Temperatura topnienia popiołu i spieki

Czym są spieki

Popiół w palniku nie zawsze pozostaje sypki. Jeśli w temperaturze paleniska zaczyna mięknąć, jego cząstki sklejają się ze sobą, a po ostygnięciu tworzą twarde, często szkliste bryły — spieki (Zlepione, częściowo stopione bryły popiołu powstające w palniku. Po ostygnięciu są twarde i trudne do usunięcia.)Zlepione, częściowo stopione bryły popiołu powstające w palniku. Po ostygnięciu są twarde i trudne do usunięcia. (inaczej żużel). Spiek zasłania otwory w ruszcie, przez które płynie powietrze do spalania, utrudnia przesuwanie paliwa i usuwanie popiołu. Skutkiem jest niestabilne spalanie, więcej niespalonych cząstek, a w skrajnym przypadku zatrzymanie kotła.

Jak bada się topliwość popiołu (ISO 21404)

Zachowanie popiołu w wysokiej temperaturze bada się według normy ISO 21404:2020, która zastąpiła wcześniejszą specyfikację CEN/TS 15370-1:2006^[24]. Z próbki paliwa przygotowuje się najpierw popiół. W systemie ENplus powstaje on w temperaturze 815 °C^[1]. Następnie z popiołu formuje się niewielką kształtkę i ogrzewa ją w piecu, obserwując zmiany jej kształtu. Temperatury, w których następują kolejne zmiany, to temperatury charakterystyczne (Temperatury, w których kształtka z popiołu w badaniu wg ISO 21404 osiąga określone stadia: skurczu, deformacji, półkuli i płynięcia.)Temperatury, w których kształtka z popiołu w badaniu wg ISO 21404 osiąga określone stadia: skurczu, deformacji, półkuli i płynięcia.:

• SST (ang. shrinkage starting temperature) — początek skurczu: kształtka zaczyna się kurczyć;
• DT (ang. deformation temperature) — temperatura deformacji: pierwsze oznaki mięknięcia, zaokrąglenie krawędzi;
• HT (ang. hemisphere temperature) — temperatura półkuli: kształtka przybiera kształt zbliżony do półkuli;
• FT (ang. flow temperature) — temperatura płynięcia: popiół rozlewa się po podłożu.

Dla użytkownika kotła najważniejsza jest temperatura deformacji: od niej zaczyna się ryzyko, że popiół w palniku będzie się kleić. Im wyższa DT, tym większy zapas bezpieczeństwa.

Wymagania ENplus i normy

ENplus wymaga ponadto, aby w raporcie z badania podano wszystkie temperatury charakterystyczne wymienione w ISO 21404, a nie tylko DT^[1]. W normie ISO 17225-2 zachowanie popiołu w wysokiej temperaturze stało się wymaganiem obowiązkowym dopiero w wydaniu z 2021 r., które wprowadziło progi DT do tabeli klas^[11]; projekt tej normy podaje te same wartości co ENplus^[12].

Dlaczego podobny popiół zachowuje się różnie

Dwa pellety o niemal takiej samej zawartości popiołu mogą zachowywać się w palniku zupełnie inaczej. O topliwości decyduje bowiem skład chemiczny popiołu — proporcje głównych pierwiastków, które oznacza się według ISO 16967: m.in. wapnia, magnezu, potasu, sodu, krzemu, fosforu i żelaza^[25].

Ogólne zależności są dobrze znane, choć ich siła zależy od konkretnego składu:

• Wapń i magnez zwykle podwyższają temperaturę topnienia popiołu — popiół bogaty w te pierwiastki pozostaje sypki w wyższej temperaturze.
• Potas i sód ją obniżają. Szczególnie niekorzystne jest połączenie potasu z krzemem, które tworzy łatwo topliwe krzemiany.
• Krzem pochodzi w drewnie głównie z zanieczyszczeń mineralnych — piasku i ziemi, które trafiają do surowca razem z korą, przy zrywce czy składowaniu na gruncie.

Dlatego sama zawartość popiołu nie przesądza o skłonności do spieków. Niewielka ilość popiołu o niekorzystnym składzie może sprawiać więcej kłopotów niż nieco większa ilość popiołu bogatego w wapń.

Co mówią dane pomiarowe

Fińskie opracowanie VTT zestawia temperatury deformacji popiołu (w atmosferze utleniającej) dla różnych paliw drzewnych. Ogólny zakres dla popiołu z drewna to 1150–1490 °C^[44].

Te dane przynoszą dwie ważne obserwacje. Po pierwsze, nawet czyste trociny sosnowe miały w tym zestawieniu DT poniżej progu klasy A1 (1200 °C) — „czyste drewno” nie gwarantuje więc automatycznie wysokiej temperatury deformacji. Po drugie, kora miała tu DT wyraźnie wyższą niż trociny, mimo że zawiera znacznie więcej popiołu^[44]. Kora zwiększa więc przede wszystkim ilość popiołu, a jej wpływ na topliwość zależy od składu — w praktyce większym problemem bywają zanieczyszczenia mineralne, które trafiają do surowca razem z nią.

W badaniu 30 próbek pelletu z polskiego rynku zbyt niska temperatura topnienia popiołu była jednym ze stwierdzonych problemów, obok podwyższonej zawartości popiołu i niepożądanych domieszek, takich jak kora, materia nieorganiczna i produkty ropopochodne^[47].

Co może zrobić użytkownik

Badanie laboratoryjne mierzy popiół w kontrolowanych warunkach, a w palniku warunki są zmienne: temperatura lokalnie bywa wyższa, a dopływ powietrza nierównomierny. Na powstawanie spieków wpływa więc także kocioł i jego nastawy.