Spalanie węgla i drewna od kuchni

Węgiel i drewno moż­na spal­ić tak samo czys­to jak gaz ziem­ny, choć nie jest to równie proste. Wyjaśn­imy tu pod­sta­wowe prawa rządzące spalaniem węgla i drew­na. Bez tej wiedzy nadal moż­na sypać opał do pieca, lecz dzię­ki niej zrozu­miesz czym różni się eko­nom­iczne ogrze­wanie od prowadzenia pub­licznej wędzarni. Dowiesz się cho­ci­aż­by czym jest dym, kto za niego płaci i jak go spal­ić, co tak naprawdę różni górne spalanie od dol­nego oraz czy brak dymu z kom­i­na oznacza sukces.

Specyfika węgla i drewna

Trud­ność w spale­niu węgla czy drew­na tak jak gazu ziem­nego (do czys­ta) wyni­ka z tego, że pali­wa te złożone są z dwóch rodza­jów skład­ników:

  • częś­ci stałych — węgla pier­wiastkowego i popi­ołu — sub­stancji, które nawet w tem­per­aturze pon­ad 1000st.C nadal pozosta­ją ciałem stałym
  • częś­ci lot­nych — mieszaniny smół w rodza­ju ropy naftowej (w węglu) lub żywic i gazów uwal­ni­anych w rozkładzie drew­na — które to sub­stanc­je odparowu­ją już w tem­per­aturze ok. 200st.C

Rodzaj i pro­por­c­je zawartoś­ci częś­ci stałych i lot­nych w węglu kami­en­nym oraz w drewnie obrazu­je poniższy rysunek.

sklad-wegla-i-drewna

Dlat­ego właśnie węgiel i drewno to dwa kom­plet­nie różne pali­wa. W węglu częś­ci lotne są dodatkiem, pod­czas gdy w drewnie stanow­ią one pod­sta­wowy jego skład­nik.

Wszyscy lubią koks

O wiele łatwiej i przy­jem­niej jest spalać koks, czyli część stałą węgla kami­en­nego lub drew­na. To czysty chemicznie węgiel z niewielką domieszką popi­ołu. Świetne pali­wo. Spala się bard­zo czys­to, dłu­go i sta­bil­nie. Jego spalanie nie wyma­ga ani gra­ma zaawan­sowanej tech­ni­ki, a jedy­na trud­ność to skutecznie go pod­pal­ić i nie wychładzać nad­miernie, aby nie wygasł.
Nieste­ty koks nie rośnie w lesie ani nie wydoby­wa się go spod zie­mi, lecz trze­ba go wypro­dukować z węgla czy drew­na.

Diabli nadali części lotne

Skala trud­noś­ci prob­le­mu rośnie gwał­town­ie gdy przyjdzie do rozprawy z częś­ci­a­mi lot­ny­mi. Objawem poraż­ki kotła i palacza w tym star­ciu jest dym — to nic innego jak nies­palone częś­ci lotne wydalane do atmos­fery. O porażkę tę łat­wo, gdyż częś­ci lotne mają szereg bard­zo przykrych cech:

  • zaczy­na­ją parować na dłu­go przed osiąg­nię­ciem tem­per­atu­ry zapłonu (już w ok. 200st.C)
  • jako opary mają skłon­ność do niekon­trolowanego przemieszcza­nia się tam gdzie zechcą
  • gdy napotka­ją chłod­niejszą powierzch­nię — kon­den­su­ją w postaci trud­no usuwal­nej smoły

Mimo tych trud­noś­ci częś­ci lotne moż­na spal­ić równie czys­to jak koks. Wystar­czy:

  • pod­grzać je pon­ad tem­per­aturę zapłonu (400–500st.C)
  • wymieszać z powi­etrzem
  • dać nieco cza­su na dopale­nie

Czy to oznacza, że nad ogniskiem trze­ba zaw­iesić odkurza­cz, który będzie odsysać dym, pod­grze­wać go z uży­ciem energii elek­trycznej a potem spalać? Wcale nie. Sposób na spale­nie częś­ci lot­nych jest banal­nie prosty. Jak w przy­pad­ku każdego prostego rozwiąza­nia, dojś­cie do niego zajęło ludzkoś­ci stule­cia. Ale o tym w dal­szej częś­ci pro­gra­mu.

