Współczesne kotły węglowe dla ogrzewnictwa indywidualnego

Układy spalania w kotłach węglowych małej mocy oparte są na technice spalania w warstwie nieruchomej. Spalanie w warstwie nieruchomej, zwane także spalaniem w złożu stałym, określa się jako organizację procesu spalania charakteryzującą się tym, że ziarna paliwa pozostają względem siebie nieruchome lub przemieszczają się z niewielkimi prędkościami (wynikającymi na przykład z osuwania się złoża w miarę jego wypalania), natomiast powietrze dopływa do strefy spalania poprzez przestrzenie pomiędzy cząstkami paliwa.

Poznaj ofertę rynkową kotłów grzewczych >>

Kotły z układem spalania w warstwie nieruchomej można podzielić na:

• kotły rusztowe komorowe – paliwo spala się na ruszcie stałym, w dużej komorze spalania mieszczącej porcję paliwa wystarczającą na okres pracy kotła od kilku do kilkunastu godzin, z cyklicznym uzupełnianiem paliwa w komorze spalania (ręcznie lub mechanicznie),

• kotły z palnikiem automatycznym – paliwo spala się w sposób ciągły w małym palniku, zasilanym niewielkimi porcjami paliwa podawanymi automatycznie, z częstotliwością od kilku do kilkudziesięciu sekund, z zasobnika mieszczącego porcję paliwa wystarczającą nawet na kilka dni pracy kotła.

Procesy spalania paliw stałych, w szczególności w warstwie nieruchomej, są dużo bardziej złożone od spalania paliw gazowych czy ciekłych. Komplikuje je różnorodność zjawisk fizykochemicznych zachodzących w fazie gazowej i stałej oraz na granicy faz, przy stosunkowo dużej rozpiętości uziarnienia paliwa.

Procesy termicznego rozkładu substancji organicznej paliwa zachodzące z gwałtownym wydzielaniem par i gazów palnych (w ilości 30÷40% całkowitej masy paliwa w przypadku węgla kamiennego), reakcje redukcji – utleniania zachodzące na powierzchni ciała stałego (pierwiastka C), zjawiska związane z przepływem ciepła od gazu do ciała stałego i wewnątrz ciała stałego, a także wiele innych, przebiegają równocześnie w różnych strefach paleniska, w stosunkowo szerokich zakresach temperaturowych, przy czym charakterystyczne strefy paleniska (spalania, zgazowania i pirolizy) zachodzą na siebie, tworząc zróżnicowane dynamiczne układy w zależności od praktycznej organizacji procesu spalania.

Przeczytaj: Dziś i jutro źródeł ciepła >>

Rodzaj przyjętej organizacji procesu spalania uznaje się za kryterium podziału kotłów zasilanych paliwem stałym na [1]:

• kotły ze spalaniem przeciwprądowym – paliwo dostarczane jest z przeciwnej strony złoża w stosunku do dopływu powietrza,

• kotły ze spalaniem współprądowym – paliwo dostarczane jest z tej samej strony złoża co powietrze.

Konwencjonalne komorowe kotły rusztowe z okresowym podawaniem paliwa (zasilane paliwem grubokawałkowym o uziarnieniu powyżej 30 mm – z początku koksem, potem stopniowo coraz częściej węglem sortyment „orzech”), które jeszcze pod koniec XX w. dominowały w małych instalacjach centralnego ogrzewania w Polsce, są typowym przykładem techniki spalania przeciwprądowego.

Przeczytaj: Kotły na paliwa stałe >>

W palenisku przeciwprądowym powietrze podawane jest przeciwnie do kierunku podawania paliwa (rys. 1.), od strony gorącej w kierunku st  + O₂ = 2CO + Q; 2CO + O₂ = 2CO₂ + Q) przechodzą w kierunku zimniejszej części wsadu paliwa, podnosząc stopniowo temperaturę kolejnych warstw wsadu.

