Princíp kotlov na spaľovanie drevnej štiepky

Vykurovanie drevnou štiepkou predstavuje ekologickú a cenovo výhodnú alternatívu k tradičným metódam vykurovania. Kotly na drevnú štiepku, pelety či kusové drevo využívajú obnoviteľné zdroje energie, čím prispievajú k ochrane životného prostredia a zároveň môžu znižovať náklady na vykurovanie.

Čo je biomasa a ako fungujú kotly na biomasu?

Pod pojmom biomasa rozumieme drevo v rôznych formách - ako kusové drevo (polená), drevný odpad (napr. drevná štiepka, piliny, hobliny) alebo z tohto odpadu vyrobené tzv. ušľachtilé palivo, akým sú drevené brikety či pelety. Do biomasy spadajú aj rýchlorastúce energetické rastliny.

Kotol na biomasu spaľuje tieto prírodné palivá a premieňa ich na teplo, ktoré sa následne využíva na ohrev vody vo vykurovacom systéme. Ide o efektívny a ekologický spôsob vykurovania domácností.

Typy paliva pre kotly na biomasu

Typ paliva závisí od konkrétneho typu kotla, no najčastejšie sa využívajú:

• Drevené pelety
• Drevná štiepka
• Lisované brikety
• Kusové drevo

Kvalita a typ paliva významne ovplyvňujú výkon kotla aj jeho životnosť.

Ekologické aspekty vykurovania biomasou

Kotly na biomasu sú ekologické riešenie. Biomasa je obnoviteľný zdroj energie a jej spaľovanie je uhlíkovo neutrálne. To znamená, že emisie CO₂, ktoré vznikajú pri spaľovaní, sú vyrovnané množstvom CO₂, ktoré rastliny absorbovali počas svojho rastu. Vykurovanie drevom sa preto považuje za klimaticky neutrálne. Na rozdiel od fosílnych palív - uhlia, ropy a zemného plynu - je spaľovanie čerstvej (nefosílnej) biomasy z hľadiska emisií oxidu uhličitého (hlavného skleníkového plynu) v meniacej sa klíme takmer neutrálne.

Množstvo uhlíka vo forme oxidu uhličitého, ktorý vzniká spaľovaním nefosílnej biomasy, sa totiž rovná množstvu uhlíka, ktoré rastliny počas svojho života "stiahli" z atmosféry prostredníctvom fotosyntézy. Túto neutrálnu uhlíkovú bilanciu však čiastočne negatívne ovplyvňuje množstvo energie spotrebovanej na ťažbu, dopravu a spracovávanie nefosílnej biomasy predtým, než sa spáli.

Princíp spaľovania biomasy

Spaľovanie je chemický proces rýchlej oxidácie (reakcia horľavých zložiek paliva s kyslíkom), pri ktorom sa uvoľňuje teplo. Horľavé časti biomasy (celulóza, polyóza a lignín) oxidujú na oxid uhličitý a vodnú paru a slnečná energia, nahromadená v biomase počas fotosyntézy, sa pri horení mení na teplo. Spaľovanie je najstaršia známa forma premeny organických palív na tepelnú energiu.

Pri zahrievaní dreva pri počiatočnej teplote do 150 °C sa najprv z neho odparuje voda. Potom sa dodávaným teplom pri teplote 150 - 600 °C z dreva uvoľňuje plyn. Drevo je špecifické tým, že medzi tuhými palivami obsahuje najvyšší podiel pyrolýzou uvoľňovaných plynných látok (75 - 85 %), ktoré nehoria na rošte, ale medzi roštom a komínom. Po dosiahnutí zápalnej teploty (do 1400 °C) a pri dostatočnom prísune kyslíka dochádza k vznieteniu tohto plynu (tzv. sekundárne spaľovanie) a následnému uvoľňovaniu tepla.

Zvyšok dreva a najmä uhlík ostáva v pevnej forme na rošte, povrchovo sa okysličuje na oxid uhoľnatý (CO) a pri dodaní ďalšieho kyslíka oxiduje na oxid uhličitý (CO2), pričom ako odpad vzniká popol. Pri rovnomernom dodávaní paliva a dostatočnom prívode kyslíka prebiehajú všetky fázy spaľovacieho procesu súčasne a teplo sa vytvára rovnomerne. Aby bolo spaľovanie účinné, je potrebné zabezpečiť dostatočne vysokú teplotu, dostatočný prístup vzduchu a dostatok času na úplné spálenie paliva. Ak pri horení nie je zabezpečený prívod dostatočného množstva vzduchu, horenie je neúplné a vznikajúci dym je čierny, zapácha a obsahuje decht, ktorý sa usadzuje v komíne a môže sa vznietiť.

