Měření emisí znečišťujících látek z kotlů malých výkonů
Dlouhodobá imisní data získaná v oblastech zasažených znečištěním z velkých průmyslových zdrojů, vykazují v průběhu topné sezóny pozoruhodné změny, které ukazují na nezanedbatelný podíl malých zdrojů na zhoršené kvalitě ovzduší. Obyvatelé a jejich kotle se nemalým dílem podílejí na znečištění ovzduší.
1. Úvod
Dlouhodobá imisní data získaná v oblastech zasažených znečištěním z velkých průmyslových zdrojů, vykazují v průběhu topné sezóny pozoruhodné změny, které ukazují na nezanedbatelný podíl malých spalovacích zařízení na zhoršené kvalitě ovzduší. Obyvatelé v takto znečištěných oblastech často kladou vinu za zhoršenou kvalitu ovzduší jen velkým znečišťovatelům a nepřipouštějí si, že také oni sami se nemalým dílem na daném znečištění mohou podílet. I obyvatelé na vesnicích mohou pozorovat v zimním období zhoršený stav ovzduší, který je mnohdy srovnatelný s velkými městy.
V České republice je vytápěno [1]:
- 39 % bytů dálkovým topením zásobovaným ze středních a velkých zdrojů,
- 36 % bytů zemním plynem,
- 6 % bytů elektřinou,
- 15 % bytů uhlím, což je asi 570 000 domácností,
- 4 % bytů dřevem, což je asi 152 000 domácností,
- zanedbatelné množství bytů lehkými topnými oleji, propan-butanem a ostatními způsoby jako např. tepelná čerpadla.
Podíl spotřeby druhů uhelných paliv je následující [1]:
- 90 % tříděné hnědé uhlí, což je asi 513 000 domácností,
- 5 % tříděné černé uhlí, což je asi 28 500 domácností,
- 5 % koks, což je asi 28 500 domácností.
Spalování tuhých paliv je vždy doprovázeno produkcí znečišťujících látek a obecným cílem by mělo být jejich množství snížit na přijatelnou úroveň. Otázkou ovšem zůstává, kdo tuto úroveň stanoví a hlavně, zda vůbec existují nějaké, v reálném životě použitelné, nástroje pro její prosazení. Co dělat? Známe řešení? Jak kontrolovat co a jak je spalováno v českých obydlích? Značná část domácností spalující tuhá paliva tak činí s ohledem na menší náklady na topnou sezónu, a proto jsou nejrozšířenější levná spalovací zařízení, ve kterých se většinou spalují nevhodná paliva a také domovní odpad.
2. Používané přístroje a postupy měření emisí
Každé spalovací zařízení určené k vytápění prochází certifikací v autorizované zkušebně, která ověřuje jeho základní tepelné, technické a bezpečnostní parametry, mezi které patří také úroveň produkovaných škodlivin. Zkoušení spalovacích zařízení je prováděno dle postupů uvedených v příslušných normách.
Pro jednotlivá zařízení spalující tuhá paliva jsou platné tyto normy:
- ČSN EN 303-5: Kotle pro ústřední vytápění na pevná paliva, s ruční nebo samočinnou dodávkou, o jmenovitém tepelném výkonu nejvýše 300 kW – terminologie, požadavky a zkoušení
- ČSN EN 12815: Varné spotřebiče pro domácnost na pevná paliva – Požadavky a zkušební metody (sporáky)
- ČSN EN 13240: Spotřebiče na pevná paliva k vytápění obytných prostorů – Požadavky a zkušební metody (krbová kamna)
- ČSN EN 13229: Vestavné spotřebiče k vytápění a krbové vložky na pevná paliva – Požadavky a zkušební metody (krbové vložky)
Obr. 1. Měřicí úsek spalin
Z pohledu měření emisí řeší normy zejména umístění odběrových sond a rozměry měřicího úseku (komína). Jako příklad lze uvést měřicí úsek používaný pro měření na krbových kamnech (obr. 1). Měření koncentrací škodlivin je prováděno po celou periodu spalovací zkoušky (1 h, 2 h, 6 h … v závislosti na typu spalovacího zařízení a požadavku normy) a výsledná hodnota je stanovena jako průměr z celé zkoušky.
