Reakcje, na skutek przebiegu których następuje wydzielenie ciepła zwane są reakcjami egzotermicznymi. Reakcje, w wyniku których, ciepło jest pochłaniane nazywamy reakcjami endotermicznymi. Do przebiegu reakcji endotermicznej niezbędne jest ciągłe dostarczanie ciepła od zewnątrz. W przypadku gdy dostarczanie ciepła od zewnątrz ustanie to reakcja endotermiczna ulega wygaszeniu.

Przykładem reakcji egzotermicznej jest reakcja spalania węgla na dwutlenek węgla

Aby zainicjować reakcję egzotermiczną jest również niezbędne w fazie początkowej, doprowadzenie pewnej ilości ciepła w celu ogrzania węgla do pewnej temperatury zwanej w tym przypadku temperaturą zapłonu węgla aż do momentu gdy ilość ciepła wytworzonego w jednostce czasu w wyniku przebiegu tej reakcji zacznie znacznie przekraczać straty ciepła pochłaniane przez otoczenie. Aby ta reakcja przebiegła do końca niezbędny jest pewien czas.

Aby zrozumieć lepiej jak wygląda proces spalania wyobraźmy sobie model spalania węgla na ruszcie poziomym. Na ruszcie tym znajduje się pewna rozżarzona warstwa węgla grubości np. 130 mm. Pod rusztem, od dołu, dostarczone jest powietrze za pomocą wentylatora lub ciągiem naturalnym. Przyjmujemy, że węgiel na tym ruszcie składa się tylko z węgla jako pierwiastka i popiołu. Przy zetknięciu się węgla z tlenem zawartym w powietrzu zaczyna się reakcja spalania która przebiega wg. mnie w dwóch etapach. Najpierw spala się węgiel na tlenek węgla

po czym powstały tlenek węgla spala się na dwutlenek węgla

Sumując obie reakcje ostatecznie otrzymujemy

to

Reakcja ta nie przebiega natychmiast lecz intensywność jej wzrasta stopniowo w miarę jak powstałe spaliny idą do góry poprzez warstwę stosu węgla. Reakcja ta ulega wygaszeniu na pewnym poziomie i to na takim, na którym gazy składają się wyłącznie z dwutlenku węgla CO2 i azotu. Gazy na tym poziomie mają najwyższą temperaturę. Jeżeli grubość warstwy węgla na ruszcie jest na tyle duża, że ponad tym poziomem znajduje się jeszcze warstwa węgla to dalej postępuje spalanie węgla ale kosztem tlenu zawartego w dwutlenku węgla

Reakcja ta jest reakcją endotermiczną i pochłania ciepło z systemu dlatego też przebiega w wyższych temperaturach.

Jeżeli warstwa węgla na ruszcie jest wystarczająco gruba to cały węgiel spala się kosztem tlenu z dwutlenku węgla na tlenek węgla i gazy spalinowe zawierają tylko tlenek węgla CO i wszystko wygląda tak, jakby węgiel spalił się wprost na tlenek węgla

W takim przypadku gazy spalinowe składają się tylko z tlenku węgla i azotu. Takie palenisko pracuje jako czadnica i wytworzony gaz czadnicowy zawiera około 34,7 % CO.

Odległość od miejsca doprowadzenia powietrza do poziomu najwyższych temperatur – zwana strefą spalania – ustala się w zależności od ilości dostarczonego powietrza, szybkości jego przepływu oraz szybkości przepływu powstałych gazów spalinowych, a głównie od właściwości i kawałkowatości węgla.

Przy odpowiednio wysokiej temperaturze panującej w stosie węgla znajdującego się na palenisku wysokość strefy spalania jest równa około dziesięciokrotnej wielkości kawałków węgla.

Cykl ścieżki ciepła od reakcji do jego pochłaniania

Wydajność reakcji węgla C z tlenem O2 (C + O2 = CO2 ) jest zależna od:

Im wyższa wydajność reakcji, tym lepsza jest reakcja.

 

2. Wydajność spalania

O sprawności spalania decyduje, ile węgla C reaguje z O2 na sekundę lub w jednostce czasu.

Wersje modeli węgla i dynamiczny stan równowagi spalania przedstawia się następująco, gdzie:

narzucają jej efektywność.

Efektywność spalania zależy od tego jaka jest temperatura samozapłonu paliwa, ilości uwolnionego węgla z sieci krystalograficznej w jednostce czasu, warunków wydajności reakcji, właściwości źródła węgla, % C w paliwie, prędkości powietrza, parametrów turbulencji wywołanych lub dostępnych w tym systemie.