Jak przebiega spalanie kawałka węgla i drewna

To, co potocznie rozu­miemy przez spalanie węgla i drew­na, skła­da się z szeregu nie zawsze łat­wo obser­wowal­nych i oczy­wistych pro­cesów. Tak wyglą­da to z per­spek­ty­wy poje­dynczego kawał­ka węgla lub drew­na:

etapy-spalania-wegla

Odparowanie wody

Tem­per­atu­ry poniżej 100st.C nie robią na węglu wraże­nia. Dopiero po przekrocze­niu 100st.C następu­je całkowite odparowanie wody, jed­nak pozostała część pali­wa nie ule­ga jeszcze istot­nym zmi­anom i daleko jej do zapłonu.

Początek odgazowania i zapłon gazów

Po osiąg­nię­ciu ok. 200st.C z czarnej brył­ki węgla zacznie się wydoby­wać siwy dym śmierdzą­cy asfal­tem. To znak, że zaczęło się odga­zowanie (piroliza), czyli zami­ana bardziej złożonych węglowodor­ów w mniej złożone, które w tej tem­per­aturze odparowu­ją.

Z początku sub­stanc­je lotne zachowu­ją się jak tłuszcz na patel­ni. Są to palne gazy, ale nie ma opcji, by zapal­iły się w ok. 200st.C. Dlat­ego będą sobie bezkarnie uciekać w atmos­ferę jeśli nie stworzy się im warunk­ów do spale­nia. Tem­per­atu­ra ich zapłonu bywa bard­zo róż­na. Prost­sze sub­stanc­je zapalą się już w okoli­cach 400st.C, ale te bardziej złożone mogą potrze­bować tem­per­atu­ry wyższej niż jest potrzeb­na do zapłonu kok­su.

Spalanie koksu

Gdy już wszys­tkie częś­ci lotne odparu­ją, to, co niedawno było kawałkiem węgla lub drew­na, sta­je się kok­sem, który spala się led­wo widocznym niebieskawym płomie­niem. Spalanie kok­su trwa dłu­go — tym dłużej, im więk­sza jest brył­ka — gdyż zachodzi wyłącznie na powierzch­ni, w kon­tak­cie z powi­etrzem.

Koks sam z siebie wypali się do zera zostaw­ia­jąc jedynie popiół (chy­ba, że pal­ił się naprawdę ostro lub w towarzys­t­wie izo­lacji takiej jak szamot, wtedy popiół może się stopić w żużel). Duże iloś­ci niedopalonego kok­su pozosta­jącego w popiele mogą mieć kil­ka przy­czyn:

  • ruszt wod­ny, który schładza reszt­ki kok­su uniemożli­wia­jąc dopale­nie
  • sporo przewymi­arowany kocioł, gdzie palenisko nie osią­ga zbyt wyso­kich tem­per­atur i reszt­ki pali­wa stygną zan­im się wypalą (częs­to łączy się to z rusztem wod­nym)
  • w przy­pad­ku kupi­onego kok­su może to być koks hut­niczy, który potrze­bu­je do zapłonu znacznie wyższych tem­per­atur, więc trud­no się zapala i łat­wo gaśnie

Spalanie węgla i drewna w warstwie

Spalanie warst­wy węgla lub drew­na z jed­nej strony wyglą­da łudzą­co podob­nie do tego, co dzieje się z poje­dynczą bryłką. Z drugiej strony dochodzą tutaj dodatkowe zjawiska. Zaczni­jmy od ciut wyide­al­i­zowanego schematu ogniska:

spalanie-wegla-drewna-w-warstwie

Nie bez przy­czyny bard­zo przy­pom­i­na on rysunek z eta­pa­mi spala­nia poje­dynczego kawał­ka opału. Te same etapy zachodzą w warst­wie opału, i to wszys­tkie naraz. Najbardziej rzu­ca­ją­cym się w oczy objawem tego, że “się pali”, są kłę­by gęstego, gryzącego dymu ulatu­jące znad ogniska. To właśnie uwal­ni­ane w zupełnie niekon­trolowany sposób częś­ci lotne pali­wa, które nie zosta­ją spalone.

