Zastosowanie elektrofiltrów w kotłach c.o. z automatycznym podawaniem paliwa stałego

Powietrze złej jakości to problem, z którym społeczeństwo Polski musi się zmagać w każdym sezonie grzewczym.

Jednym z najczęściej przekraczanych zanieczyszczeń jest stężenie pyłu. Stężenie to jest limitowane w powietrzu i jego dobowa wartość nie powinna przekraczać 50 mg/m³.

Dopuszcza się przekroczenie w ciągu roku tej wartości nie więcej niż 35 razy, jednak średnie roczne stężenie nie może przekroczyć 40 mg/m³ [1,2].

Rzeczywistość wygląda zaś tak, że dopuszczony roczny limit przekroczeń często osiągany jest już w lutym, a w aglomeracjach miejskich czy na terenach z niekorzystnym ukształtowaniem terenu kilkunastokrotne przekroczenia stężenia pyłu nikogo nie dziwią. Ma to oczywiście odzwierciedlenie w stanie zdrowia i samopoczucia ludzi, a pośrednio i w gospodarce (zwiększona liczba absencji pracowników spowodowana zwolnieniami lekarskimi czy zwiększone nakłady na służbę zdrowia związane z chorobami układu oddechowego lub krążeniowego, których kondycja w dużej mierze zależy od jakości powietrza, którym oddychamy).

Pył w powietrzu jest w znacznej części emitowany z indywidualnych instalacji ogrzewania zasilanych paliwami stałymi (węglem czy biomasą).

Stare urządzenia grzewcze, takie jak piece, piece kaflowe czy kotły c.o. z ręcznym zasypem paliwa, charakteryzują się bardzo wysoką emisją pyłu, która często przekracza stężenie 1000, a nawet 2000 mg/m³ (w warunkach umownych, w przeliczeniu na 10% O2 [4]).

Można się spotkać z przypadkami domowych urządzeń grzewczych, które w ciągu doby emitują 0,5 kg pyłu do atmosfery. Z tego względu wprowadzane kryteria emisji zanieczyszczeń, jakie powinny spełniać nowo produkowane kotły c.o. i inne urządzenia grzewcze, są bardzo restrykcyjne dla stężenia pyłu.

Według Rozporządzenia Komisji (UE) 2015/1189 z dnia 28 kwietnia 2015 r. w sprawie wykonania dyrektywy Parlamentu Europejskiego i Rady 2009/125/WE w odniesieniu do wymogów dotyczących ekoprojektu dla kotłów na paliwo stałe, w całym zakresie mocy (30–100%) kocioł nie powinien emitować pyłu w spalinach więcej niż 40 mg/m³ [3]. Prawdopodobnie kryterium to będzie jeszcze obniżane, ponieważ dla wybranych konstrukcji w niektórych krajach UE już wymagane jest stężenie nieprzekraczające 20 mg/m³. Jest to na tyle trudne do spełnienia, że nawet w warunkach laboratoryjnych, przy zastosowaniu odpowiedniego paliwa, jakie jest wymagane do spalania w trakcie testów energetyczno-emisyjnych, tylko niektóre bardzo dobre konstrukcje kotłowe są w stanie to kryterium spełnić.

Utrzymanie tak niskiego stężenia pyłu w spalinach w kotle, który podczas badań laboratoryjnych spełniał kryterium „pyłowe”, jest w warunkach domowych bardzo trudne. W trakcie rzeczywistej eksploatacji stosowane jest bowiem paliwo powszechnie dostępne w handlu (niekoniecznie o parametrach zbliżonych do opału stosowanego w laboratorium), instalacja rzadko wyposażona jest w układ stabilizujący ciąg, w dodatku kocioł c.o. „ustawiany” jest przez osobę, która często nie ma wiedzy z zakresu procesów spalania paliw.

Rozwiązaniem problemu może być zastosowanie elektrofiltrów montowanych na kanale dymowym bezpośrednio za kotłem c.o. lub innym urządzeniem grzewczym.

