O spalování tuhých paliv v lokálních topeništích (2)
aneb palivo, tvorba znečišťujících látek a spalování jako vztah muže a ženy.
2. Co má společného vztah muže a ženy se spalováním, spotřebou vzduchu a množstvím spalin?
2.1. Muž a žena se musí v dané oblasti či prostoru vyskytnout, musí tam být
V oblasti spalování to znamená, že musí být přítomno palivo, v něm je obsaženo něco, co může hořet, tedy aktivní hořlavina (C, H, S) a okysličovadlo (nejčastěji vzdušný kyslík).
Palivo nebude hořet bez přítomnosti kyslíku (pokud hořící svíčku přiklopíme obrácenou sklenicí, přestane po vyčerpání kyslíku hořet, zápal v dole uhasíme tím, že jej uzavřeme a budeme do něj pouštět inertní plyn, např. dusík).
Spalovací rovnice, které bilančně popisují reakci mezi hořlavinou a kyslíkem, zjednodušeně vyjadřují množství kyslíku (vzduchu), který je potřeba k tomu, aby došlo k jejich reakci. Toto množství nazýváme stechiometrické (teoretické) a představuje minimální potřebu pro spalování v případě, že by se všichni sešli a všichni zreagovali. V tomto případě je přebytek spalovacího vzduchu n (poměr skutečného a teoretického množství spalovacího vzduchu) roven jedné. V reálném spalovacím procesu je toto množství nedostatečné, protože řečeno jazykem přirovnání: se ti dva nesejdou. Proto ve většině případů je skutečné množství spalovacího vzduchu větší než teoreticky potřebné. Tím zvyšujeme pravděpodobnost toho, že se setkají (dokonalost spalování, minimalizace CO) a hovoříme o spalování s přebytkem spalovacího vzduchu (1,5 až 2 pro automatické kotle, 2 až 4 pro kotle a kamna s ručním přikládáním paliva). Se zvyšujícím se přebytkem spalovacího vzduchu ovšem postupně klesá teplota v ohništi, takže začne klesat i kvalita spalování, dále roste množství spalin, tím také roste komínová ztráta a snižuje se účinnost spalovacího zařízení. Každé zařízení má svůj optimální přebytek spalovacího vzduchu, při kterém je dosaženo optimálních hodnot CO a účinnosti viz obr. č. 5.
Obr. č. 5 Vliv přebytku spalovacího vzduchu na účinnost a kvalitu spalování
Při reálném provozu měníme přebytek spalovacího vzduchu tím, jak regulujeme množství nasávaného spalovacího vzduchu. Takže pokud otevřeme dvířka popelníku, regulační klapky vzduchů apod., budeme se pohybovat v pravé části grafu. Pokud uzavřeme přívody spalovacích vzduchů, začne se snižovat přebytek spalovacího vzduchu a v grafu se přemísťujeme směrem vlevo. Jak moc se posuneme vlevo, záleží také na tom, jak dobře je spalovací zařízení těsné (těsnicí šňůry apod.). Pokud uzavřeme všechny přívody spalovacích vzduchů a nepozorujeme evidentní pohasnutí plamene (např. u krbových kamen to můžeme pozorovat přes sklo dvířek), tak se spalovací vzduch dostává k palivu netěsnostmi a my se stále pohybujeme v pravé části grafu, což je doprovázeno vysokou komínovou ztrátou, a tedy nízkou účinností. Pokud je zařízení těsné, můžeme se po uzavření přívodu vzduchu dostat až do oblasti, kde je nedostatečné množství spalovacího vzduchu a vlastně začneme palivo zplyňovat. Toto se velmi často děje, pokud na noc přiložíme velkou dávku paliva a pak, protože jdeme již spát, všechny přívody vzduchů uzavřeme. Je pravda, že se podstatně prodlouží doba (hoření – zplyňování), ale křivka CO nám ukazuje, k jak dramatickému nárůstu produktů nedokonalého spalování dojde a také účinnost je velmi špatná.
Křivka označená jako „O2“ ukazuje průběh koncentrace kyslíku v závislosti na přebytku spalovacího vzduchu. Pokud bychom k palivu přivedli právě tolik vzduchu, kolik je třeba (přebytek n = 1) a nastal by stav, že se sejdou, chce se jim a mají na to čas, tak by se všechen přivedený kyslík spotřeboval, takže jeho koncentrace by byla nulová, to popisuje bod „A“. Při tomto stavu by také došlo k tomu, že veškerý uhlík by shořel na CO2, takže jeho koncentrace by byla maximální, tehdy hovoříme o CO2 max, viz bod „B“. Se zvyšujícím se přebytkem spalovacího vzduchu poroste koncentrace kyslíku ve spalinách. Naopak koncentrace CO2 bude klesat, protože přebytečný vzduch bude CO2 ředit.
