O spalování tuhých paliv v lokálních topeništích (1)
aneb palivo, tvorba znečišťujících látek a spalování jako vztah muže a ženy.
1. Složení paliva, výhřevnost a spalné teplo
Obecně můžeme říci, že palivo je látka, která hoří a že při tomto procesu se uvolňuje teplo, které využíváme pro naše potřeby (topení, vaření, koupání). Palivo se skládá z hořlaviny (h) a balastu. Hořlavina je ta část, kterou v palivu chceme, protože je nositelem energie. Balastem nazýváme tu část paliva, která je v palivu obsažena, ale nepřináší žádný energetický zisk, hovoříme o vodě (W) a popelovině (A). Se snižujícím se obsahem vody a popeloviny se zvyšuje kvalita paliva, snáze a účinněji se spaluje, obsahuje více energie. Se snižujícím se obsahem popeloviny se zmenšují emise tuhých znečišťujících látek (prach) a zmenšuje se náročnost údržby spalovacího zařízení (odpopelnění – tuhý zbytek po spálení nazýváme popelem).
Organická složka paliva (hořlavina) se skládá s pěti základních prvků: C – uhlík, H – vodík, O – kyslík, N – dusík a S – síra. První tři zásadním způsobem ovlivňují vlastní spalovací proces a poslední dva spíše ovlivňují produkci znečišťujících látek (tvorba oxidů dusíku – NOx a oxidu siřičitého – SO2). Uhlík, vodík a síra představují aktivní prvky hořlaviny a jsou nositeli chemicky vázané energie, která se při jejich spalování uvolňuje. Kyslík a dusík představují pasivní složku hořlaviny, protože nepřináší žádnou energetickou hodnotu. Složení hořlaviny jednotlivých paliv je proměnlivé, ale pro možnost porovnání jsou na obr. č. 1 uvedeny průměrné hodnoty složení hořlaviny. „Mladá“ paliva (biomasa) jsou málo prouhelněna, takže obsahují nejméně uhlíku (cca 45 %), ale více vodíku (cca 5 %) a kyslíku (cca 40 %). Stejně tak obsahují více prchavé hořlaviny (hořlavina, která se po dostatečném zahřátí uvolňuje v podobě hořlavých plynů), takže se snáze zapalují a hoří větším plamenem.
Obr. č. 1 Srovnání prvkového složení hořlaviny různých paliv včetně jejich výhřevností
Obr. č. 2 Závislost výhřevnosti a spalného tepla dřeva na jeho vlhkosti
Základním a zřejmě i nejdůležitějším parametrem, který charakterizuje palivo, je výhřevnost a spalné teplo. Zjednodušeně řečeno tyto veličiny vyjadřují množství chemicky vázaného tepla (např. v MJ nebo kWh), které se uvolní při dokonalém spálení jednotkové hmotnosti paliva (např. v kgpaliva nebo v tpaliva). Čím větší výhřevnost, tím méně musíme přikládat, abychom vytopili stejný prostor. Hodnota výhřevnosti závisí pouze na obsahu aktivních prvků hořlaviny (C, H, S), čím větší část paliva bude tvořena těmito prvky, tím více energie bude obsahovat a tím větší výhřevnost bude mít. Se zvyšujícím se obsahem vody a popeloviny se snižuje obsah aktivních prvků a tedy výhřevnost klesá. Obsah popeloviny můžeme ovlivnit jen minimálně, ale obsah vody např. u biomasy (dřeva apod.) jsme schopni výrazně snížit sušením. Kdyby dřevo bylo naprosto suché, tak by jeho výhřevnost (hovoříme o výhřevnosti hořlaviny, popelovina je zanedbatelná, její obsah je většinou menší než 1 %) byla kolem 17 MJ/kghořlaviny. Bohužel surové dřevo (čerstvě pokácené) obsahuje značné množství vody (je mokré, „živé“). Obsah vody je ovlivněn druhem stromu a také ročním obdobím, ve kterém byl strom pokácen. Obsah vody v surovém dřevu se pohybuje přibližně od 40 do 60 hmotnostních procent. Výrazná závislost výhřevnosti dřeva na jeho vlhkosti je uvedena na obr. č. 2. Zjednodušeně můžeme říci, že polovina surového dřeva je tvořena vodou a druhá polovina je tvořena hořlavinou, takže výhřevnost surového dřeva bude přibližně poloviční (8,5 MJ/kgdřeva – ve skutečnosti to bude ještě méně o výparné teplo vody 1,2 MJ/0,5kgvody, ale to bude vysvětleno později) ve srovnání s výhřevností samotné hořlaviny (17 MJ/kghořlaviny). Výhřevnost dřeva po jednom roce sušení se zvýší cca na 11,2 MJ/kgdřeva a po dvou letech sušení, kdy dřevo můžeme již považovat za vysušené a vhodné pro spalování (obsah vody pod 20 %), se zvedne jeho výhřevnost přibližně na 13,1 MJ/kgdřeva.
