W dziale omówiono tylko kotły na węgiel, kotły na biomasę są szczegółówo scharakteryzowane w dziale biomasy technika urządzeń i systemów energetyki odnawialnej. W przygotowaniu kotły na gaz i olej opałowy.
Wiadomości wstępne
Kotły na paliwo stałe można najogólniej podzielić na stalowe i żeliwne. Ponieważ podział ten skutkuje zupełnie innymi właściwościami, poniżej kilka uwag o obu rozwiązaniach.
Kotły stalowe – wykonywane są przez spawanie z płyt oraz rur ze specjalnego rodzaju stali. Powszechnie stosowanymi odmianami są stal kotłowa i żaroodporna o grubości blachy równej lub większej niż 4 mm. Dodatkowym czynnikiem, który zwiększa sprawność kotła stalowego jest również powszechnie stosowana wełna mineralna, która wyściela wewnętrzną część blachy jaką pokryty jest kocioł. Kotły stalowe występują najczęściej w formie urządzeń z dolnym lub górnym spalaniem. Dokładny schemat działania kotłów stalowych z dolnym i górnym spalaniem znajduje się poniżej. Kotły stalowe to najczęściej urządzenia o dwu- lub trójciągowym przepływie spalin. W małych kotłach pierwszy ciąg stanowi komora spalania z nieruchomym rusztem, poniżej którego znajduje się popielnik. Drugi i trzeci ciąg tworzą specjalnie wyprofilowane ściany kotła wewnątrz których płynie woda. W większych jednostkach o dużej mocy, pierwszy ciąg stanowi rura o dużej średnicy tzw. płomienica, a drugi i trzeci – tworzą poziome rurki zwane płomieniówkami. Spaliny płyną wewnątrz rurek, a woda znajduje się w przestrzeni międzyrurkowej. Ruszt w takich kotłach może być ruchomy z automatycznym odpopielaniem.
Im większy kocioł tym inne zasady palenia i wymagania odnośnie jakości samego paliwa. Automatyzacja procesu spalania wymaga paliwa wysokiej jakości i małych gabarytów. Kotły z zasypem ręcznym mogą więc spalać paliwo niesortowane o różnych wymiarach, w przypadku węgla może być np. wykorzystywany węgiel w postaci kęsów i kostek. Kotły z podajnikiem automatycznym wymagają już węgla sortowanego np. groszku. Kotły przemysłowe, to na ogół jednostki spalające węgiel w postaci miału i pyłu, często w postaci zawieszonej (kotły fluidalne)
Zalety
* odporne na uderzenia (co dosyć często ma miejsce podczas transportu) z uwagi na fakt, iż stal jest materiałem o dużych właściwościach plastycznych;
* mniej wrażliwe na zmiany temperatury wody zasilającej kocioł, a co za tym idzie – bardziej odporne na skoki ciśnień wewnątrz kotła;
* lekka konstrukcja;
* łatwe w naprawie i konserwacji (dają sie zaspawać)
Wady
* mała powierzchnia grzewcza, przy danej objętości;
* niewygodne w transporcie, brak możliwości rozbudowy (moc fabryczna jest mocą docelową);
* mała odporność na korozję, wymagają ochrony przed tzw. zimnym startem.
Kotły żeliwne – wykonane są z wysoce odpornego materiału – żeliwa, którego skład stanowi stop odlewniczy żelaza i węgla (w ilości od 2-4, 5%), jak również manganu, krzemu, fosforu, siarki oraz innych składników, otrzymywanych poprzez stopienie surówki wielkopiecowej i dodatku złomu żeliwnego i stalowego oraz stopów żelaza.
