PALIVA A TOPNÉ SYSTÉMY

Vysoká škola báňská – Technická univerzita Ostrava Fakulta metalurgie a materiálového inženýrství

PALIVA A TOPNÉ SYSTÉMY (studijní opory)

Doc. Ing. Zdeněk Toman, CSc.

Ostrava 2013

Recenzent: doc. Ing. Zuzana Klečková, CSc. Název: Autor: Vydání: Počet stran:

Paliva a topné systémy Zdeněk Toman první, 2013 60

Studijní materiály pro studijní obor Tepelná technika a keramické materiály (studijní program Metalurgické inženýrství) třetího semestru bakalářského studia Fakulty metalurgie a materiálového inženýrství. Jazyková korektura: nebyla provedena. Určeno pro projekt: Operační program Vzděláváním pro konkurenceschopnost Název: ModIn - Modulární inovace bakalářských a navazujících magisterských programů na Fakultě metalurgie a materiálového inženýrství VŠB - TU Ostrava Číslo: CZ.1.07/2.2.00/28.0304 Realizace: VŠB – Technická univerzita Ostrava Projekt je spolufinancován z prostředků ESF a státního rozpočtu ČR © Zdeněk Toman © VŠB – Technická univerzita Ostrava

Paliva a topné systémy Pro předmět paliva a topné systémy 4. semestru bakalářského studijního programu metalurgické inženýrství, obor tepelná technika a životní prostředí, jste obdrželi studijní opory odpovídající tématům přednášek členěných v rámci jednotlivých kapitol se zdůrazněním cíle, obsahu, časové náročnosti, základních pojmů, vlastního výkladu a kontrolních otázek.

Prerekvizity Předmět vyžaduje základní znalosti z chemie, fyziky a fyzikální-chemie, které aplikuje pro oblast teorie hoření a z ní vyplývající konstrukci hořáků a topných systémů.

Cílem předmětu Po prostudování modulu by měl student být schopen: 

Definovat primární energetické zdroje, jejich a perspektivu jak pro světovou, tak ČR energetiku.



Získat základní znalosti o transformaci chemické energie paliv (výhřevnost a spalné teplo) na tepelnou energii probíhající při spalování paliv.



Fyzikálně-chemický proces spalování paliv lze ovlivnit termodynamickými podmínkami (teplota, koncentrace, tlak), které však musíme definovat v technických parametrech spalovacích technologií (teplota plamene, přebytek vzduchu).



Dokonalé spalování je podmíněno u atmosférických spalovacích zařízení, které prakticky vylučuje vliv tlaku, jak teplotní, tak koncentrační podmínkou. Obě podmínky musí být nutně splněny, a to v reakční zóně, kterou je plamen. Z technického hlediska spočívá fyzikální podmínka ve vytvoření hořlavé směsi a optimálního sdílení tepla v plameni, chemická podmínka je podle chemické kinetiky definována dosažením a udržením aktivační (zápalné) a vyšší teploty.



Chemická kinetika je popsána v zákonitostech souvisejících s reakcemi hoření a definuje základní pojmy v této oblasti. Je rovněž objasněn vliv inhibitorů a katalyzátorů.



Definované fyzikálně-chemické podmínky hoření jsou aplikovány pro konstrukci hořáků pro jednotlivé druhy paliva s konkrétními vlastnostmi plamene, které jsou požadovány pro technologie v praxi. Omezená poměrová a výkonová regulace jednotlivých typů hořáků vede k vytváření topných systémů zahrnujících jak vlastní hořák, tak i související prostředky regulace, jejichž výsledkem je topný systém funkční podle definovaných kritérií (dokonalost spalování, požadovaná teplota plamene apod.) v určitých provozních režimech.



Součástí předmětu je přednáška o modernizovaných systémech a technologiích spalování včetně exkurze ve Výzkumném energetickém centru VŠB-TU.

historický

vývoj,

současnost

Pro koho je předmět určen Modul je zařazen do bakalářského studia oboru Tepelná technika a průmyslová keramika, studijního programu Metalurgické inženýrství.

Paliva a topné systémy Osnova předmětu

1. základní znalosti o primárních zdrojích energie 2. historie, současnost a perspektivy využívání fosilních paliv 3. primární generace tepelné energie spalováním paliv 4. základní podmínky spalování 5. mechanismus hoření plynných, kapalných a tuhých paliv 6. dokonalé a nedokonalé spalování, ekologické a ekonomické aspekty 7. základy teorie hoření 8. stabilita fronty hoření, meze vznětlivosti 9. aktivace reakcí hoření, aktivační energie a zápalná teplota 10. inhibitory a katalyzátory hoření 11. hořáky: klasifikace vlastnosti plamene, topné systémy a jejich aplikace v praxi 12. experimentální metody sledování vlastností plamene a dokonalého hoření

1. Základní znalosti o primárních zdrojích energie Cíl: získání základních znalostí o primárních zdrojích energie, jejich vzniku a geografické distribuci, celkových zásobách, aktuálním využívání, vlastnostech a kategorizaci primárních energetických zdrojů.

Čas ke studiu:

2 hodiny

Obsah: vlastnosti paliv, struktura primárních energetických zdrojů, kategorizace fosilních paliv a obnovitelných zdrojů energie. Problematika těžby, distribuce a skladování jednotlivých paliv.

Výklad:

Základní vlastnosti paliv Základní vlastnosti paliva nám určují nejen energii, ale také technologii, která se spalováním konkrétního paliva souvisí. Znalost základních vlastností paliv má proto, jak z hlediska energetického, tak technologického význam pro získání energie, jejíž nositelem je vlastní palivo.

Chemické složení paliva Z chemického složení paliva lze stanovit nejen výhřevnost a spalné teplo, ale i řadu technologických vlastností souvisejících se spalováním. Elementární (prvková) analýza paliva určuje hmotností podíly základních prvků hořlaviny, popela a vody, které jsou hlavní součástí paliva. Vzhledem k technologickým úpravám paliv rozeznáváme příslušný stav paliva: - původní stav (horní index r), který souvisí s těženým stavem, a obsahuje hořlavinu, popeloviny a vodu, která je dále rozdělena na vodu hrubou (W ex), hydroskopickou (W h)a okludovanou. Hrubá voda se určuje z úbytku hmotnosti na vzduchu, hydroskopická (zbylá) voda je kapilárně vázaná a pro vysušení vyžaduje zahřátí na teplotu 105°C. Součet hrubé a hydroskopické vody se nazývá veškerá voda (W t). Okludovaná voda se uvolňuje teprve při vyšších teplotách rozkladu paliva a je dále dělena na vodu hydrátovou vázanou na popeloviny a vodu konstituční vázanou na organickou hmotu. Při běžných analýzách tuhých paliv se okludovaná voda nestanovuje. - Analytický stav paliva (horní index a) odpovídá vysušení na vzduchu (hrubá voda)

a namletí na předepsanou zrnitost (0, 2 mm). Vzorek obsahuje pouze vodu zbylou. Bezvodý stav (horní index d) zajistíme vysušením při 105°C, takže vzorek je prakticky bez podílu vody (mimo hydrátovou a konstituční).

Hořlavina paliva (horní index daf) vyjadřuje stav paliva bez podílu vody a popela. Organická hmota paliva (horní index o) je smluvní stav paliva bez vody a popelovin, které představují původní minerální složky v palivu. Popeloviny (M) jsou minerální součástí surového paliva, které se při spalování mění: vypaří se hydrátová voda, z uhličitanu se vypálením oddělí CO2, z pyritu se uvolňuje oxid siřičitý, případně se oxiduje Fe a další prvky.

Tabulka 1. Složení jednotlivých stavů paliva Složení

Stav paliva o daf d a r

C

H

O

N

So

Sp

Ss

A

organická hmota hořlavina bezvodý stav analytický stav původní stav

Wh

Wex Wt

Tabulka 2. Přepočty analýzy na jednotlivé stavy paliva Přepočet na stav paliva Stav paliva

Původní r Analytický a Bezvodý d Hořlavina daf Organická hmota o

původní r

analytický a

bezvodý d

hořlavina daf

organická hmota o

1 1 1 1 1

Hmotnostní podíly: Wa – vody v analytickém vzorku; Wt – veškeré vody; A – popela; M – popelovin

Tabulka 3. Průměrný hmotnostní podíl (%) základních složek paliva Hmotnostní podíl základních složek v palivech je uveden v tab. 3, kde jsou hmotností podíly C, H, O, S uvedeny v % na hořlavinu (daf), kdežto popela A a vlhkosti W na původní stav paliva (r). Palivo Dřevo Hnědé uhlí Černé uhlí Antracit Koks Benzín Topný olej

Cdaf

Hdaf

50 až 52 52 až 80 73 až 95 92 až 98 96 85 87 až 88

6 4,4 až 8,5 2 až 5,7 1 až 3 0,3 až 1 15 11 až 12

Odaf

Sdaf (%) 42 až 44 0 11 až 39 0,2 až 2 1,3 až 19,5 0,2 až 1 0 0,2 až 1 1 až 3 0,5 až 2 0 0,15 0 až 0,2 0,5

Ndaf

Ar

0,1 až 0,2 0,1 až 0,5 0,3 až 1,7 10 až 22 1,1 až 1,9 7 až 38 1,1 až 1,3 13 0,9 až 1,6 12 0 0 0 až 0,2 0

Wr 40 až 60 10 až 60 1 až 25 5 3 až 15 0 0

Hodnoty C, H, O, S, N se vztahují na hořlavinu paliva (daf), popela A, vlhkosti W na původní stav paliva (r).

Technická analýza Elementární analýza je přesná, vyžaduje však vybavenou analytickou laboratoř a kvalifikovaný personál. Z tohoto důvodu se v praxi používá velmi často technická analýza, jejíž výsledky jsou stanoveny jednodušší metodou a jsou v řadě případů dostatečné pro stanovení vlastností tuhého paliva. Určuje se obsah vody (W), prchavé hořlaviny (V), popelu (A) a tzv. tuhý (koksový) zbytek. Obsah vody se stanoví z rozdílu hmotnosti před a po sušení při 105°C. Obsah prchavé hořlaviny se stanoví z úbytku hmotnosti při žíhání při 850°C v redukčním prostředí (zakrytý porcelánový kelímek), zbývající složka v kelímku je tuhý zbytek paliva. Popel se stanoví žíháním při 815°C v oxidačním prostředí (odkrytý porcelánový kelímek), kdy hořlavina tuhého zbytku vyhoří a zbude pouze popel.

Analýza plynných paliv Při analýze plynných paliv se provádí stanovení objemových podílů analyzátory jednotlivých složek, které se obvykle udává pro suchý plyn. Přepočet složek suchého plynu na vlhký provozní plyn se provádí pomocí rovnice.

