Kotły komorowe na paliwa stałe z załadunkiem ręcznym w świetle nowych uwarunkowań prawnych

Na rys. 1 pokazane zostały najpopularniejsze typy konstrukcji kotłów komorowych z ręcznym zasypem paliwa, które przeanalizowano w artykule. Kotły zobrazowane na rys. 1a i 1b przystosowane są do długotrwałej pracy z wielokrotnym uzupełnianiem paliwa.

Po rozpaleniu i utworzeniu warstwy żaru zalegającej na ruszcie użytkownik zasypuje do komory porcję świeżego paliwa – często nawet powyżej dolnej krawędzi górnych drzwiczek.

Paliwo, wypalając się, zmniejsza swoją objętość i obsuwa w dół. Popioły i żużle są okresowo usuwane przez szczeliny między belkami rusztowymi za pomocą prostego narzędzia ręcznego lub dźwigniowego układu odżużlającego. W miarę ubywania zasypanego pierwotnie paliwa użytkownik dopełnia świeżą porcją komorę zasypową.

Tak eksploatowane kotły pracują często wiele dni bez potrzeby ich wygaszania. Paliwami najczęściej stosowanymi w tego typu urządzeniach są węgle kamienne o różnym uziarnieniu – groszki i orzechy, węgle brunatne o podobnym uziarnieniu, mieszanki różnych węgli, drewno kawałkowe, brykiety i mieszanki różnych paliw.

Kocioł pokazany na rys. 1c przystosowany jest do pracy okresowej. Najczęściej stosowanymi w nim paliwami są miały węglowe, niekiedy groszki. Po zasypaniu komory paliwem do wysokości dolnej krawędzi drzwiczek zasypowych użytkownik rozpala na nim ogień.

Gdy powstanie wystarczająca warstwa żaru, kocioł jest zamykany i pracuje aż do pełnego wypalenia się paliwa. Po samoczynnym wygaszeniu kotła użytkownik usuwa zalegające na ruszcie popioły i żużle, aby przygotować kocioł do kolejnego cyklu pracy polegającego na zasypaniu komory paliwem, rozpaleniu ognia, uzyskaniu warstwy żaru itd.

Wszystkie opisane powyżej typy kotłów komorowych są zasilane powietrzem niezbędnym do procesu spalania poprzez szczeliny między belkami rusztowymi. Do niedawna w kotłach typu 1c stosowano dodatkowe dysze na bocznych ścianach komory, zastępowane obecnie coraz częściej ścianami profilowanymi.

Niektóre konstrukcje kotłów komorowych wyposaża się w zasilanie powietrzem wtórnym zasysanym przez strugę spalin z zewnątrz poprzez otwory o regulowanym przesłoną przekroju czynnym. Starsze konstrukcje zasilane były powietrzem w sposób grawitacyjny, później wprowadzano sterowanie mechaniczne przepustnicą powietrza za pomocą tzw. miarkownika ciągu.

Obecnie kotły wyposażane są najczęściej w wentylator elektryczny sterowany za pomocą elektronicznego sterownika generującego sygnały zwrotne (wielkość obrotów wentylatora) na podstawie analizy wielkości sygnału pierwotnego pochodzącego z czujnika temperatury wody.

Podstawową wadą takich kotłów jest to, że znaczna masa paliwa zasypanego na warstwę żaru ulega szybkiemu podgrzaniu – powyżej temperatury zapłonu par substancji smołowych i gazów palnych zawartych w paliwie. W takim środowisku występuje równocześnie znaczny niedomiar tlenu. Wywołuje to gwałtowny wzrost poziomu emisji niespalonych i niedopalonych części lotnych unoszonych przez kanały konwekcyjne wymiennika do komina, a dalej do atmosfery.

Na chłodnych ściankach wymiennika kotła często następuje wykraplanie się pary wodnej oraz par smołowych i osiadanie cząstek pyłu, które tworzą złogi znacznie ograniczające wymianę ciepła. Tym samym wzrasta również temperatura spalin. Czynniki te mają znaczący wpływ na spadek sprawności energetycznej kotła.

