Przyszłość kotłów c.o. zasilanych paliwem stałym

Jakość powietrza w Polsce pozostawia wiele do życzenia [3,4]. Trwa nieustanna dyskusja, które źródła emisji najbardziej oddziałują na wzrost zanieczyszczenia powietrza i jakie są najlepsze czy najbardziej realne drogi prowadzące do poprawy istniejącego stanu.

Na podstawie analizy ogólnodostępnych danych można wnioskować, że spalanie paliw stałych w istniejącej infrastrukturze indywidualnych źródeł ciepła wpływa na zanieczyszczenie powietrza, a tym samym na nasz komfort życia i zdrowia.

Taką analizę można rozpocząć od porównania wartości stężeń zanieczyszczeń monitorowanych i dokumentowanych przez Inspektoraty Ochrony Środowiska w różnych miejscach kraju podczas sezonu grzewczego i poza nim.

W tab. 1 pokazano zestawienie, z którego jednoznacznie wynika, że jakość powietrza pogarsza się wraz z nadejściem sezonu grzewczego, co oznacza, że produkcja ciepła wpływa na wzrost zanieczyszczeń powietrza.

W tab. 2 przedstawiono szacunki, w jaki sposób w kraju wytwarzane jest ciepło, a więc jaki procent gospodarstw domowych w Polsce wykorzystuje do ogrzewania odpowiednio: paliwa stałe, ciekłe i gazowe, energię elektryczną czy ciepło produkowane w ciepłowniach lub elektrociepłowniach.

Większość analiz pokazuje, że ok. 70% (±10%) gospodarstw produkuje ciepło, spalając paliwa stałe. Jeśli zatem obserwujemy pogorszenie jakości powietrza w sezonie grzewczym, to na podstawie szacunków pokazanych w tab. 2 jednoznacznie można wnioskować, że największy wpływ na tego typu negatywne oddziaływanie ma spalanie paliw stałych.

Przekroczenia dopuszczalnego poziomu takich zanieczyszczeń jak pył czy benzo(alfa)piren (B(a)P) są w sezonie grzewczym na tyle duże i częste, że nie ulega wątpliwości, iż poprawa stanu jakości powietrza w Polsce jest jednym z priorytetowych problemów, z rozwiązaniem którego nie można zwlekać. Do poprawy tego stanu będą dążyć zarówno władze lokalne i państwowe w Polsce, jak i zarządzający UE.

Skoro w tak prostej, przedstawionej powyżej analizie można wskazać źródło problemu, czy zostanie on w najbliższym czasie rozwiązany?

Czy dziś można jednoznacznie określić, jak będzie wyglądała infrastruktura wytwarzania ciepła w Polsce np. za 5, 10 czy 15 lat?

Z pewnością nie, ale poprzez analizę faktów i obecnych trendów podjęto poniżej próbę odpowiedzi na to pytanie.

Paliwa stałe w ogrzewnictwie indywidualnym

Mimo nagłaśniania w mediach kwestii spalania paliw stałych w dalszym ciągu znaczna część społeczeństwa uważa, że paliwo stałe = węgiel.

Rzeczywiście, wśród paliw stałych spalanych w źródłach indywidualnych węgiel dominuje – węgla kamiennego spala się w Polsce 11–12 mln ton rocznie, a brunatnego ok. 1 mln ton. Jednak według statystyk GUS rocznie w Polsce na potrzeby wytwarzania ciepła spala się również od 6 do 8 mln ton biomasy, a więc drewna kawałkowego, zrębek, trocin, peletów, brykietów, słomy itp.

Należy pamiętać, że biomasa jest również paliwem stałym, mimo znacznego zużycia pomijanym nie tylko w ujęciu społecznym, ale również prawnym. W nowelizacji ustawy o systemie monitorowania i kontrolowania jakości paliw, którą w 2014 roku uzupełniono o definicję paliw stałych, biomasy nie uwzględniono [7].

Bilansując zużycie w Polsce paliw stałych, należy uwzględniać spalanie mułu węglowego i to nawet w ilości 1 mln ton rocznie, paliwa zupełnie nienadającego się do spalania w indywidualnych źródłach ciepła, oraz odpadów w szacunkowej ilości 0,5 mln ton rocznie.

