Kotły c.o. na paliwa stałe – poprawa jakości powietrza (1) Spalanie pod kontrolą


Reklama

Pompa ciepła Stiebel Eltron

zobacz artykuł w formie pdf zobacz pdfa  zobacz pdfa

Obowiązujące w Polsce standardy emisyjne w zakresie wprowadzania gazów lub pyłów do powietrza dotyczą źródeł opalanych paliwami stałymi o nominalnej mocy cieplnej nie mniejszej niż 1 MW [1]. Prowadzone aktualnie prace nad nowelizacją tego rozporządzenia zakładają rozszerzenie wymagań dla źródeł spalania od 0,5 MW. Dla kotłów o mocy cieplnej do 0,5 MW, poza normą PN-EN 12809:2002 zharmonizowaną z Dyrektywą Budowlaną (CPD) 89/106/WE, w Polsce nie obowiązują żadne akty prawne, które by normowały poziomy emisji zanieczyszczeń do środowiska. Przywołana norma PN-EN 12809:2002 odnosi się jedynie do granicznych poziomów emisji tlenku węgla, które z racji ich wprowadzenia przeszło dziesięć lat temu są nieadekwatne do obecnego stanu techniki i technologii.


Prenumerata Magazynu Instalatora

Dużą liberalność wymagania w odniesieniu do granicznej wartości emisji 1% tlenku węgla (w odniesieniu do 13% tlenu) zawartego w spalinach powoduje, iż na rynku dostępne są urządzenia grzewcze, które emitują duży ładunek:

* tlenku węgla,
* lotnych związków organicznych,
* pyłu,
* wielopierścieniowych węglowodorów aromatycznych (w tym 16 WWA wg EPA),
* dioksan,
* furanów (PCDD/Fs),
* innych związków organicznych zaasocjowanych zaadsorbowanych na jego powierzchni.

W Polsce w roku 1999 wprowadzono dobrowolne badania celem uzyskania tzw. „Świadectwa na znak bezpieczeństwa ekologicznego” („zielone jabłuszko”) dla kotłów opalanych węglem, które były stosowane w ramach programów ograniczania emisji, dofinansowywanych przez WFOŚiGW w Katowicach oraz gminach województwa śląskiego [2]. Kryteria te opracowano w okresie, gdy nie obowiązywała norma PN EN 303-5:2002 i zawierały one oznaczanie takich parametrów emisyjnych, jak: tlenek węgla (CO), tlenki azotu (NOx), pył, TOC (całkowita substancja organiczna, jako wyznaczona grawimetrycznie i odpowiadająca ilości substancji organicznej wydzielonej ze spalin, zaadsorbowanej na pyle i występującej w fazie gazowej), benzo(a)pirenu oraz 16 węglowodorów wg EPA. Wartości kryteriów z roku 1999 zostały znowelizowane w roku 2006, [3].
Należy podkreślić, że część krajowych producentów produkujących nowoczesne urządzenia grzewcze, zwłaszcza kotły o konstrukcji spełniającej wymagania BAT, dysponujących odpowiednim zapleczem konstrukcyjnym i laboratoryjnym, decydowała się na przeprowadzenie dobrowolnych badań atestacyjnych w celu uzyskania wyżej wspomnianego „Świadectwa na znak bezpieczeństwa ekologicznego” oraz/lub badań na zgodność z normą PN EN 303-5:2002 zakończonych pozytywnym wynikiem i wystawieniem odpowiedniego świadectwa. Niestety znacząca część kotłów wprowadzonych na krajowy rynek nie jest zgłaszana do badań energetyczno-emisyjnych, czemu winien jest brak przymusu prawnego w tym zakresie.

