Kotle a paliva

Kotel je zařízení sloužící k ohřevu vody, k výrobě páry z vody, resp. k ohřevu jiné látky (např. oleje). Teplo se získává obvykle spalováním paliva tj. hmoty, ze které uvolňujeme teplo exotermickými chemickými reakcemi. V některých zvláštních případech odpadá spalování a k ohřevu teplonosné látky se využívá odpadního tepla (spalinový kotel) nebo elektřiny (elektrokotle).

Podle použitého paliva rozeznáváme kotle:

• na paliva tuhá,
• na paliva kapalná,
• na paliva plynná,
• na směsi paliv.

Podle způsobu spalování tuhých paliv rozeznáváme:

• kotle roštové (s klasickým roštem),
• kotle fluidní (s fluidním roštem),
• kotle práškové (granulační nebo výtavné).

Podle proudění vody rozeznáváme kotle s relativně velkým a s relativně malým vodním obsahem. Kotle s relativně velkým obsahem vody dělíme na plamencové, žárotrubné, příp. kombinované plamenco-žárotrubné. Jejich charakteristickým znakem je proudění spalin uvnitř plamenců a žárových trubek. Ohřívaná voda proudí vně trubek. Kotle nemají cirkulační okruh.

Moderní kotle s relativně malým obsahem vody jsou tzv. kotle vodotrubné tj. s prouděním vody uvnitř trubek parního generátoru a prouděním spalin vně trubek.

Podle přetlaku páry se kotle dělí na kotle:

• nízkotlaké (od 0 do 0,07 MPa přetlaku vyrobené páry),
• středotlaké (od 0,07 do 6,4 MPa přetlaku vyrobené páry),
• vysokotlaké (od 6,4 MPa výše přetlaku vyrobené páry).

Zvláštním případem jsou kotle s nadkritickými parametry páry tj. tlakem páry nad 22,5 MPa. Podle způsobu zatížení rozeznáváme kotle špičkové, pološpičkové a základní.

1 Paliva

Jak již bylo napsáno výše, jedno ze základních dělení kotlů je podle spalovaného paliva, které dělíme na základě skupenství paliva:

• tuhá,
• kapalná,
• plynná.

Paliva je možno také dělit podle jejich původu na fosilní (uhlí, ropa, zemní plyn), obnovitelné (především biomasa) a odpadní (odpadní plyny, komunální a průmyslové odpady, kaly z čistíren odpadních vod).

1.1 Tuhá paliva

Základním tuhým palivem je uhlí, dále sem patří biomasa, zemědělské, průmyslové a komunální odpady. Složení tuhých paliv se určuje:

• hrubým rozborem – při němž se stanoví poměrný obsah vody (W ^r) a popelovin (A^r) a určí se výhřevnost paliva a prchavá a neprchavá hořlavina,
• elementárním obsahem hořlaviny, v němž se navíc ještě určují poměrné obsahy prvků hořlaviny.

Hrubý rozbor určuje poměr mezi hořlavinou (h), popelovinou (A^r) a vodou (W ^r) obsaženými v palivu.

Voda v palivu

Snižuje výhřevnost paliva a je zdrojem řady potíží při dopravě paliva (způsobuje nalepování uhlí na dopravních cestách, v zimě zamrzá a způsobuje potíže při vyskladňování vagónů) i při samotném spalování. Voda odchází se spalinami ve formě vodní páry a zvětšuje tak objem spalin. Při poklesu teploty spalin pod hranicí rosného bodu urychluje korozi kotle ze strany spalin. Čím je palivo geologicky starší, tím méně vázané vody obsahuje.

Popelovina v palivu

Tab. 1 Vliv prvků na charakteristické teploty popele

Prvky zvyšující charakteristické teploty popele
oxid křemičitý	SiO2
oxid hlinitý	Al2O3
Prvky snižující charakteristické teploty popele
oxid železitý	Fe2O3
oxid hořečnatý	MgO
oxid titaničitý	TiO2
oxid vápenatý	CaO
oxid fosforečný	P2O5
oxid sírový	SO3
oxid mangangato-manganitý	Mn3O4
oxid sodný	Na2O
oxid draselný	K2O

Jedná se o minerální látky (křemičitany, uhličitany, sírany a další) obsažené v tuhém palivu před jeho spálením. Spálením vzniká z popeloviny tuhý zbytek, kterému říkáme popel. Pro provoz kotlů jsou velmi důležité charakteristické teploty popele, které nám určují chování popele při různých teplotách. Jedná se o teplotu měknutí (t_a), tavení (t_b) a tečení (t_c). Určování těchto teplot je dáno normou ČSN ISO 540.

