Uhlí za nic nemůže (II)

Problematika spalování uhlí

Největším konkurentem uhlí jako zdroje energie je zemní plyn. Jeho výhodou je jednoduchá manipulace, snadná regulace a konstantní kvalita. Spalování uhlí je podstatně složitější úlohou, než spalování zemního plynu, což značně komplikuje spalovací zařízení. Konstrukční řešení jsou známá a osvědčená v provozu zdrojů velkých výkonů. Jejich uplatnění u kotlů malých výkonů však není reálné pro vysokou cenu a velké nároky na úroveň obsluhy.

U malých kotlů se proto vždy uplatňovala jednoduchá řešení nevyžadující kvalifikovanou obsluhu a použitelná pro široký rozsah kvality uhlí. Problémy nečiní ani spalování kusového dřeva, nebo nejrůznějších odpadů. Provozní jednoduchost je však příčinou nízké účinnosti a vysoké koncentrace řady škodlivin, obsažených ve spalinách. První důsledek má charakter ekonomický a často se nad ním mávne rukou s poukazem, že je to individuální problém. Druhý je však charakteru environmentálního a nelze jej přehlížet. Vysoké emisní koncentrace škodlivin z těchto malých zdrojů dokážou při specifických geografických a klimatických podmínkách vytvořit prostředí téměř nevhodné k životu. Proto se hledají cesty jak spalovat uhlí efektivně a přívětivě k životnímu prostředí, vznikla dokonce nová oblast výzkumu a vývoje, nazvaná "čisté uhelné technologie" a u velkých výkonů bylo dosaženo mimořádných výsledků. Výzkum a vývoj v oblasti malých výkonů dosud tak úspěšný nebyl. Částečně díky menšímu zájmu a nepochybně také proto, že zajistit kvalitní spalování uhlí v malém ohništi je mnohem obtížnější, než v rozměrném ohništi kotle o výkonu ve stovkách megawatt.

Až dosud bylo jediným užívaným řešením u malých kotlů spalování na pevném roštu. Do poměrně objemného ohniště se periodicky přikládá nové uhlí, to leží nehybně na roštu a vždy po přiložení zde probíhají postupně jednotlivé fáze hoření: ohřev paliva, odpaření vody, uvolnění a hoření prchavé hořlaviny a zapálení a dohořívání koksového zbytku. Každá z těchto fází vyžaduje jiné podmínky k tomu, aby probíhala žádoucím způsobem a to samozřejmě nelze přijatelně zajistit. Řízení spalovacího procesu je v tomto případě možné pouze regulací množství spalovacího vzduchu, která se obvykle nastaví na průměrnou hodnotu. Celou problematiku nejlépe popisuje následující obrázek.

Obr.2 Průběh vyhořívání jednorázově přiložené dávky paliva

Na počátku zkoušky byla do vyhřátého ohniště přiložena čerstvá dávka uhlí. To postupně prochází všemi uvedenými fázemi hoření a paliva postupně ubývá, jak popisuje příslušná křivka. Z ní lze snadno odvodit křivku rychlosti hoření. Rychlost hoření udává, kolik kg uhlí shořelo v daném časovém okamžiku a tomuto množství uhlí by mělo odpovídat také množství spalovacího vzduchu přivedeného do ohniště. Z průběhu křivky rychlosti hoření je zřejmé, že v počáteční a konečné fázi zkoušky je potřeba vzduchu malá, největší je v oblasti maximální rychlosti hoření. Kotel je však nastaven na průměrnou rychlost hoření, v tomto případě je to 9 kg uhlí za hodinu a v jednotlivých oblastech je proto buď přebytečně mnoho (vyznačeno modře), a nebo příliš málo (vyznačeno žlutě) vzduchu. Právě tato skutečnost je největší slabinou klasických uhelných kotlů malých výkonů. V oblasti s vysokou rychlostí hoření probíhá spalování nedokonale a tvoří se velké množství oxidu uhelnatého, polyaromatických uhlovodíků a dalších produktů nedokonalého spalování. (Problematika síry je mimo tyto úvahy.)

Průběh křivek naznačuje ještě další závažnou skutečnost. Okamžité rychlosti hoření odpovídá okamžitý výkon kotle. Jestliže byl v případě popsané zkoušky průměrný výkon kotle 32 kW, což odpovídá průměrné rychlosti hoření 9 kg/hod a v průběhu dvouhodinové zkoušky se tedy spálilo 18 kg uhlí, měnil se okamžitý výkon v souladu s křivkou rychlosti hoření. Na počátku a na konci zkoušky byl velmi malý, zatímco ve fázi největší rychlosti hoření byl více než dvojnásobný, tedy cca 65 kW.