Wprawdzie spalanie mułu jest jeszcze legalne, ale trwają prace mające na celu wyeliminowanie tego produktu z rynku paliw dostępnych dla odbiorców indywidualnych. Natomiast spalanie czy współspalanie odpadów w instalacjach do tego nieprzystosowanych jest nielegalne.

Oba te procesy generują niewspółmierną do ilości wytworzonego ciepła emisję zanieczyszczeń i bez ich wyeliminowania nie ma szans na poprawę wizerunku spalania paliw stałych w Polsce.

Urządzenia grzewcze – kotły c.o.

Kotły c.o. stosowane w sektorze ogrzewnictwa indywidualnego (o mocy do 500 kW) zasilane paliwami stałymi ze względu na rozwiązania konstrukcyjno-technologiczne można podzielić na układy z ręcznym i automatycznym zasypem paliwa.

Od strony procesowej kotły dzieli się na urządzenia, w których proces spalania przebiega współprądowo i przeciwprądowo, a podział ten wynika z kierunku podawania paliwa i powietrza do spalania.

Jeśli paliwo podawane jest współprądowo z powietrzem, powstałe w strefie odgazowania zanieczyszczenia przechodzą do strefy żaru, gdzie ulegają dopaleniu.

Przy dostarczaniu paliwa z przeciwnej strony złoża w stosunku do doprowadzanego strumienia powietrza mamy do czynienia ze spalaniem przeciwprądowym.

W kotłach z ręcznym, cyklicznym zasypem (uzupełnianiem) paliwa po zasypie porcji paliwa na warstwę żaru następuje jego gwałtowne odgazowanie, a produkty tego procesu (tlenek węgla, węglowodory i inne związki, w tym wypadku zanieczyszczenia) przechodzą bezpośrednio do strefy suszenia, gdzie ulegają ochłodzeniu i nie dochodzi do ich spalenia.

W spalinach z tych kotłów znajduje się więc duża dawka zanieczyszczeń emitowana wprost do powietrza i nie jest to jedyne zagrożenie. Powstający tlenek węgla to również tzw. cichy zabójca, niebezpieczny dla zdrowia człowieka, ponieważ gdy stężenie CO w powietrzu wynosi 600 ppm (0,06%), już w ciągu godziny powoduje ból głowy i nudności.

Jeśli stężenie przekracza 900 ppm (0,09%), przebywanie w takim pomieszczeniu dłużej niż 1,5 h spowoduje zgon.

Duże stężenie tlenku węgla występujące w procesie odgazowania paliwa może również powodować zagrożenie wybuchem w komorze spalania kotła [3].

Jest też grupa kotłów c.o. z ręcznym zasypem paliwa, tzw. szybowych, gdzie na ruszt zasypywane jest złoże paliwa, którego rozpalanie następuje od góry.

Kotły te ze względu na swoją specyfikę wymagają cyklicznego rozpału (średnio raz na dobę), wyposażone są też w specjalne kanały doprowadzające powietrze do całej wysokości złoża, uniemożliwiające tworzenie się stref przebiegu gwałtownych reakcji (wybuchu, spalania detonacyjnego itp.).

Idea pracy takiego kotła wygląda następująco:

• rozpala się górną część złoża paliwa, od której nagrzewają się stopniowo niższe warstwy, uzyskując szybko temperaturę początku odgazowania;
• w miarę spalania się wydzielanych gazów warstwa żaru przesuwa się w dół, aż do rusztu.

W rzeczywistości wypalające się stopniowo paliwo odsłania dysze kanałów powietrza, które wychładza produkty spalania, co negatywnie wpływa na sprawność urządzenia i emisję związków szkodliwych (np. wielopierścieniowych węglowodorów aromatycznych /WWA/, w tym B(a)P).

W porównaniu do tradycyjnych kotłów komorowych średnia emisja zanieczyszczeń z kotłów szybowych jest jednak niższa.

Wadą tych kotłów jest m.in. wysoka emisja zanieczyszczeń podczas rozpalania, wychładzanie spalin powietrzem dostarczanym nad żar, co powoduje spadek sprawności i wzrost emisji zanieczyszczeń, ograniczone możliwości sterowania procesem spalania, konieczność stosowania miału o odpowiedniej wilgotności (suche paliwo może powodować zagrożenie wybuchem pomimo dodatkowych kanałów powietrznych, w które wyposażone są kotły szybowe).

