Kolik kilogramů pevného paliva je zapotřebí k výrobě GJ tepla

Autor ve svém článku vychází ze složení paliva a vlivu jeho vlastností na spalovací proces. Upozorňuje také, jaké mohou nastat potíže při nevhodně zvoleném palivu (vysoký podíl mouru či vlhkosti). Zdůrazňuje, že palivo je nutné skladovat v suchém prostředí, aby buď vysychalo nebo se např. deštěm či sněhem ­nezvyšovala jeho vlhkost. Uvádí také různé jednotky, podle kterých je možno vypočítat objem, ve kterém se palivo bude skladovat. Zvláště názorné jsou obě tabulky, z nichž prvá ukazuje pro různá paliva kolik jejich kg je třeba na 1 GJ dodaného tepla při účinnosti 60 až 80 % (kamna, sporák, kvalitní kotel). Druhá tabulka uvádí roční náklady na palivo podle použitého paliva a způsobu spalování ve zvoleném kotli. Roční spotřeba tepla 100 GJ odpovídá jmenovitému výkonu kotle cca 14 kW v rodinném domku, záleží ovšem na tom, na jaké teploty v místnostech vytápíte.
Článek je přínosný nejen pro odborníky, ale také pro širokou veřejnost.

Recenzent: Vladimír Jirout

O tom, kolik energie získáme spálením konkrétního paliva, rozhoduje jeho kvalita i kvalita spalovacího procesu. Spalování je oxidační proces, při kterém se uvolňuje energie chemicky vázaná v palivu. Je to souhrn exotermických reakcí hořlavých složek paliva a okysličovadla. Hořlavými složkami jsou u pevných paliv uhlík (C), vodík (H₂) a síra (S), okysličovadlem je kyslík (O₂) ze spalovacího vzduchu. Výsledkem spalovacího procesu jsou uvolněné teplo a produkty spalování.

Kvalita paliva

Spalitelné složky paliva tvoří tzv. hořlavinu (daf). Nespalitelné složky, kterými jsou chemicky vázané minerály, souhrnně nazýváme popelovina (A). Vedle nich pevné palivo obsahuje vždy ještě jistý podíl vod (W). To jsou základní složky a jejich vzájemný poměr vyjadřuje tzv. hrubý rozbor paliva

daf + A + W = 1.

Hrubý rozbor je obecnou deklarací kvality paliva, která vyjadřuje poměr mezi „žádoucími“ (daf) a „nežádoucími“ (A, W) složkami. Pro praktické využití je však důležité vyjádření kvality paliva v konkrétních hodnotách.

V pevných palivech nacházíme hořlavinu ve dvou formách. Tzv. prchavá hořlavina (V^daf) se dá zjednodušeně definovat jako plyn, který se z paliva uvolňuje při jeho zahřátí na určitou teplotu a vnějším projevem jejího spalování je plamen. Neprchavý zbytek (pevný podíl hořlaviny) je hořlavina, která v palivu zůstane po uvolnění prchavé hořlaviny. Je tedy vázán v pevném zbytku paliva, což je již „odplyněné“ palivo obsahující vedle pevného podílu hořlaviny také popeloviny (koks, dřevěné uhlí). Spálením hořlaviny se uvolní energie, která je v ní chemicky vázána. Produktem oxidace vodíku je voda, která se ve vzniklých spalinách nachází ve formě vodní páry. Pokud ochladíme vzniklé spaliny pod teplotu její kondenzace, dojde ke kondenzaci vody vzniklé spálením vodíku a při tom je uvolněna energie výparného tepla. Dokonalým spálením paliva lze získat celkovou energii, která zahrnuje reakční energii uvolněnou spalováním i energii výparného tepla. Tato energie, vztažená na jednotku hmotnosti paliva, se nazývá spalným teplem. V běžných kotlích je však nežádoucí, aby docházelo ke kondenzaci spalin. Pokud předpokládáme, že celková voda reakčních zplodin zůstává ve formě vodní páry v odcházejících spalinách (neuvolní se výparné teplo), celkově získanou energii, vztaženou na jednotku hmotnosti paliva, udává výhřevnost Q. Základní jednotkou, kterou se vyjadřuje výhřevnost pevných paliv, je MJ/kg. Lze ji ale také vyjádřit v kWh/kg. Vzájemný vztah mezi těmito jednotkami je

