Czy wybrać kocioł gazowy z palnikiem wentylatorowym czy prosty kocioł atmosferyczny, po czym poznać niższą jakość pelletów, dlaczego jest tak wielu chętnych do zakupu kotłów na węgiel i drewno? − oto tylko wybrane pytania, na które odpowiedź znajduje się w artykule.
Czy wybrać kocioł gazowy z palnikiem wentylatorowym czy prosty kocioł atmosferyczny, po czym poznać niższą jakość pelletów, dlaczego jest tak wielu chętnych do zakupu kotłów na węgiel i drewno? − oto tylko wybrane pytania, na które odpowiedź znajduje się w artykule.
Przejdźmy do konstrukcji kotłów. A więc wiszący czy stojący. Kotły stojące są zwykle droższe od kotłów wiszących, jednak od tych drugich odróżnia je znacznie dłuższa trwałość liczona w dwu i więcej dziesiątkach lat. Kocioł wiszący posiada trwałość do kilku lat, a w przypadkach kotłów dobrych firm do 10 lat.
Jednak niezależnie od wyższej ceny kocioł stojący wymaga z reguły odpowiedniego pomieszczenia technicznego z odpowiednią wentylacją nawiewną i wywiewną.
Kocioł wiszący może być praktycznie zamontowany w prawie każdym pomieszczeniu (oczywiście poza sypialnią), np. w kuchni. Ale gdy w kuchni funkcjonuje okap z wentylatorem, to nie wszystkie rodzaje kotłów mogą być tam zamontowane.
Ponadto kotły wiszące, zarówno jedno, jak i dwufunkcyjne, zwykle wyposażone są w komplet niezbędnych do funkcjonowania urządzeń, jak pompy, zawory przełączające, naczynie przeponowe. Posiadają one także zintegrowany panel sterowania do obsługi kotła.
Posiadacz kotła stojącego nabywając kocioł nie dostaje niestety kompletu niezbędnych urządzeń i musi je dodatkowo dokupić. Również panel sterowniczy do takiego kotła może być różnego rodzaju (inne funkcje). Jest bardziej skomplikowany i musi być dobrany dosyć precyzyjnie. Rozwiązanie to jest jednak bardziej elastyczne i pozwala rozwiązać ogrzewanie i przygotowanie ciepłej wody w przypadkach odbiegających od pewnego ogólnego minimum.
W przypadku kotła wiszącego najczęściej podgrzewanie ciepłej wody zrealizowane jest za pomocą wymiennika płytowego. Niestety, to jest wadą tych urządzeń. Wymiennik taki składa się bowiem z wielu płyt złożonych (zlutowanych) razem, pomiędzy płytami są odległości rzędu milimetrowych.
W tych przestrzeniach przepływa woda zimna i podgrzewana jest poprzez wodę grzewczą. Niestety, nasza woda jest złej jakości, wobec tego przestrzenie pomiędzy płytami szybko ulegają zatkaniu przez osady i kamień.
Kotły stojące zwykle nie posiadają własnego zintegrowanego podgrzewacza ciepłej wody i występuje on jako osobne urządzenie, ale nasza zimna woda przepływa rurkami dość dużej średnicy: od DN20 do DN32 i więcej. Prawdopodobieństwo zatkania tych rur jest tutaj niewielkie.
W kotłach wiszących często do konstrukcji elementów stosowane są tworzywa sztuczne, np. w zaworach przełączających, przez co nie należą one do najtrwalszych.
Porównanie, które wykonaliśmy, jest dosyć ogólne i nie uwzględnia specyficznych rozwiązań kotłów wiszących. Omówimy je później.
Rys. 1. Idea palnika inżektorowego: 1 – kolektor, 2 – dysza gazowa, 3 – układ zapłonowy i kontroli płomienia, 4 – rura palnikowa. Fot. i rys. – J. Bylicki
{mospagebreak} Spróbujmy pójść nieco dalej w problematykę kotłów grzewczych gazowych.
