Technologia spalania biomasy ma swój początek w okresie, kiedy człowiek opanował ogień, czyli w środkowym paleolicie, około 120 do 40 tysięcy lat przed naszą erą. Wówczas zaczęto świadomie spalać dostępne drewno do celów technologicznych (przygotowania posiłków oraz wytwarzania narzędzi) i podniesienia komfortu (dogrzewania się, ogrzewania jaskiń oraz oświetlania nocą).

Można by rzec, że przez ten cały okres technologia spalania biomasy szła w kierunku bardziej bezpiecznej i bardziej efektywnej. W monecie pojawienia się węgla, w okresie rewolucji przemysłowej, spalanie drewna zostało mocno zredukowane. Węgiel okazał się paliwem o większej wartości opałowej, bardziej efektywnym, relatywnie tanim i ogólnie dostępnym dla człowieka. W Polsce po II wojnie światowej praktycznie cała technologia, wytwórczość, energetyka i ogrzewnictwo bazowała na węglu. Drewno zaś stało się „ubogim krewnym”, uważane było jako synonim zacofania. Drewno miało prawie wyłącznie zastosowanie jako materiał dla budownictwa, przetwórstwa, przemysłu meblowego. Jako paliwo było wykorzystywane na wsi, w mniejszych miastach do palenia w kominkach, prymitywnych piecach kaflowych, głów-nie w starym budownictwie. Używane było w prostych kotłach rusztowych, jako rozpałka do węgla i jako jego uzupełnienie. Spalanie w takich kotłach obywało się na prostym nieruchomym ruszcie, z ręcznym doprowadzeniem paliwa od góry, swobodnym wprowadzeniem powietrza od dołu i grawitacyjnym wymuszeniem ruchu powietrza w kotle oraz grawitacyjnym odprowadzeniem spalin.

Regulacja spalania była z wykorzystaniem miarkownika ciągu, czyli praktycznie występował brak regulacji. Miarkownik ciągu, jako proste urządzenie mechaniczne, stanowił namiastkę regulatora temperatury kotła poprzez dławienie strumienia powietrzaomywającego komorę spalania. Regulacja mocy grzewczej, temperatury spalania, temperatury i składu mieszanki paliwowo-powietrznej oraz temperatury spalin, miała charakter wynikowy w zależności od zawartości komory spalania oraz strumienia przepływającego powietfrza. Należy także nadmienić, że ciąg kominowy który wymuszał ruch powietrza i spalin w kotle, był także wynikowy i zależał od warunków hydraulicznych komina (średnica wewnętrzna, liczba kolan, oporów miejscowych itd.), kotła w części gazowej, temperatury spalin, temperatury powietrza zewnętrznego oraz ruchów powietrza w strefie wylotu z komina. Wydawało się, że pomysły na spalanie drewna wyczerpały się, technologia zaś przestała się rozwijać i odeszła do lamusa.

W Polsce na przełomie lat 80. i 90., po przemianach politycznych i gospodarczych do głosu doszły rozwiązania z wykorzystaniem gazu ziemnego i płynnego oraz oleju opałowego, jako paliwa. W tym segmencie rozwiązań także można było obserwować dynamiczny rozwój, czego efektem było pojawienie się pod koniec lat 90. kotłów kondensacyjnych. Należy nadmienić, iż ówcześnie produkowane małe i proste kotły z nieruchomym rusztem były nieefektywne i charakteryzowały się niską sprawności energetyczną oraz wysoką zawartością niespalonych części lotnych w spalinach. Poziom techniczny produkowanych wówczas urządzeń dobrze odda-je wykres sprawności produkowanych kotłów. Sprawności cieplne kotłów małej mocy z początku lat 80. były w zakresie 50-70%. Oznacza to, że prawie połowa energii zawarta w paliwie uchodziła ze spalinami w postaci gazów o wysokiej temperaturze, niespalonych części lotnych i sadzy. Podstawową przyczyną niskiej sprawności było niecałkowite spalenia paliwa, za sprawą prymitywnych palników, gdzie spalanie odbywało się jednofazowo. Nawet jeśli w komorze spalania dochodziło do prawie całkowitego spalania paliwa, to i tak prymitywne wymienniki ciepła nie były w stanie przekazać energii cieplnej spalin do czynnika pośredniczącego – wody kotłowej. Energia uchodziła z gorącymi spalinami na zewnątrz, przy okazji działając destrukcyjnie na kominy i/lub wkłady kominowe.