Z praktického hlediska nám t_a určuje minimální teplotu, kdy začne docházet k nalepování popele na výhřevné plochy a tím ke zhoršení prostupu tepla ze spalin do media. Při překročení teploty t_c dojde k roztavení popele. Na charakteristické teploty popele má přímý vliv jeho složení (viz tab. 1).

Hořlavina paliva

Hořlavina je část paliva, která je nositelem tepla uvolněného spalováním. Jedná se o tyto prvky: uhlík, vodík a síra. Obsah síry v palivu je nežádoucí, neboť zvyšuje obsah SO₂ ve spalinách, výrazně zvyšuje rosný bod spalin a způsobuje snížení charakteristických teplot popele. Důležitou vlastností paliv je prchavá hořlavina. Je to část hořlaviny, která se uvolňuje při začátku spalování a v podstatě napomáhá vzněcování paliva v ohništi a stabilizuje spalovací proces.

Výhřevnost paliva

Nejdůležitější energeticko-ekonomickou vlastností paliva je informace o obsahu energie v palivu – výhřevnost. Výhřevnost (kJ.kg⁻¹) je teplo uvolněné dokonalým spálením 1 kg paliva při ochlazení spalin na 20 °C, přičemž voda ve spalinách zůstane v plynné fázi.

Výhřevnost se určuje výpočtem ze změřeného spalného tepla

kde

W ^r

– obsah vody v palivu [–]

r

– výparné teplo vody [kJ.kg⁻¹]

H₂

– obsah vodíku v surovém palivu (z 1 kg vodíku vznikne 8,94 kg vody) [–]

Výhřevnost paliva kromě prvkového rozboru hořlaviny silně závisí na obsahu vody.

1.1.1 Druhy tuhých paliv

Dominantním energetickým palivem v České republice je uhlí. Základní dělení uhlí je podle stupně prouhelnění na rašelinu, lignit, hnědé uhlí, černé uhlí a antracit a uměle vyráběný koks. V našich podmínkách se nejčastěji využívá hnědé a černé uhlí. Porovnání vlastností jednotlivých typů uhlí je v tab. 2.

Tab. 2 Hrubý a prvkový rozbor různých druhů uhlí

	dřevěné piliny	rašelina	lignit	hnědé uhlí	černé uhlí	antracit
vlhkost[%]	16,5	20,0	33,3	23,4	5,2	7,7
prchavá hořlavina[%]	78,6	68,0	43,6	40,8	40,2	6,4
pevný uhlík[%]			45,3	54,0	50,7	83,1
popelovina[%]	5,2	12,0	11,1	5,2	9,1	10,5
Cr[%]	51,2	57,5	63,3	72,0	74,0	83,7
Hr[%]	6,3	5,5	4,5	5,0	5,1	1,9
Nr[%]	1,9	1,9	1,0	0,9	1,6	0,9
Sr[%]		0,1	1,1	0,4	2,3	0,7
Ar[%]	1,5		11,1	5,2	9,1	10,5
Or[%]	33,0	35,0	19,0	16,4	7,9	2,3
spalné teplo[MJ.kg−1]	9,9	21,0	16,5	21,4	29,2	34,7
teplota měknutí popele – ta  [°C]		1120	1110	1149	1215

Biomasa, na rozdíl od uhlí, patří mezi obnovitelné zdroje energie. Jedna ze základních definic říká, že biomasa je veškerá hmota organického původu. Základní rozdělení biomasy je tedy na biomasu živočišného a rostlinného původu.

Základní rozdělení energeticky využitelné biomasy je na

• záměrně pěstovanou biomasu – energetické (rychlerostoucí) dřeviny a rostliny bylinného charakteru,
• odpadní biomasu,
  
  • odpady ze zemědělské prvovýroby – sláma, náletové dřeviny, ořezy ze sadů atd.,
  • odpady ze živočišné výroby – zbytky krmiv, exkrementy zvířat, odpady z potravinářského průmyslu, hnůj, kejda,
  • odpady z lesní těžby – dřevní hmota, kůra,
  • odpady z dřevozpracujícího průmyslu,
  • komunální odpady – kaly, organický komunální odpad.

