Kotelny s kotli na dřevo a pelety

1. Uvedení do tématu

Spalování dřeva, především kusového, má dlouholetou tradici zvláště ve venkovských kotelnách. S nárůstem cen fosilních paliv a energií koncem minulého století začal výrazný nárůst zájmu o obnovitelné zdroje. U biomasy se vedle tradičního využívání kusového dřeva stále více využívá dřevní odpad ve formě pilin a štěpky a novým fenoménem v této oblasti jsou pak pelety. Právě díky peletám se v oblasti konstrukce kotlů pro malé domovní kotelny stále více prosazují nové technologie s účinností spalování nad hranicí 85 % a s komfortem obsluhy, který umožňuje i zde v maximální míře automatizaci celého procesu vytápění

1.1 Rozdělení kotlů na dřevo a pelety

Obdobně jako u kotlů na fosilní pevná paliva, i pro biomasu zavádí základní kategorizaci teplovodních kotlů dle druhů paliva a způsobů jeho dodávky do kotle, dle způsobu napojení na těleso komínu a dle možnosti regulace jeho výkonu ČSN EN 303-5 Kotle pro ústřední vytápění na pevná paliva, s ruční nebo samočinnou dodávkou, o jmenovitém tepelném výkonu nejvýše 300 kW.

1.2 Palivo a způsob jeho dodávky

Jako biologické palivo je normou definována dřevní hmota ve formě kulatiny, štěpků, pilin a výlisků, tj. briket a pelet. Výhřevnost jednotlivých forem je závislá především na vlhkosti w (procentuální hmotnostní podíl vody v surovině), která se pohybuje se v rozmezí 7 až 19 MJ/kg. Jehličnaté dřevo má vyšší výhřevnost, ovšem nižší hustotu. Podíl popelovin je v rozmezí 0,5 až 3 % a je závislý především na podílu kůry v palivu. Vyšší podíl kůry = více popelovin.Uveďme si základní parametry biomasy, která se nejběžněji využívá v malých kotelnách. Uvedené charakteristiky postačují pro základní bilanční výpočty.

Piliny a štěpka - pro malé kotelny se doporučuje spalovat tato paliva s vlhkostí w < 30 %, kdy mají výhřevnost okolo 12,2 MJ/kg a běžnou objemovou hmotnost 150 kg/prms u pilin a 230 kg/prms u štěpky(prms = prostorový metr sypný).

Kusové dřevo - většina kotlů je konstruována pro dřevo o vlhkosti w < 20 % s výhřevností 14 až 15 MJ/kg, běžná objemová hmotnost je 480 kg/prm pro tvrdé dřevo a 300 kg/prm pro dřevo měkké (prm = prostorový metr).

Brikety a pelety - musí být lisovány ze suché hmoty s w < 10 %, proto je jejich výhřevnost 17 až 18 MJ/kg, objemová hmotnost pelet je 650 kg/prms a u briket se dle jejich tvaru pohybuje na hranici 600 kg/prm. Zajímavostí je, že hustota pelet je vyšší jak 1000 kg/m³, proto by správně vyrobená peleta neměla ve vodě plavat, což je jednoduchý test kvality. Právě kvalitní vylisování zaručuje peletě vedle vysoké výhřevnosti a hustoty také velkou mechanickou odolnost. A tato odolnost umožňuje vysoký stupeň mechanizace celého procesu vytápění od distribuce paliva k zákazníkovi, skladování, dopravy paliva ze skladu ke kotli až po samotné spalování ve speciálních hořácích.

Podobně jako kotle na uhlí i kotle na biomasu se dělí dle způsobu dodávání paliva na kotle s ruční dodávkou, kdy je palivo dodáváno ručně v intervalech závisejících na rychlosti hoření nebo tepelném výkonu, a na kotle se samočinnou dodávkou, kdy je palivo dodáváno samočinně, průběžně nebo periodicky, v závislosti na tepelném výkonu, tzv.automatické kotle.

