Kotły na biopaliwa stałe z ręcznym załadunkiem

Od momentu opanowania ognia przez człowieka technologia spalania biomasy rozwijała się w kierunku bardziej bezpiecznej i efektywnej. Spalanie drewna zostało ograniczone po pojawieniu się węgla w okresie rewolucji przemysłowej w XIX wieku. Węgiel okazał się paliwem o większej wartości opałowej, bardziej efektywnym, relatywnie tanim i wraz z rozwojem kolei szeroko dostępnym. W Polsce po II wojnie światowej praktycznie cała technologia, wytwórczość, energetyka i ogrzewnictwo bazowały na węglu. Drewno zaś stało się synonimem zacofania i było stosowane prawie wyłącznie jako materiał dla budownictwa, przetwórstwa i przemysłu meblowego. Jako paliwo było wykorzystywane na wsi, a w mniejszych miastach do palenia w kominkach i piecach kaflowych, głównie w starym budownictwie. Używane było też w prostych kotłach rusztowych jako rozpałka do węgla i jego uzupełnienie. Spalanie w takich kotłach odbywało się na ruszcie z ręcznym podawaniem paliwa od góry, przepływem powietrza od dołu i grawitacyjnym odprowadzeniem spalin.

Obecnie spalanie biopaliw i drewna zyskuje na znaczeniu w związku z ograniczaniem emisji gazów cieplarnianych z paliw kopalnych. Korzystanie z paliw kopalnych powoduje m.in. zachwianie bilansu w ekosystemie pomiędzy produkcją a pochłanianiem dwutlenku węgla, co powoduje z kolei ocieplenie klimatu i zanieczyszczenie atmosfery, zwłaszcza lokalne z kotłów i pieców małej mocy. Ponadto zasoby paliw kopalnych są ograniczone i w najbliższych dziesięcioleciach zostaną wyczerpane złoża łatwo dostępne.

Zmianą w strukturze wykorzystania paliw, zwłaszcza w zakresie małych i średnich mocy, jest wytwarzanie energii cieplnej w systemach rozproszonych, zasilanych ze źródeł odnawialnych, np. przez spalanie biomasy w specjalnie do tego przeznaczonych kotłach. Także wzrost cen paliw kopalnych skłania do poszukiwania tańszych i dostępnych nośników energii. Ważną rolę odgrywa również ochrona środowiska i to, że paliwo powinno być odnawialne oraz ogólnie dostępne. Kryteria te spełniają biopaliwa stałe pochodzenia drzewnego.

Polana, zrębka i pelety wytwarzane są z drewna, dzięki czemu są paliwami odtwarzalnymi, co korzystnie wpływa na pewność ich dostaw. Ich cena jest od kilku lat stabilna, a jej wahania mają charakter sezonowy. Pelet tanieje wiosną i latem, a drożeje jesienią i zimą. W przypadku podpisania umowy długoterminowej z dostawcą cena paliwa może być w ciągu roku niezmienna, z jednoczesną gwarancją pewności dostawy. W cenę dostawy paliwa może być także wliczony transport.
Od kilku lat na rynku obserwuje się wzrost zainteresowania urządzeniami do spalania biomasy, połączony z jednoczesnym kształtowaniem się rynku paliw odnawialnych, tj. peletu drzewnego, zrębki i drewna kawałkowego. Producenci kotłów na biomasę oferują coraz bardziej zaawansowane urządzenia do jej efektywnego spalania. Motywacją do rozwoju w tym segmencie techniki jest duża konkurencja oraz wymagania techniczne wynikające z regulacji krajowych i europejskich w zakresie efektywności energetycznej i emisji spalin.

Kotły do spalania biopaliw stałych nie są prostymi odpowiednikami kotłów gazowych czy olejowych. Obecnie są to urządzenia zaawansowane technologicznie z bogatą automatyką, które nie wymagają bieżącej obsługi i mają wysoką sprawność energetyczną. Są to jednak urządzenia do spalania paliw stałych, a tym samym mają swoją specyfikę i ograniczenia. Użytkownicy, administratorzy budynków z kotłami na biopaliwa stałe lub osoby pełniące bezpośredni nadzór nad pracą tych urządzeń muszą się liczyć z koniecznością zapoznania się z warunkami ich eksploatacji i zabudowy, zwłaszcza z kwestiami obsługi kotłów i systemów doprowadzania paliwa, magazynowania paliwa, usuwania popiołu oraz pracy instalacji grzewczej.