Zarówno kotły grzewcze stojące, jak i wiszące mogą pracować z palnikami inżektorowymi (atmosferycznymi) oraz z palnikami wentylatorowymi zwanymi niekiedy nadmuchowymi. Przy kotłach stojących palniki wentylatorowe zabudowywane są jako oddzielne urządzenia, a ponadto mogą one być różnej mocy i typów do tego samego kotła. Kocioł wiszący ma palnik wentylatorowy z tzw. wstępnym zmieszaniem zintegrowany z konstrukcją kotła. Polega to na tym, że gaz i powietrze zmieszane są wstępnie w stałej proporcji i wspólnie dopływają do palnika. Kotły te noszą też nazwę kotłów z zamkniętą komorą spalania. Powietrze do spalania zwykle zasysane jest z zewnątrz, a komora spalania jest zabudowana dość szczelnie. Natomiast w kotłach atmosferycznych, a więc z palnikami inżektorowymi, konstrukcja palników dla kotłów stojących i wiszących jest zbliżona. Ideę takiego palnika inżektorowego przedstawiliśmy na rys. 1, a realizację tego w praktyce w kotle wiszącym i stojącym na fot. 1 i 2.
Fot. 1. Palnik inżektorowy w kotle wiszącym (WOLF). Fot. i rys. – J. Bylicki
Fot. 2. Palnik inżektorowy w kotle stojącym (WOLF): 1 – kolektor, 2 – dysza gazowa, 3 – układ zapłonowy i kontroli płomienia, 4 – rura palnikowa. Fot. i rys. – J. Bylicki
Widok kotła stojącego z palnikiem wentylatorowym zaprezentowaliśmy na fot. 3.
Fot. 3. Widok typowego kotła stojącego z palnikiem wentylatorowym (WOLF): 1– regulator, 2 – kocioł, 3 – palnik. Fot. i rys. – J. Bylicki
{mospagebreak} Problematyka palnika ze wstępnym zmieszaniem wymaga szczegółowego technicznego objaśnienia, co przekracza założenia tego artykułu i zostanie pominięta. Jednak opisując kocioł atmosferyczny wykażemy szczególne cechy kotła z zamkniętą komorą, a więc z palnikiem wentylatorowym.
Na początek przedstawimy rysunek kotła atmosferycznego stojącego i na tym przykładzie wykażemy różnicę między palnikami (rys. 2). Niebieskie strzałki przedstawiają przepływ powietrza przez kocioł. Jak widać, to powietrze dopływa zarówno do spalania w kotle, jak i do komina poprzez otwartą skrzynkę przyłączną. A więc powietrze bierze udział w spalaniu,a dodatkowo poprzez komin pobierane jest z pomieszczenia. Proces ten z różną intensywnością trwa przez cały czas, również gdy palnik nie działa. Wobec tego następuje tutaj schłodzenie kotła przez przepływające powietrze w czasie postoju kotła, a nadto następuje wychłodzenie pomieszczenia. Dodać należy, że istnieje zależność prawidłowości działania tego kotła i jego sprawności od ciągu kominowego.
Rys. 2. Przekrój kotła stojącego i drogi przepływu powietrza. Fot. i rys. – J. Bylicki
W kotle z zamkniętą komorą spalania, a więc z palnikiem ze wstępnym zmieszaniem, nie ma otwartej skrzynki przyłącznej. Wobec tego nie ma strat ciepła poprzez tę skrzynkę, nie ma również swobodnego przepływu przez kocioł, palnik bowiem pobiera powietrze tylko w momencie koniecznym, a więc nie ma strat w momencie niedziałania palnika. Również zamknięta komora zwiększa bezpieczeństwo, gdyż gaz nie ma możliwości wypływu do pomieszczenia. Czyżby były tylko same plusy? Niestety nie. Każdy kocioł z palnikiem wentylatorowym musi do swojej pracy pobierać energię elektryczną, i to niekiedy dość znaczną ilość. Działanie wentylatora wiąże się także z emisją hałasu. W kotłach stojących z palnikami wentylatorowymi jest on duży, osiągając poziom 65–80 dB (A).