Význam jednotlivých složek paliv Tuhá paliva: Uhlík (C), výhřevnost Qi = 33,91 MJ . kg-1. Je hlavním nositelem tepelné energie neboť má nejvyšší hmotností podíl ve složkách paliva. V palivu je ve formě organických sloučenin (uhlovodíků). Vodík (H), výhřevnost Qi = 119,56 MJ . kg-1. Je v palivu v menším množství, ale má vyšší

výhřevnost. Celkový obsah vodíku HC je složen z vodíku vázaného Hva , který je již vázán kyslíkem na vodu a nepřispívá k výhřevnosti paliva a spotřebuje teplo na odpaření a dále vodíku volného Hvo , která při spalování reaguje s kyslíkem. Pro stanovení jednotlivých složek platí rovnice: H = Hva + Hvo

Hvo = H -

(kg . kg -1)

Síra (S), výhřevnost Qi = 10,52 MJ . kg-1. Je v palivu nežádoucí neboť sice zvyšuje výhřevnost, ale spalováním vznikají agresivní a škodlivé emise SO2 a SO3. Síra v palivu je ve formě organických sloučenin jako organická (So), síra pyritová (Sp), síranová (Ss), z nichž síra již není spalitelná. Kyslík (O) je nežádoucí složkou paliva neboť váže vodík a uhlík a tím snižuje obsah hořlavých částí paliva. Dominantní obsah kyslíku je však součástí organické molekuly vyšších uhlovodíků a snižuje nám potřebu spalovacího vzduchu. Dusík (N) je inertní, takže přechází do spalin a ve složení paliva snižuje obsah hořlaviny, takže je nežádoucí. Voda (W) je nehořlavá složka, která navíc snižuje výhřevnost teplem potřebným pro vypaření. U tuhých paliv se pohybuje v širokém intervalu až do 60% W, u kapalných paliv je obsah zanedbatelný. Popel (A) je minerální zbytek paliva vzniklý dokonalým spálením v oxidační atmosféře při teplotě 815°C. Je nežádoucí složkou paliva neboť snižuje podíl hořlavých složek. Významnou složkou je popel u tuhých paliv (uhlí), u kapalných paliv je obsah minimální ve formě rozpuštěných látek v palivu. Popeloviny (M) jsou původní minerální složky v palivu, které se při zvýšené teplotě částečně rozkládají (uhličitany, hydrátová voda) a vzniká z nich popel. Plynná paliva: Topné plyny jsou směsí plynů a par, z nichž hořlavé jsou vodík (H2), oxid uhelnatý (CO), metan (CH4) a vyšší uhlovodíky označované souhrnně CnHm. Hořlavý, ale nežádoucí je sulfan H2S. Inertní plyny (nehořlavé plyny) jsou dusík (N2), oxid uhličitý (CO2), vodní pára (H2O), oxid siřičitý (SO2) a kyslík (O2). Zvýšený obsah těchto plynů omezuje podíl hořlavých plynů, a proto jsou v palivu nežádoucí. Kyslík obsažený v palivu však snižuje množství dusíku přiváděného spalovacím vzduchem a komplikuje předehřívání plynu.

Spalné teplo a výhřevnost Při oxidačních reakcích spalování se chemicky vázaná energie v palivu transformuje na tepelnou energii. Z technického hlediska rozlišujeme energii obsaženou v hmotnostní nebo objemové jednotce paliva na spalné teplo (QS), které vyjadřuje energii uvolněnou

dokonalým spálením paliva při zkondenzování vodní páry ve spalinách. V běžných technických zařízeních však spaliny neochlazujeme pod rosný bod, takže ke kondenzaci vlhkosti ze spalin nedochází. Teplo uvolněné kondenzací vodní páry, které činí přibližně 2,5 MJ . kg-1, se proto neuvolní a z paliva lze získat pouze výhřevnost (QI) vyjadřující energii uvolněnou dokonalým spálením paliva při zachování vlhkosti ve spalinách. Výhřevnost paliva je proto nižší než spalné teplo o kondenzační teplo vody při příslušné teplotě, takže platí rovnice Q i = Q S – 2442 W

(kJ . kg-1 ); (kJ . m -3)

Pro tuhá a kapalná paliva platí: Q i = Q S – 24, 42 (W + 9H) kde:

(kJ . kg-1 )

W a H je hmotnostní podíl vody a vodíku v palivu (%), 2442 kJ . kg-1 výparné/kondenzační teplo vody pro teplotu 25°C. Spalné teplo stanovíme normovanou metodou kalorimetrem v laboratorních

podmínkách. Jelikož spaliny v kalorimetru ochladíme až na teplotu laboratoře (20°C) nutně dojde ke kondenzaci vodní páry ze spalin a změřené teplo odpovídá podmínkám spalného tepla. V technické praxi v kotlích, kamnech, pecích apod., odcházejí spaliny do komína s teplotou převyšující rosný bod, a proto ke kondenzaci nedochází. Získávané teplo proto odpovídá výhřevnosti. Od 90. let se v domácnostech využívají kondenzační kotle, které ochlazují spaliny pod rosný bod a tím využívají spalného tepla, které u zemního plynu má o 12% vyšší hodnotu. V technických parametrech se proto objevují účinnosti těchto kotlů převyšující 100%, což však je důsledkem smluvních podmínek vyjadřujících účinnost vztaženou na výhřevnost, i když technologie využívá spalného tepla. Hodnota účinnosti 106 - 108% proto neznamená perpetum mobile, ale uvedené smluvní podmínky.

Shrnutí pojmů: primární energetické zdroje, fosilní paliva, jaderná energetika, obnovitelné zdroje energie, vlastnosti paliv.

Otázky k probranému učivu: 1. Primární paliva ve světě a ČR. 2. Analytické stavy paliva. 3. Spalné teplo a výhřevnost.

Řešené úlohy

Použitá literatura: 1. Augusta Pavel.: Velká kniha o energii, vyd. ČEZ, Praha, 2001, str. 450, bez ISBN 2. Rédr Miroslav, Příhoda Miroslav.: Základy tepelné techniky, vyd. SNTL, Praha, 1991, str. 680, ISBN 80-0300366-0

2. Historie, současnost a perspektivy využívání fosilních paliv

Cíl: získání přehledu o historickém vývoji a současném využívání primárních energetických zdrojů, především fosilních paliv. Struktura spotřeby primárních energetických zdrojů ve světové a české energetice.

Čas ke studiu:

2 hodiny

Obsah: historie využívání ohně v rámci primitivní energetiky, přípravy potravin, ohřevu příbytků. Role dřeva jako nejstaršího paliva. Vývoj spalovacích technologií jako podmínka využívání uhlí, přechod na kapalná a plynná paliva. Energetické a související ekonomické a ekologické aspekty energetiky. Současná struktura, perspektivy těžby a spotřeby fosilních paliv, obnovitelných zdrojů energie i jaderné energetiky.

Výklad:

Shrnutí pojmů: historická, současná a perspektivní struktura primárních energetických zdrojů, fosilní paliva, jaderná energetika, obnovitelné zdroje energie.

Otázky k probranému učivu: 1. Struktura primárních energetických zdrojů ve světě a ČR. 2. Příčiny a podmínky změn struktury.

Řešené úlohy

Použitá literatura: 1. Augusta Pavel.: Velká kniha o energii, vyd. ČEZ, Praha, 2001, str. 450, bez ISBN 2. Rédr Miroslav, Příhoda Miroslav.: Základy tepelné techniky, vyd. SNTL, Praha, 1991, str. 680, ISBN 80-0300366-0 3. Svoboda Alexandr.: Plynárenská příručka: 150 let plynárenství v Čechách a na Moravě, vyd. GAS, 1997, str. 1192, ISBN 8090233961

3. Primární generace tepelné energie spalováním paliv Cíl: získat základní znalosti o spalovacích technologiích, které jsou dominantním způsobem získávání tepelné energie v současné energetice. Energetická účinnost spalovacích procesů z hlediska jednotlivých druhů paliv.

Čas ke studiu:

2 hodiny

Obsah: spalovací technologie jednotlivých druhů paliv a energetická transformace chemického tepla paliva (spalné teplo, výhřevnost) na tepelnou energii. Technologické problémy spalování jednotlivých druhů paliv a energetické účinnosti.

Výklad:

SPALOVÁNÍ A HOŘENÍ PALIV Spalování a hoření paliv nejsou v palivářské praxi zcela totožné pojmy, jejichž vymezení je výsledkem požadavků technické praxe. SPALOVÁNÍ je širší pojem řešící pomocí spalovacích výpočtů základní parametry zajišťující spálení paliva a tím i uvolnění požadované tepelné energie ve formě výhřevnosti nebo spalného tepla. Aktuálními parametry se kterými spalování operuje jsou složení paliva, množství spalovacího vzduchu, objem a složení vznikajících spalin, výhřevnost a spalné teplo. Spalování předpokládá,

že

při

vytvoření

koncentračních

a teplotních podmínek (dostatečné množství spalovacího vzduchu a ohřevu na zápalnou teplotu) proběhnou oxidační spalovací proces a dojde k dokonalému spálení paliva. HOŘENÍ je užší pojem zaměřený na vlastní průběh reakcí hoření, a to nejen ve svém celkovém pohledu vstupních konečných reakcí s příslušným tepelným efektem, ale v detailním pohledu dílčích reakcí, které ve svém komplexu vytvářejí relativně jednoduchou reakci spalování paliv. Hoření je ve svém

principu zaměřeno jak na zákonitosti tvorby a vzniku hořlavé směsi (laminární a

turbulentní

difuze,

molekulová

a molární difuze, meze vznětlivosti, mechanizmus ohřevu hořlavé směsi, fronta hoření a její stabilita, normálová rychlosti hoření), tak na chemické kinetice oxidačních reakcí závisejících obecně na termodynamických veličinách: teplotě, koncentraci, tlaku a aktivační energii. Obecně jsou platné pragmatické zkušenosti, že při spalování ušlechtilých paliv s vysokou výhřevností vzniká po vznícení takové množství tepelné energie (výhřevnost), že je vlastní průběh reakcí díky vysoké teplotě a související vysoké rychlosti reakce bezproblémový a zajišťuje téměř dokonalé spálení paliva. Čím je však výhřevnost paliva nižší a mechanizmus hoření paliva složitější (v porovnání plyny, kapalná a tuhá paliva), tím větší pozornost je nutno věnovat teorii hoření, neboť nižší rychlost hoření způsobí problematické nedokonalé spalování, které ve svých důsledcích vede nejen k energetickým ztrátám

a

nižší

účinnosti

(nespálené

uhlovodíky

a oxid uhelnatý ve spalinách), ale také k ekonomickým ztrátám a problémům ekologicko - hygienickým (oxid uhelnatý je jedovatý plyn). Ekologické aspekty jsou v současné době vážným problémem, neboť legislativně platné emisní limity vyžadují pouze normativně stanovené maximálně přípustné koncentrace jednotlivých emisních látek (plyny, tuhé znečišťující látky), které jsou státními orgány sledovány a kontrolovány. Za vypouštění škodlivých emisí do ovzduší jsou

předepisovány

poplatky

motivující

provozovatele

k dokonalejším

spalovacím technologiím. Při překračování emisních limitů jsou tyto přestupky nejen výrazně penalizovány, ale jsou uplatňována řízení vedoucí v extrémních případech až k zákazu provozu spalovacích zařízení s technologii emitujících nepřípustná množství škodlivých emisí.

Shrnutí pojmů: spalování jednotlivých druhů paliv a vlastní spalovací technologie, účinnost transformace chemické energie paliva na tepelnou energii.

Otázky k probranému učivu: 1. Technologie spalování tuhých paliv, vliv termodynamických podmínek v jednotlivých typech ohnišť a technických parametrů paliva (kusovost, vlhkost). 2. Spalování kapalných paliv, spalování plynných paliv.

Řešené úlohy


4. Základní podmínky spalování

Cíl: oxidační chemické reakce probíhající při spalování paliv jsou řízeny fyzikálněchemickými zákony, které musíme respektovat se záměrem dokonalého spalování paliva, které je však limitním požadavkem problematicky splnitelným. Je proto žádoucí zajistit fyzikálně-chemické podmínky (teplota, koncentrace, tlak) transformované do technických parametrů (teplota plamene, aktuální přebytek spalovacího vzduchu) umožňující co nejdokonalejší spalování. Důsledkem nedokonalého spalování jsou nejen energetické a ekonomické ztráty, ale související emise zhoršující životní prostředí.

Čas ke studiu:

2 hodiny

Obsah: dokonalé a nedokonalé spalování. Podmínky dokonalého spalování: teplota, koncentrace a tlak. Spalovací výpočty (koncentrační podmínka): množství spalovacího vzduchu, přebytek vzduchu, množství vznikajících spalin, složení spalin, kontrola spalování. Kritérium teplotní podmínky, tlaková podmínka u atmosférických spalovacích zařízení.

Výklad:

Shrnutí pojmů: dokonalé a nedokonalé spalování, vliv teploty, koncentrace a tlaku, spalovací výpočty, teplotní a tlakové podmínky.

Otázky k probranému učivu 1. Podmínky dokonalého spalování. 2. Spalovací výpočty: množství a přebytek spalovacího vzduchu, množství a složení spalin. 3. Kontrola spalování.

