Systemy odprowadzania spalin z kotłów węglowych 5 klasy

Kotły 5 klasy – regulacje prawne

Rozporządzenie Ministra Rozwoju i Finansów z sierpnia 2017 r. w sprawie wymagań dla kotłów na paliwo stałe [3] określa szczegółowe wymagania dla wprowadzanych do obrotu i użytkowania kotłów na paliwo stałe o mocy znamionowej do 500 kW. Odpowiednie regulacje prawne wprowadzono zgodnie z polityką europejską dążącą do ograniczenia szkodliwych substancji emitowanych do atmosfery m.in. w procesach grzewczych. Najważniejsze dla indywidualnych urządzeń grzewczych są wymagania dotyczące maksymalnych poziomów emisji tlenku węgla (CO), gazowych zanieczyszczeń organicznych (OGC) i pyłów oraz regulacje w sprawie minimalnej sprawności dla kotłów zawarte w normie ­PN-EN 303-5:2012 [5] oraz dyrektywie dotyczącej ekoprojektu [1].

Przy opracowywaniu przepisów rozporządzenia dotyczącego wymagań dla kotłów na paliwo stałe [3] wzięto pod uwagę fakt, że od 1 stycznia 2020 r. wejdą w życie przepisy rozporządzenia Komisji UE 2015/1189 w sprawie wykonania dyrektywy 2009/125/WE w odniesieniu do wymogów dotyczących ekoprojektu dla kotłów na paliwo stałe [2]. Przepisy te będą obowiązywać w polskim prawie wprost. W związku z tym powinny przede wszystkim przygotować polski rynek do wymagań prawa UE w tym zakresie.

Kotły 5 klasy – właściwości i konstrukcja

Podstawowe właściwości kotłów na paliwa stałe określa norma PN-EN 303-5:2012. Wprowadza ona trzy klasy jakości kotłów (tab. 1):

• klasa 3 – najniższa (największy poziom emisji),
• klasa 4 – średnia (średni poziom emisji),
• klasa 5 – najwyższa (niski poziom emisji).

Za główny cel wprowadzania zmian w produkcji i montażu kotłów opalanych paliwami stałymi uznaje się walkę z niską emisją i tzw. smogiem.

Norma PN-EN 303-5:2012 wprowadziła istotne ograniczenia emisyjności, np. w przypadku kotłów automatycznych na paliwa kopalne graniczna wartość emisji CO dla klasy 5 zmniejszyła się sześciokrotnie, OGC pięciokrotnie, a pyłu trzykrotnie.

Wprowadzenie takich wymagań skutkowało koniecznością przeprowadzenia zmian konstrukcyjnych w budowie kotła. Do najważniejszych rozwiązań spełniających stawiane wymagania należą:

• dystrybucja i podział powietrza spalania na pierwotne i wtórne,
• precyzyjny dobór dawki paliwa,
• wydłużenie przewodów spalinowych wewnątrz kotła, zastosowanie płomieniówek lub wprowadzenie na drodze spalin dodatkowych elementów zwiększających stopień wymiany ciepła,
• automatyzacja kontroli sterowania ilością powietrza spalania,
• zastosowanie dopalania gazów spalinowych,

i wiele innych unikalnych rozwiązań właściwych dla poszczególnych producentów.

Dla osiągnięcia zakładanych celów energetycznych i ekologicznych w kotłach 5 klasy bardzo ważnym czynnikiem jest odpowiednia jakość paliwa. Szczególnie w przypadku kotłów węglowych istotne jest stosowanie właściwych, określonych przez producenta sortymentów węgla, zarówno pod względem wartości opałowej, spiekalności, jak i wilgotności.

Kotły węglowe 5 klasy – systemy odprowadzania spalin

Wprowadzenie zmian konstrukcyjnych w kotłach 5 klasy w sposób znaczący wpłynęło na wymagania stawiane instalacjom odprowadzania spalin. Jedno jednak nie uległo zmianie: wszystkie obecnie dostępne na rynku kotły są urządzeniami atmosferycznymi i tym samym potrzebują ciągu kominowego do właściwego przebiegu procesu spalania.

