Úkolem spalovacího zařízení je uhlík, vodík a eventuální síru, které jsou obsažené v palivu, zcela spálit na CO2, H2O a SO2. Aby to mohlo probíhat pokud možno bez škodlivin, musí být především palivo a spalovací vzduch v čase a místě ve spalovacím prostoru k dispozici ve správném směšovacím poměru.
Pro žárotrubný kotel jsou k tomuto účelu používána téměř výhradně přetlaková spalovací zařízení. To znamená, že ventilátor spalovacího vzduchu musí dávat k dispozici přetlak odporu 5 ... ≤ 50 mbar způsobovaný kotlem a popř. následně zařazeným tepelným výměníkem. Ve spalovacím zařízení proto stále existuje malý přetlak.
Technické informace: Požadavky na hořáky dodávané zákazníkem
Zemní plyn a topný olej jsou i nadále nejčastěji používanými palivy. Dle způsobu provozu parního kotle, potřebného výkonu nebo požadavků na emisní hodnoty přináší každé z těchto standardních paliv různé výhody a hodí se pro různé aplikace.
Kritéria pro volbu paliva mezi topným olejem a zemním plynem - více informací
Především pro spalování pokud možno bez škodlivin je rozhodující správná kombinace paliva a spalovacího vzduchu.
Vedle standardizovaných paliv mohou být používána v žárotrubném kotli i nejrůznější plynná a kapalná paliva. Druh paliva určuje realizaci - buď umožňuje jednoduchou realizaci, nebo to naopak vyžaduje větší vícenáklady. V každém případě by mělo být nasazení těchto paliv přesně posouzeno již ve fázi projektu, neboť to vyžaduje vedle zvýšených investic mimo jiné také přísný monitoring a údržbu v provozu.
Další paliva - více informací
Příklady mimořádných kapalných paliv:
Příklady mimořádných plynných paliv:
Spalování těchto paliv přitom může probíhat jako samostatné přídavné palivo, např. při použití dvoupalivového hořáku se zemním plynem a kapalným mimořádným palivem, nebo jako příměsné spalování, např. zemního plynu s bioplynem.
Monoblokový hořák
Monoblokový hořák v řezu (Weishaupt)
Jako monoblokové nebo ventilátorové hořáky označujeme spalovací systémy, u nichž je ventilátor spalovacího vzduchu přímo integrovaný v těle hořáku. Tento systém hořáků se hodí pro topný olej, plynná paliva a také jako kombinovaný systém, u něhož je možný jednoduchý přechod mezi spalováním plynu a oleje. Výhody monoblokových hořáků spočívají zejména v jejich kompaktní a tím i cenově příznivé konstrukci a v možnosti montáže přímo na kotel, čím se šetří místo. Monoblokové hořáky mohou být používány až do výkonu spalovacího zařízení zhruba 10 MW. Nehodí se však k použití pro předehřev vzduchu.
Duoblokové hořáky
Jako duoblokové hořáky se označují hořáky, u nichž je ventilátor spalovacího vzduchu (na obrázku namontovaný na kotli) umístěn odděleně od spalovací jednotky. Spojení ventilátoru spalovacího vzduchu s hořákem probíhá přes potrubí spalovacího vzduchu. Duoblokové hořáky se používají speciálně u velkých výkonů spalovacích zařízení a při nasazení předehřevu vzduchu.
Duoblokové hořáky s ventilátorem na pochozí lávce a potrubí spalovacího vzduchu (Saacke)
Níže jsou popsány nejdůležitější pojmy a rozlišující znaky pro spalovací zařízení a nezbytné příslušenství.
Tlakový rozprašovač
Olejový hořák jako obrázek a znázorněn v řezu (Weishaupt)
Při rozprašování tlakem je olej veden tryskou a při výstupu do spalovacího prostoru se jemně rozpráší. Nezbytné vstupní tlaky v přívodu oleje se pohybují mezi 6 ... 30 bary. Při výstupu paprsku oleje z trysky se tvoří jemné kapičky oleje, které tvoří velký reakční průřez. Předpokladem pro to je, aby se viskozita paliva pohybovala v rozmezí 5 ... 8 mm²/s. Pokud tomu tak při dané prostorové teplotě není, musí být olej předehříván.
Regulace hořáku může probíhat různými způsoby. U stupňových hořáků je v hlavě hořáku namontováno několik trysek. Dle požadavku na výkon jsou přes aktivaci magnetických ventilů trysky spínány nebo vypínány. K dispozici jsou hořáky až se třemi tryskami.
K plynulé regulaci výkonu jsou používány hořáky s regulací množství paliva. Množství paliva přiváděné do spalovacího prostoru reguluje ventil na vratu topného oleje. Tento ventil je řízen v závislosti na poloze klapky spalovacího vzduchu.
