Paliwa węglowe dla małych kotłów c.o.

W krajowej małej energetyce dominującym paliwem jest węgiel kamienny. Podaż węgla wystarcza na potrzeby energetyczne tego sektora. Rynek jest dobrze zorganizowany i obejmuje obszar całego kraju. Zatem doraźne bezpieczeństwo energetyczne użytkownika kotłowni węglowej jest zapewnione. Węgiel można kupić z wyprzedzeniem i magazynować bez strat przez dłuższy okres lub kupować go na bieżąco w wybranym składzie opałowym, w dowolnym dogodnym okresie. Kopalnie węgla  mają dobrze zorganizowane zaplecza kontroli jakości, które działają w oparciu o wypracowane przed wielu laty i systematycznie doskonalone normy oraz metodyki badawcze, utrzymujące poziom jakości wymagany przez reżimy technologiczne wytwarzania ciepła.

Informacje podstawowe

Węgiel w znaczeniu chemicznym to pierwiastek chemiczny (oznaczany symbolem C), który jest podstawowym składnikiem paliw organicznych (koksu, węgla kamiennego, węgla brunatnego, ropy naftowej, olejów opałowych, gazu ziemnego itp.). Natomiast w znaczeniu geologicznym jest to kopalina stała występująca w skorupie ziemskiej, stanowiąca podstawowe paliwo technologiczne w procesach wytwarzania ciepła i energii elektrycznej (węgiel brunatny i kamienny). Wydobywany w kopalniach węgiel kamienny dzieli się na typy, sortymenty i klasy.

Podstawą podziału węgla na typy są naturalne cechy charakteryzujące jego przydatność technologiczną (tab. 1). Węgiel kamienny dzielony jest na sortymenty na podstawie granicznych wielkości ziaren (tab. 2). Natomiast podstawą podziału węgla kamiennego na klasy są: wartość opałowa węgla w stanie roboczym Q_i^r, zawartość popiołu w węglu w stanie roboczym A^r oraz zawartość siarki w węglu w stanie roboczym S_t^r. Podstawowym wyznacznikiem klasy węgla, decydującym o jego wartości energetycznej, jest wartość opałowa.

Wartość opałowa (Q_i^r) jest miarą ilości zawartej w węglu energii chemicznej możliwej do przekształcenia w ciepło w procesie spalania. Zależy przede wszystkim od zawartości w węglu wilgoci i popiołu, w mniejszym stopniu – od typu węgla. Jednostką wartości opałowej jest 1 kJ/kg lub 1 GJ/Mg (tonę) (1 GJ/Mg = 1000 kJ/kg).

Klasę węgla oznacza się za pomocą trzyczłonowego symbolu, np. klasa 28-07-06 oznacza węgiel o wartości opałowej min. 28 000 kJ/kg, zawartości popiołu najwyżej 7%, a siarki najwyżej 0,6%; klasa 19-14-11 oznacza węgiel o wartości opałowej min. 19 000 kJ/kg, maksymalnej zawartości popiołu 14% i zawartości siarki najwyżej 1,1%.

Zależność wielkości zużycia węgla od jego wartości opałowej jest prosta – np. dla uzyskania takiego samego efektu energetycznego trzeba zużyć 100 kg węgla o wartości opałowej 30 000 kJ/kg, 120 kg węgla o wartości opałowej 25 000 kJ/kg lub 150 kg węgla o wartości opałowej 20 000 kJ/kg. Na dokumentach sprzedaży węgla dla celów energetycznych powinny znajdować się następujące informacje:

• nazwa lub wyróżnik typu węgla, np.: węgiel płomienny typ 31.1 (lub 31.2), węgiel gazowopłomienny typ 32.1 (lub 32.2), węgiel gazowy typ 33,
• nazwa lub symbol sortymentu węgla, np. orzech (O), orzech I (O I), orzech II (O II), groszek (Gk), groszek I (Gk I), groszek II (Gk II), miał I (M I) lub miał II (M II),
• symbol klasy węgla, np. 28-07-06.

Warto także wiedzieć, że w obrocie węglem nie funkcjonuje pojęcie gatunku. Cyfry rzymskie, które figurują przy nazwie lub symbolu sortymentu handlowego węgla (np. orzech I albo O I, groszek II albo Gk II, miał I, czyli M I) – potocznie uznawane za wyróżnik gatunku – wcale nie oznaczają gatunku węgla i odnoszą się wyłącznie do wymiarów ziaren węgla. Orzech II może mieć wartość opałową wyższą od orzecha I, groszku I itp.