Wykres. 1. Sprawność kotłów stałopalnych (Źródło: BLT Wieselburg)

Niska efektywność przekazywania ciepła od spalin do wody kotłowej była wynikiem prostej konstrukcji wymienników ciepła, które charakteryzowały się małą powierzchnią wymiany ciepła. Wymianę utrudniało naturalnie narastające zabrudzenie powierzchni wymiany ciepła popiołem i sadzą podczas pracy kotła. Za sprawą systematycznego wzrostu cen nośników energii i paliw kopalnych, drewno zaczęło wracać do łask jako paliwo, co możemy zaobserwować w postaci pojawiających się nowych konstrukcji kotłów na drewno i węgiel. Ponadto projektowane kotły są bardziej efektywne o coraz wyższej sprawności energetycznej. Na wykresie sprawności (wykres 1) widać systematyczny jej wzrost w czasie. Średnia sprawność kotłów małej mocy z początku lat 80. podniosła się z ok. 55 do prawie 90%, co w tej klasie urządzeń jest niewątpliwym osiągnięciem. Szerokie spektrum sprawności produkowanych kotłów w obserwowanym okresie świadczy także o tendencjach zachowawczych – dolne zakresy sprawności kotłów oraz mocnych impulsach rozwojowych – kotły o wysokiej sprawności.

Rozwój techniczny kotłów spalających biomasę

Obecny, obserwowany wysoki poziom techniczny kotłów jest możliwy dzięki ciągłemu rozwojowi tych urządzeń w wybranych regionach Europy. Tak naprawdę nigdy z drewna, jako paliwa nie zrezygnowano w Austrii, Bawarii i Skandynawii. Były ku temu oczywiście różne przesłanki. Austria, jako kraj górzysty, mocno zalesiony praktycznie nie ma węgla kamienne-go, gazu ziemnego ani ropy naftowej, w sposób naturalny skierowała się w kierunku naturalnego paliwa, które posiada na wyciągnięcie ręki, czyli drewna. Analogicznie Bawaria. Rozwój spalania biomasy w Skandynawii, często łączy się z próbą wykorzystania paliw naturalnych, odnawialnych oraz ekologicznie neutralnych. Na tej bazie na początku lat 80. zaczęto systematycznie rozwijać technologię wykorzystywania biomasy, jako biopaliwa dla celów energetycznych. Rozwój ten szedł wieloma ścieżkami, jedną z nich była zmiana konstrukcji kotłów do tradycyjnego spalania drewna i rozwój kotłów zgazowujących.

2. Kocioł zgazowujący najnowszej generacji

Kotły zgazowujące, zwane na kotłami holzgaz proces spalania dzielą na dwa etapy. Pierwszy to zgazowanie drewna w komorze paliwowej, drugi to spalanie uwolnionego gazu drzewne-go w specjalnie zaprojektowanym palniku. Gaz drzewny powstaje podczas termicznego rozkładu drewna. Mamy tu do czynienia z pirolizą, czyli częściowym spalaniem gazu drzewne-go, powstałego podczas termicznego rozkładu drewna przy ograniczonym dostępie tlenu (zgazowanie). Cały proces spalania zachodzi w dwóch przestrzeniach połączonych ze sobą, tj. komorze paliwowej oraz palniku. W przestrzeniach tych możemy wyróżnić procesy:

• suszenie i zgazowanie drewna,
• wstępne spalanie w komorze paliwowej,
• wtórne spalanie w komorze spalania.