Zwykłe ognisko jest ilus­tracją najprost­szego sposobu spala­nia drew­na lub węgla, który jest zarazem najbardziej brud­ny oraz nieefek­ty­wny — dlat­ego właśnie, że nie pozwala spal­ić częś­ci lot­nych pali­wa, które w drewnie stanow­ią aż 70% jego składu! Tylko niewiel­ka część gazów, która zosta­je uwol­niona z kawałków opału w sąsiedztwie żaru, prze­by­wa przez chwilę w tem­per­aturze umożli­wia­jącej zapłon. Cała resz­ta ucieka momen­tal­nie w zimne powi­etrze dookoła ogniska.

Cóż począć? Jak ulep­szyć ognisko, żeby nie marnować więk­szoś­ci częś­ci lot­nych pali­wa?

Wstęp­nie trze­ba zdefin­iować prob­lem: ognisko kop­ci, czyli nie spala częś­ci lot­nych pali­wa, ponieważ dzi­ała w taki sposób, że nie są one pod­dawane dzi­ała­niu wyso­kich tem­per­atur. Fak­ty­cznie — tam, gdzie, są uwal­ni­ane częś­ci lotne, tam zawsze jest zbyt zim­no, by mogły się one zapal­ić. Jedynie sąsiedzt­wo żaru wyt­warza odpowied­nio wysok­ie tem­per­atu­ry.

jak-dziala-zwykle-ognisko

Tak dzi­ała zwykłe ognisko

Nieste­ty żar jest pod świeżym pali­wem, a częś­ci lotne ze swej natu­ry ucieka­ją naty­ch­mi­ast w górę — w kierunku prze­ci­wnym do żaru. Cóż począć? Zawró­cić je? Jakim sposobem? A może łatwiej zro­bić coś z żarem? Otóż to:

Tak działa ognisko rozpalone od góry

Tak dzi­ała ognisko roz­palone od góry

Roz­pale­nie ogniska od góry powodu­je, że ter­az żar jest nad świeżym opałem, a więc wszys­tkie częś­ci lotne prze­jdą przez gorącą stre­fę żaru i zostaną tam spalone. Pomysł tyleż prosty co genial­ny. Trud­no powiedzieć, kto i kiedy po raz pier­wszy na to wpadł, ale do tej pory ist­ni­ało po pros­tu ognisko, do którego na wierzch dorzu­cano szcza­py drew­na, a od tego momen­tu zauważono, że możli­wa jest róż­na orga­ni­za­c­ja pro­ce­su spala­nia.

Techniki spalania węgla i drewna

Tech­ni­ka spala­nia ma decy­du­ją­cy wpływ na efek­ty­wność i emisję z każdego paleniska. Żadne kom­put­ery i automaty­ka nie pomogą przy złej tech­nice spala­nia – kocioł w nie wyposażony będzie kop­cił lub co najwyżej spalał nie do koń­ca czys­to. Z kolei przy właś­ci­wej tech­nice spala­nia brak kom­put­era czy poda­jni­ka nie będzie przeszkodą, by spalać nawet bez gra­ma dymu.

Są dwie główne tech­ni­ki spala­nia:

  • spalanie prze­ci­w­prą­dowebrudne – gdy powi­etrze podawane jest od gorącej strony paleniska, czyli pros­to w żar,
  • spalanie współprą­doweczyste – gdy powi­etrze podawane jest od zim­nej strony paleniska, czyli z tego samego kierunku, skąd podawane jest pali­wo.

Spalanie przeciwprądowe

Gdy powi­etrze podawane jest od strony żaru a spaliny wylatu­ją stroną prze­ci­wną (z której podawane jest pali­wo), ma miejsce spalanie prze­ci­w­prą­dowe.

spalanie-gorne-przeciwpradowe

Spalanie prze­ci­w­prą­dowe wyda­je się najoczy­wist­sze i “zgodne z naturą”:

  • powi­etrze ogrzane unosi się z dołu do góry,
  • upuszc­zony klo­cek drew­na spa­da do ogniska w prze­ci­wnym kierunku – z góry na dół – a bezcelowe i trudne wydawało­by się wkładanie go pod spód ogniska.