Co se děje, když se suší surové dřevo, názorně popisuje obr. č. 3. Na levé straně obrázku je znázorněn kus surového (mokrého) dřeva (polínko) o hmotnosti jeden kilogram, který obsahuje cca 0,5 kg, tedy 50 % vody. Po jednom roce sušení (venku pod přístřeškem) se obsah vody zmenší cca na 30 % (v prvním roce se odpaří cca 0,286 kgvody) a po dvou letech bude menší než 20 % (v druhém roce se odpaří cca 0,089 kgvody). To znamená, že celková hmotnost původního polínka se zmenší z jednoho kilogramu cca na 0,625 kg (za dva roky se odpařilo cca 0,375 kgvody). Množství aktivní hořlaviny zůstalo v daném kusu paliva nezměněno (cca 0,25 kg uhlíku – C a cca 0,025 kg vodíku – H), ale protože se snížila celková hmotnost polínka, je koncentrace aktivní hořlaviny vyšší, nyní tvoří cca 44 % z původních 27,5 %. Proto se zvýšilo i množství měrné energie - výhřevnost paliva, která se vyjadřuje jako množství energie v MJ na kg paliva (výhřevnost vzrostla z původních 7,3 MJ/kg na 13,1 MJ/kg, což je navýšení cca o 80 %). Není to dáno tím, že by se zvýšilo množství hořlaviny, ale tím, že se zmenší hmotnost polínka cca o 0,375 kg vody, která se během dvou let odpaří. Aby se vypařil (voda přejde do plynného stavu a opustí strukturu dřeva – dřevo se vysuší) jeden kilogram vody, je nutné spotřebovat (dodat) tzv. výparné (skupenské) teplo vody, které má hodnotu cca 2,45 MJ/kgvody. Pro výše uvedených 0,375 kg vody se tedy jedná cca o 0,92 MJ. O toto teplo se nám také zvýšila výhřevnost kousku dřeva, protože voda nehoří a při spalování dřeva dochází v ohništi k jeho sušení, následně pak hoří aktivní prvky hořlaviny. Chytrý člověk suší dřevo alespoň dva roky, protože ví, že suché dřevo má vyšší výhřevnost, dá se efektivněji spálit (lépe hoří a produkuje méně emisí znečišťujících látek), takže se mu sníží spotřeba paliva a v neposlední řadě prodlouží životnost spalovacího zařízení (menší obsah vody ve spalinách snižuje riziko kondenzace a dehtování).
Nejlépe se dřevo suší v dobře větraném dřevníku nebo stačí přístřešek na zahradě. Ve sklepě může surové dřevo plesnivět a hnít, což snižuje jejich energetickou hodnotu (záleží na vlhkosti a provětrání sklepa). Potřeba sušení dřeva klade zvýšené náklady na venkovní prostory k jeho uskladnění a sušení. Průměrný dům vytápěný kusovým dřevem spálí ročně kolem deseti metrů krychlových dřeva. V ideálním případě byste měli mít ve venkovních prostorech skladovány minimálně dvě roční spotřeby dřeva (ty jsou ve fázi sušení) plus již vysušené palivo v skladovacích prostorách u kotelny nebo ve venkovních prostorách. Je nutné mít přehled o tom, které palivo je již dva roky sušeno a které se bude v nadcházející topné sezóně spalovat (nejlépe označit). To představuje nemalé prostorové nároky.
