Топкові камери для вугілля можуть бути розділені на такі види:
- з колосниковою решіткою;
- з псевдозрідженим шаром.
Тут не розглядаються системи згоряння флюїдного типу, в яких використовують тонко подрібнене або пилоподібне вугілля, що характерне для установок, які застосовуються на електростанціях.
Котли для твердого палива з колосниковою решіткою бувають фіксованого, рухливого або спринклерного типу. Рухливі колосникові решітки можуть бути безперервного, стрічкового або нахиленого типу. Взагалі, будь-яке вугілля повинно перебувати достатньо довго у топці, щоб забезпечити максимально можливе вигорання вуглецю. Незначна кількість вуглецю все ж залишається у золі. Обидві топкові камери потребують, щоб вугілля мало розміри певного діапазону. Вони погано працюють з тонко подрібненим паливом, що виноситься з печі топковими (димовими) газами. Спринклерні котли мають діапазон регулювання 3:1.
Спалювання з використанням псевдозрідженого шару зазвичай застосовується на великих котлах, оскільки такі пристрої потребують великих капітальних затрат. Однак ці пристрої мають перевагу в тому, що у них знизу можлива подача вапна і таким чином є можливість абсорбції сірки з палива і об’єднання горіння з процесом очищення. Недолік – необхідно подавати на вентилятори більшу потужність, щоб забезпечити зрідження шару вогнетривкого піску. Часто швидкість потоку повітря є більшою від оптимальної, яка необхідна для повного згоряння, тому ККД отримується на декілька відсотків менше, ніж для інших типів котлів.
2.4.5.4 Тепловий обмін
Котли, на відміну від пальників або форсунок, є теплообмінниками. Більшість котлів призначається для передачі тепла, що отримане при згорянні палива. Вони забезпечують отримання тепла з певним ККД, величини яких наведені у табл. 7. У процесі згоряння на виході отримується тепло у формі випромінювання та конвекції. Для передачі променистого тепла використовується широка жарова труба і комплект вужчих труб для конвективної теплопередачі.
Таблиця 7. ККД котла і вміст вуглецю у паливі
| Паливо | Значення ККД | Вміст вуглецю (ваговий) |
| Газ | 78–80% | 75% |
| Нафтопродукти | 80–84% | 86% |
| Вугілля | 82–86% | 89% (Антрацит) |
Для забезпечення ефективного переносу тепла обидві поверхні труб, як жарова (вогнева), так і водяна, повинні бути чистими.
На жарових поверхнях накопичується сажа, окисли та інші забруднення, що утворюються під час згоряння палива.
Концентрація розчинених неорганічних хімічних речовин у воді, яка циркулює у котлі, внаслідок випарювання збільшується, що викликає сильне нашарування накипу на водяних поверхнях труб, і в кінцевому підсумку це може бути небезпечним через можливе їх пошкодження. Щоб це попередити, певна контрольована кількість води видаляється з котла. Ця операція називається продувкою котла і виконується за графіком або безперервно. Гаряча вода продувки виносить з собою тепло, що подеколи повертається у бак для гарячого конденсату.
Втрати тепла з поверхні котла майже постійні. При повному навантаженні вони для сучасних котлів приблизно рівні 1–1,5%, але оскільки навантаження котла часто буває неповним і можлива його робота у резервному режимі, то втрати у таких випадках бувають більш високими, біля 3% -5% від повної витрати палива на рік. Загальний ККД котла в результаті перелічених втрат знижується до 75%. Це реальна цифра для котлів, що працюють на газі, нафті та вугіллі і саме її слід брати до уваги при проектних розробках нових джерел енергопостачання чи реконструкції існуючих систем генерації пари.
2.4.5.5 Подача пари споживачам
Переважно подача пари споживачам здійснюється при тиску дещо більшому, ніж це необхідно. Це гарантує забезпечення кінцевого тиску, необхідного споживачу.
Втратизумовлені теплопередачею з трубопроводів та витоками пари. Для добре спроектованих та правильно експлуатованих систем втрата тепла не більша від 2–5% початкової потужності пари у котлі. При втраті тепла у трубопроводі утворюється конденсат, який зазвичай видаляють за допомогою конденсаційного глечика. Використання перегрітої пари призводить до підвищення температури пари і, як наслідок, збільшення втрат з трубопроводів. На величину втрат впливає також розмір труб. Більшість систем мають труби більшого ніж це потрібно розміру, що зв’язане з додатковими капітальними та експлуатаційними затратами. Останнє зумовлене частково тим, що труби більших розмірів мають додаткові втрати тепла. Проте часто розміри труб завищують, щоб передбачити можливість збільшення продуктивності системи у майбутньому.
2.4.5.6 Втрати конденсату
Сконденсована під тиском пара починає закипати, коли рідина повертається до умов атмосферного тиску у баках-накопичувачах. Закипаючий конденсат переважно втрачається в атмосфері і для конденсату при тиску 7 бар це становить біля 50% тепла, яке до того було у конденсаті. Оскільки сам конденсат при тиску 7 бар має 26% від тепла, що була у підведеній парі, та загальна втрата на закипання становить 13% від початкової величини. Якщо пізніше конденсат при атмосферному тиску випускається у дренаж (каналізацію), втрати тепла складають ще 13% від кількості тепла у підведеній парі. Таким чином, на типовій виробничій площадці, де вся пара закипання втрачається і повертається лише 50% конденсату, загальні втрати тепла становлять не менше від 20%. Крім того, тепло втрачається при транспортуванні конденсату по трубопроводах.
2.4.5.7 Котельня – загальна система
Зменшення енергії у процесі її підготовки до споживання показане у табл. 8. Бачимо, що існують дві ділянки з найбільшими втратами – це котел та розподілювальна мережа подачі пари споживачам.
Таблиця 8. ККД системи подачі тепла
| Зменшення енергії в різних точках системи подачі тепла | ККД, % | Вартість тепла, £/ГДж |
| Подача палива в котли | 100 | 2,00 |
| Пара від котла | 80 | 2,50 |
| Пара від котельні | 75 | 2,67 |
| Пара в точці споживання | 70 | 2,86 |
| Пара, включно з втратами | 50 | 4,00 |
Загальний ККД системи подачі тепла близький до 45–50%. Об’єкти з довгими паропроводами, поганим станом ізоляції та проблемами з витіканням пари можуть мати значно менші значення ККД. Це робить тепло, яке подається до місця споживання пари, дуже дорогим. Але в загальному, центральна котельня має можливість зміни виду палива, що дозволяє знизити експлуатаційні затрати.
При визначенні вартості тепла необхідно враховувати всю систему, котра забезпечує подачу тепла, а не тільки котли або котельню. Якщо аналізувати зростаючу вартість пари, буде очевидно, що найбільша втрата енергії (з точки зору вартості), появляється в результаті втрати тепла у паровому конденсаті та на етапі транспортування пари. Мінімалізація втрат тепла є одним із важливих завдань енергозбереження.