W trakcie opisywanych badań sprawdzono stopień redukcji pyłu w zależności od zastosowanej konstrukcji kotła i spalanego paliwa, co pozwoliło ocenić celowość stosowania elektrofiltrów ST-360 w sektorze ogrzewnictwa indywidualnego w Polsce.

Czytaj też: Poprawa efektywności energetycznej budynków biurowych i użyteczności publicznej poprzez optymalizację pracy automatyki budynkowej >>>

Badania sprawności redukcji emisji zanieczyszczeń pyłowych z kotłów c.o. dzięki zastosowaniu elektrofiltru

Testy badawcze sprawności redukcji emisji zanieczyszczeń pyłowych oraz innych zanieczyszczeń związanych (osadzonych) na pyle przeprowadzono z wykorzystaniem elektrofiltru ST-360 o następujących parametrach technicznych:

• układ sterujący (generator wysokiego napięcia) – napięcie zasilania: 230 V ±10%,
• częstotliwość zasilania: 50 Hz,
• moc nominalna w stanie czuwania: 2 W,
• moc nominalna podczas pracy: 10–20 W,
• temperatura pracy układu sterującego: 5–35°C,
• próg załączenia wentylatora: 35°C,
• próg wyłączenia wentylatora: 15°C,
• wysokie napięcie: 19 kV (min. 17 kV, maks. 21 kV),
• temperatura spalin – próg załączenia wysokiego napięcia: 50°C
• wytrzymałość temperaturowa czujnika temperatury spalin: od –50 do 480°C,
• średnica rury elektrofiltru: 160 mm. Długość rury elektrofiltru: 390 mm [5,6].

Widok i schemat blokowy urządzenia przedstawiono na rys. 1 [5,6].

Elektrofiltr

Praca elektrofiltru możliwa jest dzięki generatorowi wysokiego napięcia (1) wytwarzającego prąd stały.

• Korpus elektrofiltru (2) wykonany jest ze stali węglowej.
• W korpusie zamontowana jest elektroda ulotowa (3) generująca wyładowanie koronowe, wykonana z drutu stalowego.
• Elektroda umieszczana jest centralnie w kanale spalinowym za pomocą pręta mocującego z izolatorem ceramicznym (4).
• Układ izolowanej elektrody zasilany jest wysokim napięciem z generatora WN (1) przez odpowiednio izolowany przewód zasilający (5).
• Elektrodę rozładowczą, powierzchnię separacji, stanowią uziemione ścianki korpusu elektrofiltru i przewodu kominowego, w którym zamontowany jest elektrofiltr.
• Wnętrze korpusu, w którym zamontowana jest elektroda, przewiewane jest powietrzem osłonowym za pomocą wentylatora (6).
• Oczyszczanie i konserwacja elektrofiltru wykonywane są ręcznie przez otwór inspekcyjny (7).
• Wydzielanie pyłu ze strumienia zapylonych spalin i osadzanie na powierzchni elektrody zbiorczej, ścianek korpusu, zachodzi pod wpływem siły elektrostatycznej.
• Ziarna pyłu uzyskują ładunek elektrostatyczny w wyniku zderzeń z jonami gazu, których źródłem jest jednoimienne wyładowanie elektryczne (ulot) powstające na elektrodzie ulotowej. Wskutek jonizacji gazu i dalej ziaren pyłu następuje ruch cząstek pyłu w kierunku elektrody osadczej [5, 6].

Przygotowanie układu pomiarowego kocioł c.o. + elektrofiltr każdorazowo polegało na:

• podpięciu kotła c.o. do laboratoryjnego układu odbioru ciepła,
• podpięciu kotła c.o. do laboratoryjnego układu odbioru spalin, gdzie pomiędzy czopuchem kotła a wlotem spalin do komina montowano (według zaleceń producenta) elektrofiltr,
• podłączeniu urządzeń pomiarowych jak do standardowych testów wg PN-EN 303­‑5:2012 [4] i procedur badawczych IChPW, przy czym układy pomiaru składu gazu on-line, stężenia pyłu, zanieczyszczeń organicznych TOC oraz sumy 16 WWA wg EPA, w tym B(a)P, montowano w kanale dymowym zarówno za kotłem c.o., jak i elektrofiltrem.

