachycení popelovin, který u těchto ohnišť bývá 50 až 60 %, tedy dvakrát až třikrát větší než u granulačních ohnišť. Nevýhodou struskové mříže je nebezpečí jejího zanesení ztuhlou struskou při vyšší teplotě tavení popelovin nebo při nižších teplotách v ohništi. Vychlazovací prostor je nutnou částí každého výtavného ohniště, neboť spaliny je třeba před vstupem do konvenčních výhřevných ploch ochladit, aby částečky strusky unášené spalinami ztuhly a nemohly se nalepovat na dodatkové plochy. Stěny vychlazovacího prostoru nejsou proto omazány žárovzdornou hmotou. Spalování má být dokončeno z větší části ve výtavném prostoru. Větší částečky roztavené strusky klesají do spodní části ohniště nebo ulpívají na stěnách výtavného prostoru, odkud stékají rovněž ke dnu. Dno výtavného prostoru je na rozdíl od granulačního ohniště většinou vodorovné nebo má jen mírný sklon. Tekutá struska odtéká z výtavného prostoru výtokovým otvorem do granulační nádrže. Tato nádrž je naplněna vodou, takže vtékající struska se rychle ochladí a vlivem vnitřního tepelného pnutí se

28

rozpadne na struskový písek. Z granulační nádrže se struska dopravuje mechanicky nebo hydraulicky na složiště strusky.

Obr. 4.13 Výtavná ohniště jednoprostorová (a) a dvouprostorová (b) Na obr. 4.13a je schéma jednoprostorového ohniště. Výtavný prostor přechází plynule do prostoru vychlazovacího. Jednoprostorová ohniště jsou charakterizována nižšími teplotami ve výtavném prostoru, takže v nich může být spalována palivo s nižší teplotou tečení popelovin. Jejich minimální výkon je vyšší než u dvouprostorového ohniště. Výhodou výtavných ohnišť je vysoký stupeň zachycení popela v ohništi (50 až 60 %) a přeměna takto zachyceného popela na granulovanou strusku, která se snadněji ukládá na složišti. Spalování paliva při vyšších teplotách a s větší směšovací energií dovoluje snížit přebytek vzduchu při nízké ztrátě nedopalem. Nevýhodou výtavných ohnišť je vyšší minimální výkon, větší vlastní spotřeba vlivem jemnějšího mletí paliva. Často dochází vlivem vysokých spalovacích teplot k odpařování části popelovin, které pak kondenzují na dodatkových plochách (ohřívák vody) a způsobují těžko odstranitelné nánosy. Ve výtavných ohništích je výhodnější spalovat kvalitnější paliva, především černé uhlí. Na obr. 4.14 je řez dvouprostorovým a jednoprostorovým ohništěm.

a) dvouprostorové na výkonnost Mpj = 140 t h-1 b) jednoprostorové na výkonnost Mpj = 200 t h-1

Obr. 4.14 Tvar výtavných ohnišť dvouprostorových a jednoprostorových a řez provedených Ohnišť

29

4.2.3 Cyklónová ohniště Vznik práškových ohnišť umožnil prakticky neomezené zvětšování jmenovitého výkonu kotlů. Spalování ve velkých práškových ohništích má charakter difúzní, takže rychlost hoření je určena především intenzitou směšování paliva a okysličovadla. Čím je však spalovací prostor větší, tím hůře je možno ovládat míšení v ohništi. Dostatečně silná turbulence je pouze v blízkosti hořáků. Malá turbulence a nízká koncentrace kyslíku ve vzdálenějších oblastech ohniště značně zpomaluje hoření, takže je nutno spalovací prostor zvětšit nebo se spokojit se zvýšenou ztrátou nedopalem. Snaha odstranit některé nedostatky práškových ohnišť vedla k postavení cyklónového ohniště s uplatněním vířivého spalování v menším válcovém prostoru s cílem zdokonalit spalování a urychlit jeho průběh. Schéma cyklónového ohniště je na obr. 4.15. Cyklónové ohniště má tvar válce s poměrem délky k průměru 1 až 1,3 a má mírně skloněnou nebo vodorovnou osu. Směs paliva a primárního vzduchu vstupuje do cyklónu vířivým hořákem umístěným ve středu mírně kuželovitého čela. Sekundární vzduch se přivádí tangenciálně tryskami umístěnými na obvodu cyklónu. Tangenciální vstup vzduchu způsobuje vířivý pohyb spalin v ohništi, které se pohybují po spirále a vystupují zúženým otvorem umístěným ve středu protilehlého čela cyklónu. Aby nemohli částice paliva unikat nespálené podél osy cyklónu, přivádí se do cyklónu axiálně část spalovacího vzduchu, tzv. terciární vzduch. Veškerý objem spalovacího vzduchu se dělí tak, že 15 až 20 % připadá na vzduch primární, 75 až 80 % na vzduch sekundární a asi 3 až 8 % na vzduch terciární.

3°

a, b – vlastní ohniště, c -připojení na vychlazovací prostor, 1 – cyklón, 2 – omaz, 3 – vychlazovací prostor, 4 – mezistěna se struskovou mříží, 5 – granulační nádrž Obr. 4 15 Cyklónové ohniště Cyklónové ohniště pracuje jako výtavné. Roztavená struska pokrývá stěny cyklónu a vytéká otvorem umístěným pod výstupním otvorem pro spaliny. Umístění cyklónového ohniště na kotli je patrno z obr. 4.15 c. Spaliny a struska vytékají z cyklónu do sekundárního výtavného prostoru, kde dosud nespálené složky hořlaviny dohoří. Struska vytéká ze sekundárního výtavného prostoru hlavním výtokovým otvorem do granulační nádrže. Výtavný a vychlazovací prostor bývají navzájem odděleny struskovou mříží nebo mohou být koncipovány jako jednoprostorové ohniště (u větších kotlů).

30

Způsob spalování tuhých paliv v cyklónových ohništích se liší od spalování prášku v klasickém granulačním nebo výtavném ohništi zejména v těchto bodech: 1. Palivo spalované v cyklónu se nemele tak jemně jako u práškových ohnišť, ale jen se drtí na největší velikost částic asi 6 mm. Částice paliva jsou strženy rotujícím prostředím a odstředivou silou jsou tlačeny na stěny cyklónu, kde jsou chyceny roztavenou struskou. Tím se značně zvětšuje relativní rychlost mezi palivem a vzduchem. Odlučovací účinek cyklónu způsobuje, že větší částice paliva setrvají v cyklu tak dlouho, dokud nedohoří. 2. Výstupní rychlost sekundárního vzduchu z trysek je třikrát až pětkrát větší než u práškových hořáků (150 až 200 m s-1). Potřebný tlak sekundárního vzduchu je 9 až 20 kPa. Vlastní spotřeba cyklónového kotle je přibližně stejná jako kotle práškového, neboť energie ušetřená při hrubším mletí paliva je spotřebována vzduchovými ventilátory. Velká kinetická energie sekundárního vzduchu způsobuje silné víření v celém prostoru ohniště. Víření není náhodné, ale je determinováno a je charakterizováno velkými rychlostními gradienty. 3. Velké relativní rychlosti mezi částečkami paliva a vzduchem a velké rychlostní gradienty v celém prostoru cyklónového ohniště zajišťují intenzivní spalování i při poměrně malém přebytku vzduchu (α = 1,05 až 1,1), takže je možno volit vysoké měrné tepelné zatížení spalovacího prostoru. 4. Tvar cyklónového ohniště a stěny cyklónu pokryté roztavenou struskou umožňují zachytit velké množství popela. Odlučovací účinek je ještě zvýšen použitím nárazových stěn a struskové mříže v sekundárním výtavném prostoru. Ve výtavném prostoru cyklónového kotle je možno zachytit až 95 % všeho popela ve formě roztavené strusky.

4.2.4 Fluidní ohniště Princip fluidního spalování v ohništi je dán tím, že v aktivní spalovací zóně je na pracovní teplotu spalování ohřát inertní materiál – popel z vlastního paliva nebo jiný vhodný materiál – např. křemenný písek, keramzit apod., který je mnohočetnými vzduchovými přívody (tryskami) uveden do tekutého tedy fluidního stavu. Vhodně vzduchem načeřený inertní materiál v ohništi má vlastnosti kapaliny a transport hmoty i přenos tepla probíhají v kapalině (respektive mezi kapalinou a výhřevnou plochou) a nikoli v plynu (spaliny) a mezi plynem a výhřevnou plochou jako u ostatních typů spalování. V důsledku toho součinitel přestupu tepla z fluidní vrstvy do výhřevné plochy je mnohonásobně větší (200 až 800 Wm-2K-1) než v jiných typech ohnišť (10 až 100 Wm-2K-1). Do fluidní vrstvy je převáděno palivo, jehož okamžité množství obvykle nepřesahuje 2-3 % celkové hmotnosti fluidní vrstvy.

31

Dle způsobu spalování paliv jsou fluidní ohniště a)

se stacionární fluidní vrstvou – obr. 4.16, kde fluidní spalování probíhá ve stavu, kdy vlivem dynamického účinku protékajícího vzduchu se poruší stabilita vrstvy inertních a uhelných částic v ohništi, vrstva expanduje, vznáší se, zvětší svůj objem a původně heterogenní systém přejde v homogenní zcela nových fyzikálních vlastnostech (nedrží sypný úhel, dvě vrstvy paliva spojené potrubím zachovávají princip spojitých nádob)

C

1 – fluidní rošt, 2 – vzduchová komora, 3 – fluidní vrstva, 4 – podavač paliva, 5 – fluidní reaktor, 6 – spalovací komora, 7 – bubnový kotel, 8 - přehřívák páry, 9 – ohřívák vody, 10 – ohřívák vzduchu, 11 – chlazení a doprava popílku, A, B – palivo a aditivum, C – ventilátor s primárním vzduchem, D – ventilátor se sekundárním vzduchem, E – recirkulace popílku, F – výstup spalin, G – odvod popílku Obr. 4.16 Schéma fluidního ohniště DUKLAFLUID se stacionární fluidní vrstvou

32

b)

s cirkulující fluidní vrstvou – obr. 4.17, kde spalování v ohništi s cirkulující fluidní vrstvou probíhá z hlediska fyzikálních dějů mezi stacionární fluidní vrstvou a pneumatickou dopravou. Dochází k cirkulaci fluidní vrstvy neboť je překročena stabilita fluidní vrstvy. Fluidní vrstva přechází v horní části ohniště do cyklonu, kde se odloučí spaliny od tuhých částic. Spaliny předávají teplo v tahu kotle výhřevným plochám a odloučené tuhé částice fluidní vrstvy se vrací zpět do spodní části ohniště kde dochází k opětné cirkulaci fluidní vrstvy.

Obr. 4.17 Schéma fluidního kotle s cirkulující fluidní vrstvou Výhody fluidního spalování Následkem víření částic ve fluidní vrstvě je přestup tepla do výhřevné plochy značně intenzivní. Součinitel přestupu tepla bývá v mezích 200 až 800 W m-2 K-1 a závisí nepřímo úměrně na velikosti částic. Tepelné toky do výhřevné plochy mají velikost 50 až 180 kWm-2, tj. 2 krát až 3 krát větší než u konvenčních ploch běžného kotle. Dávkuje-li se do fluidní vrstvy v poměrně malém množství vápenec, omezí se tvorba oxidů síry, takže je možno téměř zcela zabránit nízkoteplotovým korozím a škodlivým exhalacím. Také exhalace oxidů dusíku je menší. Velikost částic paliva spalovaného ve fluidní vrstvě bývá v rozsahu 0 až 6 mm, výjimečně až 20 mm. Spotřeba energie na dezintegraci paliva je proto menší než u práškových kotlů.

33

Ve fluidní vrstvě lze spalovat různé druhy paliv, včetně laciných méněhodnotných paliv, jako jsou hlušiny s vysokým obsahem popela. Pokusně byla spalována paliva s nižším obsahem uhlíku než 10 % (úlet z kotlů na spalování antracitu). Obsahuje-li palivo málo popelovin, přidávají se popeloviny uměle, aby se mohla fluidní vrstva vytvořit. Na takto uměle vytvořené fluidní vrstvě byl také pokusně spalován topný olej. Koncentrace SOx, NOx je nízká v důsledku dávkování vápence a nízkých spalovacích teplot 800 – 900 °C. 4.2.5 Ohniště na kapalná paliva a plynná paliva Ve světové energetické bilanci neustále klesá poměrný podíl spotřeby tuhých paliv, přičemž tuhá paliva jsou nahrazována palivy kapalnými a plynnými. Hlavními přednostmi kapalných paliv je jejich vysoká výhřevnost a snadnost těžby, dopravy a skladování. Vlastní spotřeba kotelny je menší. Investiční náklady na spalovací zařízení jsou nižší než při spalování uhlí, neboť odpadají náklady na mlecí okruh. Při spalování kapalných paliv lze dosáhnout vyšší účinnosti spalovacího zařízení. Odpadá zde ztráta citelným teplem struskou, ztráta mechanickým nedopalem je minimální a komínová ztráta je menší, neboť kapalná paliva je možno spalovat s nižším součinitelem přebytku vzduchu (α = 1,05). Protože obsah popelovin je v kapalných palivech nepatrný, zmenšují se potíže s čištěním dodatkových ploch a odpadají odlučovače popílku. Odpadá také zařízení na odstruskování a složiště popela. Velkou předností ohnišť na kapalná paliva je jejich provozní pružnost. Z hlediska regulace kotle je dále výhodná málo kolísající výhřevnost kapalného paliva. Spalování kapalných paliv však přináší i některé nové problémy. Spaliny z kapalných paliv mají při spalování se stejným přebytkem vzduchu vyšší rosný bod než spaliny z tuhých paliv. Obsahují hodně vodní páry vzniklé spálením vodíku z paliva a není v nich popílek, který by na svém povrchu mohl absorbovat oxid síry. Při spalování kapalných paliv je nutno proto volit teplotu spalin za kotlem poměrně vysokou (180 až 200 °C), aby nedošlo k nízkoteplotním korozím. Topné plyny jsou ideálním palivem pro parní kotle. Doprava plynů je jednoduchá a levná, plynná paliva není nutno před spalováním upravovat. Obvyklé úpravy, tj. čištění plynu od mechanických a chemických nečistot (síry), se provádějí v místě těžby nebo výroby. Plynná paliva se snadno mísí se vzduchem, takže je možno spalovat s velmi nízkým přebytkem spalovacího vzduchu (α = 1,03) při vysoké účinnosti spalovacího zařízení. Při spalování plynu se volí vysoké měrné tepelné zatížení ohniště. Parní kotle na plynná paliva jsou proto investičně méně nákladné, mají menší vlastní spotřebu a regulace spalování je jednodušší. Provoz kotle je možno snadno automatizovat. Svými vlastnostmi jsou plynná paliva předurčena pro spalovací zařízení v hustě osídlených oblastech, pro spalovací zařízení malých výkonů, nebo jako surovina pro chemický průmysl. Spalování jakostních plynů (např. zemního plynu) v kotlích s velkými výkony nemusí být vždy z celostátního hlediska ekonomicky optimální. Často je výhodné spalovat ve velkých elektrárenských kotlích přednostně méněhodnotná paliva, jejichž spalování v malých jednotkách by bylo nehospodárné. Vhodnost použití jakostních plynů ve velkých kotlích je nutno zjišťovat případ od případu a výsledek takového rozboru závisí na mnoha faktorech.