Řešené úlohy


5. Mechanismus hoření plynných, kapalných a tuhých paliv

Cíl: hoření plynných, kapalných a tuhých paliv probíhá mechanismem, který musíme respektovat ve spalovacích technologiích. Reakce hoření v praxi probíhají pouze v plynné fázi, takže u kapalných paliv musíme zajistit odpaření, u tuhých paliv uvolnění prchavé hořlaviny a následné dohoření tuhého zbytku paliva. Z toho vyplývá, že nejjednodušší bude spalování plynných paliv, náročnější spalování kapalných paliv a nejnáročnější spalování tuhých paliv.

Čas ke studiu: 3 hodiny

Obsah:

Výklad:

Mechanismus hoření tuhých paliv (rašeliny, biomasy, uhlí, tuhých komunálních odpadů) začíná ohřevem paliva a jeho vysoušením za zvýšené teploty v ohništi. Dřevo obsahuje při těžbě 40 % (zimní) až 60 % (letní těžba) vlhkosti, která se odpařuje při zahřívání na vyšší teplotu až po teplotu bodu varu. Teplota bodu varu při normálním tlaku je 100 °C, ve vnitřních vrstvách polen však musí vznikající pára překonávat odpor kompaktní dřevní hmoty, nežli se dostane na povrch polena. Potřebný zvýšený tlak páry však současně zvyšuje bod varu vody, takže ve vnitřních vrstvách polen dojde k odpaření až při teplotách téměř 150 °C. Stoupající teplota přehřáté vody, která je vyšším tlakem udržována v kapalném stavu i během pokračujícího ohřevu v topeništi neustále zvyšuje tlak až do porušení soudržnosti dřeva vznikem trhliny. Právě vzniklou trhlinou však unikne malá část přehřáté vody, která se však při expanzi do nižšího tlaku explozivně vypařuje. Objem páry je totiž 1250x větší,

než-li objem vody. Tím se však sníží tlak a veškerá přehřátá voda se velmi rychlým explozivním způsobem přeměňuje na páru. Tento jev je doprovázen výraznými zvukovými efekty, které známe jako praskání dřeva při spalování. Má-li dřevo jemnou granulaci např. piliny nebo pórovitou strukturu jako pelety a brikety, jsou tlakové a zvukové efekty výrazně potlačeny, takže při spalování pelet neuslyšíme praskání typické pro spalování polen. Voda obsažená ve vlhkosti paliva je uvnitř buněk dřeva však nedovolí další ohřev nad teplotu aktuálního bodu varu. To je významné pro pokračování mechanismu hoření, který vyžaduje další postupné zvyšování teploty. Teplotní prodleva na bodu varu v intervalu 100 – 150 °C proto bude probíhat až do úplného odpaření vlhkosti paliva. Jelikož množství tepla na odpaření vody je relativně velké (2500 kJ.kg-1) a je přibližně 5x větší, než-li teplo potřebné pro ohřev vody z 0 na 100 °C, bude odpařování vlhkosti spotřebou tepla účinně blokovat další postup mechanismu hoření, který začíná při 150 °C uvolňováním prchavé hořlaviny označované symbolem V (Volatils). Prchavá hořlavina je směsí plynných lehkých uhlovodíků uvolňovaných při teplotě přesahující 150 °C z tuhé hmoty paliva. Jelikož objem prchavé hořlaviny je výrazně vyšší než-li objem paliva, uniká prchavá hořlavina jednotlivými póry povrchu paliva vysokou rychlostí, mísí se s okolním vzduchem a vytváří hořlavou směs. Po vznícení směsi aktivační teplotou přibližně 500 °C dochází vznikem tepla při hoření k zapálení celého objemu vzniklé směsi hořící plamenem o teplotě 500 – 1000 °C. Ohřevem hořících plynů na teplotu plamene však dochází k expanzi plynů související s objemovou roztažností. Při teplotě 1000 °C je objem hořících plynů téměř 5x větší, což vyvolá vztlakovým prouděním intenzivní „šlehání“ plamenů směrem vzhůru. Tímto vztlakem však dojde současně k nasávání dalšího okolního vzduchu k prchavé hořlavině unikající z polen intenzivně ohřívaných plamenem. Tím dochází k trvalé tvorbě hořlavé

směsi

a stabilnímu hoření paliva.

Mechanismus hoření na otevřeném ohništi

Jednotlivé proudy prchavé hořlaviny unikající z povrchu polen dřeva splývají v souvislý plynný proud stoupající vzhůru, do něhož se z vnějšího okolí mísí vzduch. Tento difúzní mechanismus vytváří turbulentní difúzní plamen

kuželovitého tvaru s hořícím povrchem a nehořícím středovým kuželem, kam se vnější vzduch dostává až postupně s narůstající výškou plamene. Při nedostatku vzduchu však prchavá hořlavina ve formě horkých plynů uvnitř plamene nehoří, ale termicky se rozkládá na lehčí uhlovodíky až vodík a tuhou fázi uhlíku velmi jemně dispergovanou. Velmi jemné částečky uhlíku se prakticky okamžitě ohřívají na vysokou teplotu plamene a protože mají přibližně 10x větší emisivitu než-li plyny v plameni, vytvoří svítivý plamen. Podle teploty plamene a uhlíkových částeček je příslušná barva temně rudá (500 – 600 °C), oranžová (600 - 700 °C), žlutá (700 -800 °C) až oslnivě bílá (nad 800 °C). Hoření tuhého uhlíku probíhá daleko pomaleji než-li hoření plynů, neboť musí probíhat protisměrná difúze kyslíku směrem dovnitř uhlíku a po reakci difúze oxidu uhelnatého směrem ven. Teprve vně, mimo uhlíkové částečky, dochází k dokonalému spálení oxidu uhelnatého na oxid uhličitý. Tento popsaný mechanismus je relativně pomalý a jeho logickým důsledkem je dlouhý a svítivý plamen typický pro fázi hoření prchavé hořlaviny na otevřeném ohništi. V řadě případů je tento dlouhý a svítivý plamen např. v případě táboráku žádoucí, méně žádoucí je však v krbu nebo topeništi, neboť dokonalost hoření a účinnost spalování přisáváním okolního vzduchu a ochlazováním dlouhého svítivého plamene rychle klesá. Po vyhoření prchavé hořlaviny, která tvoří např. až 80 % hořlaviny dřeva zbývá tuhý zbytek paliva. V případě dřeva je to v podstatě dřevěné uhlí, v případě uhlí koks. Tuhý zbytek hoří zcela odlišným způsobem od prchavé hořlaviny. K tuhému zbytku ve vrstvě je přiváděn kyslík ze vzduchu, který reaguje s uhlíkem na oxid uhelnatý hořící nad tuhým zbytkem. I když se jedná o obdobný difúzní mechanismus jako při spalování prchavé hořlaviny, probíhá v zásadně odlišném měřítku, neboť tuhý zbytek má relativně hrubou kusovost. V důsledku rychlého mísení oxidu uhelnatého se vzduchem je hoření na oxid uhličitý rychlé. Důsledkem je krátký modravě průhledný plamen. Jelikož v plameni nevznikají svítící uhlíkové částečky je tento plamen nesvítivý. Právě tento modravě průhledný krátký nesvítivý plamen nad vrstvou žhnoucího tuhého zbytku je typickým projevem této fáze hoření. Rychlost hoření je v uvedeném mechanismu určována difúzními jevy přívodu kyslíku k tuhému zbytku. Jelikož na otevřeném ohništi je přiváděn vzduch z bočních stran, je tato fáze pomalá a hoření nedokonalé. V závěrečné fázi hoření vznikne v důsledku ochlazení plamene a nízké teploty již jen omezeně reagující temná povrchová vrstva tuhého zbytku kryjící vnitřní ještě žhavé vrstvy tuhého zbytku s dostatečně vysokou teplotou. V obou případech však

dochází k nedokonalému hoření s nízkou účinností, neboť v povrchové vrstvě s dostatečným přívodem kyslíku je nízká teplota, ve vnitřních vrstvách s vysokou teplotou však schází potřebný kyslík. Z vnějšího pohledu hoří v této fázi dohořívání otevřený oheň nestabilně a přechází ve fázi nízkoteplotních reakcí formou „doutnání“. Z popsaného mechanismu hoření dřeva na otevřeném ohništi je zřejmé proč dokonalost a účinnost hoření na tomto typu spalovacího zařízení je velmi nízká a nepřesahuje optimistických 20 %. Složitost a náročnost jednotlivých postupných fází hoření jednoho paliva (vysoušení s vysokou energetickou spotřebou bez vlastní generace tepla), intenzivní hoření prchavé hořlaviny dlouhým

a

svítivým

plamenem

zásobující

energií

i fázi vysoušení a závěrečné dohořívání tuhého zbytku krátkým nesvítivým plamenem. Všechny 3 děje však zajišťujeme jediným přiložením palivového dřeva a vlastní průběh jednotlivých fází hoření již probíhá samovolně. Konstrukce topeniště vyhovující všem popsaným fázím hoření v řadě případů s protichůdnými požadavky je proto náročným problémem podmiňujícím efektivní energetické využívání dřeva, neboť nízká účinnost a dokonalost hoření na otevřených ohništích je v současné době ve větším měřítku nepřijatelná jak energeticky (vysokou spotřebou paliva při nízké účinnosti), tak

ekonomicky

(vysoké

náklady

na

palivo)

i ekologicky (nepřijatelné emise nespálených polycyklických aromatických uhlovodíků a oxidu uhelnatého). Souhrnně lze konstatovat, že nízká účinnost hoření na otevřených ohništích by neumožnila dynamický rozvoj průmyslové revoluce, která by neměla dostatek paliva pro kotle a tím ani páry pro parní stroje. Výrazné 3 – 5 násobné zvýšení účinnosti hoření v uzavřeném topeništi s roštem jako primární energetická transformace nejen s nížila spotřebu nedostatkového palivového dřeva, ale dokonalejším hořením při vyšší reakční teplotě

plamene

umožnila

využití

dalších

paliv

a z nich především uhlí. Za názornou dokumentaci slouží skutečnost, že do průmyslové oblasti Kutnohorska (těžba rud, produkce stříbra a ražba mincí) bylo dřevo pracně a náročně dopravováno plavením po řekách až ze 100 km vzdálených Krkonoš a Orlických hor. Rovněž vyšší produkce dřeva v uměle vysazovaných lesích jak je dnes běžné, započala v závěru 18. století, což znamená, že při těžebním stáří 100 – 120 let tehdy nově vysazovaných smrků jsou současné smrkové lesy druhou až třetí generací stromů, listnaté lesy s těžebním stářím 200 let jsou v první až druhé generaci stromů.

Mechanismus hoření paliva v uzavřeném topeništi na roštu

Litinový rošt jako jeden z prvních produktů rozbíhající se průmyslové revoluce ve svém důsledku umožnil její úspěšný start. Vynález uzavřeného topeniště s roštem zásadním způsobem změnil ne mechanismus, ale podmínky hoření paliva na roštu. Omezením spalovacího vzduchu z minimálně pětinásobku přebytku spalovacího vzduchu typického pro otevřená ohniště na pouhý dvojnásobek výrazně zvýšil praktickou spalovací teplotu plamene. Oxidační reakce

hoření

při

zvýšené

teplotě

probíhaly

rychleji

a

tím

i dokonaleji. Rovněž rovnoměrnější přívod vzduchu přes rošt pod celou vrstvu hořícího paliva (nikoli pouze po obvodě) zlepšil podmínky mísení. Tato skutečnost je významná především pro zlepšení koncentrační podmínky hoření, neboť část spalovacího vzduchu přiváděná pod rošt umožní mísení prchavé hořlaviny se vzduchem v celé vrstvě paliva, čímž omezí termickou disociaci za vzniku tuhé fáze uhlíku ve prospěch plynné fáze. Praktický důsledek je výrazně rychlejší průběh hoření homogenní směsi plynu oxidu uhelnatého, vodíku a uhlovodíků ve směsi se vzduchem, která se projeví nižší svítivostí plamene, a dokonalejším hořením s vyšší účinností a teplotou plamene. Důsledkem změněných a dokonalejších podmínek hoření byl nárůst účinnosti na 60 – 65 %, což je přibližně 5x více než u otevřených ohnišť. I při komplikovanějším přestupu tepla při vaření potravin na plotně z litinových tálů bez přímého styku varných nádob s plamenem, typickým pro otevřená ohniště černých kuchyní, došlo k úspoře 50 – 60 % dřeva (paliva), což dalo vznik názvu sporák. Tyto nové bezesporu na tehdejší dobu převratné podmínky hoření však měly stále daleko k dokonalému hoření, jak dokumentují kouřící komíny obrazů a kreseb z průmyslové revoluce. Pro zdokonalené hoření v uzavřeném topeništi na roštu je však nutné respektovat určité podmínky odpovídající mechanismu hoření. Vlhké a studené palivo nesmí být přikládáno na vrstvu paliva na roštu, neboť hořící plynná směs se na studeném a vlhkém palivu ochladí pod 500 °C, čímž se zpomalí rychlost reakce, která se při výraznějším ochlazení zastaví a plamen uhasne. Prchavá hořlavina a oxid uhelnatý uvolňovaný hořícím palivem po ochlazení studeným

vlhkým

přiloženým

palivem

zhasne

a zkondenzuje na mlhovinu, která se v odtahu topeniště a komínu s nižší teplotou již nevznítí.