Obr.3 Ohniště s otáčivým roštem

Uvedený rozbor podmínek a průběhu spalování uhlí v ohništi s jednorázovým přikládáním vede k závěru, že řešením může být pouze technologie spalování s kontinuálním přívodem paliva do ohniště. Jedině tak je možné zajistit neměnné spalovací poměry, vyrovnaný průběh spalovacího procesu s reálnou možností minimalizovat produkci těch škodlivin, které jsou důsledkem nedokonalého spalování a také zajistit konstantní výkon kotle. Není to nic nového. Všechna spalovací zařízení velkých výkonů pracují s kontinuálním přívodem uhlí ve vhodné formě. Naopak si asi málokdo dokáže představit spalování kapalných, nebo plynných paliv s diskontinuálním přívodem do ohniště.

V případě uhlí se zde ihned objevuje další problém. Jestliže bylo při popisované zkoušce spáleno 9 kg uhlí za hodinu, pak by pro stejný trvalý výkon bylo zapotřebí přivádět do ohniště 150 gramů uhlí za minutu. A bez ohledu na způsob technického řešení je jasné, že bude nezbytné používat uhlí vhodné zrnitosti, tedy upravené a dražší. Doprava uhlí do ohniště představuje technicky náročný úkol, musí být regulovatelná, bezpečná a spolehlivá. Zvolit tak jemnou zrnitost, aby bylo možné zajistit nepřetržitý tok uhlí do ohniště nemůže být u malých výkonů řešením, protože je uhlí spalováno na roštu a jemné částice by jím propadaly.

Většinou se k těmto účelům volí tříděné uhlí o velikosti částic 2 - 25 mm a jsou známa dvě řešení jeho podávání do ohniště:

• ze zásobníku, který je součástí kotle, je uhlí odebíráno otáčivým roštem, na němž pak v ohništi shoří a popel vypadává do popelníku,
• ze zásobníku, který je v bezprostřední blízkosti kotle, je uhlí dopravováno šnekovým dopravníkem do speciální retorty, umístěné v ohništi. Čerstvé uhlí je vtlačováno do spodní části retorty, vytlačuje nahoru již hořící částice a zcela nahoře, na vrstvě hořícího uhlí, je popel, který na okraji přepadává do popelníku.

Obr.4 Ohniště se šnekovým dopravníkem a retortou

Konstantní a nepřetržitá dodávka paliva do kotle zcela mění charakter spalovacího procesu v ohništi. Množství uhlí v ohništi se nebude měnit, měnit se tedy nebude rychlost hoření a bude proto možné vhodně seřídit přívod spalovacího vzduchu tak, aby bylo zajištěno dokonalé spalování. Projeví se to vysokou účinností spalování a nízkou produkcí škodlivin. Situace se ale změní v okamžiku, kdy začneme uvažovat o regulaci výkonu. Je samozřejmě možná regulace otáček roštu, nebo šnekového dopravníku, obvykle však reálné řešení vede k přerušované dopravě. Vyrovnaný průběh hoření při kontinuálním přívodu paliva se začne měnit, v krátkých intervalech se dodávají malé dávky čerstvého uhlí a objeví se kolísání rychlosti hoření a výkonů. Díky krátkosti intervalů bude i tak kvalita spalování nesrovnatelně vyšší, než při jednorázovém přiložení.

Významnou složkou hořlaviny uhlí je síra. Jejím spálením vzniklý oxid siřičitý je ostře sledovanou škodlivinou a jeho emisní koncentrace ve spalinách se u velkých zdrojů snižuje s použitím velmi nákladných odsiřovacích zařízení. Použití podobných vysoce účinných metod nepřichází samozřejmě u malých kotlů v úvahu. Nejjednodušším řešením je spalovat nízkosirnaté uhlí, stále však trvá zájem o možnost dostatečně účinného odsíření spalin i v těchto obtížných podmínkách. Existuje nabídka aditivovaného uhlí, které obsahuje vhodný podíl mletého vápence, nebo vápenného hydrátu, ale dosavadní výsledky dokládají poměrně nízkou účinnost odsíření. Bez vyřešení tohoto problému budou malé uhelné kotle odkázány jen na spalování uhlí s dostatečně nízkým obsahem spalitelné síry.