Se vzrůstajícím přebytkem spalovacího vzduchu se zlepšuje spalování, klesá CO, ale na druhou stranu roste množství spalin, takže roste množství tepla vyvedeného komínem, takže klesá účinnost. Je to zase jako v tom životě, jedná se o kompromis. Spalujeme s dostatečně vysokým přebytkem spalovacího vzduchu, abychom měli CO na rozumné úrovni a přitom neměli příliš nízkou účinnost. Každé spalovací zařízení pro dané palivo má optimální hodnotu spalovacího vzduchu (viz plocha v grafu).
Zjednodušeně (záleží na složení) můžeme říci, že pro spálení jednoho kilogramu uhlí potřebujeme minimálně (teoreticky) cca 6 metrů krychlových vzduchu pro spálení jednoho kilogramu dřeva cca 4 metrů krychlových vzduchu. Pro lepší, tedy automatické a zplyňovací kotle bývá přebytek spalovacího vzduchu cca 2 (obsah kyslíku ve spalinách cca 10,5 %),takže spotřeba vzduchu bude dvojnásobná ve srovnání s teoretickou, tedy cca 12 m3 na jeden kilogram paliva.Kotle s ruční dopravou paliva (prohořívací a odhořívací) včetně krbových kamen, sporáků a krbových vložek spalují palivo s ještě větším přebytkem spalovacího vzduchu cca s hodnotou 2 až 4. U otevřeného krbu nedochází k regulaci přívodu spalovacího vzduchu, koncentrace kyslíku ve spalinách dosahuje dle fáze spalovací periody cca až kolem dvaceti procent, což odpovídá hodnotě přebytku vzduchu cca dvacet. V tomto případě je již množství skutečného vzduchu, který se spotřebuje (je nasáno do krbu a odvedeno komínem) pro spálení jednoho kilogramu dřeva kolem 100 metrů krychlových. Proto účinnost otevřených krbů je cca 10 %, což se výrazně projeví na velké spotřebě paliva.
Množství nasávaného vzduchu je dáno „výkonem odsávání komínu“. Komín pracuje jako kouřový ventilátor, který vysává spaliny z topeniště. Komínový tah vzniká na základě rozdílů hustot spalin a okolního vzduchu a jedná se o stejný jev, který nejdříve popsal pan Archimedes, když se koupal ve vaně. Základní parametry ovlivňující tah komínu jsou tyto:
- teplota spalin – množství přiloženého paliva a jeho složení, konstrukce spalovacího zařízení, tepelná izolace komínu,
- účinná výška komínu a jeho vnitřní průměr,
- tlaková ztráta celé spalinové cesty (průměr kouřovodu, množství a tvar napojovacích dílů, údržba-čištění).
Základní funkcí komína je bezpečně odvést spaliny, které vzniknou při spalování paliva v napojeném spalovacím zařízení.
Množství spalin je přibližně stejné jako množství nasátého spalovacího vzduchu.
Potřebné množství spalovacího vzduchu se dle typu a výkonu malého spalovacího zařízení pohybuje přibližně v rozsahu od 10 do 1000 m3/h. Této potřebě je také nutné přizpůsobit přívod vzduchu k danému zařízení, který je zajištěn nasáváním přes netěsnosti oken, dveří a přes větrací otvory (mimo případ s externím přívodem spalovacího vzduchu). Zvýšené požadavky na tepelnou izolaci mimo jiné zvyšují těsnost oken, ale také celých domů. Pokud v místnosti, kde je spalovací zařízení nainstalováno (kotel v kotelně, kamna v obývacím pokoji) není zajištěn dostatečný přívod spalovacího vzduchu, musí být vzduch přiveden samostatným přívodem z exteriéru. Většina nových kamen již má sveden přívod spalovacího vzduchu do jednoho centrálního místa (většinou vzadu nebo doleje vyvedena trubka o průměru cca 100 mm).
Výkony digestoří mohou dosáhnout několika set metrů krychlových vzduchu odsátého z prostoru kuchyně. V případě, že je spalovací zařízení umístěno ve stejné místnosti (obytné haly spojené s kuchyňským koutem nebo kuchyňským sporákem), mohlo by dojít k zpětnému tahu komínu např. kamen, protože výkon digestoře je větší než „výkon“ tah komínu. Tomuto stavu je nutné zabránit (dostatečný a nebo externí přívod vzduchu).
2.2. Muž a žena se musí k sobě přiblížit, musí se sejít, vzít se za ruku a obejmout se
V oblasti spalování to představuje konstrukci spalovacího zařízení, rozvody spalovacího vzduchu, způsob jeho přívodu, ohřevu a dopravy k hořlavině paliva.