Při přikládání je nutné respektovat postupné fáze hoření a přiložit vlhké a studené palivo na kraj roštu, vysušené palivo z předcházející dávky přiložení již předehřáté a vysušené posunout do střední části roštu, kde bude hořet uvolňovanou prchavou hořlavinou dlouhým a svítivým plamenem. Tuhý zbytek prakticky bez prchavé hořlaviny musí být posunut ze střední části roštu na zadní závěrečnou část roštu, kde bude hořet krátkým a nesvítivým plamenem. Ze spodní strany tak bude ohřívat dlouhý a svítivý plamen prchavé hořlaviny probíhající nad ním do odtahu a komína. Praktické provedení pomocí pohrabáče a lopatky musí samozřejmě probíhat od poslední fáze, což znamená posunutí tuhého zbytku s již vyhořelou prchavou hořlavinou ze střední části na konec roštu, odkud vyhořelý tuhý zbytek již unikl do komína a popel propadl roštem do popelníku. Na uvolněné místo ve střední části roštu bude posunuto vysušené a předehřáté palivo z přední části roštu a na tuto uvolněnou část bude přiloženo nové palivo. Na pevném roštu jsou popsané operace náročné na čas, frekvenci

přikládání

a kusovost paliva, neboť např. u velkých polen přikládaných ve směru podélné osy roštu je popsaný způsob přikládání prakticky nereálný. Při příčné orientaci polen je však možné jednotlivé fáze hoření oddělit postupným přikládáním a popsanou manipulací. Ve všech případech však mají být polena přikládána tak, aby vytvářela na roštu zhruba rovnoměrnou vrstvu, nikoli tedy chaoticky přeložená polena umožňující nerovnoměrné proudění vzduchu roštem a vrstvou paliva. V popsaných příkladech přikládání však dochází zcela zákonitě a periodicky k jednorázovému přikládání zcela určitého množství paliva. Tento periodický a z hlediska času nerovnoměrný způsob dodávky paliva vyvolává i nerovnoměrný průběh hoření způsobený periodicky se měnící teplotou plamene a koncentračních podmínek odpovídajících postupnému vysoušení vlhkosti, turbulentnímu hoření prchavé hořlaviny v dlouhém a svítivém plameni a relativně klidném dohořívání žhnoucího tuhého zbytku krátkým nesvítivým plamenem. Periodicky měnícím se podmínkám odpovídá i aktuální potřeba spalovacího vzduchu prakticky nepotřebného pro vysoušení paliva, s maximální potřebou při hoření prchavé hořlaviny navíc rozdělovaného na primární a sekundární vzduch (pro dokonalou tvorbu hořlavé směsi bez intenzivní disociace vyšších uhlovodíků na tuhý uhlík a úplné spálení hořlavé směsi). Pro dohoření tuhého zbytku potřeba spalovacího vzduchu opět klesá.

Regulace potřebného v čase nerovnoměrného množství spalovacího vzduchu v popsaném mechanismu hoření dřeva je velmi náročná, přičemž význam přebytku vzduchu je ve svém důsledku velmi důležitý. Zbytečně velký přebytek vzduchu ochlazuje plamen, čímž zpomaluje, až zastavuje rychlost hoření. Při nedostatku spalovacího vzduchu nemůže vůbec dojít k dokonalému spálení uvolněné prchavé hořlaviny. I přes náročnost tohoto problému je nutné věnovat této otázce stálou pozornost. Snaha o časové ustálení a zrovnoměrnění procesu hoření nutně vede k průběžnému přivádění dřeva, v širším pojmu paliva. V tomto případě dojde k ustavení dynamické rovnováhy tepelné bilance v jednotlivých fázích hoření nutně vedoucí k teplotní stabilizaci v jednotlivých částech topeniště. Průběžná dodávka paliva však vyžaduje jeho jemnou granulaci ve formě štěpky nebo pelet, což vyžaduje náročnější operace úpravy paliva před spalováním spočívající jak v úpravě kusovosti na štěpku nebo pelety, tak v případném umělém vysoušení nebo zrychleném volném vysoušení jemné granulace paliva. Takto upravené palivo má výrazně sníženou vlhkost (polenové dřevo a štěpka 20 %, brikety 10 %, pelety 5% vlhkosti) a větší kontaktní i reakční povrch. Tím se výrazně mění jeho spalovací vlastnosti. Nezanedbatelnou předností je rovněž možnost přímé regulace výkonu spalovacího zařízení řízením přívodu paliva, což u hrubé kusovosti polen je prakticky nemožné. Z praktického hlediska je rovněž významná možnost zrychleného umělého vysoušení jemně granulovaného paliva, kde lze s výhodou využít citelného tepla spalin a zvýšit tak celkovou účinnost procesu. Při umělém vysoušení má značný význam i výrazné snížení zásob volně vysychajícího paliva (v polenech cca 2 roky). Pro 1 kW výkonu spalovacího zařízení je nutné uvažovat se sezónní topnou potřebou 1 prostorového metru kulatiny nebo polen (prm), což při dvouletém obnovovacím cyklu přirozeně vysoušeného paliva vyžaduje pro výkon 10 – 20 kW prostor větraného dřevníku 20 – 40 m3! Tento nárok je zřejmý i z dispozice starých chalup vytápěných dřevem, kde součástí hospodářských budov byl i dřevník s potřebnou kubaturou objemu. Popsaný jev nabývá na významu především u spalovacích zařízení velkých výkonů, kdy sklady palivového dřeva v dvouletém cyklu přirozeného vysoušení by byly nejen objemově velmi náročné, ale docházelo by i k „umrtvení“ prostředků vynaložených na dvouletou zásobu palivového dřeva. Především jemná granulace štěpky, pilin, klestu apod. umožňuje vysušit palivo pod požadovaných 20 % vlhkosti již mezi zimní těžbou (40 % W), jarním až

podzimním sušením a spalováním v příští zimní sezóně. Přímým důsledkem spalování paliva upraveného vysušením a jemnější granulací je rovnoměrnější průběh hoření s dokonalejším řízením a vyšší účinností. Zvýšená teplota plamene v součinnosti s velkým aktivním povrchem paliva také umožňuje výrazné zvýšení výkonu spalovacího zařízení. Tato úprava paliva byla v případě uhlí primární motivací velmi dynamického rozvoje spalování vysušeného a jemně mletého práškového uhlí v kotlích elektráren a tepláren od druhé poloviny 40. let 20. století. Tato technologie je i v současnosti dominující technologií energetiky velkých výkonů dnešních elektráren a tepláren. Kusové uhlí na roštu nelze spalovat tak rychle jako uhelný jemně rozemletý prášek navíc vysušený. Sekundárním efektem této technologie byla vysoká teplota hoření a související dokonalejší spalování, takže je radikálně omezen vznik nespálených uhlovodíků. Tento fakt názorně dokumentuje statistický údaj REZZO vykazující zhruba stejné množství nespálených polycyklických aromatických uhlovodíků a oxidu uhelnatého vzniklých spalováním přibližně 2 milionů tun hnědého tříděného uhlí (ořech + kostka) v malých a středních zdrojích na roštových topeništích a 24x většího množství uhelné průmyslové směsi (48 milionů tun) každoročně spalované po úpravě

sušením

a mletím v práškových topeništích kotlů elektráren a tepláren. Problémem průběžné dodávky paliva je požadovaný malý příkon paliva pro spalovací zařízení malých (lokálních) výkonů používaných v domácnostech. Pro aktuální výkon 10 kW je nutné spálit při 80 % účinnosti pouze 2,5 kg dřeva za hodinu. Stabilita hoření při tak nízkém výkonu je však problematická, neboť tepelné ztráty topeniště neumožní udržet při nízkém výkonu dostatečně vysokou teplotu plamene zajišťující dokonalé vyhoření paliva s vysokou účinností. V polenové nebo briketové kusovosti je to problém řešený periodickým přikládáním a krátkodobém vyšším výkonu, který je akumulován do vodního, kamenného nebo keramického zásobníku tepla (bojler, hypokaustický akumulační výměník). Tato konstrukce spalovacího zařízení umožňuje provozní režim v časově omezeném a přerušovaném režimu spalování při vyšším výkonu (1 – 2 hodiny) a akumulační provozní režim téměř bez hoření (11 – 10 hodin). Tímto technickým vybavením (tepelný akumulátor) a provozním režimem je zajištěno jak dokonalé spalování s vysokou účinností, tak rovnoměrný provoz při přijatelném 12-ti hodinovém intervalu přikládání. Pouze jemná granulace pelet nebo štěpky umožňuje udržet relativně malý

plamen při spalování dřeva s výkonem pod 10 kW. Tento režim však vyžaduje náročné podmínky rovnoměrného a pravidelného dávkování paliva, racionální konstrukci hořáku tak malého výkonu a systémovou kontrolu průběhu hoření měřením teploty a koncentrace kyslíku ve spalinách. Z popsaných důvodů je běžné pro spalovací zařízení malých výkonů na tuhá alternativní paliva a dřeva využívat přerušovaného provozního režimu, při kterém má význam tzv. stáložárnost udržující na dně topeniště část dohořívajícího paliva ve stavu schopném vznítit a zapálit dřevo přikládané při následujícím přiložení. Periodický a časově neustálený teplotní i tepelný režim však má nepříznivé důsledky na dokonalost hoření, což se logicky projeví ve snížené účinnosti hoření. Ze stručné analýzy vyplývá, že o dokonalém hoření alternativních tuhých paliv rozhodují termodynamické parametry teploty a koncentrace. Koncentrační podmínku splníme přívodem spalovacího vzduchu v mírném přebytku, což však při nižších přebytcích vyžaduje rovnoměrné rozdělení vstupních proudů a tím i otvorů případně štěrbiny po celém objemu topeniště. K dobrému mísení rovněž přispívá předehřátí spalovacího vzduchu vyrovnávající velmi rozdílné (až