Obr. č. 3 Schématické zobrazení toho, co se děje se složením a výhřevností dřeva, když jej sušíme
Lidé se často mylně domnívají, že tvrdé dřevo (např. dub, ořešák, javor, třešeň, jabloň, jasan, buk, hrušeň, švestka, akát, habr) má větší výhřevnost než dřevo měkké (např. smrk, borovice, jedle, topol, vrba, lípa, modřín, bříza). Je to mylný názor, ale na druhou stranu je nutné říci, že spálením kousku tvrdého dřeva se uvolní více tepla, než když spálíme objemově stejný kousek měkkého dřeva. Čím to tedy je? Je to tím, že tvrdé dřevo je těžší, má větší hustotu (kgdřeva/m3dřeva) a výhřevnost vyjadřuje množství tepla obsaženého v kilogramu paliva. Při stejném obsahu vlhkosti bude jeden koš měkkého dřeva lehčí než stejný koš tvrdého dřeva, takže při jeho spálení se víc ohřejeme. Kvalitní pelety či brikety mají hustotu o něco větší než voda, takže jednoduchým testem můžete zjistit, jak na tom jsou ty vaše. Dejte vaši peletu nebo část brikety do nádoby s vodou a pokud se ponoří a neplave, je její hustota větší než hustota vody 1000 kgvody/m3vody.
Množství energie v palivu vyjadřujeme buď jako výhřevnost nebo jako spalné teplo. Výhřevnost se nedá změřit a počítá se ze spalného tepla, které se stanoví v kalorimetru a z obsahu vodíku (prvkový rozbor paliva). Nejlépe lze pochopit rozdíl mezi výhřevností a spalným teplem, když si popíšeme, jak se v reálu tyto hodnoty získávají. Spalné teplo se měří v kalorimetru, který si můžeme představit jako nádobu (patrona – podobná nerezové termosce), do které vložíme misku s přibližně jedním gramem (jedna polovina kávové lžičky) najemno pomletého paliva. Nádobu naplníme kyslíkem (aby palivo dobře hořelo), uzavřeme a pak jej zapálíme. Palivo hoří, což je reakce při, které se uvolňuje teplo (exotermní). Celá nádoba je ponořena ve vodě (cca teplota laboratoře = 20 °C), která se díky uvolněnému teplu zahřívá, celá nádoba s vodou je tepelně izolovaná od okolí. Můžeme říci, že srdce kalorimetru představuje přesné měření absolutní hodnoty teplotního rozdílu (diference) teploty vody před zapálením paliva až po jeho úplné shoření (teplota po zapálení prudce roste a postupně se ustálí na hodnotě cca do 25 °C). Známé množství zahřáté vody, hodnota tepelné kapacity vody a teplotní diference je přímo úměrná teplu např. v kJ, které se uvolnilo při spalování známého množství paliva např. v g. Tento poměr představuje spalné teplo paliva, které se vyjadřuje např. v kJ/g, MJ/kg, GJ/t, kWh/kg apod. Spalné teplo je definováno jako teplo, které se uvolnilo při spálení jednotkového množství paliva s tím, že produkty spalování (spaliny) jsou ochlazeny na původní teplotu paliva, takže veškerá voda obsažená ve spalinách zkondenzuje a na konci experimentu je v kapalném stavu. U výhřevnosti je tomu tak, že voda ve spalinách nezkondenzuje (přestože by byly ochlazeny na původní teplotu), ale zůstane v plynném stavu, takže se neuvolní skupenské teplo vody. Jedná se pouze o teoretický stav, který nelze v praxi experimentálně změřit, proto se výhřevnost vypočítává ze spalného tepla. Do spalin se voda může dostat třemi cestami:
- Palivo, které hoří, je vlhké a obsahuje vodu, která při spalování nehoří, ale vypařuje se, takže dochází k sušení paliva, odpařená voda následně tvoří část spalin (z jednoho kilogramu – litru vody se jeho vypařením vytvoří cca 1,2 m3 vodní páry (zvětší objem více než tisíckrát, proto opatrně při hašení, pozor s rozpáleným tukem na pánvičce či ve fritovacím hrnci – prskání).
