Nowoczesne narzędzia, dzięki ciągłej rejestracji parametrów spalin z kotłów na paliwa stałe, takich jak temperatura spalin oraz zawartość tlenu i dwutlenku węgla, dostarczają do układu sterowania niezbędne sprzężenie zwrotne, które pozwala na optymalizację i wzrost efektywności energetycznej regulowanego procesu.

Na terenie całej Polski w sezonie grzewczym zauważalne jest drastyczne pogorszenie jakości powietrza. Główną przyczyną zanieczyszczeń jest niska emisja spowodowana niewłaściwie prowadzonym procesem spalania w kotłach i piecach spalających paliwa stałe. Na szczęście dzięki szeroko zakrojonej akcji edukacyjnej w ostatnim okresie obserwujemy wzrost świadomości społeczeństwa w zakresie poprawy jakości powietrza oraz sposobów realizacji procesu spalania. Na krajowym rynku pojawiają się urządzenia, które są w stanie w znaczący sposób wpływać na jakość procesu spalania poprzez monitorowanie i ocenę jego przebiegu.

Nowoczesne narzędzia, dzięki ciągłej rejestracji parametrów spalin, takich jak temperatura spalin oraz zawartość tlenu i dwutlenku węgla, dostarczają do układu sterowania niezbędne sprzężenie zwrotne, które pozwala na optymalizację i wzrost efektywności energetycznej regulowanego procesu. Wiedza ta umożliwia także użytkownikowi manualne dostosowanie parametrów pracy kotła, które pozwoli na obniżenie emisji związków szkodliwych zawartych w spalinach.

Wykorzystując instrumenty posiadające taką funkcję, jesteśmy w stanie prowadzić ciągłą regulację procesu spalania, co w prosty sposób przekłada się na jakość spalania. Główną zaletą ciągłej rejestracji jest informacja o stanie faktycznym pracy kotła. Dzięki regulacji parametrów pracy kotła wpływamy na poprawę jakości środowiska oraz znacząco obniżamy koszty eksploatacji urządzenia zwłaszcza po stronie spalanego paliwa.

Analiza procesu spalania

Od 1 października 2017 roku obowiązują przepisy, które dopuszczają do produkcji kotły niskotemperaturowe na paliwa stałe spełniające warunki piątej klasy zgodnie z normą PN­-EN 303-5:2012 [2]. Fakt ten wynika z wprowadzenia w życie Rozporządzenia Ministra Rozwoju i Finansów regulującego wymagania stawiane kotłom spalającym paliwa stałe [5]. Ponadto od 1 kwietnia 2017 r. w krajach Unii Europejskiej zaczęło obowiązywać rozporządzenie Komisji (UE) 2015/1187 dotyczące znakowania kotłów grzewczych na paliwa stałe znakiem efektywności energetycznej EEI [3].

Od 1 stycznia 2020 r. w europejskim ustawodawstwie zacznie obowiązywać rozporządzenie Komisji (UE) 2015/1189 wprowadzające dyrektywę „ekoprojektu” dla kotłów [4]. Przyczynę zmian w ustawodawstwie upatruje się w jakości powietrza, zwłaszcza w okresie grzewczym. Powodów złego stanu powietrza w tym okresie jest kilka:

  • spalanie odpadów,
  • niewłaściwy przebieg procesu spalania,
  • złe parametry jakościowe dostępnych paliw,
  • niewłaściwy dobór urządzenia grzewczego do rzeczywistych obciążeń cieplnych,
  • niewłaściwe ustawienia pracy urządzenia grzewczego (ilość doprowadzonego powietrza, czas podawania paliwa i czas postoju).

Czym analizujemy?

Jedną z metod obniżenia niskiej emisji oraz zużycia paliwa przez urządzenie grzewcze jest analiza jakości procesu spalania. Metoda ta jest od wielu lat stosowana w ogrzewnictwie przemysłowym i energetycznych, gdzie ogromną wagę przywiązuje się do sprawności energetycznej. Do informacji, które mogą być przydatne przy przeprowadzaniu takiej analizy, należą: zawartość tlenu oraz dwutlenku węgla w spalinach, temperatura spalin wylotowych czy temperatura powietrza dostarczana do procesu spalania.

Obecnie na rynku można spotkać wiele rozwiązań umożliwiających analizę jakości generowanych gazów spalinowych oraz realizowanego procesu spalania. Większość urządzeń obecnych w sprzedaży realizuje pomiar parametrów spalin w krótkich odcinkach pomiarowych, zaś sama procedura pomiarowa wymaga przygotowania gazów spalinowych do pomiaru, co uniemożliwia odwzorowanie rzeczywistego stanu pracy urządzenia grzewczego.

Do badań w Katedrze Techniki Cieplnej, działającej w strukturach Politechniki Poznańskiej, trafił Analizator Jakości Procesu Spalania BCA-01. Urządzenie to pozwala w prosty sposób prowadzić pomiar i analizę podstawowych parametrów spalin w kotłach małej i średniej mocy. Ponadto urządzenie to przeznaczone jest do pracy ciągłej w bezpośrednim otoczeniu „surowych” spalin wychodzących z urządzenia grzewczego.