5x)

hustoty

přiváděného

vzduchu

(20

°C)

a hořící směsi v plameni (1000 °C). Studený vzduch v horkém prostředí topeniště padá dolů a teprve po ohřevu až následně proudí vzhůru do plamene, kde je potřebný pro spalování. Rovněž rozdělení spalovacího vzduchu na primární, omezující intenzivní vznik tuhé fáze při termické disociaci uhlovodíků ve spodní části plamene, musí být přiváděn roštem nebo v dolní části topeniště. Aby mohl splnit svoji funkci, musí být přítomen a mísit se s prchavou hořlavinou již při jejím uvolňování z ohřívaného palivového dřeva. Moderní biotopeniště s vysokou účinností musí co nejdokonalejší hoření zajistit dostatečně vysokou teplotou, o jejíž překročení nemusíme mít u lokálních topenišť výkonového rozsahu 5 – 30 kW obavy. Z tohoto důvodu je povrch topeniště vyzděný z keramického materiálu v řadě případů i s keramickým roštem, neboť kovové součásti topeniště svojí vysokou tepelnou vodivostí odvádějí teplo mimo tento prostor již v průběhu hoření, což není žádoucí. Dokonalé hoření vyžaduje primární, co nejdokonalejší spálení paliva při

vysoké

teplotě

s

pouze

mírným

přebytkem

vzduchu

a teprve následné ochlazování spalin pro účelové využití vzniklého tepla. Vliv teploty a přebytku vzduchu na průběh hoření lze získat názornou

představu při zatápění v krbu s topeništěm uzavřeným dvířky se skleněným průhledem. Při zatápění ve studeném krbu se drobné palivo pozvolna rozhořívá a prchavá hořlavina unikající z relativně malého objemového prostoru plamene s vysokou teplotou kondenzuje již v prostoru topeniště ve formě bílého vizuálně pozorovatelného kouře. Pokud je tato kouřová mlhovina přisáta plamenem, shoří. Velmi často však plynné uhlovodíky při ochlazování na teplotu jejich bodu varu (150 – 300 °C) kondenzují na ještě chladných částech topeniště, což jsou obvykle kovové součásti a sklo, které získává hnědavý odstín. Po rozhoření paliva a vyhřátí spalovací komory, což vyžaduje přibližně 20 – 30 minut, neboť litinové nebo ocelové krby a kamna mají hmotnost 100 – 300 kg a vyžadují pro ohřev na ustálenou provozní teplotu relativně velké množství tepla se zkondenzované uhlovodíky znovu odpaří a shoří, krby a krbová kamna s uvedenou hmotností jsou určená především pro rychlé zatápění a víkendové topení na chatách a v rekreačních domech. Nejsou považovány za akumulační topeniště určená pro trvale vytápěné byty a rodinné domy, pro které jsou vhodnější akumulační kamna s výrazně větší hmotností 1,0 – 2,5 tuny zajišťující akumulaci tepla s výrazně delším intervalem přikládání až 12 hodin proti zhruba 2 hodinovému intervalu krbu. Pro udržení vysoké teploty ve spalovací komoře je rovněž nevhodné konstrukčně navrhnout odtah z topeniště přímo nahoru do komína, neboť nejteplejší spaliny by okamžitě vlastním vztlakem unikaly bez jakéhokoli zdržení do komína. Vhodnější je tzv. svislý pád tvořený odtahovým kanálem za topeništěm vyvolávajícím při proudění směrem dolů proti vztlaku rozvrstvení spalin. Nejteplejší spaliny zůstanou automaticky v horní části kanálu svislého pádu a topeništi, nejchladnější spaliny jsou ve spodní části pádu odsávány do akumulačního výměníku a dále do komína. Souhrnně lze konstatovat, že alternativní tuhá paliva a biomasa, nejsou automaticky ekologickým palivem, ale pro dokonalé spálení s minimem škodlivých emisí vyžadují splnění konkrétních termodynamických podmínek, vyjádřených zjednodušeně teplotou a koncentrací hořlavé směsi v plameni. Tyto podmínky lze optimalizovat jak moderní konstrukcí spalovacího zařízení, tak vhodně vedeným provozním režimem. Právě na provozní režim vyjádřený technickými parametry spalování a hoření alternativních tuhých paliv je zaměřena tato studie, jejíž závěry jsou teprve následně využitelné pro zadání základních konstrukčních parametrů spalovacích zařízení.

Shrnutí pojmů: mechanismus hoření tuhých, kapalných a plynných paliv. Hoření tuhých paliv na otevřeném ohništi a uzavřeném topeništi. Vliv granulace paliva.

Otázky k probranému učivu: 1. Hoření tuhého paliva na otevřeném ohništi. 2. Hoření tuhého paliva na uzavřeném topeništi. 3. Hoření práškového paliva. 4. Hoření kapalného paliva. 5. Hoření plynného paliva.

Řešené úlohy


6. Dokonalé a nedokonalé spalování, ekologické a ekonomické aspekty

Cíl: z fyzikálně-chemického hlediska jsou podmínky dokonalého spalování definovány teplotou, koncentrací a tlakem. Jelikož většina spalovacích procesů probíhá při atmosférickém tlaku, redukují se podmínky z technického hlediska na teplotní a koncentrační vyjádřené reakční teplotou (teplota plamene) a aktuální koncentrací paliva ve vzduchu v zóně reakce.


Obsah: Teplotní, koncentrační a tlakové podmínky dokonalého spalování, transformace fyzikálně-chemických podmínek do technických parametrů spalování. Shrnutí koncentračních podmínek (kontrola spalování), teplotních podmínek (Arheniova rovnice a zápalná teplota), omezená role tlakových podmínek u atmosférických technologií spalování. Souvislost nedokonalého spalování a nižší energetické účinnosti s ekonomickými a ekologickými aspekty.

Výklad

Shrnutí pojmů:

Otázky k probranému učivu: 1. Arheniova rovnice a zápalná teplota, teplota plamene. 2. Kinetické a difuzní hoření z hlediska koncentrační podmínky. 3. Disociace uhlovodíku v plamenu a vznik škodlivých emisí. 4. Energetická účinnost spalovacích dějů a souvislost s ekonomickými a ekologickými aspekty.

Řešené úlohy


7. Základy teorie hoření Cíl: fyzikálně-chemický proces hoření se skládá z fyzikálních jevů mísení hořlavé směsi a chemické kinetiky popisující děje a rychlosti oxidačních reakcí. Jelikož obě složky jsou podmínkou pro dokonalé spalování, je nutné jim věnovat náležitou pozornost.


Obsah: fyzikálně-chemický princip spalovacích procesů, základní pojmy a zákony. Kinetické a difuzní hoření plynů, normálová rychlost hoření, vznik plamene. Laminární a turbulentní difuze a vznik hořlavé směsi. Chemická kinetika hoření, vliv teploty, koncentrace a tlaku na rychlost hoření.

Výklad:

CHEMICKÁ KINETIKA HOŘENÍ Chemická kinetika sleduje děje a rychlosti oxidačních reakcí hoření paliva v závislosti na podmínkách hoření, které nejvýraznější ovlivňují a tedy definují termodynamické veličiny teplota, koncentrace a tlak.

Vliv teploty na rychlost reakce Teplota je termodynamická veličina, která má na rychlost reakce nejvýraznější vliv v rámci možností technických prostředků, kterými řídíme ovlivňováním (termodynamických) podmínek vlastní průběh spalovacích reakcí. V této souvislosti je na místě si připomenout, co je ve fyzikální interpretaci teplota. Teplota jako potenciál energie běžně měřená různými typy teploměrů nebo přístrojů, ve svém principu vyjadřuje rychlost pohybu molekul nebo atomů. U plynných fází se jednotlivé molekuly pohybují v prostoru určitou rychlostí a za určitých podmínek dojde k jejich srážce. Máme-li v systému dva druhy molekul (palivo a kyslík), dojde při jejich srážce při snížené rychlosti k odražení v důsledku odpudivých sil a k vzájemné interakci (chemické reakci)

mezi nimi nedojde. Při zvýšení rychlosti molekul jsou však při určité rychlosti schopny tyto molekuly svoji kinetickou energii překonat bariéru odpudivých sil a vzájemně spolu reagovat. Dostatečně vysoká rychlost molekul podmiňující vznik reakce je z technického hlediska vyjádřená zápalnou teplotou. Další zvyšování rychlosti molekul zajistí reakční teplo vznikající při vzájemné reakcí molekul nebo atomů. Logickým a nutným důsledkem se uvolňované teplo projeví rostoucí teplotou směsi, což při zvýšené rychlosti molekul znamená vyšší počet vzájemných srážek aktivovaných (tj. zahřátých na zápalnou teplotu) molekul. Tímto mechanizmem dochází ke zvyšování rychlosti reakce, která se ustálí na určité hodnotě odpovídající rovnovážné teplotě plamene, při které se reakční teplo v dynamické rovnováze rozdělí na vnitřní

teplo

zahřívající

(aktivující)

molekuly

paliva

a

kyslíku

a vnější teplo předávané do technologického procesu, např. ohřev vsázky v peci nebo ohřev, odpaření a přehřívání vody (páry) v kotli. Vystoupí-li teplota plamene nad zápalnou teplotu, jsou prakticky všechny molekuly v systému aktivovány, mají dostatečně vysokou rychlost a navzájem reagují při každé srážce. Popsaný mechanismus závislosti rychlosti reakce vyjádřené počtem aktivních srážek vyjadřuje ARHENIŮV ZÁKON: (s-1) (13) Kde:

k

- počet aktivních srážek reagujících molekul (s-1)

ko

- celkový počet srážek (s-1)

Eakt

-aktivační energie (J.mol-1)

R

- univerzální plynová konstanta (J.mol-1K-1)

T

- termodynamická teplota (K)

Uvedená Arheniova rovnice vyjadřuje závislost počtu aktivních srážek v čase (tzn. rychlost reakce) v závislosti na celkovém počtu srážek, aktivační energii a teplotě. Celkový počet srážek ko je však podle kinetické teorie rovněž závislý na teplotě a roste úměrně s odmocninou teploty, neboť zvýšená rychlost pohybu molekul při ohřevu nutně vyvolá zvýšený počet srážek. Tento mechanismus je zřejmý

ze stavové rovnice plynů vyjadřující zvyšování tlaku (tj. nárazů molekul na vnější stěnu) při zvyšování teploty. Nejvýraznější vliv však má exponenciální závislost

na

termodynamické

teplotě

a aktivační energii neboť plynová konstanta zůstává konstantní.

Obr. 1 Závislost rychlosti reakce (počtu srážek na termodynamické teplotě) V grafickém vyjádření závislosti rychlost reakce (počtu aktivních srážek) – na teplotě podle Arheniovy rovnice je zřejmé, že za nízkých teplot je rychlost reakce velmi nízká, nikoliv však nulová. Tento jev nám umožňuje v technické praxi skladovat palivo bez vážného nebezpečí samovolného vznícení, neboť nízký tepelný efekt neposune soustavu do vyšších teplot. Nízká rychlost reakce se projevuje jako tlení, příp. u uhlí pozorovaná ztráta lesku a zmatovění lomových ploch, které jsou u vytěženého uhlí lesklé. U dřeva resp. biomasy dochází k degradaci dřevní hmoty (lignin a celulóza) na meziprodukty ještě zjevně jasně organické struktury (humus), v konečné fázi však na původní substance vodu, oxid uhličitý a minerální látky. Je jistě pochopitelné, že ve vzrostlém lese běžného stáří (jehličnany cca 100 let, listnáče až 200 let) nechodíte po silné vrstvě biomasy (větve, jehličí, listy), která by za celou životnost stromu dosáhla značné výše, ale po pouze relativně tenčí vrstvě lesní humusovité půdy vzniklé průběžně probíhající degradací organické hmoty. Tepelný

efekt

je

v tomto

případě

zanedbatelný

v

čase

a využívá se pouze okrajově (pařeniště v zahradnictví). Nenulová, i když velmi nízká rychlost reakce však nutí k obezřetnosti při skladování paliv, neboť vedlejší efekty mohou vyvolat lokální zvýšení teploty a nastartování oxidační reakcí, které ve svém důsledku vedou k samozápalům např. na uhelných skládkách. Primární aktivaci v těchto případech nezajišťují

