Co nejvíce ovlivní Tvůj kouř?

1. Úvod

Přibližně 20 % českých domácností je vytápěno spalováním tuhých paliv v malých spalovacích zařízeních [1], které se významně podílí na znečištění ovzduší v období topné sezóny. Zjednodušeně můžeme říci, že existují čtyři základní parametry, které zásadním způsobem ovlivní množství emisí znečišťujících látek, tedy náš kouř. Jde o to, v čem topíme, čím topíme, kdo topí a jak se o spalovací zařízení (kotel, kamna) a komín staráme.

2. V čem topíme? – typ spalovacího zařízení

Pro většinu uživatelů je spalovací zařízení „krabice,“ do které se jedním otvorem dává palivo a jiným vybírá popel. Když starý kotel či kamna doslouží, často to vypadá tak, že zákazník jen ví, z jakého materiálu má být jeho nový kotel vyroben (např. z litiny), ale nemá žádnou představu o tom, že existuje více typů spalovacích zařízení. Protože právě typ užívaného zařízení zásadním způsobem ovlivní kvalitu spalovacího procesu, je tedy žádoucí před nákupem nového důkladně zvážit jeho typ, velikost, používané palivo a způsob přikládání paliva. Níže uvedené základní rozdělení spalovacích zařízení je založeno právě na rozdílném způsobu dopravy paliva:

2.1. Ruční jednorázová doprava paliva do ohniště

2.1.1. Prohořívání

• Ústřední vytápění – teplovodní kotle. Jedná se o roštové ohniště, nová dávka paliva (dřevo, uhlí, koks) se přikládá do spalovací komory na již hořící vrstvu, která leží na roštu. Spaliny procházejí přes celou vrstvu nově přiloženého paliva. Palivo po přiložení prochází fází ohřevu, sušení, zplynění (uvolnění prchavé hořlaviny) a hoření odplyněného zbytku paliva neboli uhlíku. Jedná se o nejstarší typ kotlů, který byl určen pro spalování paliva s malým obsahem prchavé hořlaviny, tedy koksu. S ohledem na cenu koksu je jeho spalování spíše výjimečné. Většina těchto zařízení byla vyrobena z litiny, takže přestože je jejich provoz dost nekvalitní (dehtování a vysoké CO), jedná se o jeden z nejpoužívanějších spalovacích zařízení (v ČR cca 50% zastoupení [2]). Je to dáno jeho cenou a životností.
• Lokální vytápění – krb, krbová kamna, kachlová kamna, krbové vložky. Jde o roštové a v poslední době také bezroštové provedení. Princip je shodný s popisem pro ústřední vytápění s tím rozdílem, že přední část zařízení je často prosklená tak, aby byl umožněn pohled na hořící palivo (plamen = hořící prchavá hořlavina) a ve většině případů je jako palivo použito kusové dřevo (v ČR cca 1% zastoupení – dle vyrobeného tepla [2]).

2.1.2 Odhořívání (v ČR cca 36% zastoupení [2])

• Ústřední vytápění – teplovodní kotle. Palivo (dřevo, uhlí) se přikládá do zásobníku paliva (palivová šachta), který je umístěn nad ohništěm. Ve spalovací komoře hoří palivo na roštech (otočné, posuvné), ale spaliny neprocházejí celou vrstvou přiloženého paliva, takže tento kotel je také vhodný pro paliva s větším obsahem prchavé hořlaviny (hnědé uhlí). Během provozu dochází k postupné dopravě (sesouvání) paliv z palivové šachty do prostoru spalovací komory.

2.1.3. Zplyňování (v ČR cca 10% zastoupení [2])

• Ústřední vytápění – teplovodní kotle. Kvalitně spalovat plynné palivo je výrazně jednodušší než spalovat tuhé palivo. Proto se ve zplyňovacích kotlích převádí tuhé palivo na plynné – „zplyňování“. Palivo (dřevo, uhlí) se přikládá do zásobníku paliva, který je umístěn nad spalovací tryskou (hořákem) a spalovací komorou, kde je plyn spálen.

