Automatyka/elektronika w systemach ogrzewania, część 1 - Paliwa stałe i spalanie

Zaczniemy od kotłów (potocznie nazywanych piecami) na paliwo stałe, ale szereg dotyczących ich informacji będą mogli wykorzystać również posiadacze kotłów zasilanych skroplonym gazem, olejem oraz ogrzewający domy za pomocą pomp ciepła czy elektrycznie.

Kotły na paliwo stałe - podstawowe informacje

Kotły na paliwo stałe są najczęściej stosowanymi rodzajami kotłów w budynkach indywidualnych w przypadku, gdy nie ma możliwości podłączenia ich do instalacji gazowej. Paliwem w kotłach na paliwo stałe jest drewno lub produkty z niego wytwarzane (pellet), węgiel kamienny oraz znacznie rzadziej węgiel brunatny. Podstawowym parametrem każdego paliwa jest jego wartość opałowa. Wartość opałowa to ilość energii wydzielanej podczas spalenia jednostki masy lub objętości paliwa przy założeniu jego całkowitego spalenia, oziębienia spalin do temperatury paliwa i braku skroplenia pary wodnej zawartej w produktach spalania paliwa. Wartość opałową wyraża się najczęściej w MJ/kg lub jednostce pokrewnej kJ/kg oraz rzadziej w kWh/kg.

Przejście między poszczególnymi jednostkami jest bardzo proste: MJ/kg jest jednostką 1000 razy większą niż kJ/kg. Aby natomiast zamienić MJ/ kg na kWh/kg, należy MJ/kg podzielić przez 3,6, a kJ/kg przez 3600. Szczególnie intuicyjną jest jednostka kWh/kg, np. wartość opałowa 5kWh/kg mówi nam, że z 1kg paliwa otrzymamy 5kW ciepła przez 1h przy założeniu całkowitego spalenia paliwa, braku kondensacji pary wodnej i gdy temperatura spalin będzie miała temperaturę paliwa. Zestawienie wartości opałowej najpopularniejszych paliw znajduje się w tabeli 1.

Tabela 1

Paliwo do kotła - drewno i jego pochodne

Świeżo ścięte drewno składa się w dużej części z wody. Woda zawarta w drewnie obniża jego wartość opałową. Część energii wytwarzanej w procesie spalania musi zostać zużyta na zamianę wody zawartej w drewnie w parę wodną, energia ta jest bezpowrotnie tracona podczas spalania. Jest to energia przemiany fazowej ciecz-para wodna. Energia ta może być odzyskana w tzw. kotłach kondensacyjnych, w których zachodzi proces odzyskiwania energii parowania przez skraplanie pary wodnej, a powstała woda usuwana jest do instalacji ściekowej. Niestety, to interesujące rozwiązanie stosuje się praktycznie wyłącznie w kotłach gazowych. Paliwa inne niż gaz mają znacznie bardziej złożony skład chemiczny i zawierają szereg substancji, których produkty spalania mają silne działanie korozyjne, co bardzo utrudnia ich wykorzystanie w układach kondensacyjnych.

Przy okazji mała dygresja: niezorientowanych dziwi, że (gazowe) kotły kondensacyjne zwykle mają sprawność powyżej 100%. Nie jest to żadne oszustwo: wróć do podanej wcześniej definicji ciepła spalania i z uwagą ją przeanalizuj. W kotłach kondensacyjnych uzyskiwana ilość ciepła jest większa, ponieważ dodatkowo zostaje odzyskana energia zawarta w parze wodnej poprzez jej skroplenie.

Wracamy do głównego wątku: w przypadku drewna jego wartość opałową zwiększa się, sezonując drewno w przewiewnych pomieszczeniach zabezpieczonych przed działaniem deszczu np. za pomocą zadaszenia. Proces sezonowania powoduje zmniejszenie zawartości wody w drewnie. Wymagana długość okresu sezonowania zależy od gatunku drewna i może sięgać nawet trzy lata. W przypadku dębu warto pozostawić go bez przykrycia na dwa lata i wystawić na działanie deszczu, a dopiero później podać sezonowaniu – suszyć go pod zadaszeniem. Taki sposób przygotowania drewna dębowego powoduje zmniejszenie zawartości w nim garbników, które działają korozyjnie na części kotła. Garbniki te są wypłukiwane przez wodę deszczową. Stosowanie suchego drewna zwiększa trwałość kotła.

