Kotel

�Kotle lze rozdělit primárně podle konstrukce parní části a proudění spalin na:

• žárotrubné – kotle menšího výkonu s válcovou nebo plamencovou nádobou s vodou, spaliny proudí uvnitř plamenců nebo svazku trubek,
• vodotrubné – novější konstrukce s prouděním spalin vně trubek, ve kterých se ohřívá voda.

Další významné dělení je podle typu ohniště a způsobu spalování uhlí na:

• roštové – spalování kusového paliva na klasickém roštu
• práškové – spalování uhlí drceného v uhelných mlýnech na prášek. Podle typu ohniště a pracovní teploty v něm mohou být granulační nebo výtavné
• fluidní – spalování mletého uhlí s přídavkem vápence při nízké teplotě (nižší obsah škodlivin) ve fluidním loži. Podle pracovního tlaku rozlišujeme atmosférické a tlakové fluidní kotle.

Podle konstrukce odtahu spalin z kotle dělíme kotle na:

• věžové – všechny svazky trubek sloužící k přehřívání a přihřívání páry se nachází přímo nad ohništěm s výparníkem
• dvoutahové – v prvním tahu se nachází ohniště s várnicemi, pak se spaliny otáčí o 180° do druhého tahu, kde se nachází konvekční svazky přehříváků z trubkových hadů.

Posledním významným kritériem dělení kotlů je průtok kotlové vody výparníkem. Kotel podle tohoto kritéria může být:

• s přirozenou cirkulací – voda a parovodní směs cirkulují ve výparníku na základě rozdílných hustot a gravitace,
• s nuceným oběhem – voda a parovodní směs cirkulují ve výparníku pomocí oběhového čerpadla,
• průtočný – ohřátí vody, její odpaření a přehřátí probíhá v jedné trubce, směs ve výparníku necirkuluje, ale voda/pára je protlačována trubkami pomocí napájecích čerpadel.

U popisu hlavních zařízení kotle budeme předpokládat, že popisovaný kotel je strmotrubný, granulační s nuceným oběhem kotlové vody.

Doprava paliva do kotle je zajišťována foukáním směsi vzduchu a práškového uhlí přes hořáky do spalovacího prostoru. Hořáky mají podstatný vliv na správný průběh spalování a na úplné vyplnění prostoru ohniště plamenem. Dokonalé spalování paliva je podporováno přiváděním doplňkového spalovacího vzduchu v různých výškových úrovních spalovacího prostoru. Pro stabilizaci nižších výkonů nebo přechodových stavů obsahuje kotel ještě druhou sadu hořáků, napojených na stabilizační palivo, kterým je většinou zemní plyn. Ve starších verzích kotlů se ke stabilizaci používají i lehké a těžké topné oleje.

Spálené částečky uhlí se v proudu spalin natavují, ale rychle chladnou a granulují ještě ve spalovacím prostoru kotle. Vlastní vahou padají do výsypek jednotlivých tahů. Část jemného popílku uniká se spalinami a je zachycena až v odlučovačích popílku. Z výsypek ohniště jsou struska a popel vyneseny vynašečem do kontejneru a odvezeny na případné další zpracování.

Strmotrubné kotle s přirozenou nebo nucenou cirkulací obsahují ve své horní části mimo spalovací prostor válcovou horizontální tlakovou nádobu – parní buben, ve kterém dochází k separaci syté páry z parovodní směsi. Tvoří spojovací místo pro varnice a zavodňovací trubky, které jsou k němu po celé délce přivařeny. Sytá pára vystupuje z horní části parního bubnu a postupuje do parního přehříváku. Strmotrubné průtlačné kotle bubnový separátor syté páry nepotřebují.

Napájecí voda, která je dopravována do kotle pomocí napájecích čerpadel, se v kotli mění na ostrou přehřátou páru. Na svém putování kotlem prochází několika výměníky. Prvním je ohřívák vody nebo ekonomizér, ve kterém se napájecí voda předehřívá až na teploty blízké k teplotě nasycení. Konstrukčně je ekonomizér tvořen několika trubkovými svazky zavěšenými v některém z tahů kotle (obyčejně je to poslední výměník po směru proudu spalin).

Dalším výměníkem je výparník, tvořící soustavu svařených vertikálních trubek (varnic) umístěných kolem spalovací komory a chránící stěny kotle před tepelným poškozením. V trubkách dochází vlivem prostupujícího tepla z ohniště k tvorbě páry. Parovodní směs je následně odváděna do parního bubnu (jen v kotlích s cirkulací ve výparníku).