We wszystkich konstrukcjach z ręcznym zasypem paliwa istnieje możliwość spalania paliw złej jakości, mułów czy odpadów, co w znacznym stopniu obciąża środowisko.

Kotły c.o. z ręcznym zasypem paliwa to rozwiązanie najprostsze, znane i stosowane od setek lat. Rozwój techniki sprawia, że w każdej dziedzinie prymitywne, działające periodyczne urządzenia są zastępowane takimi, w których procesy są realizowane w sposób ciągły lub quasi ciągły. Umożliwia to rzeczywiste, a nie intuicyjne sterowanie procesem oraz jego optymalizację i kontrolę, co w przypadku urządzeń grzewczych (kotły z automatycznym podawaniem paliwa) przekłada się na wyższą sprawność i niższe wskaźniki emisji zanieczyszczeń.

W Polsce mamy bardzo dużą liczbę różnych konstrukcji kotłów z ręcznym zasypem paliwa, tzw. komorowych – szacuje się, że stanowią one 75% rynku.

Szybowe kotły c.o. są stosunkowo rzadko spotykane, ich udział w rynku to maks. 5%.

Pozostałe 20% to kotły z automatycznym podawaniem paliwa, w których realizowany jest współprądowy lub do niego zbliżony proces spalania, a paliwo podawane jest ze zbiornika bądź innego magazynu w sposób uporządkowany, małymi porcjami wraz z odpowiednim strumieniem powietrza bezpośrednio do palnika umieszczonego w komorze spalania kotła. Taka realizacja procesu gwarantuje dobry kontakt paliwa z powietrzem oraz odpowiedni czas przebywania takiej mieszanki w strefie wysokich temperatur. Kotły c.o. tego typu to najczęściej urządzenia retortowe (z palnikami retortowymi), podsuwowe czy tłokowe, zazwyczaj przeznaczone do spalania węgla kamiennego, czasem dostosowane do spalania biomasy, oraz kotły c.o. na pelet umożliwiające spalanie wyłącznie granulowanej biomasy, a także kotły przeznaczone do spalania określonego rodzaju biomasy (zrębki, brykiety itp.)

Coraz częściej oferowane są również kotły c.o. z członem zgazowującym. Są to również konstrukcje z automatycznym podawaniem paliwa, najczęściej biomasy.

W kotłach automatycznych ze względu na rodzaj układów podawania zazwyczaj stosowane są paliwa o granulacji od 5 do 30 mm, czyli pelety, węgle sortymentu groszek lub sortymentowy miał.

Bardziej elastyczne pod tym względem są kotły podsuwowe lub z członem zgazowującym, jednak nie umożliwiają one podania sortymentów typu muł (< 1 mm) czy orzech lub kostka. Zgodnie z instrukcją obsługi i DTR (Dokumentacją Techniczno-Ruchową) stosowanie kotłów c.o. z automatycznym załadunkiem paliwa, które zostały poddane badaniom energetyczno-emisyjnym wg normy PN-EN 303-5:2012 [8] i sklasyfikowane wg niej, jest gwarancją wytwarzania ciepła bez zbędnego obciążania środowiska naturalnego.

Badania energetyczno-emisyjne kotłów c.o. i ich prawidłowa eksploatacja

Wśród kotłów stosowanych do wytwarzania ciepła w gospodarstwach indywidualnych jedynie urządzenia c.o. z automatycznym załadunkiem paliwa powinny mieć rację bytu. Konstrukcje te wyposażone są co najmniej w układ podawania paliwa z napędem elektrycznym i wentylator nadmuchowy. Nawet laik nie powinien mieć problemu ze stwierdzeniem, że taki kocioł jest maszyną, a skoro tak, musi spełniać wytyczne dyrektywy maszynowej [9].

