Vliv způsobu zátopu ve zplyňovacích kotlích na emise znečišťujících látek
Přehrát audio verzi
Vliv způsobu zátopu ve zplyňovacích kotlích na emise znečišťujících látek
00:00
00:00
1x
- 0.25x
- 0.5x
- 0.75x
- 1x
- 1.25x
- 1.5x
- 2x
Článek popisuje vliv různých způsobů zátopu ve zplyňovacích kotlích na produkci emisí znečišťujících látek (CO, OGC, prach). Zatímco současná legislativa (např. norma EN 303-5 a Ekodesign) hodnotí pouze ustálené provozní režimy, přechodná fáze zapalování představuje významný, dosud opomíjený zdroj znečištění. Laboratorní měření ukázala, že u kotlů bez automatického řízení lze emise ve fázi rozhořívání výrazně snížit použitím dřevěného uhlí pro vytvoření žhavé vrstvy a včasným zavřením zatápěcí klapky. U moderních kotlů s řízeným spalováním pomocí lambda sondy jsou rozdíly v emisích minimální. Výzkum potvrzuje nutnost zaměřit se na optimalizaci zapalovacích procesů pro celkové snížení environmentální zátěže z vytápění.
Foto: Pexels
Úvod
V posledních letech dochází v Evropské unii k výraznému zpřísňování požadavků na ekologické parametry lokálních zdrojů vytápění. Důvodem je především snaha o snižování emisí znečišťujících látek, které významně ovlivňují kvalitu ovzduší, zejména během topné sezóny. Významným zdrojem těchto emisí jsou lokální topeniště spalující pevná paliva, a proto byly zavedeny požadavky vycházející z nařízení Evropské komise o ekodesignu (Nařízení Komise (EU) 2015/1189). Toto nařízení stanovuje minimální požadavky na účinnost kotlů a současně omezuje maximální přípustné emise znečišťujících látek. Evropská komise v současnosti připravuje revizi těchto požadavků a v odborných kruzích se diskutuje o jejich dalším zpřísnění. Přestože konkrétní podoba nové legislativy dosud nebyla schválena, je zřejmé, že trend směřuje k dalšímu snižování environmentálních dopadů lokálních zdrojů vytápění. Každý kotel (typ kotle), uváděný na trh v EU, musí být před uvedením na trh podroben zkouškám podle evropských norem, především normy EN 303-5. V rámci těchto zkoušek se ověřuje dosažitelný tepelný výkon, účinnost spalování, bezpečnost provozu, a především produkce emisí CO, prachu, OGC a NOx. Pouze zařízení splňující všechny předepsané požadavky mohou být uvedena na evropský trh.
Přestože jsou současné emisní požadavky velmi přísné, jejich hodnocení se zaměřuje především na ustálené provozní režimy kotle při jmenovitém nebo částečném výkonu. Fáze zápalu kotle, která z hlediska spalovacího procesu představuje jednu z nejméně příznivých provozních situací, není při zkouškách samostatně hodnocena. Během zapalování totiž spalovací komora ještě nedosahuje provozních teplot, spalování není stabilizované a dochází k nedokonalé oxidaci vznikajících plynů. V důsledku toho mohou být okamžité emise sledovaných znečišťujících látek několikanásobně vyšší než při ustáleném provozu. V reálných podmínkách, kdy během jedné topné sezóny dochází k opakovaným zápalům kotle, mohou právě tyto přechodové stavy představovat významný podíl na celkových emisích produkovaných domácím vytápěním. Z tohoto důvodu se v posledních letech stále častěji diskutuje o potřebě věnovat zvýšenou pozornost právě emisím, vznikajícím během rozhořívání kotlů. Množství zápalů kotle během topné sezóny je možno snížit správně navrženou velikostí akumulační nádoby.
Jedním z nejmodernějších způsobů spalování kusového dřeva je využití zplyňovacích kotlů. Tyto kotle využívají princip řízeného zplyňování dřeva a následného spalování vznikajícího dřevoplynu při vysokých teplotách. Moderní zplyňovací kotle běžně dosahují účinnosti přesahující 90 %, vyznačují se nízkou produkcí znečišťujících látek a umožňují velmi efektivní využití energie obsažené v palivu. Na druhou stranu jsou zplyňovací kotle náročnější na kvalitu spalovaného paliva. Pro dosažení vysoké účinnosti a nízkých emisí je nezbytné používat dostatečně vyschlé dřevo, jehož vlhkost zpravidla nepřesahuje 20 %. Důležitým parametrem, který je třeba sledovat, je i doporučená délka polen. Zplyňovací kotle jsou v současnosti považovány za jednu z nejefektivnějších technologií pro spalování kusového dřeva v domácnostech a významně přispívají ke snižování emisní zátěže lokálních topenišť.