Zainstalowane w kotłach wentylatory powietrza mają na celu jedynie poprawę jakości procesu spalania i nie wpływają na konieczność zapewnienia właściwego ciągu kominowego odpowiedzialnego za usuwanie z kotła produktów spalania.

Ekonomizacja procesu spalania w kotłach węglowych 5 klasy w sposób znaczący wpłynęła na pracę instalacji odprowadzania spalin. Tradycyjne kominy z cegły lub ceramiczne nie będą już mogły być eksploatowane ze współczesnymi kotłami 5 klasy.

Główne różnice pomiędzy tradycyjnymi a nowoczesnymi kotłami polegają na:

• występowaniu znacząco niższych temperatur spalin,
• występowaniu zwiększonych oporów przepływu spalin przez kocioł,
• modulowanej pracy kotła pod względem wydajności.

Z punktu widzenia instalacji spalinowej największym problemem dla komina będzie właśnie niska temperatura spalin. Duża wydajność kotła spowodowana zarówno dość precyzyjnym sterowaniem procesem spalania, jak i wysokim stopniem wymiany ciepła wiąże się z występowaniem temperatur spalin bliskich punktu rosy, będzie to zatem skutkować wkraplaniem się produktów spalania w kominie, a nawet już częściowo w samym kotle. Kotły mają duży zakres modulacji i mogą funkcjonować już przy 30% mocy nominalnej. Temperatury spalin na wyjściu z kotła wahają się w takim przypadku od 70°C przy wydajności ok. 30% do 110°C przy wydajności nominalnej (tab. 1).

Przyjmując, że nasz krajowy węgiel ma stosunkowo dużą ilość zanieczyszczeń będących pochodnymi siarki oraz że kotły są eksploatowane, a węgiel przechowywany w niezbyt suchych pomieszczeniach, możemy być pewni, iż przy pracy kotła z mocą niższą od nominalnej skropliny będą się pojawiać (i to w niemałej ilości) tuż po wyjściu spalin z kotła. Niskie temperatury wilgotnych spalin na wlocie do komina są, poza wykraplaniem się agresywnego kondensatu, przyczyną spadku siły ciągu kominowego z uwagi na ich wysoką gęstość.

Kolejnym znaczącym problemem, jaki może wystąpić przy próbach adaptacji wcześniej eksploatowanych kominów, jest ich niewystarczająca skuteczność związana ze znacznie większymi oporami przepływu powietrza i spalin przez kotły 5 klasy, spowodowana zaawansowaną konstrukcją tych urządzeń (zastosowanie na drodze przepływu spalin dodatkowych turbulizatorów, wielociągowych wymienników czy płomieniówek).

Dążenie do maksymalnego wzrostu efektowności, zarówno energetycznej, jak i ekologicznej, wymaga stosowania coraz doskonalszych rozwiązań wielu współpracujących ze sobą elementów. Tak jest m.in. z silnikami w samochodach i z nowoczesnymi rozwiązaniami urządzeń grzewczych. Współczesne kotły tworzą wraz z kominem jeden układ energetyczny, którego elementy muszą wzajemnie współpracować dla osiągnięcia założonych celów.

Osobną kwestią jest jakość paliw stosowanych do spalania w kotłach, których własności określa producent urządzenia grzewczego. Poniżej przedstawiono czynniki, które należy uwzględnić, dobierając właściwy komin do kotła 5 klasy.

Zasadniczo można przyjąć, że głównymi czynnikami wpływającymi na prawidłową pracę komina oraz efektywność energetyczną i ekologiczną układu energetycznego opartego na kotłach węglowych 5 klasy są:

1. właściwy dobór i eksploatacja kotła,
2. właściwy dobór i eksploatacja komina,
3. stosowanie paliwa o określonych przez producenta parametrach.