Tego typu układy pomiarowe przygotowano dla kotłów c.o. z automatycznym podawaniem paliwa:

• z palnikiem retortowym – kocioł c.o. o mocy nominalnej 15 kW, zwany dalej kotłem c.o. retortowym,
• z podsuwowym systemem podawania paliwa do komory spalania – kocioł c.o. o mocy nominalnej 25 kW, zwany dalej kotłem c.o. podsuwowym,
• z palnikiem peletowym – kocioł c.o. o mocy nominalnej 15 kW, zwany dalej kotłem c.o. peletowym.

Dwa pierwsze kotły c.o. podczas testów energetyczno-emisyjnych zasilane były węglem kamiennym, a ostatnia jednostka zasilana była peletem drzewnym.

Wyniki analizy fizykochemicznej zastosowanych paliw zamieszczono w tab. 1.

Badania energetyczno-emisyjne przeprowadzono zarówno przy mocy nominalnej, jak i minimalnej (zgodnie z PN-EN 303-5:2012), mierząc jednocześnie parametry emisji wybranych zanieczyszczeń przed i za elektrofiltrem.

Wyniki przeprowadzonych badań przedstawiono w tab. 2a i tab. 2b.

Czytaj też: Optymalizacja energetyczna istniejących budynków do poziomu nZEB >>>

Badania porównawcze efektywności redukcji zanieczyszczeń pyłowych z kotłów c.o. różnych elektrofiltrów

Ponieważ wielu producentów kotłów c.o. ma problemy z osiągnięciem wymaganych poziomów stężenia pyłu w klasie 5 (najwyższej) wg PN-EN 303-5:2012, a do tej pory sami produkowali podstawowe podzespoły swoich kotłów c.o., próbują oni tworzyć również własne konstrukcje elektrofiltrów. W tab. 2a i tab. 2b (prawe kolumny) przedstawiono wyniki badań energetyczno-emisyjnych kotła c.o. posuwowego o mocy znamionowej 39 kW, który został dostarczony do badań wraz z elektrofiltrem. Ponieważ zamontowanie elektrofiltru pozwoliło na przeprowadzenie pomiarów emisji przed i za tym urządzeniem, możliwe było określenie jego sprawności redukcji zanieczyszczeń.

W tab. 3 podano wyniki analizy fizykochemicznej paliwa, którego użyto podczas testów ww. kotła c.o.

Porównano również badany elektrofiltr ST‑360 z podobnym urządzeniem innej wiodącej firmy znanej na rynku UE.

Aby umożliwić porównanie wyników z przedstawionymi redukcjami zanieczyszczeń uzyskanymi w przypadku kotła c.o. wyposażonego w elektrofiltr produkcji firmy specjalizującej się w konstrukcji jednostek kotłowych, do badań wytypowano kocioł c.o. podobnej konstrukcji (podsuwowy) o zbliżonej mocy znamionowej, tj. 40 kW.

W tab. 3 podano wyniki analizy fizykochemicznej paliwa, którego użyto podczas testów ww. kotła c.o., natomiast w tab. 4 wyniki testów energetyczno-emisyjnych przy użyciu elektrofiltru ST-360 – oznaczonego jako EF1 i elektrofiltru innej wiodącej firmy – oznaczonego jako EF2.

Podsumowanie i wnioski

Wyniki przeprowadzonych badań potwierdzają redukcję emisji pyłu w pełnym zakresie pracy kotłów c.o. zasilanych zarówno węglem kamiennym, jak i biomasą.

W przypadku zanieczyszczeń organicznych TOC oraz oznaczanych 16 WWA wg EPA czy B(a)P, które w zależności od konstrukcji kotłów w różnym stopniu związane są z pyłem, obserwuje się różny stopień redukcji.

I tak w przypadku zanieczyszczeń organicznych TOC redukcja wynosi od 40 do 60%, dla sumy 16 WWA wg EPA redukcja osiąga maksymalny poziom niemal 70%, a dla B(a)P nawet do 100%.