2.2. Automatická doprava paliva do ohniště (v ČR cca 3% zastoupení [2])

2.2.1. Šnekový dopravník

• Ústřední vytápění – teplovodní kotle. Palivo (pelety, štěpka, uhlí) je obsluhou dopraveno do zásobníku paliva (je součástí kotle, nebo je řešen jako externí zásobník), jehož objem je výrazně větší než u výše uvedených kotlů. Palivo je ze zásobníku dopravováno do hořáku (různé typy), který je umístěn ve spalovací komoře. V hořáku hoří jen malé množství paliva, které je potřebné pro dosažení požadovaného výkonu.
• Lokální vytápění – automatická krbová kamna. Palivo (pelety) je dopravováno ze zásobníku do hořáku.

2.2.2. Otočný rošt

• Teplovodní kotle. Palivo (uhlí) je dopraveno do zásobníku paliva, který je nad otočným roštem. Pootočením roštu se část paliva dopraví do spalovací komory, kde dojde k jeho spálení.

Z pohledu kvality spalování je nejlepších výsledků dosaženo u kotlů s automatickou dopravou paliva do spalovací komory a u zplyňovacích kotlů. Spalování v prohořívacím kotli je velmi problematické, a pokud jde o množství vypouštěných emisí, tak patří do minulého století a jen stěží splní požadavky nového zákona o Ochraně ovzduší (platný od 9/2012). Odhořívací kotle představují vývojový mezistupeň, z pohledu kvality spalování jsou lepší než prohořívací kotle, ale jen výjimečně dosahují parametrů automatických kotlů a kotlů zplyňovacích (na druhou stranu jsou některé typy již certifikovány na emisní třídu 3 dle ČSN EN 303-5, takže splňují požadavky nového zákona a mohou být v ČR prodávány také po 12/2013).

3. Čím topíme? – kvalita paliva

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).

Každé spalovací zařízení bylo certifikováno pro předepsané palivo. V návodech k obsluze zařízení je toto palivo uvedeno a „nemělo“ by se v něm spalovat nic jiného. Např. rozšířené spalování hnědého uhlí v prohořívacích kotlích jde proti pokynům výrobce. Hnědé uhlí do takového kotle nepatří, prohořívací kotel je certifikován na koks, černé uhlí a dřevo. Stejně tak žádné malé spalovací zařízení nebylo certifikováno pro spalování uhelných kalů (šlam) či dokonce odpadků.

Dalším důležitým parametrem je rozměr (granulometrie) paliva. Pokud hovoříme o uhlí, do malých spalovacích zařízení patří tříděné uhlí, které obsahuje jen omezené množství „prachových“ – jemných částic. Se zvyšujícím se obsahem této jemné složky se zhoršuje kvalita spalování a také se zmenšuje účinnost provozu (prachové uhlí propadne roštem do popelníku, takže neshoří a tím zvýší ztrátu hořlavinou v popelu). Při spalování biomasy je nejdůležitějším parametrem jeho vlhkost. Pokud moudrý člověk topí dřevem, nechá jej aspoň dva roky vysušit, protože ví, že bude mít více tepla, spálí méně dřeva, méně se mu bude kouřit z komína a spalovacímu zařízení prodlouží životnost.

V rámci naší edukativní show „Smokeman zasahuje“ (více zde: http://vec.vsb.cz/cz/zkusebna/edukativni-show-smokeman-zasahuje.html) si jednotliví účastníci mnohokrát vyzkoušeli spalování odpadků v krbových kamnech. Pár igelitových sáčků, plastových lahví, koberců a podobného odpadu způsobilo navýšení emisí prachu (ostatní složky nebyly stanovovány) ve srovnání se spalováním suchého dřeva v průměru o 2 000 až 10 000 %. Je odpad dobré palivo? Ano, odpad je dobré palivo, ale pro kvalitní spalovnu odpadů, v níž jsou ideální podmínky pro jeho destrukci a oxidaci. Jistě to není dobré palivo pro malá spalovací zařízení. Ne, že by tam odpad neshořel a dotyčný se neohřál, ale proces je doprovázen velkou tvorbou znečišťujících látek, které se dostávají do ovzduší a my všichni to pak musíme dýchat, protože kouř nerespektuje hranice pozemku či státu.

4. Kdo topí? – kvalita obsluhy

Zjednodušeně řečeno, aby hořlavina, která je obsažena v palivu, kvalitně shořela, musí se v oblasti vyšších teplot (cca 600–1100 °C) potkat se vzdušným kyslíkem a musí mít dostatek času k tomu, aby oxidace proběhla. Tomuto požadavku se snaží výrobce vyhovět konstrukcí vlastního spalovacího zařízení. Obsluha spalovacího zařízení může hlavně ovlivnit množství přivedeného spalovacího vzduchu (nastavení klapek, otevření dvířek) a množství přiloženého paliva. Poměr mezi těmito parametry souvisí s přebytkem spalovacího vzduchu, který má výrazný vliv na kvalitu spalování.