Taka orga­ni­za­c­ja spala­nia świet­nie sprawdza się dla kok­su i węgla drzewnego. Wszys­tkie inne nat­u­ralne pali­wa zaw­ier­a­ją lotne skład­ni­ki, których w tej tech­nice nie sposób dopal­ić, bowiem są wywiewane z paleniska przez warst­wę zim­nego pali­wa i w więk­szoś­ci nie mają okazji się dopal­ić. Kopce­nie jest tym gorsze im więcej pali­wa nałożyć na raz do ogniska, pieca czy kotła spala­jącego prze­ci­w­prą­dowo. Warst­wa pali­wa jest bowiem zbyt zim­na, aby nastąpił w niej zapłon gazów, skutkiem czego chmu­ra pal­nych acz niewyko­rzys­tanych gazów ulatu­je w atmos­ferę i od tego momen­tu zwana jest dymem.

Spalanie współprądowe

Gdy powi­etrze podawane jest od tej samej strony, co pali­wo, ma miejsce spalanie współprą­dowe. Ten genial­nie prosty manewr zmienia o 180 stop­ni kul­turę spala­nia węgla i drew­na.

spalanie-dolne-wspolpradowe

Spalanie współprą­dowe wymyślono w celu spożytkowa­nia częś­ci lot­nych pali­wa. Okazu­je się, że aby je spal­ić, wystar­czy przepuś­cić je przez żar, bo tam jest na tyle gorą­co, że wszelkie żywice czy smoły dopala­ją się do czys­ta. Łat­wo się mówi – trud­niej zro­bić.

Najprost­sza wer­s­ja — ognisko roz­palone od góry — co praw­da dzi­ała, ale szy­bko wychodzi na jaw manka­ment: jak tu dołożyć opału? Żeby trzy­mać się tech­ni­ki współprą­dowej, trze­ba by pod­nieść ognisko i włożyć opał pod jego spód.

Sposo­by real­iza­cji spala­nia współprą­dowego idą trze­ma droga­mi:

  • zwykły kocioł górnego spala­nia roz­palany od góry — ponieważ trud­no jest dokładać, pali się cyk­licznie, ale za to wyko­nanie jest banal­nie proste
  • kocioł zasy­powy dol­nego spala­nia — da się dokładać, ale część dro­gi spaliny muszą pokony­wać w dół, czyli wbrew naturze, a więc wyma­ga to siły, która je do tego zmusi (ciąg komi­nowy)
  • pal­nik retor­towy — tutaj mechan­icznie rozwiązano prob­lem dokłada­nia opału pod warst­wę żaru

Niewidoczny złodziej

Przy spala­niu każdego pali­wa kluc­zową sprawą jest właś­ci­wa dawka powi­etrza. O ile gaz ziem­ny albo ben­zynę moż­na w miarę łat­wo z powi­etrzem wymieszać, to przy węglu i drewnie sprawa moc­no się kom­p­liku­je przez obec­ność kok­su. Dlat­ego przezroczyste spaliny nie oznacza­ją jeszcze, że w komin nie ucieka niedopalone pali­wo pod postacią tlenku węgla (znanego jako czad).

Spalanie węgla i drew­na zawsze odby­wa się w warst­wie. Miesza się w niej wiele rzeczy jed­nocześnie: pali­wo w formie gazowej, pro­duk­ty spala­nia oraz koks. Z tego powodu dzieją się tu różne, nie zawsze pożą­dane zjawiska. Obser­wu­jąc płomień palącego się gazu ziem­nego widz­imy samą reakcję spala­nia, w której metan zamienia się w dwut­lenek węgla i parę wod­ną. Nato­mi­ast w warst­wie żaru reakc­ja spala­nia jest odwracal­na. Przez obec­ność rozżar­zonego kok­su palenisko jest tyglem, w którym na przemi­an zachodzą dwa rodza­je reakcji chemicznych:

  • spalanie — reakc­ja łączenia węgla z tlen­em, z czego pow­sta­je dwut­lenek węgla i wydzielane jest ciepło
  • redukc­ja — reakc­ja odwrot­na do spala­nia, z której pow­sta­je tlenek węgla i sadza, a ener­gia jest odbier­ana z otoczenia

Z tego zestawu korzyst­na dla nas jest reakc­ja spala­nia. Redukc­ja jest niemiłym dodatkiem, wynika­ją­cym z obec­noś­ci kok­su. Krad­nie ona energię z paleniska, pro­duku­je tlenek węgla i sadzę. Przepływ powi­etrza przez warst­wę kok­su spraw­ia, że na początku węgiel zawarty w kok­sie jest spalany, a już kawałek dalej dwut­lenek węgla w kon­tak­cie z kok­sem ule­ga redukcji, by za chwilę znów się spal­ić i tak karuzela trwa dopó­ki wystar­czy tlenu na ostate­czne spale­nie tlenku węgla i sadzy.