Důležitým parametrem u biomasy je vlhkost a to především proto, že její obsah velice kolísá, a to jak časově, tak co do druhů biomasy. Proto pokud mluvíme u biomasy o výhřevnosti, složení atd., musíme tyto vlastnosti vždy vztáhnout na vlhkost paliva.

Obsah popelovin je u biopaliv v porovnání s pevnými fosilními palivy velmi nízký. U dřeva je to 0,5–1 %, u stébelnin až do 5 %. Charakteristické teploty popele u biomasy jsou nižší než u uhlí a to především u stébelnin (t_a už od 700 °C).

Biomasa se používá ve formě kusového dřeva, briket, pelet, štěpky, hoblin, pilin atd.

V poslední době vzrůstá význam dalších tuhých paliv – odpadů. Mohou se spalovat buď samostatně ve spalovnách, nebo jako přídavná paliva k základním palivům v kotlích, různých pecích atd. Především se jedná o:

• komunální odpady – domovní a živnostenské odpady,
• průmyslové odpady – odpad z textilního, papírenského či zpracovatelského průmyslu a čistíren odpadních vod (čistírenské kaly).

Většina těchto paliv má vyšší výhřevnost a menší obsah síry než naše hnědá uhlí. Mohou však obsahovat fluor a chlór, ze kterých pak při špatném režimu spalování vznikají toxické látky. Dalšími nežádoucími látkami v odpadech, které jsou také předmětem přísných legislativních emisních limitů, jsou těžké kovy – např. olovo, rtuť, kadmium.

1.2 Paliva kapalná

Základní surovina pro výrobu kapalných paliv používaných v energetice je ropa. Destilací ropy se získávají frakce různého bodu varu od 60 do 350 °C a o různých hustotách. V energetice se používají topné oleje (TO) extralehké (ELTO), lehké (LTO), těžké (TTO). Těžké se také používají pod názvem mazut. U menších zařízení je používá topná nafta. V průmyslové sféře existuje dále množství spalitelných tekutých odpadů. Hrubý rozbor kapalných paliv je stejný jako u tuhých paliv, v palivu však silně převládá hořlavina, zatímco obsah vody a popelovin je zanedbatelný (obojí do 1 %).

1.2.1 Vlastnosti kapalných paliv

Kromě spalného tepla, výhřevnosti, měrné hmotnosti a výparného tepla je důležitou vlastností kapalných paliv kinematická viskozita, jejíž hlavní jednotka je cm².s⁻¹, příp. stupeň Englera (°E). Určuje se Englerovým viskozimetrem. Závislost viskozity na teplotě kapalného paliva je na obr. 3. Platí zásada, že pro čerpání má mít kapalné palivo viskozitu 70–80 cm².s⁻¹ a pro rozprašování 2–4 cm².s⁻¹ podle typu hořáků.

Z hlediska skladování dopravy rozstřikování paliva je nutné sledovat charakteristické teploty kapalných paliv:

• teplota tuhnutí – teplota, kdy topné oleje začínají tuhnout, pro TTO je to −18 až 40 °C,
• teplota tečení – teplota, při které olej začíná téct, tato teplota bývá o 50 °C vyšší než teplota tuhnutí,
• teplota vzplanutí t_vzp (°C) – teplota, při které dochází k odpařování a při kontaktu par s plamenem k zapálení, ale plamen ještě není stabilní, mazut okolo 200 °C,
• teplota hoření t_vz (°C) – teplota, kdy olej vzplane a plamen hoří déle než 5 s, je cca o 60 °C vyšší než teplota vzplanutí,
• teplota zápalnosti (samovznícení) – teplota, kdy olej sám vzplane bez přiblížení ohně, pohybuje se v rozmezí 350–600 °C

1.3 Paliva plynná

Pod pojmem plynné palivo rozumíme všechny plyny, obsahující hořlavé složky – oxid uhelnatý, vodík a plynné uhlovodíky, případně jiné – bez ohledu na to, zda je přírodního původu, uměle vyráběn nebo zda vznikl jako odpadní produkt při některých technologických procesech.

