Kondenzační uhelné kotle – nechtěné dítě ekodesignu

Datum: 15.5.2017  |  Autor: Ing. Zdeněk Lyčka  |  Recenzent: Ing. Jiří Horák, Ph.D., VŠB-TU Ostrava, Výzkumné energetické centrum

Snaha dosáhnout nejvyšší účinnost spalovacího zdroje tepla je spojena se snižováním komínové ztráty, a tedy snižováním teploty spalin. Důsledkem je kondenzace par v kotli a napojené spalinové cestě. Vznikají korozně agresívní látky, které zkracují životnost kotle, pokud nemá adekvátní konstrukci a podporuje se tvorba nánosů, které snižují účinnost a zvyšují náklady na údržbu. Neúměrné zvýšení účinnosti, se kterým je spojována úspora paliva, se pak projeví zvýšenými provozními náklady.

Motto:

Rosný bod spalin je jedním z činitelů, které stojí v cestě zmenšování komínové ztráty snižováním teploty spalin na výstupu z kotle [4].

Pokud vám název článku přijde nesmyslný, protože výrobci přeci žádné uhelné kondenzační kotle nenabízejí, pak vězte, že autor článku se nepomátl a vy nemáte tak úplně pravdu. Po domácím trhu se „pohybuje“ již několik převážně automatických kotlů na uhlí, které bez jakýchkoliv diskuzí snesou označení kondenzační. Pokud se tedy shodneme na definici, že kondenzačním kotlem je takový kotel, v jehož výměníku teplota spalin při běžném provozu klesla pod jejich rosný bod. Výrobci o této „vlastnosti“ svých výrobků povětšinou ani neví, protože v oboru malých kotlů na pevná paliva je dlouhodobě zakořeněno klišé, že zamezení nízkoteplotní korozi (tedy kondenzaci spalin v kotli) lze docílit udržováním teploty vratné vody nad 60 °C. Navíc se ani není čím moc chlubit. Snížením komínové teploty o několik desítek °C lze sice docílit zvýšení účinnosti (snížením o 10 °C lze u automatických kotlů dosáhnout zvýšení účinnosti o 0,5 až 0,8 %) [1], ovšem nechtěný kondenzační provoz může přinést značné provozní problémy jak samotnému kotlovému tělesu, tak také spalinovým cestám (komínu).

Mottem z úvodu se řídily generace konstruktérů kotlů na pevná paliva. Zdá se, že tabu snižování teploty spalin po desetiletích padlo.

Virtuální ekodesign

Nároky na teplotechnické vlastnosti kotlů na pevná paliva, tedy jejich emise a účinnost, se za posledních pět let neúměrně zvýšily. Rozdíl mezi třídou 3 (legislativně zakotvené maximum v roce 2012) a ekodesignem, požadovaným nyní u dotovaných kotlů, znamená až desetinásobné snížení emisí a zvýšení požadavků na minimální účinnost ze 75 % na téměř 90 %. Zvláště u kotlů na uhlí znamenají „ekodesignové“ požadavky posun na hranici dosažitelného. Pokud tedy předpokládáme, že teplovodní kotel do běžné domovní kotelny nemá dosahovat technické úrovně (a tím i ceny, nároků na obsluhu a kvalitu paliva) malého jaderného reaktoru (expresivně řečeno). Můžeme namítnout, že žijeme v 21. století, avšak velké množství lidí, spalujících uhlí, žije ekonomicky stále v polovině století 20. Vysokých ekodesignových nároků tak docílí nové kotle za dodržení přísných požadavků na kvalitu obsluhy, paliva a optimálního komínového tahu, čehož lze zpravidla dosáhnout pouze v laboratorních podmínkách zkušebny. Naopak jsou velice citlivé na sebemenší změnu optimálních podmínek, což často vede k tomu, že v běžném provozu pak nedosahují ani teplotechnických parametrů „obyčejných“ kotlů třídy 4 či dokonce třídy 3.