Prob­lem w tym, że tlenu prze­ważnie nie wystar­cza, dlat­ego palenisko opuszcza chmu­ra tlenku węgla i sadzy. Taki stan oznacza, że 2/3 dostęp­nej energii zostało posłane w komin (tlenek węgla — poza tym, że jest tru­ją­cy dla ludzi — jest też bard­zo kalo­rycznym pali­wem).

warstwa_a_dawka_powietrza

Łat­wo poz­nać, gdy warst­wa żaru jest niedotle­niona i pro­duku­je tlenek węgla zami­ast ciepła. Na jej powierzch­ni nie ma płomieni i wyglą­da jak­by przy­gasała. Otwar­cie drzwiczek kotła powodu­je, że po chwili płomie­nie nad zasypem się pojaw­ia­ją. To znak, że w górnej warst­wie braku­je tlenu i zaczy­na tam prze­ważać reakc­ja redukcji. Wciąż jed­nak tem­per­atu­ra jest na tyle wyso­ka, że dopływ powi­etrza nad zasyp powodu­je zapłon tlenku węgla.

Dobrze napowi­etr­zona warst­wa kok­su żarzy się inten­sy­wnie w całej obję­toś­ci, a na wierzchu widoczne są niemal przezroczyste, niebieskawe płomy­ki. Tlenu jest dość, dlat­ego w całej gruboś­ci warst­wy górę bierze reakc­ja spala­nia.

Powietrze wtórne na ratunek

Możli­woś­ci reg­u­lacji daw­ki powi­etrza w kotle zasy­powym są miz­erne, a jeśli już, to tylko metodą “na oko”. Aby uniknąć nad­miernej pro­dukcji tlenku węgla, ilość powi­etrza musi­ała­by być reg­u­lowana bard­zo pre­cyzyjnie i co gorsza na bieżą­co kory­gowana.

Aby ograniczyć pro­dukcję tlenku węgla, wymyślono podzi­ał daw­ki powi­etrza na dwie częś­ci:

  • powi­etrze pier­wotne — głów­na por­c­ja podawana pod ruszt, dzię­ki której zachodzi spalanie
  • powi­etrze wtórne — dodatkowe powi­etrze podawane nad zasyp, dzię­ki które­mu możli­we jest dopalanie tlenku węgla pow­sta­jącego przez niewystar­cza­jącą dawkę powi­etrza pier­wot­nego

warstwa_powietrze_wtorne

Podanie powi­etrza wtórnego pozwala pros­to napraw­ić skut­ki zbyt małej daw­ki powi­etrza pier­wot­nego. Oczy­wiś­cie warunk­iem jego dzi­ała­nia jest podanie go tuż nad żar, gdzie wyso­ka tem­per­atu­ra poz­woli dopal­ić tlenek węgla.

Powi­etrze wtórne potrzeb­ne jest w każdym kotle zasy­powym, zwłaszcza tym pracu­ją­cym na nat­u­ral­nym ciągu, który częs­to nie jest w stanie należy­cie napowi­etrzyć grubej warst­wy drob­ne­go pali­wa.
Kocioł z nad­muchem przepcha powi­etrze nawet przez warst­wę miału. On z kolei nie potrze­bował­by powi­etrza wtórnego tylko wtedy, gdy­by sterown­ik posi­adał możli­wość anal­izy zawartoś­ci tlenu w spali­nach i samodziel­nie dobier­ał­by dawkę powi­etrza do potrzeb. Ponieważ takie rozwiąza­nia nie są stosowane, to również w kotle z nad­muchem powi­etrze wtórne było­by korzystne, ale nie może być podawane spoza kotła tak jak w kotłach bez nad­muchu (groz­iło­by to wyd­muchi­waniem spalin z kotła przez otwór powi­etrza wtórnego!). Bez­piecznym rozwiązaniem w takim przy­pad­ku jest podawanie powi­etrza wtórnego spod rusz­tu, które bywa spo­tykane w kotłach miałowych.

