Praktické zkušenosti s emisemi z malých topenišť
Výsledky spalovacích zkoušek uskutečněných na akreditované zkušebně Výzkumného energetického centra ukazují na zásadní vliv typu spalovacího zařízení a druhu spáleného paliva na množství emisí znečišťujících látek.
Úvod
Při spalování tuhých paliv v malých topeništích vždy dochází k tvorbě znečišťujících látek. Existují cca čtyři základní parametry, které zásadním způsobem ovlivní jejich množství a charakter. Jedná se o typ používaného spalovacího zařízení, druh paliva, kvalitu obsluhy a kvalitu údržby a vlastní instalace. Každý z těchto parametrů výrazně ovlivní kvalitu spalovacího procesu, účinnost spalovacího zařízení a tím také spotřebu paliva. Pokud jeden z těchto parametrů bude „špatný“, také celý výsledek bude „špatný“. Nestačí jen vyměnit starý kotel za nový s tím, že vše už bude dokonalé.
Skutečnost, že výše uvedené parametry zásadně ovlivní výsledek spalovacího procesu představuje kámen úhelný problematiky malých topenišť. Stupně volnosti jsou značné a proto také výsledné emise jsou velmi rozdílné. Podmínky dosažené při uvádění výrobku na trh (certifikace) jsou ideální a často v reálné instalaci nedosažitelné. Emisní třídy uvedené na štítku kotle prokazují jen to, že dané zařízení je schopné při ideálních podmínkách dosáhnout limitních hodnot, ale je otázka, co to má společného s reálnými parametry dosaženými v běžném provozu u uživatele?
Spalovací zkoušky
Spalovací zkoušky byly uskutečněny na akreditované zkušebně Výzkumného energetického centra a experimenty včetně odběru vzorků a analýz byly provedeny dle standardních postupů a metodik. Experimentální stanovení měrných emisí bylo uskutečněno na šesti níže uvedených spalovacích zařízeních, která reprezentují základní průřez používaných technologií spalování tuhých paliv v malých spalovacích zařízeních:
- prohořívací teplovodní kotel,
- odhořívací teplovodní kotel,
- dva typy zplyňovacích teplovodních kotlů na uhlí a dřevo,
- automatický teplovodní kotel (šnekový dopravník, retortový hořák),
- teplovzdušná krbová kamna.
Bylo spalováno šest různých druhů paliv:
- tříděné hnědé uhlí HUTR1 - ořech 1 (20-40mm),
- tříděné hnědé uhlí HUTR2 - ořech 2 (10-25mm),
- tříděné černé uhlí ČU - ořech 1 (20-40mm),
- suché tvrdé kusové dřevo (buk),
- suché měkké kusové dřevo (smrk),
- peletky z kukuřičné slámy (BIO).
Spalování bylo uskutečněno při jmenovitém výkonu jednotlivých spalovacích zařízení, u kotlů to bylo cca 25 kW a u kamen cca 10 kW.
Diskuze výsledků experimentů
S ohledem na reprezentativnost výsledků a problematičnost opakovatelnosti spalovacích zkoušek byly experimenty prováděny opakovaně (ve většině případů 3x) a to pro každou kombinaci spalovacího zařízení & palivo. Hodnoty uvedené v tabulkách představují průměrné hodnoty z opakovaných experimentů. Pro srovnání výsledků se jeví jako praktické použití emisních faktorů (EF). EF vyjadřuje množství dané znečišťující látky vztažené na spálené množství paliva.
Cílem každého spalovacího zařízení by mělo být maximální využití energie paliva při minimální produkci znečišťujících látek. Pokud spalovací poměry nebudou optimální, bude spalování nedokonalé. Toto nastane, pokud se vzdušný kyslík nedostane k hořlavině v místě vysoké teploty (rozvody primárního, sekundárního, popřípadě terciálního spalovacího vzduchu) a také pokud nemá hořlavina dostatečný čas pro oxidaci (rozměr spalovací komory). Základními parametry, které vyjadřují dokonalost spalování, jsou koncentrace oxidu uhelnatého (CO) a polycyklických aromatických uhlovodíků (PAU). Nejproblematičtější znečišťující látkou jsou v dnešní době tuhé znečišťující látky (TZL) – prach. Proto byla věnována pozornost všem třem parametrům.