Możliwości analizatora

Większość układów regulacji do kotłów na paliwa stałe pracujących w przedziale mocy od 100 do 3000 kW to układy, które do analizy jakości procesu spalania wykorzystują wyłącznie temperaturę wody wylotowej. Część z nich wyposażona jest również w czujniki temperatury spalin, jednak nie jest to rozwiązanie często stosowane. Ten sposób regulacji, pomimo wykorzystania zaawansowanych algorytmów decyzyjnych, które sprawdzają się w warunkach laboratoryjnych, nie jest w stanie prowadzić efektywnego procesu regulacji w warunkach rzeczywistych.

Każdy algorytm regulacji, którego zadaniem jest prawidłowa regulacja procesem nieliniowym (bo do takich procesów zalicza się spalanie paliw stałych) do prawidłowej pracy potrzebuje sprzężenia zwrotnego w postaci parametrów bezpośrednio określających jego aktualne parametry. Dzięki zastosowaniu analizatora BCA-01 zarówno automatyczny układ regulacji, jak i użytkownik kotła jest w stanie określić jakość prowadzonego procesu spalania.

Bazując na danych uzyskanych przy pomocy analizatora możliwe jest dokonanie dynamicznej korekty parametrów pracy kotła, zbliżając się tym samym do optymalnych parametrów pracy urządzenia grzewczego. Skutkować może to ograniczeniem emisji związków toksycznych do atmosfery przez co polepszeniu ulegnie jakość powietrza.

Zalety analizatora

Główną zaletą analizatora, która została zgłoszona do patentu w Urzędzie Patentowym RP jest jego konstrukcja umożliwiająca ciągły pomiar parametrów procesu spalania bezpośrednio w spalinach odlotowych. Urządzenie mierzy i oblicza takie parametry jak stężenie tlenu, dwutlenku węgla, współczynnik nadmiaru powietrza, temperatura spalin odlotowych czy strata kominowa. Analizator charakteryzuje się też dużą wytrzymałością termiczną ze względu na możliwość realizacji pomiaru w spalinach osiągających nawet 450°C. Tak wysoki parametr temperatury spalin świadczy o szerokim zakresie zastosowań analizatora. Znajdzie on zastosowanie w kotłach niskotemperaturowych małej mocy jak i konstrukcjach o wysokich mocach znamionowych.

Oprócz rozwiązań bezpośrednio związanych z regulacją procesu spalania analizator znajduje zastosowanie w instalacjach laboratoryjnych, służąc jako urządzenie do pomiaru ciągłego stężenia tlenu i dwutlenku węgla w spalinach oraz ich temperatury. Wygoda takiego rozwiązania płynie z konieczności badania urządzenia grzewczego przez minimum 6 godzin, gdy badania realizowane są zgodnie z norma PN-EN 303-5:2012. Ponadto analizator może służyć jako urządzenie kontrolno-pomiarowe dla kotłów dużej mocy.

Korzyści wynikające z użytkowania analizatora

Badany Analizator może znaleźć zastosowanie w każdym kotle spalającym paliwa stałe. Urządzenie to jest jednak dedykowane kotłom osiągającym średni zakres mocy. Zastosowanie analizatora szczególnie dobrze sprawdza się dla kotłów o mocy od 100 kW do 3000 kW.

Wykorzystanie analizatora do oceny jakości spalania niesie za sobą wiele zalet, do których należą korzyści związane z ograniczeniem negatywnego wpływu na środowisko oraz podniesieniem sprawności realizowanego procesu cieplnego.

Najlepiej korzyści z wykorzystania analizatora są widoczne po przeanalizowaniu danych związanych z ograniczeniem emisji oraz oszczędnościami finansowymi w ciągu roku używania urządzenia. Do przeprowadzenia analizy wykorzystano parametry pracy trzech kotłów o mocach wynoszących kolejno 200 kW, 700 kW oraz 1,5 MW. W tabeli 1 przedstawiono zużycie paliwa, przybliżoną cenę jego zakupu oraz roczną emisję CO2 dla trzech analizowanych kotłów. Do analizy przyjęto, że kocioł o mocy 200 kW pracuje przez 15% roku na obciążeniu nominalnym, zaś pozostały okres z mocą wynoszącą 30% mocy nominalnej.

Analizator jakosci spalania Ciupek234tabela1OKOK

Tabela 1. Przedstawienie danych związanych z zużyciem paliwa oraz emisją CO2 w ciągu roku dla trzech analizowanych instalacji kotłowych.

Kocioł 700 kW pracuje przez 16 godzin w ciągu doby na obciążeniu nominalnym, zaś pozostałe 8 godzin jest na podtrzymaniu wynoszącym około 30% mocy nominalnej. Z kolei ostatni kocioł o mocy 1,5 MW pracuje przez cały rok z mocą nominalną. Przyjęto, że wszystkie trzy kotły osiągają sprawność wynoszącą 87% oraz spalają węgiel kamienny o wartości opałowej wynoszącej 26 MJ/kg, którego koszt wynosi 799 PLN za tonę [1].

