Návrh emisních faktorů znečišťujících látek pro spalování tuhých paliv v malých spalovacích zařízeních

Lokální topeniště spalující tuhá paliva jsou bezesporu významným producentem znečišťujících látek emitovaných do ovzduší. V současnosti se vedou diskuze o tom, jak významně se tyto zdroje podílejí na celkovém znečištění ovzduší u nás, protože stávající legislativa umožňuje prakticky neregulovaně spalovat v malých domovních kotelnách cokoliv s minimální možností postihu. Pro objektivní posouzení vlivu jednotlivých technologií spalování tuhých paliv v malých zdrojích je nutné také objektivní stanovení emisních faktorů. Ty vyjadřují množství emitované látky vzniklé spálením jednotkového množství konkrétního paliva v konkrétním zdroji (technologii). Jedním z předních vědeckých pracovišť u nás, které se touto problematikou zabývají, je Výzkumné energetické centrum při VŠB v Ostravě. Návrh emisních faktorů, prezentovaný v následujícím článku, je výsledkem měření malých zdrojů právě v této organizaci a je bezesporu významným příspěvkem do diskuze o objektivitě stanovení emisních faktorů pro malé domovní kotelny.

Recenzent: Zdeněk Lyčka

Úvod

Ve Výzkumném energetickém centru byl v letech 2007 až 2010 řešen výzkumný projekt (č. SP/1a2/116/07 „Emise POP a těžkých kovů z malých zdrojů a jejich emisní faktory“), jehož základním cílem bylo stanovení hodnot emisních faktorů znečišťujících látek vznikajících při spalování tuhých paliv v lokálních topeništích.

Nástin provedených experimentů a souhrnné vyjádření naměřených dat

Výsledky projektu vycházejí z výsledků rozsáhlých experimentálních zkoušek [1, 2, 3]. Experimenty byly uskutečněny na různých typech spalovacích zařízení. Tato zařízení představují základní konstrukční typy, které se používají pro spalování tuhých paliv v českých domácnostech. Dalším sledovaným základním faktorem bylo použité palivo. Celkem bylo provedeno 56 experimentů. V rámci měřicích kampaní se stanovovaly měrné výrobní emise (MVE – vyhláška č. 205/2009 Sb.) vybraných znečišťujících látek vznikajících při:

• spalování různých druhů paliv (hnědé uhlí, černé uhlí, dřevo),
• v různých konstrukcích spalovacích zařízení (prohořívací, odhořívací, zplyňovací, automatické kotle na tuhá paliva, krbová kamna),
• při různých provozních režimech.

Jedním ze základních problémů stanovení MVE pro malá spalovací zařízení je opakovatelnost spalovacích zkoušek. Pro zvýšení důvěryhodnosti dat se všechny experimenty (konkrétní kombinace paliva a spalovacího zařízení) prováděly třikrát. Takto získané MVE byly dále zpracovány do podoby emisních faktorů. Emisním faktorem rozumíme obecnější vyjádření MVE v robustnější podobě. Emisní faktor byl stanoven jako vážený průměr a snaží se zahrnout vliv typu spalovacího zařízení v kombinaci s odhadem skladby provozovaných typů těchto zařízení.

Odhad zastoupení konstrukcí spalovacích zařízení v ČR

V současné době nejsou k dispozici jednoznačná data, která hovoří o skladbě typů používaných spalovacích zařízení, včetně informací o spalovaných palivech. Proto byl proveden odhad tohoto rozdělení (viz tab. 1), který pracuje s několika úvahami a zjednodušujícími předpoklady:

• v ČR je přibližně 722 tis. domácností spalujících tuhá paliva [5],
• dle údajů Asociace podniků topenářské techniky bylo za posledních 10 let (1999 až 2009) v ČR prodáno celkem 623 tis. malých spalovacích zařízení na tuhá paliva s výkonem do 50 kW (z toho cca 450 tis. kotlů),
• výsledný počet kotlů je dorovnán do počtu domácností prohořívacími a odhořívacími kotli na základě úvahy, že rozdíl mezi počtem domácností a počtem prodaných kotlů za poslední desetiletí představují stará dosud provozovaná spalovací zařízení (prohořívací a odhořívací),
• krbová kamna nejsou používána jako hlavní zdroj tepla (průměrná roční produkce tepla je cca 5 GJ/zařízení),
• roční spotřeba tepla (pro vytápění) v jedné domácnosti je cca 81 GJ/rok (spotřeba fosilních paliv dle ČHMÚ, spotřeba dřeva dle MPO [6])
• spalovací zařízení využívají teplo z paliva s různou účinností: 74,1 % – hnědé uhlí, 77,5 % – černé uhlí, 72,4 % – dřevo.

Dle hodnot z tab. 1 byl sestaven graf 1, který vyjadřuje strukturu zastoupení konstrukcí malých spalovacích zařízení v ČR obecně na tuhá paliva dle vyrobeného tepla.

Návrh nových emisních faktorů (EF)

Pro bilanci znečišťujících látek z malých zdrojů znečišťování jsou v současné době používány EF, které jsou vyjádřeny pro jednotlivé druhy paliv (hnědé uhlí, černé uhlí, dřevo, koks, lehké topné oleje, propan butan a zemní plyn) [5]. Řešený projekt se věnoval tuhým palivům a protože spotřeba koksu je minimální, byla naše pozornost věnována především emisním faktorům pro spalování hnědého uhlí, černého uhlí a dřeva (biomasy). Experimenty byly koncipovány tak, aby výsledné MVE mohly být zobecněny a zpracovány do návrhu emisních faktorů [2].

EF uvedené v tab. 2 jsou vyjádřeny jako vážené průměry, přičemž jako váha jsou použity odhady zastoupení spalovacích zařízení na tuhá paliva (viz tab. 1).

Porovnání navržených emisních faktorů s emisními faktory používanými v ČR a doporučovanými v EU

Navržené EF byly porovnány se dvěma sadami dostupných EF. První porov­návací sadou jsou EF doporučované dle EMEP/EEA emission inventory ­guidebook 2009 – Part B – 1. A.4. small combustion [4] a druhou porovnávací ­sadou jsou EF v současnosti užívané pro bilanci emisí v ČR (REZZO 3) [5]. Hodnoty jsou uvedeny v tab. 3 (vztažná veličina = hmotnost paliva) a v tab. 4 (vztažná veličina = teplo v palivu dle výhřevnosti).

První sada EF (v tab. 3 a v tab. 4 označena jako EEA) je dle EEA vztažena na teplo v palivu. Pro možnost vzájemného porovnání byl proveden přepočet těchto EF na hmotnost paliva pomocí průměrných vážených výhřevností paliv v ČR (hnědé uhlí 18,0 MJ/kg; černé uhlí 25,4 MJ/kg; dřevo 14,6 MJ/kg) [7].

Druhá sada EF (v tab. 3 a v tab. 4 označena jako používané) je dle ČHMÚ vztažena na hmotnost paliva. Pro možnost vzájemného porovnání byl proveden přepočet faktorů na hodnotu tepla v palivu (přes stejnou výhřevnost paliv jako u první sady).

Třetí sada (v tab. 3 a v tab. 4 označena jako stanovené) jsou námi navržené EF (zpracované dle MVE), které jsou z jednoho vyjádření na druhý přepočítávány přes výhřevnosti spalovaných experimentálních paliv. Emisní faktor SO₂ je, po vzoru používaných emisních faktorů, stanoven bilančně ve vztahu k obsahu síry v palivu. Hodnota 13,6 (kg_SO2/t_paliva při 1 % obsahu síry v palivu) byla stanovena z experimentálních dat metodou lineární regrese.

Závěr

Na základě výsledků rozsáhlé experimentální kampaně byly jako součást výstupu řešení projektu navrženy nové EF (viz tab. 2). Tento návrh by mohl být použit jako další informace pro diskuzi o aktualizaci dnes používaných EF.