Spaliny przechodzą kolejno przez strefę zgazowania (gdzie zachodzi endotermiczna reakcja redukcji: CO₂ + C = 2CO – Q), strefę pirolizy (gdzie zachodzą endotermiczne reakcje rozkładu termicznego organicznej substancji paliwa na związki węglowodorowe, zwane potocznie „substancjami smołowymi”, z równoczesnym spalaniem powstałych węglowodorów) oraz strefę suszenia paliwa (endotermiczne zjawisko parowania wody), co wiąże się ze stopniowym obniżeniem temperatury spalin.

Dla całkowitego spalenia unoszonych ze spalinami składników palnych (tlenek węgla ze strefy zgazowania i związki węglowodorowe ze strefy pirolizy), oprócz potrzebnej ilości tlenu, niezbędne są: temperatura środowiska przekraczająca temperaturę zapłonu składnika palnego oraz odpowiednio długi czas kontaktu z tlenem.

W warunkach paleniska przeciwprądowego, w wyniku stopniowego obniżania się temperatury spalin dochodzi w pewnym momencie do przerwania procesu spalania, zanim składniki palne ulegną całkowitemu spaleniu. Stężenia składników palnych w spalinach wylotowych są bardzo wysokie, co skutkuje niską sprawnością spalania oraz wysoką emisją szkodliwych zanieczyszczeń (związków węglowodorowych i tlenku węgla), szczególnie w okresach cyklicznego uzupełniania złoża zimnym paliwem.

Przeczytaj: Regulatory kotłów węglowych z palnikiem automatycznym (cz. 1) >>

Kotły tego typu absolutnie nie powinny być stosowane do spalania paliw o wysokiej zawartości części lotnych, jak np. węgiel energetyczny.

Obecnie, w świetle aktualnego stanu techniki w branży produkcji kotłów małej mocy, nie mają one racji bytu ze względu na niskie sprawności spalania i wysokie wskaźniki emisji szkodliwych zanieczyszczeń, w tym szczególnie związków rakotwórczych, chociaż znajdują jeszcze nabywców ze względu na niskie ceny. Ich miejsce zajmują komorowe kotły rusztowe z okresowym podawaniem paliwa (zasilane węglem grubokawałkowym o uziarnieniu powyżej 30 mm), w których stosuje się technikę spalania współprądowego w dolnej części złoża (rys. 2.).

W paleniskach współprądowych powietrze podawane jest zgodnie z kierunkiem ruchu paliwa (rys. 2. i 3.), od strony zimnej w kierunku strony gorącej wsadu paliwa. Węglowodorowe produkty rozkładu termicznego paliwa ze strefy pirolizy muszą przejść przez strefę żaru, gdzie w warunkach najwyższej temperatury mają bardzo dobre warunki spalania. Para wodna ze strefy odparowania wilgoci również przechodzi przez strefę żaru, gdzie bierze udział w procesach zgazowania paliwa, wspomagając jego spalanie (C + H₂O = CO + H₂ – Q, a następnie 2CO + O₂ = 2CO₂ + Q oraz 2H₂+ O₂ = 2H₂O + Q).

Stężenia związków węglowodorowych i tlenku węgla w spalinach wylotowych są wielokrotnie niższe niż z palenisk przeciwprądowych, znacząco wyższe są również uzyskiwane sprawności spalania. Efektywność energetyczną i ekologiczną tych kotłów zwiększa się dodatkowo poprzez zastosowanie kontrolowanego podawania powietrza pierwotnego do komory spalania oraz powietrza wtórnego do spalin opuszczających strefę żaru (tam, gdzie mają one najwyższą temperaturę).

Specyficzną konstrukcję stanowią kotły miałowe komorowe, w których stosuje się technikę spalania współprądowego w górnej części złoża (rys. 3.). Duża komora spalania napełniana jest miałem węglowym, zaś powietrze doprowadzane jest do górnej warstwy paliwa poprzez system dysz, zapewniających odpowiedni dopływ powietrza w miarę obniżania się poziomu paliwa w komorze spalania. Spaliny odprowadzane są ze strefy żaru, zgodnie z zasadą spalania współprądowego.

