Časový průběh emisí prachu při spalování dřeva v krbových kamnech a vložkách
Výzkumné energetické centrum ostravské Technické univerzity (VEC) je naším předním výzkumným pracovištěm, které se zabývá problematikou spalování tuhých paliv v malých zdrojích. Tyto spotřebiče jsou významným zdrojem tuhých znečišťujících látek (TZL), které se značně podílejí na celkovém zhoršení stavu ovzduší u nás. Zatímco u teplovodních kotlů malých výkonů jsou emise TZL normativně přísně limitovány, u lokálních spotřebičů typu krbů či krbových kamen se problematice emisí TZL příslušná evropská norma vůbec nevěnuje. A přitom právě tyto spotřebiče jsou stále více oblíbeny a často se stávají, např. v kombinaci se solárním ohřevem, hlavním zdrojem tepla pro vytápění RD. Kolektiv autorů z VEC nám předkládá příspěvek, ve kterém se zabývá právě problematikou objektivního posouzení emisí TZL při spalování dřeva v krbových kamnech a vložkách.
Recenzent: Zdeněk Lyčka
Spalování dřeva v krbových kamnech a vložkách je vždy doprovázeno produkcí znečišťujících látek. Jednou z dnes nejsledovanějších složek je prach (tuhé znečišťující látky – TZL). Lokální zdroje znečištění představují významný zdroj TZL, např. v ČR se na celkové produkci TZL podílejí cca z jedné třetiny. Proto se v posledních letech zvyšuje tlak na výrobce těchto zařízení, aby jejich výrobky byly více šetrnější k životnímu prostředí a produkovaly méně škodlivin. Tento trend se nevyhnul ani krbovým kamnům a vložkám. Z pohledu možnosti omezení emisí TZL je důležité více pochopit proces produkce TZL. Jednou z cest je zmapovat časový průběh těchto emisí po dobu spalovací periody. Článek prezentuje výsledky experimentálního stanovení těchto průběhů. Bylo provedeno 46 spalovacích zkoušek na čtyřech typech spalovacích zařízení při použití třech různých způsobů stanovení koncentrace TZL. Podstatné množství TZL je emitováno v prvních minutách po přiložení paliva (cca 40 až 80 % během prvních 10 minut). Při úvahách o vývoji nových, a modifikaci současných typů, krbových kamen a vložek bude vhodné se soustředit právě na tuto fázi hoření. Jsou také porovnány výsledky různých metod stanovení TZL a je diskutována otázka začátku odběru vzorku pro jejich stanovení.
Úvod
Jednotná evropská norma pro lokální topeniště (krbová kamna, krbové vložky) se problematice emisí TZL vůbec nevěnuje. V současnosti jsou postupně se zpřísňující požadavky na limitní koncentrace TZL řešeny na národních úrovních. Například v Německu a Rakousku platí několik předpisů [4], [5], [6], které stanovují emisní limity pro TZL 60 až 100 mg/m3N při 13 % O2. Od roku 2015 se mají dle BimSchV limity dále zpřísnit, a to na 40 mg/m3N při 13 % O2. S ohledem na hodnoty těchto limitů vyvstává otázka, jakým způsobem docílit tak výrazného snížení úrovně emisí TZL při spalování dřeva v malých ohništích. Důležitou informací pro vývoj nízkoemisních zařízení může být časový průběh TZL po dobu spalovací periody. Přestože se stanovení TZL provádí dle různých standardizovaných postupů, je otázka, jaká je porovnatelnost jejich výsledků? Jednotlivé postupy se liší nejen přístrojovou technikou, ale také předepsanou metodikou odběru, zejména odlišnými počátky zahájení odběru po přiložení paliva.
Použitá zařízení a metody
Na zkušebně Výzkumného energetického centra VŠB – Technické univerzity Ostrava byla provedena řada rozsáhlých experimentů na zařízeních malého výkonu s cílem získat poznatky o časových průbězích emisí TZL při spalování dřeva (použito bukové dřevo) v krbových kamnech a krbových vložkách. Experimenty byly provedeny na 4 zařízeních, viz obr. 1.