Velká část dnes používaných ohnišť (malých výkonů) používá rošt, jehož základní funkce je právě v umožnění přívodu spalovacího vzduchu (primárního) k palivu. Podstatné je, aby konstrukce spalovacího zařízení zajistila přívod okysličovadla přímo až k hořlavině. Nestačí jen přivést dostatečné množství spalovacího vzduchu do ohniště – jde o to, aby si podali ruku, aby se mohli obejmout, nelze provést spalování na dálku.
Další faktor, který rozhoduje o tom, zda se potkají, je granulometrie paliva. Tlaková ztráta vrstvy tříděného paliva (při stejné výšce) je podstatně menší než vrstva netříděného paliva, která obsahuje velké množství prachu (menších částic paliva), nemluvě o uhelných kalech (jen jemný prach). Kaly se míchají s vodou, aby nepropadly roštem do popelníku, nicméně prostupnost vzduchu je nulová, proto tuto vrstvu uživatelé rozrušují pohrabáčem (vytváření „komínu“), aby alespoň někudy mohl spalovací vzduch projít. Kaly jako prachové palivo je vynikající pro velké uhelné kotle s práškovými hořáky, ale pokud nám jde o to, co vychází z našich komínů, jednáse o palivo naprosto nevyhovující (to, že se po nějaké době nekouří z komínu, neznamená, že palivo dobře hoří, jedovatý oxid uhelnatý jako hlavní parametr nedokonalosti spalování je plyn bezbarvý a bez zápachu, jeho koncentrace jsou v těchto případech na úrovni několika procent).
Většinou je teplota spalovacího vzduchu podstatně nižší než teplota plamene (plamen je hořící prchavá hořlavina a je složena převážně z uhlovodíků a z hořlavého plynu CO), což v praxi znamená, že jejich promíchání je obtížné (mají různé viskozity). Pokud se ovšem nepromíchají, můžeme v souvislosti s příkladem hovořit o tom, že si nepodali ruce, nepřiblížili se k sobě, prostě jdou vedle sebe spalovací komorou s minimální šancí kontaktu. Můžeme si to představit tak, že proud vzduchu narazí na oblast plamene a ten se chová jako by byl pokryt nepropustnou blánou (plachta na hladině vody v bazénu), takže přestože přivedeme dostatečné množství vzduchu do ohniště, kyslík s hořlavinou se nesejde, takže nemohou zreagovat. Technicky se tato komplikace v ohništi zmírňuje předehřevem spalovacího vzduchu (zmenšení odlišnosti viskozit), zvětšením vstupní rychlosti spalovacího vzduchu (trysky, větší rychlost poruší „blánu“ plamene) a optimalizací proudění (maximalizace víření je vlastně kombinací dvou výše uvedených opatření).
Hoření začíná na povrchu látek a pokud neshoří povrchová vrstva, nemůže hořet další. Tím se vysvětluje relativně pomalý průběh hoření. Dřevěné třísky hoří podstatně rychleji než větší špalky. Rychlost hoření souvisí s množstvím uvolněné energie a tím tedy s výkonem zařízení. Proto po příjezdu na „studenou“ chatu topíme nejdříve menšími kousky dřeva, ty mají větší povrch, rychleji hoří a tím získáme větší výkon s tím, že v první fázi vytápění nás netrápí celkem nízká účinnost spalovacího zařízení (vysoká teplota spalin znamená velkou komínovou ztrátu). U velkých uhelných kotlů se uhlí mele na prášek, protože má podstatně větší povrch než kusové uhlí.
2.3. Musí se jim chtít
To v oblasti reálného života představuje specifickou oblast a hlavně u ženy má tento bod mnoho souvislostí. Žena je citlivá na předchozí chování partnera a není pro ni jednoduché přejít do „reakčního módu“, ale protože se tato kapitola má věnovat spalování, nebudu zabíhat do podrobností a nechám to již na citlivosti a otevřenosti manželů.
V oblasti hoření je chtění dáno výši teploty. Čím větší teplota je v oblasti, kde se vyskytuje hořlavina a vzdušný kyslík, tím více se jim chce reagovat a tím se také zvyšuje rychlost reakce.
Po dosažení zápalné teploty začne hořlavina hořet. Zápalná teplota jednotlivých hořlavin se podstatně liší,např. u dřeva je to kolem 600 °C, u benzínu kolem 200 °C.
