Uhlí za nic nemůže (III)
Provozní zkoušky kotlů
Ve zkušebně Výzkumného energetického centra VŠB-Technické univerzity v Ostravě byly v poslední době prováděny rozsáhlé spalovací zkoušky na moderních uhelných kotlech domácí produkce. Byly zaměřeny zejména na hodnocení kvality spalovacího procesu, tj. účinnost spalování a emisní koncentrace škodlivin a na hodnocení účinnosti odsíření při použití aditivovaného paliva.
Současnou nabídku kotlů s otáčivým roštem představují kotle typu VARIMATIK ve výkonové řadě od 25 do 500 kW a kotle typu EKOEFEKT a CARBOROBOT pro výkony od 34 do 290 kW. Představiteli systému spalování se šnekovým dopravníkem a retortou jsou kotle VIADRUS LING s výkony 25 a 40 kW. Zkoušky byly prováděny na výkonově nejmenších jednotkách a pro srovnání byly doplněny také zkouškami klasického kotle s velkoprostorovým ohništěm pro jednorázové přikládání o stejném výkonu. Byl při nich měřen výkon kotle a jeho účinnost a prováděna kontinuální analýza spalin. Právě její výsledky nejlépe charakterizují rozdíly mezi klasickým kotlem a kotlem s kontinuálním přívodem uhlí do ohniště.
Obr.5 Časový průběh emisních koncentrací - klasický kotel
Obr.6 Časový průběh emisních koncentrací - kotel s kontinuálním přívodem paliva
V prvním případě byla do kotle, vyhřátého na provozní teplotu, přiložena najednou dvouhodinová dávka uhlí. Celá tato dávka se postupně ohřívala, uvolňovala prchavou hořlavinu, která se zapalovala, ale díky nízké teplotě se zčásti spálila pouze na oxid uhelnatý, jehož koncentrace ve spalinách dosáhla po čtvrthodině více než pěti procent. Podobný trend je zaznamenán u oxidu siřičitého, jehož koncentrace ovšem závisí na obsahu spalitelné síry v uhlí. S rozvojem spalovacího procesu klesá obsah kyslíku ve spalinách a ve fázi největší rychlosti hoření (a také nejvyšší teploty spalin) je ho v ohništi evidentní nedostatek. Koncentrace oxidu uhelnatého klesne na přijatelné hodnoty teprve po více než půlhodině a právě tato půlhodina kazí dobré jméno uhlí. Do komína odcházejí spaliny s vysokým obsahem oxidu uhelnatého, najdeme zde vysoké koncentrace polyaromatických uhlovodíků, sirovodíku a nespálených jemných tuhých částic. Vznikají nepříjemné a nezdravé "nízké emise", které zejména při inverzní situaci dovedou znepříjemnit život, a které vyvolávají protesty.
Zkouška s kontinuálním přívodem paliva ukazuje zcela odlišný průběh všech sledovaných složek spalin (při srovnávání je třeba si všimnout rozsahu jednotlivých veličin, uvedených na grafech). Poměrně rychlé změny koncentrací jsou dány regulací výkonu, tedy tím, že je palivo dopravováno přerušovaně v několikasekundových intervalech. Provoz s trvalým přívodem uhlí do ohniště by přirozeně toto kolísání podstatně vyrovnal. Těžko si ale lze představit kotel pro vytápění s konstantním, nebo jen málo regulovatelným výkonem. Podstatná je především nízká emisní koncentrace oxidu uhelnatého. Jestliže dosáhla v prvním případě hodnoty přes pět procent, zde je náhodné maximum na úrovni 4500 ppm a průměrná hodnota kolem 2500 ppm, tj. 0,25 %. Jde tedy o řádový rozdíl, což výrazně zvýší účinnost spalování a je jisté, že se podobně sníží emisní koncentrace všech ostatních spalitelných škodlivin. Jednoduše řečeno škodliviny shoří v ohništi dříve, než se dostanou do komína. A je důležité poznamenat, že bylo v obou případech spalováno stejné uhlí, což vede k závěru: neexistuje špatné uhlí, může však existovat špatný kotel. Uhlí za to nemůže!