Prvním ze zařízení byla krbová vložka firmy Romotop. Krbová vložka disponuje teplovodním výměníkem a ohniště vložky je konstruováno jako bezroštové. Dalším zařízením byla krbová kamna firmy Olsberg, která disponují vysokým štíhlým ohništěm, nad kterým je umístěn cyklónový odlučovač částic. Kamna mají rošt, přes který proudí primární vzduch. Dalším použitým zařízením byla krbová kamna s teplovodním výměníkem firmy Hoxter. Kamna disponují poměrně malým ohništěm, nad kterým je umístěn trubkový výměník. Posledním zařízením byla krbová kamna firmy Storch, která disponují vysokým štíhlým ohništěm.
Při experimentech byly měřeny koncentrace tuhých znečišťujících látek gravimetrickými metodami s odběrovými aparaturami dle DIN+ a ISO 9096. Aparaturou dle DIN+ byl odběr prováděn v měřicím úseku za spalovacím zařízením (odběrové místo 1), aparaturou dle ISO 9096 byl odběr prováděn v ředicím tunelu (ŘT), viz obr. 2 (odběrové místo 2). Zároveň byl k měřicí technice zařazen prachoměr FW100 pro kontinuální měření koncentrace TZL. Prachoměr byl umístěn v ředicím tunelu.
Odběrová aparatura dle DIN+
Koncentrace TZL se stanoví jako podíl hmotnosti zachycených TZL na filtru k objemu odsátého suchého plynu za normálních podmínek. Jedná se o automatickou odběrovou aparaturu. Sonda má Æ 8 mm s rozšířením na 9,74 mm. Zařízení k vyvození tahu dovoluje odsávání 280 ± 28 litrů vzorku spalin při normálních podmínkách (101 325 Pa, 0 °C) za 30 min. Odběr vzorku se provádí uprostřed průřezu kouřovodu. Odsávání plynu není řízeno dle rychlosti plynu, ale je nastaveno na konstantní hodnotu. Odběr tuhých částic začíná 3 minuty po přiložení a probíhá 30 minut.
Odběrová aparatura dle ISO 9096
Metoda spočívá v jednorázovém odběru vzorku z proudu spalin a následném gravimetrickém vyhodnocení TZL, které se zachytily na filtru v zachycovači. Odběrová aparatura dovoluje nastavení průtoku odsávaného plynu dle rychlosti plynu v kouřovodu, což umožňuje nastavení izokinetických podmínek odběru. V odběrovém místě v ŘT je díky naředění vyšší rychlost spalin, která je udržována pomocí frekvenčně řízeného ventilátoru na konstantní hodnotě.
Optoelektronický prachoměr SICK|MAIHAK
Optoelektronický přístroj s označením FW100 slouží ke kontinuálnímu stanovení koncentrací TZL v plynech. Přístroj pracuje na principu měření rozptýleného světla. Tento princip se z důvodu své vysoké citlivosti používá především pro měření nízkých koncentrací částic. Laserová dioda ozařuje částice prachu v proudu plynu modulovaným světlem ve viditelném rozsahu (vlnová délka cca 650 nm). Jednotlivými částicemi rozptýlené světlo je zachycováno vysoce citlivým detektorem, který je nastaven v úhlu cca 15° k ose paprsku. Přijatý signál je elektricky zesílen, a přiveden na mikroprocesor, centrální součást měřicí, řídicí a vyhodnocovací elektroniky. Vysílací výkon laserové diody je průběžně monitorován tak, že je mikročipem v laserové diodě měřena část laserového paprsku. Přijímaný signál je taktéž zesílen, a poté přiveden na monitorovací kanál mikroprocesoru.
Pro správné měření tímto přístrojem je nutná kalibrace dle gravimetrických metod. Během experimentů byla nalezena souvislost mezi výsledky gravimetrických metod a výsledky z prachoměru a následně byla vytvořena regresní křivka, aby došlo k souladu mezi jednotlivými způsoby určení koncentrace TZL.
Popis experimentů
Při většině experimentů byla spalovací zařízení provozována při jmenovitých parametrech a dle pokynů výrobce. Předpokládanou dobou zkoušek bylo u krbových kamen 45 minut, u krbové vložky 60 minut. Odběry TZL u jednotlivých zkoušek probíhaly většinou 30 minut a byly zahajovány 3 minuty po přiložení nové dávky paliva. U zkoušek na krbové vložce byly odběry prováděny v různých časech po přiložení, a to za účelem stanovení vlivu na stanovené hodnoty koncentrací TZL. U většiny zkoušek byla dávka paliva tvořena 2 poleny, u kamen Storch Estelli byly provedeny experimenty s různým počtem polen.