Složení hořlaviny paliva (poměr mezi uhlíkem, vodíkem a kyslíkem) ovlivňuje zásadním způsobem zápalnou teplotu paliva. Málo prouhelněná paliva (dřevo, lignit, hnědé uhlí) obsahují velké množství prchavé hořlaviny (směs uhlovodíků), které se snadno zapalují. Se zvyšujícím se obsahem uhlíku (černé uhlí, antracit) se množství prchavé hořlaviny výrazně zmenšuje, což komplikuje jejich zapalování. Koks představuje palivo s „nulovým“ obsahem prchavé hořlaviny, protože při koksování dochází (vysoká teplota bez přístupu vzduchu – termický rozklad) k uvolnění prchavé hořlaviny (koksárenský plyn) a odplyněný zbytek je uhlík s popelovinou. Dřevěné uhlí, které se používá na grilování, se v podstatě vyrábí stejně jako koks, jen jako vstupní surovina je použito dřevo a uvolněný plyn je dřevní plyn. To je důvod, proč se koks a dřevěné uhlí tak špatně zapalují. Proto papírem nebo nějakým podpalovačem nejdříve zapálíme suché dřevěné třísky (větší povrch), ty zapálí větší kousky dřeva a tento hořící materiál zapálí uhlí či koks.
Spalování uhlí vyžaduje vyšší spalovací teploty. Až výroba roštů (19. století) umožnila rozšíření spalování uhlí. Do té doby se spíše spalovalo dřevo, protože bezroštová ohniště neumožnila dosáhnout vyšší teploty (cca nad 1000 °C), které jsou potřebné pro kvalitní spalování uhlí.
Pokud bychom se na hoření paliva podívali přes bilanci vstupů a výstupů, mohli bychom při nulových tepelných ztrátách vypočítat maximální (adiabatickou) teplotu (pro dřevo se vzduchem kolem 1980 °C). Reálná teplota plamene při spalování dřeva ve spalovacím zařízení se pohybuje přibližně v rozsahu 650 až 950 °C. Teploty dosažené v ohništích při spalování uhlí jsou cca 800 až 1200 °C.
Souhrnně můžeme říci, že pokud se hořlavina s okysličovadlem setká, ale není vystavena dostatečné teplotě, k hoření nedojde a nebo dojde jen k nedokonalému částečnému hoření. Se zvyšující se teplotou se rychlost a kvalita spalování zlepšuje.
2.4. Musí mít čas a prostor, aby spolu „zreagovali“
V oblasti spalování to znamená objem a uspořádání spalovací komory a celého spalovacího zařízení. Objem spalovací komory je přizpůsoben vlastnostem spalovaného paliva. Například při spalování paliv s větším obsahem prchavé hořlaviny (hnědé uhlí a biomasa) je velká část paliva tvořena hořlavým plynem (směs uhlovodíků), který se uvolňuje již při zahřátí paliva na dostatečnou teplotu cca 200 až 400 °C. Hořící plyn vnímáme jako plamen (stejně tomu je u táboráku při opékání a nebo v krbových kamnech při hoření kusového dřeva).
Každá reakce stejně tak spalovací reakce probíhá s jistou rychlostí, přičemž čím větší teplota tím větší je rychlost reakce, ale přesto dokončení reakce vyžaduje minimální čas, který je nutný pro úplné dokončení reakce. Po tento čas musí být naplněny všechny tři výše uvedené podmínky – musí tam být, musí se sejít a musí se jim chtít.Pokud k třem uvedeným podmínkám přidáme i dostatečný prostor, který poskytuje dostatečný čas pro oxidaci hořlaviny, dojde k její dokonalému spálení. Uhlík shoří na oxid uhličitý (CO2, mimo jiné toto je plyn, který vydechujeme a také jej můžeme nalézt v bublinkách perlivé minerálky). Uhlovodíky, které tvoří prchavou hořlavinu shoří na CO2 a vodní páru (H2O) a síra shoří na SO2.
Pokud je čas nedostatečný, bude reakce předčasně ukončena a nedojde k dokonalému vyhoření hořlaviny. Přesný průběh oxidace uhlíku není zcela znám, ale velmi zjednodušeně si jej můžeme představit tak, že uhlík částečně oxiduje na hořlavý plyn oxid uhelnatý (CO je jedovatý, bezbarvý plyn bez zápachu), který následně dohoří na CO2. Schématicky je hoření uhlíku zobrazeno na obr. č. 6. Obdobně je tomu s uhlovodíky než shoří na CO2 a H2O.
Obr. č. 6 Schématické zobrazení procesu hoření paliva – uhlíku
3. Nedokonalé spalování
O dokonalém spalování hovoříme tehdy, pokud veškerá hořlavina shoří (uhlík na CO2 a uhlovodíky na CO2 a vodu). Tak jak to již v životě bývá, může reakce proběhnout dokonale, částečně a nebo vůbec. Stejně tak je tomu i při spalování paliva, nic není dokonalé. Část uhlíku neshoří vůbec (černý popel, černé saze a popílek v komíně) a část uhlíku shoří jen na CO. Nedokonalé spalování identifikujeme dle produktů nedokonalého spalování, za které hlavně považujeme CO, saze a polycyklycké aromatické uhlovodíky (PAU). Nedokonalé spalování nastane, pokud jedna ze čtyř výše uvedených podmínek není zcela v pořádku. V dnešní době není problém změřit koncentraci CO (mobilní zařízení vlastní i některé kominické firmy) a získat tím představu o kvalitě spalování a kvalitě spalovacího zařízení.
