Kotelny s kotli na uhlí a koks

1. Uvedení do tématu

S výrazným nárůstem cen fosilních paliv a energií se začaly měnit také požadavky na projektování a provozování kotelen na pevná paliva. Zaváděním nových směrnic a norem EU se zvyšují nároky na teplovodní kotle z hlediska produkce emisí i bezpečnosti provozu. Z tohoto pohledu je nutné do budoucna preferovat především nejmodernější technologie spalování v automatických kotlích s účinností spalování nad hranicí 80 %, nízkými emisemi a s komfortem obsluhy, který umožňuje i u malých kotelen v maximální míře automatizaci celého procesu vytápění.

1.1 Rozdělení kotlů na pevná fosilní paliva

V následující kapitole uvedeme 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, jak je definuje 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 palivo jsou definovány hnědé uhlí, černé uhlí, koks a antracit. Základní orientační vlastnosti nejběžnějších tříděných paliv určených pro menší kotle jsou uvedeny v tab. 1., postačují pro základní bilanční výpočty.

	Qir (MJ/kg)	Wtr (%)	Ad (%)	mS (kg/m3)
Hnědé uhlí (MUS)	20.0	26,5	10,0	720
Hnědé uhlí (SD)	17,6	30,0	9,8	720
Černé uhlí (OKD)	30,5	6,5	6,5	1000
Koks	28,0	4,0	9,5	700

Tab.1 Výhřevnost, obsah vody, popela a sypná hmotnost základních paliv

Podle způsobu dodávání paliva se kotle dělí 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 Komín

Podle požadavku na komín se dělí na kotle s nuceným tahem, přičemž pro provoz je nutné vytvořit v kotli podtlak nainstalováním odtahového ventilátoru. Tento typ kotlů vyžaduje napojení na speciálně upravený přetlakový komín. U kotlů s přirozeným tahem se pro provoz vystačuje s přirozeným tahem komína, jehož minimální hodnotu uvádí výrobce v návodu. Dále je důležité ustanovení normy, které se týká teploty spalin při jmenovitém tepelném výkonu. Pokud je tato teplota vyšší o 160 K oproti teplotě okolního prostředí, je výrobce povinen upozornit v návodu na nutnost instalace kouřovodu, který zajistí dostatečný tah a zabrání vzniku kondenzátu a sazení v celém komínu. Zjednodušeně tzn., že při teplotě spalin při jmenovitém výkonu na hranici 180 °C je nutné upozornit na řádné zateplení kouřovodu a nutnost jeho napojení na kondenzační komín.

1.4 Způsob regulace

Rozdělení podle způsobu regulace se odvíjí od toho, kolik tepla je kotel schopen ještě předat do topného okruhu poté, co nastal havarijní stav a kotel byl odstaven. Za rychle odpojitelnou je považována otopná soustava, u které může být při všech provozních podmínkách a při nesprávné činnosti, tj. při přerušení dodávky energie nebo při náhlém výpadku odběru tepla, odběr tepla přerušen tak rychle, že nemůže být vyvolán nebezpečný provozní stav, a to buď na straně vody, nebo při ohřevu. Jde o zvýšení teploty vody kotle nad 110 °C nebo o vytvoření výbušné směsi paliva a vzduchu ve spalovací komoře či spalinových cestách. Jedná se o soustavy s automatickými kotli. Zařízení pro samočinnou dodávku paliva u tohoto typu kotlů zajišťuje, že ve spalovací části je vždy jen tolik paliva, kolik je ho zapotřebí pro průběžné udržování momentálně požadovaného výkonu. Palivo je tedy po menších dávkách průběžně doplňováno ze zásobníku.

Přívod spalovacího vzduchu do kotle je řízen ventilátorem, jehož provoz je omezen maximální provozní teplotou kotle. Rozsah provozního termostatu je zpravidla do 90 °C a proti přetopení je navíc jištěn havarijním termostatem nastaveným na 95 °C. V případě dosažení hranice 90 °C, resp. 95 °C při poruše provozního termostatu, je okamžitě přerušena dodávka paliva i spalovacího vzduchu do kotle. Energie získaná z dohoření zbytku nevyhořelého paliva ve spalovací části, resp. energie naakumulovaná v kotli, např. v žárobetonových dílcích, je natolik malá, že nezpůsobí normou citovaný havarijní stav. Částečně odpojitelnou je dle normy ta soustava, ve které velký podíl tepelného výkonu může být částečně přerušen činností řídících a bezpečnostních přístrojů, aniž by byl vyvolán nebezpečný stav na straně ohřevu.

