Výměna kotlů – specifické vlastnosti pevných paliv

Každý druh pevného paliva má své specifické vlastnosti, které je nutné respektovat při volbě vhodné technologie pro jeho spálení, tedy při volbě konstrukce spalovacího zdroje. Jedině tak lze zajistit maximálně efektivní využití energetického potenciálu paliva s minimální tvorbou nežádoucích produktů spalování. Podstatnými specifickými vlastnostmi paliva jsou vlastnosti energetické (výhřevnost, obsah popelovin, obsah vody) a forma (tvar, velikost).

Hrubý rozbor paliva

Základním kvalitativním znakem pevných paliv je jejich výhřevnost, jejíž velikost je přímo úměrná velikosti podílu hořlaviny v palivu. U moderních kotlů na pevná paliva však hraje stále větší důležitost také obsah popelovin.

Výhřevnost, spalné teplo a vlhkost

Spálením hořlaviny obsažené v palivu se uvolní reakční energie, která je v něm chemicky vázána. V průběhu spalování se díky reakci vodíku s vodou tvoří vodní pára, kterou obsahují spaliny. Pokud spaliny ochladíme pod teplotu kondenzace této vodní páry (pod teplotu rosného bodu spalin), dojde k uvolnění energie výparného tepla.

Spalné teplo je energie získaná dokonalým spálením paliva, která zahrnuje reakční energii uvolněnou spalováním hořlaviny i energii výparného tepla.

Výhřevnost je energie získaná dokonalým spálením paliva, která zahrnuje pouze reakční energii uvolněnou spalováním hořlaviny.

Obsah vody v palivu (vlhkost) může provozovatel spalovacího zdroje do značné míry regulovat přípravou paliva před spalováním – skladováním ve větraných a suchých prostorách, u kusového dřeva jeho drobnějším naštípáním před skladováním.

Obsah vody v palivu je základní garanční vlastností paliva, jeho limitní hodnotu musí výrobce spalovacího zdroje uvést v návodu k použití. Udává se v procentech a vyjadřuje hmotnostní podíl vody na celkové hmotnosti paliva.

Nejčastějším důvodem k zamítnutí reklamace provozu kotle na pevná paliva je konstatování, že v kotli bylo spalováno palivo s příliš velkou vlhkostí. Zvláště u kusového dřeva je však nutné rozlišovat mezi vlhkostí požadovanou výrobcem a vlhkostí naměřenou běžným hrotovým vlhkoměrem.

S vlhkostí paliva je spojen také způsob deklarace kvality paliva. Pokud chceme vyjádřit kvalitu v její absolutní hodnotě, tedy pouze na základě prvkového složení paliva, vztahujeme ji k tzv. bezvodému stavu d (dry), tedy pro W = 0. Parametry definované pro tento stav jsou označeny horním indexem d (A^d, Q^d, …). Pro provozovatele kotle je však důležitá především reálná kvalita „vlhkého“ paliva, tedy v tzv. původním stavu r (real). Ta je vyjádřena kvalitativními parametry označenými horním indexem r (A^r, Q^r, …). Přepočet pro jakostní parametry v jednotlivých stavech (vyjma výhřevnosti) je

.

Příklad

Jako příklad lze uvést vyjádření výhřevnosti u dřevních pelet. Výrobci pelet velice často udávají jejich výhřevnost Q^d vztaženou k suché hmotě. Ta je ovšem vyšší než skutečná výhřevnost pelety Q^r, která má vlhkost 8 až 10 %. Na to je potřeba dávat pozor při bilančních výpočtech, například při výpočtu předpokládané roční potřeby paliva na vytápění, kdy je podstatná reálná výhřevnost.

Popeloviny a popel

Obsah popelovin je dán chemickým složením paliva (jedná se o chemicky vázané minerály). Jeho množství v palivu nemůže provozovatel spalovacího zdroje oproti vlhkosti nijak ovlivnit. V průběhu hoření dochází k chemickým reakcím minerálů v popelovinách a jejich přeměně na tuhý minerální zbytek – popel. Popel je součástí tzv. tuhých zbytků spalování (popel, saze, dehet, pevný nedopal). Množství vznikajících tuhých zbytků a schopnost odvádět je průběžně z ohniště významnou měrou ovlivňují kvalitu spalovacího procesu zvláště u automatických kotlů, u kterých je jejich optimální provoz (často i samotná funkčnost) závislý na dodržování maximálně povoleného obsahu popelovin v palivu. Například většina peletových kotlů je konstruována pro spalování čistých dřevních pelet s obsahem popelovin do 0,7 %. Problém nastane v okamžiku, kdy se začne spalovat peleta s přísadou různých dalších látek (kůra, listí, hlína), která má obsah popelovin i 1,5 %, ale především rostlinných pelet s obsahem popelovin až 15 %.

Důležitou vlastností pevného paliva je teplota tavení (tání) popela, a to především u paliv pro moderní automatické kotle. U čistých dřevních pelet a kvalitního severočeského hnědého uhlí je to teplota nad 1200 °C. Po jejím překročení dochází k tání popela a tvorbě strusky, která ve větším množství zcela „zalepí“ hořák (rošt). U kvalitních paliv s teplotou tání popela nad 1200 °C dochází k problémům s tvorbou strusky pouze v krajních případech, kdy dojde k extrémnímu zvýšení teploty ve spalovací komoře. K tomu dochází zpravidla vinou špatného nastavení spalovacího procesu (velký výkon ventilátoru primárního vzduchu) nebo v důsledku nefunkční spalinové cesty (komína), kterou mají být spaliny plynule odvedeny ze spalovacího zdroje.