Český hydrometeorologický ústav je v souladu s § 5, odst. 1 nařízení vlády č. 351/2002 Sb. právnickou osobou, pověřenou zajištěním emisní inventury pro znečišťující látky, pro které jsou v příloze č. 1 k tomuto nařízení stanoveny emisní stropy. Zároveň vykonává funkci Národního kontaktního místa pro vedení, zpracování a předávání emisních inventur podle mezinárodních závazků k Úmluvě o dálkovém znečišťování ovzduší přecházejícím hranice států (CLRTAP). Součástí prováděných emisních inventur je také bilance emisí z vytápění domácností, která je prováděna výhradně s využitím emisních faktorů charakteristických pro spalování různých druhů paliv. Český hydrometeorologický ústav předpokládá, že získané výstupy budou částečně zapracovány do národní inventury emisí jako příspěvek ke zvýšení její přesnosti, reprezentativnosti a důvěryhodnosti.

Výsledky experimentů ukázaly na dominantní vliv typu spalovacího zařízení na produkci znečišťujících látek. Spalování ve starších typech spalovacích zařízení je výrazně horší než u modernějších typů. Dle odhadu více než 50 % používaných spalovacích zařízení je založeno na prohořívacím způsobu spalování, který představuje tu nejjednodušší konstrukci. Tato zařízení jsou tak rozšířená, protože jsou nejlevnější a dle uživatelských zvyklostí (při nerespektování doporučení výrobce) v nich shoří vše.

Modernizace spalovacích zařízení použí­vaných v ČR pro vytápění domácností na základě spalování tuhých paliv představuje značný potenciál pro snížení emisí znečišťujících látek. Dotační programy jako Zelená úsporám (pozastaven) mohou dobře motivovat uživatele ke koupi nových zařízení. Je na škodu, že tento dotační program není určen také pro moderní spalovací zařízení spalující uhlí, protože je zřejmé, že dobře spálené uhlí je lepší než špatně spálené dřevo (např. nejmenší produkce CO byla sledována při spalování hnědého uhlí na zplyňovacím kotli, emise SO₂ představují samostatnou kapitolu). Je samozřejmě otázkou, jak bez kontrol u samotného uživatele bude vypadat vlastní realizace instalace nového zařízení a hlavně poté běžný provoz. Také provoz moderního spalovacího zařízení může být zásahem obsluhy velmi negativně ovlivněn.

Navržené hodnoty EF byly stanoveny převážně při provozu kotle blízko jmenovitému výkonu, v případě potřeby bude nutné pozornost věnovat také provozním stavům se sníženým výkonem. Tato oblast u kotlů s jednorázovou dopravou paliva do kotle se ovšem potýká se základním problémem měřitelnosti. Vysoké koncentrace znečišťujících látek jsou mimo rozsah přístrojů a způsobují problém se samotným odběrem vzorku (blokace filtrů, kondenzace dehtových látek).

Bilance znečišťujících látek ze spalování tuhých paliv pro potřeby vytápění domácností představuje specifickou oblast, do které zasahuje mnoho faktorů a skutečností. Nejdůležitějšími parametry jsou spotřeba paliv a hodnota EF. Projekt pracoval převážně s MVE, ale v závěru při pokusu o jejich zobecnění do podoby EF, jsme museli pracovat také s odhadem spotřeby paliv a skladby spalovacích zařízení. Čtyři základní parametry, které dominantně ovlivňují stanovený EF lze definovat takto:

• typ spalovacího zařízení (prohořívací, odhořívací, zplyňovací, automatické),
• typ a jakostní parametry paliva (fosilní, bio, obsah vody a popeloviny, granulometrie),
• kvalita obsluhy (nastavení provozních parametrů, klapky spalovacích vzduchů, dávka paliva, požadovaná teplota v místnosti),
• kvalita instalace a její údržba (spalovací zařízení + topný systém včetně jeho regulace + komín = představují jeden společný systém, čištění komínu a spalovacího zařízení).

