Kotły kondensacyjne – cz. I

Kotły grzewcze mają za sobą ponad 100 lat historii. Pomysł wykorzystania ciepła utajonego pary wodnej ze spalin doprowadził ponad 40 lat temu do powstania pierwszych kotłów kondensacyjnych. Dzisiaj kotły kondensacyjne osiągają sprawność ponad 100% (liczoną względem wartości opałowej), a 110% jest kresem możliwości rozwoju urządzeń wykorzystujących spalanie paliw w sposób tradycyjny.

W przyszłości kotły zostaną zapewne zastąpione przez nowoczesne rozwiązania, nad którymi prace wdrożeniowe trwają od lat, jak: pompy ciepła, wykorzystujące spalanie gazu ziemnego, mikroturbiny gazowe, ogniwa paliwowe zasilane metanem i inne.

Jednak długo jeszcze do celów grzewczych będą wykorzystywane kotły, w tym coraz powszechniej kotły kondensacyjne (rys. 1). Aby wykorzystać ich główny atut, czyli wysoką sprawność wytwarzania ciepła, o kilkanaście procent wyższą niż w nowoczesnych kotłach niekondensacyjnych, należy dobrze poznać specyfikę ich pracy, dobrać instalację grzewczą, zapewnić odpowiednie warunki eksploatacyjne. Wiąże się to z pewnymi wymaganiami i ograniczeniami, których nie ma w układach grzewczych z kotłami niekondensacyjnymi. Niniejszy artykuł nie wyczerpuje zagadnienia (patrz np. [1]).

Zrozumienie istoty zastosowania techniki kondensacyjnej w kotłach wymaga przypomnienia procesów zachodzących w czasie spalania paliw.

 

 

Kocioł jest urządzeniem, w którym energia chemiczna jest zamieniana w ciepło. W komorze spalania zachodzą reakcje utleniania pierwiastków palnych (węgla, wodoru i siarki), w wyniku czego wydziela się ciepło. Nośnikiem tego ciepła są gazy spalinowe, które płynąc przez kocioł, oddają ciepło do wody kotłowej. Wymiana ciepła pomiędzy spalinami a wodą odbywa się w sposób pośredni, poprzez powierzchnię komory spalania i kanałów spalinowych w kotle. Kocioł jest zatem równocześnie przeponowym wymiennikiem ciepła spaliny–woda. Do kotła należy dostarczyć paliwo i powietrze potrzebne do spalania. Produktami są ciepło i gazy spalinowe zawierające w swym składzie także parę wodną, której ciepło skraplania można wykorzystać w kotłach kondensacyjnych. W kotłach spalających paliwa stałe powstaje również popiół i żużel.

W spalinach kotłowych znajduje się pewna ilość pary wodnej, pochodząca głównie z utleniania wodoru zawartego w paliwie. Zawiera ona w sobie ciepło utajone. Ciepło zawarte w parze wodnej można wykorzystać, schładzając spaliny do temperatury niższej niż temperatura punktu rosy. Para wodna skrapla się i oddaje ciepło utajone powierzchni kotłowego wymiennika ciepła, a pośrednio – wodzie kotłowej. Czynnikiem, który schładza spaliny, jest woda powracająca do kotła z instalacji. Para wodna nieskroplona na powierzchni wymiany ciepła w obrębie kotła może częściowo wykraplać się w kominie, a także trafiać przez komin do atmosfery. W tym przypadku jest to strata ciepła utajonego.

Ciepło utajone (zwane ciepłem parowania lub ciepłem skraplania) wynosi w temperaturze 100^oC i przy ciśnieniu atmosferycznym 2257 kJ/kg. Oznacza to, że tyle energii musimy doprowadzić w sposób bezstratny do kilograma wrzącej wody, by ją odparować. Dla porównania podgrzanie 1 kg wody od 0^oC do 100^oC wymaga dostarczenia (nie licząc strat) około 419 kJ energii (przyjmując ciepło właściwe wody równe 4,19 kJ/(kgK)). Natomiast: spalając 1 kg lekkiego oleju opałowego, otrzymujemy 42 600 kJ energii. Taka ilość ciepła pozwala (pomijając straty) podgrzać około 100 kg wody od 0^oC do 100^oC lub odparować 18,8 kg wody wrzącej. A zatem skraplając 18,8 kg pary wodnej, uzyskujemy ciepło odpowiadające spaleniu 1 kg oleju opałowego (lub 1,2 m³ gazu ziemnego o wartości opałowej 35 000 kJ/m³).

 

	Wartość opałowa	Udział masowy wodoru w paliwie	Ilość pary wodnej ze spalenia 1 kg paliwa	Ciepło utajone w parze wodnej ze spalenia 1 kg paliwa	Ciepło utajone (wartość opałowa = 100)
Gaz ziemny	44 900 kJ/kg (35 000 kJ/m3)	25%	2,25 kg	5 175 kJ	11
Propan techniczny	46 000 kJ/kg	18%	1,62 kg	3 726 kJ	8
Olej opałowy lekki	42 600 kJ/kg	12%	1,08 kg	2 484 kJ	6

Ilość pary wodnej, jaką zawierają gazy spalinowe powstające w kotle, zależy w znacznej mierze od rodzaju paliwa. Para wodna (H₂O) jest wynikiem reakcji utleniania wodoru. Paliwa, w których jest większy udział wodoru, wytwarzają więcej pary wodnej jako produktu spalania. Do kotłów kondensacyjnych stosuje się powszechnie trzy paliwa: gaz ziemny (98% CH₄), który zawiera około 25% wodoru, propan techniczny (95% C₃H₈) – około 18% wodoru, i olej opałowy – 10–14% wodoru. Z każdego kilograma wodoru w paliwie powstaje 9 kg pary wodnej, z której po skropleniu w obrębie kotła można odzyskać ciepło utajone. W tabeli pokazano wartości ciepła utajonego, jakie niesie para wodna w spalinach. Obliczenia wykonano dla przykładowych parametrów paliw.