Pokud dáme studenou lžíci nad plamen (např. svíčky), její povrch zčerná a zůstanou na ní černé saze. Rozžhavené saze vnímá lidské oko jako červenou (až oranžovou) barvu. Barva plamene svíčky je červená, protože jsou v něm hořící saze, barva plamene z plynového hořáku (zemní plyn nebo propan butan) je modrá, protože neobsahuje žádné saze a vodíkový plamen je modrý. Pokud však u plynového hořáku omezíme přívod vzduchu (např. u přenosného vařiče, který se používá na hory, zakryjeme trysky hořáku rukou nebo páskou), barva plamene se změní – částečně zčervená, což identifikuje nedokonalé spalování. Při přenášení hořící svíčky, můžeme pozorovat zvýšený vývin sazí (černé okraje plamene), protože vzduch proudící kolem plamene jej více ochlazuje a tím zhoršuje spalování, Svíčku sfouknutím zhasneme, protože proudící vzduch odvede teplo od knotu a zchladí plamen pod zápalnou teplotu. Pokud bude vnitřní povrch výfuku automobilu světle našedlý, bude to ukazovat na lepší spalování kapalného paliva v motoru ve srovnání s černým povrchem výfuku. Stejný princip platí u vzhledu částic, které se zachytávají v komínu za kamny či kotlem, ale i v samotném kotli na teplosměnných plochách.
CO je hořlavý plyn, takže pokud je jeho koncentrace vysoká (řádově v procentech), narůstá ztráta plynným nedopalem (pokud by CO v zařízení shořelo, tak by mohlo předat teplo, které by se využilo, ale protože neshořelo, nestalo se tak a tato energie „vyletěla komínem“) a snižuje se účinnost spalovacího zařízení.
4. Účinnost spalovacího zařízení, jak jí doma změřit a dá se zvětšit?
Jak již bylo uvedeno dříve, účinnost spalovacího zařízení vyjadřuje poměr mezi získanou energií (to, co jsme z toho získali, např. ve formě tepla z otopného tělesa – výkon) a přivedenou energií (to, co jsme do toho dodali, spálené palivo – příkon). Jedná se o přímou metodu stanovení účinnosti, která je ovšem pro běžného uživatele těžko aplikovatelná s ohledem na problematičnost stanovení výkonu.
Druhý pohled je nazýván jako nepřímá metoda stanovení účinnosti. Vychází z předpokladu, že ideální stroj či zařízení pracuje s účinností 100 %. Protože žádné reálné zařízení není perpetuum mobile, jeho účinnost je menší než 100 %. Je menší o energetické ztráty, takže můžeme říct, že účinnost je rovna 100 % minus suma jednotlivých ztrát [%].
Zjednodušeně můžeme u malých spalovacích zařízeních hovořit o těchto ztrátách:
- ztráta způsobená únikem hořlaviny v tuhých zbytcích – černý popel obsahuje ještě hořlavinu, která by mohla hořet (při spalování koksu někdy dochází ke spékání a tato ztráta může dosáhnout více než 10 %, při spalování dřeva u krbových kamen můžeme počítat s hodnotou kolem 0,5 %).
- ztráta způsobená únikem hořlaviny ve spalinách (hořlavý plyn CO neshořel a tedy neodevzdal svou energii). U krbových kamen při koncentraci CO do 0,1 % (velmi dobrá kamna) bude tato ztráta přibližně do 1 %, ale při koncentraci kolem jednoho procenta CO může tato ztráta dosáhnout hodnot až 6 %.
- ztráta způsobená únikem tepla v tuhých zbytcích (pouze pokud bychom dávali ven horký popel z popelníku, který při chladnutí postupně odevzdá teplo do okolí, u zařízení s jednorázovou dopravou paliva do kotle a kamen k tomuto běžně nedochází, proto můžeme uvažovat s nulovou hodnotou).
- ztráta způsobená odevzdáním tepla do okolí – záleží na tepelné izolaci kotle, jak je teplý povrch, to se projeví tím, jak velké teplo je v kotelně, tato ztráta se běžně pohybuje do 1,5 %. U krbu, krbových a kachlových kamen, krbové vložky a kuchyňských sporáků se nejedná o ztrátu, protože to jsou zařízení, jejichž cílem je ohřívání vzduchu v místnosti, kde jsou instalována. U těchto zařízení se jedná o výkon zařízení a to je to, co chceme a proč to děláme.