3 Efektywność tworzenia ciepła i ładunek termiczny

Efektywność wytwarzania ciepła jest cyklami ciepła lub falami cieplnymi o jednakowej długości uzyskanymi w warunkach regulujących reakcję i efektywność spalania.

Wytwarzanie ciepła lub fal ciepła będzie nieregularne jeśli wydajność reakcji jak i warunki spalania będą podlegały zmianom dynamicznym i odwrotnie tzn. będą regularne jeśli nie będzie zmian dynamicznych wydajności reakcji oraz warunków spalania.

Fale cieplne o różnych częstotliwościach lub cyklach mają mniejszy ładunek termiczny w przeciwieństwie do fal o jednakowych długościach i częstotliwościach, które to mają najwyższy ładunek termiczny.

Normalne spalanie:

Niekoherentne (niespójne) fale energii cieplnej.

Zróżnicowane długości fal powodują rozproszenie intensywności ciepła.

Spalanie przy zastosowaniu technologii AnLen®:

Poszczególne fale energii cieplnej.

Poszczególne długości fal powodują koherentną (spójną) intensywność ciepła.

4 Sprawność przenoszenia ciepła

Sprawnością wymiany ciepła jest efektywność cieplna czynnika pośredniczącego, który przenosi ciepło z punktu jego wytworzenia ( wygenerowania ) do punktu jego absorpcji.

Efektywność przenoszenia ciepła jest wprost proporcjonalna do gęstości medium przenoszącego ciepło oraz metalurgicznych właściwości cieplnych czynnika przez które ciepło jest przekazywane.

W kotłach grzewczych efektywność wymiany ciepła zależy od gęstości spalin i właściwości metalurgicznych rur stalowych, czasu i odległości przebytej przez ciepło, koncentracji ciepła na m3 objętości kotła oraz udziałowi w % koherentnych fal cieplnych tzn. o jednakowej długości i częstotliwości.

5 Efektywność pochłaniania ciepła

Efektywność pochłaniania ciepła jest to docelowa, efektywna ilość pochłoniętego ciepła dostarczonego za pośrednictwem nośnika ciepła.

W kotłach grzewczych efektywność absorpcji ciepła zależy od koncentracji ciepła na m3 objętości pieca, udziale w % koherentnych fal cieplnych i czasie ich zachowania oraz od właściwości termicznych absorbera.

Wyższa absorpcja ciepła następuje wtenczas gdy większa ilość koherentnych fal cieplnych dopasowuje się do współczynnika absorpcji ciepła absorbera i odwrotnie mniej fal cieplnych odpowiadających absorberowi powoduje mniejszą efektywność absorpcji ciepła.

Z powodu dynamicznych warunków przebiegu reakcji C + O2 wytwarzane jest ciepło zagęszczone jak i rozproszone z powodu powstawania niekoherentnych fal ciepła, zwiększania się oporu spalin oraz oporu metalurgicznego czynnika absorbującego, zwiększa się czas i odległość, następują zmiany stężenia na m3 objętości pieca.

Całkowite generowane ciepło = ciepło zagęszczone + ciepło rozproszone

Rozproszone ciepło jest formą energii cieplnej, która w wyniku wzrostu oporu spalin, została rozproszona podczas jej przekazywania i przekształcona w inne formy energii. Jest ona nieprzydatna do naszych celów. Energię tę możemy zidentyfikować jako straty podczas spalania ( z angielskiego DCL – During the Combustion Losses ).

W kotłach grzewczych węgiel podawany jest mechanicznie do komory spalania i ze względu na warunki panujące w piecu, spalanie węgla rozpoczyna się od temperatury jego zapłonu.

Ze względu na mechaniczne podawanie paliwa i powietrza do komory spalania brak jest absolutnej kontroli nad wydajnością reakcji z powodu dynamicznego przebiegu spalania w komorze kotła.

Skutki niskiej wydajności reakcji to:

∆ wyższe zużycie paliwa od 15% do 28%,

∆ wysoki opór przepływu energii cieplnej w komorze spalania,

∆ kocioł pracuje na wyższych naprężeniach termicznych z powodu wyższej generacji ciepła, a mniejszym jego pochłanianiu,

∆ zwiększona emisja CO2 na tonę pary lub wody.