Rostlinná (nedřevní) biomasa, či výrazné příměsi kůry a nečistot v dřevní biomase způsobují zásadní snížení teploty tání popela až pod 1000 °C. Podobně je tomu i u nekvalitního uhlí s vyšším podílem balastu. Pokud automatický kotel není speciálně konstruován pro spalování paliv s teplotou tání popela nižší jak 1200 °C, je jeho dlouhodobý provoz z technického, ale i ekonomického a ekologického hlediska problematický.

Charakteristický rozměr

Trochu opomíjeným, ale velice důležitým kvalitativním znakem pevného paliva je jeho charakteristický rozměr – velikost, zrnitost. Velikost paliva předurčuje průběh spalovacího procesu. Zvláště pro paliva s velkým podílem prchavé hořlaviny (biomasa, hnědé uhlí) je důležitý jejich měrný povrch, což je poměr plochy vztažený k hmotnosti. Pro uvolnění prchavé hořlaviny je zapotřebí palivo zahřát, hořlavina se poté uvolňuje povrchem paliva. A tuhý zbytek také vyhořívá na jeho povrchu. Čím drobnější je palivo, tím větší má měrný povrch a tím rychleji uvolňuje akumulovanou energii – vyhořívá.

Například velké poleno dřeva se v ohništi prohřívá ke svému středu pozvolna. Postupně se z něj odpařuje voda, takže i s tím spojené snížení teploty v ohništi není tak výrazné. Stejně tak postupně se z jednotlivých vrstev od povrchu ke středu polena uvolňuje prchavá hořlavina, která povrchem polena vystupuje do ohniště, kde se zapaluje. Relativně velké odplyněné kusy z polena, tedy již dřevěné uhlí, poté na povrchu pomalu vyhořívají a udržují dlouho na roštu ohniště žhavou základní vrstvu paliva.

Stejné množství dřeva naštípané na jemné třísky má podstatně větší povrch. Tenké kusy se rychle prohřejí. Pokud je dřevo vlhké, rychlé odpaření vody značně ochladí ohniště, což může narušit stabilitu hoření. Tento jev znají nejen turisté, kterým se sice podaří vlhké větvičky na ohníčku zapálit, ale záhy jim uhasnou, ale zvláště provozovatelé kotlů na štěpku. Během krátké doby se uvolní prakticky veškerá prchavá hořlavina. Pokud je v ohništi nad roštem dostatek kyslíku a dostatečná teplota, okamžitě shoří a pokud je dostatečně velký výměník, uvolněné teplo se předá otopné vodě. Pokud však na to kotel není konstruován, větší část hořlaviny „vyletí“ komínem. Jemný pevný zbytek během krátké doby vyhoří na jemný popílek a prakticky nezanechá na roštu žádnou základní vrstvu paliva.

Velké kusy dřeva jsou proto vhodné pro spalovací zařízení s ručním přikládáním, kdy je palivo dodáváno jednorázově po velkých dávkách a velikostí polen, kusů uhlí atp. můžeme regulovat rychlost jeho vyhořívání.

Naopak velikost paliva je limitující pro automatické kotle se šnekovými podavači, kdy rozměr šnekovnice (průměr) udává maximální použitelnou velikost paliva. U pelet to zpravidla bývá jejich průměr 6–8 mm, u uhlí pak zrnitost (max. rozměr kusu) převážně do 25 mm.

Limitní velikost je základní garanční vlastností paliva pro teplovodní kotle a musí být výrobcem uvedena v průvodní technické dokumentaci (návodu k obsluze).

Objemová hmotnost

Především pro logistiku spojenou s palivem (přepravu, skladování, dopravu do ohniště) je důležitá jeho charakteristická objemová hmotnost paliva, tedy hmotnost vztažená k charakteristickému objemu konkrétního paliva. Zpravidla to bývá objemová hmotnost jiná než hustota [kg/m³], která udává hmotnost „čistého“ kubického metru paliva.

• Sypná hmotnost [kg/prms], [kg/m³]. Udává se u tzv. sypkých paliv, kterými jsou uhlí, pelety, piliny, štěpka – je to kilogramová hmotnost volně sypaného kubického metru paliva.
• Hmotnost prostorového metru [kg/prm]. Je to objemová hmotnost charakteristická pro kusové dřevo a vyjadřuje hmotnost kubického metru složeného štípaného či neštípaného kusového dřeva.
• Hmotnost tvarových paliv. Myšlena jsou paliva, která mají svůj konstantní tvar a velikost dané jejich výrobou – tedy především dřevní a uhelné brikety. Jejich objemová hmotnost se vyjadřuje individuálně podle tvaru, ale nejčastěji to bývá přímo hustotou, méně hmotností prostorového metru.

Obr. Ukázka, jak má vypadat palivové dřevo pro změření jeho objemu, tedy určení jeho množství v prostorových metrech rovnaných.

Obr. Takto bez ladu a skladu se hodnotí objem palivového dřeva v prostorových metrech sypaných. Je zřejmé, že jeden prostorový metr sypaný obsahuje méně dřeva než prostorový metr rovnaný.