Peletové kotle – potřeba vzduchu, objem, hustota a hmotnostní průtok spalin a emise škodlivin pro základní bilanční výpočty

Stanovení obecných základních parametrů spalin vzniklých při spalování dřevních pelet v moderních peletových kotlích je možné s poměrně vysokou přesností. Důvodem jsou stabilní parametry kvalitních dřevních pelet jako paliva i vysoký provozní standard samotných peletových kotlů.

Základní parametry pro výpočet – referenční podmínky

Standardní dřevní peleta kvality A1 má vlhkost do 8 % a reálnou výhřevnost mezi 17,2 až 17,5 MJ/kg. Prvkové složení těchto pelet je velice podobné.

Reálná sezónní provozní účinnost peletových kotlů (vztažená k výhřevnosti paliva) se pohybuje v rozmezí 88–92 %. Při bilančních výpočtech se parametry spalin počítají pro tzv. referenční (normální) podmínky, kterými jsou pro teplovodní kotle na pevná paliva:

• teplota spalin 0 °C,
• tlak vzduchu 1 013 mbar
• a obsah kyslíku ve spalinách O₂ = 10 %, což odpovídá přebytku spalovacího vzduchu n = 1,9 (reálná provozní hodnota většiny kvalitně seřízených peletových kotlů).

Pro „spalinové“ výpočty je nutné znát také koncentraci CO₂ ve spalinách. Pro dřevní peletu (CO_2max = 20,3 %) a referenční přebytek vzduchu n = 1,9 je referenční hodnotou CO₂ = 10,7 %.

Potřeba spalovacího vzduchu a objem vzniklých spalin

Potřebu spalovacího vzduchu V_SR na spálení 1 kg pevného paliva při referenčních podmínkách a objem spalin tím vzniklých V_VR, lze na základě znalosti výhřevnosti paliva přibližně stanovit z Rosin–Fehlingových vztahů. Přesnější způsob vycházející ze znalosti prvkového složení paliva je pro teplovodní kotle na pevná paliva definován v normě ČSN 07 0240. Jak bylo napsáno v úvodu, kvalitní dřevní pelety mají velice podobné prvkové složení, proto lze dle této normy s velkou přesností stanovit zmíněné objemy pro peletové kotle obecně pro referenční přebytek vzduchu n = 1,9 na:

V_VR = 8,7 m³/kg
V_SR = 8,8 m³/kg

Jedná se o hodnoty, které platí pro teplotu 0 °C. Zvláště teplota spalin však dosahuje podstatně vyšších hodnot, a je nutné ji přepočíst na reálnou teplotu spalin T_s dle vztahu

V_ST = V_SR  (1 + T_s/273,15)

Přepočet spalin na reálné objemy při konkrétních teplotách je uveden v tabulce níže.

Hustota spalin

Pro referenční tlak venkovního vzduchu 1013 mbar a teplotu spalin 0 °C lze dle ČSN EN 13 384-1 (tepelně technické výpočty samostatných komínů) pro spalování dřevních pelet vypočíst hustotu spalin:

ρ₀ = 1,3 kg/m³.

Hustota spalin se snižuje se zvyšující se teplotou. Pro přepočet na reálnou teplotu T_s je proto nutné použít přepočtu dle vztahu:

ρ_T = ρ₀/(1 + T_s/273,15)

V následující tabulce jsou uvedeny objemy spalin a jejich hustoty vzniklé spálením 1 kg dřevních pelet a pro různé teploty spalin

Ts [°C]	0	60	80	100	120	140	160	180	200
VST [m3/kg]	9	11	11,6	12,3	13	13,6	14,3	14,9	15,6
ρT [kg/m3]	1,3	1,07	1,01	0,95	0,90	0,86	0,81	0,78	0,75

Hmotnostní průtok spalin

Při revizi spalinové cesty před uvedením nového spalovacího zdroje do provozu je nutné provést výpočet střední rychlosti proudění spalin dle ČSN EN 13 384-1. Ten se provádí z dat o hmotnostním průtoku spalin m ve spalinách podle podkladů výrobce.

Pokud data od výrobce nejsou k dispozici, použije se k výpočtu příloha B této normy.

Pokud výrobce neudává údaje o spalinách při sníženém výkonu, stanovuje se množství spalin jako jedna třetina hmotnostního průtoku spalin při jmenovitém výkonu.

Předpokládejme, že údaje o hmotnostním průtoku spalin a koncentraci CO₂ nejsou od výrobce k dispozici. V tomto případě lze s velkou přesností stanovit u peletového spalovacího zdroje hmotnostní průtok spalin pro referenční podmínky pouze ze znalosti účinnosti η a výkonu Q zdroje podle zjednodušeného vztahu (dle přílohy B normy)

m = 68,2 ∙ Q/η [kg/s]

Pokud předpokládáme účinnost kotle 90 %, pak nám vychází poměrný hmotnostní průtok spalin na 1 kW výkonu

m_kW = 0,76 kg/s

Stanovení emisí

Pro bilanční výpočet emisí produkovaných spalovacími zdroji se používají emisní faktory. Tedy množství zdrojem produkovaných příslušných emisí vztažených na jednotku hmotnosti spáleného paliva, popřípadě na GJ energie obsažené ve spáleném palivu. V tabulce 2 jsou uvedeny emisní faktory pro peletový kotel podle metodiky inventarizace emisí ze spalování paliv v domácnostech, vypracované Českým hydrometeorologickým ústavem. Protože tato metodika byla vypracována pro stanovení celkových emisí ze spalovacích zdrojů na základě znalosti množství spáleného paliva, jsou emisní faktory v ní použité vztaženy k energii obsažené v palivu.

U peletového kotle počítala metodika s jeho průměrnou sezónní účinností 88 % a výhřevností pelety 17,2 MJ/kg. Pro stanovení celkových emisí z konkrétního zdroje podle potřeby tepla na vytápění je nutné počítat s tím, že na 1 GJ energie předané otopné soustavě je tak dle této metodiky nutné „spotřebovat“ 1,136 GJ energie obsažené v palivu, což představuje 0,66 tuny pelet.

Porovnání starého kotle s novým

Pro případ, že je nutné srovnat emise nového kotle s kotlem starým, jsou v tabulce uvedeny také emisní faktory pro odhořívací kotel na hnědé uhlí, prohořívací litinový kotel na dřevo a zplyňovací kotel na dřevo.

Látka	Hnědí uhlí	Dřevo	Dřevoplyn	Peleta
CO [g/GJ]	4 427	4 852	2 507	158
NOx [g/GJ]	87,5	62	83	88
VOC [g/GJ]	429	706	286	2,4
TZL [g/GJ]	179,5	98	49	10
PM10 [g/GJ]	163	93	46,5	9,7
PM2,5 [g/GJ]	161	91	45	9,4
BaP [mg/GJ]	124	92	17,5	0,2
Poznámky:	TZL … celkové tuhé znečišťující látky (prach) VOC … nemetanové organické látky OGC BaP … benzo(a)Pyren

Z tabulky jsou zřejmé zásadní emisní výhody použití kvalitních dřevních pelet a oprávněnost státní dotační podpory jejich využití pro vytápění.