Přívod spalovacího vzduchu je řízen ventilátorem, ale palivo je do spalovací nebo přikládací komory kotle dodáváno ručně, např. u tzv. zplynovacích kotlů. Činnost ventilátoru je omezena provozním, resp. havarijním termostatem. V případě "odstavení" kotle při teplotě vody 95 °C je sice zamezeno přístupu spalovacího vzduchu a je tak značně snížen jeho výkon, ale v násypce kotle může být rozhořeno ještě takové množství paliva, že může nastat přetopení kotle nad 110 °C. Neodpojitelnou soustavou je pak soustava s kotlem, do kterého je spalovací vzduch přiváděn přirozeným tahem a jeho dodávka, a tedy i výkon kotle, je řízena běžným termostatickým regulátorem, tedy např. soustava s klasickým prohořívacím litinovým kotlem.

1.5 Zařízení pro odvod přebytečného tepla

Kotle s ruční dodávkou paliva v případě přehřátí musí mít k dispozici vhodné prostředky ochrany k udržení provozních parametrů, zejména musí být zajištěno, aby v okamžiku přehřátí bylo k dispozici vhodné zařízení umožňující bezpečný odvod zbytkového tepla po odstavení. Dle ČSN EN 303-5 je zařízením pro odvádění přebytečného tepla pojistný výměník tepla nebo jiné zařízení pro odvod přebytečného tepla, které musí zajistit, aby nebyla překročena nejvyšší teplota vody v kotli 110 °C. K tomu je možné použít typově vyzkoušenou tepelnou ochranu vytvořenou spínáním s vestavěným výměníkem tepla, zásobníkovým nebo průtokovým, a to pomocí termostatického ventilu. Výměník musí být konstruován a vestavěn tak, že teplo může být odváděno bez doplňujících přídavných zařízení a vnější energie. Tyto výměníky nemohou být použity jako provozní ohřívače TV, ale pouze jako pojistné pro případ přehřátí kotle.

Dále norma stanoví, že pojistný výměník tepla není požadován v případě, že provoz kotle v otopné soustavě je zabezpečen fyzikálně, např. otevřenou otopnou soustavou, a u rychle odpojitelných uzavřených soustav. Naopak požadován je u kotlů instalovaných do částečně odpojitelných a neodpojitelných uzavřených otopných soustav. Takže kotel s ruční dodávkou paliva v otopné soustavě s tlakovou expanzní nádobou musí být opatřen funkčním pojistným výměníkem, který nesmí sloužit pro ohřev TV a na vstupu chladící vody do výměníku musí být zapojen termostatický ventil, tedy celé zařízení musí pracovat zcela nezávisle na dodávce elektrické energie. Výrobce v návodu pro montáž musí přesně popsat instalaci a použití celého pojistného zařízení, tj. instalaci, uvedení do provozu, údržbu a kontrolu prováděné uživatelem, včetně přesné specifikace mezních hodnot, při kterých může toto zařízení bezpečně plnit svoji funkci. Musí být tedy uvedeny mezní hodnoty tlaku a teploty chladící vody.

1.6 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. 2. Pro jednotlivé třídy pak musí být zjištěné účinnosti vyšší než:

- 3. třída	η = 67 + 6 log Q,
- 2. třída	η = 57 + 6 log Q,
- 1. třída	η = 47 + 6 log Q,

kde Q je jmenovitý tepelný výkon (kW).

Dodávka paliva	Jmenovitý tepelný výkon (kW)	Mezní hodnoty emisí (mg/m3) při 10 % O2
		CO			THC			Prach
		třída			třída			třída
		1	2	3	1	2	3	1	2	3
ruční	<50 >50 až 150 >150 až 300	25000 12500 12500	8000 5000 2000	5000 2500 1200	2000 1500 1500	300 200 200	150 100 100	180 180 180	150 150 150	125 125 125
samočinná	< 50 >50 až 150 >150 až 300	15000 12500 12500	5000 4500 2000	3000 2500 1200	1750 1250 1250	200 150 150	100 80 80	180 180 180	150 150 150	125 125 125