1.3 Emise a účinnost kotlů

Norma rozděluje kotle do 3 tříd podle účinnosti a míry vypouštěných emisí. Výrobce musí uvádět třídu, do které byl kotel autorizovanou osobou zařazen. Pro uživatele je to důležitá informace o případném vlivu zdroje tepla na okolní prostředí. Rozdělení do jednotlivých tříd podle emisí uvádí tab. 1 v kapitole o uhelných kotelnách. Pro jednotlivé třídy pak platí stejné požadavky na účinnost, jako pro kotle na uhlí.

1.4 Nejrozšířenější typy kotlů a vhodnost jejich použití

Pokud se podíváme na současnou nabídku teplovodních kotlů na pevná biopaliva, pak nejběžnější jsou následující typy.

Litinové kotle jsou vhodným řešením pro spalování vlhčího tvrdého kusového dřeva, kdy je w < 30 %. Vzhledem k prohřívacímu způsobu spalování nejsou v žádném případě vhodné pro spalování drobného dřeva a dřevního odpadu. Tato paliva rychle nahořívají v celé vrstvě, rychle uvolňují prchavé látky, které nestačí v kotli vyhořet. Vedle účinnosti na hranici 50 % se to pak projevuje především velice tmavým kouřem, který vychází po značnou část topení z komína. Výkon se dá regulovat prakticky pouze množstvím paliva v násypce a regulací tahu pomocí klapky na sání spalovacího vzduchu. Vzhledem k velkému množství žhavého paliva je možnost regulace značně omezena. Díky nízké tlakové ztrátě na straně spalin jsou vhodné pro komín s malým tahem do 15 mbar. Při volbě komína je nutné počítat s tím, že se teplota spalin může při spalování suchého dřeva dlouhodobě pohybovat v oblasti 300 až 400 °C. Nízká cena je vykoupena nízkou účinností, která se reálně pohybuje u dřeva na hranici 60 %. Relativně malý objem násypky znamená zvýšené nároky na obsluhu , zvláště přikládání paliva.Tyto kotle se emisně řadí převážně do 1. třídy.

Ocelové kotle s ruční dodávkou paliva jsou vhodné pro drobnější dřevo a dřevní odpad. Převážně se jedná o kotle odhořívací s pohyblivým roštem. Vzhledem k tomu, že nenahořívá celá vrstva paliva v násypce, lze tyto kotle snáze řídit regulací přisávání primárního a sekundárního vzduchu, vyžadují však komín s větším tahem nad 25 mbar. Malý objem násypky paliva znamená opět zvýšené nároky na obsluhu, tj. na přikládání, roštování. Reálná účinnost kotlů se pohybuje na hranici 65 %. Emisně tyto kotle dosahují zařazení maximálně do 2. třídy.

Ocelové kotle speciální, tzv. zplynovací, představují moderní technologii spalování kusového dřeva. Jsou to kotle odhořívací převážně s odtahovým ventilátorem a s poměrně vysokou účinností spalování, která se reálně pohybuje na hranici 75 %. Konstruovány jsou především na kusové dřevo o vlhkosti do 20 %, drobný dřevní odpad a dřevní brikety. Výkon kotlů se dá relativně dobře regulovat v rozsahu 50-100 % jmenovitého výkonu díky regulaci dodávky spalovacího vzduchu ventilátorem. Mají ve většině případů až dvojnásobný objem násypné šachty oproti běžným kotlům. To spolu s vyšší účinností znamená podstatné snížení četnosti obsluhy 4-5 x denně. I když vyžadují suché palivo, pro zvýšení jejich životnosti nad 5 let je prakticky nezbytné vedle udržování teploty vratné vody nad 60 °C také zapojení s akumulační nádrží. Jejich cena je o 1/3 vyšší než u obyčejných. Emisně dosahují tyto kotle běžně 2. třídy, v některých případech 3. třídy.