1.3.1 Vlastnosti plynných paliv

Z charakteristických veličin topných plynů jsou nejdůležitější:

• Výhřevnost má stejnou definici jako u tuhých paliv, u plynů však je místo na kilogram vztahována na m_n³ při normálních fyzikálních podmínkách.
• Měrná hmotnost ρ – je důležitým kritériem pro posouzení spalovacích vlastností a pro dopravu v potrubí. Vypočte se z měrných hmot a parciálních tlaků jednotlivých složek. Bývá v rozmezí 0,45–1,20 t.m_n⁻³
• Tlak plynu p je důležitá stavová veličina. Při rozvodu plynu potrubím rozeznáváme:
  
  • nízký tlak do 5 kPa,
  • střední tlak od 5 kPa do 0,4 MPa,
  • vysoký tlak od 0,4 MPa do 4 MPa.
  • velmi vysoký tlak od 4 MPa
• Hutnota plynu h – je poměr měrných hmotností plynu a vzduchu. Zjišťuje se buď výpočtem nebo pokusným Bunsen–Schilingovým přístrojem z naměřených výtokových dob plynu a vzduchu za stejných podmínek.
  Platí vztah
  
  (2)[–]
   

  kde

  h

  – hutnota plynu [–]

  ρ

  – měrná hmotnost plynu [kg.m⁻³]

  τ_p

  – doba výtoku plynu [s]

  τ_v

  – doba výtoku vzduchu [s]

   
• Záměnnost plynu – definuje možnost záměny jednotlivých plynů. Za záměnné plyny lze považovat takové plyny, které lze v daných typech hořáků spalovat bez komplikací (hlavní faktory jsou stabilita plamene, dokonalost spalování a stabilita tepelného výkonu). Ukazatel záměnnosti plynu je Wobbeho číslo
  
  (3)[MJ.m⁻³]
   

  kde

  Q

  – výhřevnost plynu [MJ.m⁻³]

  h

  – hutnota plynu [–]

   
• Charakteristické teploty plynných paliv
  
  • zápalná teplota – nejnižší teplota, při níž se látka samovolně zapálí a hoří, bývá okolo 500–700 °C,
  • teplota hoření – jde o nejvyšší dosažitelnou teplotu plamene, je důležitá pro návrh spalovací komory z hlediska jejího objemového zatížení a volby konstrukčních materiálů.
• Rychlost šíření plamene je důležitá vlastnost pro návrh rozměrů spalovací komory.
• Horní a dolní mez výbušnosti – pro každý plyn nebo hořlavou páru existuje za dané teploty a tlakových podmínek dolní a horní mez výbušnosti nebo hořlavosti. Dolní mez výbušnosti je nejnižší koncentrace hořlavého plynu nebo směsí plynů ve vzduchu, která by mohla vyvolat explozi. Horní mez výbušnosti je nejvyšší koncentrace hořlavého plynu nebo směsí hořlavých plynů ve vzduchu, při které může ještě dojít k výbuchu, ale při překročení této koncentrace už k explozi nedochází pro nedostatek kyslíku. Pro zemní plyn je při 20 °C spodní mez výbušnosti 5 % a horní 15 %.

1.3.2 Druhy plynných paliv

V energetice se můžeme setka s celou škálou plynných paliv. Zcela dominantní je užívání zemního plynu, používají se však i další.