1 MJ/kg = 0,278 kWh/kg.

Z hrubého rozboru vyplývá, že čím nižší je podíl popelovin a vody v palivu, tím vyšší je podíl jeho hořlaviny, a tedy i jeho výhřevnost. Obsah popelovin je dán chemickým složením paliva a jeho množství a vzájemný poměr s hořlavinou nelze ovlivnit. Naproti tomu obsah vody může do značné míry regulovat provozovatel kotle přípravou paliva před spalováním – skladováním ve větraných a suchých prostorách. Kvalitu paliva lze vyjádřit ve dvou rovinách. Pokud chceme vyjádřit kvalitu v její absolutní hodnotě, pouze na základě prvkového složení paliva, vztahujeme ji k tzv. bezvodému stavu d (dry) a parametry definované pro tento stav jsou označeny horním indexem d (A^d, Q^d, …). Pro provozovatele kotle je však důležitá především reálná kvalita „vlhkého“ paliva, tedy v tzv. původním stavu r (real). Ta je vyjádřena kvalitativními parametry označenými horním indexem r (Q^r, W^r, …). Přepočet pro jakostní parametry v jednotlivých stavech (vyjma výhřevnosti) je

Při deklaraci kvality paliva se obsah vody W [%] a popelovin A [%] (běžněji udáván jako obsah popela) uvádějí jako hmotnostní podíl na složení paliva (společně s obsahem hořlaviny tvoří 100 %). Místo obsahu hořlaviny v palivu se při popisu vlastností paliva definuje spíše její prchavý podíl V^daf v hořlavině [%] (vyjádřen jako procentuální podíl z hořlaviny daf). Energetická hodnota paliva se nejčastěji charakterizuje jeho výhřevností Q [MJ/kg].

Velice důležitým kvalitativním znakem paliva je jeho charakteristický rozměr – velikost, zrnitost, který především předurčuje průběh a kvalitu spalovacího procesu. Poměr plochy základního kusu paliva, vztažený k jeho hmotnosti, se nazývá měrný povrch. Čím drobnější je palivo, tím větší má měrný povrch, a tím rychleji uvolňuje akumulovanou energii – vyhořívá. Pro uvolnění prchavé hořlaviny je zapotřebí palivo zahřát – hořlavina se poté uvolňuje povrchem paliva. A tuhý zbytek také vyhořívá na jeho povrchu. Jemné složky v palivu (mour, piliny, hrabanka) často hoření dusí. Je to dáno tím, že „zalepí“ rošty a znemožní tak přístup primárního spalovacího vzduchu k palivu. Tím, že mají velký měrný povrch, absorbují po přiložení ve větším množství skokem velké množství tepla a prudce ochladí základní vrstvu paliva a celé ohniště. Současně uvolní prakticky veškerou prchavou hořlavinu. Vnějším projevem tohoto procesu je silný kouř nad roštem – skokem uvolněná prchavá hořlavina má málo kyslíku k hoření a chybí zápalná teplota po prudkém ochlazení ohniště. Naopak, pokud je ohniště dostatečně roztopené, hrozí po takovémto přiložení prakticky okamžitě výbuch díky živelně uvolněné prchavé hořlavině.

Poslední vlastností paliva, kterou zde zmíním, je jeho objemová hmotnost, tedy hmotnost vztažená k charakteristickému objemu konkrétního paliva. Zpravidla to bývá objemová hmotnost jiná než hustota [kg/m³], která udává hmotnost „čistého“ kubického metru paliva.

• Sypná hmotnost [kg/prm_s], [kg/m³]. Udává se u tzv. sypkých paliv, kterými jsou uhlí, pelety, piliny, štěpka – je to kilogramová hmotnost volně sypaného kubického metru paliva.
• Hmotnost prostorového metru [kg/prm]. Je to objemová hmotnost charakteristická pro kusové dřevo a vyjadřuje hmotnost kubického metru složeného štípaného či neštípaného kusového dřeva.
• Hmotnost tvarových paliv. Zde mám na mysli paliva, která mají svůj konstantní tvar a velikost dané jejich výrobou – především dřevní a uhelné brikety. Jejich objemová hmotnost se vyjadřuje individuálně podle tvaru, ale nejčastěji to bývá přímo hustotou, méně hmotností prostorového metru.