Pro spálení jednoho kilogramu tuhého paliva je potřeba cca 10 m³ vzduchu. Při výkonu krbových kamen cca 10 kW je spotřeba dřeva cca 3 kg/h, takže potřeba vzduchu je kolem 30 m³/h. Při nedostatečném přívodu vzduchu (uzavření všech klapek v kombinaci s těsným spalovacím zařízením) dochází k nedokonalému spalování, které je provázeno nadměrnou tvorbou CO, PAU a sazí. Lépe je přikládat častěji menší dávku paliva a nechat palivo rozhořet a až poté omezovat přívod vzduchu. Touto činností je obsluha zařízení schopna naprosto dominantně ovlivnit tvorbu znečišťujících látek (když to bude obsluha tzv. „dusit,“ tak to sice bude déle hořet – spíše zplyňovat, ale kvalita spalování bude velmi nízká). Proto se vývoj ubírá směrem k minimalizaci zásahu obsluhy a u zplyňovacích a automatických kotlů se stav posunul do situace, kdy je zásah obsluhy nežádoucí. To ovšem nebrání obsluze tento zásah učinit, takže klidně může nastat stav, že kvalitní automatický kotel bude provozován s nízkou kvalitou spalování, protože obsluha provede neodborný zásah či špatné nastavení regulačních prvků.

5. Jak se o zařízení staráme? – kvalita údržby a instalace

Spalovací zařízení je „stroj,“ o který se musíme starat a také jako většina strojů nejlépe pracuje při jmenovitých podmínkách. U veřejnosti se setkáváme s rozšířeným názorem, že čím větší instalovaný výkon, tím je to lepší (Raději ten kotel 35kW než jen 25kW a není 10 kW u krbových kamen málo, nemáte výkonnější, větší? Potřebuji rezervu.). Opak je spíše pravdou. Během topné sezóny se dle venkovní teploty výrazně mění požadavek na potřebný topný výkon. U spalovacích zařízení na tuhá paliva platí, že pokud spalovací zařízení pracuje na nižší než jmenovitý výkon, jeho účinnost se snižuje a emise znečišťujících látek rostou. Proto je třeba při výběru spalovacího zařízení správně navrhnout jeho výkonovou úroveň. Prodloužit dobu, kdy zařízení pracuje při jmenovitých podmínkách, je například možné instalací akumulační nádoby, která slouží jako zásobník pro „uskladnění“ přebytečného tepla (baterka). Samostatnou otázkou je teplota zpátečky, která ovlivní životnost kotle (studená zpátečka = dehtování, koroze).

U automatických kotlů je po dosažení požadované teploty v místnosti možné tepelný výkon regulovat velmi snadno (zastaví se přísun paliva, přechod do útlumového stavu nebo vyhasnutí), což se nedá říci o zařízeních s ruční jednorázovou dopravou paliva. V této situaci je již hořící palivo v kotli či kamnech a není možné jej přemístit jinam. V takovém případě je nutné výrazně omezit přísun spalovacího vzduchu, ale to je provázeno značným zhoršením kvality spalovacího procesu (např. koncentrace CO vzroste z 0,1 % na 10 % při referenčním obsahu kyslíku 11 %), tedy o dva řády [5].

Údržba spalovacího zařízení se soustředí hlavně na tyto činnosti:

• Čištění teplosměnných ploch (výměníku) – pokud je výměník zanesen, výrazně se snižuje účinnost zařízení = zvyšuje se množství tepla, které „vyletí“ komínem = komínová ztráta. Při dlouhodobém zanášení výměníku může také docházet ke zvyšování tlakové ztráty, což může postupně omezit provoz zařízení.
• Čištění spalinových cest – komín včetně jeho napojení, revize. Spalinové cesty slouží k bezpečnému odvodu spalin, a pokud nebudou v pořádku, negativně ovlivní kvalitu provozu, ale mohou také ohrozit i bezpečnost provozu. Velký ani malý tah komínu není vhodný, důležitý je optimální tah dle požadavku výrobce zařízení. Existuje rozšířený názor, že čím je komín vyšší a širší, tím je to lepší. Je pravda, že tah komínu bude vyšší, ale není pravda, že je to vždy lepší. U většiny zařízení vysoký tah způsobuje vyšší komínovou ztrátu, a tedy nižší účinnost (nejjednodušší řešení vysokého tahu nabízí použití komínové klapky přímo za kamny či kotlem, někdy je přímo součástí zařízení).
• Odstraňování popele, čištění ohniště.
• Čištění skla.

