mgr inż. Radosław Napiórkowski

mgr inż. Piotr Jadwiszczak

dr inż. Andrzej Grzegorczyk

8  INSTALACJE OLEJU OPAŁOWEGO LEKKIEGO. PALNIKI

     OLEJOWE.

1.    Wstęp

Wciąż jeszcze brakuje fachowej literatury w języku polskim, która szczegółowo i kompleksowo omawiałaby rozwiązania instalacji oleju opałowego oraz sposoby obliczania i doboru urządzeń i rurociągów wchodzących w ich skład. W praktyce projektanci kotłowni – bardziej lub mniej skutecznie – podpatrują i naśladują gotowe wzory rozwiązań niemieckich.

W opracowaniu wykazano zasadność takiego naśladownictwa przy projektowaniu instalacji dla oleju opałowego lekkiego wytwarzanego w Polsce oraz przedstawiono w skrócie najczęściej stosowane rozwiązania instalacji oleju opałowego lekkiego w kotłowniach grzewczych o mocach od kilkunastu kilowatów do kilku megawatów.

2.    Olej opałowy lekki jako paliwo

W Polsce w kotłowniach grzewczych jako olej opałowy wykorzystywany jest olej opałowy lekki. Olej opalowy lekki jest olejem mineralnym - produktem destylacji ropy naftowej.

Do podstawowych własności fizyko-chemicznych olejów opałowych zaliczają się:

-          gęstość,

-          wartość opałowa,

-          lepkość kinematyczna - ma zasadniczy wpływ na rozpylenie oleju, a co za tym idzie na prawidłowość przebiegu procesu spalania,

-          objętość odparowana łącznie w procesie destylacji w temperaturach do 250°C i do 350°C; służy do interpretacji składu frakcyjnego oleju,

-          punkt zapłonu - jest to najniższa temperatura, przy której w zamkniętym tyglu wytwarza się mieszanka parowo-powietrzna, zdolna do zapłonu z obcego źródła; służy do określania stopnia łatwopalności paliwa – np. podczas magazynowania,

-          punkt płynięcia, zwany też punktem zmętnienia – jest to najniższa temperatura, przy której olej (w ściśle określonych warunkach) jest jeszcze płynny; poniżej tej temperatury z olejów mineralnych zaczyna wydzielać się parafina; służy np. do określania minimalnej temperatury składowania paliwa,

-          pozostałość po koksowaniu  - jest to ilość koksu pozostająca po wytlewaniu oleju (wg Conradsona), opisuje skłonność paliwa do „zakoksowania” dysz palników (wielkość ta jest ważna dla palników odparowujących olej przed spaleniem),

-          zawartość siarki,

-          zawartość wody (w emulsji);

-          osad po sedymentacji,

-          pozostałość po spopieleniu – popiół jest pozostałością po spalaniu, występuje w postaci tlenków w niewielkich ilościach, ma działanie niszczące na ściany kotła,

-          barwa – zależy od pochodzenia oleju; aby odróżnić olej opałowy lekki od oleju napędowego, ten pierwszy barwi się sztucznie na czerwono.

Tabela 1. Wybrane wymagania jakościowe dla olejów opałowych lekkich: EL i EKOTERM PLUS.

Jak łatwo zauważyć, porównane w tabeli 1. wymagania jakościowe [4] dla produkowanego w Polsce oleju opałowego lekkiego EKOTERM PLUS są podobne, a w niektórych punktach nawet ostrzejsze niż wymagania normy DIN 51603 dla niemieckiego oleju lekkiego EL. Wątpliwości mogłaby budzić gęstość oleju, jako że dla oleju EKOTERM PLUS, dla tej samej wartości, wymagania dotyczą pomiaru w wyższej temperaturze. Jednakże należy pamiętać, że są to maksymalne wartości gęstości.

Zgodność parametrów obu olejów gwarantuje utrzymanie wydajności i parametrów pracy urządzeń (w tym palników olejowych), podobieństwo charakterystyk hydraulicznych rurociągów, dysz olejowych itd. dla oleju EKOTERM PLUS jak dla oleju EL.

Zatem, wzorem do naśladowania przy projektowaniu instalacji oleju opałowego lekkiego mogą być rozwiązania niemieckie dla oleju EL, a charakterystyki urządzeń i armatury wyznaczone dla oleju EL można stosować również dla oleju EKOTERM PLUS.

3.    Podstawowe rodzaje instalacji oleju opałowego lekkiego w kotłowni

Instalacja oleju opałowego w kotłowni składa się zasadniczo z trzech podstawowych części:

-          palnika wraz z kotłem, w którym następuje spalanie oleju,

-          instalacji doprowadzającej olej ze zbiornika do palnika,

-          zbiornika oleju, w którym olej jest magazynowany.