Norma PN-EN 303-5:2012 [8] jest zharmonizowana z tą dyrektywą, więc nie wnikając w możliwe interpretacje prawne, kotły c.o. sprzedawane na rynku polskim powinny posiadać sprawozdanie z badań przeprowadzonych wg tej normy, wykonane w jej zakresie przez laboratorium akredytowane przez Polskie Centrum Akredytacji (PCA). Opisuje ona przebieg koniecznych do przeprowadzenia testów badawczych oraz określa, jakie kryteria musi spełniać urządzenie w zależności od klasy, która zostanie mu przypisana. W tab. 3 przedstawiono kryteria emisji, które muszą spełniać kotły c.o. na paliwa stałe przeznaczone do użytkowania w gospodarstwach domowych i małych kotłowniach.

Norma PN-EN 303-5 została wprowadzona w Polsce w 2002 r. Ta pierwsza wersja wprowadzała ocenę kotła w klasie od 1 (najgorszej) do 3 (najlepszej).

Wersja z 2012 r. wprowadza klasy od 3 (najgorszej, w której wartości pozostały na poziomie określonym dla tej klasy w poprzedniej wersji dokumentu) do 5 (najlepszej).

Właściwie wszystkie pozostałe kryteria oceny kotłów bazują na poziomach emisji podanych w normie PN-EN 303-5:2012 [8].

Najbardziej znane, szczególnie na zachodzie Europy, są kryteria BAFA [11] dla jednostek biomasowych czy rozporządzenie Komisji Europejskiej w sprawie wykonania dyrektywy 2009/125/WE Parlamentu Europejskiego i Rady w odniesieniu do wymogów dotyczących ekoprojektu dla kotłów c.o. na paliwo stałe [10].

Jednak nawet najlepsze kotły c.o. spełniające w trakcie badań laboratoryjnych najostrzejsze kryteria nie gwarantują dotrzymania niskich poziomów emisji zanieczyszczeń w trakcie rzeczywistej eksploatacji. Większość tych jednostek wyposażona jest w automatyczne regulatory, które w zależności od zapotrzebowania na ciepło regulują stosunkowo poprawnie parametry procesu spalania, dobierając odpowiednie strumienie paliwa i powietrza podawane do komory spalania.

Kotły c.o. z automatycznym podawaniem paliwa stałego wymagają stałego nadzoru, polegającego na systematycznym czyszczeniu jednostki, okresowej obsługi serwisowej wykonywanej przez specjalistę czy utrzymania czystego przewodu dymowego (komina) [5]. Kotły c.o. najwyższej klasy wyposażone są często w dodatkowe układy ograniczające emisję zanieczyszczeń, np. elektrofiltry. Elementy te również wymagają cyklicznego czyszczenia i obsługi zgodnie z instrukcją obsługi i wytycznymi DTR. I co najważniejsze: najlepszy kocioł c.o. z najlepszą obsługą, ale zasilany nieodpowiednim paliwem będzie dalej w nadmiarze produkował zanieczyszczenia i zatruwał powietrze.

Kotły c.o. na paliwa stałe w UE

Polska jest największym producentem kotłów c.o. na paliwa stałe. Trudno porównywać konstrukcje kotłów zasilanych paliwami węglowymi produkowanymi w kraju z tymi z zachodniego regionu UE, jednostek tych jest bowiem stosunkowo niewiele. Jednak w przypadku kotłów c.o. zasilanych peletami drzewnymi dopracowane konstrukcje krajowe jakością nie odbiegają od tych z Zachodu [6]. Zazwyczaj są również bardzo atrakcyjne cenowo.

Liderem w produkcji zaawansowanych technologicznie kotłów automatycznych małych mocy zasilanych biomasą są w Europie Austria i Niemcy.

Niemcy promują rozwiązania ograniczające emisję CO₂ (przyjmuje się, że spalanie biomasy nie powoduje emisji tego związku), np. resort gospodarki i transportu (Bundesamt für Wirtschaft und Ausfuhrkontrolle) na swojej stronie internetowej [11] zamieszcza uaktualnianą co kwartał listę urządzeń grzewczych, w tym automatycznych kotłów c.o. małej mocy zasilanych biomasą – kupując figurujące na niej urządzenie, klienci otrzymują dofinansowanie.

Wpis na listę dokonywany jest po dokładnej weryfikacji wyników badań przedstawionych przez producenta, któremu opłaca się zgłoszenie wyrobów, gdyż ze względu na udzielane dofinansowanie taki wpis zwiększa konkurencyjność produktów.