Hoci je priame spaľovanie najrozšírenejšia forma využitia energie biomasy, nie vždy je to proces účinný. Návrh spaľovacieho zariadenia s dobrou účinnosťou si vyžaduje pochopenie celého spaľovacieho procesu.

Typy kotlov na biomasu a ich fungovanie

Za posledných desať rokov sa podstatne zvýšila účinnosť spaľovania paliva v spaľovacích zariadeniach na tuhé palivá. Konštrukčný vývoj zdrojov tepla a princíp procesu spaľovania palív na báze dreva výrazne ovplyvnilo aj sprísnenie požiadaviek na emisie. Zlepšili sa najmä stavba a tvar spaľovacej komory, dodávka vzduchu a automatická regulácia spaľovania.

Kotly s prehorievaním paliva

Najjednoduchšie kotly na drevo sú tzv. prehorievacie kotly. Sú usporiadané tak, že vzduch vniká zospodu kotla a prechádza hore cez palivo. V takom prípade drevo prehorieva veľmi rýchlo a horľavé plyny nezhoria úplne, pretože teplota kotla je relatívne nízka. Väčšina plynov uniká do komína a spolu s ňou aj užitočná energia. Tieto kotly sa zväčša nehodia na spaľovanie dreva, ich účinnosť je nízka - približne 50 %.

Kotly so spodným horením paliva

Kotly so spodným horením sa líšia od kotlov s prehorievaním paliva. Vzduch sa totiž neprivádza naraz k celému objemu paliva, ale len k jeho časti, pričom horí len spodná vrstva dreva. Zvyšok dreva sa vysušuje a pomaly sa z neho uvoľňujú plyny. Pridaním dodatočného vzduchu priamo do plameňa nastáva horenie plynov. V moderných kotloch tohto typu je spaľovacia komora z keramiky, ktorá je dobrým izolátorom a udržuje teplo vnútri komory. Tým sa dosahuje vysoká teplota spaľovania a účinnejšie horenie. Bežná účinnosť týchto kotlov je asi 65 až 75 %.

Drevosplyňovacie kotly (kotly so splyňovaním dreva)

Tento typ kotla funguje na princípe generátorového splyňovania pevného paliva, obvykle dreva, pri vysokej teplote (cca 1 000 °C). Pevné palivo sa mení na plynné, ktoré sa následne spaľuje v horáku s núteným obehom vzduchu. Horenie je dvojfázové:

1. Primárne spaľovanie (splyňovanie): V primárnej spaľovacej komore dochádza k uvoľňovaniu plynných horľavých zložiek z dreva (tzv. pyrolytická destilácia).
2. Sekundárne spaľovanie: Vzniknuté drevné plyny sa nasávajú do horáka sekundárnej spaľovacej komory, kde optimálne prehoria pri vysokej teplote s primiešaným sekundárnym vzduchom (ktorý sa zvyčajne predohrieva).

Tento systém spaľovania je ekonomickejší ako klasické horenie pevného paliva, pričom úspora paliva dosahuje rádovo 40 %. Drevosplyňovacie kotly sa vyznačujú nízkou emisiou spalín a vysokou účinnosťou, ktorá môže dosiahnuť až 90 %. Nižšia tvorba popola znamená aj menšie nároky na údržbu. Spaľovací priestor vrátane dýzy sa vyrába zo žiaruvzdorných keramických materiálov.

Reguláciu kotla zabezpečuje elektronický regulátor podľa jeho prevádzkovej teploty a potrebnej teploty vo vykurovaných priestoroch. Výkon kotla možno plynulo regulovať od 40 % do 100 %. Obsah násypky dreva stačí minimálne na 8 až 12 hodín prevádzky pri strednom výkone. Väčšina splyňovacích kotlov umožňuje prevádzku v tzv. „tepelnej rezerve”, keď kotol vydrží v útlme až 24 hodín bez zásahu obsluhy. Popol sa odstraňuje približne raz za 3 až 5 dní.

Kotly na drevené pelety

Kotly na spaľovanie drevných peliet sa vyznačujú vysokou účinnosťou (okolo 94 %) a predovšetkým komfortnou prevádzkou. Zásobníky paliva stačí doplniť raz denne alebo raz za niekoľko dní, v závislosti od ich veľkosti a potreby tepla.