Výsledky experimentů
V rámci experimentů bylo provedeno celkem 46 spalovacích zkoušek. Protože se u většiny zkoušek vyskytují podobné časové průběhy koncentrace TZL a s ohledem na délku tohoto článku jsou zde prezentovány průběhy sledovaných veličin stanovené jen při experimentech na krbových kamnech Storch Estelli.
Jak ukazuje graf 1, po přiložení dochází k rychlému nárůstu koncentrace TZL, který se po několika minutách mění v prudký pokles. V průběhu stabilního hoření se koncentrace TZL pohybují na nízkých úrovních, při dohořívání paliva se vyskytuje drobný rozkmit. Tento průběh se vyskytoval u většiny stanovených průběhů. Z průběhů je dále patrná korelace mezi průběhy emisí TZL a CO, a to především v první polovině zkoušek. V druhé polovině zkoušek není korelace patrná, případně jsou patrné opačné trendy.
V grafech jsou uvedeny i hodnoty stanovené gravimetrickými metodami a průměrná hodnota stanovená prachoměrem (viz barevná čísla v rámečcích).
Průběhy z prachoměru byly za pomoci známého průtoku spalin přepočteny na toky TZL v rámci jednotlivých zkoušek. Toky TZL jsou uvedeny jako relativní tok v %, dále relativní kumulativní tok v % a jako absolutní kumulativní tok v mg (viz graf 2). Z grafů je patrné, že významná část částic je emitována v prvních minutách po přiložení. Podíly částic emitovaných v prvních minutách, respektive průběhy toků částic, se liší, což svědčí o velké závislosti množství emitovaných částic na průběhu spalovacího procesu, zvláště na průběhu vzněcování. Naopak v posledních minutách zkoušek je emitováno velice malé množství částic. Poměrným srovnáním celkových absolutních toků (emisí) TZL a hodnot stanovených gravimetrickými metodami jsou patrné významné rozdíly. Tento nesoulad je dán skutečností, že gravimetrické odběry nezahrnují celou délku spalovací periody.
Pro přehlednost jsou výsledné stanovené koncentrace TZL uvedeny v tab. 1.
Tab. 1 • Stanovené koncentrace dle ISO 9096, DIN+ a SICK v mg/m3N
Při experimentu s jedním polenem byly stanoveny průběhy odlišného charakteru (viz graf 3). Koncentrační špička se po přiložení nevyskytovala, nebo byla jen nepatrná, a v dalším průběhu se hodnoty koncentrací TZL pohybovaly na vyšších hodnotách. Hodnoty koncentrací určené gravimetrickými metodami a průměrná hodnota z prachoměru vykazují vyšší hodnoty než tomu bylo v případě spalování 2 polen. Jak je však patrné z průběhů toků částic, celkové emitované částice během zkoušek jsou v průměru vyšší pouze o cca 300 mg. Z grafu toku částic je také patrné, že průběh kumulativního relativního toku částic je výrazně odlišný od ostatních zkoušek.
Diskuze a závěr
Časový průběh koncentrace TZL ve spalinách má v jednotlivých zařízeních podobný charakter. Po přiložení paliva koncentrace TZL (přepočtená na 13 % O2) prudce roste a po několika minutách klesá na nízké hodnoty. Fáze stabilního hoření je doprovázena občasnými výkyvy, které mají souvislost se spalovacím procesem, jelikož se ve stejném časovém okamžiku objevuje i výkyv O2 a CO. V úvodní části spalovací periody je pozorovatelná korelace mezi CO a TZL, která naznačuje, že množství TZL má také souvislost s nedokonalým spalováním prchavé hořlaviny. Tyto TZL jsou tvořeny také uhlíkatými sloučeninami (dehty, saze) a ne pouze popelovinou z paliva. Případné zlepšení kvality spalovacího procesu povede ke snížení emisí TZL.