Rotační rozprašovač
Kapalné palivo je přes rychle rotující dutou hřídel při nízkém tlaku přiváděno do kónického rozprašovacího hrnce. Na něm se pohybuje tvořící se olejový film až k hraně hrnce, který se směrem ke spalovacímu zařízení rozšiřuje. Odstředivou silou se olejový film odtrhne od hrany hrnce a tvoří jemné kapičky oleje, které jsou vymršťovány vírem do prostoru spalovacího zařízení.
Část spalovacího vzduchu je vedena do hrnce, druhá část proudí v kruhové štěrbině okolo hrnce, většinou protisměrným vírem. Přidáváním a distribucí spalovacího vzduchu je ovlivňován obraz plamene. Tím vzniká intenzivní směšování oleje se spalovacím vzduchem.
Velkou výhodou rotačního rozprašovače je velká nezávislost na vlastnostech viskozity paliva v porovnání s tlakovým rozprašovačem. Tak mohou být bezpečně spalována i paliva kolísající kvality. Rotace hrnce může být přídavně hlídána, aby bylo zaručeno nízkoemisní spalování bez tvorby CO a sazí.
Obrázek rotačního rozprašovače v řezu (Saacke)
Napájení olejem
Příklad znázornění spalovacího zařízení na lehký topný olej s hořákem s tlakovým rozprašovačem
BA
Hlídač plamene
FI
Ukazatel průtoku
PI
Ukazatel tlaku (manometr)
PZA-
Pojistka proti nedostatku vzduchu
PZA+
Omezovač maximálního tlaku
Zařízení spalovacího zařízení
Olejový napájecí modul OSM
Olejový napájecí modul
Manometr
Olejový napájecí modul čerpá palivo ze skladovací olejové nádrže umístěné mimo kotelnu přes okružní potrubí k jednotlivým olejovým cirkulačním modulům, které zásobují každý olejový hořák jednotlivě.
Je předmontován jako jednotlivá nebo dvojitá stanice se 100 % rezervou pro jistotu zásobování i při výměně olejového filtru, se všemi armaturami v záchytné olejové vaně pro jednoduchou vestavbu do okružního potrubí.
Modul regulace tlaku oleje ORM
Regulační tlakový modul oleje slouží k nastavení konstantního tlaku oleje na vstupu do okružního potrubí. Skládá se z regulátoru tlaku oleje, předřazených a následných uzavíracích armatur, které umožňují demontáž regulátoru tlaku, ukazatele tlaku (PI) a bypassové armatury. Napojení se provádí vždy po posledním zaregulování k napájení hořáku.
Olejový cirkulační modul OCM
Olejový cirkulační modul
Armatura filtru
Olejový cirkulační modul upravuje kapalná paliva filtrováním a odlučováním vzduchu a eviduje průtok množství oleje. Je dimenzovaný na tlakové rozprašovací hořáky na lehký topný olej a těžký topný olej se systémem vratných trysek a je montován jako hotově předmontovaná jednotka k připojení včetně opláštění pro každý hořák do okružního vedení se vstupním tlakem ≥ 1,5 baru.
Modul obsahuje dvoukomorový zásobník oleje pro přímé napájení hořáku olejem a zachycování vratného množství z hořáku. Potrubí mohou být napojena přímo na olejové hadice hořáku.
Jsou zde obsaženy filtrační armatura (FI), měření množství oleje, uzavírací armatury, přetlaková pojistná armatura, odvzdušňovací uzavírací armatura, jakož i vypouštěcí armatura. Při provozu na těžký topný olej je přídavně umístěna pod plechovým opláštěním izolace.
Modul předehřevu oleje OPM
Modul předehřevu oleje
TC
Regulační ventil teploty
Pro středně lehké a těžké topné oleje jako palivo je nezbytný předehřev oleje, neboť tato paliva při okolní prostorové teplotě nevykazují vlastnosti tečení nezbytné pro rozprašování. Olej musí být předehříván, aby se snížila jeho viskozita. Dle značky hořáku a paliva je třeba předehřev na 100 ... 180 °C, aby bylo zaručeno bezpečné spalování.
Ohřev přitom probíhá přes tepelný výměník se svazkem trubek a může být provozován na páru nebo jako kombinovaný ohřev pára / elektrický proud. Je třeba dbát na to, aby byla všechna potrubí a armatury vybaveny doprovodným ohřevem. Ve stavu najíždění se olej nejprve nahřeje elektricky a v trvalém provozu zařízení se pak ohřívá na plynulou teplotu párou přes teplotní regulační ventil (TC). Modul je předmontovaný ve stavu hotovém k připojení včetně regulace ohřevu, tepelné izolace a všech armatur.
Zemní plyn je dnes k dispozici ve většině lokalit a většinou jsou jeho dodávky cenově příznivější než dodávky oleje. Proto v posledních letech stále stoupal podíl plynových spalovacích zařízení.