Hodnoty jsou přepočítávány na referenční (srovnávací) koncentraci kyslíku tak, aby bylo možno získané výsledky srovnat s limity (a také proto, aby výrobci nemohli „zlepšovat“ emisní parametry svých kotlů přisáváním vzduchu do spalin za kotlem).
Ruční přenosné analyzátory spalin
Přenosné analyzátory spalin jsou většinou vhodné pro rychlé stanovení koncentrací základních škodlivin ve spalinách (nastavení kvality spalování na již instalovaných zařízeních, kontroly spalovacích zařízení u podnikatelů …). Pracují na principu elektrochemických převodníků. Nevýhodou těchto zařízení je nedokonalá úprava vzorku spalin před jeho analýzou – malý nebo žádný filtr tuhých částic, nedostatečně vychlazený vzorek spalin (nedochází k odloučení vlhkosti ze vzorku), špatná kontrola množství odsávaného vzorku spalin. To vše přispívá k omezené životnosti elektrochemických článků (hlavně při měření spalin ze spalovacích zařízení na tuhá paliva), které je nutno pravidelně obměňovat. Přístroje je nutno zasílat cca 1krát ročně na servis, aby byla zaručena správná funkce. Přístroje není možno v běžných podmínkách kalibrovat etalonovým plynem o známém složení (možné je pouze ověření, zda přístroj měří správně).
Výhodou těchto přístrojů je již zmiňovaná mobilita, nenáročnost na obsluhu, rychlé vyhodnocení měřených údajů a také relativně nízká cena (ve srovnání s kvalitnějšími analyzátory). Na trhu jsou k dispozici komplexní přístroje, které umožňují měřit a vypočítávat i doplňující veličiny jako jsou teplota spalin, tah komína, teplota okolí, účinnost, atd. Přístroje mají rovněž možnost okamžitého tisku zjednodušeného protokolu. Přístroje jsou schopny analyzovat CO, CO2, O2, SO2, NO (většinou se jedná pouze o jednorozsahové přístroje). Cenová hladina těchto přístrojů je cca 10 až 30 tis. Kč v závislosti na tom, co je daný přístroj schopen měřit a jakou má doplňkovou výbavu.
Stacionární analyzátory spalin
Obr. 3. Čelní panel stacionárního analyzátoru spalin
Stacionární analyzátory spalin jsou využívány na zkušebnách kotlů a při monitorování větších zdrojů znečištění (spalovny, teplárny, elektrárny…). Disponují kvalitní úpravou a dopravou vzorku spalin – chladnička vzorku, kyselinové a prachové filtry, hlídání průtoku vzorku. Základní složky spalin jsou měřeny na principu absorpce IR záření ve vzorku spalin (CO, CO2, NO, SO2). Koncentrace O2 ve spalinách je pak stanovena paramagnetickým principem. Výhodou je pak otevřenost celého systému, kdy není problém přidat moduly pro měření dalších složek spalin např. uhlovodíky (plamenoionizační princip měření), atd. Analyzátory mohou být vícerozsahové.
Před měřením je možno analyzátory kalibrovat pomocí etalonových plynů. K analyzátorům je většinou připojené vytápěné vedení vzorku spalin a vytápěná odběrová sonda (keramický filtr pro odloučení prachu). Přístroje jsou náročnější na obsluhu. Cenově se tyto analyzátory pohybují v řádech stovek tisíc Kč až miliónu Kč (obr. 3).
Měření koncentrace prachu (TZL) ve spalinách
Zatímco měření koncentrace plynných škodlivin je za dodržení určitých podmínek v podstatě bezproblémovou záležitostí, stanovení koncentrace prachu ve spalinách je složitější. Jedná se zejména o to, že v měřicím úseku za kotlem jsou podmínky pro reprezentativní stanovení prachu nevhodné. Je zde nízká rychlost spalin – 0,5 až 2,5 m/s (nemožnost dodržet izokinetické vzorkování spalin – rychlost odběru spalin do měřicí tratě by měla být shodná s rychlostí spalin v měřicím úseku), mohou zde být vysoké koncentrace prachu (což vede k častému ucpávání filtračního materiálu. To vše vede k chybám, jejichž velikost není možno většinou kvantifikovat. Proto je v současnosti ve stále větší míře přistupováno k měření koncentrace prachu za použití tzv. ředicího tunelu.