Výsledné průměrné hodnoty emisních faktorů TZL jsou uvedeny v tab. 1., pro CO v tab. 2 a pro sumu čtyř vybraných PAU (Benzo(a)pyren, Benzo(b)fluoranten, Benzo(k)fluoranten, Indeno(1,2,3-cd)pyren) v tab. 3.
Hodnoty EF jednoznačně ukazují na dominantní vliv typu spalovacího zařízení. Obecně můžeme říci, že nejvíce emisí TZL, CO a PAU bylo vyprodukováno při spalování v prohořívacím kotli a nejlepších parametrů bylo dosaženo při spalování v automatickém a zplyňovacím kotli, které můžeme považovat za moderní spalovací zařízení, která patří do 21.století.
Výsledky EF pro TZL ukazují, že kvalitním spálením jedné tuny uhlí a biomasy vyprodukujeme přibližně kolem jednoho kilogramu TZL – prachu. Nejméně TZL bylo emitováno při spalování suchého dřeva ve zplyňovacím kotli (0,2 kg/t). Nejvíce pak při spalování hnědého uhlí v prohořívacím kotli (38 kg/t). Prohořívací kotel je naprosto nevhodný pro spalování hnědého uhlí, nicméně ho někteří uživatelé s ohledem na cenu paliva takto používají. V reálném spalovacím zařízení mohou být tyto hodnoty podstatně vyšší (spalování mokrého dřeva, omezený přístup spalovacího vzduchu - „dušení“ ohně, spalování odpadků, spalování uhelných kalů – „šlamu“, velká dávka paliva, vysoký tah komínu apod.).
Nejmenších hodnot CO a tedy nejlepší kvality spalování bylo dosaženo při spalování uhlí (2,5 kg/t) a dřeva (3,8 kg/t) ve zplyňovacím kotli. Při spalování uhlí v automatickém kotli dosahovaly hodnoty EF pro CO od 6,5 do 11,5 kg/t. Při spalování peletek z kukuřičné slámy byl průměrný EF CO kolem 22 kg/t. Bylo to tím, že se peletky částečně spékaly. Při spalování dřevní peletek jsou reálné hodnoty CO na úrovni jednotek kg/t (cca do 3 kg/t).
Nejmenších hodnot vybraných PAU bylo dosaženo při spalování paliv v automatickém a zplyňovacím kotli (0,02 až 0,9 g/t). Nejvíce PAU bylo produkováno při spalování uhlí v prohořívacím (31 g/t) a odhořívacím kotli (19 g/t). Úroveň PAU při spalování dřeva byla nejnižší při spalování ve zplyňovacím kotli (0,08 g/t) a nejvyšší při spalování v prohořívacím kotli (5 gt). Tyto hodnoty se při spalování mokrého dřeva řádově navýší.
Spalovací zkoušky byly uskutečněny při jmenovitém výkonu spalovacího zařízení a při optimálním nastavení přívodu spalovacích vzduchů. Je zřejmé, že se snižujícím se výkonem a se zhoršující se kvalitou obsluhy (špatné spalovací poměry) se bude výrazně zhoršovat kvalita spalování a tím také porostou emise znečišťujících látek. Studie vlivu těchto parametrů bude předmětem dalších experimentů. Z toho vyplývá, že uvedené hodnoty emisí vyjádřené jako emisní faktor, lze považovat za nejlepší možné hodnoty. V reálné aplikaci budou hodnoty ještě horší, protože budou ovlivněny dalšími faktory (kvalita paliva, obsluhy a údržby). Například při spalování dřeva jeden z nejdůležitějších parametrů je jeho vlhkost. Voda nehoří, dřevo se ve spalovacím zařízení nejdříve usuší a pak začne hořet. Vypařování vody spotřebovává výparné teplo vody, takže ochlazuje spalovací komoru a spalování je nekvalitní. Moudrý člověk suší dřevo dva roky, protože se více ohřeje a méně kouří. Dobře spálené uhlí produkuje méně emisí než špatně spálené mokré dřevo.