Na liście tej znajdują się urządzenia produkowane przez firmy w różnych krajach Europy – na około 210 ujętych w spisie producentów znajduje się 10 polskich.

W Polsce klient w dalszym ciągu zwraca uwagę przede wszystkim na koszty inwestycyjne i eksploatacyjne urządzenia wytwarzającego ciepło.

W zamożniejszych krajach UE kryterium to schodzi na dalszy plan. Dla statystycznego Niemca czy Austriaka cena również jest istotna, ale ustępuje miejsca komfortowi obsługi i ekologii użytkowania. Stąd w krajach tych rozwijane są konstrukcje kotłowe, w których priorytetem jest wysoki komfort obsługi i niska emisja gazów i pyłów. Dostępne są systemy automatycznego załadunku kotła, bezpośrednio z pomieszczenia, w którym składowane jest paliwo (fot. 1), i automatycznego odpopielania. Serwis gwarantuje dostawę odpowiedniego paliwa i usługę czyszczenia, regeneracji czy wymiany poszczególnych elementów, a kominiarz dba o właściwy stan przewodu dymowego. Dla użytkownika takiego urządzenia pod kątem komfortu nie ma więc różnicy, czy spala paliwo stałe, czy np. gazowe. Ma jednak satysfakcję, że nie konsumuje paliw kopalnych, a jego wkład w emisję CO2 bezpośrednio wiązaną z efektem cieplarnianym jest zerowy.

Żeby dodatkowo wzmocnić ekologiczny wizerunek takich kotłów, producenci jednostek zasilanych biomasą tworzą dla nich człony kondensacyjne i tym samym mogą zamieszczać informację o sprawności przekraczającej 100%. Oferowane są też jednostki na biomasę (nieobciążone emisją CO₂) wytwarzające ciepło i energię elektryczną w kogeneracji, np. wyposażone w silnik Stirlinga czy układ ORC.

Podsumowanie

Pomimo znacznego wpływu produktów procesu spalania w kotłach c.o. zasilanych paliwem stałym na niską emisję błędem jest utożsamianie emisji zanieczyszczeń wyłącznie ze spalaniem paliw stałych. Spalaniu każdego paliwa towarzyszy emisja związków szkodliwych do atmosfery [1,2]. Z punktu widzenia poziomów osiąganej emisji bardziej istotna niż rodzaj spalanego paliwa jest organizacja procesu spalania.

Żeby umożliwić spalanie paliwa, potrzebne jest przede wszystkim zapewnienie odpowiedniego kontaktu paliwa z utleniaczem (a więc zarówno odpowiednia ilość powietrza, jak i właściwe wymieszanie obu tych składników) oraz odpowiednio wysoka temperatura i czas przebywania paliwa zarówno w strefie wysokiej temperatury, jak i w kontakcie z powietrzem. Warunki te można spełnić poprzez zastosowanie wyłącznie najlepszych konstrukcji kotłów c.o., zapewniających odpowiednie parametry procesu spalania, gwarantujące nieznaczną emisję zanieczyszczeń – na urządzenia te często można uzyskać dofinnsowanie.

Należy pamiętać, że stopniowa eliminacja kotłów c.o. z ręcznym zasypem paliwa to dopiero połowa sukcesu w dążeniu do poprawy jakości powietrza. Jednostki z automatycznym podawaniem paliwa stałego wymagają bowiem stałego nadzoru i bardzo dobrego paliwa.

W polskich warunkach ekonomicznych wśród osób eksploatujących kotły c.o. zasilane paliwami stałymi panuje pogląd, że im większy komfort użytkowania, tym wyższa cena jednostki wyprodukowanego ciepła. Jednak społeczeństwo coraz bardziej ceni sobie jakość życia, więc jeśli w najbliższych latach średnie dochody przeciętnego Polaka będą rosnąć, można przewidywać, że wzrośnie liczba kotłów c.o. zasilanych paliwem gazowym oraz energią elektryczną (pompy ciepła) i gospodarstw domowych przyłączanych do sieci ciepłowniczej.

