Wat is ketelverbranding?
Ketelverbranding is de studie van hoe brandstoffen worden verbrand in ketels die water verwarmen voor stoom. Er zijn veel toepassingen voor stoomketels, waaronder chemische procesverwarming, stoomwarmte voor gebouwen en warm water en stoom voor het aandrijven van elektrische turbinegeneratoren. Verbranding is de reactie van brandstoffen met zuurstof in lucht om warmte te creëren die wordt gebruikt voor stoomproductie.
Een verscheidenheid aan brandstoffen kan worden gebruikt voor de verbranding van ketels, waaronder aardgas, stookolie en biobrandstoffen geproduceerd uit planten of dierlijk afval. Wanneer brandstof wordt gesproeid of in een ketel met lucht wordt verstoven, kan een ontstekingsspiraal of kleine waakvlam het mengsel ontsteken. Bij verbranding komt veel warmte vrij, waarvan sommige water tot stoom verwarmt, en sommige verloren gaan door straling en rookverlies. Straling is infrarood warmteverlies dat optreedt van een hete boiler in een koelruimte. Rookverliezen zijn verwarmde gassen die via de schoorsteen of ontluchting uit de ketel worden afgevoerd.
Eigenaren en exploitanten zijn geïnteresseerd in het maximaliseren van de efficiëntie van de verbranding van de ketel. De belangrijkste aandachtspunten zijn verbrandingsefficiëntie, of hoe goed brandstof- en luchtmengsels branden, en hoe warmteverliezen te minimaliseren. Verlies van stralingswarmte kan worden geminimaliseerd met de juiste isolatie van ketel en stoomleidingen. Ketelontwerp en bedieningselementen kunnen worden gebruikt om de verbrandingsefficiëntie te maximaliseren.
Het verbrandingsgebied van een ketel heeft normaal buizen met water en stoom die door een open doos gaan die branders en bedieningselementen kan bevatten. Buisontwerp kan de efficiëntie verbeteren door multi-pass-systemen te gebruiken. Waterpijpen die de ketel binnenkomen, kunnen eerst door de rookgaszone gaan, die wat afvalwarmte opneemt en het water voorverwarmt. Buizen kunnen dan meer dan eens door de verbrandingszone gaan om de verbrandingswarmte volledig te benutten, wat ook de efficiëntie verbetert.
Ketelverbrandingsefficiëntie voor lucht en brandstofmengsels is cruciaal voor een goede werking van de ketel. Een brandstofmolecuul heeft een theoretische hoeveelheid zuurstof nodig om volledig te verbranden, maar in werkelijkheid is overtollige zuurstof nodig vanwege verschillende verliezen in de verbrandingszone. Lucht is ongeveer 21 procent zuurstof, dus onverbrande stikstof in lucht moet ook worden verwarmd in de ketel en worden ontlucht door het rookkanaal. Dit beïnvloedt verder de ketelefficiëntie en produceert stikstofverbindingen die zijn verbonden met zure regen en smogvorming.
Te veel zuurstof verlaagt de verbrandingstemperatuur van de ketel, kan een aantal ongewenste verontreinigende stoffen veroorzaken en vereist brandstof om zuurstof en stikstof te verwarmen die niet worden gebruikt. Gebrek aan zuurstof kan de efficiëntie van de ketel verminderen en roet en andere bijproducten veroorzaken die de ketel na verloop van tijd kunnen beschadigen. Onderzoek heeft uitgewezen dat monitoring van zuurstof- en verbrandingsgasconcentraties in het rookgas en het handhaven van een juiste rookgastemperatuur de prestaties van de ketel kunnen optimaliseren.
Kleinere ketels kunnen handmatig worden aangepast met behulp van rookgassensoren en rookgasthermometers, maar veel ketels kunnen profiteren van automatische regelingen. Ketels werken mogelijk niet op een enkel werkpunt, maar hebben variërende stoombehoeften of bedrijfsomstandigheden, waardoor handmatige efficiëntie-instellingen onpraktisch zijn. Oudere ketels kunnen achteraf worden uitgerust met elektronische bedieningselementen die feedback geven aan lucht- en brandstofinvoerpompen voor de beste verbrandingsverhouding.