K úplnému spalování je nezbytná optimální směs paliva a vzduchu. Průmyslová kotlová zařízení jsou však často provozována i v rozsahu částečného výkonu. Zde se redukuje jak přívod paliva, tak i přívod vzduchu.
Ventilátor spalovacího vzduchu bez regulace otáček běží i při částečném výkonu na jmenovité otáčky, neboť v takovém případě je množství vzduchu přiváděné ke spalování zaškrcováno čistě přes zavírání vzduchových klapek. Ventilátor přitom odebírá vysoký elektrický výkon, který je zaškrcením spotřebován bez užitku. Pokud se množství vzduchu mění převážně modulací otáček ventilátoru, pak je odebíraný výkon v rozsahu částečného výkonu mnohem menší.
Analogicky k redukci odebíraného výkonu se chová i hlučnost. Všechna zařízení, která jsou často a dlouho provozována v úseku částečného výkonu, by měla být vybavena ventilátory s regulací otáček.
U profilu výkonu hořáku se středním výkonem se tak dá uspořit již okolo 40 % elektrické energie. To dělá zpravidla čtyřmístnou částku ročních úspor v Eurech, čímž se hořák s regulací otáček většinou amortizuje za jeden rok.
Příklad:
Výkon kotle
10 t/h
Ventilátor hořáku
22 kW
Úspora elektřiny
zhruba 48 000 kWh/a (42 %)
Úspora nákladů
zhruba 6 720 €/a (při ceně elektřiny 0,14 €/kWh)
Úspora energie díky ventilátoru hořáku s regulovanémi otáčkami
Ideálem ve spalovací technice je stechiometrické spalování. To je případ, kdy všechny molekuly paliva plně zreagují se vzdušným kyslíkem, aniž by zůstaly zbytky nespáleného paliva nebo kyslíku.
Pokud je během spalovacího procesu přiváděno příliš málo vzdušného kyslíku, pak může proběhnout pouze neúplná spalovací reakce. Negativním důsledkem by byl vznik oxidu uhelnatého, vysoce jedovatého plynu. Pokud se množství vzduchu příliš silně zvýší, znamená to, že všechny molekuly paliva s molekulami kyslíku již zreagovaly. Zbylé molekuly kyslíku tvoří nepotřebný přebytek. Protože se jako spalovací vzduch obvykle používá studený okolní prostorový vzduch, pak se zbytečně vysokým přebytkem vzduchu pouze ohřívá tento studený spalovací vzduch, který je společně se spalinami odváděn do atmosféry.
Optimální nastavení spalovacího vzduchu je tak důležité pro efektivitu a bezpečný nízkoemisní provoz. Podmíněně tlakem vzduchu, teplotou vzduchu a kolísáním vlhkosti vzduchu na jedné straně a kolísáním kvality paliva, které v Německu bude v příštích letech díky další liberalizaci trhu s plynem dále narůstat, na straně druhé, musí být v porovnání s teoretickým optimem jako jistota nastaven určitý přebytek vzduchu. Vzniku jedovatého a výbušného oxidu uhelnatého musí být za všech okolností zabráněno. Tato nastavení jsou v normálním případě prováděna při uvádění kotlového zařízení do provozu nebo během čtvrtletní či pololetní údržby.
Regulace O2 a CO na parním kotli (zjednodušené znázornění)
Regulace
Měřící sonda O2
Měřící sonda CO
Pára
Spaliny
Aby bylo možno zařízení i při proměnlivých podmínkách provozovat blíže optimálnímu bodu provozu, jsou nezbytná kontinuální měřící a regulační zařízení. Regulace O2 se skládá z podstaté části ze sondy na měření kyslíku nainstalované ve spalinovém proudu včetně regulace. Zaznamenává přitom kontinuálně obsah zbytkového kyslíku ve spalinách a dává signál dál řízení hořáku, které si doregulovává potřebné množství vzduchu.
Již několik let jsou k dispozici kombinované elektrody (O2 a CO). V kombinaci s měřením CO může být přebytek vzduchu λ ještě lépe umístěn na hranici CO. Použitím regulace O2 a CO je možné přebytek vzduchu obvykle nastavovaný při plném výkonu 3 ... 4 obj.-% kyslíku ve spalinách zredukovat na 0,5 ... 1,0 obj.-% kyslíku. Při stejné teplotě spalin to odpovídá snížení spalinové ztráty zhruba o 1 procento. U paliva olej není regulace CO použitelná.
