Wyniki badań emisji dla rozpalania od góry

Niezależne badania z kilku ośrodków na świecie pokazują, że rozpalanie od góry w przebadanych piecach obniżało emisję pyłów o 50-80% a benzo-a-pirenu (badane tylko w jednym przypadku) o ~80%. Potwierdza to obserwacje z domowych kotłowni: mniej dymu, mniej sadzy, mniejsze zużycie opału – to mniejsza emisja zanieczyszczeń. Zebrane zostały tutaj wszystkie znane jak dotąd badania efektów rozpalania od góry. Daj znać jeśli masz coś, co nie zostało tu wymienione.

Badania polskie

W kraju zbyt wielu badań nie przeprowadzono, ale są dane pozwalające oceniać efekty rozpalania od góry węgla kamiennego, czego w zachodnich badaniach najbardziej brakuje.

Wskaźniki emisji z różnych typów urządzeń grzewczych

Instytut Chemicznej Przeróbki Węgla w Zabrzu wypuścił raport zestawiający wskaźniki emisji z urządzeń grzewczych różnych rodzajów. Nie ma tam bezpośredniego porównania takiego samego rodzaju kotła rozpalanego od dołu i od góry. Ale jest kocioł zasypowy rozpalany od dołu (z dmuchawą i bez, na grubym węglu, flocie i drewnie) oraz kocioł miałowy (rozpalany od góry).

Powinno dawać do myślenia, że kocioł z nadmuchem spalający miał współprądowo (od góry) emituje o połowę mniej pyłów i DWADZIEŚCIA RAZY MNIEJ benzo-a-pirenu niż podobny kocioł spalający gruby (lepszy!) węgiel, tyle że od dołu.

Dane z artykułu dra Zawistowskiego

Skrótowe informacje o emisjach dla różnych kotłów i metod palenia przytacza dr inż. Jacek Zawistowski w swoim artykule z 2008 roku. Są to tylko liczby będące ilustracją do tekstu, bez detali badań, które byłyby bardzo przydatne. Poniżej dla jasności dane z artykułu zostały przerysowane w formie wykresów.

Porównanie emisji z kotła rozpalanego od dołu i od góry z artykułu dr. inż. Jacka Zawistowskiego. W artykule użyta jest błędna jednostka dla benzo-a-pirenu: powinny być mikrogramy a nie miligramy.

Z powyższych wykresów interesują nas głównie kolumny: pierwsza, trzecia i czwarta. Brak tu niestety porównania takiego samego kotła i paliwa dla dwóch różnych metod palenia, ale jest porównanie spalania węgla orzecha od dołu i miału – od góry. Taki układ powinien faworyzować rozpalanie od dołu, wszak orzech to węgiel lepszej jakości.

A jednak kocioł miałowy rozpalany od góry (kolumna czwarta) emituje 65% mniej pyłu i 90% mniej benzo-a-pirenu niż kocioł rozpalony od dołu na lepszym węglu (kolumna pierwsza). Podobne wyniki osiąga kocioł dolnego spalania zasilany węglem orzechem, który również spala paliwo współprądowo, czyli w sposób prawidłowy – tak samo jak kocioł górnego spalania rozpalony od góry, choć powinien być w stanie robić to lepiej.

Dr Zawistowski w momencie publikacji w/w artykułu był pracownikiem Instytutu Chemicznej Przeróbki Węgla w Zabrzu – i to nie byle jakim, bowiem przez lata szefował tamtejszemu laboratorium badającemu kotły, jego podpisy widnieją na certyfikatach wydawanych swego czasu przez Instytut. Wnosimy więc, że są to dane przytoczone na podstawie badań przeprowadzonych w Instytucie.

Badania IChPW na zlecenie Krakowskiego Alarmu Smogowego

Instytut Chemicznej Przeróbki Węgla na zlecenie Krakowskiego Alarmu Smogowego, za pieniądze z małopolskiego programu LIFE, wykonał badania porównujące emisje przy paleniu od dołu i od góry w kilku różnych urządzeniach grzewczych. Tutaj pełny raport z tych badań. Autorami raportu są: dr inż. Katarzyna Matuszek (kierownik projektu), mgr inż. Piotr Hrycko, Zygmunt Kamiński, Michał Pańczyk.
Powyższy dokument nie jest oryginałem pochodzącym z IChPW. Tego, ze względu na wymogi dotacji, z której opłacono badania, nie można było opublikować, gdyż nie jest oklejony w loga dobrych wujków. Ale mam go do wglądu i większość treści się pokrywa. Brakuje szczegółowej analizy wyników.