Tab. 2 Zařazení do tříd dle mezních hodnot emisí dle ČSN EN 303-5

1.7 Nejrozšířenější typy kotlů a vhodnost jejich použití

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

Litinové kotle patří mezi nejlevnější a nejrozšířenější. Převážně se jedná o kotle s ruční dodávkou paliva s prohořívacím způsobem spalování. Spaliny procházejí celou vrstvou paliva a to postupně v násypce prohořívá celé. Výkon se dá regulovat prakticky pouze výškou, tj. množstvím paliva v násypce a regulací sání spalovacího vzduchu. Vzhledem k velkému množství žhavého paliva je však možnost regulace značně omezena. Tyto kotle byly původně konstruovány pro spalování koksu a vhodné jsou pouze pro paliva s nízkým obsahem prchavých látek, jako je koks, černé uhlí, respektive velké kusové dřevo, které uvolňuje prchavé látky postupně a dlouho nahořívá. V žádném případě nejsou vhodné pro spalování hnědého uhlí. Toto palivo rychle nahořívá v celé vrstvě, rychle uvolňuje prchavé látky, které nestačí v kotli vyhořet. Vedle účinnosti na hranici 50 % se to projevuje především velice tmavým kouřem, který vychází po značnou část topení z komína. Nevyžadují odtahový ventilátor, naopak jsou díky nízké tlakové ztrátě na straně spalin vhodné tam, kde je komín s malým tahem od 15 mbar. Při volbě komína je nutné počítat s tím, že teplota spalin se dlouhodobě pohybuje v oblasti 300 až 400 °C. Nízká cena je vykoupena nízkou účinností, která se reálně pohybuje na hranici 65 % u koksu a 60 % u černého uhlí. Tyto kotle se emisně řadí převážně do 1. třídy, v případě spalování koksu lze uvažovat o třídě 2.

Ocelové kotle s ruční dodávkou paliva jsou převážně kotle odhořívací s posuvným roštem. Palivo odhořívá ve spodní části násypky a spaliny jsou odváděny do výměníku mimo vrstvu paliva v násypce, což umožňuje spalování hnědého uhlí a drobnějšího kusového dřeva a dřevního odpadu a briket. Vzhledem k tomu, že nenahořívá celá vrstva paliva v násypce, lze tyto kotle snáze řídit regulací tahu přisáváním primárního a sekundárního vzduchu. Vzhledem k větší tlakové ztrátě na straně spalin vyžadují komín s tahem větším než 25 mbar. Tyto kotle také nevyžadují odtahový ventilátor a patří také do kategorie nejlevnějších kotlů s nároky na poměrně častou obsluhu. Reálná účinnost kotlů se pohybuje na hranici 65 %. Emisně tyto kotle dosahují zařazení maximálně do 2.třídy.

Ocelové kotle speciální, tzv. zplynovací, jsou kotle odhořívací převážně s odtahovým ventilátorem s poměrně vysokou účinností spalování. Konstruovány jsou především na kusové dřevo a brikety o vlhkosti do 20 %, existují však také kotle pro kombinované spalování uhlí (kostka) a dřeva. Jejich cena je o 1/3 vyšší než u obyčejných kotlů a jejich reálná účinnost se pohybuje na hranici 75 %. Emisně dosahují tyto kotle běžně 2. třídy, v některých případech 3. třídy.

Automatické kotle jsou kotle se samočinnou dodávkou paliva, převážně ocelové s nuceným i přirozeným odtahem spalin. Určeny jsou především pro paliva o velikosti do 3 cm, tedy uhlí zrnitosti ořech 2 a 3 a pelet. Převládají dva základní druhy těchto kotlů. Tzv. bubnové, u kterých bubnový rošt průběžně odebírá palivo z násypky a které jsou vybaveny velkými odtahovými ventilátory. Je proto nutné počítat se speciálním komínem, který je vyvložkován jako přetlakový, který ovšem v případě špatné konstrukce může přenášet vibrace do celé budovy. Není vhodné situovat kotelnu v blízkosti ložnic.

U tzv. retortových kotlů je palivo naopak periodicky odebíráno ze zásobníku šnekovým podavačem. Princip hoření připomíná kovářskou výheň díky ventilátoru, který rozdmýchává palivo přiváděné kolenem, retortou, tzv. spodním přikládáním na rošt. Tento způsob spalování nevyžaduje odtahový ventilátor. 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.