Na podstawie uzyskanych danych stwierdzono, że zastosowanie analizatora BCA-01 jest w stanie poprawić sprawność realizowanego procesu spalania o średnio 4% dla kotła o mocy 200 kW, 3% dla kotła o mocy 700 kW oraz 2% dla kotła o mocy 1,5 MW. W tabeli 2 przedstawiono dane związane z przewidywanym rocznym zużyciem paliwa, jego ceną oraz roczną emisją CO2 dla każdego z analizowanych kotłów po zastosowaniu analizatora.

Analizator jakosci spalania Ciupek234tabela2OKOK

Tabela 2. Przedstawienie danych związanych z zużyciem paliwa oraz emisją CO2 dla trzech analizowanych instalacji kotłowych w ciągu roku przy zastosowaniu analizatora BCA-01.

Dzięki przeprowadzonym obliczeniom możliwe jest oszacowanie korzyści ekonomicznych oraz ograniczenia oddziaływania na środowisko naturalne wynikających z zastosowania analizatora. Dane te zostały przedstawione w tabeli 3.

Analizator jakosci spalania Ciupek234tabela2OKOK

Tabela 3. Uzyskana różnica w zużyciu paliwa oraz emisji CO2 po zastosowaniu analizatora.

Na podstawie przeprowadzonej analizy można zauważyć, że korzyści wynikające z zastosowania analizatora i realizacji właściwego procesu spalania paliw w kotłach są znaczne. Nawet niewielkie podniesienie sprawności realizowanego procesu cieplnego w skali roku może przynieść korzyści idące w tysiące złotych.

Podsumowanie

Najnowsze kryteria emisyjne składają zarówno na producentów urządzeń grzewczych, jak i na końcowych użytkowników obowiązek „czystego” i ekonomicznego spalania paliw stałych. Niestety warunki rzeczywiste w znacznym stopniu odbiegają od warunków laboratoryjnych, w których odbywa się proces certyfikacji. Badania naukowe wykazały, że do prawidłowej i ekonomicznej pracy urządzeń grzewczych średniej mocy niezbędne jest wykorzystanie nowoczesnych układów pomiarowych. Dostarczą one zarówno układom automatycznej regulacji, jak i obsłudze kotła niezbędnych informacji o aktualnej jakości regulowanego procesu.

Wykres 1. Przykładowy wykres danych uzyskiwanych z analizatora.

Przeprowadzona analiza możliwości wykorzystania analizatora wykazała, że istnieje duże zapotrzebowanie na urządzenie monitorujące pracę kotłów spalających paliwa stałe w trybie ciągłym. Przeprowadzone testy i symulacje obciążeń wybranych kotłów wykazały daleko idące korzyści płynące z zastosowania analizatora. Jedną z głównych korzyści płynących z zastosowania tego urządzenia jest ograniczenie emisji substancji szkodliwych ze spalania paliw stałych.

Wpływ na to zjawisko ma znaczne ograniczenie zużycia paliwa, którego oddziaływanie jest szczególnie widoczne przy pracy dużych jednostek grzewczych spalających znaczne ilości paliwa w ciągu roku. Wiąże się to z możliwością wystąpienia pewnych wymiernych oszczędności finansowych, które powinny być tym większe, im większy będzie kocioł, do którego zastosowany zostanie analizator.

Urządzenie wyróżnia się na rynku opatentowaną konstrukcją, która umożliwia realizację ciągłego pomiaru parametrów spalin opuszczających kocioł. Analizator nie musi być wyłączany w pewnych cyklach celem czyszczenia czy płukania czystym powietrzem. Oznacza to dużą bezobsługowość analizatora, co stanowi niewątpliwą wygodę dla użytkownika.

Bartosz Ciupek, Wojciech Judt

Literatura:

[1] Ciupek B., Urbaniak R., Bartoszewicz J., „Przegląd węgli sortymentu groszek wybranych marketów budowlanych”, „Magazyn Instalatora”, 12 (232), grudzień 2017.

[2] 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.

[3] Rozporządzenie Komisji (UE) 2015/1187 uzupełniające dyrektywę Parlamentu Europejskiego i Rady 2010/30/UE w odniesieniu do etykiet efektywności energetycznej dla kotłów na paliwa stałe.

[4] Rozporządzenie Komisji (UE) 2015/1189 w sprawie wykonania dyrektywy Parlamentu Europejskiego i Rady 2009/125/WE w odniesieniu do wymogów dotyczących ekoprojektu dla kotłów na paliwa stałe.

[5] Rozporządzenie Ministra Rozwoju i Finansów z dnia 1 sierpnia 2017 r. w sprawie wymagań dla kotłów na paliwo stałe. Poz. 1690.

Fot. główne. Analizator Jakości Procesu Spalania BCA-01.

Prenumerata Magazynu Instalatora

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