34

Proto se často setkáváme s parními kotli s kombinovaným spalovacím zařízením, kde je možno spalovat kapalná i plynná paliva. Na obr. 4.18 jsou uvedeny koncepce ohnišť na kapalná a plynná paliva s dopadem na obestavěný prostor a půdorysnou plochu.

Vliv koncepce olejového a plynového kotle na velikost obestavěného prostoru a půdorysné plochy Obr. 4.18 Ohniště na spalování kapalných a plynných paliv 4.3

OHŘÍVÁKY SPALOVACÍHO VZDUCHU

4.3.1 Význam ohřívání spalovacího vzduchu Ohřívák vzduchu je část spalovacího zařízení, bez níž se soudobý parní kotel prakticky neobejde, která se však objevila u kotle až na určitém vývojovém stupni . Vzduch ohříváme proto, abychom a) zlepšili, resp. urychlili sušení tuhých paliv jak pro spalování na roštu, tak v prostoru b) zmenšili komínovou ztrátu c) zlepšili průběh vzněcování paliva i vlastního vyhoření d) zvýšili spalovací teplotu v ohništi a celou teplotní úroveň v kotli Teplota, na kterou ohříváme vzduch, je dána jednak požadavky spalovacího zařízení, dále materiálovými možnostmi, a konečně i zřetelem na cenové optimum. Podle typu spalovacího zařízení a paliva volíme obvykle u roštů teplotu vzduchu 150 až 200 °C, maximálně 250 °C. Vyšší hodnoty si nemůžeme dovolit, jelikož spalovací vzduch vlastně musí chladit roštnice a kromě toho nesmí být na roštu překročena teplota tavení popela, aby nedošlo k zalití vzduchových mezer roztavenou struskou. Nejvyšší teploty připouštějí pásové rošty při spalování mokrých hnědých uhlí s vyšším bodem tavení popelovin. U práškových ohnišť granulačních volíme při sušení uhlí spalinami teplotu ohřátí vzduchu 250 až 350 °C a při sušení vzduchem 350 až 400 °C. U výtavných a cyklových ohnišť je obvyklá teplota ohřátého vzduchu 400 °C i více.

35

4.3.2 Typy ohříváků vzduchu Podle způsobu přenosu tepla rozlišujeme ohříváky vzduchu rekuperační a regenerační. U rekuperačních ohříváků teplo prochází stěnou, která trvale odděluje obě prostředí. U regeneračních se teplo přenáší prostřednictvím zvláštního členu, který je střídavě ohříván proudem spalin a ochlazován proudem vzduchu, přičemž působí jako akumulátor tepla. Rekuperační ohříváky jsou těsné, avšak mají větší hmotnost. Vyžadují větší prostor na jednotku výhřevné plochy a jsou citlivé na zanášení. U regeneračních ohříváků je tomu naopak. Dnes se používá rekuperační ohřívák trubkový. Regenerační ohříváky bývají hlavně rotační, typu Ljungström. Trubkový ohřívák vzduchu, obr. 4.19 je vytvořen ze svařovaných ocelových trubek, za studena přesně tažených. Do maximální teploty stěny 475°C jsou trubky z uhlíkové oceli, pro vyšší teploty z legovaných žárovzdorných ocelí. Trubky o průměru 25 až 50 mm a tloušťce stěny 1,25 až 2 mm jsou zaválcovány nebo zavařeny do trubkovnic tlustých 15 až 25 mm, uložených na nosné konstrukci kotle.

1 – trubkovnice, 2 – svazek trubek zavařených do trubkovnic, 3 – oplechování 4 - přepážky Obr. 4.19 Trubkový ohřívák vzduchu Spaliny proudí obvykle uvnitř trubek (čistí se ofukováním), výjimečně např. u olejových kotlů vně (čistí se kuličkovým deštěm). Vzduch proudí v křížovém protiproudu. Optimální rychlost spalin je funkcí tlakových ztrát a součinitele přestupu tepla. Se stoupající rychlostí vzrůstá tento součinitel, čímž klesají i investiční náklady na vlastní ohřívák vzduchu, ale stoupají provozní náklady na ventilátor. Maximální přípustná rychlost spalin ωs je dána abrazními vlastnostmi popílku, obvykle bývá 10 až 15 m . s-1. Rychlost vzduchu se volí ωv = 0,5 ωs. Ljungströmův ohřívák, obr. 4.20 je regenerační rotační ohřívák, jehož hmotu, kumulující a přenášející teplo, tvoří svazky zvlněného plechu tloušťky 0,5 až 1 mm s roztečí 3 až 5 mm, střídavě obtékané spalinami a vzduchem. Konstrukčně se rotační regenerační ohřívák vzduchu dá řešit dvěma způsoby. Obvyklejší je případ, kdy spalinové a vzduchové kanály stojí a rotor, nesoucí výplňové plechy, se otáčí. Méně časté je řešení opačné, neboť ohřívák zabere více místa, je v něm horší proudění a hůře se čistí. Ljungströmův ohřívák se dělá se svislým i vodorovným hřídelem. Bývá poháněn na obvodu rotoru, počet otáček rotoru je 3 až 5 min-1. Příkon hnacího elektromotoru je malý, ani u největších typů nepřekročí 10 kW.

36

Hlavní výhodou Ljungströmova ohříváků je jeho malá hmotnost a jeho čtyřikrát až šestkrát menší obestavěný prostor. Ohřívák není citlivý na zanášení a lépe využívá teplotního spádu, protože umožňuje protiproudové provedení, kdežto u ostatních typů ohříváků se nelze prakticky vyhnout částečnému křížovému proudu.

Obr. 4.20 Ljungströmův ohřívák vzduchu

4.4

ZAŘÍZENÍ K ODSTRANĚNÍ TUHÝCH ZBYTKŮ PO SPÁLENÍ ODSTRUSKOVACÍ ZAŘÍZENÍ

Účelem odstruskovacího zařízení je odstraňovat tuhé zbytky po spálení (strusku, škváru a popílek) ze spalovacího prostoru a průtahů kotle, chladit je, větší kusy drtit a dopravovat je na složiště. Odstruskovací zařízení musí být navrženo a konstruováno tak, aby byla zajištěna jeho vysoká provozní spolehlivost, minimální prašnost okolí, a aby koncepce celého zařízení byla ekonomicky optimální. Odstruskovací zařízení se dělí do několika funkčních celků: 1. odstruskovače a odpopílkovače, jejichž účelem je odstraňovat tuhé zbytky z ohniště nebo výsypek průtahů a chladit je, popř. je dezintegrovat 2. zařízení, které dopravuje tuhé zbytky zachycené odstruskovači do společného zásobníku (místní doprava v kotelně) 3. zásobníky, usazovací nebo filtrační nádrže, v nichž se tuhé zbytky shromažďují před další dopravou 4. doprava tuhých zbytků z kotelny na definitivní složiště. Ruční odstruskování se dnes používá jen výjimečně u kotlů nejmenších výkonů. V ostatních případech je odstruskování mechanizováno, přičemž lze použít soustavy mechanické, hydraulické (vysokotlaké nebo nízkotlaké), pneumatické, popř. kombinované. Pro volbu soustavy odstruskování je rozhodující množství tuhých zbytků, způsob spalování, vzdálenost složiště od kotelny a spotřeby vody.

37

4.4.1 Mechanické odstruskování Výhodou mechanických odstruskovacích systémů jsou malé investiční náklady a malá spotřeba vody a energie. Na závadu je často velké opotřebení, koroze kyselinou sírovou a někdy nečistý prašný provoz. Nejčastěji se s mechanickými systémy setkáváme u odstruskovačů. U kotlů menších výkonů zejména u kotlů roštových, se používá např. Martinova odstruskovače (obr. 4.21). Do vany naplněné vodou padá škvára rozdrcená válcovým drtičem a je vyhrnována ramenem s vratným pohybem. Martinovy odstruskovače se používají až do výkonu 8 t h-1 škváry.

Obr. 4.21 Martinův odstruskovač U výtavných ohnišť se často používá pro vynášení strusky z granulační nádrže řetězového odstruskovače obr. 4.22. Roztavená struska vytéká z tavicího prostoru do vodní nádrže, kde se náhle ochladí a tepelným pnutím rozpadne na drť. Spotřeba vody u granulačních nádrží s řetězovým vynašečem je 6 až 10 m3/t strusky. Voda se přivádí do granulační nádrže pod vyšším tlakem, aby se zvýšenou turbulencí vody v nádrži zabránilo shromažďování plovoucích kusů strusky na hladině. Voda se v nádrži ohřívá na 60 až 70 °C. Dopravní rychlost řetězového vynašeče je 1 až 1,5 m min-1. Někdy bývá pohon vynášeče opatřen převodovkou se změnou otáček, takže rychlost dopravníku lze přizpůsobit výkonu kotle. Řetězový vynášeč se často používá také u granulačních ohnišť, neboť svou konstrukcí snadno umožňuje odstraňování škváry a popílku z podélných otvorů výsypek.U těchto vynášečů je spotřeba vody 0,2 až 0,7 m-3 t-1 strusky. K drcení kusů strusky nebo škváry se používají většinou válcové drtiče s jedním, dvěma nebo třemi válci. Kusy škváry, které někdy mohou mít velikost až 400 mm, se drtí na kusy s největším rozměrem 20 až 40 mm. Spotřeba energie na drcení bývá 0,3 až 0,9 kWh t-1 škváry.

1 – granulační nádrž, 2 – řetězový vynášeč, 3 – vibrační síto, 4 – drtič, 5 – zásobník na granulovanou strusku, 6 – ejektor, 7 – ventil tlakové vody, 8 - šoupátko Obr. 4.22 Řetězový odstruskovač

38

4.4.2. Hydraulické odstruskování U nízkotlakého odstruskování (splavování) se dopravuje struska vodou, která proudí přirozeným spádem žlaby do usazovací nádrže. Splavovací žlaby mají spád nejméně 2 %. Proto není možno dopravovat splavováním strusku na větší vzdálenosti než 100 až 200 m. Splavovací žlaby jsou betonové a bývají vyloženy deskami z taveného čediče nebo z tvrdé litiny, aby se prodloužila jejich životnost. V místech, kde žlab mění směr, bývají umístěny pomocné vodní trysky, které mají zabránit usazování strusky. Spotřeba splavovací vody je 10 až 20 m3 t-1 strusky. Na obr. 4.23 je schématicky nakresleno zařízení pro splavování strusky z výsypky granulačního kotle. Struska se shromažďuje ve spodním prostoru výsypky (v tzv. lucerně) se šikmým dnem a v určitých intervalech je splachována vodou do splavovacího žlabu. Voda pro splachování strusky se přivádí do trysek pod tlakem 0,5 MPa.

1 – lucerna, 2 – trysky pro přívod granulační vody, 3 – splavovací žlab, 4 – jízek 5 – splavovací tryska Obr. 4.23 Nízkotlakové hydraulické odstruskování Vysokotlaké hydraulické odstruskování dovoluje dopravovat tuhé zbytky po spálení na větší vzdálenosti. Struska se dopravuje ve směsi s vodou ejektorem nebo bagrovacím čerpadlem. Vysokotlaké ejektorové hydraulické odstruskování (obr. 4.24) má výhodu v jednoduché konstrukci a v možnosti snadné a rychlé výměny opotřebovaných částí. Trysky ejektoru z legované oceli vydrží v provozu asi půl roku. Ejektor může pracovat zároveň jako odstruskovač a dopravní zařízení, takže celý systém je jednoduchý a zaujímá málo místa. Pokud je potrubí pro dopravu směsi chráněno proti erozi, je jeho životnost vyhovující (např. při vyložení potrubí taveným čedičem může být životnost větší než 15 let). Popílek lze tímto způsobem dopravovat na vzdálenosti až 3 km při spotřebě vody kolem 5 m 3 t-1 popílku. Při dopravě strusky mohou být největší kusy velké 20 až 30 mm a spotřeba vody je 6 až 10 m3 t-1 strusky. Energetická účinnost ejektoru je nízká (kolem 25 %), a proto se ejektoru používá pouze pro místní dopravu. Opotřebení ejektorů je menší než u bagrovacích čerpadel. Tlak vody v trysce ejektoru závisí na celkové dopravní výšce a má velikost až 6,5 MPa. Bagrovací čerpadla jsou zařazena do potrubní trasy v případě dopravy strusky na větší vzdálenosti.

39

Se zřetelem na erozi části čerpadla má mít bagrovací čerpadlo nízké otáčky (720 až 1450 min-1), nemá mít příliš velkou výtlačnou výšku (max. 0,7 MPa) a ucpávky jsou zahlcovány čistou vodou s vyšším tlakem než je tlak dopravované směsi. Při požadované velké výtlačné výšce je výhodnější zapojit několik čerpadel za sebou.

