Ovlivňuje způsob zátopu množství emitovaných znečišťujících látek?
Přehrát audio verzi
Ovlivňuje způsob zátopu množství emitovaných znečišťujících látek?
00:00
00:00
1x
- 0.25x
- 0.5x
- 0.75x
- 1x
- 1.25x
- 1.5x
- 2x
Studie se zabývá vlivem způsobu zátopu, přívodu spalovacího vzduchu a podmínek tahu komína na koncentrace znečišťujících látek ve spalinách vznikajících při spalování dřeva v lokálních prohořívacích krbových kamnech. Experimentální výsledky ukazují, že zejména přívod vzduchu pod palivo a zátop shora vedou k nižším emisím CO a OGC, zatímco nevhodné podmínky zátopu mohou emise zvýšit. Studie prokazuje, že správná kombinace provozních podmínek a chování uživatele je klíčová pro snížení dopadů lokálního vytápění na kvalitu ovzduší.
Foto: Pexels
1. Úvod
Spalování dřeva v domácnostech se může jevit jako přirozené, cenově dostupné a zároveň ekologické [1]. Spaliny ze spalování dřeva v domácnostech však obsahují znečišťující látky a prach, které negativně ovlivňují kvalitu venkovního ovzduší i lidské zdraví [2–7], zejména v zimě, kdy se vzniklé spaliny vlivem horších rozptylových podmínek drží blízko země [1].
Množství vznikajících polutantů nezávisí pouze na typu spotřebiče nebo paliva, ale také na způsobu zápalu paliva a provozování spalovacího zařízení. V běžné praxi jsou často přehlíženy faktory, jako je uspořádání dřeva, přívod vzduchu do spotřebiče či tah komína, přestože mohou výrazně ovlivnit emise.
Proces spalování dřeva se neustále vyvíjí – od zátopu až po fázi dohořívajících žhavých uhlíků [8]. Počáteční fáze, kdy se oheň zapaluje, je obzvláště důležitá, protože často produkuje nejvyšší množství znečišťujících látek v důsledku nedokonalého spalování [9–14]. To znamená, že způsob zápalu paliva může mít zásadní vliv na celkově vyprodukované množství znečišťujících látek.
Dalším klíčovým faktorem je tah komína, který určuje proudění vzduchu spalovacím zařízením. Tah komína závisí na teplotě spalin, konstrukci komína a venkovních podmínkách a může se během spalování měnit [15–19]. Pokud je tah příliš slabý, spaliny jsou špatně odváděny mimo spalovací komoru, což často způsobuje zhoršení spalovacího procesu [20]. Naopak příliš silný tah může oheň ochlazovat a snižovat účinnost spalování [15, 18, 20].
Důležitou roli hraje také způsob přívodu vzduchu do spotřebiče. Krbová kamna se dle konstrukce spalovací komory a přívodu spalovacího vzduchu rozlišují na roštová a bezroštová, přičemž roštová kamna jsou typicky spojena s přívodem spalovacího vzduchu pod palivo. Za bezroštová kamna jsou naopak označována taková, která nemají přívod vzduchu k palivu zespod [25].
Tato studie se zaměřuje na to, jak různé způsoby zátopu, tah komína a nastavení přívodu spalovacího vzduchu ovlivňují složení spalin při spalování dřeva v lokálních prohořívacích topidlech (krbových kamnech). Zkoumáním jak počáteční fáze zapalování, tak celého spalovacího cyklu se snaží lépe porozumět tomu, jak každodenní postupy ovlivňují znečištění ovzduší a jak by jednoduché změny mohly přispět k jeho snížení.