Przeczytaj: Paliwa węglowe dla małych kotłów c.o. >>

Wydajność cieplna kotła jest zmienna w czasie. Proces spalania prowadzi się do czasu wypalenia całej ilości paliwa, po czym kocioł wychładza się, aby umożliwić wygarnięcie powstałego popiołu. Następnie ponownie napełnia się komorę spalania i rozpala od góry, powtarzając cyklicznie ten sam proces.

Zmienna w czasie wydajność cieplna kotła oraz okresowy przestój w wytwarzaniu ciepła wymagają stosowania w kotłowniach układów co najmniej 2-kotłowych z przesuniętym w czasie cyklem załadunku komory spalania lub instalowania odpowiednio dużych zbiorników akumulacyjnych.

Technikę spalania współprądowego stosuje się również w kotłach z palnikiem automatycznym (rys. 4.). Zasilanie niewielkimi porcjami paliwa, podawanymi z częstotliwością od kilku do kilkudziesięciu sekund, sprzyja maksymalnemu wykorzystaniu zalet spalania współprądowego oraz możliwości nowoczesnych układów automatycznej regulacji. Od kilku lat obserwuje się dynamiczny wzrost produkcji i sprzedaży tych kotłów.

Poważną zaletę dla licznego grona użytkowników stanowi możliwość nawet kilkudniowej, praktycznie bezobsługowej, eksploatacji kotła dzięki automatycznemu zasilaniu z dużego zasobnika paliwa.

Kotły z automatycznymi palnikami węglowymi pojawiły się w krajowym ogrzewnictwie w połowie lat 90. i bazowały w początkowym okresie na zagranicznych rozwiązaniach konstrukcyjnych (kotły z palnikiem retortowym zasilane węglem sortyment „groszek”) [2]. Od kilku lat na rynku obecne są również kotły z automatycznym palnikiem rusztowym zasilane węglem sortyment „miał” (z podajnikiem tłokowym lub ślimakowym).

Przeczytaj: Regulatory kotłów węglowych z palnikiem automatycznym (cz. 2) >>

Ogromny sukces rynkowy tych kotłów, szczególnie kotłów retortowych, skutkuje obecnie tak wysokim wzrostem zużycia kwalifikowanego węgla sortyment „groszek”, że krajowy rynek paliw odnotowuje już wyraźny jego brak. W 2008 r. pojawiły się na rynku palniki retortowe drugiej generacji, które umożliwiają efektywne spalanie węgli spiekających i, tym samym, poważne rozszerzenie bazy kwalifikowanych węgli dla „małej energetyki” [5].

W tabeli 1. przedstawiono wyniki badań energetyczno-emisyjnych wybranych najlepszych kotłów węglowych z omówionych powyżej typowych grup konstrukcyjnych (wyniki pochodzą z archiwum Laboratorium Spalania Instytutu Chemicznej Przeróbki Węgla w Zabrzu).

Rozwój technologiczny węglowych kotłowni małej mocy w Polsce spowalniany jest brakiem uregulowań prawnych normujących graniczne poziomy sprawności cieplnej i wskaźników emisji zanieczyszczeń. Aktualnie obowiązujące w Polsce standardy emisyjne w zakresie wprowadzania gazów lub pyłów do powietrza, ustalone rozporządzeniem w sprawie standardów emisyjnych z instalacji [3], dotyczą źródeł o nominalnej mocy cieplnej nie mniejszej niż 1,0 MW.

W wyniku braku stosownych uregulowań prawnych „mała energetyka” pozostaje praktycznie poza obszarem możliwości ingerencji wymuszających stosowanie rozwiązań o odpowiednim poziomie technologicznym.