- Jedním z aktivních prvků hořlaviny je vodík, který je ve struktuře tuhých paliv vázán v různých podobách, u plynných a kapalných paliv se jedná o směs mnoha uhlovodíků (např. zemní plyn obsahuje převážně metan, dále často používáme tyto uhlovodíky: propan, butan, benzín, nafta a např. slivovice je mimo jiné směs mnoha uhlovodíků). Když vodík v jakékoliv podobě hoří, tvoří se vodní pára, která je součástí spalin (v mrazivých dnech můžeme pozorovat bílý kouř nad komíny, to je vodní pára). Z jednoho kilogramu vodíku se vytvoří cca devět kg vodní páry, což je přibližně 11,2 m3 vodní páry. Spálením jednoho metru krychlového zemního plynu se vytvoří cca 1,5 kg (1,9 m3) vodní páry.
- Také samotný spalovací vzduch obsahuje vzdušnou vlhkost.
Spaliny tedy obsahuji vodní páru z vlhkosti paliva, ze spalování vodíku a ze spalovacího vzduchu. Pokud spaliny ochladíme pod teplotu rosného bodu, vodní pára zkondenzuje (stejně tak se v zimě orosí brýle, když vejdeme do teplé místnosti, protože brýle mají nižší teplotu než teplota rosného bodu vody obsažené ve vzduchu), mění skupenství z plynného na kapalné a tím se uvolní skupenské teplo vody (2,45 MJ/kgvody), které je stejně velké jako teplo, které se spotřebuje na to, abychom vodu vypařili. Zde je ten zásadní rozdíl mezi spalným teplem a výhřevností. U spalného tepla vodní pára zkondenzovala, ale u výhřevnosti uvažujeme s tím, že voda obsažená ve spalinách zůstane v plynném stavu, tedy jako vodní pára, takže se neuvolní skupenské teplo vody z kondenzace. Z výše uvedeného vyplývá, že pokud palivo obsahuje vodu nebo vodík, bude spalné teplo větší než výhřevnost viz obr. č. 4. Výhřevnost se ze spalného tepla vypočítá tak, že se spalné teplo sníží o skupenské teplo vody dle tohoto vztahu:
Obr. č. 4 Porovnání hodnot výhřevností a spalných tepel různých paliv
Dva kilogramy suchého nebo čtyři kilogramy mokrého dřeva mají přibližně stejnou výhřevnost jako jeden metr krychlový zemního plynu. V současné době se pohybuje cena jednoho metru krychlového zemního plynu pro domácnosti, které jej používají pro vytápění kolem 15 Kč včetně DPH. Ale jak říká náš profesor (Pavel Noskievič): „Růst ceny energií je jak přírodní zákon, cena stále poroste“.
Selský rozum by velel k tomu, abychom při spalování využívali spalné teplo a ne „jenom“ výhřevnost. Žel, není to tak snadné, protože pokud bychom chtěli využít spalné teplo, museli bychom donutit zkondenzovat (dostatečně ji zchladit) vodní páru obsaženou ve spalinách, což způsobuje tyto základní komplikace:
- zvýšené požadavky na korozní odolnost teplosměnných ploch výměníku, kondenzát může být agresivní;
- zvýšené požadavky na odvod spalin, kapičky kondenzátu, dehtování – odolný kouřovod a komín, odvod kondenzátu;
- nízká teplota spalin minimalizuje komínový tah, takže je nutné, aby zařízení mělo kouřový a nebo vzduchový ventilátor;
- zanášení teplosměnných ploch, kondenzace dehtů, ulpívání prachu a sazí, nutnost čištění;
- nízkopotenciální teplo – aby byly spaliny zchlazeny pod rosný bod, je potřebná dostatečně nízká teplota zpátečky – ideální využití pro podlahové vytápění např. při teplotním spádu 50/30 °C;
- kondenzát a jeho likvidace (v současnosti je u plynových kotlů do 50 kW povoleno kondenzát vypouštět do kanalizace.