W 2012 roku została znowelizowana norma PN EN 303-5:2002 dotycząca kotłów grzewczych o mocy do 300 kW. W wyniku nowelizacji rozszerzono zakres mocy do 500 kW oraz wprowadzono dwie nowe klasy: 4 i 5. Wymagania granicznych wartości emisji zanieczyszczeń: CO, OGC (węgla organicznie związanego) i pyłu zostały znacząco zaostrzone. Dlatego też proponuje się, by dobrowolne zobowiązania dla kotłów o najwyższej jakości zawierały spójne kryteria z normą PN EN 303-5:2012, np. obowiązujące dla klasy 5, [4].
Polska branża produkująca kotły małej mocy (zasilane paliwa stałymi) wyspecjalizowała się w kotłach opalanych węglem, które eksportuje także do wielu krajów UE oraz Europy Wschodniej. Posiada ona także znaczący udział w rynku kotłów opalanych stałymi biopaliwami. Jednak główny udział w polskim rynku kotłów zasilanych paliwami stałymi o mocy poniżej 500 kW stanowią kotły opalane węglem. Od połowy lat 90. ubiegłego stulecia nastąpił znaczący rozwój rozwiązań konstrukcyjnych, zwłaszcza w dziedzinie automatyzacji procesu spalania. Kotły z automatycznym zasilaniem komory spalania w paliwo stanowią aktualnie około 17% rynku kotłów węglowych. Wśród nich na szczególną uwagę zasługują kotły retortowe (realizujące technikę spalania współprądowego, spełniające wymagania BAT) oraz kotły tłokowe (znane też pod nazwą „podsuwowe”). Jednak w dalszym ciągu kotły z ręcznym, okresowym zasilaniem w stałe paliwo, stanowią znaczący udział w rynku instalacji grzewczych. W ciągu ostatnich 6 lat stanowiły one w Polsce około 80% udziału w rynku kotłów c.o. Wśród kotłów c.o. opalanych paliwami stałymi, produkowanych nie tylko w Polsce, ale także w wielu krajach Europy, można wydzielić trzy zasadnicze grupy, różniące się konstrukcją związaną z zastosowaną techniką spalania i wynikającą z tego efektywnością energetyczną i emisyjnością: kotły realizujące tzw. dolne spalanie z grawitacyjnym ciągłym wprowadzaniem paliwa do komory spalania (tzw. dolne spalanie, spalanie w prądzie krzyżowym), kotły zgazowujące oraz kotły realizujące spalanie w całej objętości (tzw. górne spalanie, przeciwprądowe) [5].
W zależności od zastosowanej techniki spalania możliwe jest wprowadzenie sterowania procesem spalania, co skutkuje zróżnicowaną sprawnością energetyczną oraz efektywnością ekologiczną. Porównując te trzy rodzaje palenisk z ręcznym, okresowym zasilaniem w paliwo, należy podkreślić, że najgorszymi parametrami energetyczno-emisyjnymi i niskim poziomem możliwości sterowania procesem spalania charakteryzują się kotły realizujące spalanie w całej objętości.

Biorąc pod uwagę pozostałe dwa rodzaje kotłów, należy zauważyć, że niezależnie od zastosowanej techniki spalania – z racji swej konstrukcji urządzenia zasilane ręcznie nie są w stanie osiągnąć sprawności porównywalnych z urządzeniami w pełni automatycznymi, i tym samym zawsze będą się one charakteryzować niższą sezonową sprawnością energetyczną oraz wyższą emisją zanieczyszczeń.
W ostatnim czasie obserwujemy intensyfikację działań na rzecz poprawy jakości powietrza. Z jednej strony są to dofinansowania przedsięwzięć w ramach programu KAWKA przez NFOŚiGW, lokalnie realizowane gminne programy PONE oraz planowane wprowadzenie „ograniczania spalania węgla”. Z drugiej strony, są to stawiane pytania, o kondycję rynku kotłów małej mocy opalanych paliwami stałymi, umożliwiającą ograniczenie emisji z sektora komunalno-bytowego na terenach charakteryzujących się przekraczaniem stężeń emisji pyłu, określonych dyrektywą CAFE. Mając powyższe na uwadze, w niniejszym opracowaniu skoncentrowano się na kotłach z automatycznym zasilaniem paliwem, stanem ich jakości w świetle znowelizowanej normy PN EN-303-5:2012 oraz uwarunkowań legislacyjnych w odniesieniu do nich, jakości paliwa i koniecznej kontroli w tym obszarze, by wysiłek branży produkującej kotły c.o., przygotowującej paliwa określonej jakości oraz ponoszone nakłady finansowe z budżetów gminnych, wojewódzkich i krajowych na realizację PONE przynosiły długofalowe efekty.