Automatické kotle představují nejnovější technologie spalování. Díky zásobníkům paliva o velkých objemech a automatickému doplňování paliva umožňují několikadenní bezobslužný provoz. Jsou převážně ocelové s nuceným i přirozeným odtahem spalin. Určeny jsou pro drobný dřevní odpad ve formě pilin a štěpky a pro pelety. Existuje mnoho konstrukčních řešení dopravy paliva, hořáků i kotlových těles. Vedle různého komfortu, jako je el. zapalování, a automatické odpopelňování, se vyznačují také různými cenami a různými požadavky na kvalitu paliva. Je nutné proto zvolit vhodné řešení pro dané podmínky i možnosti investora. Ceny automatických kotlů jsou dvoj až trojnásobné oproti obyčejným litinovým a ocelovým kotlům, jejich reálná účinnost však v celém režimu spalování u většiny výrobků přesahuje 80 %. Navíc možnost několikadenního nepřetržitého provozu podstatně zvyšuje tepelnou pohodu ve vytápěném objektu, který není vystaven periodickému ohřívání a opětovnému vychládání. Emisně několikanásobně podkračují limity pro kotle třídy 3.

Ostatní kategorie kotlů na pevnou biomasu se rozdělují shodně jako kotle na uhlí a koks. Podle požadavku na komín se dělí na kotle s nuceným tahem a kotle s přirozeným tahem. Podle způsobu regulace pak na kotle pro rychle odpojitelnou, částečně odpojitelnou a neodpojitelnou otopnou soustavu. Kotle s ruční dodávkou paliva musí být vybaveny pojistným výměníkem, který v případě přetopení kotle zajistí jeho dostatečné dochlazení. Tento výměník musí být zapojen v případě instalace kotle do otopné soustavy s tlakovou expanzní nádrží, naopak nemusí být zapojen v případě instalace do soustavy s otevřenou expanzní nádrží.

1.5 Domovní kotelny

Velikost kotelny je do značné míry odvislá od zvolené technologie spalování i způsobu řešení skladového hospodářství. Kotle s ručním přikládáním paliva vyžadují větší manipulační prostor pro přikládání a čištění. Běžné dřevo má až 5x více popelovin než pelety. Pokud je dřevo skladováno mimo budovu, ve které je kotelna, mělo by v samotné kotelně být počítáno s uskladněním paliva v bezpečné vzdálenosti od kotle alespoň na denní provoz. Naopak v případě instalace peletového kotle, s průběžným doplňováním paliva několikametrovým šnekovým či pneumatickým dopravníkem, jsou prostorové nároky na samotnou kotelnu minimalizovány. Minimální vzdálenosti pro obsluhu, včetně vzdáleností od materiálů různé hořlavosti dle ČSN 73 0823, udávají výrobci kotlů v průvodní technické dokumentaci.

1.6 Základní schéma zapojení kotlů

Případ základního zapojení malého kotle s ručním přikládáním paliva je uveden v kapitole o kotlích na uhlí. Také u všech kotlů na dřevo by měl být splněn alespoň základní požadavek na teplotu vratné vody, která by neměla při běžném provozu klesnout pod 60 °C, individuálně dle výrobce. Kondenzát vznikající při spalování dřeva je značně agresivní, proto je s ohledem na životnost kotle vhodné jej provozovat dlouhodobě na vysoký výkon. To umožňuje zapojení s akumulační nádrží, které se doporučuje zvláště u dražších zplynovacích kotlů. Základní schéma takovéhoto zapojení je zobrazeno na obr. 1. U automatických kotlů se doporučuje pro případ spalování nedřevní rostlinné hmoty. Podle požadavků a finančních možností investora lze za použití různých úrovní regulace patřičně řídit "natápění" nádrží i distribuci vody to otopného okruhu. Nicméně se doporučuje, aby samotný provoz kotle byl řízen pouze jeho provozním termostatem a kotel tak mohl v maximální míře pracovat na jmenovitý výkon.