1 – přívod chladicí vody , 2 – deska z manganové oceli, 3 – drtič, 4 – ejektor, 5 – odsávání par Obr. 4.24 Vysokotlaké hydraulické odstruskování 4.4.3. Pneumatické odstruskování a odpopílkování v kotelně Výhodou pneumatického odstruskování jsou malé investiční náklady, potrubí lze dobře přizpůsobit místním poměrům, zařízení vyžaduje málo místa, produktivita práce je vysoká a provoz se dá snadno automatizovat. Struska a popílek se dopravuje v suchém stavu, což je výhodné, používá-li se těchto materiálů jako surovin pro další zpracování (např. ve stavebnictví). Při dopravě strusky má být velikost kusů menší než 30 mm a výsypky granulačních ohnišť musí být proto opatřeny drtiči. Náklady na pneumatickou dopravu rychle stoupají s velikostí kusů dopravovaného materiálu. Proto se používá pneumatického systému většinou jen pro dopravu popílku. Náklady na provoz pneumatického odstruskování jsou poměrně vysoké. Spotřeba energie je 0,8 až 4,5 kW t-1 při dopravní vzdálenosti 25 až 400 m. Je tedy větší než u systémů mechanických i hydraulických.

40

Pneumatické odstruskování může být koncipováno jako podtlakové nebo přetlakové. V prvém případě je kompresor umístěn na konci dopravní trasy, takže v celém zařízení je podtlak a není nebezpečí znečišťování okolí popílkem. Měrný objem dopravního vzduchu je však větší, takže je nutno volit větší průřezy potrubí a také příkon kompresoru je vyšší. Proto se podtlakového způsobu používá méně často a jen pro vnitřní dopravu v kotelně. U přetlakového pneumatického odstruskování je kompresor umístěn na začátku dopravní trasy. V celém systému je přetlak a je proto nutná pečlivá údržba zařízení, aby byla zachována čistota okolí. Schéma pneumatického odpopílkování je na obr. 4.25.

A – schéma :1 – vzduchový filtr, 2 – popílkové výsypky, 3 – nasávač, 4 – síto a uzávěr, 5 – odlučovák popílku, 6 – parní ejektor, 7 – zásobník popílku, 8 – segmentový uzávěr, 9 – vagón, B – schéma : teleskopický nasávač popílku -1 – nátrubek se sítem a uzávěrem, 2 – nasávač, 3 – teleskopická trubka, 4 - síto, 5 – manipulační otvor Obr. 4.25 Pneumatické odpopílkování

4.5

ODSTRANĚNÍ ŠKODLIVÝCH LÁTEK ZE SPALIN NA VÝSTUPU Z KOTLE

4.5.1. Techniky ke snižování tuhých emisí – odlučováky popílku Během spalování fosilních paliv přechází minerální látka (anorganické nečistoty) do popela a částečně opouští kotel se spalinami jako polétavý popílek. Částice rozptýlené ve spalinách jako polétavý popílek tvoří primární tuhé částice, které vstupují do odlučovacího zařízení.

41

1.

Mechanické odlučování (cyklóny) – obr. 4.26

Tento typ snižování obsahu popílku ve spalinách využívá gravitační síly a může upravovat všechny typy kouřových plynů za suchých podmínek. Charakteristiky jeho výkonnosti však omezují jeho využití u malých nebo středně velkých zařízení a předurčují jej pouze jako předřazenou techniku pro záchyt , která je napojena na další prostředky redukce popílku. Mechanické odlučovače nezachycují jemný popílek. Jejich účinnost záchytu je proto omezena na 85 – 90 %. U kotlů, které spalují kusové uhlí na mechanických roštech se technologie cyklónů ještě stále používá, protože množství popílku je poměrně malé (20 % popela z uhlí ve srovnání s 80 % při spalování práškového uhlí.

1

1 – vstup směsi spalin a popílku, 2 – plášť cyklónu, 3 – odvod zachyceného popílku 4 – zásobník popílku, 5 – výstup spalin po odloučení popílku Obr. 4.26 Cyklónový odlučovák popílku

42

2. Tkaninové filtry (pytlové resp. hadicové filtry) – obr. 4.27. Tkaninová filtrace je v celosvětovém měřítku široce používanou metodou k odstraňování částic (zejména polétavého popílku) z průmyslových kouřových plynů a menších spalovacích zařízení. Současný trend však rovněž směřuje k většímu využívání této technologie pro závody většího rozsahu. Kromě zachycování popílku existuje i řada aplikací, kde se tohoto způsobu čištění plynu využívá společně se suchou metodu s injektáží suspenze nebo práškového sorbetu (jako je vápno nebo kyselý uhličitan sodný) k současnému snižování jak emisí oxidu siřičitého tak popílku. Odlučivost látkových filtrů je 99 % i vyšší, jsou však značně rozměrné.

1

1 – vstup směsi spalin a popílku, 2 – výstup spalin po odloučení popílku, 3 – odvod zachyceného popílku, 4 – tkaninové filtry, 5 – oklepávací zařízení Obr. 4.27 Látkový filtr

43

3.

Elektrostatické odlučovače – obr. 4.28

Elektrostatický odlučovač se často využívá u velkých spalovacích zařízení a je schopen provozu v širokém rozmezí teplotních a tlakových podmínek a zatížení popílkem. Není zvlášť citlivý na velikost částic a zachycuje prach jak za mokrých, tak suchých podmínek. V pracovním prostoru jsou elektrody nabíjecí a elektrody usazovací na nichž se usazují ionizované částice popílku, které se oklepávají střásacím zařízením dle potřeby. Odlučivost elektrostatického odlučovače s několika sekcemi, s automatickou regulací napětí a vhodné velikosti částic popílku je 99% i vyšší.

Obr. 4.28 Elektrostatický odlučovák popílku 4.5.2 Techniky ke snižování plynných emisí 4.5.2.1.

Techniky ke snižování emisí oxidu siřičitého

Primární opatření ke snižování emisí oxidu siřičitého Jedná se o využití nízkosirného paliva nebo paliva se zásaditými sloučeninami v popelu s odsířením uvnitř kotle. Přechod na nízkosirné palivo je opatřením, které může značně omezit emise SO2. V případech, kde je k dispozici možnost dodávek, může být realizovatelnou volbou záměna paliva, což může znamenat paliva s vysokým potenciálem odsíření uvnitř kotle v důsledku obsahu vápence (nebo jiných aktivních sloučenin) v popílku. U černého uhlí je běžný obsah 5 % vápence, ale ne obecně. U hnědého uhlí a rašeliny může být vyšší, s účinkem snížení až 80 % síry v závislosti na palivu a systému spalování. Také biomasa může při spoluspalování přispět. Na přirozené odsíření lze pohlížet jako na prostředek ke snížení emisí SO2 a to dokonce až o 90 %, a dochází k tomu při spalování některých nízkojakostních hnědých uhlí a rašeliny s nízkým obsahem síry a vysokým obsahem alkalického popílku, kdy dochází k velmi nízkým emisím SO2 oproti těm, které nastávají při použití obvyklých sekundárních technik. Sekundární opatření ke snížení emisí oxidu siřičitého Přehled technologií využívaných ke snižování emisí SO2 sekundárním opatřením: A. Neregenerační metody – reagující látka je vápenec a) suchý aditivní způsob – dávkování vápence do spalovací komory b) suchý aditivní způsob s intenzifikací c) mokrosuchý způsob d) mokrý způsob V případech b. c. d. je odstranění SOx ze spalin za kotlem.

44

B.

Regenerační metody – látka vázající SOx se regeneruje a vrací se do procesu odsíření spalin. Látka reaguje na principu : absorpce – oxid hořečnatý MgO, absorpce – aktivní uhlík C katalyzátoru – vanad V

Blíže je popsán proces neregenerační metody a to suchý aditivní způsob ad A.a., kdy reagující látka reagující s oxidy síry je vápenec, který je dávkován do ohniště. Mletý vápenec Ca CO3 je dávkován do oblasti teploty spalin v rozsahu tsη = 900 – 1200 °C kdy reakce s oxidy síry SOx je optimální. Vápenec CaCO3 se při teplotě spalin tsη = 900 – 1000°C rozkládá na oxid vápenatý CaO a CO2, přičemž CaO reaguje s SO2 dle vztahu : CaO + SO2 → CaSO3 – vzniká siřičitan vápenatý, který v ohništi reaguje se vzdušným kyslíkem: CaSO3 + ½ O2 = CaSO4 kdy vzniká síran vápenatý, který se v tuhé formě odstraňuje spolu s popílkem ve filtrech a ukládá se na složišti tuhých zbytků. Účinnost odstranění SOx η = 60%. Schéma této suché aditivní metody odsiřování použité na kotli v elektrárně Tisová I je na obr. 4.29.

1 – zásobník surového uhlí, 2 – řetězový podávač, 3 – pryžový dopravník 4 – ventilátorový mlýn, 5 – kotel 125 t/h, 6 – odlučovač popílku, 7 – kouřový ventilátor, 8 – komín, 9 – měření stavu vápence v zásobníku, 10 – zásobník vápence 11 – ovládání vzduchu, 12 – kontaktní manometr, 13 – vzduchový ejektor, 14 – podávač vápence, 15 – potrubí s vápencem do kotle, 16 – měření SO2, 17 – bagrovací stanice, 18 – složiště popela Obr. 4.29 Schéma suché aditivní metody odsiřování na kotli elektrárny Tisová I Vápenec k odstranění SOx ze spalin je použit i v procesu odsíření za kotlem ad A.b.,c.,d. Regenerační metoda ad B. je taková, kdy látka vázající SOx se regeneruje a vrací se zpět do procesu. V české republice se tato metoda nerozšířila.

45

4.5.2.2.

Techniky ke snižování oxidů dusíku NOx

Oxidy dusíku NOx (oxid dusnatý NO, oxid dusičitý NO2), vznikají spalováním fosilních paliv (uhlí, topný olej, zemní plyn) v ohništích kotlů, kde vzhledem k vysokým teplotám tsη > 1100°C dochází v důsledku chemické reakce mezi vzdušným kyslíkem a dusíkem obsaženým v palivu a ve vzduchu k jejich tvorbě. Z analýzy mechanismu vzniku oxidů dusíku vyplývá, že jejich tvorbu lze snížit během spalování třemi způsoby : snížením koncentrace kyslíku v plameni, snížením teploty plamene a zkrácením doby pobytu paliva v oblasti vysokých teplot. Tyto metody jsou nazývány primárními a realizují se v rámci spalovacího procesu vhodnou konstrukcí ohniště, vhodnou konstrukcí hořáků a způsobem provozu spalovacího zařízení. Praktické zkoušky při provozu spalovacích zařízení ukazují, že primárními metodami lze snížit emise NOx až o 60 %. Další možností jak snížit množství již vytvořených emisí oxidů dusíku NOx je zredukování jejich koncentrace ve vystupujících spalinách ze spalovacího zařízení pomocí sekundárních opatření mezi které patří selektivní nekatalytická redukce SNCR – obr. 4.30 a selektivní katalytická redukce SCR obr. 4.31. Obě jsou založeny na stejném principu a to že NOx reagují s amoniakem NH3, který se do spalin přidává za vzniku vody a dusíku. Liší se teplotou spalin při které je NH3 do spalin dávkován. Účinnost metody SNCR je 50 – 70 %, metody SCR je 80 – 85 %. Sekundární opatření ke snižování emisí NOx A. Selektivní nekatalytická redukce (SNCR) Metoda selektivní nekatalytické redukce (SNCR) je sekundárním opatřením ke snižování již vytvořených oxidů dusíku ve spalinách spalovací jednotky. Provozuje se bez katalyzátoru při teplotách mezi 850 až 1100°C. Toto teplotní rozmezí je značně závislé na použitém reakčním činidle (čpavek, močovina, hydroxid amonný). Využití čpavku jako reakčního činidla umožňuje více méně současný průběh následujících reakcí. Při nižší teplotě jsou obě reakce příliš pomalé, při teplotě vyšší dominuje nežádoucí vedlejší reakce a emise NOx se zvýší: Hlavní reakce se čpavkem jako redukčním činidlem : 4 NO + 4 NH3 + O2 ↔ 4 N2 + 6 H2O 6 NO2 + 8 NH3 ↔ 7 N2 + 12 H2O

Obr. 4.30 Schéma selektivní nekatalytická redukce (SNCR)

46

(4.1.) (4.2.)

Selektivní katalytická redukce (SCR) Metoda selektivní katalytické redukce (SCR) je v Evropě a dalších zemích světa, jako je Japonsko a Spojené státy, rozsáhle uplatňovaným pochodem k redukci oxidů ve výstupních plynech z velkých spalovacích zařízení. SCR pochod je katalytickým procesem založeným na selektivní redukci oxidů dusíku čpavkem nebo močovinou za přítomnosti katalyzátoru. Redukční činidlo se vstřikuje do spalin před katalyzátorem. Na povrchu katalyzátoru dochází při teplotě mezi 170 a 510°C k redukci NOx podle stejných reakcí jako u SNCR (rovnice 4.1., 4.2.). Katalyzátory pro selektivní katalytickou reakci na bázi oxidu kovu (Mo,W) pro výše uvedené teploty jsou na trhu k dispozici a využívají se u řady zařízení.

Obr. 4.31 Schéma selektivní katalytické redukce

5.

VÝMĚNÍKOVÁ ČÁST PARNÍHO KOTLE

Napájecí čerpadlo přivádí napájecí vodu pod potřebným tlakem nejdříve do ohříváku vody (ekonomizeru), ve kterém se ohřívá na teplotu blízkou teplotě varu, případně i zčásti odpařuje Voda ohřátá v ekonomizeru se dále přivádí do výparníku, kde se voda odpařuje, vzniká sytá pára, která jde do přehříváku, kde se přehřívá na požadovanou teplotu. Přehříváním páry u kotlů dodávající páru turbinám se zvyšuje tepelná účinnost oběhu a zabraňuje se i tomu, aby pára měla při expanzi v turbině v jejich posledních stupních příliš velkou vlhkost. V případě blokového uspořádání kotle a turbíny (obr. 1.2) se pára z vysokotlakého dílu turbíny vede zpět do kotle , kde je umístěn přihřívák ve kterém se středotlaková pára přihřívá na teplotu stejnou nebo vyšší než je teplota přehřáté páry. Z přihříváku se pára přivádí do středotlakového dílu turbíny, zvyšuje se tímto tepelná účinnost bloku. Průtok vody ohřívákem vody je nucený, je způsoben tlakem vyvinutým napájecím čerpadlem. Průtok páry přehřívákem je rovněž nucený, děje se rozdílem tlaku páry na výstupu z výparníku a v parním potrubí za přehřívákem.