W obszarze kotłów małej mocy jedynym aktem obligatoryjnym jest norma europejska PN-EN 12809 [6], która ma status normy zharmonizowanej z dyrektywami Unii Europejskiej (w myśl dyrektywy budowlanej kocioł o mocy do 50 kW traktowany jest jako wyrób budowlany). Norma PN-EN 12809 [6] określa klasy kotłów węglowych w oparciu o graniczne poziomy emisji tlenku węgla (CO), co przedstawiono w tabeli 2. Określa ona również minimalne sprawności cieplne kotłów w zależności od ich mocy nominalnej na poziomie od 70% dla mocy 5 kW do 74% dla mocy 50 kW.

Norma europejska PN-EN 303-5 [7] nie jest aktem obligatoryjnym (nie ma statusu normy zharmonizowanej). W tabeli 3. przedstawiono graniczne wartości emisji zanieczyszczeń, a w tabeli 4. graniczne wartości sprawności cieplnej określone w normie PN-EN 303-5 [7].

W praktyce producenci i użytkownicy kotłów, jednostki badawcze, urzędy oraz instytucje dofinansowujące działania proekologiczne wykorzystują opracowany w latach 1995÷1999 w Instytucie Chemicznej Przeróbki Węgla w Zabrzu system kryterialnej kompleksowej oceny efektywności ekologiczno-energetycznej paliwa, kotła lub układu paliwo-kocioł (kryteria energetycznoemisyjne na „znak bezpieczeństwa ekologicznego”).

Przeczytaj: Kotły z automatycznym podawaniem paliwa >>

W 1995 r. na Śląsku zainicjowano pierwszy w kraju program ograniczania tzw. niskiej emisji, czyli emisji zanieczyszczeń z małych kotłowni indywidualnych, komunalnych i przemysłowych.

Program „Czyste spalanie węgla dla ograniczenia niskiej emisji” był wynikiem ustaleń podjętych na spotkaniu ministrów: ochrony środowiska, zasobów naturalnych i leśnictwa; gospodarki przestrzennej i budownictwa oraz przemysłu i handlu. Spotkanie odbyło się w Urzędzie Wojewódzkim w Katowicach.

W 1999 r. powstały „Założenia do programu ograniczenia niskiej emisji na terenie województwa śląskiego”, opracowane przez Instytut Chemicznej Przeróbki Węgla w Zabrzu, Ośrodek Badań i Kontroli Środowiska w Katowicach oraz Główny Instytut Górnictwa w Katowicach na zlecenie Wojewódzkiego Funduszu Ochrony Środowiska i Gospodarki Wodnej w Katowicach.

Efektywną realizację programu zapewniło uruchomienie w 2001 r. szwajcarsko-polskiego funduszu dofinansowania zadań z zakresu obniżenia zanieczyszczeń powietrza na terenie województwa śląskiego, którym zarządzał WFOŚiGW w Katowicach. Inicjatywa ta zapoczątkowała okres intensywnego rozwoju badań procesowych oraz doskonalenia technik spalania i konstrukcji kotłów węglowych małej mocy.

Przeczytaj: Efektywność energetyczna w Polsce >>

W latach 1995÷1998 w Instytucie Chemicznej Przeróbki Węgla w Zabrzu wykonano prace, które przygotowały techniczne podstawy standaryzacji procedury oceny energetyczno-emisyjnej paliw stałych i kotłów małej mocy oraz opracowano założenia projektu systemu atestacji kotłów. W IChPW wybudowano odpowiednie stanowisko badawcze wyposażone w wysokiej klasy aparaturę kontrolno-pomiarową.

Zespół atestacyjny wyposażono także w przewoźną aparaturę badawczą umożliwiającą wykonanie badań atestacyjnych w miejsc użytkowania kotła (w przypadku kotłów większej mocy, których nie można dostarczyć do Instytutu). Opracowano metodę kompleksowej oceny efektywności ekologiczno-energetycznej paliwa, kotła lub układu paliwo-kocioł.