2. Metody
Studie byla provedena za použití moderní krbové vložky s jmenovitým výkonem 7 kW, jejíž konstrukce umožňovala uspořádání jak roštové, tak bezroštové. Jako palivo bylo použito bukové dřevo ve formě polen. Spalovací zkoušky probíhaly při kontrolovaných laboratorních podmínkách (obrázek 1).
a
b
c
d
Obr. 1 Schéma experimentálního uspořádání: a, b – spalovací zařízení a cihlový komín (výška 7 m), c, d – bukové třísky a polena použitá při spalovacích testech
Bylo testováno několik kombinací provozních podmínek. Byly porovnány tři různé způsoby zátopu (obrázek 2). V první metodě (shora dolů) byl oheň zapálen v horní části hranice dřeva, což umožnilo plameni šířit se směrem dolů. U dalších dvou metod (zdola nahoru) byl oheň zapálen odspodu, přičemž uspořádání dřeva se mírně lišilo. U první metody (zdola nahoru 1) byly třísky a podpalovač umístěny dole a větší polena byla naskládána nad nimi. U druhé metody (zdola nahoru 2) byly podpalovač a polena umístěny dole, zatímco třísky byly uspořádány nad poleny.
V experimentech byly rovněž zohledněny dva režimy tahu komína. Jeden představoval přirozený tah (začátek experimentu při 0 Pa), podobný tomu, který se vyskytuje v běžné domácnosti při přechodových stavech (jaro, podzim), zatímco druhý využíval řízený, ventilátorem podporovaný tah pro zajištění stabilních podmínek (začátek experimentu při tahu 12 Pa – stav, kdy teplota okolního vzduchu je i při zátopu výrazně nižší, než teplota v domácnosti). Kromě toho byl spotřebič provozován v obou variantách uspořádání, tedy jak s přívodem vzduchu pod rošt, tak bez něj.
Každý experiment se skládal ze dvou přikládek. Nejprve byl zátop proveden pomocí malého množství třísek spolu se čtyřmi bukovými poleny (zátopová přikládka). Po dohoření této počáteční přikládky byla do spotřebiče přiložena další dvě polena, aby bylo simulováno běžné přikládání v domácnosti. Měření následně pokračovalo až do dohoření paliva.
a
b
c
Obr. 2 Schéma uspořádání paliva pro tři hodnocené způsoby zátopu (a – shora dolů, b – zdola nahoru 1, c – zdola nahoru 2)
Během každého testu byly kontinuálně měřeny hlavní znečišťující látky ve spalinách. Jednalo se o oxid uhelnatý (CO), organické plynné sloučeniny (OGC), oxidy dusíku (NOx) a celkové suspendované částice (TSP) – prach.
3. Výsledky a diskuse
Výsledky ukazují, že i malé změny ve způsobu zátopu mohou výrazně ovlivnit koncentrace znečišťujících látek. Ze všech sledovaných faktorů měl nejkonzistentnější vliv na koncentrace CO a OGC ve spalinách způsob přívodu vzduchu do spalovacího procesu. Přívod vzduchu zespodu palivového lože napomáhal dokonalejšímu spalování dřeva. Tento efekt byl pozorován téměř ve všech případech, bez ohledu na způsob zátopu nebo tah komína (obr. 3 a 4).
Obr. 3 Průměrné emise CO (n = 3) při použití různých způsobů zátopu a za různých provozních podmínek (AS: přívod vzduchu pod rošt; NAS: bez přívodu vzduchu pod rošt; IGN: zátopová dávka; WC: celý spalovací cyklus)
Obr. 4 Průměrné emise OGC (n = 3) při použití různých způsobů zátopu a za různých provozních podmínek (AS: přívod vzduchu pod rošt; NAS: bez přívodu vzduchu pod rošt; IGN: zápalná vsázka; WC: celý spalovací cyklus)
Obr. 5 Průměrné emise TSP (n = 3) při použití různých způsobů zátopu a za různých provozních podmínek (AS: přívod vzduchu pod rošt; NAS: bez přívodu vzduchu pod rošt; FD: nucený tah; ND: přirozený tah)
Způsob zátopu ovlivňoval především počáteční fázi spalování. Zátop shora obvykle vedl k pomalejšímu a lépe kontrolovanému rozhoření, což mělo za následek nižší koncentrace CO a OGC ve spalinách na začátku spalovacího procesu, zejména při řízeném (nuceném) tahu komína. Naproti tomu zátop zdola vedl k rychlejšímu nárůstu teploty a intenzivnějšímu počátečnímu hoření. To se v některých případech projevilo vyššími koncentracemi CO a OGC během fáze zapalování, zejména pokud nebyl zajištěn přívod vzduchu pod palivové lože (bezroštové uspořádání spalovací komory). Dalším důležitým zjištěním bylo, že významnou roli hraje také uspořádání paliva. I při použití stejného obecného způsobu zátopu vedly malé rozdíly v uspořádání polen a třísek k odlišným úrovním emisí (zdola nahoru 1 vs. 2). To ukazuje, že emise neovlivňuje pouze způsob zátopu, ale také prvotní uspořádání paliva.