Posledním výměníkem, ve kterém se teplem spalin ohřívá pára na nominální pracovní teplotu, je přehřívák. Stejně jako ekonomizér sestává z trubkových svazků zavěšených v proudu spalin nad ohništěm, a vzhledem k větším objemům páry bývá obvykle složen z několika sekcí. Uvnitř trubek proudí ohřívaná pára, vně trubek horké spaliny. Podobnou konstrukci jako přehřívák má i přihřívák sloužící k ohřevu částečně vyexpandované páry, která se vrací do kotle po průchodu VT dílem turbíny. Použití přihříváku se projeví zvýšením termické účinnosti tepelného oběhu.

Účinnost kotlů se počítá buď porovnáním využitelné energie odcházející ostré páry a energie přivedené v palivu nebo nepřímo sečtením všech tepelných ztrát. U energetických kotlů se tepelné ztráty skládají ze ztrát v tuhých zbytcích a ze ztrát ve spalinách. V obou případech musíme počítat jak s nevyužitým teplem, které je bez užitku odvedeno z kotle, tak i se zbytkovým obsahem nespálených hořlavin ve zbytcích a v spalinách, daným nedokonalostí spalovacího procesu. Do ztrát musíme samozřejmě započítat i teplo unikající obvodovým pláštěm kotle do okolí. Posledně jmenované ztráty závisí především na kvalitě izolační vrstvy stěn kotle.

V elektrárně Ledvice byl v rámci Nového zdroje postaven průtočný granulační kotel věžové konstrukce pro nadkritické parametry páry (600 °C a 28 MPa). Při nominálním výkonu 660 MWe a teplotě chladicí vody 18,5 °C je tepelný výkon kotle 1 286 MWt a výpočtový průtok ostré páry přibližně 466 kg/s. Primárním palivem pro nadkritický blok je severočeské hnědé uhlí z dolu Bílina. Stavba kotle pro Nový zdroj je se svojí výškou jednou z nejvyšších budov v Čechách. Technologie kotle využívající nadkritické parametry páry zabezpečuje vyšší energetickou účinnost cyklu a provozní flexibilitu, úsporu paliva a provozních nákladů a v neposlední řadě i snížení emisí škodlivých látek do ovzduší.

Kotel Nového zdroje může být provozován při klouzavém tlaku, kdy se výstupní tlak snižuje s nastaveným výkonem. To umožňuje udržovat stanovenou teplotu v turbíně a snižuje její tepelné namáhání.

Spalování tuhých paliv

Spalování paliv je fyzikálně chemický děj mezi palivem a okysličovadlem, kdy dochází k oxidaci paliva s uvolňování tepla. Palivo se současně rozkládá až na konečné produkty spalování.

Hmotové složení tuhých paliv zahrnuje hořlavé složky, nespalitelné látky – popeloviny a vodu. Hořlavina se aktivně podílí na hoření a je nositelem uvolňované chemicky vázané energie v palivu. Nejvýznamnější prvky hořlaviny, u kterých se hořením uvolňuje energie, jsou uhlík, vodík a síra. Kyslík a dusík sice taky patří do kategorie hořlaviny, ale na hoření se podílejí jen pasivně bez energetického zisku.

Kromě hořlaviny obsahují paliva i nehořlavé složky různých chemicky vázaných látek, obecně nazývaných popeloviny. Působením tepla, vzniklého hořením hořlaviny, dochází v popelovinách k chemickým proměnám, přičemž vznikají látky nové, tvořící výsledný popel. Rostoucí podíl popelovin v palivu snižuje jeho výhřevnost (množství tepla, které se uvolní úplným spálením 1 kg paliva, bez uvažování měrného skupenského tepla vypařování vzniklé páry).

Taktéž větší obsah vody v palivu má negativní vliv na proces spalování. Po odpaření zvětšuje objem spalin a tím množství odvedeného tepla komínem, působí jako inhibitor hoření a snižuje teplotu spalování. Například dva roky sušené dřevo má přibližně dvojnásobnou výhřevnost než dřevo surové.

Proces spalování většinou potřebuje na začátku nějaký tepelný iniciátor, později se hořením části paliva iniciují další částečky nespáleného paliva a proces končí spotřebováním paliva nebo uhašením ohně (zamezení přístupu okysličovadla nebo prudké ochlazení hořícího paliva).

Výslednými produkty spalování jsou:

• teplo uvolněné spalováním,
• směs plynných spalin, většinou oxidů hořlavých látek,
• tuhé nespálené zbytky (popel a škvára).

Chemicky lze spalování vyjádřit pomocí rovnic oxidace prvků hořlaviny:

C + O2 = CO2 2H2 + O2 = 2H2O     S + O2 = SO2

Uvedené rovnice lze zapsat i hmotnostně, případně objemově. Uvedeme na příkladu první rovnice spalování uhlíku, při kterém se uvolní přibližně 400 MJ/kmol energie ve formě tepla.