Właściwy dobór i eksploatacja kotła

Z perspektywy właściwej pracy instalacji spalinowej najważniejszym zagadnieniem jest niska temperatura spalin. Należy zatem w taki sposób dobrać parametry kotła, aby mógł on pracować w jak największym wymiarze czasu pracy przy optymalnej wydajności.

Przewymiarowanie mocy kotła w stosunku do potrzeb energetycznych ogrzewanego budynku skutkować będzie zarówno niższą sprawnością, spowodowaną obniżeniem efektywności odbioru ciepła z kanałów spalinowych w kotle, jak i spadkiem skuteczności ciągu kominowego z powodu wykraplania się spalin i tym samym procesu spalania. W skrajnych przypadkach może wystąpić quasi-kondensacyjny układ energetyczny przy urządzeniach zupełnie do tego trybu pracy nieprzystosowanych. Sytuację mogłoby poprawić zastosowanie zbiornika buforowego, który przy krótszych cyklach pracy kotła umożliwiałby jego działanie z optymalną wydajnością, tj. uzyskiwanie wyższych temperatur spalin.

Właściwy dobór i eksploatacja komina

Z uwagi na bardzo niskie temperatury spalin należy zakładać, że komin na całej długości będzie pracował w trybie mokrym. Musi on być zatem wykonany z materiałów odpornych na działanie agresywnych związków chemicznych zawartych w kondensacie, jak również powinien mieć możliwość skutecznego odprowadzenia skroplin na zewnątrz komina. W przypadku wymiany kotła tradycyjnego na kocioł 5 klasy dotychczas eksploatowany komin może się okazać dla nowego urządzenia nieprzydatny.

Sprawdzić należy, czy zwiększone opory przepływu spalin przez kocioł, a także niższa siła ciągu kominowego spowodowanego występowaniem niskich temperatur i mocno zawilgoconych spalin będą wystarczające do obsługi nowego kotła. Podstawową funkcją nowych kominów będzie zatem jak największe ograniczenie spadku temperatury spalin wychodzących z kotła, zaczynając od czopucha, poprzez całą jego długość, na wylocie kończąc.

Jakie cechy powinien mieć komin obsługujący kotły węglowe 5 klasy?

Kominy takie powinny spełniać następujące warunki:

• wszystkie elementy użyte do wykonania komina powinny mieć jak największy opór cieplny pomiędzy warstwą wewnętrzną omywaną przez spaliny a warstwą zewnętrzną dla ograniczenia spadków temperatury spalin na całej długości. Oznacza to, że wszystkie elementy do wykonania komina, w tym także przyłącze (czopuch), a w szczególności elementy wychodzące ponad dach, muszą być izolowane cieplnie wełną mineralną;
• materiały użyte do wykonania wewnętrznej części komina powinny być odporne na działanie wilgoci, a także agresywne oddziaływanie kondensatu powstającego z wykroplenia spalin. Do wyboru mamy specjalną ceramikę kwasoodporną lub elementy wykonane ze stali nierdzewnych (kwasoodpornych). W przypadku tych ostatnich najlepszym materiałem będzie stal nierdzewna gatunku 1.4404 o grubości 0,8 mm [6];
• opory przepływu spalin przez czopuch, komin i zakończenie komina powinny być jak najmniejsze, należy więc zminimalizować liczbę kształtek, np. kolan, redukcji, zwężek itd., zwiększających opory przepływu. Nie bez znaczenia będzie rodzaj materiału użytego do wykonania komina i sposób eksploatacji. Najniższe opory przepływu mają materiały o niskiej chropowatości powierzchni, np. stalowe. Częste czyszczenie komina przyczynia się również do zmniejszenia tarcia spalin o jego ścianki;
• komin powinien posiadać sprawny i drożny system odprowadzania skroplin, które z pewnością będą występować przy kotłach węglowych 5 klasy;
• należy wystrzegać się instalowania na zakończeniu komina kształtek mogących zwiększać opory przepływu, np. daszków, nasad pierścieniowych, turbin wyciągowych nasadzanych bezpośrednio na przewód kominowy itd. Można w to miejsce zastosować ustniki inżektorowe lub osłony rotacyjne;
• w przypadku adaptacji istniejących kominów konieczne może być przedłużenie ich wysokości. Najlepiej w tym przypadku sprawdzać się będą systemowe rozwiązania w postaci izolowanych stalowych kształtek przedłużających, oferowanych jako wyroby standardowe przez producentów systemów kominowych;
• elementy do wykonania komina dla kotłów pracujących cyklicznie w krótkich interwałach roboczych powinny mieć niską bezwładność cieplną, ograniczającą straty ciepła w kominie potrzebne do jego nagrzania;
• zgodnie z par. 266 warunków technicznych [4] elementy, z których zostanie wykonany komin, muszą być wyrobami niepalnymi, odpornymi na działanie pożaru sadzy.