Zwięszony wydatek na kocioł kondensacyjny może, dzięki odzyskiwaniu ciepła zawartego w ulatującej parze, zwrócić się nawet już po trzech latach
Niebagatelna jest też różnica ceny. Kocioł z otwartą komorą spalania jest znacznie tańszy. Na domiar kotły z palnikami wentylatorowymi są niestety bardziej zawodne od prostych konstrukcji kotłów atmosferycznych, ale za to posiadają wyższą sprawność. Wybór jest więc trudny. A będzie jeszcze trudniejszy, ponieważ w systemie kotłów z palnikami wentylatorowymi istnieje jeszcze jedna kategoria − są to kotły kondensacyjne, zarówno stojące, jak i wiszące. Ich sprawność osiąga 104–108%. Mimo że konstrukcja kotła kondensacyjnego jest znana od wielu lat, ciągle istnieją nieporozumienia, skąd te ponad 100%.
A „zysk” wziął się z odzyskania ciepła zawartego w ulatującej parze. Para ta pochodzi z wody, która wytworzona została w procesie spalania oraz była składnikiem powietrza niezbędnego do spalania. Podkreślić należy, iż kotły kondensacyjne są konstrukcjami skomplikowanymi i cena ich jest znacznie wyższa od pozostałych rozwiązań. Jednak zysk wart jest zachodu, w zależności od sposobu eksploatacji zwiększony wydatek zwrócić się może nawet po trzech latach.
Jednak musimy zwrócić uwagę potencjalnych użytkowników na przeglądy, czyszczenie palników i kotłów. O ile oczywiste jest, że nasze samochody muszą mieć coroczne przeglądy, o tyle o kotłach już zapominamy. A zyski można szybko zaprzepaścić przez pracę zabrudzonego kotła z bardzo niską sprawnością.
{mospagebreak}
A teraz kilka słów o kotłach olejowych. Są to głównie kotły stojące z palnikami wentylatorowymi. W gospodarce domowej używany jest olej lekki. W przemyśle i energetyce spalane są inne typy olejów, tzw. średnie i ciężkie, a także oleje przepracowane. Koszt ogrzewania i przygotowania ciepłej wody za pomocą oleju opałowego lekkiego jest znacznie wyższy od gazu. Ten sposób ogrzewania pozostaje w praktyce dla przypadków braku gazu przewodowego.
Warto podkreślić, że przy stosowaniu do spalania oleju opałowego kotły i palniki muszą być regularnie czyszczone i regulowane. Dla niedowiarków zamieszczamy zdjęcie wnętrza kotła olejowego po sezonie (fot. 7).
Fot. 7. Widok wnętrza kotła olejowego po sezonie grzewczym. Fot. i rys. – J. Bylicki
Konieczne są też odpowiednie pomieszczenia na same kotły (kotłownia) oraz odpowiedniej wielkości skład paliwa. Obowiązuje wiele przepisów koniecznych do zachowania dotyczących pomieszczeń i ich wentylacji, także pożarowych. O ile skropliny powstające w kominie, wykraplające się ze spalin gazowych, zawierają kwasy azotawe, o tyle w przypadku spalin z kotłów olejowych dochodzi jeszcze siarka oraz kwasy – siarkawy i siarkowy. Również możliwość powstania sadzy w przypadku paliwa olejowego jest dosyć prawdopodobna i w krańcowym przypadku może spowodować uszkodzenie kotła lub pożar sadzy w kominie.