Přestože moderní zplyňovací kotle splňují velmi přísné emisní požadavky stanovené legislativou, zůstává oblast emisí vznikajících během zápalu stále relativně málo prozkoumaná. Právě tato fáze provozu představuje významný zdroj emisí, který není současnými zkušebními postupy vůbec zohledněn. U lokálních spotřebičů, jako např. krbová kamna a krbové vložky, se již objevují aktivity, které se snaží do celkového hodnocení produkovaných emisí zahrnout i fáze rozhořívání nebo přetížení. Jedná se např. o projekt Real-LIFE Emissions. Pro oblast kotlů ale zatím žádná podobná iniciativa neexistuje. Další výzkum zaměřený na optimalizaci procesu rozhořívání, vývoj automatických zapalovacích systémů nebo zdokonalení řídicích algoritmů zplyňovacích kotlů tak představuje jednu z možností dalšího snižování emisí z lokálních zdrojů vytápění.
Metody
Kotel 1
Jedná se o kotel, který konstrukčně není určen pro stáložárný provoz (dle výrobce). Tento kotel po spálení paliva čeká na přednastavenou teplotu spalin a poté automaticky vypíná spalinový ventilátor. Po uplynutí určité doby (závislé na velikosti žhavé vrstvy uhlíků, a tedy množství spáleného paliva) od ukončení topení již není možno nové palivo zapálit pouhým přiložením nového paliva do palivové komory, ale je nutno provést kompletně nový zápal, protože zbylé uhlíky jsou již studené nebo je jich málo. U tohoto typu kotle byly provedeny níže popsané způsoby zátopů. Zátopy byly opakovány 3×, aby se předešlo faktoru „nahodilosti“, který se zejména u zápalů může vyskytovat.
- Zápal nahoru – zápal dle návodu k obsluze. Dávka paliva určená pro zápal byla vytvořena následujícím způsobem: nad spalovací trysku byly umístěny třísky. Na třísky byly položeny menší kusy dřeva (Obrázek 1). Byla otevřena popelníková dvířka a zatápěcí klapa, a následně byl proveden zápal, přičemž plnicí dvířka byla po zápalu uzavřena. Po poklesu koncentrace kyslíku ve spalinách pod 16 % (dlouhodobě vysledovaná koncentrace O2, při které je již spalovací proces v kotli dostatečně stabilní) byla přiložena větší polena bukového dřeva do doporučené přikládací výšky, byla zavřena dvířka dopalovací komory a zatápěcí klapa.
Obrázek 1 Způsob přikládky „Zápal nahoru“ - Zápal dolů 1 – spodní část přikládací komory byla vyplněna dřevěným uhlím tak, aby nezakrylo spalovací trysku. Na dřevěné uhlí, nad trysku, byly umístěny třísky a na třísky byly položeny menší kusy dřeva (Obrázek 2). Při zápalu byla zatápěcí klapa zavřená, popelníková dvířka zavřena a plnicí dvířka otevřena. Po poklesu koncentrace kyslíku ve spalinách pod 16 % byla přiložena polena bukového dřeva do doporučené přikládací výšky a byla zavřena plnicí dvířka. Cílem přidání dřevěného uhlí bylo navození podobného stavu, jako u kotle se stáložárným provozem.
Obrázek 2 Způsob přikládky „Zápal dolů 1“ - Zápal dolů 2 – podobný způsob zápalu jako při Zápal dolů 1, ale s tím rozdílem, že palivová komora byla rovnou naplněna dřevem až po maximální plnicí úroveň.
- Zápal dolů 3 – spodní část přikládací komory byla vyskládaná dřevem (Obrázek 3). Při zápalu byla plnicí dvířka otevřena a zatápěcí klapa byla zavřená. Po poklesu koncentrace kyslíku pod 16 % byla přiložena větší polena do doporučené plnicí výšky a byla zavřena plnicí dvířka.