Rodzaje kotłów

Obecnie na rynku można spotkać najróżniejsze rozwiązania konstrukcyjne kotłów na biopaliwa stałe, od jednostek najprostszych do bardzo skomplikowanych. Ich podziału można dokonać ze względu ma maksymalną temperaturę pracy, maksymalne ciśnienie, moc, nośnik energii, sposób zasilania paliwem, rodzaj paliwa, rozwiązania konstrukcyjne, materiał korpusu itp.

Kotły tradycyjne

Obecnie największą grupę eksploatowanych w Polsce kotłów stałopalnych stanowią proste kotły wodne ze stałym rusztem (rys. 1). Nie mogą już być wprowadzane do sprzedaży zgodnie z rozporządzeniem w sprawie wymagań dla kotłów na paliwo stałe [1] wraz z nowelizacjami [2 i 3]. Są to kotły wielopaliwowe do spalania drewna kawałkowego, węgla kamiennego, koksu, brykietów itp. Mają głębokie komory spalania dla zgromadzenia dużej ilości paliwa oraz dużą pojemność popielnika. Najczęściej są to kotły małej mocy do zasilenia instalacji c.o. w domach jednorodzinnych.

Spalanie w takich kotłach odbywa się na prostym nieruchomym ruszcie, z ręcznym podawaniem paliwa od góry, swobodnym wprowadzeniem powietrza od dołu i naturalnym wymuszeniem ruchu powietrza w kotle oraz naturalnym odprowadzeniem spalin. Spalanie przebiega w jednej fazie i w jednej przestrzeni komory spalania, gdzie zachodzi jednocześnie kilka procesów chemicznych i fizycznych, takich jak: podgrzanie i zgazowanie paliwa, spalanie produktów gazowych, mieszanie się spalin z produktami zgazowania i spalanie węgla drzewnego na powierzchni rusztu jako pozostałości po zgazowaniu. Taka organizacja procesu powoduje ucieczkę części gazowych produktów zgazowania z komory spalania, co powoduje zwiększoną emisję i stratę niezupełnego spalania, a także opadanie rozrobionego paliwa do popielnika. Kotły takie nie mają żadnej automatycznej regulacji wydajności. Ich późniejsze wersje były wyposażane w namiastkę regulacji wydajności kotła w postaci miarkownika ciągu, w żaden sposób nie regulował on jednak procesu spalania. To proste urządzenie mechaniczne jedynie dławiło strumień powietrza doprowadzanego pod ruszt. Powodowało to spowolnienie spalania paliwa zgromadzonego na ruszcie.

Sprawności cieplne kotłów małej mocy z początku lat 80. wynosiły 50–70%. Prawie połowa energii zawarta w paliwie uchodziła ze spalinami w postaci gazów o wysokiej temperaturze, niespalonych części lotnych paliwa i sadzy. Podstawową przyczyną niskiej sprawności było niecałkowite i niezupełne spalenie paliwa z powodu prostej konstrukcji kotłów ze spalaniem jednofazowym. Nawet jeśli w komorze spalania dochodziłoby do prawie całkowitego i zupełnego spalania paliwa, to i tak prymitywne wymienniki ciepła nie były w stanie przekazać energii cieplnej spalin do czynnika grzewczego. Energia uchodziła z gorącymi spalinami na zewnątrz, przy okazji działając destrukcyjnie na komin. Wymianę ciepła utrudniało także zanieczyszczenie powierzchni wymienników, które zarastały sadzą, popiołem i szlaką.

W nowej generacji kotłów ze stałym rusztem miarkownik ciągu był zastępowany regulatorem elektronicznym oraz wentylatorem podmuchowym (rys. 2). Taka modernizacja zdecydowanie poprawiała funkcjonalność kotła i zwiększała efektywność energetyczną. W zależności od rodzaju sterownika można było zadawać temperaturę wody zasilającej instalację c.o., sterować pracą pomp obiegowych i ładowaniem zasobnika c.w.u., ustawiać tryb nocny. Gdy paliwo się wyczerpało, a kocioł dostatecznie ostygł, sterownik, który wyłączał wentylator i pompy obiegowe, aby zredukować stratę postojową i wychłodzenie wody w instalacji c.o. i zasobniku c.w.u.