Spaliny vycházející ze spalovacího zařízení jsou za měřicím úsekem ředěny přisáváním okolního vzduchu a jsou vedeny k odběrovému místu. Výhodou jsou vyšší rychlosti spalin (4 až 10 m/s), nižší teplota rosného bodu a nižší koncentrace TZL. Příklad ředicího tunelu umístěného na zkušebně Výzkumného energetického centra (VEC) je na obr. 4. Celý ředicí tunel je vysoký cca 6 m.
Obr. 4. Schematické znázornění ředicího tunelu
Gravimetrická metoda stanovení koncentrace TZL ve spalinách – ISO 9096
Gravimetrická metoda stanovení koncentrace TZL vychází z normy ISO 9096 (obr. 5). Vzorek spalin je odebírán z komína a prochází přes vytápěný zachycovač. V něm je umístěn filtrační materiál (filtr ze skleněných vláken), na kterém se zachytí prachové částice. Vzorek spalin je dále veden do kondenzátoru, kde dochází ke kondenzaci vody obsažené ve spalinách. Následuje měřidlo odebraného množství spalin (v našem případě hmotnostní průtokoměr) a vývěva. Koncentrace TZL ve spalinách je pak dána hmotností zachyceného prachu na filtračním materiálu a množství odebraných spalin. Takto konstruovaná aparatura je poměrně velká a náročná na obsluhu, ale je schopná dosáhnout dobrých výsledků za odpovídajících podmínek. Výsledkem je průměrná koncentrace TZL za celou dobu spalovací zkoušky. Na zkušebně Výzkumného energetického centra je používána zejména pro měření v ředicím tunelu.
Obr. 5. Stanovení koncentrace TZL dle ISO 9096
Přenosná aparatura Wöhler SM 96
Obr. 6. Přenosná odběrová aparatura SM 96
Opakem složité aparatury uvedené výše je např. kufříkový přenosný přístroj SM 96 (obr. 6). Princip stanovení koncentrace TZL je stejný (gravimetrické stanovení), ale za cenu přijetí určitých kompromisů bylo dosaženo přijatelné velikosti přístroje a dostatečné jednoduchosti obsluhy. Přístroj je určen pro měření koncentrace TZL v měřicím úseku za spalovacím zařízením. Omezením je možnost měřit jen nižší koncentrace TZL ve spalinách (do 200 mg/m3N). Přístroj je konstruován na míru (způsob měření) nařízením platným v Rakousku a Německu (resp. nařízení jsou napsaná na míru tomuto přístroji), kde je i hojně využíván na zkušebnách, ale i kominíky při kontrolách spalovacích zařízení. Na Výzkumném energetickém centru byla provedena řada srovnávacích zkoušek s klasickou gravimetrickou aparaturou a je možno konstatovat, že shoda v získaných výsledcích je vysoká.
Ostatní možnosti měření koncentrace TZL ve spalinách
Kromě klasického gravimetrického způsobu stanovení koncentrace TZL ve spalinách z malých zdrojů znečišťování se nabízejí ještě další možnosti. Jedná se např. o optické prachoměry pracujícími na principu rozptylu laserového paprsku (testováno na VEC), záchyt TZL v elektroodlučovači, triboeletrické prachoměry, atd. Většinou se jedná o zařízení určená pro měření na větších zdrojích znečišťování. Před měřením je nutno je kalibrovat na konkrétní typ prachu pomocí gravimetrické metody a proto nejsou běžně využívány. Na zkušebně VEC je používán optický prachoměr SICK (obr. 7). Není s ním měřena absolutní koncentrace TZL ve spalinách, ale je využíván k získání on-line průběhu tvorby TZL a tím k lepšímu pochopení spalovacího procesu.