Paliwo olejowe wymaga odpowiedniego składowania, i to niezbyt długiego, na dodatek w odpowiednich temperaturach. Zbytnie obniżenie temperatury, np. składowanie w nieogrzewanym pomieszczeniu, spowodować może wytrącenie się parafin, a w dalszej konsekwencji zanieczyszczenie palnika, przerwanie pracy palnika, dodatkowe koszty związane z czyszczeniem palnika, nie mówiąc już o przerwie w ogrzewaniu.
Pora jednak zająć się kotłami na paliwa stałe. Po czasach, gdy z dość prymitywnym i niskosprawnym kotłem na paliwo stałe (węgiel, koks, brykiety) nieodłącznie związany był usmolony palacz, nadeszła pora na nowoczesne konstrukcje, które już prezentują całkiem niezłą klasę i posiadają sprawność zbliżoną do kotłów gazowych czy olejowych. Również pod względem wygody obsługi i możliwości regulacji rozwiązania niektórych producentów niewiele od kotłów gazowych odbiegają. Warto jednak wiedzieć, że dla kotłów na paliwa stałe nie są konieczne stalowe wkłady kominowe będące wręcz obligatoryjne przy kotłach gazowych i olejowych. Wynika to z prostego faktu, iż spaliny z paliw stałych są inne niż z paliw gazowych i olejowych, a ponadto są suche. Warto również pamiętać, że temperatura spalin z tych kotłów jest znacznie wyższa niż dla kotłów gazowych i kształtuje się na poziomie 200–240ºC i więcej.{mospagebreak}
Wygodną konstrukcją są kotły na pellety. Zacznijmy od nich i wyjaśnienia samego procesu uzyskiwania pelletów. Proces ten to nic innego jak granulacja rozdrobnionych odpadów z drewna. Jest to więc jedna z metod pozyskiwania ekologicznego paliwa z biomasy. Surowcem wyjściowym do produkcji pelletów są m.in. surowe trociny tartaczne, suche trociny, wiórki z zakładów stolarskich lub surowe zrębki pozyskiwane z papierówki leśnej, wierzby energetycznej oraz innych roślin uprawianych w tym celu (fot. 4).
Fot. 4. Pellety, ale już w kotle, ściślej w zbiorniku kotłowym. Fot. i rys. – J. Bylicki
Proces granulacji jest bardzo zbliżony do granulacji pasz, chociaż siły sprasowywania w zespołach roboczych granulatora są kilkakrotnie wyższe.
Najlepsze do granulacji są trociny. Powinny mieć wilgotność mieszczącą się w przedziale 12–16%. Niestety polscy producenci dla „poprawienia rentowności przedsięwzięcia” produkcji granulatu stosują dodatki kory, płyt wiórowych i innych elementów odpadowych służących tutaj jako wypełniacz. Dodatki te powodują znaczne obniżenie jakości pelletów, tzn. obniżenie wartości energetycznej i zwiększenie zawartości popiołu. Można je poznać po nieco ciemniejszej barwie. Granulat ten w kotłach na pellety małej i średniej mocy praktycznie podawany jest na trzy sposoby:
zbiornik granulatu zamontowany przy urządzeniu,
granulat podawany podajnikiem śrubowym z pojemnika usytuowanego nie przy urządzeniu,
granulat zaciągany pompą wytwarzającą podciśnienie.
Fot. 5. Lej z pelletami i systemem podawania. Fot. i rys. – J. Bylicki
Na fot. 5 przedstawiliśmy podajnik ślimakowy podający pellety do kotła. Jak widać, mechanizm jest dosyć solidny, gdyż często musi poradzić sobie z wilgotnymi granulkami.{mospagebreak}
Niezależnie od systemu podawania granulatu posiadanego przez kocioł dostaje się on w końcu do palnika. Tym palnikiem najczęściej jest palnik obrotowy (taca), ale występują również palniki kształtem przypominające palniki nadmuchowe, nieposiadające elementu obrotowego. Na kolejnej ilustracji przedstawiliśmy wnętrze paleniska kotła na pellety z widocznym palnikiem w kształcie tacy (fot. 6).