Dużą zaletą drewna jako paliwa jest mała zawartość popiołu powodująca, że odstępy między czyszczeniami paleniska mogą być długie. Popiół z drewna może być użyty jako doskonały nawóz do ogródka, dodatkowo wykazuje on działanie odkwaszające glebę.

Fot.1 Spiek

A teraz sprawy podstawowe, nie dla wszystkich oczywiste: proces spalania drewna jest skomplikowany. W pierwszym etapie następuje pod wpływem wysokiej temperatury rozkład substancji zawartych w drewnie, w wyniku czego powstaje szereg łatwopalnych substancji lotnych, które spalają się, wytwarzając ciepło. Niektóre z powstałych substancji przy rozkładzie termicznym drewna są szkodliwe, a wskutek niecałkowitego spalania nie zostają wykorzystane, tylko dostają się do atmosfery. Niecałkowite spalanie powoduje więc nie tylko wymierne straty finansowe, ale i zwiększa zanieczyszczenie środowiska.

Dla wielu osób może być zaskoczeniem fakt, że w wyniku spalania drewna szacunkowo aż około 80% jego masy zmienia się w substancje lotne. Dopiero w ostatniej fazie palenia spalają się produkty stałe. Produktami idealnego spalania drewna są dwutlenek węgla i woda (para wodna), a więc substancje całkowicie bezpieczne, a do tego male ilości popiołu.

Oprócz klasycznych kawałków drewna, dość często wykorzystywany jest pellet (pelet). Pellet wytwarza się w wyniku obróbki termicznej wiórków drewnianych, które pod wpływem wysokiej temperatury i ciśnienia sklejają się ze sobą do postaci wałków o średnicy zwykle 6 (rzadziej 8mm). Do produkcji pelletu nie używa się żadnych klejów. Zaletą pelletu jest możliwość stosowania go w kotłach z automatycznym podajnikiem. Wartość opałowa pelletu jest większa niż typowego drewna opałowego ze względu na niską zawartość wody.

Aby uniknąć wtórnego zawilgocenia, pellet aż do momentu załadowania go do zasobnika paliwa należy przechowywać w nieuszkodzonych workach, w których został dostarczony. Ważnym parametrem pelletu jest zawartość w nim zanieczyszczeń mineralnych. W przypadku pelletu zawierającego większą zawartość substancji mineralnych mogą powstawać w palenisku spieki, które zaburzają proces spalania – fotografia 1. W przypadku stosowania pelletu gorszej jakości warto wybrać palnik z mechanicznym czyszczeniem paleniska lub dobrać indywidualnie nastawy czyszczenia. Dużą zaletą pelletu jest łatwość utrzymania czystości w kotłowni, szczególnie jeśli porównamy go z węglem. Porównanie wartości opałowych różnych gatunków drewna powietrznie suchego (suszonego na zewnątrz budynku pod zadaszeniem) zawarto w tabeli 2 (gdzie skrót m.p. to tzw. metr przestrzenny, a nie m³).

Tabela 2

Porównując dane w tabeli 2, trzeba też zwrócić uwagę na różne gęstości drewna (gęstość brzozy jest dużo mniejsza niż dębu). Z tabeli 2 widać, że najlepszym wyborem jest grab. Istotną wadą drewna iglastego jest duża zawartość substancji lotnych, często niezbyt dokładnie się dopalających. Drewno kupujemy na metry przestrzenne (równo poukładany stos 1m x 1m x 1m). Kupując drewno na metry przestrzenne, należy zwrócić uwagę na to, by sprzedawca je starannie ułożył, a nie ładował „jak leci”, luki pomiędzy poszczególnymi odcinkami drewna są wtedy mniejsze. Kupując drewno trzeba zwrócić uwagę, by było pocięte na kawałki o odpowiedniej długości umożliwiające łatwe wsadzanie ich do kotła.