Proces fungovania je nasledujúci: Po vzniku potreby vykurovania alebo na základe pokynu z termostatu sa aktivuje dopravník. Dopravník nasype peletky do horáka. Horák zapáli peletky a po dostatočnom rozhorení dosiahne požadovaný výkon. Kotol pracuje, kým nie je dosiahnutá nastavená teplota v referenčnej miestnosti alebo na kotlovom termostate. Po vypnutí horáka peletky dohoria a spaľovanie sa utlmí.

Zásobníky na pelety môžu mať objem od 100 litrov až do 1 000 litrov, no peletky je možné skladovať aj vo veľkokapacitných silách, čo umožňuje využiť fúkanie paliva priamo z autocisterny. V niektorých prípadoch môže palivo vystačiť aj na celú vykurovaciu sezónu. Údržba kotla (čistenie spaľovacej komory a vyberanie popola) sa vykonáva raz za 1 až 30 dní.

Kotly na drevnú štiepku

Kotly na drevnú štiepku dosahujú účinnosť okolo 92 %. Drevná štiepka sa skladuje v silách alebo samostatných miestnostiach pri kotle, kde ju zhŕňa miešadlo do závitovkového podávača. Bezpečnostný dávkovač paliva pred kotlom chráni pred spätným vznietením a dávkuje štiepku priamo na rošt spaľovacej komory. Mnohé kotly sú vybavené otočným roštom, ktorý automaticky odstraňuje popol, kamene a klince.

Výhody kotlov na štiepku:

• Ekonomická výhodnosť: Patria medzi najekonomickejšie spôsoby vykurovania.
• Ekologické hľadiská: Štiepka je obnoviteľný zdroj energie.
• Nezávislosť od dodávateľov energie: Nemusíte sa spoliehať na dodávky plynu alebo elektriny.
• Dlhá životnosť: Sú to jedny z najtrvanlivejších typov kotlov.

Kotly na štiepky sú obvykle vyrobené z ocele alebo liatiny a majú rôzne veľkosti a výkony. Vstavaný tepelný výmenník umožňuje prenos tepla do vykurovacieho systému. S výnimkou dopravných systémov paliva funguje zariadenie na spaľovanie štiepky podobne ako kotol na pelety. Najdôležitejší rozdiel: Tieto vykurovacie systémy spaľujú nie pelety, ale štiepku, ktorá je cenovo výhodnejšia a vyžaduje si viac priestoru na skladovanie.

Drevná štiepka ako palivo: Vlastnosti a skladovanie

Drevná štiepka pochádza najmä zo zvyškov lesného hospodárstva a drevospracujúceho priemyslu, ktoré sa nedajú použiť inde. Inými slovami, sú odpadom, čo znamená, že sú oveľa lacnejšie ako iné palivá. Pri jej spaľovaní sa uvoľňuje len také množstvo CO₂, aké stromy absorbovali počas rastu, čo zabezpečuje jej klimatickú neutralitu. Pre spaľovanie sa môže využiť akákoľvek drevná hmota, špeciálne pestovaná ako energetická rastlina alebo drevný odpad. Najčastejšie sa používa štiepka o veľkosti 7 - 25 mm.

Vplyv vlhkosti na výhrevnosť a koróziu

Štiepkovaním sa spracováva aj čerstvý drevný odpad, ktorý môže obsahovať 30 až 65 % vody. Vlhká štiepka by mala byť pred použitím vysušená, pretože:

• Nevhodné skladovanie mokrej štiepky môže viesť k rozkladným procesom a samovznieteniu.
• Výhrevnosť mokrej štiepky môže byť o 30-50 % nižšia ako výhrevnosť suchej štiepky.
• Použitie štiepky s vlhkosťou nad 20 % môže spôsobiť nadmernú koróziu kotla.

Výhrevnosť drevnej štiepky klesá s rastúcou vlhkosťou:

• Pri 50 % vlhkosti: cca 8.1 MJ/kg
• Pri 40 % vlhkosti: cca 10.1 MJ/kg
• Pri 30 % vlhkosti: cca 12 MJ/kg

Optimálna vlhkosť pre spaľovanie štiepok je 30 - 35 %. Pri nižšej vlhkosti má horenie explozívny charakter a mnoho energie uniká s dymovými plynmi. Pri vyššej vlhkosti sa veľa energie spotrebuje na vyparenie vody a spaľovanie je nedokonalé.