Obr. 7. Optický prachoměr SICK
Z výše uvedeného je vidět, že měření koncentrace TZL (z malých zdrojů znečištění) ve spalinách je komplikované a neexistuje úplně jednotný postup pro měření. V současné době lze pozorovat snahy napříč celou EU o vytvoření jednotného způsobu měření.
3. Emisní limity
Normy uvádějí základní limity škodlivin. Hlavní sledovanou škodlivinou je CO. U kotlů zkoušených podle normy ČSN EN 303-5 pak přibývá ještě prach a uhlovodíky (OGC nebo jinak TOC). V závislosti na tom, v jaké zemi bude spalovací zařízení provozováno (prodáváno) mohou být limity zpřísňovány (v mnoha státech se to děje). Snížené limity škodlivin jsou také požadovány různými dotačními tituly a také v případě, kdy má zařízení obdržet označení ekologicky šetrného výrobku (Blue angel, Flamme verte, DIN+…). Současné limity platné v ČR pro teplovodní kotle jsou dle ČSN EN 303-5 následující (tab. 1):
| Dávka paliva | Palivo | Jmenovitý tepelný výkon kW | Mezní hodnoty emisí | ||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| CO | OGC | prach | |||||||||
| mg/m3N při 10 % O2 * | |||||||||||
| třída 1 | třída 2 | třída 3 | třída 1 | třída 2 | třída 3 | třída 1 | třída 2 | třída 3 | |||
| ruční | biologické | ≤ 50 | 25 000 | 8 000 | 5 000 | 2 000 | 300 | 150 | 200 | 180 | 150 |
| > 50 až 150 | 12 500 | 5 000 | 2 500 | 1 500 | 200 | 100 | 200 | 180 | 150 | ||
| > 150 až 300 | 12 500 | 2 000 | 1 200 | 1 500 | 200 | 100 | 200 | 180 | 150 | ||
| fosilní | ≤ 50 | 25 000 | 8 000 | 5 000 | 2 000 | 300 | 150 | 180 | 150 | 125 | |
| > 50 až 150 | 12 500 | 5 000 | 2 500 | 1 500 | 200 | 100 | 180 | 150 | 125 | ||
| > 150 až 300 | 12 500 | 2 000 | 1 200 | 1 500 | 200 | 100 | 180 | 150 | 125 | ||
| samočinná | biologické | ≤ 50 | 15 000 | 5 000 | 3 000 | 1 750 | 200 | 100 | 200 | 180 | 150 |
| > 50 až 150 | 12 500 | 4 500 | 2 500 | 1 250 | 150 | 80 | 200 | 180 | 150 | ||
| > 150 až 300 | 12 500 | 2 000 | 1 200 | 1 250 | 150 | 80 | 200 | 180 | 150 | ||
| fosilní | ≤ 50 | 15 000 | 5 000 | 3 000 | 1 750 | 200 | 100 | 180 | 150 | 125 | |
| > 50 až 150 | 12 500 | 4 500 | 2 500 | 1 250 | 150 | 80 | 180 | 150 | 125 | ||
| > 150 až 300 | 12 500 | 2 000 | 1 200 | 1 250 | 150 | 80 | 180 | 150 | 125 | ||
* Vztahuje se k suchým spalinám, 0 °C, 1013 mbar
OGC = TOC… celkový organický uhlík
Z tab. 1 je možno vidět, že v ČR lze zatím prodávat kotle, které jsou zastaralé, neekologické, ale stále ještě splňují alespoň emisní třídu 1. Jedná se zejména o kotle s prohořívacím a odhořívacím způsobem spalování. Současně jsou levné a proto je lidé kupují a topí v nich i palivy, které do nich rozhodně nepatří. Moderní automatické kotle jsou sice dražší, ale umožňují spalovat jen předepsaná paliva, a to za přijatelné produkce škodlivin. V současné době je připravovaná aktualizace normy, která úplně ruší třídy 1 a 2, dále zavádí nové třídy 4 a 5 (viz. tab. 2).