Porównano również badany ST-360 z urządzeniem jednej z najbardziej znanych zachodnich firm oraz podobnym urządzeniem wytwarzanym lokalnie przez jeden z zakładów produkujących kotły c.o.

Wszystkie trzy elektrofiltry sprawdzono przy mocy nominalnej i minimalnej kotłów c.o. zasilanych węglem kamiennym o średnicy ziaren 0–31,5 mm, wyposażonych w palnik z podsuwowym systemem podawania paliwa, o mocy projektowej 40 kW.

Badany elektrofiltr miał niemal identyczną sprawność redukcji pyłu jak elektrofiltr wiodącej zachodniej firmy.

Odnotowano redukcję pyłu przy mocy nominalnej rzędu 80%, a przy mocy minimalnej 60%.

Urządzenie produkowane w zakładzie kotlarskim charakteryzowało się gorszą redukcją pyłu o około 10 punktów procentowych.

W tab. 5 zestawiono sprawności redukcji pyłu i zanieczyszczeń organicznych TOC dla badanego elektrofiltru ST-360 w zależności od zastosowanego paliwa do spalania, strumienia spalin i temperatury spalin.

Można zauważyć, że w przypadku biomasy dla badanego przypadku sprawność redukcji pyłu i zanieczyszczeń organicznych nie zależy od strumienia spalin. W przypadku spalania węgla widać znaczny wpływ strumienia spalin na sprawność odpylania.

W badanym zakresie od 2,5 do 24,0 g/s sprawność odpylania i redukcji TOC wzrasta wraz ze wzrostem strumienia spalin, a więc prędkością omywania elementów badanego urządzenia.

Na podstawie uzyskanych wyników badań można również wywnioskować, że w przypadku zbliżonych strumieni spalin na sprawność redukcji zanieczyszczeń pyłowych mają wpływ zapylenie i w ograniczonym zakresie temperatura ­spalin.

ST-360 to produkt służący do działania w domowej instalacji grzewczej. Ze względu na budowę jest on przeznaczony do instalacji o mocy do 30–40 kW, czyli przede wszystkim do kotłów c.o. z automatycznym podawaniem paliwa (z podajnikiem).

Duże znaczenie ma tutaj przebieg procesu spalania. Jeżeli w kotle i przewodzie kominowym osadza się smoła, to zabrudzeniu ulega również elektrofiltr, co prowadzi do jego automatycznego wyłączenia lub uszkodzenia.

W kotłach z ręcznym podawaniem paliwa proces spalania jest często źle prowadzony.

Inną kwestią jest jakość paliwa. Przykładowo jeśli w kotle spala się mokre drewno, to montaż elektrofiltru nie ma sensu. Nie można jednak z góry wykluczać żadnego kotła, ponieważ w urządzeniu zasypowym z odpowiednim paliwem i umiejętnie prowadzonym procesem spalania również z powodzeniem można zastosować elektrofiltr.

Elektrofiltr jest najczęściej montowany razem z kotłem c.o. przez wykwalifikowanego instalatora.

Możliwe jest również przerobienie istniejącej instalacji spalinowej i zamontowanie elektrofiltru.

Moduł elektroniki (generator wysokiego napięcia) nie wymaga specjalnego doprowadzenia prądu, wystarczy zasilanie z gniazdka 230 V/50 Hz.

Wszystkie metalowe elementy przewodu kominowego powinny być uziemione, tak jak uziemiony jest korpus elektrofiltru będący jednocześnie elektrodą rozładowczą, na której osadza się pył wytrącony ze spalin.

Zaleca się, aby po zamontowaniu elektrofiltru, przed pierwszym rozpaleniem w urządzeniu grzewczym, kominiarz sprawdził szczelność i poprawność działania instalacji spalinowej. Zna on najlepiej stan techniczny zarówno instalacji dymowej (kominowej), jak i urządzenia grzewczego. Zazwyczaj wie również, jakie paliwo i w jaki sposób jest w danej lokalizacji użytkowane. Z tego względu najlepiej oceni, jak często powinno się sprawdzać i czyścić instalację elektrofiltru.