Decydując się na wybór kotła na pellety należy jednak pamiętać, że konieczny jest magazyn paliwa i jego stałe uzupełnianie.
Fot. 6. Widok wnętrza kotła na pellety (widoczna taca palnika z paliwem). Fot. i rys. – J. Bylicki
O ile przy małych urządzeniach na pellety użytkownik sam może dosypywać i kontrolować stan granulatu, o tyle dla mocy 100 kW i większych (200, 300, 500 kW) dostarczanie paliwa może być kłopotliwe. Nasi zachodni sąsiedzi przyzwyczaili się już do widoku specjalnych samochodów transportowych (cystern), które, podobnie jak w przypadku paliw ciekłych, napełniają zbiorniki (magazyny pelletów). W Polsce jest to jeszcze ewenement, niemniej jednak wraz ze wzrostem zapotrzebowania pojawią się i takie cysterny.
W momencie powstawania artykułu cena za 1 tonę pelletów dochodziła do 800 PLN, a rok wcześniej była ona połowę niższa. Przy obecnych tendencjach wzrostowych cen tego surowca już dzisiaj cena samego paliwa, po uwzględnieniu wartości opałowych obu paliw, jest porównywalna do ceny gazu ziemnego.
Teraz przedstawimy konstrukcje na takie paliwa stałe jak drewno, węgiel. Te prostsze i najtańsze konstrukcje kotłów na paliwa stałe nie posiadają żadnych urządzeń dostarczających powietrze do spalania. W tej grupie kotłów wydzielić możemy konstrukcje ze spalaniem dolnym i górnym. Kotły ze spalaniem górnym wyróżniają się tym, że komora zasypowa jest jednocześnie komorą spalania. Czas palenia się takiej porcji paliwa, zwany także stałopalnością, kształtuje się w granicach 6–8 godzin. Niestety niższa cena to także niższa sprawność, z reguły nie przekracza ona 70–75%.
Kotły ze spalaniem dolnym to już nieco wyższa klasa. Spalanie odbywa się w oddzielnej komorze spalania.
W efekcie wyższa jest sprawność takiego kotła osiągając prawie 80%, stałopalność osiąga zaś kilkanaście godzin. Jeszcze wyższa grupa kotłów to te, które posiadają wentylator i zwykle tym wentylatorem steruje regulator wyposażony w odpowiedni mikroprocesor. Takie układy sterowania pozwalają dosyć precyzyjnie regulować temperaturę wody w kotle. Jeśli dołożymy do nich pojemnik z podajnikiem paliwa (jak przy pelletach), to rozwiązanie zaczyna być dość sensowne.
W zależności od mocy i wielkości zbiornika na paliwo stałopalność takich rozwiązań może osiągnąć nawet i 30 dni, jednak przeciętnie kształtuje się na poziomie kilku dni.
Co roku powstają nowe konstrukcje kotłów stałopalnych, lecz niestety zbliżamy się już do pewnej granicy (podobnie jak przy kotłach na paliwa płynne) sprawności kotła − 91–93%, poza którą bardzo trudno jest się przedostać. Bowiem przy coraz większych nakładach inwestycyjnych pokonywane są coraz mniejsze części procentu sprawności.
Często użytkownicy łączą ze sobą dwa źródła ciepła: „stare” olejowe i „nowe” węglowe.
O ile w Europie dopuszczone są takie układy w jednym obiegu czynnika, o tyle w Polsce jeszcze nie. Można oczywiście zrealizować tę ideę nie naruszając przepisów, rozdzielając niejako za pomocą wymiennika otwarty układ kotła na paliwa stałe od obiegu zamkniętego kotła na paliwa ciekłe, ewentualnie gazowe. I tu uwaga: nowoczesne kotły gazowe i olejowe nie są przystosowane do pracy w układach otwartych. Materiał wytrzymały na temperatury nie jest niestety odporny na korozję tlenową.