Sporo jest nieste­ty kotłów zasy­powych, w których nie ist­nieje żad­na for­ma powi­etrza wtórnego. Być może jego brak jest reakcją na prob­le­my domowych palaczy, którym wlot powi­etrza wtórnego kojarzy się z uciążli­wy­mi “fuknię­ci­a­mi” spowodowany­mi gwał­townym zapłonem dymu, jaki gro­madzi się w kotle roz­palonym od dołu, do którego palacz zarzu­cił właśnie całe wiadro węgla. Jeśli taki prob­lem wys­tępu­je, to tylko przez stosowanie nieod­powied­niej metody pale­nia. Podawanie powi­etrza wtórnego w kotle górnego spala­nia roz­palanym od góry nie powodu­je takich prob­lemów, a przy tym popraw­ia ekonomię i czys­tość spala­nia.

Marnotrawstwo wpisane w projekt

Cały powyższy wywód i stara­nia, aby znaleźć właś­ci­wą dawkę powi­etrza i dopal­ić tlenek węgla, mogą się wydać jałowe kiedy zdamy sobie sprawę, że ograniczanie tem­per­atu­ry wody w kotłach zasy­powych pole­ga na celowym psu­ciu warunk­ów spala­nia i dusze­niu kotła, co wiąże się z hur­tową pro­dukcją tlenku węgla i sadzy.

Sterowanie mocą w kotłach zasy­powych opiera się właśnie na ogranicza­niu lub odci­na­niu dopły­wu powi­etrza. Sko­ro nie dawku­je się pali­wa, to trze­ba dawkować powi­etrze. To łatwiejsze do wyko­na­nia, a dopó­ki pali­wo jest względ­nie tanie, to stra­ta na niedopał jest mniejszym prob­le­mem niż trud­noś­ci, jakie wynikły­by z prowadzenia kotła zawsze na pełnej mocy lub pró­by dawkowa­nia pali­wa (co wyma­ga zaawan­sowanej mechani­ki).

W uję­ciu wyide­al­i­zowanym sterowanie kotłem poprzez dawkę powi­etrza nie jest takie złe, pod warunk­iem że dzi­ałało­by dwus­tanowo:

  • tryb pra­cy czyli peł­na dawka powi­etrza — kocioł dosta­je tyle powi­etrza, ile potrze­bu­je dla danej iloś­ci żarzącego się pali­wa
  • tryb pos­to­ju czyli całkowite odcię­cie powi­etrza — kocioł jest her­me­ty­cznie szczel­ny, nie dosta­je w ogóle tlenu

Nieste­ty nawet w fab­rycznie nowych kotłach zamknię­cie wszys­t­kich drzwiczek i klapek nie odci­na powi­etrza całkowicie, a to przez liczne nieszczel­noś­ci kotła. Powodu­je to niepełne spalanie, a więc niekon­trolowaną pro­dukcję tlenku węgla, sadzy i niewiel­kich iloś­ci ciepła.

W kotle zasy­powym właś­ci­wie nie ma mowy o pogodze­niu wygody obsłu­gi z możli­woś­cią bezs­trat­nej reg­u­lacji mocy. Czyste i efek­ty­wne spalanie moż­na osiągnąć jedynie przy ciągłej pra­cy na mocy nom­i­nal­nej. Dlat­ego świet­nym dodatkiem do kotła zasy­powego jest bufor ciepła, który takie właśnie warun­ki pra­cy zapew­nia.

Podob­ny prob­lem niemal nie wys­tępu­je w kotłach poda­jnikowych. Mają one możli­wość dawkowa­nia zarówno powi­etrza jak i pali­wa. Obję­tość żaru jest o wiele mniejsza, dlat­ego niemal zawsze jest on spalany z właś­ci­wą dawką powi­etrza. Jedynie przy pra­cy na bard­zo nis­kich mocach i w podtrzy­ma­niu opał ulat­nia się nie w pełni spalony.