6. Závěr

Problematika emisí znečišťujících látek z malých spalovacích zařízení je ve většině zemí Evropy velmi aktuální, protože spalování tuhých paliv výrazně ovlivňuje kvalitu ovzduší v období topné sezóny. Bilance emisí se potýká s její důvěryhodností mimo jiné právě proto, že množství znečišťujících látek je zásadně ovlivněno všemi výše uvedenými parametry, a proto se připravuje její aktualizace [3]. Kombinace těchto parametrů představuje výraznou variabilitu, která se jen velmi složitě dá zahrnout do metodiky bilance, a proto se aplikuje spíše na úrovni odborných odhadů. Skutečnost je bohužel taková, že pokud jen jeden z výše uvedených čtyř parametrů je „špatný“ a není optimální, pak to zásadně ovlivní celý výsledek, tedy náš kouř.

Pokud vám jde o to, co vychází z vašeho komínu, prosím až budete příště přikládat, vzpomeňte si, že záleží na tom 1) do čeho to dáváte (otázka typu spalovacího zařízení), 2) co tam dáváte (odpadky do kamen nepatří, otázka sušení biomasy a vhodné granulometrie uhlí), 3) kdo to tam dává (otázka nastavení přívodu spalovacích vzduchů, malý přívod vzduchu významně zhoršuje kvalitu spalování, lépe je přikládat častěji menší dávky paliva) a v neposlední řadě záleží také 4) na instalaci a údržbě (otázka čištění teplosměnných ploch a komínu, předimenzování spalovacího zařízení, provoz při jmenovitých podmínkách, akumulační nádoba). Každý z nás, kdo doma topí, může zásadně ovlivnit, co jde z jeho komína. Jeden dům za topnou sezónu může vyprodukovat cca 10 až 1000 kg prachu, který vyletí komínem, a to je již rozdíl, který stojí za pozornost, co říkáte?

7. Poděkování

Tento článek vznikl za podpory MPO v rámci řešení těchto projektů: FR-TI1/178 Krbová kamna se sníženou produkcí prachu, TAČR v rámci řešení projektu Centra kompetence TE01020036, Operační program Vzdělávání pro konkurenceschopnost spolufinancovaný Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky v rámci řešení projektu Příležitost pro mladé výzkumníky, reg. č. CZ.1.07/2.3.00/30.0016.

8. Literatura

• [1] MACHÁLEK, P., MACHART, J.: Emisní bilance vytápění bytů malými zdroji od roku 2001.; ČHMÚ 2003; [cit. 2011-04-26] Dostupné na www: http://portal.chmi.cz/files/portal/docs/uoco/oez/embil/metodika_rezzo3.pdf
• [2] HORÁK, J., HOPAN, F., KRPEC, K., DEJ, M., PEKÁREK, V., ŠYC, M., OCELKA, T., TOMŠEJ, T.: Návrh emisních faktorů znečišťujících látek pro spalování tuhých paliv v lokálních topeništích. Ochrana ovzduší, 2011, roč. 2011, č. 3, s. 7–11. ISSN 1211-0337.
• [3] MODLÍK, M., HOPAN, F., HORÁK, J.: Problematika inventarizace emisí z malých spalovacích zdrojů v domácnostech. Ochrana ovzduší, 2011, roč. 2011, č. 3, s. 3–6. ISSN 1211-0337.
• [4] HORÁK J., KUBESA P.: Co nejvíce ovlivní to, co vychází z našeho komínu?. Článek v „Ochrana ovzduší“, 2012, ročník: 24, číslo: 1/2012, str. 39. ISSN 1211-0337.
• [5] HORÁK J., KUBESA P.: O spalování tuhých paliv v lokálních topeništích (2) aneb palivo, tvorba znečišťujících látek a spalování jako vztah muže a ženy. Článek v „TZB-info“, 2012, číslo: Květen, str. 1–21. ISSN 1801-4399. Dostupné na www: http://energetika.tzb-info.cz/8644-o-spalovani-tuhych-paliv-v-lokalnich-topenistich-2