Základy spalování dřeva

Spalování biomasy » Základy spalování dřeva

 ZákladZZáklady spalování dřeva

 

Všeobecné informace

Dřevo se zahřátím rozkládá z 85 hm. % na plynné sloučeniny, proto se spalování dřeva zakládá na zplynování a následné oxidaci hořlavých plynů. Nejdůležitějšími předpoklady pro úplné spalování jsou vysoká teplota, dostatečná doba zdržení v horké zóně a dobré směšování spalovacího vzduchu s hořlavými plyny. Při spalování jsou místně rozděleny zplynování, oxidace a výdej tepla z důvodu dodržení těchto podmínek. Z důvodu dosažení vysoké teploty musí být spalování prováděno při malém přebytku vzduchu.

Pro spalování z toho vyplývají následující požadavky:   

  • rozdělení spalovacího vzduchu na primární a sekundární vzduch
  • homogenní směšování sekundárního vzduchu s hořlavými plyny
  • správně dimenzovaná a neochlazovaná dohořívací komora.

 

 

Oxidace v plynné fázi se skládá z procesů transportu látky (např. difůzí) a látkové výměny včetně vlastní reakce. Protože tyto procesy probíhají s konečnou rychlostí, je pro dokonalé spalování potřebný minimální čas (řádově 1 s). 
Protože podíl částeček, které mají dostatek energie vstoupit při srážce do reakce, silně narůstá se zvyšující se teplotou, roste rychlost většiny reakcí se zvyšující se teplotou exponenciálně.
Při spalování dřeva mohou být dosaženy dostatečně vysoké teploty (ca. 800-1.000 °C), jestliže spalování probíhá s malým přebytkem vzduchu (obrázek 1).
S vysokým přebytkem vzduchu mohou být vysoké teploty dosaženy jenom lokálně. Ve spalovací komoře potom tak vznikají chladná pásma, která vedou k vysokým obsahům nespálených škodlivin.

 

Obrázek 1:   spalovací teplota T [°C] v závislosti na koeficientu přebytku vzduchu l a vlhkosti vzduchu

 

Aby látky uvolněné při rozkladu a spalování mohly reagovat s kyslíkem, musí být co nejvíce homogenně smíšeny se spalovacím vzduchem. Proudy plynů, které prochází spalovací komorou bez promíchání se spalovacím vzduchem, vedou k vysokým podílům nespálených škodlivin. Smíchávání horkých plynů se sekundárním vzduchem je ztíženo tím, že viskozita plynů se vzrůstající teplotou silně roste (na rozdíl od kapalin, jejichž viskozita s přírůstkem teploty klesá). Při spalování musí být chladnější sekundární vzduch s malou viskozitou vytryskáván do horkých plynů s velkou viskozitou, přičemž hloubka do které pronikne je snižována zvýšenou viskozitou.

 

Příklad - dynamická viskozita vzduchu:

  • Při 20 °C      = 17,98 x 10-6 kg/ms
  • Při 1.000 °C = 47,88 x 10-6 kg/ms

 

 

Technika spalování

Pro dosažení vysoké teploty musí být v ohništi místně odděleno spalování a odebírání tepla. Aby bylo dosaženo dobrého směšování, je navíc spalování rozděleno na zplyňování a oxidaci. Ohniště je tedy rozčleněno do zón, ve kterých probíhají převážně procesy zplyňování, oxidace a odběru tepla. 

Z důvodu dobrého smíchávání je přívod vzduchu rozložen. Ve žhavé zóně je do ohniště přiváděn primární vzduch pro odplynění dřeva. Uvolněné plyny jsou následně smíchány se sekundárním vzduchem, přičemž smíchávání zajišťuje s výhodou příčné zúžení. Rozdělení spalování na zplyňování a následné dohořívání vykazuje vedle lépe kontrolovatelného směšování výhodu lepší regulovatelnosti.

Aby byla zajištěna vysoká teplota spalování, nesmí být plamen předčasně ochlazen, protože jinak dochází k přerušení oxidačních reakcí a následkem nedokonalého spalování emisi vysokých obsahů CO, uhlovodíků a sazí. Stejný efekt můžeme pozorovat také u plamene svíčky, jestliže je chladíme studeným předmětem a svíčka proto začne silně čadit.

Při vysokém přebytku vzduchu (obrázek 2) probíhá spalování převážně s primárním vzduchem, který je k dispozici v přebytku. Z důvodu nedostatečného směšování je spalování nedokonalé. Při malém přebytku vzduchu probíhá spalování podle konstrukčně uzpůsobeného rozdělení zplyňování a oxidace. Se snižujícím se přebytkem vzduchu a zvyšující se teplotou se spalování stává dokonalejším. V části III ohniště se vyskytují zóny s lokálním nedostatkem kyslíku, takže se koncentrace nedokonale spálených látek drasticky zvyšuje. Čím lepší je tedy kvalita směšování, o to při nižším přebytku vzduchu může tedy ještě být dosaženo přibližně dokonalého spalování.

 

 

Obrázek 2:   Teplota spalování (nahoře) a emise oxidu uhelnatého za optimálních provozních podmínek (dole) jako funkce koeficientu přebytku vzduchu pro kotel na kusové dřevo se spodním odhoříváním a ventilátorem. V křivce oxidu uhelnatého (dole) je pro srovnání vyznačeno chování dobrého automatického ohniště na štěpku.

 

Při spalování vedou v praxi především časté najíždění a dohořívání ke zvýšeným emisím, protože během těchto fází není dosaženo dostatečně vysoké teploty spalování a přebytek vzduchu většinou ještě neodpovídá optimální hodnotě.

Výrazné zvýšení emisí při chybném nastavení přívodu vzduchu vede k požadavku nastavit spalování vždy na příslušné palivo. Protože v praxi nelze vyloučit kolísání kvality paliva, je mnoho zařízení provozováno za příliš vysokého přebytku vzduchu nebo za nedostatku vzduchu, což vede ke zvýšeným emisím a snížení účinnosti. Vhodným systémem regulace mohou být tato kolísání zčásti vyrovnána tak, aby spalování probíhalo vždy blízko provozního optima.

Za účelem optimalizace spalování může být spalovací vzduch a/nebo přívod paliva přizpůsoben odpovídající úpravou příslušných provozních podmínek. Jako ukazatele slouží například obsah kyslíku ve spalinách nebo teplota spalování.

 

 

Optické charakteristiky kvality spalování na základě spalin vystupujících z komína

Bílý kouř

Je možno pozorovat při velmi mokrém palivu a zároveň studeném, vlhkém ovzduší (zima). Se stoupajícím osluněním lze vidět jenom lehké chvění. Spalování je dobré, bílý kouř je důsledkem výskytu vody ve spalinách.

Modrý kouř

Ve spalinách se nacházejí ještě nespálené dýmové plyny. Je možno pozorovat při velmi nízkých teplotách spalování a silném přiložení na rošt. Spalování proto není dokonalé.

Černý kouř

Při velmi malém množství spalovacího vzduchu nebo příliš velkém množství paliva v ohništi dochází k nedokonalému spalování a tím i silné tvorbě sazí. Skokem také narůstá koncentrace oxidu uhelnatého.

 

 

 

HDG Bavaria Turboden SaveEnergy Kohlbach