Obrázek 3 Způsob přikládky „Zápal dolů 3“
Konec spalovací zkoušky nastal ve chvíli, kdy v kotli zůstávalo ještě dostatek paliva tak, aby při případné další přikládce došlo k bezproblémovému zápalu z pohledu koncentrací emisí. Vícečetným zkoušením byl tento stav definován tak, že v kotli zůstává jedna vrstva lehce napálených polen dřeva.
Kotel 2
Tento kotel je dle výrobce určen pro stáložárný provoz. Kotel je vybaven mechanickým prvkem, který při dosažení minimální vrstvy paliva uzavře přívody spalovacích vzduchů a vypne spalinový ventilátor. Tím je „zajištěno“, že v kotli zůstanou žhavé uhlíky a další přikládka paliva může proběhnout až druhý den. Není nutno provádět zápal jako při nájezdu ze studeného stavu, ale stačí přiložit rovnou dřevo na uhlíky a dojde k bezproblémovému zápalu. Kotel není vybaven zatápěcí klapou. Zápaly byly vždy opakovány 2×.
Na tomto kotli byly provedeny tyto způsoby zátopů:
- Zápal s čistým hořákem – při tomto způsobu zápalu byly na trysku položeny 3 kusy dřeva, na které byla umístěna menší polínka, a dále třísky (Obrázek 4). Při zápalu a následně až do poklesu koncentrace kyslíku ve spalinách na 17 % (dlouhodobě vysledovaná koncentrace O2, při které je již spalovací proces v kotli dostatečně stabilní) byla plnicí dvířka otevřena. Při dosažení uvedené koncentrace kyslíku bylo do kotle doloženo palivo do maximální plnicí výšky a plnicí dvířka byla uzavřena.
Obrázek 4 Zápal s čistým hořákem - Zápal ze stáložárného stavu – po cca 17 hodinách od přepnutí kotle do stáložárného režimu byly na uhlíky (cca 2 kg) umístěny menší kusy dřeva (Obrázek 5) a byla ponechána otevřená plnicí dvířka. Při poklesu koncentrace kyslíku ve spalinách na hodnotu 17 % bylo doloženo palivo a plnicí dvířka byla uzavřena.
Obrázek 5 Zápal ze stáložárného stavu
Zkoušky byly ukončeny vždy ve chvíli, kdy se kotel automaticky přepnul do stáložárného provozu.
Palivo
Při zkouškách bylo použito bukové dřevo a běžně dostupné dřevěné uhlí Weber Premium. Rozbory paliv jsou uvedeny v Tabulka 1.
Tabulka 1 Rozbor použitých paliv
Výsledky a diskuse
Při všech provedených zkouškách byly kotle provozovány při přirozeném tahu se zděným komínem o výšce 6,2 m, který byl vybaven izostatickou vložkou o vnitřním průměru 180 mm. Při pohledu na výsledky je zřejmé, že vliv způsobu zápalu u kotle 1 není zanedbatelný (viz Obrázek 6). Nejlépe vycházely zkoušky označené jako Zápal dolů 1 a 2, u kterých bylo při zápalu použito dřevěné uhlí. Z průběhů koncentrací CO a OGC vyplynulo, že do cca 20 min od zápalu byly koncentrace nízké a držely se tak již v podstatě po celý zbytek spalovací periody. Při způsobu zápalu dle návodu k obsluze (zápal nahoru) docházelo k tomu, že maximální dosažené koncentrace CO a OGC byly podobné jako při zápalech s dřevěným uhlím, ale k jejich poklesu docházelo až po cca 50–60 min po zápalu. Při režimu nazvaném Zápal dolů 3, který vyšel nejhůře ze všech, byly maximální dosažené koncentrace CO a OGC po zápalu cca dvojnásobné než u ostatních způsobů zápalů, přičemž pokles koncentrací nastal cca mezi 40–50 min po zápalu. Použitím dřevěného uhlí při zápalu dochází k tomu, že v krátké době po zápalu (jednotky minut) dojde rozpálení vrstvy dřevěného uhlí, což napomáhá k lepšímu zplyňování dřeva ležícím na něm, dále touto vrstvou procházejí vznikající plyny, které při vyšších teplotách lépe dooxidují („shoří“) na své konečné produkty.