Každý z výše uvedených parametrů může naprosto zásadním způsobem ovlivnit kvalitu spalování, a tím samozřejmě množství a skladbu vyprodukovaných znečišťujících látek. A to je právě příslovečnou „Achillovou patou“ této problematiky, se kterou se bilance emisí z malých spalovacích zařízení potýká.

Z pohledu produkce PCDD/F není spalování českých tuhých paliv v malých spalovacích zařízeních tak velkým problémem jak se zdálo na počátku řešení tohoto projektu [8, 9, 10]. Naměřené úrovně byly relativně nízké (ve srovnání s dosud používanými hodnotami) pro spalování dřeva a hnědého uhlí. Dle očekávání byly vyšší při spalování černého uhlí (vyšší obsah Cl v palivu), kterého se spaluje výrazně méně a jeho použití souvisí spíše s daným regionem:

• pro hnědé uhlí:
  0,007 až 0,141 ng_TEQ/m³_N při 10 % O₂ (0,06 až 1,3 ng/kg paliva)
• pro dřevo (bez BIO):
  0,007 až 0,056 ng_TEQ/m³_N při 10 % O₂ (0,06 až 0,39 ng/kg paliva)
• pro černé uhlí:
  0,3 až 5,0 ng_TEQ/m³_N při 10 % O₂ (4,4 až 71 ng/kg paliva)

Výrazným problémem je produkce PAU, která dosahuje u starých typů spalovacích zařízení velmi vysokých hodnot (ve srovnání s dosud používanými hodnotami [11, 12]).

Seznam zkratek a pojmů

• CO oxid uhelnatý
• CO₂ oxid uhličitý
• EEA emisní faktory doporučované dle EMEP/EEA emission inventory guidebook 2009 – Part B – 1. A.4. small combustion
• HCB hexachlorbenzen
• NMVOC nemetanové těkavé organické látky
• NOx oxidy dusíku přepočtené na oxid dusičitý
• PCB polychlorované bifenyly
• SO₂ oxidy síry přepočtené na oxid siřičitý
• S 4 PAU Benzo(a)pyren,
  Benzo(b)fluoranten,
  Benzo(k)fluoranten,
  Indeno(1,2,3,-cd)pyren
• TEQ PCDD/F
  polychlorované dibenzodioxiny a furany vyjádřené jako ekvivalent toxicity
• TZL celkové tuhé látky v emisích
• MVE měrné výrobní emise

Poděkování

Tato práce byla podpořena Ministerstvem životního prostředí České republiky – projekt č. SP/1a2/116/07 Emise POP a těžkých kovů z malých zdrojů a jejich emisní faktory.