Producenci kotłów tego typu z czasem zaczęli stosować coraz większe komory paliwowe, aby wydłużyć czas pomiędzy kolejnymi zasypami lub rozpaleniami, a tym samym zwiększyć komfort obsługi. Działania te mają bardzo duży negatywny wpływ na poziomy emisji takich jednostek grzewczych. Spowodowane jest to tym, że paliwo zalegające w komorze ulega z czasem nadmiernemu nagrzaniu, co skutkuje gwałtownym wzrostem ilości wydzielanych gazów palnych i par smołowych.

Aby substancje te mogły ulec spaleniu, potrzebna jest duża ilość powietrza. Gdy zostanie ona zapewniona, wyzwalana jest nadmierna ilość ciepła, która nie zostaje odebrana przez wymiennik kotła ani zewnętrzny układ odbioru ciepła.

W kotłach tego typu, niewyposażonych w system ograniczający nadmierny wzrost temperatury wody, dochodzi często do występowania zjawiska wrzenia wewnątrz przestrzeni wodnych wymiennika. Natomiast w kotłach wyposażonych w systemy ograniczające górną dopuszczalną wartość temperatury wody układ sterujący znacznie ogranicza lub całkowicie odcina dopływ powietrza do paleniska.

Skutkuje to – oprócz gwałtownego wzrostu poziomów emisji CO oraz WWA – wytrącaniem się frakcji smołowych na ściankach komory oraz w kanałach konwekcyjnych wymiennika. Takie zanieczyszczenia są bardzo trudne do usunięcia i ograniczają procesy wymiany ciepła, zmniejszając tym samym sprawność energetyczną kotła.

Spaliny o wysokiej temperaturze opuszczające kocioł niosą ze sobą również lekkie pyły, w których zaabsorbowane są szkodliwe substancje: WWA, dioksyny i furany. Dlatego kotły komorowe na paliwa stałe charakteryzują się wysokimi poziomami emisji szkodliwych dla otoczenia substancji gazowych, ciekłych i stałych.

Wartości te są wielokrotnie wyższe niż poziomy emisji pochodzące ze spalania tego samego paliwa w kotłach z automatycznym podawaniem paliwa małymi porcjami pod warstwę żaru.

Kolejnym negatywnym czynnikiem wpływającym na wysoki poziom tzw. niskiej emisji pochodzącej z kotłów komorowych jest ich konstrukcja i możliwość spalania w nich odpadków pochodzących nie tylko z gospodarstw domowych.

Niektórzy „pomysłowi” użytkownicy spalają w swoich kotłach opakowania z tworzyw sztucznych i gumy, kawałki opon, elementy mebli z substancji drewnopochodnych, zanieczyszczone substancjami biologicznymi wyroby higieniczne, a nawet zużyte tkaniny i skóry.

Znane są przypadki nasycania takich „paliw” przepracowanymi olejami silnikowymi i przekładniowymi, rozpuszczalnikami, zgęstniałymi farbami i lakierami. Poziomy emisji z takich „domowych spalarni odpadów” wielokrotnie przekraczają dopuszczalne normy i na długi okres zanieczyszczają środowisko substancjami szkodliwymi i kancerogennymi.

Wymagania normatywne

Wprowadzona w Polsce w 2002 r. norma PN-EN 303-5 Kotły grzewcze na paliwa stałe z ręcznym i automatycznym zasypem paliwa o mocy nominalnej do 300 kW. Terminologia, wymagania, badania i oznakowanie [1] mimo braku zharmonizowania z którąkolwiek z dyrektyw unijnych przez wiele lat była swoistym przewodnikiem dla producentów kotłów.

Określała minimalne poziomy sprawności i dopuszczalne poziomy emisji w zależności od nominalnej mocy kotła. Z kolei w grudniu 2002 r. wprowadzono w Polsce normę PN-EN 2809 Kotły grzewcze na paliwa stałe. Nominalna moc cieplna do 50 kW. Wymagania i badania [2], która w czerwcu 2006 r. zmianą A1 została zharmonizowana z dyrektywą o wyrobach budowlanych 89/106/EWG.