Wydawało się, że pomysły na spalanie drewna wyczerpały się, a technologia przestała się rozwijać i przejdzie do historii. Produkowane małe i proste kotły z nieruchomym rusztem były nieefektywne i charakteryzowały się niską sprawnością energetyczną oraz wysoką zawartością niespalonych części lotnych w spalinach. Poziom techniczny tych urządzeń dobrze oddaje wykres ich sprawności (rys. 3). Wzrost cen gazu, zwłaszcza LPG i oleju opałowego, spowodował zwiększone zainteresowanie kotłami na drewno i węgiel. Ponadto projektowano kotły bardziej efektywne, o coraz wyższej sprawności energetycznej. Średnia sprawność kotłów małej mocy zwiększyła się z ok. 55% z początku lat 80. do prawie 90% pod koniec lat 90.

Obecny wysoki poziom techniczny kotłów jest możliwy dzięki ciągłemu rozwojowi tych urządzeń w wybranych regionach Europy. Z drewna jako paliwa nigdy nie zrezygnowano w Austrii, Bawarii i Skandynawii. Były ku temu oczywiście różne przesłanki. Austria praktycznie nie ma węgla kamiennego, gazu ziemnego ani ropy naftowej, a jako kraj górzysty i mocno zalesiony ma dostęp do naturalnego paliwa. Analogicznie postępuje Bawaria. Rozwój spalania biomasy w Skandynawii łączony jest często z próbą wykorzystania paliw naturalnych i odnawialnych. Na początku lat 80. zaczęto tam systematycznie rozwijać technologię wykorzystywania biomasy jako biopaliwa dla celów energetycznych. Ważnym wskaźnikiem rozwoju technologicznego kotłów na biopaliwa stałe jest także redukcja ilości zanieczyszczeń emitowanych do atmosfery (rys. 4). Miarą tego wskaźnika jest stale malejąca emisja tlenku węgla.Kotły zgazowujące

Rozwój kotłów na biopaliwa stałe w postaci kawałkowej (polana drzewne) odbywał się w wielu kierunkach, jednym z nich były prace nad konstrukcją zgazowującą paliwo. Technologia zgazowania drewna wywodzi się z motoryzacji, gdy przed drugą wojną światową pojawiły się pojazdy zasilane gazem drzewnym uzyskiwanym ze zgazowania drewna lub torfu (samochody na „holzgas”). Wojna oraz braki w dostępności paliwa spowodowały dalszy rozwój generatorów gazu drzewnego i  technologii zgazowania. Gaz drzewny zastępował benzynę. Odpowiednikiem 1 kg drewna, w zależności od zawartości wilgoci, było ok. 0,3–0,4 l benzyny.

W kotłach zgazowujących (rys. 5) proces spalania dzieli się na dwa etapy. Pierwszym jest zgazowanie drewna w komorze paliwowej, drugi to spalanie uwolnionego gazu drzewnego w specjalnie zaprojektowanym palniku. Gaz drzewny spala się płomieniem fioletowo-niebieskim, podobnym do tego z gazu ziemnego. W kotłach takich wykorzystuje się pyrolizę, czyli częściowe spalanie gazu drzewnego powstałego podczas termicznego rozkładu drewna przy ograniczonym dostępie tlenu (zgazowanie). Cały proces spalania zachodzi w dwóch przestrzeniach połączonych ze sobą, tj. komorze paliwowej oraz palniku. W przestrzeniach tych możemy wyróżnić trzy główne procesy: suszenie w komorze załadowczej; zgazowanie drewna na podstawie komory załadowczej i wstępne spalanie; wtórne spalanie w komorze spalania.

Przepływ gazu i powietrza jest współprądowy, jak w generatorze współprądowym. Po opuszczeniu komory spalania gorące spaliny przepływają przez wymiennik płaszczowo-rurowy i podgrzewają wodę obiegową. Na końcu ścieżki spalinowej w kotle na czopuchu znajduje się najczęściej wentylator, który wymusza ruch spalin oraz powietrza. Dzięki rozdzieleniu procesów na dwa etapy kotły zgazowujące charakteryzują się bardzo niską emisją związków szkodliwych oraz wysoką sprawnością energetyczną, powyżej 93%, znacznie przekraczającą sprawność kotła ze stałym rusztem. Niska jest emisja tlenków siarki i tlenków azotu.