Obr. 1 Základní schéma zapojení kotlů na dřevo s akumulačními nádržemi

1.7 Skladové hospodářství

Obecně platí pro plánování skladového hospodářství pravidlo, že by měla být minimalizována potřeba doplňování paliva v průběhu topné sezóny, kdy jsou ceny paliv nejvyšší. Prostor pro skladování by tak měl být v maximální možné míře schopen pokrýt roční spotřebu paliva. Výjimkou jsou piliny a štěpka s vlhkostí nad 25 %. Pokud není zajištěno intenzivní větrání, začíná toto palivo po určité době degradovat a plesnivět. Vedle snižování výhřevnosti to přináší i zdravotní nebezpečí od spor a plísní a také možnost samovznícení. Proto se nemají skladovat v obytných prostorech, kde je kotelna přímo v domku. Nedoporučuje se předzásobení delší než na dva měsíce. U kotelen menších výkonů jsou pro náročnost na skladovací prostory a manipulaci s palivem používány piliny a štěpka především pro vytápění dílen a provozoven, ve kterých tyto dřevní odpady vznikají.

Pro potřeby projektování skladového hospodářství lze pro naše klimatické podmínky, kvalitu domácích paliv a účinnost zdrojů tepla s dostatečnou přesností stanovit roční potřebu paliva pro vytápění a ohřev TV na 1 kW projektovaného výkonu zdroje pomocí tab. 2.

	Hm (kg)	Hv (m3/kW)
Piliny, w < 30 %, automatický kotel	820	5,5 (prms)
Štěpka, w < 30 %, automatický kotel	820	3,6 (prms)
Dřevo, w < 20 %, zplynovací kotel	735	1,5 / 2,5* (prm)
Brikety, zplynovací kotel	610	1,0 (prm)
Pelety, automatický kotel	520	0,8 (prms)
* tvrdé dřevo / měkké dřevo

Tab. 2 Roční potřeba paliva na 1 kW projektovaného výkonu zdroje

U skladování kusového dřeva je nutné si uvědomit, že čerstvé dřevo vysychá na požadovanou vlhkost 20 % 18 až 24 měsíců. Rychleji vysychá štípané kratší dřevo pod větraným přístřeškem. Je tedy nutné mít naskladněno příslušné množství dřeva i na 2 sezóny dopředu.

Z pohledu skladování a manipulace jsou nejvhodnější pelety. Od výrobců jsou distribuovány v pytlích po 15 kg, ve velkoobjemových vacích (big bag po 1m³) nebo v cisternách. Obr .2 ukazuje základní možnosti skladování pelet. Ze skladů lze pak pelety dopravovat ke kotli buď ručně, varianta A, nebo pomocí podavačů pelet, varianty B a C. Šnekový dopravník doplňuje pelety ze skladu průběžně podle požadavku. Vzdálenost mezi skladem a kotlem je zpravidla do 6 m a pod úhlem do 45°. Pneumaticky pomocí podtlaku "nafoukává" pelety ze skladu antistatickými hadicemi na vzdálenost až 15 m s převýšením do 6 m.

Obr. 2 Základní typy skladů pelet

Varianta A - skladování v pytlích je u nás zatím nejrozšířenější, vzhledem k fyzické manipulaci s pytli při přikládání by měl být sklad co nejblíže ke kotli, nevyžaduje úpravu skladu, prostorová využitelnost skladu je do 60 %.

Varianta B - skladování ve vyspádovaných skladech, skladová místnost je vyspádována pod úhlem 35 až 40° do sběrného žlabu, ve kterém je umístěn buď vynášecí šnek šnekového dopravníku pelet nebo sběrné sondy pneumatického dopravníku, prostorová využitelnost je do 70 %.

Varianta C - skladování v zásobnících, velkoobjemové vaky o objemu 2 až 10 m³ jsou vyrobené ze speciální antistatické textilie vyspádované do sběrného místa, ve kterém je umístěná sběrná sonda pro pneumatický, či šnekový podavač, sklad není zapotřebí stavebně upravovat, ale objemová využitelnost je do 45 %.