Poniżej diagram ukazujący wpływ wysokiej (właściwej) i niskiej (niewłaściwej) wydajności reakcji wysokoegzotermicznej C + O2 = CO2 na różne wielkości i wskaźniki

Powyższy diagram należy rozumieć następująco:

W realnych warunkach spalania mamy do czynienia z niską efektywnością wysokoegzotermicznej reakcji utleniania węgla C + O2 = CO2 , z powodu występowania wysokoendotermicznej Reakcji Boudouarda utleniania węgla dwutlenkiem węgla

niskoegzotermicznej reakcji utleniania tlenku węgla do dwutlenku węgla

co w konsekwencji powoduje:

∆ Wzrost kosztów wytworzonego ciepła o 44 %;

∆ Wzrost energii niezbędnej do wytworzenia tony pary lub wody o 20 %;

∆ Obniżenie sprawności kotła o 18 %;

∆ Obniżenie całkowitego odzysku ciepła netto o 20 %;

∆ Wzrost strat spalania o 22 %;

∆ Wzrost konwersji (zamiany) ciepła na inne formy energii o 26 %;

∆ Wzrost oporów przepływu ciepła o 24 %;

∆ Obniżenie koherentnych cyklów fal cieplnych o 22 %;

∆ Wzrost generowanego ciepła przy spalaniu o 30 % i

∆ Wzrost reaktywności węgla poniżej warunków efektywności o 30 %.

Technologia AnLen® doprowadza do osiągnięcia wysokiej wydajności wysokoegzotermicznej reakcji utleniania węgla poprzez kontrolowanie przebiegu endotermicznej Reakcji Boudouarda oraz niskoegzotermicznej reakcji utleniania tlenku węgla doprowadzając do ich zaniku.

Instytut Spalania i Energetyki, Stuttgart, Niemcy potwierdza istnienie przebiegu Reakcji Boudouarda podczas spalania węgla na ruszcie, w warunkach utleniających, na poziomie około 11% do 14 proc.

Dowodem na to jest praca doktorska na stronie:

http://www.ifk.uni-stuttgart.de/allgemeines/Veroeffentlichungen/Diss2009/DissAl-Makhadmeh.en.html .

 

Autor artykułu:

Jerzy Sznerski

SZNERSKI GUSS Sp. z o.o.

Dipl.-Ing. Jerzy Sznerski – absolwent, Instytutu Technologii i Mechanizacji Odlewnictwa Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie – Polska oraz absolwent Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule RWTH ( Uniwersytet Nadreńsko-Westfalski ) w Aachen – Niemcy. Kilkuletni pracownik Katedry Technologii Odlewnictwa, Instytutu Odlewnictwa, Wydziału Metalurgii RWTH w Aachen. Osoba z dużym doświadczeniem w przemyśle. Pracował i kierował wieloma zakładami zarówno w kraju jak i za granicą: między innymi „HOESCH” w Hohenlimburg, Wydział Produkcji Elementów Sprężystych – Niemcy; „HOESCH” w Hohenlimburg Wydział Gorącej Walcowni – Niemcy, Odlewnia Żeliwa Szarego i Ciągliwego Friedrich Eduard Gerhards w Hagen – Niemcy. Uruchomił Odlewnię Precyzyjną Tytanu „TITANOR” w Nesna – Norwegia. Prowadził Odlewnię Żeliwa „OLSBERGER HÜTTE” w Olsberg – Niemcy. Od 1994 roku prezes SZNERSKI GmbH, później SZNERSKI GUSS Sp. z o.o. Zbierając doświadczenie i prowadząc liczne badania nad spalaniem paliw stałych opracował w pierwszej kolejności Technologię AnVer®, pozwalającą uzyskać najlepsze ze znanych obecnie warunki spalania w procesie żeliwiakowym i wielkopiecowym doprowadzając ją do komercjalizacji w roku 2010. Opracował Technologię AnLen®, pozwalającą uzyskać najlepsze ze znanych obecnie warunki spalania wszelkich rodzajów węgli, drzewa czy też biomasy w kotłach centralnego ogrzewania oraz kotłach parowych różnych wielkości wytwarzających parę technologiczną lub napędzającą turbiny generatorów prądowych. Technologia AnLen® znajduje z powodzeniem zastosowanie w piecach do wypalania klinkieru w przemyśle cementowym jak również przy produkcji koksu z mieszanek węglowych w bateriach koksowniczych. W roku 2013 doprowadził do jej komercjalizacji.

Złoty medal IENA 2010 w Norymberdze – Niemcy ( najbardziej prestiżowe Targi Wynalazczości, Inowacyjności oraz Nowych Idei ) – Optymalizacja procesów żeliwiakowych za pomocą technologii AnVer®.

Laureat Konkursu Mikroprzedsiębiorca Roku 2011 organizowanego przez Fundację Kronnenberga przy City Handlowym w Warszawie.