Nowoczesne kotły zgazowujące to kotły niskotemperaturowe, które mogą pracować w systemach zamkniętych, wyposażone w sondę lambda do optymalizacji spalania. Korpus kotła może być stalowy lub odlewany z żeliwa. Załadunek paliwa i opróżnienie popielnika odbywają się ręcznie. Standardowym wyposażeniem jest sterownik, który czuwa nad pracą kotła. Umożliwia m.in. kontrolowanie procesów spalania oraz magazynowania i dystrybucji ciepła w obiegach grzewczych wraz z przygotowaniem c.w.u. Zakres mocy grzewczej kotłów zgazowujących może się zaczynać od ok. 8 kW, moc maksymalna większych jednostek w typoszeregu wynosi 50 kW, a największych 80 kW. Tak duży zakres mocy grzewczej umożliwia szerokie zastosowanie kotłów zgazowujących.

Ograniczenie mocy wynika z ręcznego załadunku oraz kubatury komory załadowczej. Przykładowo kocioł 20 kW wyposażony w komorę załadowczą o pojemności 170 l może pracować przez 8 godzin. Duże moce wymagają dużych komór załadunkowych i zgromadzenia dużych ilości drewna w kotłowni, co jest niepraktyczne.

Standardowym wyposażeniem instalacji z kotłem zgazowującym jest duży bufor ciepła, pozwalający zgromadzić jak najwięcej energii podczas stosunkowo krótkiego spalania paliwa. Warunkiem koniecznym do efektywnej pracy jest paliwo dobrej jakości – sezonowane polana twardych drzew liściastych. Najważniejszym parametrem jest niska wilgotność paliwa, nie powinna przekraczać 30%. Paliwem podstawowym są polana drzewne, ale można także spalać rozdrobnione drewno w postaci szczap, wiórów i trocin jako dodatek do polan. Czas pracy po załadunku zależy od rzeczywistego obciążenia, ale może on wynosić nawet 12 godzin.

Przy zastosowaniu kotła zgazowującego należy przewidzieć odpowiednią powierzchnię magazynową na paliwo. Dla średnio ocieplonego domu o pow. 150 m² wymagany zapas paliwa na sezon grzewczy wynosi ok. 15–20 metrów przestrzennych (1 mp = 0,7 m³). Ceny drewna opałowego są bardzo zróżnicowane w zależności od gatunku, postaci oraz długości sezonowania. Można jednak przyjąć, że sezonowy koszt ogrzewania i przygotowania c.w.u. przy użyciu kotła zgazowującego drewno będzie porównywalny z kosztami eksploatacyjnymi instalacji z gruntową pompą ciepła. Stosunkowo niska cena kotłów tego typu jest dodatkowym atutem, przemawiającym za wykorzystaniem energii ze zgazowania drewna [10].

Literatura

1. Rozporządzenie Ministra Rozwoju i Finansów z dnia 1 sierpnia 2017 r. w sprawie wymagań dla kotłów na paliwo stałe (DzU 2017, poz. 1690).
2. Rozporządzenie Ministra Przedsiębiorczości i Technologii z dnia 21 lutego 2019 r. zmieniające rozporządzenie w sprawie wymagań dla kotłów na paliwo stałe (DzU 2019, poz. 363).
3. Rozporządzenie Ministra Rozwoju z dnia 30 grudnia 2019 r. zmieniające rozporządzenie w sprawie wymagań dla kotłów na paliwo stałe (DzU 2019, poz. 2549).
4. Lechowska Agnieszka, Maludziński Bogusław, Ojczyk Grzegorz, Audyt energetyczny na potrzeby termomodernizacji oraz oceny energetycznej budynków. Tom IV Ochrona cieplna budynków, technologia zgazowania, źródła energii – racjonalizacja zużycia, instalacje centralnego ogrzewania, systemy zaopatrzenia w ciepłą wodę, praca zbiorowa, Tabor A. [red.], Politechnika Krakowska, 2009.
5. Materiały techniczne firmy Sime.
6. www.anteprima.com.
7. Materiały techniczne firmy Ogniwo.
8. Materiały Dienststelle des Bundesministeriums für Landwirtschaft, Regionen und Tourismus – BLT Wieselburg.
9. Materiały techniczne firmy Herz.
10. Kapuśniak Jakub, Kotły na zgazowanie drewna, „GLOB­Energia” nr 4/2009.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!