Analiza jakości rynku
Konieczność poprawy jakości powietrza na obszarach, na których odnotowano przekroczenia jakości poziomów dopuszczalnych stężeń w powietrzu i realizowane są programy (naprawcze) ochrony powietrza (POP) oraz plany działań krótkoterminowych (PDK), wymusza wprowadzenie działań, które przyniosą oczekiwany efekt w stosunkowo krótkim czasie. Wszędzie tam, gdzie brak dostępu do ciepła i gazu sieciowego, takim działaniem może być wymiana starych nieefektywnych pieców, kotłów grzewczych na kotły opalane paliwami stałymi, które spełniają wymagania BAT. Stosowane kotły winny spełniać odpowiednio wysokie standardy jakościowe, zwłaszcza powinny charakteryzować się niskimi wartościami emisji zanieczyszczeń.
Jak wspomniano wyżej, w odniesieniu do instalacji dla kotłów grzewczych o mocy poniżej 1 MW brak krajowych standardów emisyjnych, brak również dobrowolnych zobowiązań energetyczno-emisyjnych, tzw. ekoznakowania. Należy jednak podkreślić, że kotły grzewcze o mocy poniżej 500 kW, jako produkty wprowadzane na rynek, podlegają badaniom energetyczno-emisyjnym na zgodność z normą PN EN 303-5:2012, znowelizowaną w roku 2012. Na uwagę zwraca, wspomniane wyżej, znaczące zaostrzenie granicznych wartości emisji zanieczyszczeń: CO, OGC (węgla organicznie związanego, pyłu). Znowelizowana norma PN EN 303-5:2012 [4] rozróżnia 3 klasy kotłów w zależności od osiąganej sprawności energetycznej oraz wartości stężeń CO, OGC i pyłu (tabela). Kotły spełniające wymagania klasy 5 należy zaliczyć do grupy kotłów grzewczych spełniających wymagania najlepszych dostępnych technologii/technik (BAT).
Przeprowadzona analiza dostępnych na polskim rynku kotłów z automatycznym zasilaniem kwalifikowanymi sortymentami węgla, pod kątem wymagań wymienionej powyżej normy PN EN-303-5:2012, wykazała, że znacząca część dostępnych na rynku kotłów węglowych z automatycznym zasilaniem w paliwo spełnia wymagania klasy 3 i 4, zarówno w zakresie sprawności energetycznej, jak i dopuszczalnych wartości stężeń CO, OGC i pyłu całkowitego (w spalinach suchych o zawartości 10% O2), [6].

Standardy emisyjne dla <span class='classtoolTips0' style='border-bottom:2px dotted #888;'>kotłów</span> grzewczych o mocy </a><br mce_bogus=

Emisja pyłu z kotłów opalanych paliwami stałymi stanowi problem. Będzie ona zawsze występować, niezależnie od zastosowanej technologii spalania, z uwagi na zawartość substancji mineralnej w paliwie stałym. Zdecydowanie wyższą średnią zawartością substancji mineralnej charakteryzuje się węgiel w porównaniu do biomasy, zwłaszcza do peletów drzewnych.

Spełnienie wymagań określonych dla klasy 5 kotłów grzewczych wg PN EN303-5:2012 będzie możliwe pod warunkiem stosowania pierwotnych metod ograniczania ilości pyłu:
* odpowiedniej jakości paliwa stałego, peletu oraz kwalifikowanych sortymentów węglowych,
* najlepszych dostępnych technik spalania BAT.

Rys. 1. Porównanie emisji zanieczyszczeń dla kotłów c.o. typu BAT, opalanych gazem, olejem, peletami i węglem (źródło: opracowanie własne).

W przypadku stosowania paliwa o wyższej zawartości popiołu lub większym udziale drobnoziarnistej frakcji/podziarna oraz wdrożenia ostrzejszych standardów granicznych wartości emisji pyłu – konieczne będzie stosowanie urządzeń odpylających.
Norma produktowa PN EN303-5:2012 dla kotłów grzewczych c.o. o mocy do 500 kW nie zawiera wymagań odnośnie dopuszczalnych, granicznych wartości emisji NOx. Należy podkreślić, że prowadzone w Polsce od wielu lat badania kotłów z automatycznym zasilaniem paliwem węglowym potwierdzają wyższą emisję NOx w porównaniu do kotłów ręcznie zasilanych paliwem stałym oraz do kotłów opalanych stałymi biopaliwami. Waha się ona średnio od 250-600 mg/m3, [6] paliwa węglowe charakteryzują się średnio 2-krotnie wyższą zawartością azotu i około 2-krotnie niższą zawartością części lotnych w porównaniu do stałych biopaliw. Nieliczne badane jednostki uzyskują wartości emisji NOx około 200 mg/m3, ale wówczas równocześnie rośnie emisja CO, OGC. Dlatego też w przypadku wprowadzania GWE dla NOx jego wartość nie powinna być niższa niż 400/350 mg/m3 (w warunkach normalnych dla 10% O2 w spalinach) w odniesieniu do kotłów opalanych stałym paliwem kopalnym, a dla kotłów opalanych biomasą 250/200mg/m3 – przy aktualnym stanie techniki i technologii oraz związanych z nim wysokościom nakładów ekonomicznych. Oczywistym jest, że rozwój innowacyjności w konstrukcjach kotłowych winien zmierzać do ograniczania emisji NOx do jak najniższych wartości (nawet poniżej 250/200 mg/m3). Kotły automatycznie zasilane paliwem stałym, spełniające wymagania BAT, charakteryzują się wysokimi parametrami jakościowymi i są ekonomicznie konkurencyjne w stosunku do gazu i oleju, rys. 1.
Analiza kosztów wytwarzania ciepła użytkowego w indywidualnych gospodarstwach domowych, z rozróżnieniem kosztów inwestycyjnych i kosztów eksploatacyjnych, wykazuje ich najniższą wartość w przypadku stosowania kotła retortowego opalanego tzw. kwalifikowanym sortymentem węgla, rys. 2. Są one znacznie niższe w porównaniu do gazu i oleju.