Ze względu na wymagania paliwowe automatycznych węglowych kotłów c.o. i możliwości polskich producentów węgla eksploatacja tych jednostek będzie coraz droższa, co wielu użytkowników również skłoni do zmiany sposobu ogrzewania. Niekoniecznie zatem narzucone ograniczenia związane z koniecznością poprawy jakości powietrza w Polsce będą siłą sprawczą ograniczania stosowania kotłów c.o. zasilanych paliwem stałym.

Biorąc pod uwagę świadomość ekologiczną Polaków oraz ich aspiracje ekologiczne, raczej trudno prognozować znaczny wzrost użytkowników zaawansowanych technologicznie kotłów c.o. zasilanych biomasą, co można zaobserwować obecnie w niektórych krajach UE. Mogłoby to mieć miejsce jedynie w przypadku kreowania tego typu polityki przez państwo, a więc dopłat do upraw energetycznych czy do budowy instalacji peletowania biomasy lub bezpośrednich dopłat do produkowanego paliwa biomasowego.

Z analiz, częściowo przedstawionych w tym artykule, jednoznacznie wynika, że liczba eksploatowanych kotłów c.o. zasilanych paliwami stałymi będzie się stopniowo zmniejszać, jednak ze względu na uwarunkowania krajowe w najbliższych 10 czy 15 latach jednostki te nie znikną zupełnie z rynku. Prawdopodobnie będzie też rósł udział kotłów c.o. z automatycznym podawaniem paliwa w stosunku do wszystkich eksploatowanych w kraju urządzeń zasilanych paliwem stałym.

To, jak szybko następować będzie naturalna eliminacja paliw stałych z sektora ogrzewnictwa indywidualnego, będzie na pewno uzależnione od sytuacji gospodarczej Polaków. Jednak aspekt ten prawdopodobnie nie zmieni znacząco infrastruktury technicznej ogrzewnictwa indywidualnego w najbliższych kilku czy kilkunastu latach. Sytuacja może jednak ulec zmianie w przypadku narzucenia drastycznych uwarunkowań prawnych.

Literatura

1. Jarosiński J., Technika czystego spalania, Warszawa, WNT, 1996
2. Kordylewski W., Hardy T., Niskoemisyjne techniki spalania: problemy i perspektywy, Politechnika Wrocławska, Wrocław 2003.
3. Matuszek K., Kotły c.o. małej mocy na paliwa stałe – zanieczyszczenie środowiska, rozwój konstrukcji, kryteria oceny, „Karbo” nr 4 (2006).
4. Matuszek K., Hrycko P., Wpływ parametrów paliwa na parametry energetyczno-emisyjne kotłów c.o. małej mocy. Tlenki azotu w kotłach zasilanych peletami drzewnymi, „Instal” nr 1/2015.
5. Matuszek K., Hrycko P., Praca kotła c.o. w warunkach laboratoryjnych i w warunkach rzeczywistej eksploatacji, „Ciepłownictwo, Ogrzewnictwo, Wentylacja” nr 5/2013.
6. Bocian P., Golec T., Rakowski J. red., Nowoczesne technologie pozyskania i energetycznego wykorzystania biomasy, Wydawnictwo Instytutu Energetyki, Warszawa 2010.
7. Obwieszczenie Marszałka Sejmu Rzeczypospolitej Polskiej z dnia 19 listopada 2014 r. w sprawie ogłoszenia jednolitego tekstu ustawy o systemie monitorowania i kontrolowania jakości paliw (DzU 2014, poz. 1728).
8. 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.
9. Dyrektywa 2006/42/WE Parlamentu Europejskiego i Rady z dnia 17 maja 2006 r. w sprawie maszyn, zmieniająca dyrektywę 95/16/WE – przekształcenie (DzU UE 2006, L 157/24).
10. Rozporządzenie Komisji (UE) nr 813/2013 z dnia 2 sierpnia 2013 r. w sprawie wykonania dyrektywy Parlamentu Europejskiego i Rady 2009/125/WE w odniesieniu do wymogów dotyczących ekoprojektu dla ogrzewaczy pomieszczeń i ogrzewaczy wielofunkcyjnych (DzU UE 2013, L 239/136).
11. http://www.bafa.de/bafa/de/energie/erneuerbare_energien/biomasse/publikationen/index.htm.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!