Kondenzační uhelné kotle – nechtěné dítě ekodesignu

Motto:

Rosný bod spalin je jedním z činitelů, které stojí v cestě zmenšování komínové ztráty snižováním teploty spalin na výstupu z kotle [4].

Pokud vám název článku přijde nesmyslný, protože výrobci přeci žádné uhelné kondenzační kotle nenabízejí, pak vězte, že autor článku se nepomátl a vy nemáte tak úplně pravdu. Po domácím trhu se „pohybuje“ již několik převážně automatických kotlů na uhlí, které bez jakýchkoliv diskuzí snesou označení kondenzační. Pokud se tedy shodneme na definici, že kondenzačním kotlem je takový kotel, v jehož výměníku teplota spalin při běžném provozu klesla pod jejich rosný bod. Výrobci o této „vlastnosti“ svých výrobků povětšinou ani neví, protože v oboru malých kotlů na pevná paliva je dlouhodobě zakořeněno klišé, že zamezení nízkoteplotní korozi (tedy kondenzaci spalin v kotli) lze docílit udržováním teploty vratné vody nad 60 °C. Navíc se ani není čím moc chlubit. Snížením komínové teploty o několik desítek °C lze sice docílit zvýšení účinnosti (snížením o 10 °C lze u automatických kotlů dosáhnout zvýšení účinnosti o 0,5 až 0,8 %) [1], ovšem nechtěný kondenzační provoz může přinést značné provozní problémy jak samotnému kotlovému tělesu, tak také spalinovým cestám (komínu).

Mottem z úvodu se řídily generace konstruktérů kotlů na pevná paliva. Zdá se, že tabu snižování teploty spalin po desetiletích padlo.

Virtuální ekodesign

Nároky na teplotechnické vlastnosti kotlů na pevná paliva, tedy jejich emise a účinnost, se za posledních pět let neúměrně zvýšily. Rozdíl mezi třídou 3 (legislativně zakotvené maximum v roce 2012) a ekodesignem, požadovaným nyní u dotovaných kotlů, znamená až desetinásobné snížení emisí a zvýšení požadavků na minimální účinnost ze 75 % na téměř 90 %. Zvláště u kotlů na uhlí znamenají „ekodesignové“ požadavky posun na hranici dosažitelného. Pokud tedy předpokládáme, že teplovodní kotel do běžné domovní kotelny nemá dosahovat technické úrovně (a tím i ceny, nároků na obsluhu a kvalitu paliva) malého jaderného reaktoru (expresivně řečeno). Můžeme namítnout, že žijeme v 21. století, avšak velké množství lidí, spalujících uhlí, žije ekonomicky stále v polovině století 20. Vysokých ekodesignových nároků tak docílí nové kotle za dodržení přísných požadavků na kvalitu obsluhy, paliva a optimálního komínového tahu, čehož lze zpravidla dosáhnout pouze v laboratorních podmínkách zkušebny. Naopak jsou velice citlivé na sebemenší změnu optimálních podmínek, což často vede k tomu, že v běžném provozu pak nedosahují ani teplotechnických parametrů „obyčejných“ kotlů třídy 4 či dokonce třídy 3.

Problém kondenzace spalin je spojen s vysokým požadavkem na minimální účinnost, který je 77 % pro kotle se jmenovitým výkonem nad 20 kW. Účinnost podle ekodesignu je vztažena ke spalnému teplu paliva, takže převedeno na běžně používanou výhřevnost paliva, je požadavek na klasickou účinnost na hranici 88–89 % (dle jmenovitého výkonu). Takto vysoké účinnosti lze docílit především radikálním snížením komínové ztráty, tedy snížením teploty spalin, řádově na hodnotu 140–160 °C. Ovšem někteří výrobci v honbě na zákazníka snižují teplotu spalin podstatně více, a to až pod hranici 100 °C při jmenovitém výkonu. Tím dosáhnou teoreticky účinností i nad 95 %, ale jak se dozvíme dále, uvádějí již na trh kondenzační kotel se všemi s tím spojenými potenciálními provozními problémy.

Rosný bod spalin

Problematika rosného bodu spalin je poměrně složitá, a hlavně u teplovodních kotlů na pevná paliva malých výkonů dosti podceňovaná. Existuje několik empirických vztahů, kterými lze vypočíst teplotu rosného bodu spalin. Poměrně podrobně jsou tyto výpočty popsány u velkých parních kotlů, u malých teplovodních zdrojů je nejpoužívanějším postup definovaný v „kominické“ normě ČSN EN 13384-1 [2].