Jedinou škodlivinou, jejíž emisní koncentraci nelze ovlivnit řízením spalovacího procesu, je oxid siřičitý. Jeho množství ve spalinách je dáno obsahem spalitelné síry v uhlí a z jednoho gramu síry v uhlí vzniknou spálením dva gramy oxidu siřičitého ve spalinách. Odsíření spalin je proces, kterým se plynný oxid siřičitý naváže na tuhou fázi v popelu. K tomu účelu se do ohniště přivádí vhodný alkalický sorbent, aditivum, nejčastěji mletý vápenec, nebo vápenný hydrát. Nejjednodušší způsob jak dostat aditivum do ohniště je smíchat ho s uhlím. U malých kotlů je to zřejmě jediný reálný způsob a nabídky aditivovaného uhlí již existují.
Je jednoduché smíchat uhlí s potřebným množstvím vápence a dopravit ho do ohniště. Jenže to nestačí. K tomu, aby odsiřovací reakce proběhla dostatečně efektivně je nutné vytvořit vhodné podmínky a reagenty se musí potkat ve správném čase na správném místě. Tady je kámen úrazu. Jestliže hoří velké množství najednou přiloženého uhlí v objemném ohništi, je ve vrstvě uhlí silný nedostatek kyslíku a síra nemůže shořet na oxid siřičitý. Za těchto podmínek přecházejí organicky vázané sloučeniny síry do plynné fáze jako sirovodík, organické sulfidy a další sirnaté organické látky. Ve vrstvě uhlí je sice přítomno aditivum, ale není zde oxid siřičitý. Odsiřovací reakce nemůže proběhnout.
Produkty nedokonalé oxidace síry dooxidují na oxid siřičitý až v prostoru ohniště nad vrstvou uhlí, kde zase není aditivum. Na průběhu emisních koncentrací pro tento případ je vidět opoždění tvorby oxidu siřičitého více než 10 minut a v této fázi hoření byla ve spalinách naměřena koncentrace sirovodíku téměř 120 mg/m3. Odsiřovací efekt při použití aditivovaného paliva bude u těchto kotlů velmi malý.
Jiná situace vzniká při kontinuálním přívodu paliva. Princip činnosti takového ohniště napovídá, že v něm bude oxidační prostředí a problém s nedokonalou oxidací síry výrazně ztratí na významu. Okamžité koncentrace oxidu siřičitého budou řádově nižší a je zde větší možnost vzájemného styku sirnatých spalin s aditivem. Výsledky spalovacích zkoušek na obou užívaných spalovacích systémech to potvrzují. Účinnost odsíření při použití aditivovaného uhlí na kotli s otáčivým roštem se pohybovala kolem 16 % a při spalování v retortě v rozsahu cca 30 - 45 %. Tento rozdíl lze logicky vysvětlit. Při pohybu otáčivého roštu se uhlí postupně mění v popel, zatímco hořící uhlí v retortě je pokryto vrstvou popela, kterou musí spaliny procházet. Aditivum je součástí vrstvy popela, jejíž výška bývá až 10 cm. Dosáhnout úrovně odsíření na hranici padesáti procent je v podmínkách malých uhelných kotlů znamenitý výkon.
Výzkumné energetické centrum se systematicky věnuje problematice spalování uhlí a obecně tuhých paliv v ohništích kotlů malých výkonů. Jeden z řešitelů tohoto úkolu, pan. Ing. Horák, shrnul získané poznatky do disertační doktorské práce, v jejímž úvodu si položil otázku: "Patří uhlí do malých kotlů?" Po cca stovce stran výkladů, argumentů, výsledků a analýz odpověděl: "Ano, ale ne do těch, které dnes téměř všichni užívají."
Uplatnit moderní uhelné kotle na trhu nebude snadné. Pro ně hovoří nesrovnatelně vyšší uživatelský komfort, vyšší účinnost a výrazně nižší emisní koncentrace škodlivin. Při rozhodování bude protiargumentem vyšší cena kotle i uhlí a nemožnost spálit v kotli cokoliv. Podporovat používání těchto kotlů by měly vedle výrobců také těžební společnosti a nepochybně i státní instituce. Jde o české uhlí, české technologie a českého uživatele.