• Zemní plyn – přírodní plyn, vyznačující se vysokým obsahem metanu CH₄. Rozeznáváme zemní plyn ropného nebo uhelného původu. Výhřevnost zemního plynu je cca 34,1 MJ.m_n⁻³, ρ = 0,72 kg.m_n⁻³.
• Topná směs PB (LPG) – směs výhřevných uhlovodíků propanu a butanu. Konkrétní složení a na ní závislá výhřevnost a další vlastnosti závisí na výrobci a ročním období. U nás je letní poměr propanu ku butanu 40:60, zimní pak 60:40, výhřevnost kolem 105 MJ.m_n⁻³.
• Koksárenský plyn – vzniká v koksárenských pecích při výrobě koksu z černého uhlí. Vlastnosti tohoto plynu závisí hlavně na druhu použitého uhlí. Odsířený a vyčištěný koksárenský plyn, používaný v plynárenských soustavách, se nazýval svítiplyn.
• Vysokopecní plyn – vzniká redukčním procesem ve vysokých pecích při nedokonalém spálení koksu a uvolněním oxidu uhličitého z vápence, který je součástí vsázky. Jedná se o vedlejší produkt při výrobě surového železa.
• Skládkový plyn – vzniká uvolňováním plynů vznikajících anaerobní fermentací organické složky na skládkách odpadu. Má různorodé složení – převažuje metan cca 62 %, doplněný CO₂ (cca 36 %), s výhřevností 20–25 MJ.m_n⁻³.
• Bioplyn – anaerobní digescí exkrementů z živočišné výroby, zbytků rostlin atp., se uvolňuje bioplyn. Jeho složení je poměrně různorodé – dominuje metan (45–70 %) a CO₂ (25–40 %), výhřevnost 17–23 MJ.m_n⁻³.
• Dřevoplyn – vzniká termickým zplyňováním biomasy. Jeho složení závisí především na technologii zplyňování a na typu zplyňovacího media (vzduch, vodní pára, kyslík, příp. směsi), výhřevnost 4–6 MJ.m_n⁻³, pro zplyňování vzduchem, až 15 MJ.m_n⁻³ pro zplyňování vodní parou nebo obohaceným vzduchem.

Příklad složení a výhřevnost topných plynů je v tab. 3.

Tab. 3 Příklady složení a výhřevnost některých plynných paliv

Plyn	Výhřevnost [MJ.mn−3]	CO2 [%]	O2 [%)	CH [%]	CO [%]	H2 [%]	CH4 [%]	N2 [%]	Ostatní [%]
Zemní plyn	33,5	0,1	–	0,7	–	–	98	1,2	–
Koksárenský plyn	16,3	2,3	0,8	–	6,8	57,5	22,5	7,8	2,4
Vysokopecní plyn	3,9	10,5	–	–	28,0	2,7	0,3	58,3	–
Dřevoplyn	4,5	9,3	0,2	0,1	14,2	13,8	4,5	57,9	–

2 Základy spalování

Spalování je fyzikálně chemický děj s uvolňováním tepla, kdy dochází k oxidaci paliva až na jeho konečné produkty.

Spalování začíná působením tepelného impulzu nebo samovznícením. Dále nastává řetězový děj, kdy část tepla slouží jako iniciátor pro zapálení nové směsi, zbytek je odváděn (nejčastěji teplem ve spalinách). Konec hoření nastává vyčerpáním hořlavé směsi, nebo pokud intenzivním odvodem tepla přerušíme řetězovou reakci.

Spalování se účastní palivo (hořlavá látka s dostatečnou výhřevností) a okysličovadlo (látka obsahující kyslík – nejčastěji vzduch), výstupem jsou produkty, které vznikají jako výsledek chemické reakce mezi palivem a okysličovadlem:

• teplo,
• plynné spaliny – směs plynů H₂O, N₂, CO₂, SO₂, CO, Ar a nečistoty,
• tuhý zbytek (struska, škvára, popílek).

3 Ztráty kotle

Účinnost spalovacích zařízení lze určit dvěma způsoby. Přímá metoda určuje účinnost na základě porovnání reálné využitelné odcházející energie s energií dodanou. Druhou možností je nepřímá metoda, která spočívá v určení tepelných ztrát kotle:

• ztráta hořlavinou v tuhých zbytcích (ξ_mn) – je způsobena obsahem uhlíku ve škváře nebo strusce, popílku ve spalinách a roštovým propadem
• ztráta fyzickým teplem tuhých zbytků (ξ_f) – spočívá v nevyužitém teple odcházejících tuhých zbytků
• ztráta hořlavinou ve spalinách (ξ_cn) – tato ztráta je dána chemickou nedokonalostí spalování, projevujících se obsahem CO, H₂, C_xH_y ve spalinách
• ztráta fyzickým teplem spalin (ξ_k) – je dána tepelnou energií odcházející v plynných spalinách, jedná se o největší ztrátu kotle; tato ztráta je také nazývána jako komínová
• ztráta sdílením tepla do okolí (ξ_sv) – zohledňuje teplo unikající pláštěm kotle do okolí, závisí na kvalitě izolace stěn, způsobu oplechování, velikosti kotle a druhu spalovaného paliva