Účinnost spalování

Pokud kvalitou paliva lze vyjádřit potenciál energie v něm chemicky navázané, pak účinnost spalování vyjadřuje míru, s jakou se podařilo tuto energii přeměnit na energii tepelnou. O tom rozhoduje do značné míry kvalita spalovacího zdroje. Provozní vlastnosti zdroje, včetně jeho účinnosti, jsou u něj předdefinovány konstrukcí a kvalitou provedení. Účinnost zdroje, deklarovaná výrobcem, je vyjádřením jeho technického potenciálu, ale v reálném provozu ji nelze dlouhodobě prakticky dosáhnout. Lze se ji přiblížit tím, že zapojením a provozováním zdroje se přiblížíme podmínkám, za kterých byl certifikován. U teplovodních kotlů je to například napojením na kvalitní komín s regulovaným tahem, zapojením do otopné soustavy s akumulační nádrží pro stabilizaci odběru tepla, a tedy i výkonu kotle, používáním garančního paliva, dostatečnou údržbou a kvalitní obsluhou. Čím více se budeme těmto podmínkám vzdalovat, tím více bude zdroj tepla ztrácet na účinnosti.

Potřeba paliva v kg na výrobu 1 GJ energie

Pro zjištění, jaké množství paliva potřebujeme na výrobu 1 GJ energie, je nutné znát reálnou výhřevnost konkrétního paliva, tedy výhřevnost v původním stavu Q^r [MJ/kg] a reálnou provozní účinnost zdroje tepla h [%]. Potřebu paliva m_p [kg] na výrobu určitého množství energie P [GJ] pak získáme ze vzorce

U pevných paliv je často výstižnější udávat potřebu paliva na výrobu určitého množství energie, vztaženou k objemové hmotnosti m^s [kg/m³] typické pro konkrétní druh paliva

V následující tabulce jsou uvedeny průměrné hodnoty základních kvalitativních parametrů nejrozšířenějších pevných paliv české produkce, používaných pro vytápění domácností. Jsou zde také uvedeny hodnoty potřeby paliva na výrobu 1 GJ energie z těchto paliv pro spalovací zdroje o účinnosti 60 % a 85 %.

Tab. 1 •
m^s … objemová hmotnost míněná jako sypná hmotnost, pro dřevo prostorový metr
Q_m^r … výhřevnost vztažená na typickou objemovou hmotnost
m_p⁶⁰ … potřeba paliva v kg na výrobu 1 GJ energie s účinností zdroje 60 %
m_p⁸⁵ … potřeba paliva v kg na výrobu 1 GJ energie s účinností zdroje 85 %
m_ps⁸⁵… potřeba paliva v m³ na výrobu 1 GJ energie s účinností zdroje 85 %

Spotřeba paliva u malých teplovodních kotlů

Pro orientační srovnání nákladů na vytápění jednotlivých technologií spalování provedu pouze srovnání na základě nákladů na nákup paliva. Deklarované účinnosti jsou průměrné celoroční provozní účinnosti charakteristické pro danou technologii (proto se mohou lišit od účinností uváděných výrobci). Ceny paliv jsou průměrnými hodnotami pro topnou sezonu 2012–2013. Roční náklady jsou stanoveny pro obecnou roční potřebu tepla P_R = 100 GJ, ze které je vypočtena roční spotřeba paliva m_p v kilogramech pro konkrétní provozní účinnost h a výhřevnost paliva Q^r v MJ/kg.

Závěr

Vztah energetického využití paliva a optimálně řízeného procesu jeho spalování řízení můžeme přirovnat k chování spojených nádob, neboť spolu úzce souvisí. Jak ukazují výsledky v tabulce, po­užití automaticky řízeného kotle na tříděné hnědé uhlí přináší snížení nákladů na toto palivo až na téměř polovinu, nebo-li že o něco vyšší investice do automatického kotle se vrátí řádově do pěti let a po celou dobu životnosti automatu má uživatel zajištěn mnohonásobně vyšší komfort vytápění, manipulaci s menším množstvím uhlí a popela, a co je pro nás ostatní velmi důležité, vyprodukuje mnohem méně škodlivin. Proto si automatické kotle pořizují lidé i bez ohledu na případné dotace z nejrůznějších podpůrných programů.

---

How many kilograms of solid fuel is needed to produce 1 GJ of heat?

Author aims to answer the question posed in the title of the article. Fuel composition is analysed similarly. Fuel consumption of small boilers was calculated.

Keywords: solid fuel, fuel composition, energy production