Problém kondenzace spalin je spojen s vysokým požadavkem na minimální účinnost, který je 77 % pro kotle se jmenovitým výkonem nad 20 kW. Účinnost podle ekodesignu je vztažena ke spalnému teplu paliva, takže převedeno na běžně používanou výhřevnost paliva, je požadavek na klasickou účinnost na hranici 88–89 % (dle jmenovitého výkonu). Takto vysoké účinnosti lze docílit především radikálním snížením komínové ztráty, tedy snížením teploty spalin, řádově na hodnotu 140–160 °C. Ovšem někteří výrobci v honbě na zákazníka snižují teplotu spalin podstatně více, a to až pod hranici 100 °C při jmenovitém výkonu. Tím dosáhnou teoreticky účinností i nad 95 %, ale jak se dozvíme dále, uvádějí již na trh kondenzační kotel se všemi s tím spojenými potenciálními provozními problémy.

Rosný bod spalin

Problematika rosného bodu spalin je poměrně složitá, a hlavně u teplovodních kotlů na pevná paliva malých výkonů dosti podceňovaná. Existuje několik empirických vztahů, kterými lze vypočíst teplotu rosného bodu spalin. Poměrně podrobně jsou tyto výpočty popsány u velkých parních kotlů, u malých teplovodních zdrojů je nejpoužívanějším postup definovaný v „kominické“ normě ČSN EN 13384-1 [2].

Pokud klesne teplota spalin pod teplotu rosného bodu, začínají kondenzovat směsi par, které spaliny obsahují. Hodnota teploty rosného bodu ovšem závisí na mnoha faktorech, především druhu paliva (obsah vody, vodíku, síry, …) a konstrukci ohniště (přebytek vzduchu, koncentrace popílku).

Obr. 1 Vliv přebytku vzduchu na teplotu rosného bodu vodní páry dle [2]
Obr. 1 Vliv přebytku vzduchu na teplotu rosného bodu vodní páry dle [2]

S rostoucím obsahem vody ve spalinách roste i jejich teplota rosného bodu. Smícháním „vlhkých“ spalin s relativně suchým vzduchem se jejich vlhkost snižuje. To tedy znamená, že i se zvyšujícím se přebytkem vzduchu ve spalinách se jejich teplota rosného bodu snižuje (obr. 1).

Z tohoto důvodu u starších kotlů, které spalovaly palivo s velkým přebytkem vzduchu 2 až 3, byla hodnota rosného bodu spalin nižší než u kotlů moderních, které se snaží snížit komínové ztráty právě snížením přebytku vzduchu na hodnoty 1,3 až 1,8. Pokud známe přibližně vlhkost paliva a přebytek vzduchu (resp. Koncentraci CO2, lze s velkou přesností stanovit rosný bod čisté vodní páry ve spalinách. Výpočtem dle [2] lze zjistit, že při spalování kusového dřeva o vlhkosti 23 % a za přebytku vzduchu 2 (optimální stav pro kotle s ručním přikládáním) je „čistá“ teplota rosného bodu přibližně 47 °C. Při spalování hnědého uhlí s přebytkem vzduchu 1,6 (což je běžný standard pro automatické kotle) řádově 42 °C.

Ovšem spaliny nejsou zcela čisté. Popílek ve spalinách tvoří kondenzační jádra, což teplotu rosného bodu zvyšuje. Podobný vliv mají i různé kyseliny, které při spalování pevných paliv vznikají. Karboxylové (organické) kyseliny octová a mravenčí při spalování biomasy jen nepatrně, zato kyselina sírová, vznikající při spalování sirnatého uhlí, má na velikost teploty rosného bodu vliv zásadní. Nahlédnutím do zmíněné kominické normy zjistíme, že pro kusové dřevo je počítáno s přírůstkem teploty rosného bodu (navýšení oproti teplotě rosného bodu vodní páry) o 15 °C, zato u hnědého uhlí je nutné připočíst 80 až 90 °C (podle sirnatosti paliva a podílu SO3 ve spalinách).

Mechanismus kondenzace spalin z hnědého uhlí

Z výše popsaného vyplývá, že při spalování hnědého uhlí v automatickém kotli za relativně nízkého přebytku vzduchu 1,6 až 1,8 se ve spalinách tvoří směs par H2O + H2SO4, která má teplotu rosného bodu na hranici 120 až 130 °C.