Merná hmotnosť nevysušenej sypanej štiepky z vetví je približne 133 kg/m³, z kmeňov 243 kg/m³.

Automatizácia a priestorové nároky pri skladovaní

Vďaka svojej veľkosti umožňuje drevná štiepka automatizáciu vykurovacieho systému. Šnekový dopravník alebo vákuový systém dopravuje štiepku zo skladu do kotla. Pre efektívnu prevádzku by mal kotol pracovať čo najbližšie k svojmu menovitému vykurovaciemu výkonu. Na zabezpečenie efektívneho využitia tepla v teplejších obdobiach sa často používa akumulačný zásobník, ktorý uchováva nadbytočné teplo na neskoršie využitie.

Vykurovacie systémy na drevnú štiepku vyžadujú určitý priestor na uskladnenie štiepky a na samotný zásobovací systém. Skladovanie je možné v podzemných zásobníkoch, silách alebo špeciálne zariadených skladovacích priestoroch. Zvyšky spaľovania sa odvádzajú do popolníka, pričom aj tento proces prebieha úplne automaticky.

Optimalizácia a riadenie spaľovacieho procesu

Kvalita spaľovania drevnej štiepky úzko súvisí s množstvom spaľovacieho vzduchu privádzaného do spaľovacieho procesu. V prípade privedenia väčšieho množstva spaľovacieho vzduchu dochádza k energetickým stratám (tzv. komínová strata). Pri privedení menšieho množstva vzduchu, ako je optimálne, dochádza k nedokonalému spaľovaniu, pričom spalinami odchádza časť horľavých látok. Tieto predstavujú najmä oxid uhoľnatý (CO) a uhľovodíky z prchavých látok dreva. Horľavé látky odchádzajúce v spalinách jednak spôsobujú straty z hľadiska energetického využitia paliva, jednak sú látkami znečisťujúcimi ovzdušie. Neriadené alebo nesprávne riadené spaľovanie drevnej štiepky môže mať na životné prostredie (hlavne na lokálne ovzdušie) negatívny dopad.

Algoritmy riadenia spaľovacieho procesu

S cieľom zabezpečiť spaľovanie blížiace sa optimálnemu, t.j. dosiahnutie dokonalého spaľovania s minimálnym prebytkom vzduchu, boli do riadiacich systémov kotlov na drevnú štiepku stredných výkonov implementované nové algoritmy riadenia spaľovacieho procesu. Tieto algoritmy zabezpečujú optimálne množstvo dodávaného paliva a kyslíka pre dosiahnutie minimálnej hodnoty emisií CO v spalinách.

Množstvo dodávaného kyslíka je dané tzv. súčiniteľom prebytku vzduchu, ktorý je ukazovateľom množstva prebytku spaľovacieho vzduchu voči stechiometrickému množstvu. Tento súčiniteľ má veľký vplyv na účinnosť spaľovania i na emisie CO. Optimálny pracovný rozsah pri spaľovaní biomasy je zvyčajne v intervale 1,4 až 2 hodnôt súčiniteľa prebytku spaľovacieho vzduchu a závisí od vlhkosti a druhu dreva, konštrukcie spaľovacieho zariadenia a pod.

Úlohou navrhnutých algoritmov je nájsť aj pri zmene vlastností štiepky takú hodnotu súčiniteľa prebytku spaľovacieho vzduchu, pri ktorom budú emisie CO minimálne, čím budú naplnené predpoklady pre dosiahnutie najväčšej účinnosti spaľovacieho procesu. To vyžaduje presnú informáciu o skutočnej koncentrácii kyslíka v spalinách a trendovú informáciu o vývoji emisií CO v spalinách (t.j. či koncentrácia CO klesá alebo rastie).

Technická realizácia inovovaného systému riadenia

Pre implementáciu nových algoritmov riadenia spaľovania drevnej štiepky bolo nutné okrem programového vybavenia inovovať aj technické vybavenie systému riadenia kotlov, ktoré zahŕňa:

• Systém procesného riadenia (napr. AMiT/DIRAS).
• Systém vzdialeného monitorovania a riadenia (napr. SCADA produkt PROMOTIC).
• Systém GSM monitorovania (napr. MoDir).