Węgiel brunatny - paliwo do kotła

Węgiel brunatny spala się głównie w wielkich kotłach energetycznych ze względu na wiele jego cech utrudniających transport i spalanie ich w małych kotłach domowych. Pewnym wyjątkiem jest tzw. czeski ekogroszek, będący węglem brunatnym o granulacji i parametrach fizycznych umożliwiającej spalanie go w kotłach z podajnikiem automatycznym. Jest to jednak paliwo stosunkowo rzadko występujące na naszym rynku, znacznie częściej można je kupić przy granicy czeskiej. Na terenie Czech znajdują się złoża umożliwiające produkcję z węgla brunatnego paliwa nadającego się do kotłów z podajnikiem automatycznym. Paliwo to ma jednak mniejszą kaloryczność, większą zawartość wilgoci i popiołu w porównaniu do węgla kamiennego.

Węgiel kamienny - paliwo do kotła

Węgiel kamienny charakteryzuje się większą wartością opałową niż drewno. Wartość opałowa węgla kamiennego zależy od parametrów złoża, z którego zostało ono wydobyte. Węgiel kamienny jest złożoną mieszaniną węglowodorów stałych. Zawartość (pierwiastka C) węgla w węglu kamiennym wynosi od 75 do 97%. Węgiel kamienny zawiera znacznie więcej popiołu niż drewno, co powoduje konieczność częstszego czyszczenia kotła. Popiół z węgla nie może być użyty jako nawóz ze względu na większą niż w popiele drzewnym zawartość metali ciężkich.

Kupując węgiel, warto brać go zawsze z tej samej kopalni oraz sprawdzić zgodność z parametrami wcześniej zakupionego węgla ze względu na dużą jego zmienność. Ważne jest, by miał on możliwie niską zawartość siarki. Podczas spalania siarki w obecności wilgoci, a ta występuje w przypadku spalania zawsze, powstają substancje powodujące korozję nie tylko metali, ale i elementów ceramicznych, z których zbudowany jest komin.

Kupując węgiel, należy zwrócić uwagę, by był on suchy. Tak jak w przypadku drewna zawartość wody w węglu powoduje obniżenie jego wartości opałowej i powoduje przyśpieszoną korozję elementów kotła. Autor spotykał węgiel workowany do kotłów z podajnikiem automatycznym, który w zimie tworzył jedną wielką bryłę sklejoną zamarzniętą wodą. Sprzedawców oferujących taki węgiel należy omijać. W przypadku gdy już „uda” się nam kupić taki węgiel, należy worki z nim otworzyć w suchym pomieszczeniu aż do jego wyschnięcia.

Optymalna granulacja węgla zależy od rodzaju użytego kotła. W przypadku kotłów z podajnikiem automatycznym stosuje się węgle do kotłów z podajnikiem automatycznym, tzw. ekogroszki. W przypadku kotłów zasypowych stosuje się granulacje od miału aż po kilkunastocentymetrowe kawałki.

Węgiel kamienny jest paliwem znacznie trudniejszym do prawidłowego spalania niż drewno. Tak samo jak w przypadku drewna, podczas spalania większości gatunków węgla powstaje dużo substancji lotnych. Najważniejszą przyczyną utrudniającą spalanie węgla jest jego tendencja do tworzenia spieków, powodująca spiekanie/ sklejanie się drobnych ziaren węgla w większe kawałki pod wpływem ciepła. Tak połączone kawałki węgla nie dopalają się całkowicie, co zwiększa koszty ogrzewania.

Zdolność do spiekania węgla oznaczana jest indeksem Rogi. Im węgiel ma niższy indeks Rogi, tym bardziej jest on odporny na spiekanie. Węgle stosowane w paleniskach zwykłych kotłów nie powinny mieć indeksu Rogi większego niż 20. Węgle o liczbie Rogi poniżej 50 można spalać w nowoczesnych palnikach węglowych. Podsumowując: im mniejszy indeks Rogi ma węgiel, tym mniej problemów nam przysporzy podczas spalania.

Drugim rodzajem spieków są spieki powstałe przez stopienie popiołu powstałego w procesie spalania węgla, tzw. spieki żużlowe. Ilość spieków żużlowych, które powstaną, zależy od rodzaju węgla oraz temperatury paleniska. Im większa temperatura, tym popiół łatwiej się spieka. Na spieki tego typu mają duży wpływ nastawy regulatora i ilość powietrza dostarczanego do paleniska. Im większy nadmiar powietrza, tym wyższa temperatura i łatwiej powstają spieki tego typu. Spieki żużlowe zaburzają proces spalania paliwa. Odpowiednia konstrukcja palnika pozwala usuwać je z niego możliwie szybko.