Při této teplotě vzniká relativně zanedbatelné množství kondenzátu vodní páry a tvoří se především kondenzát vysoce koncentrované kyseliny sýrové, která má na materiály na bázi železa malý korozní vliv, protože povrch kovu tzv. pasivuje (vytváří ochrannou vrstvu FeSO4). S klesající teplotou však vzniká stále více kondenzátu z vodních par, který kyselinu sírovou ředí. S klesající koncentrací se kyselina stává pro železo stále více agresivnější (porušuje ochrannou vrstvu a napadá povrch).

Obr. 2 Závislost tvorby kondenzátu na teplotě stěny t dolní index st [4]
Obr. 2 Závislost tvorby kondenzátu na teplotě stěny tst [4]

Při poklesu teploty asi o 20 až 40 °C pod teplotu rosného bodu směsi nastává první maximum tvorby kondenzátu, poté intenzita kondenzace klesá a druhé maximum nastává v oblasti teploty kondenzace vodní páry, tedy mezi 30 až 40 °C [3]. Průběh tvorby kondenzátu směsi v závislosti na teplotě je názorně vidět na grafu (obr. 2). V grafu je znázorněna závislost nízkoteplotní koroze na teplotě stěny (tst) výparníku parního kotle. Vzhledem k tomu, že v parních kotlích megawattových výkonů se spaluje uhlí (prášek) s minimálním přebytkem vzduchu (1,1–1,2), je v grafu teplota rosného bodu směsi H2O + H2SO4 (tr) posunuta až k hodnotě 160 °C a první maximum tvorby kondenzátu (koroze) je při teplotě na hranici 110 °C. U teplovodních kotlů s teplotou rosného bodu spalin pod 130 °C lze tedy předpokládat posunutí prvního maxima tvorby kondenzátu k hranici 100 °C.

 

Co to tedy znamená? Především to, že požadavek na udržení teploty vratné vody nad hranicí 60 °C brání vzniku druhého maxima tvorby kondenzátu. To má význam, protože v oblasti druhého maxima je tvorba kondenzátu největší, a navíc je koncentrace H2SO4 v kondenzátu v rozmezí okolo 20 až 40 % [3]. Z grafu je zřejmé, že právě při této koncentraci intenzita koroze rapidně roste. V rozmezí teplot otopné vody v kotlovém tělese (stěn výměníku) 60 až 80 °C je tvorba kondenzátu relativně malá. Ale především, u kotlů, ve kterých proudí spaliny s teplotou nad rosným bodem, kondenzují ve výměníku pouze v tenké mezní vrstvě u jeho „studených“ stěn. Pokud je ovšem teplota spalin na výstupu z kotle o desítky stupňů nižší jak rosný bod, je jisté, že k prvnímu maximu tvorby kondenzátu došlo v celé vrstvě spalin již přímo v kotli, tedy nikoliv pouze v malém množství u studených stěn výměníku. Navíc při sníženém výkonu, kdy je teplota spalin nižší o 30 až 50 °C oproti výkonu jmenovitému, je víc než jisté, že v tělese komína dojte i k dosažení druhého maxima kondenzace, kdy se tvoří množství vysoce agresivního kondenzátu.

Jaké to má důsledky?

Pokud očekáváte významný přínos na zvýšení účinnosti „kondenzačních“ uhelných kotlů nad pověstných 100 % (vzhledem k výhřevnosti uhlí), pak vás zklamu. O tom by se dalo uvažovat v případě, že by přímo v kotli zkondenzovala velká část vodní páry, tedy že by teplota spalin v kotli klesla ke svému druhému maximu. Při kondenzaci nad prvním maximem můžeme uvažovat (snad) se zvýšením účinnosti v řádu jednotek %. To se dá odhadnout i z čísel, která uvádějí někteří výrobci, kdy deklarovaná celková účinnost je o něco vyšší, než by odpovídalo komínové ztrátě. I když zde hraje svou roli i faktor „korektnosti“ deklarovaných parametrů vzhledem k praxi.

Očekávat můžeme především negativa. Zvýšená tvorba agresivního kondenzátu má za důsledek nízkoteplotní korozi ocelových i litinových stěn výměníků. Neblahé důsledky lze rozhodně po čase očekávat v tělese komína, kdy i nerezové vložky již po relativně krátké době zaznamenávají plošnou korozi vlivem silně kyselého prostředí [5].