Obr. 6 Průměrné emise NOx (n = 3) při použití různých způsobů zátopu a za různých provozních podmínek (AS: přívod vzduchu pod rošt; NAS: bez přívodu vzduchu pod rošt; FD: nucený tah; ND: přirozený tah)
Významnou roli hrál také tah komína. Pokud je tah komína na začátku spalování slabý, je k dispozici méně kyslíku a dřevo nehoří dokonale. To může vést ke zvýšeným koncentracím znečišťujících látek. V mnoha případech (zejména u metod zátopu zdola) produkovala fáze rozhoření více CO než zbytek spalovacího procesu, především při přirozeném tahu komína. Při použití řízeného, ventilátorem podporovaného tahu byl spalovací proces stabilnější a úrovně koncentrací znečišťujících látek byly obecně vyrovnanější.
Zatímco plynné znečišťující látky, jako jsou CO a OGC, se při ustavení kamen umožňující přívod spalovacího vzduchu z pod roštu zřetelně snižovaly, množství prachu ve spalinách nevykazovalo jednotný trend (obr. 5).
Úrovně oxidů dusíku se mezi jednotlivými testy lišily pouze mírně. Obecně byl pozorován mírný nárůst emisí NOx při přívodu vzduchu pod rošt, což odpovídá mírně vyšším teplotám spalování (obr. 6).
4. Závěr
Výsledky této studie ukazují, že běžné provozní podmínky mají významný vliv na emise ze spalování dřeva v domácnostech. Na základě těchto zjištění lze formulovat následující doporučení:
- Zajistěte dostatečný přívod vzduchu. Přívod vzduchu pod palivové lože je nejúčinnějším a nejspolehlivějším způsobem, jak snížit koncentrace znečišťujících látek při zátopu.
- Zvolte vhodný způsob zátopu. Zátop shora (metoda shora dolů) vede k pomalejšímu a lépe kontrolovanému rozhoření, což obvykle znamená nižší emise ve srovnání se zátopem zdola. U metod zátopu zdola výkon výrazně závisí na uspořádání paliva – nejúčinnější konfigurace je taková, kdy jsou podpalovač a polena umístěny dole a třísky jsou uspořádány nad nimi. Toto uspořádání umožňuje postupnější a lépe kontrolované rozhoření ve srovnání s jinými variantami skládání paliva.
- Kontrolujte tah komína. Správný tah podporuje kvalitní spalování, zatímco slabý tah při zátopu může vést k nedokonalému spalování a vyšším emisím. Pokud je přirozený tah komína na začátku slabý, použití nuceného nebo podporovaného tahu během zátopu (například pomocí komínového ventilátoru) může výrazně zlepšit stabilitu spalování a snížit emise CO a OGC.
- Uvědomte si, že koncentrace znečišťujících látek závisí na více vzájemně se ovlivňujících faktorech. Kvalitního spalovacího procesu nelze dosáhnout jediným opatřením, ale vyžaduje kombinaci správného přívodu vzduchu, vhodného způsobu zátopu, správného uspořádání paliva a dostatečného tahu komína.
- Chování uživatele je klíčové pro snižování emisí. I malé změny ve způsobu zátopu v běžné praxi mohou mít významný vliv na snížení emisí ze spalování dřeva v domácnostech.