Z průběhů toků částic vyplývá, že v prvních minutách po přiložení je emitováno podstatné množství částic, naopak v posledních minutách zkoušek bylo emitováno minimální množství částic. Absolutní hodnota koncentrační špičky není vždy stejná a také její doba od přiložení je různá, tento fakt je způsoben různým průběhem zapalování dávky paliva, který je ovlivněn velikostí polena, místem položení polena do ohniště a výškou vrstvy popela. Obecně můžeme konstatovat, že během prvních 10 minut je vyprodukováno cca 40 až 80 % všech TZL. Při úvahách o vývoji nových, a modifikaci současných, typů krbových kamen a vložek bude vhodné se soustředit právě na tuto fázi hoření.
Tyto výsledky také odhalují některé slabiny gravimetrických metod. Přestože je značná část částic emitována v prvních minutách po přiložení, gravimetrické metody začínají odběr po několika minutách – 3 minuty DIN+ , 5 minut BImSchV. Naopak metodika pro kotle EN 303-5 stanovuje začátek odběru okamžitě po přiložení a uzavření dvířek spalovacího zařízení. Metoda ISO 9096 je obecnou normou pro stanovení koncentrace tuhých částic v nosném plynu a okamžik odběru tak nestanovuje. Z pohledu objektivního stanovení emisí TZL nejsou metodiky pro kamna (DIN+ a BImSchV) zcela objektivní, jelikož opomíjejí část zkoušky, ve které je v některých případech emitováno podstatné množství tuhých částic. Počátek odběrů je u těchto metod určen do okamžiků, kdy jsou koncentrace TZL poměrně významné a malý časový posun oběma směry může výrazně ovlivnit výslednou stanovenou hodnotu.
Je otázkou, zda by nebylo vhodnější současné metodiky upravit tak, aby neopomíjely první minuty po přiložení a nebyly tak ovlivnitelné okamžikem zahájení odběru po přiložení. Jako jedna z možností se nabízí zahájení odebírání vzorku pro stanovení TZL těsně před přiložením (např. 1 min), přičemž třicetiminutová délka odběru se jeví jako dostačující pro zkoušku o délce 45 minut. Odběr by tak pokryl úsek, ve kterém je emitována většina částic, aniž by byl odběr ovlivněn předchozí zkouškou a také by do odběru byly zahrnuty TZL emitované při přikládání.
Po přiložení jednoho polena vykazují průběhy emisí TZL odlišný charakter, při kterém jsou částice emitovány o poznání rovnoměrněji po celou dobu zkoušek než tomu bylo u ostatních zkoušek. Přestože se po přiložení nevyskytla koncentrační špička TZL, výsledkem spalování paliva ve formě jednoho polena jsou mírně vyšší emise TZL, než tomu bylo u ostatních zkoušek.
Poděkování
Tato práce byla podporována MŠMT ČR – projekt SP/2010205, MPO ČR – projekt FR-TI1/178 a GA ČR – projekt 101/09/1464.
Literatura
[1] ČSN EN 13240 (A2): 2005 Spotřebiče na pevná paliva k vytápění obytných prostorů – Požadavky
a zkušební metody.
[2] ČSN ISO 9096 Stacionární zdroje emisí – Stanovení hmotnostní koncentrace a hmotnostního
toku tuhých částic v potrubí – Manuální gravimetrická metoda.
[3] ČSN EN 303-5 Kotle pro ústřední vytápění – Část 5: Kotle pro ústřední vytápění na pevná paliva,
s ruční nebo samočinnou dodávkou, o jmenovitém tepelném výkonu nejvýše 300 kW – Terminologie,
požadavky, zkoušení a značení.
[4] Erste Verordnung zur Durchführung des Bundes-Immissionsschutzgesetzes (Verordnung über kleine
und mittlere Feuerungsanlagen – 1. BImSchV).
[5] Certification Schneme Room Heaters (Solid Fuel Stoves) with low-pollution combustion according to
DIN EN 13240.
[6] Staatsrechtliche Vereinbarung gemäß Art. 15a B-VG über Schutzmaßnahmen betreffend Kleinfeuerungen
LGBl.Nr. 16/1995, 50/1998.
Time behaviour of dust emission during combustion of wood in stoves and fireplaces
Wood combustion in small energy sources produces particulate emissions. Different wood burning stoves and fireplaces were experimentally measured. The most interesting results are presented.
Keywords: time behaviour, dust, total suspended particle – TSP, wood, small furnace, heating