Dzięki rozdzieleniu procesów na dwie komory, kotły zgazowujące charakteryzują się bardzo niską emisją związków szkodliwych oraz wysoką sprawnością energetyczną, nawet 93%. Mała zawartość siarki w drewnie powoduje, że również emisja tlenków siarki jest bardzo niska. Zawartość tlenków azotu jest także znikoma. Pirolityczne spalanie drewna jest więc jednym z najczystszych, ekologicznych sposobów pozyskiwania ciepła. Zakres mocy kotłów zgazowujących wynosi od 15 do 80 kW, przez co urządzenia te znajdują szerokie zastosowanie. Paliwem podstawowym są pola-na drzewne, ale można także spalać rozdrobnione drewno. Czas pracy po załadunku może wynosić nawet 12 godzin.
Planując zakup takiego kotła, należy przewidzieć odpowiednią powierzchnię magazynową. Dla średnio ocieplonego domu o powierzchni 150 m2,wymagany zapas paliwa na sezon grzewczy wynosi około 15-20 metrów przestrzennych(1 mp = 0,7 m3). Ceny drewna opałowego są bardzo zróżnicowane w zależności od gatunku, postaci oraz długości sezonowania. Można jednak przyjąć, że sezonowy koszt ogrzewania oraz przy-gotowania c.w.u. z użyciem kotła zgazowującego drewno, będzie porównywalny z kosztami eksploatacyjnymi w instalacjach z gruntową pompą ciepła. Stosunkowo niska cena kotłów tego typu jest dodatkowym atutem, przemawiającym za wykorzystaniem energii ze zgazowania drewna [23]. W kotłach do zgazowania, jako paliwo używa się najczęściej drewno w postaci polan.
Ograniczeniem w stosowaniu kotłów zgazowujących małej mocy jest ręczny załadunek paliwa, dlatego równolegle były rozwijane konstrukcje kotłów na pelety drzewne oraz zrębki. W przypadku kotłów z mechanicznym załadunkiem największa zmiana objęła konstrukcję komory spalania. W zależności od mocy kotłów, możemy wyróżnić kotły z rusztem, kotły z palnikiem retortowym oraz palnikiem schodkowym. Zmiana jakościowa w konstrukcji nowych palników w stosunku do starych konstrukcji, pole-gała na rozdzieleniu procesu spalania na dwa lub trzy etapy oraz optymalnym wprowadzeniu paliwa i powietrza do spalania do komory spalania.

Kotły z rusztem

Nowoczesne kotły na pelety małej mocy są wyposażone w tzw. ruchomy ruszt (rys. 3), na który od góry mechanicznie wprowadzane jest paliwo, powietrze do spalania zaś doprowadzane jest dwoma drogami. Powietrze pierwotne wprowadzane jest od dołu, pod ruszt, analogicznie jak w prostych kotłach z nieruchomym rusztem. Powietrze to służy do wstępnego spalania (namiastka pirolizy) i zgazowania paliwa. Powietrze wtórne wprowadzane jest nad rusztem specjalnymi dyszami do spalania wtórne-go i dopalenia lotnych części palnych ze zgazowania paliwa. Proporcja powietrza wtórnego do pierwotnego, w przypadku kotłów małej mocy, jest ustawiana na „sztywno”, na etapie pierwszego uruchomienia z wykorzystaniem analizatora spalin.

W nowoczesnych kotłach do spalania biopaliw modyfikacji uległa nie tylko konstrukcja komór spalania, ale także sposób wprowadzania powietrza oraz regulacja strumieniem. Ze względu na zmienne zapotrzebowanie na strumień ciepła oraz zróżnicowaną jakość paliwa, nieodzowna stała się płynna regula-cja wydajności powietrza wprowadzanego do komory spalania. Sterownik kotła w sposób płynny reguluje strumieniem wprowadzanego powietrza do komory spalania w zakresie prawie od 0-100%. Zmienne zapotrzebowanie na czynnik grzewczy automatycznie wymusił zmienny i regulowany precyzyjnie strumień objętości wprowadzanego paliwa do komory spalania. Paliwo doprowadzane jest w trybie on/off (włącz/włącz podajnik paliwa), odstępy w czasie pomiędzy kolejnymi fazami stanu „on” do „off” są znacznie krótsze od czasu potrzebnego do spalenia najmniejszej porcji paliwa. Ze względu na znaczną inercję w spalaniu paliwa, efekt wprowadzania paliwa do komory spalania jest jak przy regulacji ciągłej. Można powiedzieć, że regulacja wydajności wprowadzania paliwa jest „quasi ciągła”. Strumień objętościowy zaś wprowadzonego paliwa, procentowo jest średnią arytmetyczną stanu „on” do czasu stanu „on” plus „off”, w stosunku do maksymalnej wydajności podajnika paliwa.