5. Poděkování
Tento článek vznikl za finanční podpory projektu SS07010272 – Výzkum vhodných a nevhodných postupů vytápění pevnými palivy, podpořeného Technologickou agenturou České republiky (TA ČR).
6. Literatura
- Viana M, Alastuey A, Querol X, Guerreiro C, Vogt M, Colette A, et al. Contribution of residential combustion to ambient air pollution and greenhouse gas emissions. 2016.
- Karanasiou A, Alastuey A, Amato F, Renzi M, Stafoggia M, Tobias A, et al. Short-term health effects from outdoor exposure to biomass burning emissions: A review. Sci Total Environ 2021;781:146739.
https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2021.146739. - Froeling F, Chen J, Meliefste K, Oldenwening M, Lenssen E, Vermeulen R, et al. A co-created citizen science project on the short term effects of outdoor residential woodsmoke on the respiratory health of adults in the Netherlands. Environ Heal A Glob Access Sci Source 2024;23. https://doi.org/10.1186/s12940-024-01124-9.
- Beard JD, Beck C, Graham R, Packham SC, Traphagan M, Giles RT, et al. Winter temperature inversions and emergency department visits for asthma in Salt Lake County, Utah, 2003-2008. Environ Health Perspect 2012;120:1385–90.
https://doi.org/10.1289/ehp.1104349. - Chen Y, Bond TC. Light absorption by organic carbon from wood combustion. Atmos Chem Phys 2010;10:1773–87. https://doi.org/10.5194/acp-10-1773-2010.
- Tomlin AS. Air Quality and Climate Impacts of Biomass Use as an Energy Source: A Review. Energy and Fuels 2021;35:14213–40. https://doi.org/10.1021/acs.energyfuels.1c01523.
- Vicente ED, Alves CA. An overview of particulate emissions from residential biomass combustion. Atmos Res 2018;199:159–85. https://doi.org/10.1016/j.atmosres.2017.08.027.
- Ryšavý J, Horák J, Hopan F, Kuboňová L, Krpec K, Molchanov O, et al. Influence of flue gas parameters on conversion rates of honeycomb catalysts. Sep Purif Technol 2022;278. https://doi.org/10.1016/j.seppur.2021.119491.
- Das D, Bhandarkar U, Sethi V. Influence of the Inclusion of Ignition Stage Emissions in the Development of Emission Factors for Coal Cookstoves Used in India. Environ Sci Technol 2019;53:3149–56.
https://doi.org/10.1021/acs.est.8b06775. - Calvo AI, Tarelho LAC, Alves CA, Duarte M, Nunes T. Characterization of operating conditions of two residential wood combustion appliances. Fuel Process Technol 2014;126:222–32. https://doi.org/10.1016/j.fuproc.2014.05.001.
- Chen P, Li Y, Zhang Y, Xue C, Hopke PK, Li X. Dynamic Changes of Composition of Particulate Matter Emissions during Residential Biomass Combustion. Environ Sci Technol 2023;57:15193–202.
https://doi.org/10.1021/acs.est.3c05412. - Calvo AI, Martins V, Nunes T, Duarte M, Hillamo R, Teinila K, et al. Residential wood combustion in two domestic devices: Relationship of different parameters throughout the combustion cycle. Atmos Environ 2015;116:72–82.
https://doi.org/10.1016/j.atmosenv.2015.06.012. - Vicente ED, Duarte MA, Calvo AI, Nunes TF, Tarelho L, Alves CA. Emission of carbon monoxide, total hydrocarbons and particulate matter during wood combustion in a stove operating under distinct conditions. Fuel Process Technol 2015;131:182–92. https://doi.org/10.1016/j.fuproc.2014.11.021.