47

Konstrukce výparníku prošla z hlediska průtoku pracovní látky dlouhým vývojem na základě kterého dělíme výparníky a tím i kotle dle oběhu vody ve výparníku na : - kotle s přirozeným oběhem, - kotle s nuceným oběhem, - průtočné kotle s odlučovací nádobou, - kotle se superponovaným oběhem, - průtočné kotle s přechodníkem (obr. 5.1.).

a) s přirozeným oběhem vody b) s nuceným oběhem vody c) se superponovaným oběhem d) průtočný s odlučovací nádobou e) průtočný s přechodníkem 1 – napáječka, 2 – ohřívák vody regenerační, 3 – ekonomizér, 4 – výparník, 5 – buben, 6 – přehřívák, 7 – oběhové čerpadlo, 8 – odlučovací nádoba Obr. 5.1. Kotle dle oběhu vody ve výparníku 5.1

KOTLE S PŘIROZENÝM OBĚHEM VODY VE VÝPARNÍKU

Výparník kotle s přirozeným oběhem vody sestává z bubnu, spádových trubek, rozváděcích komor (tyto části jsou netopené tj. mimo prostor ohniště) a varných trubek, umístěných v ohništi. (obr. 5.2). buben

rozváděcí komora Obr. 5.2. Schéma okruhu výparníku s přirozeným oběhem vody

48

Napájecí voda z ekonomizeru vtéká do bubnu, který je zpola naplněn vodou a v něm se mísí s vodou obíhající výparníkem. Z bubnu voda proudí netopenými spádovými trubkami do rozváděcích komor výparníku. Z patní komory přechází voda do stěny ohniště vytvořené z trubek varnic (Ø 70 mm max.), které jsou vedeny stoupavě směrem k bubnu. Přirozený oběh výparníkem je vyvozován přetlakem, který vzniká rozdílem tíhy sloupce vody ve spádových trubkách a tíhy sloupce směsi vody a páry ve varnicích. Proudění vody v uzavřeném okruhu výparníku se tedy udržuje působením gravitace na sloupec vody ve spádovkách s větší hustotou ρ´ [ kg m-3] (odpovídající teplotě varu t´) a na sloupec směsi vody 

a páry s menší hustotou ρ sm [ kg m-3]. Tato hodnota je střední hustota mokré páry po délce varnice, zmenšující se úměrně se vzrůstající suchostí páry od x = 0 do konečné suchosti na vstupu do bubnu, která obvykle není větší než x = 0,2. Dosažená rychlost vody a střední rychlost páry odpovídají rovnováze mezi statickým přetlakem p0 v nejnižším bodě a součtem tlakových ztrát v okruhu výparníku podle rovnice 

p0 = h (ρ´- ρ sm) g = ∑Δ pz [ Pa]

(5.1)

kde podle obr. 5.2 je h [m] výškový rozdíl mezi patní (rozdělovací) komorou trubkové stěny a hladinou vody v bubnu. Z varnic přichází směs vody a páry do bubnu, kde se odděluje voda od páry a to buď přirozenou sedimentací nebo v odlučovacích zařízeních např. v cyklonech u místěných v bubnu. Ve varnicích se odpaří voda pouze z malé části během jednoho oběhu výparníkem, takže musí oběhnout několikrát výparníkem než se určité množství zcela odpaří. Živost tohoto jednoznačného oběhu definuje oběžné číslo O, kterým je poměr množství vody Wsp přitékající do výparníku spádovými trubkami z bubnu k parnímu výkonu kotle Mp : Wsp O= (5.2) Mp Oběžné číslo u kotlů s přirozeným oběhem vody ve výparníku je funkcí tlaku ve výparníku a u kotlů na vyšší parametry páry se pohybuje v rozmezí hodnot 5 až 20. Kotle s přirozeným oběhem vody ve výparníku se staví do max. parního výkonu 2000 t/h a tlaku 18 MPa. Na obr. 5.3 je schéma kotle s přirozeným oběhem.

1 – ohřívák vzduchu I, 2 – ohřívák vzduchu II, 3 – ohřívák vody I, 5 – výparník, 6 – přehřívák I, 7 – přehřívák II Obr. 5.3 Kotel s přirozeným oběhem

49

4 – ohřívák vody II

5.2.

KOTLE S NUCENÝM OBĚHEM VODY

S rostoucím tlakem se rozdíl hustoty vody a syté páry zmenšuje, klesá i přetlak, jenž způsobuje přirozený oběh vody výparníkem (rovnice 5.1). Rovněž oběhové číslo se rychle zmenšuje a je tím menší, čím větší je výška oběhu, neboť v závislosti na délce varnice roste hmotnostní tok vyrobené páry rychleji než rychlost vody v trubce. Při tlaku 17 až 18 MPa je tudíž přirozený oběh již velmi málo účinný. Zcela spolehlivou funkci v rozsahu tlaků 14 až 18 MPa má zajištěnu kotel s nuceným oběhem, jehož konstrukce se v zásadě neodlišuje od strmotrubného kotle s přirozeným oběhem. Rozdíl je jen v tom, že do zavodňovací části okruhu výparníku se začlení oběhové čerpadlo, které vyvine dopravní přetlak kolem 0,3 MPa a vytlačuje vodu opět do obvyklého systému paralelně řazených přímých svislých varnic (obr. 5.4). Jejich průtokový odpor zde však není již důležitý, takže průměr trubek lze zmenšit na hodnotu kolem 30 mm. Kotel je lehčí, protože hmotnost trubek se zmenší přibližně v poměru průměru použitých trubek. Přechod např. na průměr 32 mm z 60 mm u přirozeného oběhu přináší tedy úsporu přibližně polovinu původní hmotnosti výparníku a konstruktér má přitom větší volnost v rozvržení výhřevné plochy v ohništi, neboť není již tak vázán požadavkem dosáhnout minimálních hydraulických odporů výparníku. Trubky výparníku jsou umístěny na stěnách ohniště v meandrovitě vinutých pásech.

8

1 – buben, 2 – oběhové čerpadlo, 3 – výparník, 4,5 - přehřívák 6 – ohřívák vody, 7 – ohřívák vzduchu, 8 – vstřikovací regulátor Obr. 5.4 Kotel s nuceným oběhem (La Mont)

5.3

KOTLE PRŮTOČNÉ

Myšlenka průtočného kotle je velmi jednoduchá. Celý tlakový systém kotle si můžeme představit v redukované formě jako jedinou trubku, kterou protéká pracovní látka a která přebírá postupně funkci všech částí parního generátoru s oběhem vody. V prvním úseku je ohřívákem vody, v druhém výparníkem a ve třetím přehřívákem. Oběžné číslo průtočného kotle O = 1.

50

Bezporuchová funkce předpokládá ovšem napájecí vodu prakticky prostou soli. Voda takové jakosti byla k dispozici až v době, kdy byla zavedena demineralizace přídavné vody. Proto v době počátečního rozvoje průtočných kotlů byla přítomnost solí v napájecí vodě při konstrukci kotle respektována. První patenty na řešení průtočného kotle byly uděleny Bensonovi, pak přicházejí se svou koncepcí průtočného kotle Sulzer a Ramzin. Závěrečná část výparníku, v níž se vypařuje zbytek vody vlivem toho, že afinita solí k vodě je větší než k páře byla firmami Benson a Sulzer řešena odlišnými způsoby. U mnoha Bensonových kotlů se odpařování vody dokončuje v přechodníku, do kterého jde mokrá pára obsahující ještě 20 % vlhkosti. Přechodník je umístěn v konvekčním průtahu, kde je nižší teplota spalin, plocha přechodníku je pak velká, takže soli se usazují na velké ploše a jejich tloušťka roste pomalu. Výparník Bensonova kotle byl sestaven (obr. 5.5) z většího počtu za sebou řazených trubkových sekcí, které se skládají ze vstupní a výstupní komory, mezi nimiž je skupina paralelních svislých varnic. Přechod od jedné sekce k druhé tvoří spádové trubky. Sekce jsou umístěny na stěnách ohniště kotle, kdežto spádové trubky jsou vně obezdívky. To mělo zajistit stabilní proudění směsi vody a páry a dobré promíšení směsi. Průměr varnic se volí 32 – 38 mm.

1 – vstup napájecí vody, 2 – ohřívák vody, 3 – výparník, 4 – přechodník, 5 – přehřívák, 6 – vstřikovací regulátor tp, 7 – přehřívák, 8 – výstup páry, 9 - hořáky Obr. 5.5 Schéma Bensonova průtočného kotle Výparník Sulzerova kotle se skládal z několika vedle sebe řazených trubek většího průměru, které probíhají nepřerušeně celým výparníkem a jsou umístěny na stěnách ohniště v meandrovitě vinutých pásech (obr. 5.6). Tento výparník lze v ohništi rozmístit podle potřeby, přičemž trubky v meandrech mají úseky vodorovné, svislé i libovolně skloněné. Počet paralelních varnic v meandrech, které měly původně větší průměr (kolem 70 mm), byl určován podle výkonu kotle. Výkon jedné varnice byl 5 až 10 t h-1. Dnes se volí průměr varnic 32 – 38 mm.

51

Sulzerův kotel má odlučovák vlhkosti. Napájení kotle se reguluje tak, že z výparníku vystupuje mokrá pára, která má asi 4 až 5 % vlhkosti. Tato vlhkost, do které má být soustředěna většina solí z vypařované vody, se odlučuje a odvádí jako odluh kotle. Proto kotel nepotřebuje přechodník. Protože v odlučováku se udržuje hladina vody podobně jako v bubnu, přichází odlučovák v úvahu jen u kotlů podkritických, kdy tlak je nižší než p = 22,15 MPa.

1 – vstup napájecí vody, 2 – ohřívák vody, 3 – výparník, 5 – přehřívák, 6 – vstřikovací regulátor tp, 7 – přehřívák, 8 – výstup páry, 9 - hořáky, 10 – odlučovák vlhkosti Obr. 5.6 Schéma Sulzerova průtočného kotle Charakteristickým znakem Ramzinova kotle je šroubovitě vinutý výparník (obr. 5.7), přičemž počet paralelních trubek je opět dán výkonem kotle. Průměr varnic se volí někdy odstupňovaný od 25 do 51 mm. Šroubovitě vinutý výparník je málo výhodný z hlediska umístění hořáků, proto se někdy v místě hořáků vinou trubky ve tvaru svislého meandru. Ramzinovy kotle se stavěly jak s odlučovákem vlhkosti, tak i s přechodníkem. Vzhledem k tomu, že dnes napájecí voda pro průtočné kotle je demineralizována, soudobé průtočné kotle již nemají odlučovák solí nebo přechodník, takže výparník je umístěn pouze v ohništi (obr. 5.8). Průtočný kotel pak může být navržen na podkritické i nadkritické parametry páry.

1 – vstup napájecí vody, 2 – ohřívák vody 3 – výparník, 5 – přehřívák, 6 – vstřikovací regulátor tp, 7 – přehřívák, 8 – výstup páry, 9 – hořáky, 10 – odlučovák vlhkosti Obr.5.7 Schéma Ramzinova průtočného kotle

1 – vstup napájecí vody, 2 -ohřívák vody, 3 – výparník, 4,6 – přehřívák, 5 – vstřikovací regulátor tp, 8 – výstup páry Obr. 5.8 Soudobý průtočný kotel

52

5.4

KOTEL SE SUPERPONOVANOU CIRKULACÍ

Snaha po zlepšení vlastností výparníku průtočného kotle vedla ke konstrukci výparníku se superponovanou cirkulací. Výparník průtočného kotle nevyhovuje při nízkých výkonech kotle, kdy jsou nízké rychlosti vody ve varnicích, což vede k nedostatečnému chlazení varnic. Také při najíždění dochází ke ztrátám tepla, kdy je případně třeba používat najížděcí separátory nebo najížděcí kondenzátory. Podstatou zlepšení je zařazení oběhového čerpadla do okruhu výparníku v sérii s napáječkou (obr. 5.9). Průtok výparníkem je určován charakteristikou oběhového čerpadla. Minimální průtok vody z odlučováku vlhkosti (10) ke směšovacímu kusu (11) a minimální oběžné číslo je při maximálním výkonu kotle a má hodnotu O = 1,3 až 1,6. Průměr varnic se volí di = 15 až 20 mm, pokud se použijí přímé varnice. V případě meandrů průměr varnic se volí 32 – 38 mm. Provozní výhodou výparníku je snadné najetí z teplého stavu a najíždění ze studeného stavu probíhá bez vodní špičky.

10

1 – vstup napájecí vody, 2 – ohřívák vody, 3 – výparník, 5 – přehřívák, 6 – vstřikovací regulátor tp, 7 – přehřívák, 8 – výstup páry, 9 - hořáky, 10 – odlučovák vlhkosti, 11 – směšovací kus, 12 – oběhové čerpadlo Obr. 5.9 Schéma kotle se superponovanou cirkulací

53

5.5

SPALINOVÉ KOTLE PAROPLYNOVÝCH BLOKŮ

V posledních letech se výrazně zvýšil počet paroplynových zařízení v teplárnách a v průmyslové energetice. K hlavním zařízením paroplynových bloků patří spalovací turbína, spalinový kotel využívající teplo ze spalovací turbíny a parní turbína, do které přichází pára ze spalinového kotle (obr. 5.10).