1.8 Domovní kotelny, základní schémata zapojení kotlů na pevná paliva

Celkové rozměry kotelny jsou závislé na druhu instalovaného kotle. Kolem kotle musí být ponechán dostatečný manipulační prostor pro plnění, odpopelňování a čištění kotle. Minimální vzdálenosti, včetně vzdáleností od materiálů různé hořlavosti dle ČSN 73 0823, udávají výrobci kotlů v průvodní technické dokumentaci. Vedle nutnosti napojení kotle na chladící smyčky a na přívod vody a kanalizaci, je nutné počítat také s dostatečným přívodem vzduchu pro samotné hoření. Malé kotle s ručním přikládáním paliva si pořizují především investoři, kteří nemohou příliš investovat do zdroje tepla a celé tepelné soustavy. U těchto kotlů je proto požadováno co nejjednodušší a nejlevnější zapojení. Ale u všech typů kotlů na pevná paliva by měl být splněn alespoň základní požadavek na teplotu vratné vody, která by neměla při běžném provozu klesnout pod 50 °C, případně individuálně dle výrobce. Nejjednodušším způsobem toho lze docílit zapojením s ručně ovládaným čtyřcestným ventilem.

Obr.1 Základní schéma zapojení kotlů na pevná paliva

2. Výpočtové vztahy a podklady

Uveďme si vztahy pro základní bilanční výpočty.

Stanovení roční potřeby paliva

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

kde

E - roční potřeba tepla na vytápění a ohřev TV (GJ)
Q_i ^r - výhřevnost paliva (MJ/kg)
η - reálná roční účinnost kotle (-).

Velikost skladového prostoru

Orientační požadavek na velikost skladového prostoru (m³) lze odvodit ze vztahu

kde

m_S - sypná hmotnost hnědého uhlí (t/m³)
η_sk - objemová využitelnost skladu na uhlí (%).

Uhlí by mělo být skladováno pod přístřeškem tak, aby bylo zamezeno přímému styku s vodou. V případě, že nejsou k dispozici dostatečně velké skladové prostory, je nutné podle hodnoty dle (3) počítat s minimální periodicitu doplňování skladových zásob.

Stanovení ročního množství produkovaného popela

Orientační roční produkci popela (t) lze určit z rovnice

kde

A^d je obsah popela v sušině (%)
W_t ^r - obsah vody v původním vzorku (%).

Část popelovin se sice ve formě tuhých úletů dostane do spalin, pevné zbytky jsou však o něco navýšeny tzv. pevným nedopalem, který bývá u kotlů s pevným roštem do 1 % a u automatických kotlů do 2 %.

3. Příklad

Zadání

Na základě výpočtu je investorem pro vytápění menší provozovny a ohřev vody kotlem na uhlí požadován kotel o výkonu 27 kW, roční potřeba tepla byla stanovena na 220 GJ. Je nutné zvolit vhodný typ kotle, stanovit roční spotřebu paliva a pro odpadové hospodářství stanovit přibližnou roční produkci popela.

Řešení

Volba vhodného kotle

Na objekty určené k podnikatelským účelům se vztahuje povinnost pravidelného měření vypouštěných emisí autorizovanou osobou, v současnosti každé co 2 roky. Přísným emisním limitům vyhovují pouze kotle 3. třídy, proto je zde jednoznačná volba automatického kotle. Investor si vybral kotel retortového typu, který je vyráběn ve velikostech 24 a 42 kW. Přestože byl výpočtem stanoven kotel o jmenovitém výkonu 27 kW, volba padla na kotel menšího výkonu. Jednak jsou automatické kotle schopny krátkodobě po dobu nejnižší venkovní výpočtové teploty pracovat na maximální výkon, který je cca o 20 % vyšší než je stanovený výkon jmenovitý, jednak nepřerušovaným vytápěním lze snížit celkové ztráty objektu původně stanovené pro přerušované vytápění. Vyšší počáteční investice bude časem eliminována úsporou paliva a v neposlední řadě podstatným snížením nákladů na obsluhu.

Stanovení roční potřeby paliva a velikosti skladu

Zvolený typ kotle pracuje s reálnou roční účinností 80 % při spalování hnědého uhlí s výhřevností 18 MJ/kg. Roční potřebu paliva vypočteme dosazením do rovnice (2)

a velikost skladu dosazením do rovnice (3)

Stanovení ročního množství produkovaného popela

Pro hnědé uhlí produkované Severočeskými doly, které je doporučováno výrobci automatických kotlů s retortovými hořáky, lze stanovit orientační roční produkci popela dosazením do rovnice (4)

4. Citovaná a doporučená literatura

ČSN EN 303-5.

5. Firmy se zajímavými kotli na uhlí a koks

Agromechanika, Dakon, Ekoefekt, Ling Krnov, Varimatik.