- Tschamber V, Trouvé G, Leyssens G, Le-Dreff-Lorimier C, Jaffrezo JL, Genevray P, et al. Domestic Wood Heating Appliances with Environmental High Performance: Chemical Composition of Emission and Correlations between Emission Factors and Operating Conditions. Energy and Fuels 2016;30:7241–55.
https://doi.org/10.1021/acs.energyfuels.6b00333. - Reichert G, Hartmann H, Haslinger W, Oehler H, Mack R, Schmidl C, et al. Effect of draught conditions and ignition technique on combustion performance of firewood roomheaters. Renew Energy 2017;105:547–60.
https://doi.org/10.1016/j.renene.2016.12.017. - Nussbaumer T, Doberer A, Klippel N, Bühler R, Vock W. Influence of Ignition and Operation Type on Particle Emissions From Residential Wood Combustion. 16th Eur. Biomass Conf. Exhib., Valencia, Spain: 2008, p. 2–6.
- Prapas J, Baumgardner ME, Marchese AJ, Willson B, DeFoort M. Influence of chimneys on combustion characteristics of buoyantly driven biomass stoves. Energy Sustain Dev 2014;23:286–93.
https://doi.org/10.1016/j.esd.2014.08.007. - Endriss F, Grammer P, Russ M, Thorwarth H. Impact of Chimney-draught Conditions on Combustion and Emission Behavior of a Wood-burning Stove. Chemie-Ingenieur-Technik 2021;93:412–20. https://doi.org/10.1002/cite.202000098.
- Drozdzol K, Junga R, Beben D, Kielland T, Jarzynski P. The Influence of the Fan-Controlled Chimney Draft on the Pollutants Emission to the Environment. In: Semião JFLC., Sousa NMS., da Cruz RMS., Prates GND, editors. INCREaSE 2023. Adv. Sustain. Sci. Technol., Springer, Cham; 2023, p. 141–56. https://doi.org/10.1007/978-3-031-44006-9_11.
- Drozdzol K, Jarzyński P. Impact of chimney on low emission. MATEC Web Conf 2018;174:1–9.
https://doi.org/10.1051/matecconf/201817401023. - Deng M, Nie Y, Yuan Y, Ma R, Shan M, Yang X. The impact of oxygen content in the primary air supply on fuel burning rate and pollutant emissions in a forced-draft biomass stove. Fuel 2022;321:124129.
https://doi.org/10.1016/j.fuel.2022.124129. - Ozgen S, Becagli S, Bernardoni V, Caserini S, Caruso D, Corbella L, et al. Analysis of the chemical composition of ultrafine particles from two domestic solid biomass fired room heaters under simulated real-world use. Atmos Environ 2017;150:87–97. https://doi.org/10.1016/j.atmosenv.2016.11.048.
- Orasche J, Schnelle-Kreis J, Schön C, Hartmann H, Ruppert H, Arteaga-Salas JM, et al. Comparison of emissions from wood combustion. Part 2: Impact of combustion conditions on emission factors and characteristics of particle-bound organic species and polycyclic aromatic hydrocarbon (PAH)-related toxicological potential. Energy & Fuels 2013;27:1482–91. https://doi.org/10.1021/ef301506h.
- Frey AK, Tissari J, Saarnio KM, Timonen HJ, Tolonen-Kivimäki O, Aurela MA, et al. Chemical composition and mass size distribution of fine particulate matter emitted by a small masonry heater. Boreal Environ Res 2009;14:225–71.
- Tissari, Lyyränen J, Hytönen K, Sippula O, Tapper U, Frey A, et al. Fine particle and gaseous emissions from normal and smouldering wood combustion in a conventional masonry heater. Atmos Environ 2008;42:7862–73.
https://doi.org/10.1016/j.atmosenv.2008.07.019. - Pettersson E, Boman C, Westerholm R, Boström D, Nordin A. Stove Performance and Emission Characteristics in Residential Wood Log and Pellet Combustion, Part 2: Wood Stove. Energy & Fuels 2011;25:315–23.
https://doi.org/10.1021/ef1007787.
The study examines the effect of the kindling method, combustion air supply, and chimney draft conditions on the concentrations of pollutants in flue gases produced during wood combustion in households. Experimental results show that, in particular, air supply beneath the fuel and top-down firing lead to lower CO and OGC emissions, while improper firing conditions can increase emissions. The study demonstrates that the right combination of operating conditions and user behavior is key to reducing the impact of local heating on air quality.