Při zápalech označených jako Zápal dolů 1 a 2 bylo do kotle nasypáno 2,5 kg dřevěného uhlí, což energeticky odpovídá cca 4,5 kg použitého bukového dřeva. Cenově se nejlevnější dřevěné uhlí pohybuje zhruba na úrovni 34 Kč/kg, takže na jeden zápal s dřevěným uhlím by byla cena za dřevěné uhlí 85 Kč. Námi použité dřevěné uhlí má cenu cca 57 Kč/kg, a tedy jeho cena za jeden provedený zápal vycházela na 143 Kč. Energeticky srovnatelné množství bukového dřeva vyjde na cca 38 Kč, přičemž byla uvažována cena za 1 prms suchého štípaného tvrdého dřeva 2 400 Kč a objemová hmotnost 280 kg/prms. Z ekonomického pohledu je tedy použití dřevěného uhlí nevýhodné, ale z pohledu produkovaných emisí je tomu naopak.
Obrázek 6 Kotel 1 – průměrné koncentrace emisí CO, OGC a prachu (n = 3)
Z výsledků zkoušek provedených s kotlem 2 (Obrázek 7) je vidět, že z pohledu produkovaných emisí CO, OGC a prachu není zásadní rozdíl mezi zápalem s čistým hořákem a zápalem ze stáložárného stavu (i když lze pozorovat o něco nižší koncentrace sledovaných znečišťujících látek při zápalu ze stáložárného stavu). Toto je způsobeno hlavně tím, že použitý kotel je vybaven řízením spalovacího procesu na základě signálu z lambda sondy.
Obrázek 7 Kotel 2 – průměrné koncentrace emisí CO, OGC a prachu (n = 2)
Závěr
Cílem provedených zkoušek nebylo porovnat kotle mezi sebou, ale spíše zjistit, zda lze při zátopu pozitivním způsobem ovlivnit množství znečišťujících látek. Proto jsou zjištěné závěry rozděleny dle varianty použitého kotle.
Kotel 1:
- Z pohledu koncentrací sledovaných znečišťujících látek se jako nejlepší varianta jeví provedení zápalu způsobem označeným jako Zápal dolů 2 a Zápal dolů 1.
- Při použití dřevěného uhlí je možno kotel rovnou roztápět směrem dolů, tedy se zavřenou zatápěcí klapou, a to i s plně naloženým kotlem.
- V případě použití samotného dřeva (bez dřevěného uhlí) je nutno zatápěcí klapu použít vždy.
- V případě, že je zápal prováděn dle návodu k obsluze, není nutno nechat zatápěcí klapu otevřenou déle než cca 10 min. Naopak, čím déle je otevřená, tím jsou koncentrace CO a OGC horší a snižuje se i účinnost kotle. Při zkoušce, kdy byla zatápěcí klapa ponechána v otevřeném stavu, došlo k takové produkci emisí, že musel být odpojen analyzátor spalin (ucpání filtrů).
Kotel 2:
- Oba typy zápalů jsou z pohledu produkovaných emisí srovnatelné. Rozdíl je v čase nájezdu kotle na výkon, kdy zápal s přikládkou ze stáložárného režimu probíhal cca hodinu, zatímco zápal s čistým hořákem probíhal hodinu a půl či dvě hodiny. Výhodou zápalu ze stáložárného stavu je i to, že pro zápal není nutno připravovat třísky.
Poděkování
Tento článek vznikl za finanční podpory projektu SS07010272 – Výzkum vhodných a nevhodných postupů vytápění pevnými palivy, podpořeného Technologickou agenturou České republiky (TA ČR).
This article describes the impact of different lighting methods in gasification boilers on the production of pollutant emissions (CO, OGC, dust). While current legislation (e.g., the EN 303-5 standard and Ecodesign) evaluates only steady-state operating modes, the transient ignition phase represents a significant and hitherto neglected source of pollution. Laboratory measurements showed that in boilers without automatic control, emissions during the startup phase can be significantly reduced by using charcoal to create a hot ember bed and by closing the direct-draft chimney damper in a timely manner. In modern boilers with controlled combustion using a lambda sensor, emission differences are minimal. The research confirms the need to focus on optimizing ignition processes to achieve an overall reduction in the environmental burden from space heating.