Wymagania formalne dotyczące poziomów emisji są w tej normie bardzo liberalne i nie przystają do ogólnoświatowej walki o obniżenie poziomów emisji i wzrost sprawności urządzeń grzewczych. W pkt 6.7 normy pt. „Emisja tlenku węgla” widnieje np. zapis:

„Średnie stężenie tlenku węgla, zmierzone w czasie badań wg A.4.7 w przeliczeniu na 13% zawartości O2, nie powinno być większe od wartości deklarowanej przez producenta lub nie powinno przekraczać wartości równej 1,0%”. Identyczne zapisy zawierają również zharmonizowane z dyrektywą 89/106/EWG normy dotyczące urządzeń grzewczych: PN‑EN 13240:2008 Ogrzewacze pomieszczeń na paliwa stałe. Wymagania i badania [3] i PN‑EN 13229:2002/A2:2006 Wkłady kominkowe wraz z kominkami otwartymi na paliwa stałe. Wymagania i badania [4].

Użyte powyżej słowo „lub” nie jest błędem tłumaczenia angielskiej wersji tych dokumentów, ponieważ również w nich zastosowano zwrot „or”.

Żadna z powyżej wymienionych zharmonizowanych norm nie wymagała przeprowadzenia badań ilości pyłów emitowanych wraz ze spalinami do atmosfery. Taki liberalizm prawny nie skłaniał większości producentów komunalnych urządzeń grzewczych zasilanych paliwami stałymi do prac nad udoskonalaniem konstrukcji i poszukiwania nowych rozwiązań technicznych ograniczających poziomy emisji szkodliwych substancji do atmosfery.

W sierpniu 2012 r. wdrożono w Polsce normę PN-EN 303-5 Kotły grzewcze na paliwa stałe z ręcznym i automatycznym zasypem paliwa o mocy nominalnej do 500 kW. Terminologia, wymagania, badania i oznakowanie [5], która zastąpiła dokument z 2002 r. [1].

Nowa norma została zharmonizowana z dyrektywą maszynową 2006/42/EC i wprowadza wiele ostrych wymagań – zwłaszcza w dziedzinie ograniczania poziomów emisji i efektywnego wykorzystania paliw stałych, zarówno kopalnych, jak i biopaliw. W rozdziale 4. pkt 4.4.2 norma wprowadza dwie nowe klasy sprawności: 4 i 5, równocześnie wycofując dwie najniższe klasy: 1 i 2 (opisane w [1]). Z kolei w rozdziale 4. pkt 4.4.7 wprowadza rygorystyczne dla klas 3, 4 i 5 dopuszczalne wartości emisji CO, OGC i pyłów.

W tabeli 1 zestawiono wymagania dla klas 3, 4, 5 zgodnie z normą PN-EN 303-5:2012 i PN‑EN 12809:2002/A2:2006. Wartości zawarte w normie zostały przeliczone na mg/m³ przy 10% tlenu.

W 2006 r. wśród badanych w Instytucie Chemicznej Przeróbki Węgla w Zabrzu na „Znak Bezpieczeństwa Ekologicznego” kotłów z zasypem ręcznym tylko ok. 5% spełniało wymagania dla klasy A [6]. Parametry sprawnościowo-emisyjne dla tej klasy zostały przejęte do procedury badawczej z normy PN-EN 303-5:2002 i odpowiadały klasie 3 (wówczas najwyższej). Były to kotły wyposażone w układy nadmuchu wymuszonego i sterowane automatycznymi sterownikami elektronicznymi.

Według wiedzy autora mimo upływu 6 lat od przeprowadzenia tej analizy ani na rynku krajowym, ani unijnym nie pojawiły się nowe konstrukcje kotłów komorowych o parametrach korzystniejszych niż dotychczas występujące.

Nie należy zapominać, że kotły poddawane badaniom na zgodność z wymaganiami norm to jednostki fabrycznie nowe. W czasie badań utrzymywane są takie parametry odbioru ciepła, aby kocioł nie przegrzewał się ani nie przechodził w wymuszony stan podtrzymania.

