Przedmiotem niniejszego artykułu jest omówienie i porównanie systemów do spalania biopaliw w postaci rozdrobnionej do tradycyjnych kotłowni gazowych lub olejowych. Zasadnicza różnica polega wykorzystywanym paliwie, co z kolei generuje różnice w konstrukcji samego urządzenia oraz ścieżce paliwowej.
Transport paliwa i produktów spalania
Ścieżka paliwowa obejmuje drogę paliwa z sieci lub magazynu do kotła oraz drogę produktów spalania. W przypadku kotłów na tradycyjne paliwa, takie jak olej i gaz, podstawowymi produktami spalania są dwutlenek węgla CO2 oraz para wodna H2O. W przypadku paliw stałych produktami, które występują przy spalaniu, są także pyły i popiół. W tym artykule zostaną pominięte kwestie fundamentalne, które bezpośrednio wiążą się z rodzajem paliwa, takie jak różnice w systemach zasilania, konstrukcji palników, magazynowaniu i transporcie paliwa, konstrukcji elementów kotła.
Sterowanie kotłem na biomasę
Kotły na biopaliwa zazwyczaj wyposażone są w sterowniki swobodnie programowalne. Wynika to z faktu sterowania złożonymi procesami spalania oraz skomplikowanymi procedurami występującymi w trakcie sterowania i regulacji spalania ciała stałego. W przypadku spalania bio paliw stałych nie bez znaczenia pozostają zagadnienia związane z długimi w czasie procesami. W kotłach na biopaliwa stałe można wyróżnić podstawowe procesy i fazy, takie jak:
- przygotowanie do spalania (czyszczenie palnika, wymienników ciepła, przedmuchanie komory spalania),
- zasyp paliwa,
- zapalanie (aż do momentu zapłonu paliwa),
- rozpalanie (dopiero co zainicjowanego procesu spalania),
- wygrzewanie kotła,
- przekazywanie ciepła do instalacji kotłowej,
- regulacja wydajności (faza podstawowa),
- redukcja wydajności (przygotowanie do wyłączenia kotła),
- odcięcie doprowadzenia paliwa,
- wypalanie rozżarzonego paliwa w komorze spalania,
- przejście w stan czuwania.
Nie wymieniono tu wielu faz przejściowych, występujących lub mogących wystąpić w trakcie pracy urządzenia oraz przemian po stronie paliwa, takich jak podsuszanie, zgazowanie, uplastycznienie i innych).
Te wszystkie fazy zachodzą przy różnych parametrach zasilania w paliwo, powietrze do spalania, przy różnych wartościach podciśnienia w komorze spalania i temperaturach kotła. Ze względu na skomplikowane i rozbudowane procedury startu, pracy, wyłączenia oraz zabezpieczeń przy wielu zmiennych parametrach konieczną rzeczą są sterowniki o dużej mocy obliczeniowej i regulatory charakteryzujące się dobrą dynamiką i niskimi stałymi czasowymi regulacji. Takie warunki spełniają sterowniki przemysłowe, swobodnie programowalne, o mocach obliczeniowych zbliżonych do starszych komputerów klasy PC. Ważną kwestią jest potrzeba stałej optymalizacji procesu sterowania w oparciu o zbierane doświadczenia w v trakcie pracy urządzeń.
Nie jest rzeczą rzadką, iż w trakcie bieżącej obsługi serwisowej realizowana jest aktualizacja oprogramowania w kotle na oprogramowanie nowszej wersji poprawiające parametry kotła, komfort obsługi i bezpieczeństwo użytkowania. W typowych kotłach gazowych i olejowych ze względu na prostotę procesu spalania znajdują zastosowanie typowe sterowniki kotłowe i układy automatyki przeznaczone do typowych układów sterowania systemami grzewczymi, realizujące typowe strategie sterowania i procedury bezpieczeństwa.
Sonda lambda
Standardem w przypadku dobrych kotłów na biopaliwa stałe jest sonda lambda, do ciągłego badania składu spalin i optymalizacji procesu spalania oraz diagnostyki pracy palnika. Nowoczesna konstrukcja kotłów na pellet pozwala na redukcję wpływu zmiennej jakości paliwa. Nie dotyczy to zanieczyszczeń powodujących tworzenie się szlaki w normalnej temperaturze spalania, takich jak piasek. Zmienna jakość oznacza także różną wartość opałową pelletu, zmienną zawartość wilgoci, zmienną gęstość nasypową. Sonda lambda pozwala na kontrolę zawartości tlenu w spalinach. Znana zawartość tlenu w spalinach oraz temperatura spalin umożliwiają precyzyjną regulację ilości dostarczanego powietrza i paliwa do komory spalania. Przykładowo, niedobór dostarczanego powietrza objawia się podwyższoną temperaturą spalin powyżej 700°C oraz niską zawartością tlenu wynoszącą poniżej 8%. Równocześnie następuje wzrost zawartości CO w spalinach. Nadmiar powietrza przy zachowaniu mocy chwilowej kotła powoduje obniżenie temperatury spalin poniżej 600°C z jednoczesnym zwiększonym wydzielaniem się CO oraz sadzy. Optymalna temperatura spalania przy minimalnej zawartości CO w spalinach oraz wysokiej sprawności zawiera się w przedziale temperatur 650700°C. Są to wnioski z pomiarów i obserwacji kotła Biomatic .300 o mocy 300 kW W przypadku innych kotłów te zakresy mogą się nieznacznie różnić. Przedstawione powyżej obserwacje są namiastką złożonych procesów zachodzących w komorze spalania, zaś algorytm sterowania pracą kotła jest bardziej skomplikowany i powiązany z innymi parametrami pracy kotła.
Konieczność stosowania sondy lambda
Konieczność stosowania sondy lambda jest także przy zachowaniu stałej wartości opałowej pelletu. Doprowadzenie paliwa do komory spalania ma charakter objętościowy i nie gwarantuje precyzyjnego dozowania masowego. Gęstość nasypowa pelletu jest zmienna i uzależniona od warunków sprasowania oraz granulacji. Sonda lambda koryguje dynamicznie ilość dozowanego paliwa lub/i strumień dostarczanego powietrza do komory spalania.
Automatyka przemysłowa dla paliw stałych
Nowoczesne kotły na biopaliwa stałe mają dużo cech wspólnych z obecnie produkowanymi kotłami gazowymi i olejowymi. Jednakże ze względu na specyfikę paliwa mają także sporo różnic. Jedną z nich jest automatyka sterująca procesami spalania oraz peryferiami instalacji kotłowej. Pozostałe różnice pomiędzy kotłami tradycyjnymi a opalanymi biomasą będą przedmiotem następnego artykułu.
