Automatický kondenzační kotel pro spalování biomasy s vysokou vlhkostí

Kondenzační kotle menších výkonů se téměř výhradně uplatňují jen v oblasti spalování plynných a kapalných paliv, jež se vyznačují poměrně vysokou čistotou spalin. V případě biomasy se tento typ kotle nejčastěji používá ke spalování pelet, které mají velmi nízkou vlhkost (zpravidla do 5 % hmotnosti). Kondenzační kotle menších výkonů na spalování biomasy s vyšším podílem vlhkosti, jakou je například štěpka, se dosud na trhu nevyskytují.

Při spalování mokré biomasy je značná část získaného tepla vázána ve vodní páře, která vznikla hořením vodíku a odpařením vody v palivu. U běžných kotlů za standardních podmínek přechází pára společně se spalinami volně do atmosféry, čímž je tato energie mařena. Podstatou kondenzačního kotle je zajistit využití tohoto potenciálu, a to ochlazením spalin pod rosný bod tak, aby došlo ke kondenzaci páry a uvolnění latentního tepla pro ohřev topné vody. Při vývoji automatického kondenzačního kotle schopného spalovat dřevní štěpku s vlhkostí vyšší než 40 % byly posuzovány veškeré aspekty související s touto problematikou, přičemž sledovány byly především tyto cíle:

• plynulá doprava a skladování vlhkého paliva v zásobníku kotle
• automatické zapálení paliva a udržení stabilního a efektivního spalovacího procesu
• předsoušení paliva
• samočistění teplosměnných ploch výměníků
• využití skupenského tepla spalin kondenzační jednotkou
• optimalizace řídicího softwaru

Nový kondenzační kotel byl navržen na pracovišti Výzkumného energetického centra v rámci výzkumného projektu Pre-seed aktivity VŠB-TUO – Energetické zdroje, jehož účelem je podpora komercializace nadějných technologií a vynálezů s vysokým aplikačním potenciálem v oblasti energetických zdrojů. Vyvinutý automatický kondenzační kotel je koncipován jako modulární systém, kdy jednotlivé dílčí prvky na sebe navazují a umožňují rozmanité řešení vzájemného uspořádání technologie s ohledem na konkrétní místo instalace. Toto řešení rovněž nabízí značnou variabilitu, díky které je možné dosáhnout výkonového rozsahu 10 až 500 kW. Mezi základní komponenty celého systému patří:

Pohled na sestavu kotle (kondenzační jednotka vzadu)

• zásobník paliva s vibračním mechanismem pro boření klenby
• šnekový podavač paliva
• těleso kotle se spalovací komorou a výměníkem
• odpopelňovací zařízení
• spalinový ventilátor
• kondenzační jednotka
• řídicí jednotka

Navržený kondenzační kotel je vybaven kondenzačním výměníkem, který je buď přímo součástí výměníku kotle, nebo je umístěn na kanálu odvodu spalin před či za spalinovým ventilátorem jako samostatná jednotka. Spaliny předávají teplo nejdříve v kotlovém výměníku a poté jsou převáděny do kondenzačního výměníku, kde jim je odnímáno latentní teplo za současného procesu kondenzace vodní páry. Kondenzační výměník je s ohledem na agresivní prostředí vyroben z korozivzdorného materiálu. Vnitřní uspořádání je protiproudé umožňující samočištění teplosměnných ploch.

Speciální hořák zabudovaný do spalovací komory

Pro spalování méněhodnotných paliv především rostlinného původu je možné použit speciální hořák z žáruvzdorné oceli. Jedná se o hořák, který díky své konstrukci dovoluje spalovat biomasu s vysokou relativní vlhkostí. Nové je řešení přívodu paliva, kdy dochází k dosušování paliva a zápalu již vysušeného paliva před zapálením na rovině roštového hořáku. Díky tomu se zapálení účastní palivo již předsušené a nedochází ke zvýšení látek TOC ve spalinách. Úpravou konstrukce byl zvýšen výkon hořáku prostřednictvím zvětšení plochy hořícího paliva.

Při spalování štěpky o vlhkosti 40 % se kondenzační jednotka podílí na celkovém tepelném výkonu cca 10 %, přičemž existují dvě výkonově srovnatelná provedení kondenzační jednotky:

• dvoukomorová s trubkovým výměníkem
• válcová jednokomorová s vinutým spirálovým výměníkem

Dvoukomorová kondenzační jednotka

Jednokomorová spirálová kondenzační jednotka

Laboratorní analýzou odebraného kondenzátu bylo zjištěno, že obsahuje 0,13 µg/l polycyklických aromatických uhlovodíků (limit pro odpadní vody s vyústěním na ČOV je 10 µg/l), 2,2 mg/l fenolů (limit 10 mg/l), 190 mg/l nerozpuštěných látek (limit 700 mg/l) a pH kondenzátu odpovídalo hodnotě 5,4 (limitní hodnoty pro odpadní vody jsou v mezích 6–9). Tímto bylo doloženo, že veškeré limity pro vypouštění do kanalizace s vyústěním na ČOV kondenzát splňuje. Tímto bylo doloženo, že veškeré limity pro vypouštění do kanalizace s vyústěním na ČOV s výjimkou pH kondenzát splňuje. Nižší pH bývá obvyklé u nízkoteplotních kotlů (i pod 4) a z hlediska ČOV se jedná o přínos, jelikož splašky obecně jsou spíše zásadité povahy. Kyselejší kondenzát může činit potíže především u choulostivých kanalizací. Současné materiály pro kanalizace však vykazují vesměs dostatečnou odolnost.

Spalované palivo (obsah vody 40 %) a zachycený kondenzát

Experimentální měření dále prokázala schopnost kotle plnit požadavky nové legislativy. Naměřené koncentrace plynných emisí a prachu se nacházejí pod mezními hodnotami koncentrací definovaných pro emisní třídu 3 dle normy ČSN EN 303-5.

Modulární automatický teplovodní kondenzační kotel pro spalování vlhké dřevní štěpky je vhodný pro nasazení v dvouokruhových vytápěcích systémech (např. podlahové a radiátorové), přičemž teplotní úroveň vratné topné vody by neměla přesahovat 45 °C, aby byla zajištěna spolehlivá kondenzace vlhkosti obsažené ve spalinách. S využitím kondenzační jednotky se dosahovaná účinnost pohybuje kolem 100 % (vztaženo k výhřevnosti paliva). Veškerá experimentální měření byla uskutečněna na zařízení o jmenovitém tepelném výkonu 40 kW.

Technologie byla vyvinuta v rámci projektu Pre-seed aktivity VŠB-TUO – Energetické zdroje, č. CZ.1.05/3.1.00/13.0282, OP VaVpI, který je spolufinancován z Evropského fondu pro regionální rozvoj.