Czyszczenie elektrofiltru należy wykonywać ręcznie podczas okresowego czyszczenia kotła c.o. i komina.

Częstotliwość czyszczenia jest uzależniona od jakości paliwa i procesu spalania (rodzaju kotła c.o. i stosowanej techniki spalania).

Podczas czyszczenia elektrofiltru kocioł c.o. powinien być wygaszony, a elektrofiltr wyłączony poprzez wyjęcie wtyczki z gniazda zasilającego.

Urządzenie zostało tak zaprojektowane, żeby czynności przygotowania do czyszczenia nie wymagały użycia narzędzi – śruby motylkowe, a do samego czyszczenia wystarczy miotełka, szczotka lub szmatka.

Jedyne, na co należy zwrócić uwagę, to rozładowanie elektrody ulotowej, na której mimo wyłączenia zasilania elektrofiltru może występować ładunek elektryczny.

Pył, który spadnie w trakcie czyszczenia, należy zebrać przez otwór rewizyjny umieszczony w dolnej części przewodu spalinowego.

Szczegółowy opis czyszczenia urządzenia znajduje się w instrukcji obsługi i należy bezwzględnie stosować się do podanych w niej zaleceń.

Znaczne zabrudzenie powierzchni elektrofiltru nie tylko zmniejsza sprawność odpylania spalin, ale też ogranicza ciąg kominowy, co może niekorzystnie wpływać na sprawność urządzenia grzewczego, a w ekstremalnych przypadkach stwarzać zagrożenie zdrowia i życia użytkownika (podobnie jak nieczyszczone kominy) [5].

W sezonie grzewczym obserwuje się znaczny wzrost zainteresowania elektrofiltrami, głównie ze strony gmin, które dysponują środkami na tzw. wymianę kotłów.

Jednostki samorządu terytorialnego często mogą wykorzystać pieniądze przeznaczone na ochronę środowiska na montaż elektrofiltrów.

Co ważne, urządzenia te mogą być montowane w istniejących instalacjach. Obecnie elektrofiltry są montowane głównie w instalacjach grzewczych na terenie województwa śląskiego i małopolskiego, sporadycznie w innych województwach.

Jak wykazano w artykule, elektrofiltr może być skutecznym rozwiązaniem ograniczającym emisję pyłów zwłaszcza w istniejących instalacjach.

W dobie e-produktów nie jest problemem monitoring pracy takich urządzeń i w razie ich awarii czy świadomego wyłączenia przez „sprytnego” użytkownika zostanie to natychmiast wykryte i spowoduje powiadomienie właściwych służb czy wręcz wyłączenie pracy kotła c.o. z możliwością ponownego włączenia wyłącznie przez uprawnione osoby [6].

Podsumowując, świadome stosowanie elektrofiltru w instalacjach, w których następuje spalanie paliw stałych, znacznie ogranicza ich negatywny wpływ na jakość powietrza, a więc jednoznacznie poprawia komfort życia i globalnie zmniejsza zachorowalność na choroby układu oddechowego czy krążenia.

Literatura

1. Rozporządzenie Ministra Środowiska z dnia 24 sierpnia 2012 r. w sprawie poziomów niektórych substancji w powietrzu (DzU 2012, poz. 1031).
2. Rozporządzenie Ministra Środowiska z dnia 26 stycznia 2010 r. w sprawie wartości odniesienia dla niektórych substancji w powietrzu (DzU nr 16/2010, poz. 87).
3. Rozporządzenie Komisji (UE) 2015/1189 z dnia 28 kwietnia 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 193/100).
4. 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.
5. www.techsterowniki.pl (7.03.2018).
6. Materiały własne firmy Tech Sterowniki.
7. Matuszek K., Hrycko P., Z. Kamiński, M. Pańczyk, Badania redukcji emisji zanieczyszczeń pyłowych poprzez zastosowanie elektrofiltru do kotłów c.o. z automatycznym podawaniem paliwa według wytycznych normy PN-EN 303-5:2012, sprawozdanie IChPW nr 130/2017.

Czytaj też: Kopalnie węgla kamiennego źródłem ciepła dla pomp ciepła >>>

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!