- ztráta způsobená únikem tepla ve spalinách tzv. komínová ztráta (ztráta citelným teplem spalin). Ta představuje část tepla, které tzv. „vyletí komínem“. U dobře pracujících spalovacích zařízení je tato ztráta naprosto dominantní (největší). Proto když se nyní budeme chtít naučit stanovit účinnost spalovacího zařízení, ve kterém doma topíme, budeme hovořit pouze o komínové ztrátě.
Zjednodušeně můžeme říci, že komínová ztráta nejvíce závisí na množství spalin a jejich teplotě. Teplotu spalin jsme schopni jednoduše změřit teploměrem. Ve většině obchodů,v nichž prodávají kamna, si můžete pořídit obyčejný „budíkový“ teploměr (rozsah alespoň do 400 °C), který umístěte tak, abyste změřili teplotu spalin vycházejících ze spalovacího zařízení (mezi spalovací zařízení a komín). Získáte tím první důležitý parametr pro stanovení účinnosti.
Druhým parametrem, který potřebujeme, je informace o množství spalin. Tato hodnota se získává obtížně, ale na druhou stranu souvisí s tím, kolik spalovacího vzduchu se do spalovacího zařízení nasává, tedy s jakým přebytkem spalovacího vzduchu pracujeme. Již jsme si vysvětlili, že každé spalovací zařízení má oblast s optimálním přebytkem spalovacího vzduchu, kde nejlépe pracuje. Také jsme hovořili o tom, že množství spalovacího vzduchu je ovlivněno nejen nastavením všech regulačních prvků (klapky apod.), ale že je důležité i to, jak jsou kamna či kotel těsné. Pokud uzavřeme všechny klapky a plamen hoří stále dál a viditelně nepohasne, je zřejmé, že vzduch je nasáván mimo tyto regulační prvky a nemá smysl je nastavovat, protože nic neregulují. Tyto netěsnosti je třeba nalézt a odstranit (většinou stačí vyměnit těsnicí šňůry ve dvířkách). Až budeme mít vzduch pod kontrolou – změna nastavení regulačních klapek se viditelně odrazí na velikosti a barvě plamene, můžeme těmito klapkami něco nastavit a ovlivnit.
Informace o teplotě a částečně o tom, jak těsné spalovací zařízení máme, nám postačí k tomu, abychom si orientačně stanovili, s jakou účinností palivo spalujeme. S pomocí obr. č. 7 budeme postupovat takto:
- Dle výsledku testu těsnosti a typu spalovacího zařízení si na obr. č. 7 vybereme jednu z křivek, která nejlépe odpovídá naší situaci. Jestliže máme klasická krbová kamna a při uzavření všech regulačních klapek se plamen nijak nezmenšil, naše kamna jsou velmi netěsná a přibližně to odpovídá modré křivce (18 % kyslíku ve spalinách). Znamená to, že množství vzduchu nasávané do kamen se mění jen dle toho, jaký je tah komínu popř. jak máme nastavenu komínovou klapku. Pokud je komín v pořádku, můžeme předpokládat, že množství vzduchu je zbytečně velké a mnoho tepla jde do komínu.
- Během doby jednoho přiložení orientačně změříme průměrnou teplotu spalin za kamny. Např. naměříme teplotu 300 °C.
- Na ose x nalezneme teplotu spalin 300 °C a jdeme směrem nahoru až ke křivce (modrá), která označuje naše kamna – bod „A“. Na svislé ose odečteme hodnotu účinnosti 30 %.
- Výsledek nám tedy říká, že pokud máme netěsná kamna a teplota spalin se pohybuje okolo 300 °C (může to být běžný stav), využíváme teplo obsažené v palivu pouze s účinností 30 % (70 % energie vyhodíme). To jistě stojí za zamyšlení, protože 30 % je dost malá účinnost. Mimochodem, účinnost otevřeného krbu se pohybuje kolem 10 %. Neznamená to, že bychom se neohřáli, ale že ve srovnání s kamny o účinnosti např. 50 % spálíme v otevřeném krbu přibližně pětkrát více paliva.
Obr. č. 7 Orientační závislost účinnosti spalovacího zařízení na teplotě spalin a těsnosti spalovacího zařízení
Pokud chceme snížit spotřebu paliva (zvýšit účinnost), graf nám názorně ukazuje, jaké máme možnosti pro zlepšení. Pokud přijdeme na to, kde máme největší netěsnosti a odstraníme je (většinou stačí vyměnit těsnící šňůru), můžeme se posunout na oranžovou křivku do bodu „B“. Tím jsme zásadním způsobem zvýšili účinnost z původních cca 30 % na 65 % a naše spotřeba paliva klesne na polovinu. Jak se to mohlo stát? Nehovoříme o tom, že budeme mít vzduchové klapky uzavřené, právě naopak, nyní klapkami regulujeme potřebné množství vzduchu, ale co se zásadně změnilo, je to, že jsme omezili přívod falešného vzduchu. Nyní je podstatně menší množství spalin, protože máme částečně vzduch pod kontrolou a regulujeme jeho množství klapkami (menší množství vzduchu znamená menší množství spalin a tím tedy i menší komínovou ztrátu).