oxidační spalovací reakce, ale související jevy např. kondenzace vodních par známá např. při zapaření posekané trávy shrnuté na hromadu neumožní průběžné ochlazování. Na skládce uhlí se uplatňují při nízkých teplotách skladování katalytické reakce, např. pyritu ve vlhkém prostředí nebo zanesení dřeva do skladované uhelné hmoty. V domácnostech se proto v dobách nedávno minulých doporučovalo při skladování briket oddělovat prachový podíl (mour) vznikající pomalou a postupnou degradací jemně namleté a lisováním spojené uhelné hmoty od kusových briket, neboť prouděním vzduchu mezi „porézní“ hromadou briket dochází k průběžnému ochlazování a tak nedojde k lokálnímu přehřátí, které mohlo vyústit při zvýšení teploty nad 100 °C nastartováním“ oxidačních reakcí a samozápalem skladovaného paliva. V uvedených souvislostech je nutná poznámka k obr.1 teplotní závislosti rychlosti reakce, resp. podle rovnice počtu aktivních srážek. Každá aktivní srážka má za následek uvolnění určitého množství tepelné energie, která přes počet molekul v molárním množství látky paliva (Avogadrovo číslo) a typu chemické reakce vede až k hodnotě výhřevnosti nebo spalného tepla. Pokud si obecně vyjádříme uvažovaný počet aktivních srážek jejich tepelným efektem (uvolňované energií) samozřejmě v určitém časovém úseku, dostáváme označené svislé osy v rozměru energie za čas (J.s-1), což je výkon (W). Na uvedeném schématu lze proto v diagramu chápat svislou osu jako stupnici tepelného výkonu reakce. V oblasti nízkých teplot je tepelný výkon nízký, nepostačuje na aktivaci většího množství molekul paliva, což umožňuje např. již zmíněné skladování paliv. Reakce a související tepelný výkon však není nulová a proto se skladování paliva (uhlí) zajišťuje tak, aby nedocházelo k víceletým skládkám a uhlí se spotřebovalo vždy do jednoho roku od vytěžení. Tomu příznivě napomáhá i sezónní charakter energetiky s výkonovým i výrobním maximem v zimních měsících, takže uhelné skládky elektráren a tepláren jsou po ukončení topného období (duben) na minimálních stavech skladovaného paliva. Zvyšováním teploty systému palivo-kyslík dochází v prvé řadě k aktivaci dalších molekul a postupnému zvyšování jak rychlosti reakce, tak jejího tepelného výkonu do té míry, že při dosažení zápalné teploty vznikne plamen, způsobující samovolný a rychlý rozběh oxidačních spalovacích reakcí probíhajících podle přírodních zákonů fyzikálně-chemického charakteru. Dosažení zápalné teploty pouze v malém lokálním objemu směsi paliva a vzduchu je dostačující pro rozběh reakce, která se díky aktivaci dalších molekul rychle rozšíří na celý objem směsi paliva a vzduchu. Při dalším zvýšení teploty

je rychlost reakce a její tepelný výkon tak vysoký, že mimo další aktivaci umožňuje teplo využívat pro další technologii ohřevu, což je hlavní motivační faktor spalování. Z hlediska teorie hoření vyjádřené Arheniovou rovnicí resp. její grafickou formou musíme mít na paměti fakt, že popsaný mechanizmus probíhá jak při zvyšování teploty, vznícení a hoření směsi, tak i naopak při ochlazování hořící směsi. Ochlazování plamene probíhá automaticky podle zákonů sdílení tepla (sálání a konvekce), neboť plamen je objektem s nejvyšší teplotou a podle druhého zákona termodynamiky přechází teplo do okolního prostředí. Intenzivní odvod tepla z plamene s teplotou převyšující zápalnou teplotu způsobuje podle zákona o zachování energie jeho ochlazování, a pokud dojde k ochlazení pod zápalnou teplotu, rychlost reakce i tepelný výkon bude klesat a dojde k postupnému zhasnutí plamene. Tento jev je však kritický pro celkový průběh spalování, neboť v odtahu spalin nespálené hořlaviny do komína dochází vzhledem k jejich relativně vysokým teplotám vůči okolnímu prostředí k jejich dalšímu průběžnému ochlazování tak, že již nedohoří. Nespálená hořlavina prošlá plamenem (např. polycyklické aromatické uhlovodíky PAU, oxid uhelnatý) je proto v plynné formě odtahová ze spalovacího prostoru, při ochlazení pod aktuální body varu, resp. kondenzace dochází ke kondenzaci ve formě mlhoviny tvořené drobnými kapičkami v kapalné fázi a při dalším ochlazení tyto kapičky podle svého složení mohou ztuhnout na tuhou fázi: tuhé znečišťující látky – TZL. Jako kondenzační jádra mnoha působí prachové částice popela (minerálie) nebo uhlíku ve spalinách, na kterých plynné uhlovodíky při ochlazování kondenzují. Velikost zkondenzovaných částic je velice různorodá, od relativně velkých sazí vizuálně pozorovatelných a projevujících svoji podstatu (černé, mastné dehtovité látky) po střední velikost tuhnoucích kapek vytvářejících hustý dým kouřové vlečky komínů až po mikroskopické částice ztuhlých uhlovodíkových kapek známých v emisním spektru jako PM10 resp. PM2,5. Tyto velmi jemné frakce nejsou již vizuálně pozorovatelné, ale jsou identifikovatelné pachově, neboť jsou tvořeny polycyklickými aromatickými uhlovodíky. Nebezpečí těchto emisí spočívá ve skutečnosti, že vznikají i při nedokonalém spalování v lokálních topeništních domácností zcela postrádají jakákoliv zařízení na zachycování emisí, která jsou i v průmyslu nákladná a ne vždy dokonale účinná. Řešení je především v primární oblasti zaměřené na zamezení vzniku tohoto druhu emisí zajištěním dokonalého spalování. V tomto případě to znamená udržení dostatečně vysoké teploty plamene zajišťující dokonalé vyhoření

hořlaviny, což ve spalovacím schematickém mechanismu znamená nejdříve zajistit dokonalé spálení paliva plamenem s vyšší teplotou a teprve následné ochlazování spalin již bez uhlovodíků a oxidu uhelnatého. Techniky to znamená oddělit fázi hoření paliva od následného sdílení tepla spalin na teplosměnné plochy kotlů nebo vsázku pecí. Tato zásada je však v řadě technických aplikací obtížně realizovatelná. Hlavním cílem je však dokonalé vyhoření hořlaviny paliva, která je zajištěna dostatečně vysokou teplotou plamene. Z tohoto důvodu musíme u technologií, kde nelze oddělit fázi hoření (plamen) od fáze sdílení tepla, věnovat podmínkám dokonalého spálení paliva náležitou pozornost. Obecně platí, že zápalná teplota kapalných paliv je vždy vyšší než bod varu. U tuhých paliv platí, že zápalná teplota je nepřímo úměrná obsahu prchavé hořlaviny. Nejnižší zápalnou teplotu má: měkké dřevo (220 °C) vyšší tvrdé dřevo (300 °C) vzduchem vysušená rašelina (225 - 280 °C) hnědé uhlí (200 - 240 °C) černé uhlí (200 - 340 °C) antracit (485 °C) koks (500 - 600 °C) Široké intervaly zápalných teplot pro jednotlivá paliva vyplývají nejen z jejich rozdílného složení, ale i dalších jevů, jako je např. granulace, vlhkost a složitý mechanizmus hoření rozvíjející se v posloupnosti vysoušení – uvolňování prchavé hořlaviny a vytvoření hořlavé směsi – vznícení a hoření. Rozdílné hodnoty zápalné teploty podle různých autorů vyplývají i z rozdílné metodiky stanovení. Tak například pro tuhá paliva je za zápalnou teplotu považována teplota stěn nádoby nutná pro takovou tvorbu prchavé hořlaviny a hořlavé směsi, že je schopné vznícení, po kterém logicky zhasne. Z hlediska kvality měření je to veličina obdobná teplotě vznícení kapalných paliv. I když je experimentální stanovení zápalné teploty složité, je významné pro praxi. Je však nutné zápalnou teplotu chápat nikoliv jako exaktní hodnotu, ale parametr vystihující relativně složitý mechanismus aktivace hořlavé směsi, její vznícení a hoření. V extrémním případě velmi nízké teploty okolí by aktivační mechanizmus směsi nízké teploty vyžadoval dodání takového množství energie pro aktivaci, které je v praxi nereálné a pro danou technologii by uvažované palivo bylo nevhodné.

Vliv koncentrace na rychlosti reakce: Vytvoříme-li hořlavou směs, kterou vznítíme, tvoří podle zákonů chemické kinetiky a v aktuálním spalovacím prostoru zůstanou produkty hoření – spaliny a přebytečný vzduch. Pro udržení stabilního výkonu je proto nutné neustále přivádět palivo a vzduch, vytvářet hořlavou směs, aktivovat ji, vznítit a spálit. Vytváření směsi probíhá buď předmísením ve směšovači a teprve následným vznícením a hořením v hořáku (kinetické hoření) nebo mísením vzduchu a paliva přímo v plameni (difuzní hoření). V obou případech je však, aktuální otázka za jakých koncentrací paliva ve směsi se vzduchem je směs ještě hořlavá.

Experimentálně

bylo

prokázáno,

že

směs

hoří

v určitém

koncentračním intervalu nad i pod stechiometrickým složením. Tímto způsobem byla stanovena dolní a horní mez vznětlivosti, která je charakterizována pro jednotlivé hořlavé plyny. Tab. 1Meze vznětlivosti plynných paliv (pO, To) (%) plyny

dolní

mez horní mez (%)

(%) vodík

H2

4

74

oxid uhelnatý

CO

12

74

metan

CH4

5

15

acetylen

C2H2

2

80

vysokopecní

KP

35

75

koksárenský

KP

5

30

zemní

sZP

5

15

Meze vznětlivosti pak evidentně souvisí s mechanizmem aktivace a hoření, takže jsou závislé na termodynamických veličinách, z nichž

limitní

koncentrace je vyjádřena právě mezemi vznětlivosti a teplota i tlak je logicky ovlivňují. Vliv teploty na meze vznětlivosti se uplatňují tak, že s rostoucí teplotou se

meze vznětlivosti, mírně rozšiřují při dosažení zápalné teploty se však téměř skokově rozšíří prakticky na všechny koncentrace (0 – 100 %). Rovněž rostoucí tlak rozšiřuje meze vznětlivosti, což pozorujeme u spalovacích motorů, kdy směs paliva se vzduchem hoří za vysokých teplota a tlaků v tak širokých mezích vznětlivosti, při kterých by za normálních podmínek nehořela. U spalovacích motorů proto při nížších tlacích zážehových (benzínových) motorů musíme směs aktivovat elektrickou jiskrou, u vznětových motorů (naftových) dojde vlivem ohřevu při vyšším stupni komprese k samovznícení směsi. V obou případech však směs hoří vysokou rychlostí, takže stačí pouze ve velice

krátkém

okamžiku

určeným

otáčkami

motoru

a čtyřtaktním časovým režimem. Při rychlém snížení tlaku po otevření výfukového ventilu dojde k výraznému ochlazení při expanzi dohořívající směsi do výfukového potrubí, takže nespálené palivo již nedohoří a musíme zajistit náročnější katalytické spálení nespálených uhlovodíků při nižší teplotě (220 – 240 °C) v katalyzátoru. Snižování teploty a tlaku naopak zužuje meze vznětlivosti tak, že existuje limitní teplota resp. tlak, pod kterou je aktivace a hoření již prakticky nemožné. Při kritickém minimálním tlaku je mezní hodnota tlaku směsi tak nízká, že pro primární aktivaci není v aktuálním okolí vymezeném kulovým prostorem o poloměru rkrit další pár molekul paliva a vzduchu, který by se aktivoval uvolněnou energií, následně reagoval a řetězově rozšířil reakci na další hořlavou směs. Mechanizmus primární aktivace a podmínky pro rozšíření reakce schematicky vysvětluje následující mechanizmus na obr. 2:

Obr. 2 Schéma primární aktivace hořlavé směsi.