Na systém procesného riadenia sú okrem snímačov hlavných procesných veličín a merača tepla ďalej pripojené akčné členy pre ovládanie technológie (frekvenčné meniče ventilátorov, servopohony, spínacie prvky motorov dopravy a plnenia paliva) a ďalšie kontrolno-blokovacie a bezpečnostné prvky technologického zariadenia.

Pre meranie koncentrácie kyslíka je použitá širokopásmová planárna dvojčlánková lambda sonda s integrovaným vyhrievaním využívajúca princíp medzného prúdu. Pre meranie koncentrácie kysličníka uhoľnatého v spalinách je použitý senzor s premenlivým odporom, ktorého vyhodnocovanie je navrhnuté na napäťový signál. Tento snímač slúži na orientačné meranie koncentrácie CO, keďže pre algoritmus riadenia spaľovacieho procesu je dôležitá informácia o trende produkcie CO.

Pre meranie teploty v spaľovacej komore je použitý termočlánok typu K. Prevádzka inštalovaných systémov riadenia je on-line monitorovaná so záznamom priebehov jednotlivých procesných veličín a s možnosťou zmeny parametrov riadenia aj implementovaných algoritmov prístupom prostredníctvom internetu. Vytvorená aplikácia v SCADA systéme umožňuje priebežne vyhodnocovať aj účinnosť výroby tepla, zobrazovať časové priebehy a vzájomné závislosti meraných veličín dôležitých pre vyhodnocovania kvality spaľovacieho procesu.

Ekonomická výhodnosť a vplyv na životné prostredie

Na nákup a inštaláciu kotla na biomasu je často možné získať štátnu podporu prostredníctvom ekologických dotácií a zelených programov. Investícia do kvalitného kotla na drevnú štiepku sa vďaka dlhej životnosti a nízkym nákladom na palivo postupne vracia. Kotol na štiepku patrí medzi najekonomickejšie spôsoby vykurovania a znižuje závislosť od fosílnych palív.

Prípadová štúdia: Kotolňa Podzámčok

Príkladom implementácie tohto riešenia je návrh kotolne na spaľovanie biomasy pre budovu Obecného úradu a Kultúrneho domu v obci Podzámčok. Pôvodná budova bola rekonštruovaná, pričom došlo aj k úprave systémov zásobovania teplom a teplou vodou. Navrhnuté zdroje tepla pokrývajú potrebu tepla pre tri objekty - OcÚ, penzión a administratívnu budovu.

Navrhnuté boli dva kotly na pelety a drevnú štiepku HERZ firematic s výkonom 149 kW. Ako primárny zdroj tepla sa počítalo s drevnou štiepkou od dodávateľa v kombinácii s vlastnými obecnými zdrojmi drevného odpadu spracovaného mobilným štiepkovačom.

Ročná potreba paliva v kotolni je 164 až 232 t v závislosti od vlhkosti paliva, čo predstavuje 860 až 1 029 m³. Sklad paliva bolo potrebné naplniť 11- až 13-krát ročne. Na dopravu paliva zo skladového priestoru do kotlov sa zvolil systém s pružinovým miešadlom a závitovými dopravníkmi, vhodný aj pre pelety. Celkové odhadované investičné náklady na zriadenie navrhovanej kotolne boli 112 297 €. Ročné prevádzkové náklady na palivo boli 16 202 €.

Porovnanie s variantom zásobovania teplom pomocou teplovodných elektrokotlov, ktorých investičné náklady boli 33 729 € a ročné prevádzkové náklady 37 445 €, ukázalo, že kotolňa na biomasu je síce investične náročnejšia, ale jej hrubá návratnosť je už približne štyri roky. Navyše nebol zohľadnený vlastný zdroj drevnej štiepky, ktorý by energetickú bilanciu ešte vylepšil.

Ekologický vplyv a úspora emisií

Ekologický vplyv návrhu sa dá vyjadriť pomocou produkcie emisií oxidu uhličitého (CO2) do ovzdušia. Faktor emisií CO2 je pri drevnej štiepke 0,02 kg/kWh a pri elektrickej energii 0,293 kg/kWh. V grafickom porovnaní je viditeľný markantný rozdiel v množstve vyprodukovaného CO2 za rok užívania kotolne v prospech biomasy.

Hoci je počiatočná investícia do zriadenia kotolne na biomasu vyššia než pri iných druhoch paliva, vďaka prijateľnejšej cene paliva a významnému zníženiu emisií CO2 je toto riešenie ekonomicky a ekologicky odôvodniteľné.

tags: #kotol #na #spalovanie #drevnej #stiepky