Obsah zbytkového kyslíku a přebytek vzduchu u regulace O2 a CO přes výkon hořáku
Bez regulace
S regulací O2
S regulací CO
Ve stávajících zařízeních, ale příležitostně i v nových zařízeních je někdy příliš velký výkon kotle v poměru ke skutečně potřebnému parnímu výkonu.
Příčiny jsou často:
Následkem je příliš nízký odběr páry ve vztahu k výkonu kotle a tak velký počet zapínání a vypínání hořáku. Tím jsou způsobování ztráty z provětrání a také pnutí díky změnám teplot, která mohou být zejména při dlouhých časech provětrávání extrémní.
Provětrání - více informací
Aby byl příliš velký výkon kotle vyrovnán, mohou být přijata následující opatření:
Průběh tlaku před a po úpravě výkonu hořáku
Průběh tlaku před úpravou výkonu hořáku
Průběh tlaku po úpravě výkonu hořáku
Před každým startem hořáku musí být zajištěno, že se ve spalinových cestách nebudou nacházet žádné zápalné směsi. V praxi se toho dosahuje provětráním. Dříve, než hořák zapálí plamen, naběhne ventilátor spalovacího vzduchu a tlačí studený okolní prostorový vzduch skrz horké spalinové cesty, které jsou ještě na teplotě varu. Studený vzduch se přitom ohřívá a odebírá kotli teplo. Je předepsaná dostatečná výměna vzduchu, což zejména při častých startech hořáku může představovat nemalou energetickou ztrátu.
Doba provětrání musí být zpravidla dimenzována tak, aby proběhla 2 ... 3-násobná výměna vzduchu ve vztahu k celému spalinovému systému. Dimenzování přitom musí být odsouhlaseno s technickým kontrolním orgánem. Vedle špatné ekonomičnosti častých startů hořáků tyto příliš časté starty také negativně ovlivňují životnost. Měla by být snaha v ideálním případě o 1 ... 2 zapínací cykly hořáků za hodinu. Při více než 4 zapínacích cyklech hořáku za hodinu by měla být přijata opatření ke snížení počtu zapínacích cyklů hořáku, jako např. úprava výkonu hořáku.
Úprava výkonu - více informací
Rovnice pro hrubý propočet ztrát provětrání
Q v,provětrání = 1,26 ∙ Q· F ∙ ΔT ∙ t ∙ 10-7
Qv,provětrání
Ztráta z provětrání zařízení [kWh]
Q· F
Výkon spalovacího zařízení [kW]
ΔT
Teplotní rozdíl mezi médiem v kotli a nasávaným okolním prostorovým vzduchem [K]
t
Celková suma otevíracích a zavíracích časů servopohonu a časů provětrání
Rovnice pro hrubý propočet výkonu spalovacího zařízení
Q·F
ṁD
Parní výkon [kg/h]
ƞ
Účinnost kotle včetně ekonomizéru [%]
Rovnice pro výpočet teplotního rozdílu mezi médiem v kotli a nasávaným okolním prostorovým vzduchem
ΔT = TK − TL = Ts (pm=13 bar) − TL
Teplotní rozdíl mezi médiem v kotli a okolním prostorovým nasávaným vzduchem [K]
TK
Teploty média v kotli [K]
TL
Teploty nasávaného okolního prostorového vzduchu [K]
Ts
Teplota varu média v kotli při určitém tlaku pm [K]
Rovnice pro výpočet celkové sumy otevíracích a zavíracích časů servopohonů a času provětrání
t = t1 + t2 + tV
Suma z otevíracích a zavíracích časů servopohonu a času provětrání [s]
t1
Otevírací čas servopohonu (zhruba 30 ... 60 s) [s]
t2
Zavírací čas servopohonu (zhruba 30 ... 60 s) [s]
tV
Čas provětrání (≤ 120 s) [s]
Při průměrně 4 startech hořáku za hodinu a průměrném výkonu kotle 20 % vzniká tepelná ztráta 6 % tepelného výkonu kotle.
Přepočteno na dobu provozu 4 000 h/a dostaneme celkovou tepelnou ztrátu okolo 300 MWh/a, což znamená ztrátu zhruba 13 500 €/rok.