 

Para wodna schłodzona do temperatury punkty rosy zmienia swój stan skupienia. Im większa jest wilgotność względna spalin, tym wyższa jest temperatura punktu rosy, czyli szybciej rozpocznie się kondensacja pary wodnej w trakcie schładzania spalin. Ponadto niższa temperatura powierzchni wymiany ciepła oznacza intensywniejszą kondensację pary wodnej i skuteczniejszy odzysk ciepła utajonego. Ponieważ w obrębie kotła najniższą temperaturę ma woda powracająca z instalacji, najlepszy efekt uzyskuje się, jeśli kocioł kondensacyjny współpracuje z niskotemperaturową instalacją grzewczą, np. ogrzewania podłogowego.

W następstwie wykraplania się pary wodnej ze spalin na powierzchni wymienników ciepła powstają kropelki wody, w których rozpuszcza się część dwutlenku węgla, tlenków siarki i tlenków azotu, zawartych w spalinach. A zatem w przypadku kotłów kondensacyjnych spaliny opuszczające kocioł są nie tylko lepiej schłodzone, lecz również bardziej suche i mniej zanieczyszczone niż spaliny z kotłów niekondensacyjnych. Równocześnie jednak wykroplona para wodna i rozpuszczone w niej zanieczyszczenia muszą zostać odprowadzone z kotła w postaci kwaśnego kondensatu (skroplin) będącego mieszaniną kwasów: węglowego, azotowego i siarkowego. Skropliny są mniej agresywne, jeśli w paliwie jest mało siarki. Ponadto duża zawartość pary wodnej w spalinach i jej intensywne wykraplanie oznacza lepsze rozcieńczenie rozpuszczonych w wodzie zanieczyszczeń.

Strumień skroplin odprowadzanych z kotłów kondensacyjnych zależy od rodzaju paliwa. Rośnie wraz ze wzrostem mocy cieplnej kotła.

W przybliżeniu strumień skroplin można określić wskaźnikowo w zależności od energii w paliwie: gaz ziemny – 0,16 dm³/kWh; gaz płynny – 0,13 dm³/kWh; olej opałowy – 0,08 dm³/kWh.

Skropliny odprowadzane do kanalizacji w budownictwie mieszkaniowym stanowią kilka procent odprowadzanych ścieków bytowych i nie obniżają w istotny sposób wartości pH ścieków odprowadzanych do kanalizacji. Dodatkowo ścieki z gospodarstw domowych są lekko zasadowe, co w pewnym stopniu neutralizuje skropliny z kotłów kondensacyjnych. Jednak, przy innym sposobie użytkowania obiektu niż mieszkalnictwo lub przy przewidzianej dłuższej nieobecności użytkowników w sezonie grzewczym, neutralizacja skroplin może okazać się konieczna.

Najlepszym paliwem do kotłów kondensacyjnych jest gaz ziemny, następnie propan i wreszcie olej opałowy. Wynika to głównie z dużego udziału wodoru w paliwie (tabela), przez co spaliny z gazu ziemnego mają największą zawartość wilgoci i największą wilgotność względną. Dlatego też:

1. Wydajność procesu wykorzystania ciepła (COP) w kotle kondensacyjnym dla gazu ziemnego wynosi 111% (uwzględniając straty kotła, będzie to np. 109%); dla propanu – 108%, a dla oleju opałowego – jedynie 106%.

2. Temperatura punktu rosy dla gazu ziemnego ma wartość około 56^oC, dla propanu około 50^oC, a dla oleju opałowego około 46^oC. Jeśli spaliny zostaną schłodzone do temperatury np. 50^oC, to przy gazie ziemnym zachodzi już kondensacja, przy propanie – dopiero się rozpoczyna, natomiast spaliny z oleju opałowego należy bardziej schłodzić, by odzyskać z nich ciepło utajone.

3. Odczyn skroplin odprowadzanych z gazowych kotłów kondensacyjnych jest lekko kwaśny (pH = 3,5–5,5), zbliżony do odczynu wody deszczowej na obszarach zabudowanych (rys. 2). Skropliny z kotłów opalanych olejem są bardziej kwaśne z powodu zawartości siarki w składzie oleju i mniejszej ilości pary wodnej w spalinach. Na rynku są dostępne oleje opałowe o zawartości siarki obniżonej do 0,1%, a nawet mniejszej niż 0,005% (tzw. olej ubogi), które wykorzystane w kotłach kondensacyjnych pozwalają zmniejszyć agresywność skroplin. Decydując się na stosowanie olejowego kotła kondensacyjnego, należy uzyskać informację od producenta kotła co do zalecanego rodzaju oleju oraz przeprowadzić rozeznanie odnośnie do możliwości i stałości dostaw takiego paliwa.

 

 

 

1. K. Mizielińska, J. Olszak, Gazowe i olejowe źródła ciepła małej mocy, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa 2005.

2. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (Dz.U. Nr 75, poz. 690).

3. Rozporządzenie Ministra Środowiska z dnia 24 lipca 2006 r. w sprawie warunków, jakie należy spełnić przy wprowadzaniu ścieków do wód lub do ziemi oraz w sprawie substancji szczególnie szkodliwych dla środowiska wodnego (Dz.U. z 2006 r. Nr 137, poz. 984).

4. ATV-DVWK-A251. Kondensate aus Brennwertkesseln, August 2003.