Wartość opałowa

Podstawowym parametrem cenotwórczym węgla jest jego wartość opałowa, która zależy przede wszystkim od zawartości w nim wilgoci i popiołu. Należy zauważyć, że węgiel się wydobywa, a nie „produkuje” w potocznym znaczeniu tego słowa. Jakość węgla jest zdeterminowana naturalną jakością podziemnych pokładów, z których się go wydobywa. Operacje technologiczne wykonywane w procesie przygotowania węgla do sprzedaży ograniczają się do selekcji urobku z poszczególnych pokładów oraz sortowania go na poszczególne sortymenty ziarnowe. Operacje wzbogacania węgla (obniżające zawartość popiołu), powszechnie stosowane w kopalniach węgli koksowych, w kopalniach węgli opałowych stosowane są w niewielkim zakresie.

Konieczność kierowania się przy zakupie węgla ceną 1 GJ zawartej w nim energii, a nie samą ceną 1 Mg (tony) tego węgla, jest bezdyskusyjna. Natomiast odpowiedź na pytanie, czy niższa cena 1 GJ zawartego w danym paliwie przełoży się na proporcjonalnie niższy koszt zużycia paliwa, już nie jest tak jednoznaczna.

Przeanalizujmy przykład palenia miałem o wysokiej i niskiej wartości opałowej. Według aktualnego cennika Kompanii Węglowej SA miał o wartości opałowej 16 GJ/Mg kosztuje 177,05 zł/tonę, a miał o wartości opałowej 26 GJ/Mg kosztuje 335,78 zł/tonę. Jest to pozornie duża różnica. Pozornie – bo jeśli kupimy rocznie 5 ton węgla o wartości opałowej 26 GJ/Mg, to węgla o wartości opałowej 16 GJ/Mg będziemy musieli kupić 8,125 tony, by uzyskać taką samą wartość energetyczną paliwa.

Koszt zakupu węgla o wartości opałowej 16 GJ/Mg będzie więc w skali roku mniejszy tylko o 240 zł (1440 zł zamiast 1680 zł, czyli różnica wynosi ok. 14%). I to jest teoretycznie maksymalny efekt, jaki możemy uzyskać. Teoretycznie, bo w praktyce prawdopodobnie poniesiemy dodatkowe koszty transportu większej ilości węgla, a na pewno straty związane z niższą sprawnością kotła podczas pracy na gorszym paliwie (zużyjemy więcej niż 8,125 tony węgla rocznie, trudno jednak stwierdzić dokładnie, o ile więcej). Przy okazji będziemy musieli przenieść więcej węgla i wynieść więcej popiołu. Możemy mieć również problemy z uzyskaniem mocy nominalnej kotła, czyli niedogrzaniem w okresach niskich temperatur otoczenia.

Czy warto? Bardziej sensowne wydaje się stosowanie węgli najlepszych, bez poszukiwania często iluzorycznych potencjalnych efektów ekonomicznych, które przy takim poziomie rocznego zużycia paliwa nie mogą być znaczne. W przypadku lokalnych cen detalicznych ten efekt może być większy, ale zawsze powinna to być różnica około 14%. Jeśli różnica w oferowanych cenach miałów o takich wartościach opałowych jest większa od 14%, należy dobrze się zastanowić, czy nie wynika ona czasem z tego, że rzeczywista wartość opałowa oferowanego miału jest niższa od deklarowanej. Skąd sprzedawca może mieć miał relatywnie tańszy niż producent?

Na specyficznym krajowym rynku obserwuje się ciekawe zjawisko obniżania się wartości opałowej węgla na drodze z kopalni do użytkownika – tym wyraźniej, im więcej pośredników występuje na tej drodze (w węglu zwiększa się zawartość wilgoci i popiołu). Wystawiony przez kopalnię dokument potwierdzający jakość węgla, którego kolejną kopię przedstawia klientowi sprzedawca końcowy, bardzo często jest tylko nic niewartym papierem.