W praktyce żaden eksploatowany w układach c.o. i c.w.u. kocioł nie osiąga parametrów porównywalnych z tymi, które zostały zarejestrowane w trakcie badań na stanowisku badawczym. Przyczyną tego są:

• zmiany w strukturze materiałów, z których wykonano wymiennik ciepła,
• zanieczyszczenie jego powierzchni,
• zmienny ciąg kominowy,
• zmienna wilgotność i zanieczyszczenia stosowanych paliw substancjami niepalnymi,
• częste przechodzenie kotła w stan podtrzymania,
• nieumiejętna obsługa ze strony użytkownika.

Podsumowanie

Jak wspomniano na wstępie, kotły komorowe zasypywane ręcznie stanowią potężny segment rynku małych kotłów na paliwa stałe, dlatego przed ich producentami stoi poważne wyzwanie.

Już w najbliższej przyszłości będą oni musieli znaleźć takie rozwiązania techniczne, aby kotły tego typu spełniały wymagania co najmniej klasy 3 wg PN-EN 303-5:2012. Nie będzie to zadanie łatwe, gdyż większość dotychczas badanych kotłów nie spełniało co najmniej dwóch wymagań spośród następującej czwórki: sprawność – CO – OGC – pył.

Wiedza o szkodliwości substancji emitowanych przez kotły na paliwa stałe i walka o znaczne ograniczenie poziomów dopuszczalnej emisji skutkować będzie w niedalekiej przyszłości wycofaniem również klasy 3.

W segmencie małych kotłów do 50 kW wywoła to potrzebę ograniczenia poziomów emisji tlenku węgla co najmniej czterokrotnie, OGC – trzykrotnie, a pyłów – przynajmniej dwukrotnie. W przypadku pyłów główny nacisk kładziony jest na znaczne ograniczenie emisji pyłów najlżejszych. Znaczna ich ilość pochodzi ze spalania biopaliw. Kotły wyposażone w wentylatory wyciągowe – w tym kotły zgazowujące drewno – są największymi emitorami lekkich pyłów.

Niezbędne zmiany konstrukcyjne spowodują znaczący wzrost kosztów produkcji. Potrzeba wprowadzenia systemów sterowania wielostrefowym nadmuchem powietrza, układów ograniczających emisję pyłów i innych konstrukcji pomocniczych do stosunkowo tanich kotłów komorowych z załadunkiem ręcznym wywoła gwałtowny wzrost ich cen, mogących zrównać je z cenami obecnych na rynku kotłów automatycznych, które już obecnie cechuje znacznie niższy poziom emisji.

Mimo dużej konkurencji między producentami znacząca liczba polskich kotłów eksportowana jest na rynki państw Unii Europejskiej, co spowodowane jest częściowo konkurencyjnością ich cen.

Gdy ten element gry rynkowej przestanie działać, należy się spodziewać dużych kłopotów gospodarczych u tych producentów krajowych, którzy nie wprowadzą na czas odpowiednich nowych rozwiązań konstrukcyjnych. Tym bardziej, że część państw – członków UE wprowadza dodatkowe obostrzenia krajowe dotyczące sprawności i poziomów emisji. Już obecnie należą do nich: Austria, Chorwacja, Dania, Niemcy, Szwajcaria i Wielka Brytania, a zgodnie z prawem unijnym mogą do nich dołączyć kolejne państwa.

Literatura

1. PN-EN 303-5:2002 Kotły grzewcze na paliwa stałe z ręcznym i automatycznym zasypem paliwa o mocy nominalnej do 300 kW. Terminologia, wymagania, badania i oznakowanie.
2. PN-EN 12809:2002/A1:2006 Kotły grzewcze na paliwa stałe. Nominalna moc cieplna do 50 kW. Wymagania i badania.
3. PN-EN 13240:2008 Ogrzewacze pomieszczeń na paliwa stałe. Wymagania i badania.
4. PN-EN 13229:2002/A2:2006 Wkłady kominkowe wraz z kominkami otwartymi na paliwa stałe. Wymagania i badania.
5. PN-EN 303-5:2012 Kotły grzewcze na paliwa stałe z ręcznym i automatycznym zasypem paliwa o mocy nominalnej do 500 kW. Terminologia, wymagania, badania i oznakowanie.
6. Zawistowski J., Kryteria energetyczno-emisyjne IChPW na „Znak Bezpieczeństwa Ekologicznego” – nowelizacja, Zabrze 2006.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!