Osobną grupę kotłów na paliwa stałe stanowią kotły na tzw. holtzgas, czyli wykorzystujące zjawisko zgazowania drewna. Starsze pokolenie zapewne pamięta kursujące w latach czterdziestych XX w. ciężarówki z dziwną grubą, pionową rurą usytuowaną na skrzyni lub tuż przy szoferce. To był reaktor do zgazowywania drewna. Pomyślmy sobie, jak by to było sympatycznie: zamiast wydać kilkaset złotych na stacji benzynowej, zatrzymujemy się obok lasu i z siekierką…{mospagebreak}
Ale wróćmy na ziemię i do naszych kotłów − spalanie w nich odbywa się trójfazowo. Pierwsza faza to suszenie drewna i zgazowanie, kolejna faza to spalanie gazu, trzecia zaś to dopalanie cząstek zawartych w gazie i przekazywanie ciepła. Sprawność takich kotłów osiąga 90%, a stałopalność osiąga kilkanaście godzin. Kotły te wymagają nieco bardziej troskliwej i rozsądnej obsługi. Zbyt szybki rozruch kotła może spowodować uszkodzenie wykładzin ceramicznych stanowiących jego izolację. Pamiętać również należy o jakości drewna. Jego wilgotność jest niezwykle ważna, drewno mokre (źle zabezpieczone przed warunkami zewnętrznymi) lub świeże spalane w takim kotle powoduje uzyskanie dużo mniejszej wydajności cieplnej kotła niż drewno wysezonowane (minimum 2 lata), którego wilgotność wynosi od 15 do 25%.
Postawmy sobie jedno z wielu nasuwających się pytań, np. wybrać kocioł na pellety, węgiel, drewno czy też olej opałowy?
Paliwo Wartość opałowa [MJ/kg] Zawartość popiołu [%] Zawartość siarki [%]
Pellet
18
<1,5
<0,8
Olej opałowy
43
0,15
2,8
Miał węglowy
23
18
0,6
Węgiel groszek
26
7
0,7
Tabela. Porównanie paliw stałych
Każde z tych rozwiązań ma swoje wady i zalety. Niemniej oprócz ceny paliwa trzeba przyjrzeć się uciążliwości korzystania z danego źródła ciepła. W tabeli przedstawiliśmy, oprócz wartości opałowej, zawartość popiołu powstającego w wyniku spalania, który należy (niestety) usuwać z paleniska. Jak widać, różnice są znaczne na korzyść oleju opałowego, ale za to olej to mnóstwo siarki zarówno na ściankach kotła, jak i w atmosferze.
Alternatywą dla pelletów może być oczywiście węgiel. Jego cena w stosunku do wartości opałowej jest jeszcze niska. Cena kotła na węgiel jest również niższa niż urządzeń na biomasy. Od około dwóch lat możemy w Polsce zaobserwować renesans tych urządzeń. Producenci polscy nie nadążają z ich produkcją, w sezonie powstają specjalne listy chętnych do zakupu kotłów na węgiel i drewno. Przykre jest to, że prawie nowe, kilkuletnie sprawne kotłownie olejowe w szkołach, szpitalach czy innych ważnych ośrodkach publicznych zostają zamieniane na kotłownie węglowe ze względu na niedostosowaną cenę oleju opałowego do możliwości finansowych odbiorców (cena litra oleju opałowego w Niemczech wynosi 0,65 euro przy czterokrotnie wyższych zarobkach).
Być może rozwiązaniem, które uczyni pozyskiwanie ciepła tańszym, będzie ogniwo paliwowe, może kolektory słoneczne z bezpośrednim podgrzewem czynnika, a może ogniwa słoneczne, które energię słoneczną zamieniają w prąd?
mgr inż. Jan Bylicki
mgr inż. Jacek Parys
ZAMÓW PRENUMERATĘ
Artykuł zamieszczony
w „Inżynierze budownictwa”,
luty 2007.