Při primární aktivaci prvních dvou molekul paliva a kyslíku dojde k logickému uvolnění energie, která se šíří do okolí a aktivuje okolní molekuly. Při aktuální energetické úrovni E0 dané teplotou okolí je pro aktivaci nutné dodat aktivační energii (zahřátím směsi) na úroveň aktivovaných molekul Eakt. Dodávaná energie pro aktivaci má hodnotu rozdílu Eakt = Eakt – Eo. Uvolněná energie se však šíří do motoru rovnoměrně všemi směry, takže její hustota klesá s druhou mocninou vzdálenosti (poloměru) od počátku daného modelu primární aktivace. To však znamená, že energie uvolněná při primární aktivaci je schopná aktivovat molekuly paliva i vzduchu pouze do určité vzdálenosti od počátku (ohniska primární aktivace), která je dána kritickým poloměrem rkrit jehož velikost je určená průsečíkem energetické hladiny Eakt a křivky hustoty předávané energie Eakt. V tomto vymezeném palivovém prostoru musí pro úspěšnou

aktivaci

být

oba

druhy

molekul

(paliva

i vzduchu), které při následné (sekundární) aktivaci rozběhnou řetězovou reakci rozšiřující se na celý objem hořlavé směsi. Pravděpodobnost výskytu obou druhů molekul podmiňující úspěšnou primární aktivaci je ve své podstatě koncentrační podmínka. Molekuly nemusí v daném

prostoru být přesně ve stechiometrickém poměru ale v mezích vznětlivostí, což zajistí sekundární aktivaci a rozběh reakce. Při změně koncentrace paliva pod dolní nebo nad horní mez vznětlivosti se schéma na obr. 2 změní, neboť jeden druh molekul bude až za hranicí kritického

poloměru

a nedojde k jeho aktivaci. Důsledkem je zablokování reakce, která se nedostačující sekundární aktivací nebude řetězovitě šířit, jak schematicky ukazuje obr. 3.

Obr. 3 Schéma primární aktivace hořlavé směsi na dolní mezi vznětlivosti.

Obr. 4 Schéma primární aktivace hořlavé směsi na horní mezi vznětlivosti.

Schéma rovněž vysvětluje vliv teploty na rychlost reakce, neboť posunutí energetické hladiny EO dané teplotu směsi se zmenší, nebo zvětší hodnotu kritického poloměru a tím se zmenší nebo zvětší kulový prostor vymezený kritickým poloměrem rkrit pro sekundární aktivaci dalších molekul. Vliv tlaku na rychlost reakce se projeví tím, že v kulovém prostoru aktivace bude větší (při vyšším tlaku) nebo menší počet molekul. V extrémním případě nízkého (kritického) tlaku se v daném kulovém prostoru již nevyskytnou oba druhy molekul, čímž nedojde k aktivaci a reakce se po primární aktivaci zastaví (obr. 5).

při nízkém tlaku

při vysokém tlaku

Obr. 5 Schéma primární aktivace hořlavé směsi při nízkém a vysokém tlaku. Schéma rovněž umožňuje vysvětlení vlivu neutrálních molekul v systému,

například dusíku, oxidu uhličitého apod. Tyto molekuly, pokud jsou v systému, se budou zcela logicky vyskytovat v aktuálním aktivačním prostoru, budou přijímat aktivační energii (budou se ohřívat), nebudou však ze své podstaty reagovat. Důsledkem je neúčelové zmaření energie uvolněné v primární aktivaci, což znamená zúžení mezí vznětlivosti, respektive i naopak při snížení koncentrace inertních plynů, např. spalování obohaceným vzduchem, rozšíření mezí vznětlivosti, jak ukazuje schematický obr. 6.

Obr. 6 Schéma primární aktivace hořlavé směsi v přítomnosti inertních plynů.

V této souvislosti je zřejmý vliv inhibitorů nebo naopak katalyzátorů reakce.

Shrnutí pojmů: Fyzikálně-chemický princip hoření: vznik hořlavé směsi a vlastní chemická reakce. Kinetické, difuzní a smíšené hoření, vliv termodynamických podmínek na rychlost a dokonalost reakce.

Otázky k probranému učivu: 1. Princip a aplikace kinetického, difuzního a smíšeného hoření v praxi. 2. Laminární a turbulentní difuze – vznik hořlavé směsi.

3. Vliv teploty, koncentrace a tlaku na rychlost reakce.

Řešené úlohy


8. Stabilita fronty hoření, meze vznětlivosti

Cíl: definice základních parametrů a stabilizace fronty hoření. Stabilizace fronty hoření kinetického laminárního plamene, Michelsonův zákon, mechanismus sdílení tepla v plameni. Utržení a prošlehnutí plamene. Technické metody stabilizace fronty hoření pomocí kovové mřížky nebo recirkulace spalin.

Čas ke studiu:

2 hodiny

Obsah: mechanismus sdílení tepla v plameni, ohřev hořlavé směsi na zápalnou teplotu a vznik fronty hoření. Stabilita fronty hoření a technická stabilizace fronty hoření zabraňující utržení a nebo prošlehnutí plamene.

Výklad:

Shrnutí pojmů: fronta hoření, normálová rychlost hoření, stabilita, utržení a prošlehnutí plamene, mechanismus sdílení tepla v plameni.

Otázky k probranému učivu: 1. Fronta hoření kinetického laminárního plamene a její stabilita, hraniční meze. 2. Podmínky nestability plamene (utržení a prošlehnutí). 3. Stabilizace fronty hoření a její metody.

Řešené úlohy


9. Aktivace reakcí hoření, aktivační energie a zápalná teplota

Cíl: Popsat aktivaci reakcí hoření, vliv aktivační energie a význam zápalné teploty.

Čas ke studiu:

2 hodiny

Obsah: Mechanismus primární aktivace reakcí hoření, vliv teploty, koncentrace a tlaku, vliv inertních plynů v hořlavé směsi. Vliv velikosti aktivační energie na aktivaci a rychlost reakcí.

Výklad:

Závislost rychlosti reakce na aktivační energii E akt Podle Arheniovy rovnice je zřejmé, že rychlost reakcí spalování závisí na velikosti aktivační energie Eakt. Zaměřme se však nejdříve na význam aktivační energie ve schematickém mechanizmu hoření. Soustava hořlavé směsi je na určité úrovni energetické hladiny E0 (teploty), která je příliš nízká, než aby přivedla molekuly při srážce k reakci. Je tedy bezpodmínečně nutné určitý mikroobjem (počet molekul) aktivační energií Eakt (ohřevem) aktivovat na vyšší

energetický

potenciál

Eakt

v palivářské terminologii definovaný jako zápalná teplota. Pokud tato aktivace proběhne

v určitém

mikroobjemu,

při

vhodných

termodynamických

podmínkách se spalovací reakce rozšíří do celého objemu směsi, která vyhoří. Velikost dodané aktivační energie Eakt musí zajistit uvedenou primární aktivaci „prvního páru“ molekul. Jelikož soustava směsi je na určité teplotě (potenciálu energie E0) je zřejmé, že velikost dodávané aktivační energie bude klesat s rostoucí teplotou hořlavé směsi před vznícením a při dosažení zápalné teploty, která je pro hořlavé plyny v intervalu 450-650 °C, je aktivační energie nulová, což znamená, že všechny molekuly hořlavé směsi jsou aktivovány a reakce molekul paliva s kyslíkem proběhne při každé srážce. Tato skutečnost je využívána v praxi při hlídání plamene v průmyslových pecích. Pokud je teplota v pecním prostoru nižší nežli zápalná teplota (s určitou rezervou), je součástí hořákového vybavení „hlídání plamene“, které při utržení nebo zhasnutí plamene automaticky aktivuje jiskrou nebo stabilizačním hořákem opětovné zapálení a vznícení směsi. Pokud je však teplota v peci nad zápalnou teplotu, není nutné „hlídání plamene“, neboť k opětovnému zapálení směsi dojde zcela automaticky díky teplotě v peci zajišťující aktivaci všech molekul. Z uvedeného schématu vyplývá, že v počátečním stavu směsi musí dodávaná aktivační energie Eakt mít takovou minimální hodnotu, aby směs dosáhla zápalné teploty. Co se však stane, když hodnota aktivační energie bude vyšší? Logicky aktivované molekuly se dostanou na vyšší energetický potenciál (teplotu) a budou reagovat vyšší reakční rychlostí. Prakticky to znamená, že hořlavé směsi (resp. paliva ve vzdušném prostředí) s nulovou nebo minimální aktivační energií se budou sice lehce nebo samovolně vzněcovat (kritické a nevhodné pro možnost skladování paliv), rychlost vlastní reakce však bude relativně nízká a budou hořet pouze s nízkou teplotou plamene. Hořlaviny tohoto druhu se obvykle nepoužívají jako paliva, ale jako iniciační látky pro

zapálení paliv. Známý příklad je papír používaný k zatopení v domácnosti. Paliva s vyšší aktivační energií vyžadují vyšší dodávku energie na dosažení zápalné teploty, zapalují se tedy obtížněji řízenou aktivací (ohřevem) ovládanou provozovatelem spalovací technologie. Po dosažení aktivačního potenciálu – zápalné teploty se reakce rozběhne samovolně, avšak s vyšší reakční rychlostí. Za příklad slouží známá praxe při zatápění, kdy od iniciace (zápalka) se vznítí papír, který zapálí dřevo. Přímé zapálení kusového dřeva zápalkou je velmi problematické. Při dalším zvyšování velikosti aktivační energie vyžaduje zapálení paliva ještě vyšší nároky na řízenou dodávku aktivační energie, po zapálení je však rychlost reakce probíhající již samovolně podle přírodních zákonů ještě vyšší i s logicky dosahovanou vyšší teplotou plamene zajišťující další aktivaci. Příkladem je známá posloupnost při zapálení: zápalka-papír-dřevo-uhlí, případně koks. Vysoká hodnota aktivační energie uhlí nebo koksu prakticky vylučuje iniciaci zápalkou, teploty plamene uhlí nebo koksu jsou však výrazně vyšší, což je využíváno v technické praxi. Názorný příklad vlivu aktivační energie je rovněž praktická nemožnost spalování uhlí na otevřeném topeništi (černé kuchyně, otevřené krby) neboť nízká teplota plamene nezajistí potřebnou aktivaci a uhlovodíky prchavé hořlaviny v plameni neshoří a kondenzují (dehtují) ve spalinách. Teprve vynález uzavřeného roštového topeniště na konci 18. století otevřel cestu nejen dokonalejšího spalování dřeva, ale možnosti využití uhlí jako paliva, což zajistilo energetické požadavky počátečního rozvoje průmyslové revoluce. I na roštových topeništích v nízkoteplotních provozních režimech je však dokonalé spálení uhlovodíků prchavé hořlaviny tříděných druhů uhlí (kostka, ořech) problematické, o čemž svědčí nízká účinnosti domácích lokálních uhelných topenišť (okolo 50 %). Ve vysokoteplotních režimech elektrárenských a teplárenských kotlů jsou kvalitativně horší druhy uhlí (průmyslová směs) spalovány bez zásadních problémů. Tento stav dokumentuje i skutečnost, že emise nespálených uhlovodíků a tuhých znečišťujících látek (TZL) z celkového množství 48 milionů tun hnědého uhlí jsou zhruba na stejné úrovni, jako tytéž emise produkované ze spalování 2 milionů tun tříděného hnědého uhlí na roštových topeništích malých výkonů, především v lokálních topeništích domácností (REZZO 1 až 3, Hydrometeorologický ústav, MŽP ČR). V extrémních případech lze např. u speciálních syntetických paliv dosáhnout tak vysoké aktivační energie, že je palivo bez splnění náročných termodynamických

podmínek

prakticky

nehořlavé.