V rámci naší edukativní show SMOKEMAN zasahuje se snažíme s naší „pojízdnou kotelnou“ lidem ukázat, které parametry nejvíce ovlivní kvalitu spalovacího procesu a snažíme se je naučit, jak to dělat lépe. Při mnoha opakovaných pokusech jsme na veřejnosti v krbových kamnech spalovali odpadky a účastníci si sami gravimetricky stanovovali koncentraci prachu ve spalinách. Průměr z cca padesáti měření hovoří o tom, že při spalování plastů v krbových kamnech je koncentrace prachu cca o 10 000 % větší než při spalování suchého dřeva, tedy cca 100krát vyšší (viz obr. 1).
Tab. 1 Emisní faktory tuhých znečišťujících látek (TZL) - prachu při spalování různých paliv v šesti typech spalovacích zařízení
| Emisní faktor tuhých znečišťujících látek (TZL) - prachu [kgTZL/tpaliva] | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|
| Konstrukce zařízení | Palivo | |||||
| HUTR1 | HUTR2 | ČU | BUK | SMRK | BIO | |
| Automatický kotel | 0,889 | 0,749 | 1,75 | 1,15 | ||
| Prohořívací kotel | 37,8 | 8,95 | 1,56 | |||
| Odhořívací kotel | 4,89 | 7,81 | 1,49 | |||
| Zplyňovací kotel 1 | 0,321 | 0,915 | ||||
| Zplyňovací kotel 2 | 0,235 | 1,00 | ||||
| Krbová kamna | 0,688 | |||||
Tab. 2 Emisní faktory oxidu uhelnatého (CO) při spalování různých paliv v šesti typech spalovacích zařízení
| Emisní faktor CO [kgCO/tpaliva] | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|
| Konstrukce zařízení | Palivo | |||||
| HUTR1 | HUTR2 | ČU | BUK | SMRK | BIO | |
| Automatický kotel | 8,58 | 11,5 | 6,52 | 22,4 | ||
| Prohořívací kotel | 150 | 137 | 75,9 | |||
| Odhořívací kotel | 82,4 | 107 | 65,4 | |||
| Zplyňovací kotel 1 | 2,51 | 67,6 | ||||
| Zplyňovací kotel 2 | 3,80 | 36,2 | ||||
| Krbová kamna | 37,7 | |||||
Tab. 3 Emisní faktory polycyklických aromatických uhlovodíků (PAU) při spalování různých paliv v šesti typech spalovacích zařízení
| Emisní faktor sumy 4 PAU [gPAU /tpaliva], Benzo(a)pyren, Benzo(b)fluoranten, Benzo(k)fluoranten, Indeno(1,2,3-cd)pyren | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|
| Konstrukce zařízení | Palivo | |||||
| HUTR1 | HUTR2 | ČU | BUK | SMRK | BIO | |
| Automatický kotel | 0,0228 | 0,0289 | 0,0699 | 0,135 | ||
| Prohořívací kotel | 31,3 | 22,5 | 5,14 | |||
| Odhořívací kotel | 6,00 | 19,3 | 2,78 | |||
| Zplyňovací kotel 1 | 0,0473 | 0,901 | ||||
| Zplyňovací kotel 2 | 0,0803 | 0,961 | ||||
| Krbová kamna | 0,151 | |||||
Závěr
Nepřeceňujme informace o emisích, které nalezneme na výrobním štítku spalovacího zařízení. Uvedená hodnota koncentrace a nebo dosažená emisní třída hovoří o tom, že dané spalovací zařízení je schopno těchto parametrů při optimálních podmínkách na zkušebně během certifikace dosáhnout. Zda se při reálném provozu těmto parametrům u konkrétního zařízení přiblížíme, záleží na:
- kvalitě spalovaného paliva (granulometrie uhlí, vlhkost paliva, ne odpadky),
- kvalitě obsluhy (nastavení regulačních a řídících prvků, velikost dávky paliva),
- kvalitě údržby a instalace (čištění teplosměnných ploch, čištění komínu, optimální tah, optimální výkon zařízení – nepředimenzované, popř. akumulační nádoba, maximalizace doby, během níž spalovací zařízení pracuje při jmenovitých podmínkách).