Použitá literatura

[1] Horák, Jiří; Machálek, Pavel; Hopan, František; Krpec, Kamil; Dej, Milan; Pekárek, Vladimír; Ocelka, Tomáš; Šyc, Michal; Tomšej, Tomáš; Emise POP a těžkých kovů z malých zdrojů znečišťování a jejich emisní faktory. Ochrana ovzduší, 2008, roč. 21, č. 5–6, s. 38–41. ISSN 1211-0337.
[2] Horák, Jiří; Hopan, František; Dej, Milan; Krpec, Kamil; Šyc, Michal; Ocelka, Tomáš; Tomšej, Tomáš; Pekárek, Vladimír. Emisní faktory znečišťujících látek ze spalování hnědého uhlí ve spalovacích zařízeních malých výkonů. Zpravodaj Hnědé uhlí, 2009, roč. 2009, č. 4, s. 37–40. ISSN 1213-1660.
[3] Horák, Jiří; Hopan, František; Krpec, Kamil; Dej, Milan; Kubačka, Michal; Pekárek, Vladimír; Šyc, Michal; Ocelka, Tomáš; Tomšej, Tomáš; Machálek, Pavel. Stanovení emisních faktorů pro spalování tuhých paliv ve spalovacích zařízeních provozovaných v domácnostech. Topenářství instalace, 2009, roč. 43, č. 7, s. 26–28. ISSN 1211-0906.
[4] EMEP/EEA emission inventory guidebook 2009 – Part B – 1. A.4. small combustion, [cit. 2011-04-26] Dostupné na www:
<http://www.eea.europa.eu/publications/ emep-eea-emission-inventory-guidebook-2009/part-b-sectoral-guidance-chapters/1-energy/1-a-combustion/1-a-4-small-combustion-tfeip-endorsed-draft.pdf>
[5] Machálek, Pavel; Machart, Jiří; Emisní bilance vytápění bytů malými zdroji od roku 2001.; ČHMÚ 2003; [cit. 2011-04-26] Dostupné na www:  <http://portal.chmi.cz/files/portal/docs/ uoco/oez/embil/metodika_rezzo3.pdf>
[6] Bufka, Aleš a kol; Obnovitelné zdroje energie v roce 2008; MPO 2009; [cit. 2011-04-26] Dostupné na www: <http://download.mpo.cz/get/39811/44271/ 536733/priloha001.pdf>
[7] Ročenka ČHMÚ – [cit. 2011-04-26] Dostupné na www: http://portal.chmi.cz/files/portal/docs/ uoco/oez/emisnibilance_CZ. html>
[8] Horák, Jiří; Hopan, František. Může jedna vesnice vyprodukovat tolik dioxinů jako velká spalovna odpadů? Topenářství instalace, 2009, roč. 43, č. 6, s. 36–38. ISSN 1211-0906.
[9] Paradiz, B.; Dilara, P.; Horák, Jiří; De Santi, G.; Christoph, E.H.; Umlauf, G. An integrated approach to asses the PCDD/F emissions of the coal fired stoves combining emission measurements and ambient air levels modeling. Chemosphere, 2008, roč. 73, č. 1, s. 94–100. ISSN 0045-6535.
[10] Juninen, H; Mřnster, J; Rey, M; Cancelinha, J; Douglas, K; Duane, M; Forcina, V; Müller, A; Lagler, F; Marelli, L; Borowiak, A; Niedzialek, J; Paradiz, B; Mira-Salama, D; Jimenez, J; Hansen, U; Astorga, C; Stanczyk, K; Viana, M; Querol, X; Duvall, R.M.; Norris, G.A.; Tsakovski, S; Wĺhlin, P; Horák, Jiří; Larsen, B.R.. Quantifying the Impact of Residential Heating on the Urban Air Quality in Typical European Coal Combustion Region. Environmental Science & Technology, 2009, roč. 43, č. 20,
s. 7964–7970. ISSN 1520-5851.
[11] Šyc, Michal, Horák, Jiří, Hopan, František, Krpec, Kamil, Tomšej, Tomáš, Ocelka, Tomáš, Pekárek, Vladimír. The Effect f Fuels and Domestic Heating Appliances’ Types on Emission Factors of Selected Organic Pollutants. Environmental Science & Technology, 2011, roč. 2011, č. 45, s. 9427–9434. ISSN 1520-5851.
[12] Horák, Jiří, Hopan, František, Machálek, Pavel, Šyc, Michal, Krpec, Kamil, Ocelka, Tomáš, Tomšej, Tomáš. Bilance emisí znečišťujících látek z malých zdrojů znečišťování se zaměřením na spalování tuhých paliv. Chemické listy, 2011, roč. 105, č. 11, s. 851–855. ISSN 0009-2770.

---

Proposal of pollutant emission factors for solid fuel burning in residential heating

The paper generally presents new experimentally determined pollutant emission factors for small combustion sources used for household heating. The newly proposed emission factors are compared to emission factors which are used nowadays in the Czech Republic by the Czech Hydrometeorological Institute and to emission factors recommended by the European Environment Agency.

Keywords: emission factor, POPs, small combustion sources, emission balance, households heating, PCDD/F, PCB, PAH