Graf naznačuje, jaké máme další možnosti zvýšení účinnosti. Pokud snížíme teplotu spalin, které vychází z kamen, snížíme množství tepla vycházejícího komínem ven, a tím opět zvýšíme účinnost. Teplotu spalin snížíme množstvím spalovaného paliva (musíme méně přikládat), nastavením vzduchových klapek a intenzitou chlazení kamen (u klasických krbových kamen to moc neovlivníme, u teplovodních kamen pomůžeme zvýšit průtok otopné vody, snížit teplotu vratné vody, u krbových vložek intenzitu chlazení zvýšíme otevřením všech klapek ohřívaného vzduchu nebo zapnutím ventilátoru ohřívaného vzduchu). Pokud teplotu spalin snížíme na hodnotu 250 °C, dostaneme se do bodu „C“, v němž jsme již na účinnosti kolem 70 %. Při teplotě 200 °C by byla účinnost kolem 77 % (bod „D“).
Teplotu spalin bychom u krbových kamen měli udržovat v rozsahu od 150 do 300 °C. U teplovodních kotlů by to mělo být cca od 150 do 250 °C. Pokud bude teplota moc vysoká, „vyletí“ nám mnoho tepla komínem. Ale pozor, teplotu spalin nemůžeme snižovat donekonečna, protože pokud budou spaliny moc studené (pod 150 °C, záleží na složení spalin – obsah vody a SO3), může dojít ke kondenzaci dehtů a vodní páry a při nízké teplotě spalin může být i problém s malým tahem komínu. Kondenzace snižuje životnost komínu a spalovacího zařízení. Opět se zde jedná o kompromis, kdy spalinám odebereme co nejvíce tepla pro potřeby vytápění, ale jen do té míry, aby nám nezkorodoval kotel či kamna a „přežil“ komín (koroze, vlhnutí zdiva).
Obr. č. 9 Orientační stanovení příkonu z hodinové spotřeby dřeva
Často se hovoří o tom, jaký výkon provozované spalovací zařízení má. Zde je na místě selský rozum, který říká, že to hlavně bude záležet na tom, kolik paliva budeme spalovat, tedy na příkonu. Pokud si orientačně určíte hodinovou spotřebu paliva, na obr. č. 9 si můžete nalézt, jaký příkon v kW to bude představovat. Takže např. pokud spálíte 3 kg suchého dřeva za hodinu, jedná se o příkon 39,3 MJ/h, což znamená (děleno 3,6) příkon 10,9 kW. Při sedmdesátiprocentní účinnosti kamen bude jejich výkon7,6 kW. Detailnější bilanční rozbor této situace je na obr. č. 8.
Obr. č. 8 Schématicky vyjádřená bilance spalování suchého dřeva v krbových kamnech
O tom jak lépe topit a co pro to dělat hovoříme na naší „Edukativní show: Smokeman zasahuje“, se kterou jezdíme po městech země České a Moravské, více zde: http://vec.vsb.cz/cz/zkusebna/edukativni-show-smokeman-zasahuje.html.
5. Produkce škodlivin z lokálních topenišť
V obecném měřítku existují dva faktory, které ovlivňují kvalitu ovzduší kolem nás:
- rozptylové podmínky,
- množství emisí znečišťujících látek.
Zatímco první faktor může lidská vůle jen těžko ovlivnit, na tom druhém má také svůj podíl společně s průmyslem a dopravou téměř 600 tisíc domácností, které jsou vytápěny spalováním tuhých paliv.
V domácnostech mají lidé čtyři pomyslné stupně volnosti, neboli možnosti, jak optimalizovat vytápění vlastního domu. Jde o to, v čem spalujeme, co spalujeme, kdo topí (jak to umí) a jak se o spalovací zařízení a komín staráme. Každý z uvedených čtyř faktorů má zásadní vliv na množství emisí znečišťujících látek.
Bilance znečišťujících látek provádí ČHMÚ http://portal.chmi.cz/files/portal/docs/uoco/oez/emisnibilance_CZ.html a všechna níže uvedená data pocházejí z tohoto zdroje. Vlastní bilance vychází ze spotřeby paliva a emisního faktoru, který vyjadřuje množství znečišťující látky emitované spálením jednotkové hmotnosti paliva (např. kg prachu na tunu paliva). Výše uvedené čtyři faktory zásadním způsobem (mnoho řádové rozdíly) ovlivní hodnotu emisního faktoru a to představuje omezení samotné bilance. Bilance pracuje s „průměrnými“ hodnotami emisních faktorů, které odpovídají spalování předepsaného paliva, kvalitní obsluhou při jmenovitých podmínkách. Tyto podmínky v reálném provozu nastanou jen omezeně, a proto je pravděpodobné, že výsledky bilance emisí z lokálních topenišť jsou spíše podhodnoceny. Ve výsledcích bilance není zahrnuto spalování nekvalitních paliv, vliv špatné obsluhy ani vliv sníženého výkonu spalovacího zařízení včetně špatné údržby.