KO – kompresor, zp – zemní plyn, SK – spalovací komora, ST – spalovací turbína, p – palivo, KS – kotel spalinový, PT – parní turbína, OT – odběratelé tepla Obr. 5.10 Paroplynová teplárna (případně s přitápěním - p) Spalinové kotle dělíme dle několika hledisek : Dle počtu parních okruhů: jednotlakové, vícetlakové Dle teploty spalin na vstupu do kotle: bez přitápění, s přitápěním Dle toku spalin : vertikální s vodorovnými trubkami výhřevných ploch horizontální se svislými trubkami výhřevných ploch Schéma spalinového vertikálního kotle jednoduché koncepce je na obr. 5.11

Obr. 5.11 Schéma vertikálního spalinového Obr. 5.12 Mřížový hořák na zemní plyn kotle s jedním tlakovým okruhem Spaliny z plynové turbíny mají teplotu okolo 600°C a tlak rovnající se tlakové ztrátě kotle. Kotel nemá vlastní ohniště a k provozu nepotřebuje spalovací vzduch. Spaliny obsahují

54

přibližně 15 % kyslíku, neboť spalování ve spalovací komoře plynové turbíny probíhá s velkým přebytkem vzduchu (α = 3,5) z důvodu omezené teploty spalin přicházející na vstupní lopatky plynové turbíny. S rostoucí velikostí této teploty se zvyšuje výroba elektřiny a tepelná účinnost oběhu. Pro zvyšování výkonu spalovacího kotle, popř. parametrů páry přicházející na parní turbínu se využívá možnost přitápění spalin na vstupu do kotle, což se uskutečňuje přídavným hořákem. Obvykle se používá mřížový hořák (obr. 5.12) na zemní plyn. Pokud obsah kyslíku ve spalinách je vyšší než 13 % nepotřebují hořáky samostatný spalovací vzduch, jinak je zapotřebí použít hořák s přívodem vzduchu. Vertikální spalinový kotel má výparník s nuceným oběhem vody. Účinnost kotle až 92 %. 5.6

OHŘÍVÁK VODY

Ve snaze zvýšit účinnost kotle snížením teplot spalin odcházejících do komína byl zaveden u kotlů ohřívák vody. Protože měl zvýšit hospodárnost kotle, bývá označován zčeštěným anglickým názvem „ekonomizér“, resp. „eko“. U kotlů napájených vodou o nízké teplotě bylo možné spaliny ochladit v ohříváku vody na teplotu pod 200°C a tak snížit komínovou ztrátu pod 10 %. Pokud se v ohříváku vody voda pouze ohřívá, je ohřívákem vody v čistém slova smyslu, jestliže však v něm začíná odpařování vody, stává se vlastně částečně odpařovací plochou a označuje se jako odpařovací ekonomizér. U neodpařovacího ekonomizéru se u bubnových kotlů voda ohřívá na teplotu asi t = t´- 30 °C, aby i při rozdílném ohřívání a rozdílném průtoku vody nemohl na konci jednotlivých trubek eka vzniknout var. Postupem času se však zvyšovala teplota napájecí vody před kotlem. Způsobilo to jednak používání termického odplyňování napájecí vody, které zvedá její teplotu nad 100 °C, jednak snaha zvýšit termickou účinnost regeneračním předehříváním napájecí vody. Zvýšená teplota napájecí vody, která bývá až 70 % teploty varu t´ při daném tlaku, snižuje ovšem možnost ochlazení spalin v ohříváku vody. Jejich ochlazení je proto nutné dokončit v ohříváku spalovacího vzduchu, který je poslední výhřevnou plochou kotle. V současné době se u většiny kotlů používá ohřívák vody svařovaný z ocelových hadů (obr. 5.13). Svazek hadů plošně nebo prostorově vinutých, které se při odstavení kotle dají snadno vypustit je zaústěn do spodní a horní sběrací komory. Materiál trubek je z uhlíkových nebo mírně legovaných perlitických trubek průměru 32 mm. Jednotlivé trubky jsou zavěšeny na „stromečkových“ závěsech z uhlíkové oceli, které nebývají chlazeny, pokud teplota spalin v ekonomizéru je nižší než 475 °C. Je-li ohřívák vody umístěn v oblasti vyšších teplot, volí se materiál závěsu legovaný, perlitický či austenitický nebo se ohřívák zavěšuje na vlastní trubky, na nichž jsou navařeny nosy z žáropevného materiálu. Tyto závěsné trubky pak obvykle probíhají celým druhým tahem a jsou na nich zavěšeny i přehříváky.

1 – spodní komora, 2 – vlastní trubky, 3 – horní komora, 4 – závěs trubek Obr. 5.13 Ohřívák vody z ocelových hadů

55

Pohyb vody v eku se volí zdola nahoru, aby při eventuálním odpařování vody v hadech, např. při mimořádných provozních režimech, mohla pára volně vztlakem unikat do bubnu. Rychlost vody v eku má být větší než 0,3 ms-1. U odpařovacích ekonomizérů je třeba pro zajištění rovnoměrnějšího rozdělení vody do jednotlivých paralelních hadů volit rychlost vody větší než 1 ms-1. Rychle proudící voda též snáze strhává parní bubliny, takže nemůže dojít k pulsacím proudění mezi jednotlivými hady. Suchost x mokré páry, vystupující z odpařovacího eka, může být 0,1 až 0,15. Odpařovací ekonomizéry se používají u nízkotlakých kotlů. Ohřívák vody může být jednodílný nebo dvoudílný. To závisí jednak na požadovaném ohřátí vody, jednak též na typu ohříváku vzduchu a požadovaném ohřátí spalovacího vzduchu, a dalších faktorech, jako je teplota spalin odcházejících do komína, druhu paliva, způsob jeho sušení, součinitel přebytku vzduchu, netěsnost průtahů atd., které vesměs mají vliv na tepelnou kapacitu spalin. Jako poslední výhřevnou plochu řadíme vždy ohřívák vzduchu, v němž však lze dosáhnout ohřátí jen na určitou maximální teplotu. Je-li požadovaná teplota spalovacího vzduchu vyšší než tato maximální teplota, musíme ohřívák vzduchu rozdělit na dva díly, mezi něž zařadíme ohřívák vody. Jelikož vysokoteplotní ohřívák vzduchu nesmí být umístěn v oblasti vysokých teplot spalin, aby nedocházelo k jeho nadměrnému opalu, je nutno potom rozdělit na 2 díly i ohřívák vody. 5.7

PŘEHŘÍVÁK

Účelem použití přehříváku při stavbě kotle je jednak zvýšení účinnosti cyklu, jednak snížení vlhkosti po expanzi v turbíně. Pára se musí přehřívat na konstantní teplotu, a to proto, že materiál je obvykle využit do krajnosti a kolísáním teploty by se snížila životnost přehříváků. Při překročení teploty páry by mohlo u turbíny dojít při pomalých změnách teploty následkem roztahování i tečení k nepřípustnému prodlužování a přesahu vůlí, při rychlých změnách pak ještě k nepřípustným pnutím, která by se mohla projevit i u potrubí, komor přehříváků a armatur. Výstupní teplota přehřáté páry u dnešního kotle je od 250°C do 600°C, u průtočných kotlů s nadkritickým tlakem bylo dosaženo až 650 °C. Konkrétní hodnota výstupní teploty je funkcí tlaku páry. U kotlů na vysoké parametry páry (nad 14 MPa a 565 °C) se přehřívák stal velmi nákladnou výhřevnou plochou a nejtěžší částí tlakového systému kotle, která zabírá značnou část jeho obestavěného prostoru. Má-li kotel ještě mezipřihřívák (přihřívák), může celková hmotnost přehřívacích ploch překročit 50 % hmotnosti tlakového systému kotle. Při vysokých parametrech páry se zvětšují nároky na přesnost dodržování výstupní teploty přehřáté páry, a to jak se zřetelem na turbínu (menší vůle mezi statorem a rotorem), tak i se zřetelem na citlivost legovaných ocelí vůči rychlým změnám teploty. Proto kotel už musí mít regulátor teploty páry, zasahující při jejích úchylkách od žádané hodnoty. U kotlů s vysokými parametry je materiál přehříváku využíván z hlediska pevnosti do krajnosti. Proto se přehřívák rozděluje do několika stupňů z různých materiálů, odstupňovaných podle jejich nejvyšší pracovní teploty páry. Toto jejich rozdělení také zajišťuje promíchání páry mezi stupni, čímž se vyrovnávají rozdíly v teplotě páry za jednotlivými hady, takže teplota páry na vstupu do dalšího stupně je u všech hadů téměř stejná. Mezi stupně lze také výhodně zařadit regulátor teploty páry. Větší místní překročení teploty páry v systému přehříváku nelze připustit, neboť by to způsobilo přetížení trubky a její porušení. Rozdělení přehříváku poskytuje možnost přidělit jednotlivým stupňům různé funkce. Koncový stupeň má dokončit přehřátí páry a zároveň udržet předepsanou teplotu páry.

56

Protože je před ním zařazen akční člen regulátoru teploty páry, požadují se u něho takové dynamické vlastnosti, aby jeho odezva na zásah akčního členu regulace byla včasná. Musí mít proto malou hmotnost a musí pracovat ve spalinách vyšší teploty. První stupeň přehříváku se naopak může umístit v oblasti nižších teplot spalin, takže má velkou výhřevnou plochu, která tvoří větší část hmoty, takže tento stupeň akumuluje hodně tepla. Akumulací tepla se tu dosahuje určitého útlumu kolísání teploty páry za prvním stupněm, např. při náhlých změnách odběru páry z kotle. Přehřívák soudobého vysokotlakého kotle je vřazen buď mezi odpařovací plochu kotle a ohřívák vody, nebo je s odpařovací plochou řazen paralelně, zpravidla v rozmezí teplot spalin od 600 do 1200°C, popřípadě až do 1400°C. Teplotní spád mezi spalinami a párou má být minimálně 250°C, aby výhřevná plocha nebyla příliš velká. Spád může dosáhnout ovšem hodnot až 1000°C. Tepelný tok do přehříváku bývá mezi 15 000 až 75 000 Wm-2. Uspořádání přehříváku v kotli Přehřívákem proudí pára a spaliny buď v souproudu (obr. 5.14.a), nebo v protiproudu (obr. 5.14.b). Přesně vzato je proud spalin a páry vlastně mnohonásobným křížovým proudem.

a) souproudý, b) protiproudý, c) kombinovaný ts – teplota spalin, tp – teplota páry, tst – teplota trubek Obr. 5.14. Přehřívák U menšího počtu smyček hadů je třeba to při návrhu respektovat, je-li však počet smyček velký, lze předpokládat, že jde o čistý souproud nebo protiproud. Někdy bývá poslední stupeň přehříváku řazen tak, že se využije specifických znaků obou způsobů. Protiproud umožňuje rovnoměrnější tepelné zatížení výhřevné plochy, dané menšími místními rozdíly teplotního spádu ve výhřevné ploše. Střední teplotní spád je větší než u ostatních způsobů, takže výhřevná plocha je pro dané poměry nejmenší. Spaliny lze ochladit na teplotu nižší než u souproudu. Protiproud se proto dobře uplatňuje u konvenčních přehříváků, kde rozdíl teplot spalin a páry je už malý. Z hlediska regulace teploty páry je jeho předností plošší charakteristika. U souproudu je tepelné zatížení výhřevné plochy nerovnoměrné, neboť teplotní spád se ve výhřevné ploše velmi mění. Dále zde není možno ochladit spaliny pod výstupní teplotu páry. Výhřevná plocha je větší než u předchozího způsobu. Souproud se proto používá jen v oblasti vysokých teplot spalin, kde teplotní spád je velký, takže výhřevná plocha vychází malá. Menší tepelné zatížení posledních smyček se s výhodou uplatní u koncového stupně přehříváku, kde teplota stěny hadů je největší. Použití souproudu u koncového stupně je výhodné i z hlediska dynamiky tohoto stupně v tom případě, kdy se musí výstupní teplota páry udržovat ve velmi úzkých mezích, jak je tomu např. u austenitických přehříváků na velmi vysoké teploty páry. 57

Možné jsou i kombinace obou způsobů vinutí přehříváku, jako např. podle obr. 5.14.c, kde na straně vstupu páry je zařazen protiproud a přehřívání se dokončí v souproudu. Využije se tím výhody souproudu (menší tepelné zatížení plochy na straně výstupu páry o vysoké teplotě) a zároveň se zajišťuje nízká teplota stěny trubek přehříváku v oblasti možného usazování solí v trubkách v případě dodávky páry z kotle s větším množstvím stržených solí. Tento způsob uspořádání je vhodný u menších jednotek, kde se volí dělení přehříváku do menšího počtu dílů (např. jen dvoudílný). Typy přehříváků dle konstrukčního provedení Přehřívák je soustava paralelně řazených trubek průměru 32 mm až 51 mm, jímž protéká pára a které jsou zapojeny na vstupní straně páry do rozdělovací komory a na výstupní straně páry do sběrací komory. Dle konstrukčního provedení jsou přehříváky svazkové, stěnové a deskové (obr. 5.15).

PŘ.1 – svazkový přehřívák, PŘ. 2 – stěnový přehřívák,

PŘ.3 – deskový přehřívák

Obr. 5.15 Typy přehříváků Svazkový přehřívák (obr. 5.15, PŘ.1) – ohybem trubek vzniknou hady s větším počtem smyček. Rozteč trubek ve smyčkách bývá t > 2d. Přehřívák je umístěn v oblasti nižších teplot spalin nad ekonomizerem. Přenos tepla ze spalin do přehříváku se děje konvekcí. Stěnový přehřívák (obr. 5.15., PŘ. 2) je umístěn v ohništi, tvoří část stěny ohniště, nebo jeho trubky tvoří clonu před trubkami výparníku. Přenos tepla ze spalin do přehříváku je sáláním vzhledem k tomu, že teplota spalin v ohništi je vysoká. Deskový přehřívák (obr. 5.15., PŘ.3) je vytvořen z trubek vedených těsně vedle s roztečí t = 1,1 d, takže vznikne souvislá deska. Je umístěn na konci ohniště, přenos tepla ze spalin do přehříváku je zpravidla mírně sálavý, někdy i mírně konvekční.