Procedury badawcze stosowane w procesie atestacji uzyskały w 1996 r. certyfikat PCBC (aktualnie certyfikat akredytacji PCA Nr AB 081). W 1999 r. w Instytucie Chemicznej Przeróbki Węgla w Zabrzu (przy współpracy Ministerstwa Środowiska, Wydziału Ochrony Środowiska i Rolnictwa Śląskiego Urzędu Wojewódzkiego oraz Wojewódzkiego Funduszu Ochrony Środowiska i Gospodarki Wodnej w Katowicach) opracowano kryteria energetyczno-emisyjne na „znak bezpieczeństwa ekologicznego” dla kotłów małej mocy na paliwa stałe [4], które do chwili obecnej wypełniają lukę w unormowaniach legislacyjnych dotyczących sektora ogrzewnictwa indywidualnego i komunalnego.

Opracowany system atestacji został wdrożony i pozytywnie zweryfikowany w trakcie działań związanych z proekologicznymi modernizacjami kotłowni węglowych wspomaganymi szwajcarsko-polskim funduszem dofinansowania zadań z zakresu obniżenia zanieczyszczeń powietrza na terenie województwa śląskiego, a następnie bardzo szybko rozpowszechnił się na terenie całego kraju.

Badania atestacyjne stanowią podstawę do wystawiania producentom kotłów świadectw badania na „znak bezpieczeństwa ekologicznego”, które dokumentują spełnianie przez ich wyroby ustalonych kryteriów (do chwili obecnej wystawiono ponad 600 świadectw).

Znaczna część producentów kotłów dobrowolnie poddaje swoje wyroby tej atestacji, zaś urzędy i instytucje dysponujące środkami pomocowymi na realizację przedsięwzięć proekologicznych coraz częściej wykorzystują wyniki atestacji w procesach decyzyjnych, co dopinguje branżę produkcji kotłów do podnoszenia jakości wyrobów.

Analiza wyników badań atestacyjnych kotłów małej mocy na paliwa stałe wykonanych w latach 2001÷2005 wykazała, że stan techniki w sektorze produkcji kotłów małej mocy pozwala na weryfikację opracowanych w 1999 r. kryteriów w kierunku ich zaostrzenia, z pożytkiem dla jakości powietrza w Polsce.

Znowelizowane kryteria energetyczno-emisyjne na „znak bezpieczeństwa ekologicznego” dla kotłów małej mocy na paliwa stałe przedstawiono poniżej w tabeli 5. Dla kotłów klasy B przyjęto dotychczasowe kryteria z 1999 r., dla klasy A – znowelizowane zaostrzone kryteria opracowane w 2006 r.

W 2006 r. ustalono także kryteria jakościowe paliw kwalifikowanych dla gospodarki komunalnej i ogrzewnictwa indywidualnego, wyposażając producentów oraz użytkowników paliw i kotłów w instrumenty, ułatwiające im podjęcie optymalnych decyzji gospodarczych i ekologicznych.

System atestacji na „znak bezpieczeństwa ekologicznego” paliw stałych dla kotłów małej mocy jest logiczną konsekwencją systemu atestacji kotłów. Oba systemy są spójne w zakresie podstaw oceny i stosowanych metod badawczych.

Kryteria zostały ustawione na takim poziomie, aby jednoznacznie zidentyfikować wyroby (kotły i paliwa), które nie spełniają poziomu jakości wynikającego z aktualnych możliwości technicznych, a jednocześnie by nie uszczuplić oczekiwanej przez rynek wielkości podaży wyrobów z tej grupy, co czyniłoby opracowane kryteria nierealnymi.

Paliwa kwalifikowane są to specjalnie dostosowane produkty węglowe o określonej granulacji i właściwościach fizyko-chemicznych, charakteryzujące się stabilnym spalaniem z niską emisyjnością i wysoką sprawnością, potwierdzonym wynikami standardowych procedur badawczych laboratoriów akredytowanych zgodnie z PN-EN ISO/IEC 17025:2005 [8].