Klient nie ma żadnej możliwości zbadania wartości opałowej węgla w miejscu zakupu, a po jego odbiorze jest bezsilny, bo nawet po późniejszym zbadaniu jakości węgla (np. w specjalistycznym laboratorium) nie ma żadnej możliwości udowodnienia sprzedawcy, że kwestionowane paliwo pochodzi od niego. W zdecydowanie lepszej sytuacji jest nabywca węgla paczkowanego (z jednoznacznie oznakowanym producentem i atestem jakościowym), gdyż po stwierdzeniu nieodpowiedniej jakości może on kolejną paczkę przeznaczyć na badania i reklamację.

Inne właściwości węgla

Jak zaznaczono na początku, w Polsce podaż węgla wystarcza na potrzeby małej energetyki. Jednak nie każdy węgiel nadaje się na paliwo do małych kotłów węglowych. Węgiel węglowi nierówny, choć wyglądają podobnie. Różne konstrukcje kotłów wymagają także innego węgla. Oprócz wartości opałowej istotne znaczenie mają także uziarnienie i własności spiekające.

Wśród eksploatowanych w kraju kotłów zdecydowanie dominują urządzenia zasilane węglem kawałkowym grubym (sortyment kostka i orzech) oraz średnim (sortyment groszek). Natomiast w strukturze wydobywanego węgla dominuje miał (około 80% wydobycia). Wzrost podaży sortymentów grubych i średnich poprzez zwiększenie ich uzysku jest technicznie niemożliwy, natomiast zwiększenie podaży tych sortymentów poprzez wzrost poziomu wydobycia węgla ogółem blokuje brak możliwości zbytu uzyskanych w tym przypadku dodatkowych ilości miału. Toteż od pewnego czasu obserwuje się w kraju silny deficyt dobrej jakości sortymentów grubych i średnich węgla, dotkliwie odczuwany w sektorze ogrzewnictwa indywidualnego.

Szczególnie wyraźnie problem ten uwidocznił się w przypadku kotłów z automatycznym palnikiem retortowym, zasilanych węglem w sortymencie groszek. Dynamiczny wzrost produkcji i sprzedaży tych kotłów stał się w ostatnim dziesięcioleciu podstawą proekologicznego trendu rozwoju sektora małej energetyki, zwiększając gwałtownie zapotrzebowanie na ten sortyment. Sytuację dodatkowo komplikują wysokie wymagania jakościowe wobec paliw dla konwencjonalnych palników retortowych, szczególnie wobec braku spiekalności węgla.

Jednocześnie ze zjawiskiem spalania w palenisku węglowym występuje zjawisko odgazowania węgla (piroliza). Odgazowanie przebiega w temperaturze 350–550°C, w części złoża paliwa o utrudnionym dostępie powietrza oraz wewnątrz ziaren węglowych. W tej fazie pewne składniki węgla topnieją, tworząc ze składnikami nietopniejącymi półpłynną plastyczną masę (której gęstość zależy od typu węgla). Równocześnie, w wyniku termicznego rozkładu substancji organicznej węgla, gwałtownie wydzielają się pary i gazy (w ilości 30–40% całkowitej masy węgla). Powstające gazy uchodzą do strefy spalania, a pozostała odgazowana masa zlepia się i zestala, tworząc koks.

Zjawisko to jest w paleniskach węglowych niepożądane, gdyż grozi poważnymi zaburzeniami eksploatacyjnymi. Duże spieki koksowe (tzw. kalafiory) powstałe ze zlepienia się małych kawałków węgla mają znacznie mniejszą powierzchnię kontaktu z powietrzem, co spowalnia przebieg spalania i zmniejsza wydajność kotła. Utrudniony dostęp powietrza do wnętrza „kalafiora” powoduje, że wzrastają straty wynikające z niecałkowitego spalania (tzw. niedopału, czyli zwiększa się zawartość części palnych w popiele).

Duże spieki koksowe (większe od największych ziaren stosowanego węgla) mają również bardzo silny wpływ na hydraulikę przepływu gazów (powietrza i spalin) przez złoże paliwa. Zwiększają objętości wolnych przestrzeni międzyziarnowych w złożu, tworząc kanały uprzywilejowanego przepływu (zmniejszonego oporu), którymi przepływają zwiększone ilości powietrza niebiorące udziału w spalaniu (tzw. fałszywe powietrze) i zwiększające straty kominowe. W palnikach automatycznych spieki koksowe stwarzają ponadto poważną groźbę zakleszczenia palnika [1].