58

Regulace teploty přehřáté páry U soudobých elektrárenských jednotek velkých výkonů se požaduje, aby kotel vyráběl páru stálé teploty v rozmezí od jmenovitého výkonu do určitého částečného výkonu, který bývá stanoven na 60 až 50 % jmenovitého výkonu. Teplotu přehřáté páry lze regulovat zásahem na straně páry i zásahem na straně spalin. Regulace na straně páry se provádí vstřikováním vody do páry v množství řízeném vstřikovacím ventilem. Výhodou této regulace je její přesnost a jednoduchost. Nevýhodou je, že musí být předimenzována plocha přehříváku, neboť vstřikováním vody přejímá přehřívák i funkci odpařovací plochy, protože dostává ze spalin více tepla než je zapotřebí k přehřátí páry na předepsanou hodnotu. Regulace teploty na straně spalin se provádí:  obtokem části spalin mimo přehřívák obtokovým průtahem, čímž se mění množství předaného tepla do přehříváku a tím i teplota.  změnou polohy plamene, kdy se řídí poměrné množství předaného množství tepla v ohništi a tím i teplota spalin opouštějící ohniště, což ovlivňuje i přenos tepla do přehříváku. Změna polohy plamene se uskutečňuje pomocí naklápění hořáků nebo pomocí dělení hořáků do skupin, které se zapínají nebo vypínají dle výkonu kotle.  recirkulací spalin, kdy část chladnějších spalin se odebírá z vhodného místa spalinového traktu (za ohřívákem vody) a zavede se ventilátorem do ohniště, kde odstíněním určité části výhřevné plochy výparníku v ohništi a zkrácením doby pobytu spalin v ohništi se působí na výměnu tepla v ohništi tak, aby se při klesajícím výkonu získal dostatek tepla pro přehřívání páry. Výhodou této regulace je, že není třeba předimenzovat plochu přehříváku.

5.8

PŘIHŘÍVÁK

Pára se po expanzi ve vysokotlakém tělese turbíny může znovu přehřívat až na původní i vyšší teplotu, jakou měla pára ostrá. Lze ji ohřívat teplem ze spalin nebo teplem z ostré páry. Přihřívání páry se rozšířilo po zavedení blokového uspořádání kotle a turbíny, kdy tato pevná vazba zajišťuje, že množství přihřívané páry odpovídá okamžitému výkonu kotle. Přihříváky jsou parní a spalinové. Parní přihříváky jsou řešeny jako trubkové ohříváky. Nejčastěji používaným parním přehřívákem je výměník tepla tzv. „BIFLUX“ (obr. 5.16.) ve kterém se přihřátá pára ohřívá ostrou parou tak, že ostrá pára se vede trubkou souose vloženou do přihřívákové trubky.

Obr. 5.16 Parní přihřívák „BIFLUX“

59

Parní přihřívák lze umístit vedle turbíny, takže potrubí jsou krátká, množství akumulované páry je rovněž malé a tlaková ztráta je malá. Část ostré páry v přihříváku kondenzuje a potrubím se odvádí do regeneračních ohříváků napájecí vody. Velkou nevýhodou tohoto způsobu je omezení teploty přihřívané páry na hodnotu nižší než je teplota ostré páry. Spalinové přihříváky jsou umístěné v kotli v proudu spalin (obr. 5.15 PŘI) a umožňují přehřátí páry až na teplotu ostré páry případně i vyšší. To je z hlediska tepelné účinnosti oběhu výhodné. Dochází však přitom k značné tlakové ztrátě v přihříváku a v potrubním systému mezi kotlem a turbínou. Spalinové přihříváky jsou provedeny podobně jako přehříváky svazkové, jen průměr trubek bývá větší. Přenos tepla ze spalin do přihříváku je konvekční, jsou protiproudové a umísťují se do oblasti vyšších teplot spalin, aby tlaková ztráta na straně páry byla co nejmenší. Přihřívák je zařazen obvykle před první stupeň přehříváků. Pro snížení tlakové ztráty je možno použít trubky s podélnými žebry, tím dojde ke zkrácení hadů přihříváku. Regulace teploty u parních přihříváků se provádí buď změnou množství ostré páry nebo obtokem přihřívané páry mimo parní přihřívák. U spalinových přihříváků se provádí buď regulace vstřikem vody nebo regulace recirkulací spalin.

5.9

ARMATURA KOTLE

Zařízení a přístroje pro řízení a kontrolu provozu tlakové části kotelního agregátu, jakož i zařízení ochranná a zařízení k připojování a odpojování vodního i parního potrubí kotle, tvoří jemnou armaturu kotle. Zařízení ke kontrole a regulaci spalovacího zařízení a tahů kotle se nazývá hrubou armaturou. Jemná armatura Armaturu dělíme na armaturu předepsanou zákonem a na armaturu, sloužící k ulehčení obsluhy, zvýšení spolehlivosti a hospodárnosti provozu. K zákonné armatuře patří: a) nejméně dva pojistné ventily; b) nejméně dva přímé vodoznaky (u bubnových kotlů); c) manometr, opatřený závitem pro připojení manometru kontrolního; d) zařízení zajišťující spolehlivé napájení. Pojistný ventil zamezuje překročení nejvyššího dovoleného pracovního přetlaku v jednotlivých částech parního kotle nad přípustnou mez. Každý bubnový kotel musí mít nejméně dva pojistné ventily, jeden je připojený na parní prostor bubnu, druhý na výstupní komoru přehříváku. Vodoznaky bubnových ventilů umožňují spolehlivě a plynule kontrolovat stav hladiny vody v kotli. Správnost funkce vodoznaku je velmi důležitá pro provoz kotle. Pokles hladiny může totiž vést k poruše tlakové části tím, že není dostatečně chlazena, kdežto přehlcení bubnu vodou může naopak ohrozit přehřívák, popř. turbínu, přestřikem vody. Podle zákona musí mít každý bubnový kotel dva přímé vodoznaky. Nejnižší úroveň vody v bubnu (vodorys) musí na nich být zřetelně vyznačena. U vysokotlakých kotlů se používá kromě vodoznaků přímých ještě vodoznaků dálkových.

60

Manometr měří přetlak ve varném a přehřívákovém prostoru. Na jeho stupnici má být červenou ryskou vyznačen nejvyšší pracovní přetlak, na který se může tlak v daném prostoru zvýšit. Parní kotel s přirozenou cirkulací má být vybaven alespoň dvěma spolehlivými manometry, z nichž jeden je připojen na parní prostor na bubnu, druhý na výstup páry z přehříváku před hlavním uzavíracím ventilem. Kotle bez přehříváku a kotle průtočné mohou mít pouze jeden manometr, a to před hlavním uzavíracím ventilem. Napájecí zařízení parního kotle musí být spolehlivé a jeho výkon dimenzován tak, aby doba poklesu hladiny vody v bubnu z normálního stavu na minimální při plném výkonu spalovacího zařízení byla delší než doba potřebná k naplnění kotle z minimálního stavu na normální. Parní kotle pro výkon větší než 1 th-1 musí být opatřeny nejméně dvěmi napájecími zařízeními, dimenzovanými s patřičným zajištěním pro plný výkon kotle, poháněnými ze dvou na sobě nezávislých zdrojů energie. U průtočných kotlů stačí výkon napáječky rovný výkonu kotle, kdežto u kotlů bubnových musí být obvykle o 30 % větší. Přívod napájecí vody do kotle tvoří napájecí hlava, která se skládá z uzavíracího orgánu a ze zpětné klapky, která musí automaticky uzavírat potrubí, přestoupí-li tlak v kotli tlak v napájecím potrubí. Moderní kotle mají zpravidla dva přívody vody do kotle. Kromě uzavíracího orgánu musí být do napájecího potrubí vestavěn ještě regulační ventil. K jemné armatuře kotle patří rovněž odvzdušňovací ventily a hlavní uzavírací orgán. Odvzdušňovací ventily slouží k vypouštění vzduchu z kotle při jeho plnění vodou a roztápění. Hlavní uzávěr bývá buď šoupátko, nebo ventil.Výhodou šoupátek je malý průtočný odpor, jsou však méně těsná, nákladnější a hůře se zabrušují. Hlavní uzávěry velkých rozměrů jsou poháněny motorem. Každý kotel musí mít také vypouštěcí ventily, umístěné na nejnižším místě kotle, aby bylo možno vypouštět beze zbytku celý vodní obsah kotle. Odkalovací ventil velkoprostorových kotlů musí dovolit vypouštění i větších částic a umožnit rychlé otevření plného otvoru sedla, aby mohla vytékající voda usazený kal strhnout a musí být čistitelný za tlaku (bývá před ním vřazen uzavírací ventil). Odluhovací ventily oběžných kotlů bývají umístěny zpravidla na bubnu. Musí být jemně regulovatelné a necitlivé k solím, obsaženým v kotelní vodě. Dále má mít kotel ve své jemné výstroji teploměry pro napájecí vodu a přehřátou páru, umístěné v jímkách, vodoměr, paroměr a soloměry pro kontrolu čistoty páry. Hrubá armatura K hrubé armatuře kotle patří pozorovací okénka, dvířka, průlezy do průtahů a expanzní klapky, dále klapky a hradítka, jimiž se reguluje podtlak v kotli, popř. oddělují průtahy nebo celý kotel od komína. Důležitou součástí hrubé armatury jsou ofukovače. Slouží k čištění výhřevných ploch, zanesených popílkem nebo struskou. Jako ofukovacího média se používá tlakového média páry, event. tlakové vody, často odluhu z kotle.

5.10

REGULACE PARNÍHO KOTLE

Kotel s ohništěm je složitou regulovanou soustavou, u které se současně reguluje několik veličin. Jde tu tedy o víceparametrovou regulaci. Regulační obvody kotle se vyznačují tím, že nejsou vzájemně nezávislé – autonomní. Zásah akčního orgánu jednoho obvodu se obvykle projeví u ostatních obvodů jako porucha, která vede k odchylce jejich regulovaných veličin, takže musí zasáhnout i akční členy těchto obvodů.

61

Kotel má obvykle 5 regulovaných obvodů: - regulaci výkonu kotle - regulaci spalování - regulaci tahu - regulaci napájení - regulaci teploty páry a pokud jde o kotel určený k provozu v blokovém uspořádání s turbínou je šestý regulovaný obvod regulace výkonu turbíny. Schéma regulace bloku s bubnovým kotlem je na obr. 5.17.

Označení regulovaných obvodů dle schéma regulace: 1Regulovaný obvod výkonu turbíny N 2Regulovaný obvod výkonu kotle Mp 3Regulovaný obvod spalování – regulace Mpv 4Regulovaný obvod spalování – regulace Mvz 5Regulovaný obvod napájení – regulace Mw 6Regulovaný obvod teploty páry – regulace tp 7Regulovaný obvod tahu spalin – regulace po 8Regulovaný obvod spalování – regulace O2 Řízení výkonu turbíny se děje buď podle výkonu N, nebo podle frekvence f nebo podle otáček turbíny n regulátorem 1. Pro urychlení přenosu poruchy do regulace výkonu kotle 2 je tlak regulačního oleje turbíny pt současně pomocnou regulovanou veličinou výkonu kotle, hlavní regulovanou veličinou je tlak páry pp. Základním regulovaným obvodem je obvod spalování. Při změně výkonu bloku přichází z regulátoru 2 impuls k činnosti regulátoru 3, který vysílá signál k přestavení přívodu paliva Mp a zároveň i signál do regulátoru 4, který seřídí přívod vzduchu tak, aby byl proporcionální přívodu paliva. Tento proporcionální poměr paliva a vzduchu může být narušen např. okamžitou změnou výhřevnosti, proto je pro regulátor vzduchu 4 pomocnou regulovanou

62

veličinou ještě obsah kyslíku O2 ve spalinách vyslaný regulátorem 8. Odvod spalin z kotle zajišťuje regulátor tahu 7 s regulovanou veličinou, kterou je tlak spalin v ohništi po. Regulace napájení je tříimpulsová s regulátorem napájení 5, regulovanou veličinou je množství vody Mw, pomocnou veličinou hladina vody v bubnu h a množství páry Mp. Regulátor 6 reguluje teplotu ostré páry tp pomocí vstřiku jako akční veličiny, přičemž regulovanou veličinou je teplota páry za vstřikem.

6.

VODA PRO PARNÍ KOTLE

Pro provoz parního kotle se především potřebuje látka, z níž se vyrábí pára. Musí to být kapalina, která má vhodné tepelné vlastnosti, je zdravotně neškodná, vyskytuje se v biosféře Země v dostatečném množství a je laciná. Kromě toho by měla být zcela netečná k materiálům, z nichž je kotel vyroben, tj. neměla by působit jejich korozi, ani vytvářet nánosy v průtočných průřezech a na výhřevných plochách. V současné době se jako pracovní látka pro výrobu průmyslové a energetické páry používá výhradně vody o určitých vlastnostech. Vhodně upravená voda splňuje téměř všechny uvedené požadavky kladené na pracovní médium. Jejím nedostatkem je, že za jistých podmínek může působit korozi a nánosy. V pracovní činnosti kotle se rozlišuje několik druhů vody. Napájecí voda slouží k napájení kotle, tj. k naplnění výparníku kotle ještě před výrobou páry, a k jeho postupnému doplňování tak, jak se zmenšuje jeho vodní obsah odvodem vyráběné páry. Aby byl provoz kotle bezpečný, musí mít napájecí voda podle typu kotle, typu ohniště a tlaku páry určité vlastnosti. Voda naplňující varný systém kotle za provozu se nazývá kotelní voda. Vzniká z napájecí vody postupným odpařováním mokré páry, přičemž soli z odpařené vody v ní zůstávají a zahušťují se. Aby koncentrace vody nevzrostla nad přípustnou mez, musí se část kotelní vody, nejvíce zahuštěná solemi, odvádět z výparníku po přítržích jako tzv. odkal, nebo trvale jako odluh. Voda, která vzniká kondenzací páry vyrobené kotlem, např. po průchodu turbínou nebo jinými výměníky, se nazývá kondenzát. Je to voda jakostní a její úprava při opětovném použití může být již jen minimální. Proto je vhodné s kondenzátem účelně hospodařit, aby jeho ztráty byly co nejmenší, a po menší úpravě jej opět používat jako napájecí vody. Ztráty kondenzátu, jejichž celkové množství závisí na těsnosti systému, četnosti najíždění a odstavování a na provozním režimu, je třeba nahrazovat přídavnou vodou, která se připravuje v tzv. úpravně vody z vody surové,odebírané nejčastěji z řeky a z umělých nádrží. Surová voda, tj. voda vyskytující se v přírodě, je v podstatě silně zředěný roztok různých solí, plynů, kyselin, zásad a koloidních látek v oxidu vodném H2O. Celkový obsah příměsí bývá 0,1 až 0,4 %. Voda v takovém stavu se pro napájení kotlů nehodí. Jakost napájecí, kotelní, přídavné i surové vody se vyjadřuje řadou vlastností, z nichž nejdůležitější jsou : tvrdost, hodnota pH, celkový obsah solí, obsah křemíku, železa, mědi, chloridů a z plynů obsah kyslíku a oxidu uhličitého.