Kondenzace vodní páry obsažené ve spalinách má tato pozitiva:
- snížení teploty spalin = zmenšení komínové ztráty = zvýšení účinnosti;
- při kondenzaci vodní páry se uvolňuje skupenské teplo vodní páry, toto teplo je předáno topné vodě (v teplovodním výměníku kotle) a tím se navýší množství vyrobeného tepla, využíváme nejen výhřevnost, ale část skupenského tepla, resp. rozdílu mezi spalným teplem a výhřevností.
Kondenzace se využívá v kondenzačních kotlích a u kotlů spalujících plynná paliva se jedná o velmi rozšířenou technologii. Plynné palivo je „čisté“ a „suché“, takže komplikace s kondenzátem jsou minimální. Teoreticky se spálením jednoho metru krychlového vytvoří cca 1,5 kg (litru) vody. V reálném provozu je to o něco méně a z plynového kondenzačního kotle do kanalizace vyteče cca jeden kilogram (litr) kondenzátu, což představuje cca 66% využití zisku z kondenzace vody ze spalin. Využití kondenzace při spalování tuhých paliv je v začátcích a zatím existují jen aplikace, pro spalování dřevních peletek, kde však zisk kondenzací není nijak značný. Vývoj směřuje k využití kondenzace při spalování vlhké (více než 40%) biomasy v podobě dřevní štěpky.
Účinnost kotle se počítá jako poměr tepla vyrobeného (výkon) k teplu dodanému (příkon). V Evropě se při výpočtu účinnosti teplo dodané vyjadřuje z výhřevnosti paliva, proto se v případě kondenzačních kotlů můžete setkat s výslednou účinností, která je vyšší než 100 %. Samozřejmě, že se nejedná o perpetuum mobile, ale jde o to, zda se teplo dodané do kotle vyjadřuje z výhřevnosti či spalného tepla. Správně by se mělo vyjadřovat ze spalného tepla, jenže potom by takto vyjádřená účinnost nebyla porovnatelná s účinností „klasických“ nekondenzačních kotlů. Nutnost porovnání je žádoucí, a proto se nabízí tato řešení:
- u všech kotlů počítat příkon ze spalného tepla, toto řešení by bylo z pohledu správnosti nejlepší, ale to by znamenalo, že u dosud prodávaných nekondenzačních kotlů by se účinnost musela přepočítat a znamenalo by to také to, že by se její hodnota snížila (např. z 90 na 83 %). Z pohledu výrobců, ale i z pohledu zákazníků je tento krok těžko akceptovatelný;
- ponechat původní výpočet účinnosti, kdy je příkon počítán z výhřevnosti a vysvětlit, že přestože účinnost kondenzačních kotlů vychází větší než 100 %, nejedná se o perpetuum mobile, ale o údaj, který umožní porovnání účinnosti kondenzačního a nekondenzačního kotle;
- třetí způsob by mohl být kombinací dvou výše uvedených bodů a mohl by uvádět obě hodnoty.