C + O2 = CO2

1 kmol (C) + 1 kmol (O2) = 1 kmol (CO2)

12,01 kg (C) + 32 kg (O2) = 44,01 kg (CO2)

12,01 kg (C) + 22,39 Nm3 (O2) = 22,26 Nm3 (CO2)

Z uvedených rovnic vyplývá, že pro spálení 1 kg uhlíku je třeba dodat asi 2,67 kg (1,86 Nm3) kyslíku a vznikne 3,67 kg (1,85 Nm3) oxidu uhličitého. Analogicky pro spálení 1 kg vodíku je třeba 7,94 kg (5,55 Nm3) kyslíku a vznikne 8,94 kg (11,11 Nm3) vody nebo páry a 1 kg síry si vyžádá 0,99 kg (0,7 Nm3) kyslíku a vznikne 1,99 kg (0,68 Nm3) oxidu siřičitého.

Pokud označíme Cr, Hr, Sr a Or jako poměrné hmotnostní zastoupení uhlíku, vodíku, síry a kyslíku v palivu, potom teoretické množství kyslíku potřebné ke spálení 1 kg paliva mO2 [kg/kg] bude:

mO2 = 2,67 . Cr + 7,94 . Hr + 0,99 . Sr − Or

Poslední člen rovnice představuje odečtený kyslík, který je obsažen v palivu a není nutné jej dodávat externě. Pokud bychom chtěli výpočet převést na množství vzduchu potřebného pro spálení 1 kg paliva, vydělíme množství kyslíku poměrným zastoupením kyslíku ve vzduchu (Orvzd = 0,2095).

mvzd = mO2 / Orvzd

Podobně postupujeme i v případě objemového množství kyslíku VO2 [Nm3/kg]:

VO2 = VmO2 . (Cr / MC + Hr / (2 . MH2) + Sr / MS − Or / MO2) a

Vvzd = VO2 / Orvzd

kde:

VmO2 – molární objem kyslíku (22,39 m3/kmol)

MC, MH2, MS, MO2 – molární hmotnost uhlíku, vodíku, síry a kyslíku

Rovnici objemového množství kyslíku můžeme zapsat zjednodušeně i pomocí koeficientů:

VO2 = 1,865 . Cr + 5,553 . Hr + 0,699 . Sr − 0,7 . Or

Tepelný výkon kotle představuje množství tepla potřebné pro ohřátí napájecí vody, odpaření a přehřátí určitého množství páry na nominální projektové parametry. Toto teplo se získává spalováním paliva o určité výhřevnosti – vzniklé spaliny předávají své teplo přes teplosměnné plochy vodě a páře. Porovnáním tepelného výkonu kotle Qv [W] a celkového příkonu představujícího teplo přivedené v palivu Qp [W] můžeme definovat účinnost spalovacího zařízení η – účinnost transformace energie při spalování.

η = Qv / Qp

Teplo přivedené v palivu můžeme zjednodušeně zapsat jako součin množství paliva za určitý čas Mpal [kg] a jeho výhřevnosti Qir [J/kg]:

Qp = Mpal . Qir

Tepelný výkon předaný vodě a páře se u energetických kotlů skládá z několika částí.

První je teplo předané ostré páře Qpp [W]:

Qpp = Mpp . (ipp − inv)

kde:

Mpp – je průtok ostré primární páry z kotle na turbínu [kg/s]

ipp – je entalpie ostré přehřáté páry z kotle [J/kg]

inv – je entalpie napájecí vody vstupující do kotle [J/kg]

Druhou položkou je teplo předané částečně expandované páře Qmp [W] při jejím opětovném přihřívání v kotli:

Qmp = (Mmp − Mvst) . (imp2 − imp1)

kde:

Mmp – je průtok přihřívané páry z kotle do ST dílu turbíny [kg/s]

Mvst – je průtok vstřiků napájecí vody do přihřáté páry z důvodu regulace teploty [kg/s]

imp2 – je výstupní entalpie přihřívané páry [J/kg]

imp1 – je vstupní entalpie přihřívané páry [J/kg]

Další částí tepelného výkonu je teplo předané napájecí vodě vstřikované do přihřáté mezipáry při snižování její teploty – Qvst [W]:

Qvst = Mvst . (imp2 − inv)

Pokud uvažujeme o bubnovém kotli s cirkulací ve výparníku, musíme do výrobního tepla započíst i teplo na ohřev odluhu bubnu Qodl [W]:

Qodl = Modl . (iw − inv)

kde:

Modl – je průtok odluhové vody z kotle [kg/s]

iw – je entalpie napájecí vody ohřáté na mez sytosti [J/kg]

Celkový tepelný výkon kotle Qv [W] je součtem dílčích tepel:

Qv = Qpp + Qmp + Qvst + Qodl