63

6.1

VLASTNOSTI VODY

6.1.1. Čistá voda, H2O Čistá voda je disociována na elektricky nabité částice, kterým říkáme ionty a sice na kationt vodíkový H+ a aniont hydroxidový OH-. Počty nábojů + a – jsou si rovny: H2O

→

H+ +

OH-.

(6.1)

Součin molárních koncentrací je [ H+] . [ OH-] = 10-7 . 10-7 = 10-14 (iontový součin vody) a disociační konstanta vody Kv = K H 2O = 10-14 při 25 °C. Koncentrace vodíkových iontů a pH vody. Koncentrace iontů H+ nebo OH – je měřítkem kyselosti (acidity) nebo zásaditosti (alkality) vody a vyjadřuje se pojmem pH (potenciohydrogenií). pH je zápornou hodnotou dekadického logaritmu aktivity vodíkových iontů a H  : pH = - log a H 

(6.2)

Rozsah stupnice pH je 0 až 14. Čistá voda má pH = 7, kyselá < 7,

alkalická > 7.

pH vody a roztoků solí se určuje acidobazickými indikátory nebo elektrometricky (potenciometricky).

6.1.2 Měrná elektrická vodivost χ Ionty H+ a OH – nesou elektrický náboj a zprostředkují vedení elektrického proudu vodou, přičemž ionty H+ putují ke katodě, ionty OH- k anodě, kde předávají své náboje a ztrácejí iontovou povahu. Vedení proudu využíváme k měření elektrické vodivosti K, převratné hodnoty odporu, která je měřítkem pro posouzení množství iontů v roztoku. Základní jednotkou elektrické vodivosti je Ohm-1, ve střední Evropě nazývaný Siemens [ S]. Pro vodivost vod se používá jednotky 106 krát menší. Používá se pojmu „měrná elektrická vodivost“, kterou označujeme χ. V jednotkové soustavě je jednotkou 1 μ S/cm nebo μ S. cm-1. V provozu se zjišťuje χ při 25 °C. Čistá voda je jen nepatrně vodivá χ při 25°C je 0,055 μ S. cm-1. Demineralizovaná voda má hodnotu χ při 25°C < 0,1 μ Scm-1.

64

6.1.3 Obsah solí a solnost Surové vody obsahují mechanické nečistoty a látky rozpuštěné, které je třeba před používáním v provozech závodů úplně nebo zčásti odstranit, aby nepůsobily potíže. Hrubé a jemné nečistoty se odstraňují mechanicky cezením, usazováním a filtrací vody, rozpuštěné látky pochody fyzikálně-chemickými a chemickými. Rozpuštěné látky jsou ve vodě přítomny ve formě iontové a neiontové. Iontově rozpuštěné látky jsou nositelé elektrického náboje a jsou ve vodě volně pohyblivé. Působením el. pole se ionty orientují tak, že k záporné elektrodě (katodě) se pohybují kationty s kladnými náboji, ke kladné elektrodě (anodě) anionty se zápornými náboji. Kationty jsou elektricky nabité atomy → Na+, Ca2+, H+, NH4+, Mg2+ Anionty jsou elektricky nabité atomy → Cl-, OH-, NO3 , SO42-, HC O 3 . Iontově rozpuštěné látky jsou zředěné roztoky solí silných a slabých kyselin, jejichž koncentraci můžeme odhadovat měřením měrné elektrické vodivosti vody a vyjadřovat jako obsah solí v mg/l pomocí vztahu χ 25; C . f [mg/l]

(6.3)

kde součinitel f je smluvní hodnotou. Pro přírodní vodu je f = 0,65 až 0,75, průměrně 0,7 ± 20 až 25%, pro upravené vody 0,5. Analyticky přesně je koncentrace iontově rozpuštěných látek vyjádřena pojmem solnost, kterou označujeme S a vyjadřujeme v mval/l (miligramekvivalentech na litr). Solnost je součet milivalových koncentrací kationtů s výjimkou H+, nebo aniontů. Protože se snáze určují anionty (odměrnou analýzou), je solnost dána součtem hydrokarbonátového aniontu HCO3-, síranového aniontu SO42-a chloridového aniontu Cl- : S = (HCO3-) + (SO42-) + (Cl-)

[mval/l]

(6.4)

Neiontově rozpuštěné látky jsou volný CO2, SiO2, organické látky, O2, N2, H2. Volný CO2 Volný CO2 rozhoduje o kyselosti (aciditě) vody a vyskytuje se ve skutečnosti ve formě kyseliny uhličité, H2CO3. Přírodní vody, zvláště vody spodní a hlubinné, jej obsahují často ve značných množstvích. V upravené (změkčené) vodě se stává veškerý volný CO2 agresivním. Agresivní CO2 rozpouští železo a měď. Volný CO2 se odstraňuje z vody větráním, odplyněním a při demineralizaci, nebo se zneškodňuje amoniakem, nebo neutralizačními aminy. Koroze CO2 má charakter plošný, je rovnoměrná, na rozdíl od důlkové koroze kyslíkové. Oxid křemičitý SiO2 Oxid křemičitý SiO2 je v přírodních vodách rozpuštěn v množstvích 3 až 12, průměrně 10 mg/l. Je disociován jen z malé části, většinou je ve formě neiontové. S ionty Ca2+ a Mg2+ tvoří v parních kotlích za všech tlaků silikátové kameny s velmi nízkou tepelnou vodivostí, a proto nebezpečné.

65

Počínaje tlakem 5 MPa se rozpouští v syté páře a tvoří nerozpustné krystalické a amorfní nánosy křemene na lopatkování zadní části kondenzačních turbín v rozmezí tlaku 1,5 až 0,4 MPa. Odstraňují se čiřením vody koagulací na zbytek asi 50 až 30 % původního obsahu. Dalšího snížení se dosahuje druhým stupněm odstraňování organických látek, tj. aktivním uhlím nebo porózními ionexy, kterými se dosáhne zbytkového obsahu až 1,0 mg O2/l CHSK, (CHSK – chemická spotřeba kyslíku). Nejdokonaleji se odstraňuje destilací a demineralizací vody. Kyslík O2 Kyslík působí v přírodních i v chemicky upravených vodách jako depolarizátor katody při elektrochemické korozi kovů a vytváří důlkovou korozi, která je nebezpečnější než rovnoměrná koroze oxidem uhličitým. Za provozu kotlů oxiduje ochrannou vrstvu Fe3O4 (oxid železnatoželezitý) na Fe2O3 (oxid železitý), který železo nechrání. Koncentrace O2 se vyjadřuje v mg/l nebo v μg/l. Odstraňuje se fyzikální cestou termickým odplyněním, zbytek chemickým odplyněním. Organické látky Organické látky jsou velká skupina pravě i koloidně rozpuštěných látek, z nichž větší část se dá zoxidovat varem s okysličovadly, např. manganistanem draselným, KMnO4. Jejich koncentraci vyjadřujeme chemickou spotřebou kyslíku CHSK v mg/l vody. Původ organických látek ve vodě je přirozený a umělý. Přirozené organické látky jsou koloidní roztoky huminových kyselin a jejich solí ve vodách pramenících v rašeliništích apod. Jiné organické látky, např. fenoly, sulfitové výluhy a jiné přicházejí do přírodních vod s odpadními vodami z průmyslových závodů. Při úpravě vody jsou organické látky závadné tím, že zdržují průběh všech srážecích reakcí a že se adsorbují na měničích iontů, zvláště na silně bazických anexech, které znehodnocují. V kotelní vodě vzniká při jejich rozkladu CO2, z dusíkatých látek amoniak a na místech s vysokým tepelným zatížením mohou vznikat uhlíkové nánosy. Dusík N2 Dusík N2 je plyn netečný, který nepůsobí škodlivě. Vodík H2 Vodík H2 je přítomen ve vodě v mizivém množství. Zajímáme se jen o jeho koncentraci ve vodní páře, ve které je znakem koroze varné soustavy kotle.

6.1.4. Tvrdost vody, T Je způsobena rozpuštěnými solemi vápníku Ca2+ a hořčíku Mg2+. Z kationtů Ca2+ a Mg2+ vznikají za zvýšených teplot s anionty uhličitanů CO32-, síranů SO42a z oxidu siřičitého SiO2 tuhé nánosy (vodní kámen do teploty 100°C, kotelní kámen při teplotě > 100°C). Pro vyjádření koncentrace Ca2+ a Mg2+ ve vodě se používá vžitého pojmu „tvrdost“, která se značí T a definuje se jako součet milivalových koncentrací obou kationtů. T = (Ca2+) + (Mg2+).

[mval l-1]

(6.5)

Solnost vody S je vyšší než tvrdost vody T.

66

Rozdíl (S – T) vyjadřuje přítomnost a koncentraci kationtů sodíku (Na+), draslíku (K+) a amonia (NH4+) ve vodě. Podle aniontů solí se rozlišuje tvrdost přechodná (hydrokarbonátová) tvořená bikarbonátovým iontem HCO3- a trvalá (karbonátová, síranová, hydroxylová, chloridová apod.). Hydrokarbonátová a karbonátová tvrdost se od ostatních druhů tvrdosti odlišují tím, že kromě tvorby vodního a kotelního kamene se částečně rozkládají a vzniká oxid uhličitý. Vyjadřuje se v mval l-1; 1 mval (miligramekvivalent) určité soli odpovídá tolika mg soli, jaká je molekulová hmotnost dělená mocností. (Např. 1 mval oxidu vápenatého CaO . 1-1 = 40  16 = = 28 mg l-1). Starší jednotkou tvrdosti je °n, který je definován jako tvrdost 2 odpovídající koncentraci 10 mg CaO l-1. Vzájemný vztah mezi °n

a jednotkou mval l-1 je :

1 mval l-1 = 2,8 °n

6.2

(6.6)

PŘEDÚPRAVA SUROVÉ VODY PRO ENERGETICKÉ ZAŘÍZENÍ

6.2.1. Odstraňování mechanických nečistot Hrubá suspenze se ze surové vody odstraňuje při průtoku vody hrubými a jemnými česlemi, popř. pevnými nebo pohyblivými síty. Jemná suspenze se dříve odstraňovala v sedimentačních nádržích. Protože však pro malou průtočnou rychlost vycházelo toto zařízení značně rozměrné, používá se místo nich raději filtrace v tlakových filtrech. Nejjemnější frakce mechanických nečistot, jako je zákal vody, organické prachy apod., se odstraňují čiřením vody a filtrací. Filtrace vody Při úpravě přídavné napájecí vody se používá filtrace tlaková, která dovoluje vyšší filtrační rychlosti a tedy vyšší výkony na jednotku plochy. Tlakový filtr, obr. 6.1 je tlaková nádoba ve tvaru svislého válce pro přetlak 0,6 MPa i více, v níž je na dně u trysek uložena vrstva filtračního materiálu o výšce 1,5 až 3 m, i více. Počet trysek se volí 60 až 80 na jeden m2 dna. Surová voda protéká filtrační vrstvou shora dolů rychlostí 8 až 12 m h-1 (vztaženo na světlý průřez filtru) a po odfiltrování nečistot odtéká spodem. Pronikání nečistot do vrstvy je postupné.

67

Pracovní perioda musí skončit dříve než nečistoty proniknou celou vrstvou a projeví se průnikem kalu do filtrované vody (vyčerpání kapacity filtru). Po proprání filtrační hmoty je filtrační schopnost vrstvy obnovena a filtr je znovu připraven pro pracovní periodu. Vyčerpání kapacity filtru lze předvídat ze vzrůstu tlakové ztráty filtrační vrstvy. Zatímco u čerstvě vypraného filtru je odpor vrstvy při průtoku vody 5 000 až 10 000 Pa, vzroste u zaneseného filtru tlaková ztráta zhruba 6 krát až 10 krát.

H – výška pláště filtru, h´- výška potřebná k expanzi vrstvy při praní, h – výška vrstvy za provozu Obr. 6.1 Schéma tlakového filtru Filtračním materiálem bývá křemičitý písek, černé uhlí nebo antracit, dolomit a mramor se zrny 0,5 až 2 mm. Praní filtru má za úkol uvést zrna vrstvy do vznosu, uvolnit zachycený kal a odplavit jej. Prací voda vstupuje do filtru zdola a její rychlost musí být větší než rychlost vznosu zrn. Spotřeba prací vody bývá 12 až 20 m3h-1, tj. při době praní asi 10 min zhruba 2,5 násobek až 3,5 násobek objemu filtrační vrstvy. Spotřeba vody se sníží, použije-li se při praní současně tlakového vzduchu. Čiření vody Mechanickým filtrem lze odstranit z vody jen hrubě dispergované látky s velikostí zrna nad 0,1 μm. Surová voda obsahuje však ještě mechanické nečistoty jevící se jen jako zákal, které mají rozměr mezi 10-4 až 10-7 mm. Tyto koloidně dispergované částice (např. částice hlíny, organické látky rostlinného a zvířecího původu) by způsobovaly při varu pěnění, a proto se musí z vody určené pro napájení parních kotlů odstraňovat. Děje se to tím, že se tyto drobně mechanické částice převedou flotací vody, tj. přidáním určitých solí, na vločky (shluky), které je pak možno odfiltrovat. Pro čiření se používají soli síranu hlinitého Al2(SO4)3, chloridu železnatého FeCl3, hlinitanu sodného Na3AlO3, síranu železnatého FeSO4 aj. Výběr a dávkování flokulačních solí (koagulantů) pro konkrétní případ se určí experimentálně. Závisí na vlastnostech vody i srážených příměsí. Vločkování závisí hlavně na pH vody a částečně též na její teplotě. Optimální hodnota pH pro vypadávání je dána chemickými vlastnostmi koloidních látek ve vodě. Množství přídavných chemikálií se pohybuje mezi 10 až 50 g m-3 vody. Doba reakce je 40 až 60 min, vzestupná rychlost vody 5 až 7 mh-1.