Pokud klesne teplota spalin pod teplotu rosného bodu, začínají kondenzovat směsi par, které spaliny obsahují. Hodnota teploty rosného bodu ovšem závisí na mnoha faktorech, především druhu paliva (obsah vody, vodíku, síry, …) a konstrukci ohniště (přebytek vzduchu, koncentrace popílku).

Obr. 1 Vliv přebytku vzduchu na teplotu rosného bodu vodní páry dle [2]

S rostoucím obsahem vody ve spalinách roste i jejich teplota rosného bodu. Smícháním „vlhkých“ spalin s relativně suchým vzduchem se jejich vlhkost snižuje. To tedy znamená, že i se zvyšujícím se přebytkem vzduchu ve spalinách se jejich teplota rosného bodu snižuje (obr. 1).

Z tohoto důvodu u starších kotlů, které spalovaly palivo s velkým přebytkem vzduchu 2 až 3, byla hodnota rosného bodu spalin nižší než u kotlů moderních, které se snaží snížit komínové ztráty právě snížením přebytku vzduchu na hodnoty 1,3 až 1,8. Pokud známe přibližně vlhkost paliva a přebytek vzduchu (resp. Koncentraci CO₂, lze s velkou přesností stanovit rosný bod čisté vodní páry ve spalinách. Výpočtem dle [2] lze zjistit, že při spalování kusového dřeva o vlhkosti 23 % a za přebytku vzduchu 2 (optimální stav pro kotle s ručním přikládáním) je „čistá“ teplota rosného bodu přibližně 47 °C. Při spalování hnědého uhlí s přebytkem vzduchu 1,6 (což je běžný standard pro automatické kotle) řádově 42 °C.

Ovšem spaliny nejsou zcela čisté. Popílek ve spalinách tvoří kondenzační jádra, což teplotu rosného bodu zvyšuje. Podobný vliv mají i různé kyseliny, které při spalování pevných paliv vznikají. Karboxylové (organické) kyseliny octová a mravenčí při spalování biomasy jen nepatrně, zato kyselina sírová, vznikající při spalování sirnatého uhlí, má na velikost teploty rosného bodu vliv zásadní. Nahlédnutím do zmíněné kominické normy zjistíme, že pro kusové dřevo je počítáno s přírůstkem teploty rosného bodu (navýšení oproti teplotě rosného bodu vodní páry) o 15 °C, zato u hnědého uhlí je nutné připočíst 80 až 90 °C (podle sirnatosti paliva a podílu SO₃ ve spalinách).

Mechanismus kondenzace spalin z hnědého uhlí

Z výše popsaného vyplývá, že při spalování hnědého uhlí v automatickém kotli za relativně nízkého přebytku vzduchu 1,6 až 1,8 se ve spalinách tvoří směs par H₂O + H₂SO₄, která má teplotu rosného bodu na hranici 120 až 130 °C.

Při této teplotě vzniká relativně zanedbatelné množství kondenzátu vodní páry a tvoří se především kondenzát vysoce koncentrované kyseliny sýrové, která má na materiály na bázi železa malý korozní vliv, protože povrch kovu tzv. pasivuje (vytváří ochrannou vrstvu FeSO₄). S klesající teplotou však vzniká stále více kondenzátu z vodních par, který kyselinu sírovou ředí. S klesající koncentrací se kyselina stává pro železo stále více agresivnější (porušuje ochrannou vrstvu a napadá povrch).

Obr. 2 Závislost tvorby kondenzátu na teplotě stěny t_st [4]

Při poklesu teploty asi o 20 až 40 °C pod teplotu rosného bodu směsi nastává první maximum tvorby kondenzátu, poté intenzita kondenzace klesá a druhé maximum nastává v oblasti teploty kondenzace vodní páry, tedy mezi 30 až 40 °C [3]. Průběh tvorby kondenzátu směsi v závislosti na teplotě je názorně vidět na grafu (obr. 2). V grafu je znázorněna závislost nízkoteplotní koroze na teplotě stěny (t_st) výparníku parního kotle. Vzhledem k tomu, že v parních kotlích megawattových výkonů se spaluje uhlí (prášek) s minimálním přebytkem vzduchu (1,1–1,2), je v grafu teplota rosného bodu směsi H₂O + H₂SO₄ (t_r) posunuta až k hodnotě 160 °C a první maximum tvorby kondenzátu (koroze) je při teplotě na hranici 110 °C. U teplovodních kotlů s teplotou rosného bodu spalin pod 130 °C lze tedy předpokládat posunutí prvního maxima tvorby kondenzátu k hranici 100 °C.