Na rys. 1 przedstawiono schemat prawidłowego doboru kominów do kotłów węglowych 5 klasy.

W praktyce najczęściej będziemy mieli do czynienia z próbami prostej zamiany tradycyjnych kotłów bezklasowych lub kotłów niższych klas na nowoczesne kotły węglowe 5 klasy.

W części przypadków wystarczające będzie włożenie do komina wkładu kominowego, np. stalowego (gat. 14404 o grubości 0,8 mm), zaizolowanie czopucha oraz części wkładu wychodzącego ponad dach (może również niewielkiego jego przedłużenia) i wykonanie odwodnienia komina – komin taki będzie sprawnie funkcjonować. Pojawią się jednak przypadki, że istniejący komin będzie niewystarczający na potrzeby nowoczesnego kotła węglowego. Powstaje wtedy konieczność wykonania nowego komina.

Najprostszym sposobem będzie zastosowanie gotowego systemowego rozwiązania izolowanego komina zewnętrznego.

Na rys. 2 i rys. 3 przedstawiono rozwiązania przykładowe.

Kotły węglowe 5 klasy są bardzo zaawansowanymi rozwiązaniami technicznymi wymagającymi do spełnienia oczekiwań energetycznych i ekologicznych równie zaawansowanych rozwiązań współpracujących instalacji, w tym komina. Podkreślenia wymaga również rola jakości paliwa, jego wartości opałowej, sortymentu, zawartych zanieczyszczeń oraz wilgotności. Ta ostatnia cecha – wilgotność – bywa czasem kluczem do właściwej pracy kotła i pozostaje przede wszystkim w gestii użytkownika, o czym powinni przypominać także producenci urządzeń grzewczych.

Literatura

1. Dyrektywa Parlamentu Europejskiego i Rady 2009/125/WE z dnia 21 października 2009 r. ustanawiająca ogólne zasady ustalania wymogów dotyczących ekoprojektu dla produktów związanych z energią (Dz.Urz. UE L 285/10).
2. Rozporządzenie Komisji UE 2015/1189 z dnia 28.04.2015 r. w sprawie wykonania dyrektywy parlamentu Europejskiego i Rady 2009/125/WE w odniesieniu do wymogów dotyczących Ekoprojektu dla kotłów na paliwo stałe (Dz.Urz. UE L 192/100).
3. Rozporządzenie Ministra Rozwoju i Finansów z dnia 1 sierpnia 2017 r. w sprawie wymagań dla kotłów na paliwo stałe (DzU 2017, poz. 1690).
4. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (DzU 2002, nr 75, poz. 690, z poźn. zm.).
5. PN-EN 303-5:2012 Kotły grzewcze. Część 5: Kotły grzewcze na paliwa stałe z ręcznym i automatycznym zasypem paliwa o mocy nominalnej do 500 kW. Terminologia, wymagania, badania i oznakowanie.
6. Dobór optymalnego gatunku stali na instalacje kominowe da kotłów węglowych CO 5 klasy, opracowanie AGH w Krakowie, archiwum autora.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!