68

Jedním ze způsobů čiření je kontaktní čiření, obr. 6.2. Využívá rychlosti sorpce koloidních látek v prvním stádiu koagulace. Čiřicí sůl se dávkuje před filtr s vysokou filtrační vrstvou nebo dvojvrstvou, přičemž perikinetická koagulace (rychlé nabalování shluků) probíhá v horní části filtru nad vrstvou a ortokinetická (pomalé nabalování shluků) probíhá ve filtrační vrstvě, kde se také vločky zachycují. Tento způsob vyžaduje přesné dávkování čiřicích solí, většinou hlinitan sodný Al2(SO4)3. Používá se pro vody málo znečištěné.

6.3

ÚPRAVA PŘÍDAVNÉ NAPÁJECÍ VODY

Kvalita přídavné vody je předepsána normami. Způsob úpravy se řídí podle druhu energetického zařízení. Rozeznáváme : a) nízkotlaké parní kotle a teplovodní a horkovodní kotle b) středotlaké parní kotle bez využití páry pro pohon turbíny c) vysokotlaké parní kotle pro elektrárny d) jaderná energetická zařízení Toto zjednodušené rozdělení nevystihuje skutečné postupy při úpravě vody, protože nepřihlíží ke specifickým podmínkám jednotlivých zařízení a zejména k odlišnému složení surové vody. Pro nízkotlaké a středotlaké parní kotle včetně odparek a měničů se obvykle vystačí s předúpravou vody (pískový filtr, čiření) a se změkčením vody na katexech v sodném cyklu a desilikací k odstranění SiO2. Napájecí voda pro vysokotlaké kotle musí být zbavena veškerých aniontů a kationtů v procesu demineralizace. K úpravě napájecí vody v našich velkých kondenzačních elektrárnách se nejčastěji používá demineralizace, zakončená směsným filtrem (mixbed).

69

6.3.1. Změkčování vody Voda zbavená mechanických nečistot se měkčí, aby se z ní odstranily vápenaté a hořečnaté soli. K měkčení se používá buď srážecích reakcí, jimiž se rozpustné soli Ca2+ a Mg2+ převedou na nerozpustné částice nebo kal, a ty se pak oddělí sedimentací a filtrací, nebo se kationty tvořící tvrdost zachycují v měničích iontů – katexech. Stanice pro vody srážecími postupy byly určeny pro malé výkony a dnes jsou nahrazovány změkčováním ionexy. Změkčování výměnou iontů Změkčování vody výměnou iontů je založeno na fyzikálně chemickém jevu, při kterém určité látky – katexy pracují v sodíkovém cyklu – jsou schopny při filtraci zachytit ze solí rozpuštěných ve vodě kationty Ca2+ a Mg2+, tvořící tvrdost a vyměnit je za kationt Na. Celková solnost vody [mval l-1] se měkčením katexu nemění, pouze se mění charakter solí, protože soli sodné na rozdíl od vápenatých a hořečnatých netvoří kotelní kámen. Sodíkový katex je tuhý koncentrovaný roztok kationu Na+. Při změkčování surové vody, která se chová jako velmi zředěný roztok solí a ve které ionty Ca2+ a Mg2+ jsou silně disociovány, dochází při průtoku vody katexovou vrstvou k výměně iontů. Schéma ionexového filtruje na obr. 6.3. Sodík je po měkčení ve vodě vázán na anionty těch solí, na které byly vázány vápník a hořčík. Změkčování v katexu může pokračovat tak dlouho, dokud nedojde k rovnováze, tj. pokud se měnič nevyčerpá. Pozná se to podle náhlého stoupání tvrdosti vody za filtrem. Předností měničů iontů je, že se dají regenerovat. To se provádí tak, že po proprání a načechrání vrstvy ionexu vodou se nechá shora dolů protékat regenerační roztok s vysokou koncentrací solí, obsahujících výměnný iont, tj. u Na-katexu nejčastěji solanka (roztok NaCl). Při regeneraci se kationty Ca2+ a Mg2+ postupně z vrstvy vytěsňují směrem shora dolů a v koncentrované formě odcházejí do odpadních vod.

Obr. 6.3 Ionexový filtr – schéma Měniče iontů jsou zrnité anorganické a organické látky nerozpustné ve vodě, kterými se upravuje voda v tlakových filtrech tak, že při průtoku vody vrstvou měniče – katexu dochází k výměně kationtů solí ve vodě za Na+ nebo H+ a u měniče – anexu k výměně aniontů solí za OH-.

70

Schopnost vyměňování iontů mají některé zeolity, podvojné křemičitany hlinitosodné nebo draselné. Fenolových pryskyřic se používá v sodíkovém a vodíkovém cyklu jako měničů kationtů a v cyklu OH- jako měničů aniontů. Organické měniče jsou sulfonovaná uhlí a umělé pryskyřice. Používá se jich v sodíkovém cyklu a v cyklu vodíkovém jako měničů kationtů za sodík nebo vodík. Polystyrenové pryskyřice jsou měniče s vysokou vyměňovací schopností, použitelné v sodíkovém, vodíkovém i OH- cyklu. Umožňují ekonomickou demineralizaci vody s odstraněním kyseliny uhličité a křemičité. Některé z nich reverzibilně adsorbují organické látky. 6.3.2. Desilikace vody SiO2 je nepříjemný v kotli dvojím způsobem. Při nízkých a středních tlacích, kdy se v napájecí vodě připouští určitá tvrdost, tvoří s ionty Ca2+ a Mg2+ velmi tvrdý a tepelně špatně vodivý silikátový kámen. Při tlacích nad 5 MPa se rozpouštějí soli SO22 - v páře, a to tím více, čím je tlak páry vyšší. Oxid křemičitý se musí proto z napájecí vody pro parní kotle s tlaky nad 5 MPa odstraňovat desilikací, aby bylo ap (koncentrace solí rozpuštěné v páře) menší než 0,02 mgl-1, jinak se dostane SiO2 s párou do turbíny, kde v místech poklesu tlaku od 6 do 5 MPa se začne vylučovat na lopatkách. Usazenina zužuje průtočné průřezy páry, mění úhly rychlostních trojúhelníků, svou drsností zvyšuje tlakovou ztrátu a způsobuje nevyvážení rotoru. Desilikace přídavné vody se dnes provádí výhradně výměnou anionů v silně bazickém anexu OH  . Kromě desilikace odstraňují silně bazické anexy ještě slabě disociovanou kyselinu uhličitou H2CO3. Průběh pronikání aniontů vrstvou silně bazického anexu během pracovního období je patrný z obr. 6.4. Pracovní cyklus OH- anexu je ukončen, když za měničem stoupne koncentrace SiO2 na 50, popř. 20 μg l-1. Regenerace se provádí 2 až 5 % roztokem hydroxidu sodného NaOH.

Obr. 6.4 Schéma desilikace vody

71

6.3.3. Demineralizace vody Při demineralizaci vody jsou všechny ve vodě rozpuštěné anionty a kationty zaměněny za ionty vodíku H+ a hydroxylové ionty OH-. Ionty vodíku a hydroxylu se v produkované vodě změní na molekuly vody tak, že je dosaženo úplného odsolení. Regenerace se provede pomocí kyseliny chlorovodíkové HCl a hydroxidu sodného NaOH, které slouží jako dodavatelé iontů vodíku H+ a hydroxylu OH-. Demineralizace vody se provádí jednak u kotlů průtočných, které nelze odluhovat a u nichž všechny soli z napájecí vody zůstanou v trubkách výparníku resp. přechodníku a také u kotlů na vysoké tlaky páry, kdy je třeba napájecí vodu zbavit téměř všech minerálů do koncentrací řádu 10 až 100 μgl-1. Schéma demineralizační stanice s dvouvrstvými filtry je na obr. 6.5.

_____ provoz - - - - regenerace

Obr. 6.5 Schéma demineralizace dvouvrstvými filtry Demineralizační stanice s dvouvrstvými filtry se skládá ze sériově řazeného karboxylového a silně kyselého katexu, ze slabě bazického a silně bazického anexu a následně řazeného směsného filtru (mixbed). Podle tohoto schématu karboxylový katex vyměňuje kationty vápníku Ca2+ a hořčíku Mg2+ za vodíkový kationt H+. Silně kyselý katex vyměňuje kationty solí Na+, K+, Fe22+ za vodíkový kationt H+. Slabě bazický anex vyměňuje anionty silně disociovaných kyselin sírové SO42-, chlorové Cl-, fosforečné PO43- atd. za hydroxylový aniont OH-. Silně bazický anex (OH-) vyměňuje anionty kyseliny uhličité CO32- a kyseliny křemičité SiO32- . Směsný filtr (mixbed), což jsou promíchaná zrna H+ katexu s OH- anexem, účinně odstraňuje poslední stopy solí. Regenerace měničů iontů se provede u katexů kyselinou chlorovodíkovou HCl, u anexů hydroxidem sodným NaOH a to v souproudém uspořádání s upravovanou vodou nebo v protiproudém uspořádání. Protiproudé uspořádání v současné provozní praxi se přednostně používá vzhledem k nižší spotřebě regeneračních látek a produkci menšího množství odpadních vod.

72

Nejnovějším trendem v úpravě vody pro energetická zařízení jsou tzv. membránové separace – reverzní osmóza, ultrafiltrace apod. Princip těchto metod spočívá v odstraňování rozpuštěných látek z vody průchodem porézní membránou. Takže odpadá použití chemikálií a produkce odpadních vod. 6.3.4 Odplynění vody Ve styku se vzduchem rozpouští voda O2, N2 a CO2, z nichž O2 a CO2 je třeba odstraňovat, protože působí korozívně na zařízení. Dusík je plyn netečný, neškodný. Přídavná voda upravená za studena obsahuje stejné množství O2 jako voda surová a zbytkový CO2. Za horka zpracovaná přídavná voda má snížený obsah kyslíku, který je však ještě závadný za vyšších tlaků. Potřebný stupeň odplynění závisí na tlaku páry a na jakosti napájecí vody. Tvoří-li voda v kotli kámen, postačí hrubé odplynění na 0,5 až 2,0 mgO2/l provařováním vody v napájecí nádrži. Netvoří-li voda kámen, je třeba odplynit O2 na zbytek 0,1 až 0,02 mg/l. Do středních tlaků se kyslík odstraňuje na 0,1 až 0,05 mgO2/l a zbytkový CO2 se neprojevuje závadně. Za vysokých tlaků se vyžaduje odplynění na 0,02 mgO2/l a úplné odstranění CO2. Termické odplynění Stanice pro termické odplynění vody se skládá z ohříváků vody a z tělesa vlastního odplyňováku, obr. 6.6. Odplyňovák je tlaková nádoba, do níž se přivádí voda ohřátá do blízkosti bodu varu. V něm se rozděluje na malé částečky nebo na blány o velkém povrchu kaskádováním, výplněmi nebo tryskami. Do tělesa odplyňováku se přivádí topná pára, která vodu dohřívá a udržuje částečky vody na bodu varu. Vybavené plyny se odvádějí s podílem páry v horní části tělesa, odplyněná voda stéká do zásobníku.

1 – vstup vody, 2 – ohříváky vody, 3 – topná pára, 4 – odvod plynů Obr. 6.6

Princip termického odplynění

73

Chemické odplynění Chemickým odplyněním se odstraňuje pouze kyslík. Používá se ho k odstraňování zbytku O2 v termicky odplyněné vodě v provozech na vysoké tlaky a za nižších tlaků tam, kde není termické odplynění možné. Odplyňuje se látkami, které se snadno oxidují : siřičitany, SO2 a hydrazinem. Technický význam má siřičitan sodný do tlaku 6 MPa a hydrazin používaný pro vysoké tlaky. Siřičitan sodný Na2SO3 se oxiduje na síran : SO32- + ½ O2 → SO42-

(6.7)

Hydrazin N2H4 se oxiduje na vodu a dusík : N2H4 + O2 → 2 H2O + N2

(6.8)

74

POUŽITÁ LITERATURA:

7. -

Černý, V., Hrdlička, L., Janeba, B., Karták, J. Pikman, M.: Parní kotle a spalovací zařízení, STNL Praha 1975

-

Karas, F.: Úprava kotelní vody a čistota páry, SNTL Praha ,1965

-

Černý,V., Janeba,B., Teyssler, J.: Parní kotle, technický průvodce , SNTL Praha, 1983

-

Janeba, B., Karták, J.: Tepelné výpočty kotlů a parních generátorů, ČVUT Praha 1989

-

Dlouhý, T. : Výpočty kotlů a spalinových výměníků, ČVUT Praha, 2002

-

Vlček, Z.: Aktuální směry vývoje v klasické energetice – časopis Energetika 8-9/2005

-

Ochrana, L. : Moderní spalinové kotle paroplynových bloků, Energetika 10/1999

-

Hrdlička, L.: Parní kotle s atmosférickou cirkulující vrstvou, Energetika 10/2000

-

Noskievič, P., Kaminský, J.: Využití energetických zdrojů PHARE, Svazek 44, Ostrava 1996

-

Kolektiv autorů: Kompendium ochrany kvality ovzduší EKONOMITOR s.r.o. Chrudim, 2008

-

Vlach, J.: Teyssler, J., Erban, P., Šimůnek, V., Vybíralík, F. : Příloha – Energetika, 2001,2002

75