Co to tedy znamená? Především to, že požadavek na udržení teploty vratné vody nad hranicí 60 °C brání vzniku druhého maxima tvorby kondenzátu. To má význam, protože v oblasti druhého maxima je tvorba kondenzátu největší, a navíc je koncentrace H₂SO₄ v kondenzátu v rozmezí okolo 20 až 40 % [3]. Z grafu je zřejmé, že právě při této koncentraci intenzita koroze rapidně roste. V rozmezí teplot otopné vody v kotlovém tělese (stěn výměníku) 60 až 80 °C je tvorba kondenzátu relativně malá. Ale především, u kotlů, ve kterých proudí spaliny s teplotou nad rosným bodem, kondenzují ve výměníku pouze v tenké mezní vrstvě u jeho „studených“ stěn. Pokud je ovšem teplota spalin na výstupu z kotle o desítky stupňů nižší jak rosný bod, je jisté, že k prvnímu maximu tvorby kondenzátu došlo v celé vrstvě spalin již přímo v kotli, tedy nikoliv pouze v malém množství u studených stěn výměníku. Navíc při sníženém výkonu, kdy je teplota spalin nižší o 30 až 50 °C oproti výkonu jmenovitému, je víc než jisté, že v tělese komína dojte i k dosažení druhého maxima kondenzace, kdy se tvoří množství vysoce agresivního kondenzátu.

Jaké to má důsledky?

Pokud očekáváte významný přínos na zvýšení účinnosti „kondenzačních“ uhelných kotlů nad pověstných 100 % (vzhledem k výhřevnosti uhlí), pak vás zklamu. O tom by se dalo uvažovat v případě, že by přímo v kotli zkondenzovala velká část vodní páry, tedy že by teplota spalin v kotli klesla ke svému druhému maximu. Při kondenzaci nad prvním maximem můžeme uvažovat (snad) se zvýšením účinnosti v řádu jednotek %. To se dá odhadnout i z čísel, která uvádějí někteří výrobci, kdy deklarovaná celková účinnost je o něco vyšší, než by odpovídalo komínové ztrátě. I když zde hraje svou roli i faktor „korektnosti“ deklarovaných parametrů vzhledem k praxi.

Očekávat můžeme především negativa. Zvýšená tvorba agresivního kondenzátu má za důsledek nízkoteplotní korozi ocelových i litinových stěn výměníků. Neblahé důsledky lze rozhodně po čase očekávat v tělese komína, kdy i nerezové vložky již po relativně krátké době zaznamenávají plošnou korozi vlivem silně kyselého prostředí [5].

Na stěnách výměníku i ve spalinových cestách se s kondenzátem pojí saze (nespálený uhlík) a při spalování uhlí především popílek, což má za důsledek tvorbu nánosů, a tím postupné snižování účinnosti. Nánosy neochrání výměník před další korozí, protože nezabrání difuzi SO₂ a SO₃ k jeho stěnám [3].

Literatura

1. Lyčka Z.: Dřevní peleta, LING Vydavatelství, Krnov, 2011.
2. ČSN EN 13384-1:2016 Komíny – Tepelně technické a hydraulické výpočtové metody – Část 1: Samostatné komíny, ÚNMZ, Praha, 2016.
3. VILIMEC V. : Stavba kotlů II, SNTL, VŠB-TU, Ostrava, 2008.
4. ČERNÝ V., HRDLIČKA L., JANEBA B., KARTÁK J., PIKMAN M.: Parní kotle a spalovací zařízení, SNTL, Praha, 1975 2.
5. BLAHETOVÁ M., HORÁK J., KUBESA P., LASEK S., OCHODEK T.: Hodnocení korozního napadení komínových vložek, Koroze a ochrana materiálů, 2016, roč. 2016/2, č. 60 (2), s. 50–58. ISSN 1804-1213.