2. Co má společného vztah muže a ženy se spalováním, spotřebou vzduchu a množstvím spalin?
Podstatou spalovacího procesu je hoření paliva, jedná se o jev, při kterém hoří palivo za vývinu tepla a světla (plamen, žhavé uhlíky). Aktivní hořlavina paliva (C, H, S) reaguje se vzdušným kyslíkem (O2). Protože je tato reakce doprovázena uvolňováním tepla, nazýváme jí exotermní, spaliny (produkty spalování) mají vysokou teplotu a my využíváme jejich teplo pro potřeby vytápění, ohřev vody nebo vaření. Ke spalovacím reakcím dochází při všech teplotách, přičemž její hodnota určuje její rychlost (čím větší teplota, tím větší rychlost reakce), o hoření hovoříme tehdy, pokud je spalovací reakce doprovázena světelným efektem např. plamenem (teplota spalin dosáhne spektra viditelného pro lidské oko). Pokud je rychlost reakce vyšší než rychlost zvuku, hovoříme o výbuchu, ale jedná se také o hoření. Vybouchnout může i prach (uhelný, mouka apod.), ale z výše uvedeného je zřejmé, že pokud ve zvířeném prachu nebude hořlavina, prach nevybouchne, protože v něm nemá co hořet, není v něm hořlavina, nemá se z čeho uvolnit energie (jeden ze způsobů proti-výbuchových opatření pracuje na principu rozprašování inertního prachu).
Jednou z nejtěžších věcí, které život staví před učitele je, jak jednoduše popsat nějaký děj či problém, vymyslet jednoduchou definici. Můj oblíbený Richard P. Feynman definoval spalování biomasy takto: „Stromy vznikly převážně ze vzduchu. Když je spálíme, vrátí se zpátky do vzduchu, přičemž se uvolní sálavé teplo, což je sálavé teplo Slunce, které bylo třeba, aby se vzduch přeměnil v dřevo stromů; trocha popela je pozůstatek té části stromů, která neměla původ ve vzduchu, ale v zemi“.
Pro lepší představivost a atraktivnost se pokusím spalování paliva přirovnat ke vztahu muže a ženy. Přestože určitě bylo o vztahu muže a ženy napsáno více knih než o spalování paliva, stejně je tato oblast lidského života zahalena mnoha tajemstvími a můžeme konstatovat, že zákonitosti spalovacích reakcí jsou nám lépe pochopitelné. Toto přirovnání použijeme pro lepší pochopení principů spalování, přestože není dokonalé, protože používá mnohá zjednodušení a nepřesnosti. Jednou z mnoha součástí manželského života je jejich intimní život. Aby muž „zreagoval“ se ženou, je nutné splnit minimálně tyto čtyři podmínky a stejně je tomu s hořlavinou a okysličovadlem:
- Muž a žena se musí v dané oblasti či prostoru vyskytnout, musí tam být.
- Muž a žena se musí k sobě přiblížit, musí se sejít, vzít se za ruku a obejmout se.
- Musí se jim chtít.
- Musí mít čas a prostor, aby spolu „zreagovali“.
Podrobnějšímu vysvětlení těchto čtyř bodů se věnují další úvahy (díl II.). Jak moc vhodné je porovnání spalování se vztahem mezi mužem a ženou a jak dobře se mi podařilo vykreslit detaily těchto jevů, nechávám již na posouzení laskavého čtenáře. Při svých přednáškách jsem často vyzýval posluchače, aby se mnou sdíleli, co z jejich pohledu je ještě třeba, aby „zreagovali“. Vícekrát mimo jiné zazněly tyto parametry: dobré víno, pěkná hudba, peníze, přítmí apod. Těmto bodům se dále detailněji nevěnuji, ale na druhou stranu z pohledu spalování bychom mohli např. hovořit o katalyzátoru. Katalyzátor snižuje hodnotu energetické bariéry, kterou je třeba překonat, aby reakce proběhla (stejně tak např. pracuje katalyzátor, který se běžně používá v autech).
Tento článek vznikl za podpory MPO v rámci řešení projektu FR-TI1/178 Krbová kamna se sníženou produkcí prachu a MŠMT v rámci řešení projektu CZ.1.05/2.1.00/01.0036 Inovace pro efektivitu a životní prostředí
The essence of the combustion process is burning fuel. This is a phenomenon that the authors clearly and wittily likened to the relationship of man and woman. At the same time in the article they explain in detail the technical terminology such as calorific value, combustion heat, humidity of wooden fuel, and the efficiency of common and condensing boilers.