Každý z provozovatelů spalovacího zařízení může částečně ovlivnit množství emisí. Z pohledu produkce znečišťujících látek u starších kotlů (prohořívací a odhořívací), je lépe přikládat častěji a menší dávku paliva. Po přiložení nechat palivo rozhořet, neuzavírat přívody spalovacích vzduchů. Moudrý člověk, pokud topí dřevem, tak je nechá vysušit aspoň dva roky, protože ví, že bude mít více tepla, spálí méně dřeva, méně se mu kouří z komínu a prodlouží životnost spalovacího zařízení.
Existuje mnoho znečišťujících látek, které jsou při spalování tuhách paliv emitovány. V současné době považujeme za nejproblematičtější emise prachu a polycyklyckých aromatických uhlovodíků (PAU). Dle výsledků bilancí (ČHMÚ) jsou tradičně největším znečišťovatelem ovzduší (emise prachu) u nás dopravní exhalace, které se na celkových emisí prachu podílejí 49 %. Samotné domácnosti se však dle bilance s 31 % stávají druhým největším znečišťovatelem ovzduší v České republice, viz obr. č. 10 (2009). V případě monitorování pouze stacionárních zdrojů znečištění by se však podle dat ČHMÚ podílely české domácnosti na celkové produkci prachu více jak 60 %. Průmysl se na znečišťování ovzduší v ČR podílí 27 %, viz obr. č. 11. Jedná se o statistická data, která jsou poplatná použité metodice. Jedná se o průměrné roční hodnoty, které nijak nepostihují smogové situace.
Obr. č. 10 Bilance emisí prachu ze všech zdrojů znečištění v ČR 2009 dle ČHMÚ
Obr. č. 11 Bilance emisí prachu ze všech stacionárních zdrojů znečištění v ČR 2009 dle ČHMÚ
Také použité emisní faktory představují průměrné hodnoty pro daný druh paliva. Tyto emisní faktory nijak nezahrnují vliv obsluhy spalovacího zařízení, vliv nekvalitního paliva ani vliv špatné údržby zařízení a komínu. Na Výzkumném energetickém centru (http://vec.vsb.cz/cz/) jsme dělali rozsáhlou experimentální kampaň a navrhli jsme nové emisní faktory pro jednotlivá paliva. Na obr. č. 12 jsou uvedeny hodnoty nově navržených emisních faktorů, včetně jejich porovnání s hodnotami emisních faktorů dnes používanými u nás a v Evropě. Na obr. č. 13 je uvedeno, kolik prachu vyprodukuje (vyletí komínem) jeden dům, který bude vytápěn spalováním tuhých paliv. Výsledky byly získány při spalování různých typů paliv (HU – hnědé uhlí, ČU – černé uhlí, buk, smrk, BIO pelety – vyšší hodnota byla z kukuřičné slámy a nižší z dřevních pelet), které byly spalovány v různých spalovacích zařízeních. Výsledky ukazují na výrazný vliv typu spalovacího zařízení. Moderní kotle (automatické a zplyňovací) vyprodukují podstatně méně emisí znečišťujících látek, než kotle zastaralých konstrukcí (prohořívací a odhořívací). Výsledky nezohledňují nekvalitní obsluhu a špatnou údržbu, stejně tak zda spalované palivo bylo suchá biomasa anebo tříděné uhlí. Pokud bychom spalovali nekvalitní palivo (mokré dřevo, netříděné uhlí, odpady apod.) nebo špatně obsluhovali spalovací zařízení (špatně nastavení vzduchových klapek), došlo by podstatným způsobem k navýšení uvedených hodnot emisí prachu.
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
Obr. č. 12 Porovnání stanovených emisních faktorů s dnes používanými
Obr. č. 13 Roční produkce prachu při vytápění jednoho rodinného domu různými palivy v různých spalovacích zařízeních
Obr. č. 14 Fotografie z akce „Smokeman zasahuje“ – 9. 2. 2012 Masyrykovo náměstí Ostrava
Obr. č. 15 Kuchyňský sporák při testování na zkušebně
Obr. č. 16 Pohled na zkušebnu Výzkumného energetického centra (budova VEC II)
According to the results of tests of the Research Energy Centre Technical University Ostrava, each operator of combustion plant can partially affect emissions. For older boilers it is better to give a smaller dose of fuel more often. After adding the fuel it is better to let it burn up, not close the inlets for combustion air.