| Dávka paliva | Palivo | Jmenovitý tepelný výkon kW | Mezní hodnoty emisí | ||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| CO | OGC | prach b) | |||||||||
| mg/m3N při 10 % O2 a) | |||||||||||
| třída 3 | třída 4 | třída 5 | třída 3 | třída 4 | třída 5 | třída 3 | třída 4 | třída 5 | |||
| ruční | biogenní | 0–50 | 5 000 | 1 200 | 700 | 150 | 50 | 30 | 150 | 75 | 60 |
| 50–150 | 2 500 | 100 | 150 | ||||||||
| 150–500 | 1 200 | 100 | 150 | ||||||||
| fosilní | 0–50 | 5 000 | 150 | 125 | |||||||
| 50–150 | 2 500 | 100 | 125 | ||||||||
| 150–500 | 1 200 | 100 | 125 | ||||||||
| samočinná | biogenní | 0–50 | 3 000 | 1 000 | 500 | 100 | 30 | 20 | 150 | 60 | 40 |
| 50–150 | 2 500 | 80 | 150 | ||||||||
| 150–500 | 1 200 | 80 | 150 | ||||||||
| fosilní | 0–50 | 3 000 | 100 | 125 | |||||||
| 50–150 | 2 500 | 80 | 125 | ||||||||
| 150–500 | 1 200 | 80 | 125 | ||||||||
Je vidět, že dojde k podstatnému zpřísnění emisních limitů, což je velice dobrý krok ke zlepšení současné situace. Pro představu jsou v následujícím grafu (obr. 8) uvedeny reálně naměřené koncentrace emisí CO na různých druzích kotlů při spalování dřeva a hnědého uhlí (vždy jsou uvedeny 3 opakované spalovací zkoušky). Je vidět, že nové požadavky by splnily pouze automatický kotel a pyrolýzní kotel. Za povšimnutí stojí fakt, že spalovaní dřeva nepřineslo zlepšení emisí oproti spalování hnědého uhlí (HU). Nelze tedy jednoznačně tvrdit, že pouhou změnou paliva z uhlí na biomasu dojde ke zlepšení situace (vyjma SO2 a CO2). Hlavní roli hraje zejména spalovací zařízení.
Obr. 8
Uvedené hodnoty byly dosaženy při hodnotách blízkým jmenovitému výkonu. V mnoha reálných instalacích je spalovací zařízení předimenzováno a také reálná potřeba tepla je nižší než jmenovité parametry spalovacího zařízení (částečně to lze řešit instalací akumulační nádoby). Je zřejmé, že při hodnotách nižších než jmenovitých se kvalita spalování zhoršuje a tedy produkce znečišťujících látek výrazně zvyšuje. Také účinnost se může výrazně snižovat (zvyšuje se komínová ztráta a ztráta nedopalem). Výsledné parametry spalovacího zařízení, které jsou uvedeny na výrobním štítku, jsou v reálné aplikaci velmi těžce dosažitelné, protože obsluha velmi výrazně může ovlivnit kvalitu spalování (dávka paliva, nastavení přívodu spalovacího vzduchu). U automatických kotlů a u zplyňovacích kotlů je zásah obsluhy omezenější než u klasických prohořívacích a odhořívacích kotlů a proto je pravděpodobnější, že kvalita spalování při běžném provozu může být blízká parametrům dosažených na zkušebně.
4. Poděkování
Tato práce byla podporována Grantovou agenturou ČR – projekt č. 101/09/1464.
Literatura
- [1] MACHÁLEK, P.- MACHART , J.: Emisní bilance vytápění bytů malými zdroji od roku 2001, ČHMÚ 2003, [cit. 2010-08-1] Dostupné na www: http://portal.chmi.cz/files/portal/docs/uoco/oez/embil/metodika_rezzo3.pdf
- [2] firemní stránky firmy Testo s.r.o. (www.testo.cz)
Long-term air quality data collected in areas affected by pollution from large industrial sources, reported during the heating season, the remarkable changes that indicate a significant proportion of small sources in impaired air quality. Residents and their boiler is considerable work involved in air pollution.