Kotły z palnikiem retortowym

W przypadku kotłów średniej i dużej mocy stosuje się palniki retortowe (rys. 5), w których paliwo wprowadzane jest od dołu komory spalania. Paliwo do spalania pobierane jest z zasobnika pośredniego przez podajnik ślimakowy, znaj-dujący się w dolnej części palnika, zwany „sto-kerem”. Palnik retortowy (rys. 4) jest w postaci cylindrycznego naczynia z podwójnymi ścian-kami z dużym centralnym otworem w dnie oraz mniejszymi perforacjami, tzw. dyszami powietrza pierwotnego. Na wewnętrznej pobocznicy części cylindrycznej występują dwie grupy dysz powietrza wtórnego. Dysze powietrza wtórne-go pierwszego są w dolnej wewnętrznej części cylindrycznej palnika, dysze powietrza wtórnego drugiego znajdują się w górnej części palnika.

Pobrane paliwo przez stoker wypychane jest do komory spalania, przez centralny otwór w dnie palnika. Wypychane paliwo tworzy kopiec, na pobocznicy którego odbywa się spalanie. W nowoczesnych kotłach występują co najmniej dwa lub trzy ciągi powietrza podmuchowego tzw. powietrze pierwotne i wtórne lub powietrze pierwotne, wtórne pierwsze i wtórne drugie.Powietrze pierwotne wprowadzane jest także od dołu, analogicznie jak paliwo, przez dysze w dnie palnika (perforacja dna). Powietrze pierwotne służy do spulchnienia paliwa oraz wstępnego spalenia i zgazowania. W strumień gorących spalin wdmuchiwane jest powietrze wtórne pierwsze poprzez dysze zabudowane w dolnej cylindrycznej części palnika. W dolnej części palnika następuje spalanie wtórne części palnych uchodzących z nad pobocznicy kopca paliwa. W górnej części palnika następuje całkowite dopalenie uchodzących gorących spalin, które następnie kierowane są do wymiennika ciepła.

Regulacja wydajności strumienia wprowadzanego powietrza trzema ciągami odbywa się w sposób ciągły, niezależny dla każde-go ciągu, zgodnie z algorytmem sterownia. Podział procesu na trzy etapy pozwala na spalanie z wysoką sprawnością i efektywnością biopaliw stałych. Kotły dużych i średnich mocy z palnikami retortowymi osiągają sprawność powyżej 92%.

6. Kocioł z palnikiem schodkowym

Kotły z palnikiem schodkowym
W przypadku kotłów dużej mocy, a ostatni-mi czasy także średniej mocy, stosuje się palniki schodkowe. Zostały one zaprojektowane z myślą o spalaniu zrębków i paliw ze znaczny-mi zanieczyszczeniami mechanicznymi oraz paliwem o dużym zawilgoceniu. Jak nazwa wskazuje palnik ma ruchome schodki (rys. 7), po których zsuwa się paliwo wprowadzone do komory spalania za pomocą wznośnego podajnika ślimakowego.

7. Palnik schodkowy – widok z boku

Osypujące się paliwo na schodkach w dół przemieszcza się przeciwprądowo do kierunku ruchu spalin. Rozwiązanie to pozwala na spalanie paliwa o dużym zawilgoceniu, ponieważ sposób wprowadzania paliwa do komory spalania pozwala na jego wstępne osuszenie przed spaleniem. Oczywiście należy nadmienić, iż osuszenie paliwa w komorze spalania odbywa się kosztem energii cieplnej, zawartej w spalinach. Dlatego nie zaleca się spalać wilgotne-go paliwa, jednak gdy zdarzy się taka sytuacja, kocioł jest w stanie pracować z wilgotnym paliwem, kosztem niższej mocy i z większym zuży-ciem paliwa. Palnik schodkowy jest palnikiem z ruchomymi płytami żaroodpornymi w posta-ci schodków, które napędzane są silnikiem elektrycznym i mechanizmem posuwisto-zwrotnym. Takie rozwiązanie pozwala na spalanie paliwa, zawierającego małe zanieczyszczenia mechaniczne typu piasek oraz zanieczyszczenia o sporych wymiarach typu kamień. Jest to ważna zaleta w przypadku spalania zrębków drzewnych, które są przygotowywane często w warunkach polowych, w lesie. Sam proces spalania w kotłach z palnikami schodkowymi zachodzi także trójfazowo, doprowadzanie paliwa jest w sposób „quasi ciągły”, sprawność spalania w kotłach z tymi palnikami jest również wysoka – powyżej 90%, nawet przy wilgotności paliwa do 40%.

...pełna wersja artykułu w PI 11/12