Kvalita spalování tuhých paliv v moderních spalovacích zařízeních (automatické a zplyňovací kotle) je výrazně lepší než u kotlů starých konstrukcí (prohořívací a odhořívací). Tato skutečnost je dána konstrukcí spalovacího zařízení, ale také vlivem obsluhy. U moderních spalovacích zařízení je činnost obsluhy minimalizována na přikládání paliva, odstranění popele a údržbu, což výrazně omezuje možnost jejího negativního zásahu. Rozdíl mezi skutečnými parametry dosažených na reálné instalaci a hodnotami dosaženými při certifikaci je u automatických a zplyňovacích kotlů výrazně menší než u kotlů prohořívacích a odhořívacích.
Na rozdíl od většiny zemí Evropy (včetně ČR) musí provozovatel teplovodního kotle v Německu a Rakousku každé dva roky prokázat měřením přímo v jeho kotelně, zda provozované zařízení splňuje platné limity (Německo – CO a TZL, Rakousko – CO a komínová ztráta). Tato měření provádějí kominické firmy. Dle nového Zákona č. 201/2012 Sb. – o ochraně ovzduší si český provozovatel musí každé dva roky nechat udělat kontrolu technického stavu a provozu spalovacího zařízení prostřednictvím osoby proškolené výrobcem zařízení a oprávněné k jeho instalaci (odborně způsobilá osoba). První kontrolu musí provozovatel zajistit nejpozději do 31.12.2016 (dle § 41, odst. 16). Doklad o provedení výše zmíněné kontroly má provozovatel povinnost předložit na základě žádosti obecního úřadu obce s rozšířenou působností. Pokud provozovatel nepředloží na vyžádání obecnímu úřadu obce s rozšířenou působností doklad o provedení kontroly (od 1. 1. 2017), hrozí mu pokuta až 20 000 Kč dle § 23, odst. 2 b). Zatím není zcela jasná náplň kontroly a dle dostupných informací se nepočítá s realizací jakéhokoliv měření, což dle mého názoru velmi omezuje její přínos. V podstatě odborně způsobilá osoba na místě „pouze“ vizuálně zhodnotí stav a jako nejdůležitější zdroj informací o emisích a ostatních parametrech použije hodnoty ze štítku kotle. Tyto hodnoty byly jednou dosaženy při certifikaci a je otázka, jakých parametrů zařízení dosahuje při reálném provozu. Toto ale zákon neřeší. Zákon přistupuje k problematice tak, že provozovatel musí provozovat takový kotel, který je schopný těchto parametrů dosáhnout.
Poděkování
Tento příspěvek byl vypracován v rámci řešení projektu „Inovace pro efektivitu a životní prostředí“ ev.č. ED0036/01/01 podpořeného Ministerstvem školství, mládeže a tělovýchovy České republiky, projektu Pokročilé technologie pro výrobu tepla a elektřiny Centra kompetence TE1020036 a projektu Příležitost pro mladé výzkumníky, reg. č. CZ.1.07/2.3.00/30.0016, podpořeného Operačním programem Vzdělávání pro konkurenceschopnost a spolufinancovaného Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky,.
Obr. 1 Praktická ukázka negativního vlivu spalování odpadků v krbových kamnech na produkci znečišťujících látek
Type of combustion equipment and kind of burned fuel influenced emission amount of polluting substances. This fact confirmed results of combustion examinations which were made in accredited testing laboratory in Energy Research Centre.