W przypadku kotłów węglowych z podajnikiem automatycznym, które pracują niewygaszone przez wiele miesięcy i do podtrzymania ognia używają niewielkiej ilości paliwa, ważne jest, by zastosowany węgiel łatwo sam nie gasł, nie wymagał częstego podawania kolejnych dawek paliwa ani zbyt intensywnego, długotrwałego nadmuchu, co zmniejsza zużycie paliwa w trybie podtrzymania. Jest to szczególnie ważne w okresie, gdy zużycie węgla jest niskie, a więc np. wiosną, jesienią i latem.

Takie właściwości mają na ogół węgle o niższej wartości opałowej. Węgle takie mają z kolei pewną przykrą cechę: łatwiej w ich wypadku dochodzi do cofnięcia się płomienia w palniku. Widoczne jest to szczególnie przy nieumiejętnym dobraniu nastaw regulatora. Stosuje się sposoby „elektroniczne” zabezpieczające przed cofnięciem płomienia, np. wypychanie paliwa z podajnika w przypadku wykrycia zbyt silnego wzrostu temperatury podajnika, albo tzw. strażak – zasobnik z wodą z korkiem parafinowym, który ulega stopieniu w wysokiej temperaturze, a wtedy palenisko zalewa woda.

Zainteresowani wiele wartościowych informacji o węglu, jego odmianach i parametrach, znajdą pod adresem: http://czysteogrzewanie.pl/opal/kup-pan-wegiel-tani-czy-dobry/.

Jak ilość tlenu wpływa na proces spalania w kotle?

Niezależnie od rodzaju paliwa, do procesu spalania potrzebny jest tlen. Ilość tlenu, jaka jest potrzebna, zależy od rodzaju paliwa, mocy, na jakiej kocioł pracuje oraz od konstrukcji palnika (paleniska). Ilość tlenu dostarczanego do paleniska reguluje się przez zmianę prędkości obrotowej wentylatora, rzadziej za pomocą przepustnic lub łącząc przepustnicę i wentylator, przy czym na wielkość nastaw wpływają, oprócz wspomnianych wcześniej czynników, przekrój komina czy nawet siła wiatru. Wpływowi siły wiatru zapobiega się, stosując mechaniczne ograniczniki ciągu kominowego. Nie jest możliwe podanie optymalnych nastaw wentylatora dla danego kotła bez przeprowadzenia jego badań.

Ilość tlenu dostarczanego do spalania nie może być za mała, gdyż wtedy paliwo nie spala się całkowicie, a szkodliwe substancje lotne powstałe podczas rozkładu termicznego paliwa dostają się do atmosfery, co powoduje zwiększenie skażenia środowiska i zwiększenie zużycia paliwa. Ale zbyt silny nadmuch, czyli zbyt dużo powietrza powoduje pogorszenie sprawności kotła. Ciepło nie jest odzyskiwane ze spalin, ale bezpowrotnie tracone przez komin. W przypadku węgla kamiennego zbyt silny nadmuch powoduje dodatkowo powstawanie spieków żużlowych. W przypadku nowoczesnych palników pelletowych, dzięki stosunkowo dużej „czystości” spalin z takiego paliwa, często stosuje się sondę lambda. Zastosowanie sondy lambda pozwala pracować palnikowi zawsze z optymalnym nadmuchem, uniezależniając proces spalania od wpływu czynników zewnętrznych.

Rys.2 Przykładowe optymalne wartości stężenia tlenu w funkcji mocy kotła

Regułą jest, że im palnik pracuje na niższej mocy, tym większego nadmiaru tlenu potrzebuje on do całkowitego spalania paliwa. Oczywiście nie oznacza to konieczności stosowania większego nadmuchu na niższych mocach palnika, a jedynie większe stężenie tlenu w spalinach. Przykładowe optymalne wartości stężenia tlenu w funkcji mocy kotła dla jednego z testowanych palników pokazano na rysunku 2.

Tyle informacji wstępnych. W następnym odcinku omówimy rodzaje kotłów oraz przedstawimy ich krótką charakterystykę.

Na zakończenie tego odcinka autor dziękuje Markowi Malesińskiemu i Sebastianowi Matejczukowi za cenne uwagi.