Zadaniem palników olejowych jest możliwie drobne rozpylenie oleju opałowego lub umożliwienie jego odparowania, intensywne wymieszanie z powietrzem i spalenie tej mieszaniny. W zależności od przebiegu tych procesów rozróżnia się kilka rodzajów budowy palników:

·         palniki z odparowaniem oleju;

·         palniki z rozpylaniem oleju za pomocą dyszy (wysokociśnieniowe);

·         palniki inżektorowe;

·         palniki wirowe (rotacyjne).

Przyszłościowe rozwiązania, np. palniki z rozpylaniem ultradźwiękowym czy elektrostatycznym nie są jeszcze szerzej stosowane w praktyce.

Ciągła regulacja mocy palnika olejowego („regulacja modulacyjna”) jest trudna w realizacji, bowiem wymaga nie tylko płynnej regulacji strumienia dostarczanego paliwa z zachowaniem dobrego rozpylenia ale i odpowiedniej płynnej regulacji dostarczanego powietrza z zachowaniem odpowiedniego ciśnienia. Rozwiązania takie są obecnie stosowane w palnikach o dużej mocy (powyżej 1000 kW, chociaż dzięki szerokiemu stosowaniu elektroniki granica ta obniża się) i wymagają ciągłego pomiaru zawartości tlenu w spalinach („sonda lambda” z tlenku cyrkonu). Małe i średnie kotły pracują na zasadzie regulacji jednopunktowej (zał/wył) lub dwupunktowej (wył. – „mały płomień”, ok. 2/3 mocy maks. – „duży płomień”.

Palniki z niebieskim płomieniem uzyskuje się dzięki całkowitemu odparowaniu oleju przed spaleniem (podniesienie temperatury czynników, nawrót gorących spalin, dodatkowe elementy metalowe lub ceramiczne przed wylotem dyszy umożliwiające odparowanie oleju przed wejściem w strefę płomienia).

Ze względów bezpieczeństwa, ale także i dla poprawienia regulacyjności, palniki te są wyposażone w komplet urządzeń zabezpieczających i regulacyjnych.

Dla kotłów grzewczych o mocach od kilkunastu kilowatów do kilku megawatów zastosowanie znajdują głównie wysokociśnieniowe palniki olejowe z rozpylaniem oleju. Dlatego instalacjom oleju przeznaczonym do zasilania takich właśnie palników poświecono pozostałą część tekstu.

Można wyróżnić cztery podstawowe rodzaje instalacji doprowadzających olej z magazynu oleju do palnika(ów). Są to:

-          instalacja jednoprzewodowa,

-          instalacja dwuprzewodowa,

-          instalacja ze zbiornikiem pośrednim,

-          instalacja z przewodem obiegowym (z rurociągiem pierścieniowym).

W instalacji jednoprzewodowej (rys.1) zbiornik jest połączony z palnikiem – jak nazwa wskazuje - tylko jednym przewodem. Przepływ oleju wymusza pompa olejowa palnika. W przypadku większej ilości palników, do każdego palnika olej musi być doprowadzany indywidualnym przewodem.

Ze względu na wyprowadzenie przewodu ssawnego oleju ze zbiornika(ów) górą, nie ma on (przewód) możliwości samoczynnego odpowietrzenia. Dlatego palnik musi być wyposażony w układ automatycznego odpowietrzenia[1]. Ponadto, ważnym jest by unikać podciśnienia na króćcu ssawnym pompy. Zatem instalację jednoprzewodową należy projektować tak, by zbiornik oleju znajdował się powyżej palnika (tak, aby najniższy eksploatacyjny poziom oleju w zbiorniku znajdował się powyżej osi pompy palnika).

Pompy palników mają ograniczone dopuszczalne nadciśnienie na króćcu ssawnym. I tak, maksymalne nadciśnienie zasilania typowych pomp palników wysokociśnieniowych wynosi – w zależności od typu pompy – od 0,7 do 5,0 bar (określa producent pompy). Należy też pamiętać o sprawdzeniu dopuszczalnych ciśnień roboczych armatury olejowej palnika, w tym głównie filtra i odpowietrznika automatycznego, których maksymalne nadciśnienie w przewodzie doprowadzającym często wynosi tylko 0,7 bar. Przy instalacjach jedno- i dwuprzewodowych jest to o tyle ważne, że w przypadku lokalizacji zbiorników oleju znacznie powyżej palników (w typowych kotłowniach grzewczych przypadek raczej niespotykany) dopuszczalne ciśnienie dopływu pompy mogłoby zostać przekroczone. W takim przypadku należałoby przewidzieć redukcję ciśnienia przed armaturą palnika lub zastosowanie zbiornika pośredniego w kotłowni.

Średnicę przewodu instalacji jednoprzewodowej dobiera się przy założeniu prędkości przepływu oleju ok. 0,2 m/s. Nominal...