Obr. 3 Kombinace textilního zásobníku s pneumatickým dopravníkem

V zemích, kde bylo rozšířeno skladování topných olejů v podzemních tancích, se využívá tento způsob skladování také pro pelety. U nás praktické zkušenosti chybí, proto se nedá předpokládat v dohledné době masivní rozšíření podzemních tanků.

2. Výpočtové vztahy a podklady

Uveďme si základní výpočtové vztahy nutné pro navržení vhodného způsobu skladového hospodářství.

Stanovení roční potřeby paliva

Pro bilanční výpočet roční potřeby paliva (t) lze použít vztahu

kde

Q_v - požadovaný výkon zdroje (kW)
H_m - roční potřeba paliva na 1 kW projektovaného výkonu zdroje (t/kW).

Velikost skladového prostoru

Pro bilanční výpočet velikosti skladového prostoru (m³) lze použít vztahu

kde

H_v - roční potřeba skladového prostoru na 1 kW projektovaného výkonu zdroje (m³/kW).

Velikost skladového prostoru je nutné zredukovat podle prostorové využitelnosti skladu dle jednotlivých způsobů skladování. Redukovaný objem skladu (m³) zjistíme ze vztahu:

kde

η_sk - objemová využitelnost skladu (%).

3. Příklad

Zadání

Pro vytápění a ohřev TV je projektantem požadován kotel na pelety o výkonu 16 kW, technická místnost, což je sklad pelet, o půdorysu 3,5 x 3,5 m a o výšce 2,8 m, je umístěna vedle kotelny. Je nutné zvolit vhodný kotel a vybrat způsob skladování a doplňování paliva.

Řešení

Volba vhodného kotle

Z navržených kotlů si investor vybral kotel o jmenovitém výkonu 20 kW. Předimenzování kotle v tomto případě nevadí, protože automatické kotle jsou regulovatelné v rozsahu 30 až 100% a navíc mohou podle požadavku na teplo vypnout a opět zapnout, podobně jako plynové kotle.

Stanovení roční potřeby paliva

S využitím tab.č.2 a po dosazení do rovnice (1) vypočteme bilanční roční potřebu pelet

Volba skladového hospodářství

S využitím tab.č.2 a po dosazení do rovnice (2) zjistíme bilanční požadavek na velikost skladového prostoru (m³)

a po dosazení do rovnice (3) pak stanovíme redukovaný objem skladu

Technická místnost určená jako sklad pelet má objem 34,5 m³, pro všechny varianty skladování proto postačuje na uskladnění celoroční potřeby pelet. Konečná volba závisí na investičních možnostech. Varianta A není spojena s žádným navýšením investic. Skladový prostor není zapotřebí nijak stavebně upravovat. Náročnější je na obsluhu, která spočívá v průběžném doplňování pelet. Jednou za 3-5 dní je třeba doplnit cca 200 kg pelet v pytlích po 15 kg ze skladu do zásobníku kotle. Finanční náročnost na varianty B a C je srovnatelná. Varianta B vyžaduje vyspádování skladu, což je cenově srovnatelné s pořízením 2 textiních zásobníků pro variantu C. Oba způsoby vyžadují dořešení plnění skladu buď pro dofukování z cisteren, nebo vhodným žlabem pro doplňování z big bagů.

Vzdálenost od kotelny umožňuje zvolit šnekový i pneumatický dopravník ke kotli. Pneumatický je hlučnější, ale pracuje pouze cca 5 min. denně. Šnekový není tak hlučný, ale pracuje denně podstatně déle a je celkově energeticky náročnější. Pořizovací náklady na oba typy dopravníků jsou přibližně shodné. Způsob skladování a dopravy paliva nemusí být řešen okamžitě. Investor se může rozhodnout pro nejlevnější variantu A a po čase pak zvolit případné zautomatizování celého procesu vytápění doplněním některé z variant B či C v kombinaci s vhodným dopravníkem.

4. Citovaná a doporučená literatura

ČSN EN 303-5.

5. Firmy se zajímavými kotli dřevo a pelety

Atmos, Agromechanika, Dakon, Ling Krnov, Ponast, Verner