Na stěnách výměníku i ve spalinových cestách se s kondenzátem pojí saze (nespálený uhlík) a při spalování uhlí především popílek, což má za důsledek tvorbu nánosů, a tím postupné snižování účinnosti. Nánosy neochrání výměník před další korozí, protože nezabrání difuzi SO2 a SO3 k jeho stěnám [3].

Literatura

  1. Lyčka Z.: Dřevní peleta, LING Vydavatelství, Krnov, 2011.
  2. ČSN EN 13384-1:2016 Komíny – Tepelně technické a hydraulické výpočtové metody – Část 1: Samostatné komíny, ÚNMZ, Praha, 2016.
  3. VILIMEC V. : Stavba kotlů II, SNTL, VŠB-TU, Ostrava, 2008.
  4. ČERNÝ V., HRDLIČKA L., JANEBA B., KARTÁK J., PIKMAN M.: Parní kotle a spalovací zařízení, SNTL, Praha, 1975 2.
  5. BLAHETOVÁ M., HORÁK J., KUBESA P., LASEK S., OCHODEK T.: Hodnocení korozního napadení komínových vložek, Koroze a ochrana materiálů, 2016, roč. 2016/2, č. 60 (2), s. 50–58. ISSN 1804-1213.
 
Komentář recenzenta
Ing. Jiří Horák, Ph.D., VŠB-TU Ostrava, Výzkumné energetické centrum
Z pohledu uživatele se požadavek na stále rostoucí účinnost kotle zdá jako smysluplný, ale i teplovodní kotel je „pouze“ stroj. Každý stroj má strop svého technického řešení, který je dán mimo jiné poměrem cena/zisk. U dobře pracujícího spalovacího zařízení je ze všech ztrát největší „ztráta komínová“, takže pro zvýšení účinnosti přeměny paliva na teplo je nejsnazším řešením snížení této ztráty. Toho je možné dosáhnout především snížením teploty spalin (zvětšení teplosměnné plochy, zmenšením výkonu, použitím protiproudého výměníku, snížením teploty zpátečky apod.) a zmenšením množství spalin (zmenšení přebytku spalovacího vzduchu – pokud je to možné bez významného zhoršení kvality spalování). Tato opatření mají za následek problém s kondenzací spalin jak v kotli, tak ve spalinové cestě a je nutné si pak odpovědět na otázku: „Kde je hranice kladného přínosu zvýšení účinnosti vůči zmenšení životnosti kotle a spalinové cesty?“
Revize normy ČSN EN 303-5 již počítá s postupy pro testování kondenzačních kotlů na pevná paliva (při zkoušce typu). Tyto kotle mají při kondenzačním módu vyšší účinnost přeměny energie paliva na teplo, ale je to samozřejmě „vykoupeno“ vyššími požadavky na materiál výměníků a většími požadavky na kvalitu spalinové cesty.
English Synopsis
Condensing Coal Boilers – Unwanted Child of Ecodesign

The effort to achieve the highest efficiency of the combustion heat source is associated with the reduction in chimney losses, and thus reducing the exhaust temperature. The result is condensation in the boiler and flue system. It arises aggressive corrosive substances that can shorten the life of the boiler unless it has adequate construction and supports the formation of deposits that reduce efficiency and increase maintenance costs. Disproportionate increase in the efficiency with which the fuel savings are associated is then reflected in increased operating costs.

 

Hodnotit:  

Datum: 15.5.2017
Autor: Ing. Zdeněk Lyčka   všechny články autora
Recenzent: Ing. Jiří Horák, Ph.D., VŠB-TU Ostrava, Výzkumné energetické centrum



Sdílet:  ikona Facebook  ikona Twitter  ikona Blogger  ikona Linkuj.cz  ikona Vybrali.sme.skTisk Poslat e-mailem Hledat v článcíchDiskuse (6 příspěvků, poslední 22.05.2017 09:50)


Projekty 2017

Partneři - Kotle, kamna, krby

logo ROMOTOP

logo VIADRUS

Partneři - Vytápění

logo GEMINOX
logo FENIX
logo ENBRA
logo FV PLAST
logo THERMONA
logo DANFOSS
 
 

Aktuální články na ESTAV.czMalý dům poskytuje velký komfortCreative Office Awards - nová soutěž pro studenty architekturyMaketa Německého domu na náměstí v Brně nemá stavební povoleníObce kvůli suchu bojují proti plýtvání vodou, vydávají zákazy