Při

splnění

termodynamických podmínek a řízené dodávce extrémně vysoké aktivační

energie je však po vznícení rychlost reakce tak vysoká, že probíhá téměř explozivní rychlostí. Za příklad slouží syntetické palivo JP7 pro speciální průzkumné letadlo BLACKBIRD SR71 sloužící v 60-90 letech v NASA a USAF, které létalo rychlostí až 3,5M. Při této rychlosti se aerodynamickým ohřevem (tření o vzduch) povrch křídel, ve kterých byly integrovány palivové nádrže, ohříval až na 300 °C, což by normální letecké palivo nesnášelo (var). Syntetické palivo s ještě vyšším bodem varu tento ohřev využilo jako součást aktivace paliva, které v příslušných koncentračních (směs se vzduchem) a tlakových podmínkách v proudovém motoru letadla hořelo téměř explozivním způsobem tak, že umožnilo extremní letovou rychlost 3,5M! Extrémní aktivační energie byla rovněž výhodná i z vojenskobezpečnostního hlediska, neboť v případě zásahu protileteckou zbraní a destrukci letadla by nedošlo ke vznícení a hoření paliva, což je u běžných leteckých paliv (kerosín, benzín) typické. V případě různých úrovní dodávané aktivační energie pro stejné palivo je zřejmé, že čím větší aktivační energie je řízeným způsobem dodávána, tím vyšší rychlosti bude probíhat reakce podle přírodních zákonů. Výsledný efekt celkově získané energie bude pro různé velikosti aktivační energie stále stejný, vliv však bude mít dodávaná aktivační energie na průběh reakce, neboť se při reakci zpětně do uvolněného tepla vrátí. Logickým důsledkem je vyšší teplota plamene zajišťující další vyšší aktivaci hořlavé směsi a rychlejší průběh (kratší čas

reakce)

který

při

konstantním

množství

paliva

a dané výhřevnosti znamená nutně vyšší výkon. To je v řadě technických aplikací velmi důležitá vlastnost, která znamená, že stejné palivo bude za vyšších teplot hořet rychleji s vyšším výkonem a vyšší spalovací teplotou, která bude další palivo aktivovat na vyšší energetický potenciál. V řadě případů nejde v praxi pouze o vyšší spalovací výkon, ale také o dokonalé spalování resp. minimalizaci škodlivých emisí spálením veškeré hořlaviny paliva, Vysoké energetická účinnost spalování má v tomto případě příznivé účinky na ekologickou a ekonomickou stránku energetiky spalování. Schematický je popsaný mechanizmus zřejmý ze schématu na obr. 7

Obr. 7 Schematický mechanizmus vlivu velikosti aktivační energie. 1. Dodávaná aktivační energie Eakt je nulová (samozápalné látky) Získaná energie: E zisk = E0 – Ek 2. Dodávaná aktivační energie Eakt je nízká: (lehce zápalná paliva) Velikost aktivační energie: Eakt1 = E1 – E0 Získaná energie: E zisk = E0 – Ek = E1 – Ek – (E1 - E0) 3. Dodávaná aktivační energie Eakt je vysoká: (obtížně zápalná paliva) Velikost aktivační energie: Eakt2 = E2 – E0 Získaná energie: E zisk = E0 – Ek = E2 – Ek – (E2 - E0) 4. Dodávaná aktivační energie Eakt je extrémně vysoká: (velmi obtížně zápalná paliva) Velikost aktivační energie: Eakt3 = E3 – E0

Získaná energie: E zisk = E0 – Ek = E3 – Ek – (E3- E0)

Ezisk = E0 – Ek = Ei – Ek – (Ei – E0) celkový energetický zisk ve všech případech stejný (i = 1, 2, 3) Eakt = Ei – E0 - řízená dodávka aktivační energie Ereakce = Ei – Ek - energie uvolňovaná samovolně probíhající reakcí

Zápalná teplota V mechanizmu hoření paliv je zápalná teplota velmi důležitý pojem, neboť představuje aktivaci molekul zajišťující stabilní hoření. U plynů je zápalná teplota zcela jasná kategorie představující teplotu energetické aktivace reagujících molekul. Pro jednotlivé plyny má různou hodnotu v materiálu od 335 °C pro acetylen přes 570 °C pro vodík, pro metan 645 °C a 630 °C pro vlhký oxid uhelnatý a až 700 °C pro suchý oxid uhelnatý. Již z uvedených hodnot je zřejmé, že zápalné teploty plynů s nejjednodušším mechanismem hoření vyjadřují složitější mechanizmus aktivace, vznícení a hoření v závislosti na dalších vlastnostech, jako je např. vlhkost paliva, granulace nebo přítomnost atomárního kyslíku nebo vodíku. Ještě složitější je zapálení kapalných paliv. Rozlišujeme teplotu vzplanutí, při které se nad hladinou vytvoří taková koncentrace par, že při vnější aktivaci plamenem nebo jiskrou dojde ke vzplanutí. Jelikož však tvorba par je pomalejší nežli rychlost hoření po vzplanutí plamen zhasne. Časově stabilního hoření, což znamená dostatek energie na odpaření kapalného paliva a aktivaci hořlavé směsi se vzduchem, dosáhneme až při vyšší zápalné teplotě. Pro extra lehký topný

olej

(petrolej)

je

teplota

vzplanutí

80

°C

a zápalná teplota 600 °C. Uvedené hodnoty je nutné chápat orientačně, neboť oleje nejsou čistou chemickou látkou s přesnými a charakteristickými body varu, ale směsí kapalných uhlovodíků s rozdílnou teplotou bodu varu vyrobených postupnou destilací ropy.

Shrnutí pojmů:

Otázky k probranému učivu

Řešené úlohy


10. Inhibitory a katalyzátory hoření

Cíl: získat základní znalosti o katalyzátorech a inhibitorech zásadním způsobem ovlivňujících rychlostí reakci hoření.

Čas ke studiu:

2 hodiny

Obsah: mechanismus působení katalyzátorů a inhibitorů z hlediska termodynamických podmínek (teplota, tlak, koncentrace). Základní katalyzátory a inhibitory pro technickou praxi.

Výklad:

Inhibitory, kterými může být například voda ve formě vlhkosti paliva nebo uhličitany obsažené v palivu. Při hoření dojde k odpařování vlhkosti spojené se zvýšením objemu vznikající páry minimálně 1500, což expanzí rozežene aktivní molekuly paliva a vzduchu tak, že jejich pravděpodobnost srážky nutné pro vlastní reakci výrazně klesá. Odpaření vody navíc spotřebuje energii určenou pro aktivaci, neboť k odpaření dochází při nižších teplotách, než je aktivace. Obdobně působí i uhličitany, které jsou vlivem disociace pod aktivační zápalnou teplotu, uvolňují oxid uhličitý, což má obdobný negativní energetický (spotřeba energie určené pro aktivaci)i koncentrační (expanze uvolňovaného oxidu uhličitého) vliv na aktivaci a tím i reakcí hoření. Z uvedených důvodů se tyto prostředky používají jako hasidla. Katalyzátory mají opačný vliv než inhibitory. Díky povrchové adsorpci zvyšují na svém povrchu koncentraci aktivních molekul paliva a vzduchu tak, že pravděpodobnost srážky je vyšší, což příznivě ovlivňuje rychlost reakce, neboť tato situace odpovídá termodynamickým podmínkám při vyšším tlaku. Významná je rovněž energetická stránka sdílení tepla, neboť dvou atomové molekuly vzduchu a paliva (oxid uhelnatý, vodík) jsou průteplivé, takže je nelze

ohřát sáláním. Více atomové molekuly vodíku sice pohlcují sálání, ve směsi je však relativně nízká koncentrace, takže součinitel pohltivosti je velmi nízký. Katalyzátory ve formě šedých těles však teplo sáláním intenzivně přijímají a předávají teplo molekulám paliva a kyslíku na svém povrchu, což urychlí reakcí, jak je pro katalyzátory typické. Špičkové katalytické vlastnosti mají například platinové kovy používané v průmyslu (chemie) nebo automobilech. Nižší katalytické vlastnosti však má i řada dalších kovů Ni, V, Cu nebo kysličníky kovů obsažené například ve vyzdívkách spalovacích zařízení. Aktuální je výskyt nízkotavitelných kovů v technických plynech v hutích (vysokopecní, koksárenský, konvertorový plyn), a to ve velmi jemné frakci značné pro PM10 resp. PM2,5. Tyto velmi jemné dispergované kovy mohou mít katalytické vlastnosti sice nízké, ale přesto svým velkým aktivním povrchem ovlivňují meze vznětlivosti. Z uvedených důvodů je nutné brát meze vznětlivosti těchto plynů nikoliv exaktně, ale s určitou rezervou, a to zvláště v případech bezpečnosti práce.

Shrnutí pojmů: katalyzátory, inhibitory, mechanismus působení, praktické využití.

Otázky k probranému učivu: 1. Mechanismus působení katalyzátorů a inhibitorů. 2. Tepelné jevy při katalytických reakcích. 3. Koncentrační jevy při katalytických reakcích. 4. Využití katalyzátorů a inhibitorů v praxi.

Řešené úlohy

Použitá literatura: 1. Augusta Pavel.: Velká kniha o energii, vyd. ČEZ, Praha, 2001, str. 450, bez ISBN

2. Rédr Miroslav, Příhoda Miroslav.: Základy tepelné techniky, vyd. SNTL, Praha, 1991, str. 680, ISBN 80-0300366-0 3. Svoboda Alexandr.: Plynárenská příručka: 150 let plynárenství v Čechách a na Moravě, vyd. GAS, 1997, str. 1192, ISBN 8090233961

11. Hořáky: klasifikace vlastnosti plamene, topné systémy a jejich aplikace v praxi

Cíl: přehled o klasifikaci hořáků a základních principech jejich funkce z hlediska použitých paliv i vlastností plamene. Přehled o topných systémech zahrnujících regulaci výkonu a spalovacího poměru.

Čas ke studiu:

3 hodiny

Obsah: Kategorizace a princip funkce plynových hořáků, hořáků na kapalné palivo a hořáků na tuhé palivo. Popis funkce základních typů hořáků, vlastnosti plamene a konstrukční možnosti ovlivnění tvaru a vlastností plamene.

Výklad:

Shrnutí pojmů: kritéria a kategorizace plynových hořáků, hořáků na kapalná a tuhá paliva. Plamenné a bezplamenné hořáky, využití teoretických znalostí v konstrukci hořáku s požadovanými vlastnostmi plamene.

Otázky k probranému učivu: 1. Základní typy plynových hořáků a popis jejich funkce. 2. Základní typy hořáků na kapalná paliva a popis jejich funkce. 3. Základní typy hořáků a topenišť na tuhá paliva a popis jejich funkce. 4. Základní typy bezplamenných hořáků a popis jejich funkce. 5. Aktivní možnosti tvorby vlastností plamene.

Řešené úlohy

Použitá literatura: 1. Augusta Pavel.: Velká kniha o energii, vyd. ČEZ, Praha, 2001, str. 450, bez ISBN 2. Rédr Miroslav, Příhoda Miroslav.: Základy tepelné techniky, vyd. SNTL, Praha, 1991, str. 680, ISBN 80-0300366-0 3. Svoboda Alexandr.: Plynárenská příručka: 150 let plynárenství v Čechách a na Moravě, vyd. GAS, 1997, str. 1192, ISBN 8090233961 4. Toman Zdeněk.: Tepelně-technické výpočty, skripta VŠB-TU Ostrava, 1983, str. 266, bez ISBN

12. Experimentální metody sledování vlastností plamene a dokonalého hoření

Cíl: získat základní znalosti o experimentálních metodách výzkumu vlastností plamene a dokonalosti spalování (tvorba emisí) souvisejících s racionální konstrukcí modernizovaných spalovacích zařízení.

Čas ke studiu:

3 hodiny

Obsah: metody experimentálního výzkumu vlastností plamene, měření teplotních, koncentračních a rychlostních polí. Metodika měření dokonalosti spalování a vznikajících emisí. Systém ověřování účinnosti spalovacích zařízení (certifikace, prohlášení o shodě). Experimentální výzkum v této oblasti na VŠB-TU, exkurze na Výzkumném energetickém centru VŠB-TU, aktuální výzkum zdokonalených spalovacích technologií (přednáška odborníka z VEC).

Výklad:

Shrnutí pojmů: Metodika měření rychlostních, teplotních a koncentračních polí plamene, stanovení vlastností plamene a jejich význam na sdílení tepla v pracovním prostoru spalovacích zařízení. Souvislost dokonalosti spalování s reakčními podmínkami (teplota, koncentrace, tlak) se vznikem emisí a experimentální metody měření vznikajících emisí.

Otázky k probranému učivu: 1. Metodiky měření rychlostních polí a koncentračních polí plamene. 2. Metody měření základních typů emisí. 3. Vliv provozních režimů spalovacích zařízení na dokonalost hoření a rozsah výkonové a poměrové regulace.

Řešené úlohy


PALIVA A TOPNÉ SYSTÉMY

Recommend Documents