Miernikiem zdolności węgla do tworzenia spieków koksowych jest wskaźnik RI (tzw. liczba Rogi) – im wyższy wskaźnik RI, tym większe i twardsze spieki tworzą się w strefie odgazowania węgla. Jeszcze do niedawna na rynku węgla dla małej energetyki występował wyłącznie węgiel typu 31.1 i 31.2, czyli niespiekający, o zdolności spiekania RI najwyżej 5, który mógł być stosowany we wszystkich typach palenisk i kotłów.

W miarę wyczerpywania się pokładów tego węgla wprowadzano stopniowo do obrotu węgle wyższych typów – początkowo typu 32.1 (węgiel nieznacznie spiekający, o zdolności spiekania RI powyżej 5 do 20), potem typu 32.2 (węgiel słabo spiekający, o zdolności spiekania RI powyżej 20 do 40), a ostatnio nawet typu 33 (węgiel średnio spiekający, o zdolności spiekania RI powyżej 40 do 55). Węgiel typu 32.1 może być stosowany także we wszystkich typach palenisk i kotłów, jednakże w przypadku zdolności spiekania RI bliskiej 20 może sprawiać pewne problemy w kotłach z konwencjonalnymi palnikami retortowymi. Węgiel typu 32.2 i 33 może być stosowany tylko w kotłach z palnikami retortowymi drugiej generacji.

Parametr spiekalności nie jest standardem oceny węgla opałowego. W obecnej sytuacji niedoboru węgli niespiekających i coraz częstszego zastępowania ich węglami o podwyższonej spiekalności producent powinien podawać w dokumentacji techniczno-handlowej paliwa także wartość spiekalności węgla według Rogi RI. Producent kotła natomiast powinien podać w jego dokumentacji techniczno-ruchowej typ i sortyment stosowanego węgla oraz maksymalną dopuszczalną dla danego typu kotła wartość spiekalności według Rogi RI.

Ekogroszek

Udział sortymentu groszek (najbardziej pożądanego) w całkowitym urobku górnictwa stanowi tylko kilka procent, a groszku o parametrach niezbędnych dla konwencjonalnych kotłów retortowych – jeszcze mniej. Istnieje więc naturalna granica jego podaży i tym samym rozwoju produkcji tych kotłów. Obserwowane od 2007 r. trudności w pokryciu szybko rosnącego zapotrzebowania na węgle niespiekające w sortymencie groszek skutkowały drastyczną podwyżką cen tego paliwa. Przez wiele lat ceny węgla w sortymencie groszek kształtowały się na poziomie o 10–15% wyższym od cen węgla w sortymencie miał i 10–20% niższym od cen węgla w sortymencie orzech.

Ostatnio ceny groszku były o 35% wyższe od cen miału i o 10% wyższe od cen orzecha. W wyniku deficytu i związanej z nim drastycznej podwyżki cen tego paliwa sprzedaż kotłów retortowych spadła o ponad połowę, co stało się przyczyną regresu całej branży. Sprzedaż kotłów ogółem spadła o ok. 15%. W wyniku odwrotu rynku od kotłów retortowych w kierunku przestarzałych kotłów komorowych z okresowym zasypem paliwa, zasilanych węglem w sortymencie orzech i miał, obniżył się średni poziom jakości wyrobów.

Reakcją na obserwowany na rynku paliw deficyt węgli w sortymencie groszek, stosowanych jako paliwo dla konwencjonalnych kotłów retortowych, było opracowanie przez Instytut Chemicznej Przeróbki Węgla palnika retortowego nowej generacji, który pozwala efektywnie spalać także węgiel sortymentu miał oraz węgle o podwyższonej spiekalności [1]. Kompania Węglowa (wspólnie z IChPW) podjęła również działania zmierzające do opracowania i wdrożenia nowych paliw dla tych palników, w postaci dwuskładnikowych mieszanek paliwowych zawierających węgle spiekające typu 33 o wysokiej wartości opałowej (ponad 30 000 kJ/kg). Opracowane mieszanki paliwowe uzyskały już stosowne świadectwa jakościowe. Jednak uruchomienie ich produkcji uwarunkowane jest odpowiednio wysokim poziomem produkcji kotłów wyposażonych w palniki retortowe nowej generacji, generującym dostatecznie wysoki popyt na nowe paliwa.

Literatura

1. Zawistowski J., Janiszewski S., Kotły c.o. – poradnik użytkownika, http://zawijan.wordpress.com.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!