Kotły żeliwne zbudowane są z określonej ilości elementów, zwanych również członami. W procesie produkcji kotła żeliwnego, poszczególne człony łączone są ze sobą za pomocą tulei dwustożkowych walcowych gwintowanych lub też dwustożkowych wciskanych, a następnie dociskane przy użyciu śrub zewnętrznych i przypasowanych do nich nakrętek. Człon czołowy ( w skład którego wchodzą m.in. drzwiczki komory zasypowej i drzwiczki odpopielnika, ) i tylny (wyjście na czopuch, króciec do podłączenia wężownicy schładzającej) stanowią nieodzowny i podstawowy element każdego z kotłów żeliwnych. Wyżej wymieniona metoda produkcyjna (łączenie członów) jest bardzo praktyczna, gdyż nie tylko pozwala ona na rozbudowę kotła żeliwnego wraz ze wzrostem zapotrzebowania na uzyskanie większej powierzchni grzewczej, ale również szybkiego i sprawnego dokonania wymiany członu w przypadku jego uszkodzenia.
Zalety – trwałość >25 lat, odporność na korozję, możliwość rozbudowy przy wzroście zapotrzebowania na moc, duża powierzchnia grzewcza w stosunku do objętości z uwagi na żebrowanie członów
Wady – duży ciężar, wpływ trwałości kotła na skoki temperatur, wrażliwość na uderzenia w czasie transportu, ograniczenia konstrukcyjne skutkujące obecnie niższa sprawnością cieplną w porównaniu do kotłów stalowych
Rys. Kocioł żeliwny członowy KZ3-Kp w wersji koksowej. 1-żeliwny korpus kotła, 2-drzwiczki paleniskowe, 3-drzwiczki popielnika, 5-czopuch, 6-płaszcz osłonowy z izolacją cieplną, 9-termometr
Fot. Wygląd środkowego członu kotła żeliwnego Camino 3.
Kotły z górnym spalaniem
Mają niską sprawność rzędu 50-75%, paliwo pali się w nich z dołu do góry w całej objętości wsadu. Szybkość palenia regulowana jest tzw. miarkownikiem ciągu, który steruje stopniem otwarcia drzwiczek paleniskowych, zwiększając lub zmniejszając dopływ powietrza do komory spalania. Palenie przebiega bardzo szybko, wymagając stałego uzupełniania wsadu. Powoduje to niezupełne spalanie się paliwa i porywanie małych cząstek węgla przez spaliny. Zdławienie stopnia otwarcia dopływu powietrza spowalnia spalanie, ale zmniejsza temperaturę w komorze paleniskowej i sprzyja niezupełnemu spalaniu części stałych. Po wygaszeniu paleniska w komorze pozostają zwykle niedopalone kawałki paliwa. Generalnie kotły te mimo niskiej efektywności spalania są tanie, proste w konstrukcji i eksploatacji.
Fot. (poniżej) Miarkownik ciągu
Kotły z dolnym spalaniem
Paliwo pali się w nich na tylnej ścianie komory zasypowej lub w komorze spalania znajdującej się z tyłu komory zasypu. Palenie nie jest intensywne, żarzy się tylko w części dolnej kotła i stopniowo spopiela, reszta wsadu stopniowo obsuwa się w dół komory. Dopalanie spalin odbywa się w komorze drugiego ciągu spalinowego dzięki czemu sprawność kotłów jest dość duża i wynosi do 80%. Drewno musi być dobrze wysezonowane z wilgotnością poniżej 25%. Ruszt może być stały lub ruchomy. Ruszty stałe wykonywane są najczęściej jako wodne, ruchome mogą być żeliwne lub stalowe. Obie powyższe konstrukcje kotłów mogą pracować jako kotły atmosferyczne, na ciągu kominowym lub wentylatorowe z wentylatorem nadmuchowym lub wyciągowym. Pierwsze rozwiązanie jest tańsze i niezależne od instalacji elektrycznej, ale wymaga wysokich kominów: dla kotłów ze spalaniem górnym minimum 4m dla spalania dolnego nawet 7-8m. Kotły atmosferyczne spalają też dość szybko paliwo i wymagają stałej obsługi. Kotły wentylatorowe zapewniają tzw. stałopalność kotła. Paliwo można dorzucać raz na 6h (kotły ze spalaniem górnym) do 18 h (kotły ze spalaniem dolnym).