Paliwa te polecane są do stosowania szczególnie w kotłach o mocy poniżej 1000 kW, zgodnie z zaleceniami producen-tów kotłów i paliw. Kryteria energetyczno-emisyjne na „znak bezpieczeństwa ekologicznego” dla kwalifikowanych paliw stałych przedstawiono w tabeli 6.

Spiekalność według Rogi (RI) nie jest normowana, jednakże producent paliwa zobowiązany jest podać jej wartość w dokumentacji techniczno-handlowej paliwa. Producent kotła zobowiązany jest podać maksymalnie dopuszczalną dla danego typu kotła wartość spiekalności według Rogi (RI) w dokumentacji techniczno-ruchowej kotła.

Kryteria przyjęte dla kotłów klasy „A” w zakresie emisji CO i pyłu odpowiadają kryteriom klasy 3 (najwyższej) wg PN-EN 303-5 [7]. Graniczne wskaźniki emisji substancji organicznych w kryteriach „na znak bezpieczeństwa ekologicznego” są bardziej rygorystyczne od PN-EN 303-5 [7], tak samo jak wskaźnik emisji NO2, który według tej normy nie jest normowany.

Przeczytaj: Wybór kotła c.o. >>

Pomimo nieobligatoryjnego charakteru kryteriów energetyczno-emisyjnych na „znak bezpieczeństwa ekologicznego” wg IChPW, znaczna część krajowych producentów kotłów, dysponująca odpowiednim zapleczem warsztatowym i kulturą techniczną pracowników, decyduje się na przeprowadzenie badań atestacyjnych i uzyskuje pozytywny atest na „znak bezpieczeństwa ekologicznego”.

Dziesięcioletni okres funkcjonowania tego systemu oceny był podstawą dynamicznego rozwoju sektora produkcji małych kotłów węglowych, których jakość obecnie przewyższa wymogi Unii Europejskiej. Na rys. 5. i 6. przedstawiono wielkości sprawności cieplnej i emisji CO dla kotłów węglowych o mocy do 50 kW, atestowanych w IChPW w okresie ostatnich 2 lat. Jak widać, uzyskane wyniki są znacznie lepsze od wymagań obligatoryjnej normy europejskiej PN-EN 12809 [6], a także normy PN-EN 303-5 [7].

Literatura

1. Szlęk A., Badania procesu spalania paliw stałych w warstwie nieruchomej, Zeszyty Naukowe Politechniki Śląskiej Nr 1522, Gliwice 2001.

2. Biel E., Skworc H., Gmina Ruda Śl. – pierwsza umowa społeczna w zakresie bezdymnego spalania węgla – pierwsza konstrukcja polskiego pieca retortowego – sprawozdanie z wieloletniej eksploatacji pieca retortowego, Publikacja Stowarzyszenia Polski Ruch Czystszej Produkcji pt. „Czystsza energia z węgla: Gospodarstwa domowe – sektor komunalny”, nr 1 (36)/2006, s. 39.

3. Rozporządzenie Ministra Środowiska z dnia 20 grudnia 2005 r. w sprawie standardów emisyjnych z instalacji (DzU Nr 260, poz. 2181).

4. Kubica K., Kryteria efektywności energetyczno-ekologicznej kotłów małej mocy i paliw stałych dla gospodarki komunalnej. Certyfikacja na znak bezpieczeństwa ekologicznego, Opracowanie IChPW, 1999.

5. Zawistowski J., Retortowe kotły węglowe drugiej generacji, Rynek Instalacyjny 4/2008, s. 65.

6. PN-EN 12809 Kotły grzewcze na paliwa stałe. Nominalna moc cieplna do 50 kW. Wymagania i badania.

7. PN-EN 303-5 Kotły grzewcze – Część 5: Kotły grzewcze na paliwa stałe z ręcznym i automatycznym zasypem paliwa o mocy nominalnej do 300 kW – Terminologia, wymagania, badania i oznakowanie.

8. PN-EN ISO/IEC 17025:2005 Ogólne wymagania dotyczące kompetencji laboratoriów badawczych i wzorcujących.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!