Vedle ekonomické výhody mluví pro plyn jako palivo další výhody:
Plynový hořák v konstrukčním provedení jako monoblok (Dreizler)
Plynový hořák znázorněný v řezu (Weishaupt)
Napájení plynem
Systematické znázornění plynového spalovacího zařízení jako příklad (vysokotlaké napájení)
PRZA-
Omezovač minimálního tlaku plynu
PRZA+
Omezovač maximálního tlaku plynu
TI
Ukazatel teplot
Bezpečnostní uzavírací ventil: uzavírání zásobování plynem při poruchách a nouzovém vypnutí (instalace mimo kotelnu)
Bezpečnostní uzavírací ventil: uzavírání přívodu plynu při nepřípustném nárůstu tlaku plynu
Termické uzavírací zařízení: uzavření zásobování plynem při požáru v kotelně
Tlakový regulátor plynu: zaručuje konstantní tlak plynu pro spalování
Plynová regulační řada
Pojistný odfukový ventil: aktivuje se při nepřípustném přetlaku za regulátorem tlaku plynu
Uzavírací kohout: pro manuální uzavření
Zařízení ukazatele tlaku (PI)
Plynový filtr: ochrana citlivých částí před znečištěním
Kompenzátor: vyrovnání roztažnosti potrubí
Hořák
Hlídač plamene (BA): vypíná spalovací zařízení, když po časovém intervalu najetí není v prostoru spalovacího zařízení stabilní spalování
Omezovač minimálního tlaku (PRZA-): vypínání spalovacího zařízení, když je tlak plynu příliš nízký
Ventilátor: zásobování spalovacím vzduchem
Omezovač maximálního tlaku (PRZA+): vypínání spalovacího zařízení, když je tlak plynu příliš vysoký
Pojistka proti nedostatku vzduchu (PZA-): vypínání spalovacího zařízení při nízkém přepravním tlaku ventilátoru spalovacího vzduchu
Dvojitý magnetický ventil: dvojitý uzávěr napájení plynem, když je hořák mimo provoz
Vzduchová klapka: regulace poměru paliva - vzduchu
Kontrola těsnosti (PRZA+): kontrola těsnosti magnetických ventilů
Manažer spalovacího zařízení/ bezpečnostní řetězec
Regulační klapka plynu: regulace množství plynu
Plynová regulační řada GRM
Ukazatel teploty
Plynová regulační řada obsahuje všechna regulační a bezpečnostní zařízení, která jsou nezbytná pro bezpečný a bezporuchový provoz spalování. Především přívod plynu a vzduchu jsou přes elektronickou a pneumatickou spojitou regulaci nastaveny tak, že je ve všech bodech výkonu k dispozici správný poměr paliva/ vzduchu pro úplné, bezpečné a efektivní spalování ve spalovacím prostoru.
Regulátor plynu je namontovaný, aby nezávisle na měnících se vstupních tlacích zajišťoval konstantní tlak plynu na hořáku. Při změně tlaku plynu by se změnil poměr plynu/ vzduchu na hořáku a v důsledku toho by mohl nastat buď nestabilní plamen, nebo spalování se silnou tvorbou sazí a CO. Když může být jištěný vstupní tlak plynu větší než přípustný provozní přetlak komponentů plynové regulační řady, pak musí být bezpečnostní uzavírací ventil (SAV) a pojistný odpouštěcí ventil (SBV) nainstalovány před regulátorem.
Tlaková čidla monitorují minimální a maximální přípustný tlak plynu, pokud regulátor tlaku plynu vykazuje defekt. Při odstávce nebo při provětrání se nesmí do prostoru spalovacího zařízení dostat žádný plyn, neboť jinak může dojít k zahoření a výbuchu. Proto musí magnetické ventily v plynové regulační řadě bezpečně zavírat. Z bezpečnostních důvodů jsou plynové magnetické ventily ve zdvojeném provedení a v programu startu hořáku je před každým spuštěním hořáku kontrolováno, zda jsou ventily těsné (kontrola těsnosti plynu).
Teplo horkých spalin z předřazených procesů jako například kogenerace z kogeneračních jednotek nebo plynových turbín, průmyslových výrobních procesů z výroby zpracování kovů nebo termického využití surovin, se hodí k výrobě páry v žárotrubných kotlech.
Kogenerace - více informací
Možný parní výkon ze spalin se přitom v podstatě řídí dle tří kritérií:
Další rámcové parametry při volbě vhodného kotle jsou příslušný obsah síry, obsah pevných částic nebo ostatní korozivně působící substance, jako například obsah chloru ve spalinách.
Z důvodu četných možných variací odpadního tepla se zde vždy doporučuje provést podrobný inženýring parního zařízení na využití odpadního tepla, aby bylo dosaženo jeho optimálního využití.
Kogenerace se 4 tahovým spalinovým kotlem