Rys. 2. Jednostkowe koszty produkcji ciepła z różnych źródeł energii (źródło: Ł. Polakowski; Fundacja na Rzecz Efektywnego Wykorzystania Energii, Katowice, maj 2013).


Podsumowanie
Aktualny stan jakości energetyczno-emisyjnych kotłów grzewczych opalanych stałymi paliwami kopalnymi i biopaliwami wskazuje na zasadność i celowość ich promowania dla przedsięwzięć realizowanych w ramach PONE, wszędzie tam, gdzie nie ma możliwości wyeliminowania niskoefektywnych energetycznie i wysokoemisyjnych urządzeń grzewczych opalanych paliwami stałymi na rzecz scentralizowanego lokalnego źródła ciepła, ciepła sieciowego lub kotła gazowego korzystającego z sieci gazu naturalnego. Warunkiem uzyskania założonego efektu ograniczania emisji jest eksploatacja kotłów spełniających wymagania BAT oraz stosowanie kwalifikowanych sortymentów węglowych oraz peletów o odpowiedniej jakości. Na rynku dostępne są automatycznie zasilane kotły węglowe oraz kotły peletowe produkcji krajowej, spełniające wymagania klasy 4 i 5, wg PN EN_303-5:2012E oraz paliwa stałe. Brak jest jednak obligatoryjnych krajowych standardów emisji z instalacji spalania paliw stałych małej mocy, dobrowolnych zobowiązań na rzecz poprawy jakości powietrza oraz standardów jakości węgla dla sektora komunalno-bytowego, a także ujednoliconego systemu kontroli jakości eksploatowanych urządzeń grzewczych i stosowanych paliw stałych.
W następnej części omówię m.in. nowoczesne kotły na paliwa stałe w programach PONE.
Krystyna Kubica


Literatura:
[1] Rozporządzenie Ministra Środowiska z dnia 22 kwietnia 2011 r. w sprawie standardów emisyjnych z instalacji, Dz. U. nr 95/2011 r., poz. 558.
[2] Kubica K., Kryteria emisyjne na „znak bezpieczeństwa ekologicznego” kotłów małej mocy na paliwa stałe, IChPW, Zabrze 1999; „Ekoprofit” nr 1 (61)/2002, Katowice 2002.
[3] Kryteria emisyjne na „znak bezpieczeństwa ekologicznego” kotłów małej mocy na paliwa stałe; IChPW, Zabrze, sierpień 2006; www.ichpw.zabrze.pl
[4] PN EN 303-5:2012 „Kotły grzewcze Część 5: Kotły grzewcze na paliwa stałe z ręcznym i automatycznym zasypem paliwa o mocy nominalnej do 500 kW. Terminologia, wymagania, badania i oznakowanie”.
[5] Mudgal S., Turunen L., Roy N., Stewart R., Woodfield M., Kubica K., Kubica R.; Raport Task 4; „Preparatory Studies for Eco-design Requirements of EuPs (II) Lot 15 Solid Fuel Small Combustion Installations”; www.ecosolidfuel.org.
[6] Kubica K., „Instalacje spalania małej mocy na paliwa stałe – węgiel, biomasę”; Możliwości wykorzystania SCIs w ramach Programu Priorytetowego nt. „Likwidacja niskiej emisji poprzez wzrost efektywności energetycznej i rozwój odnawialnych źródeł energii” oraz dalszych prac nad Krajowym Programem Ochrony Powietrza, Opracowanie dla DOP Ministerstwa Środowiska, Platforma Urządzeń Grzewczych na Paliwa stałe – Polska Izba Ekologii Katowice, lipiec 2013; www.pie.pl


Rys. 1. Porównanie emisji zanieczyszczeń dla kotłów c.o. typu BAT, opalanych gazem, olejem, peletami i węglem (źródło: opracowanie własne).
Rys. 2. Jednostkowe koszty produkcji ciepła z różnych źródeł energii (źródło: Ł. Polakowski; Fundacja na Rzecz Efektywnego Wykorzystania Energii, Katowice, maj 2013).

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *

Ta strona korzysta z ciasteczek (cookies) Więcej informacji

Ustawienia plików cookie na tej stronie są włączone na "zezwalaj na pliki cookie", aby umożliwić najlepszy z możliwych sposób przeglądania. Jeśli w dalszym ciągu chcesz korzystać z tej strony, bez zmiany ustawienia plików cookie lub kliknięciu przycisku "Akceptuję", a następnie użytkownik wyraża zgodę na to.

Zamknij