Przebadano następujące urządzenia:

  • kocioł miałowy typu Generator 35kW – z nadmuchem
  • kocioł węglowy PEREKO KSW Plus 20kW – z nadmuchem
  • kocioł węglowy Moderator 25kW – z nadmuchem
  • kocioł węglowy typu SKI 17,5kW – naturalny ciąg, z doprowadzeniem powietrza wtórnego
  • piec żeliwny typu koza o nieznanej mocy – naturalny ciąg, bez powietrza wtórnego

W każdym z urządzeń przeprowadzono po jednym cyklu palenia każdą z metod i każdym z paliw: węglem sortymentu orzech (w miałowcu: miałem) oraz drewnem kawałkowym. Parametry zastosowanego węgla są bardzo wysokie – kaloryczność aż 29MJ, więc mamy tu do czynienia z typem co najmniej 32.2.

Tabela poniżej pokazuje względną zmianę emisji w próbie palenia od góry w porównaniu do próby palenia od dołu (im większy minus, tym lepiej). Przeliczone na podstawie wartości emisji na GJ energii w paliwie podanych w pełnym raporcie.

Kocioł (paliwo podst.) Paliwo Emisja pyłów Emisja b(a)p
Generator (Miał) Miał -95% +150%
Generator (Miał) Drewno -5% -14%
KSW Plus (Węgiel) Węgiel -79% -74%
KSW Plus (Węgiel) Drewno -23% +1880%
Moderator (Węgiel) Węgiel -43% -68%
Moderator (Węgiel) Drewno -26% +132%
SKI (Węgiel) Węgiel -33% -74%
SKI (Węgiel) Drewno -81% -89%
Piec koza Węgiel +3% -50%
Piec koza Drewno +103% +374%

I jeszcze zmiana emisji z podziałem na rodzaje paliw:

Paliwo Emisja pyłu Emisja b(a)p
Węgiel -50% -25%
Drewno -6% +480%

Czego ciekawego dowiemy się z analizy wyników, której w opublikowanym dokumencie brakuje względem oryginału z Instytutu?

  • opisane zostało, które metody palenia i paliwa są dla danego kotła zalecane przez producenta,
  • dla części kotłów podane są wykresy z przebiegiem czasowym temperatur spalin w obu metodach palenia. I teraz: gdy przy rozpalaniu od góry temperatura spalin rośnie szybciej – autorzy stwierdzają, że to zbyt szybko i doprowadzi to z czasem do rozszczelnienia wymiennika z uwagi na naprężenia wewnętrzne materiału większe niż przewidział producent a ponadto operator może się poparzyć o zewnętrzne elementy kotła (bo 350st. w czopuchu przy paleniu od góry drewna parzy przecież bardziej niż 300st.C przy paleniu tego samego drewna od dołu); z kolei gdy temperatura spalin rośnie wolniej – narzekają na zbyt małą moc kotła i groźbę niedogrzania budynku (ewidentnie widać, że skiepścili rozpalanie).
  • kocioł typu SKI był badany z użyciem wentylatora wyciągowego z uwagi na trudności w rozpaleniu na naturalnym ciągu (nie jest to ciekawy kocioł, ponadto w badaniach użyto węgla, którego kaloryczność może wskazywać na wysoki typ, który to nie jest łatwy do rozpalenia). Dla porównania poniżej ten sam typ kotła rozpalany przez palacza bez doktoratu.

Skąd takie a nie inne wyniki – zarówno duże spadki jak i niebywałe wzrosty emisji? Tego się z raportu nie dowiemy. Dlatego od tego miejsca zaczynam swoją interpretację.

Skąd tak ogromne nieraz wzrosty emisji b(a)p przy spalaniu drewna? Po pierwsze trzeba zauważyć, że większość przebadanych urządzeń nie jest fabrycznie przystosowana do spalania drewna. Objawia się to głównie tym, że powietrza wtórnego jest podawane mniej lub nie ma go wcale (koza). Właśnie w takich urządzeniach stwierdzono największe wzrosty emisji b(a)p przy spalaniu drewna od góry. Emisję węglowodorów aromatycznych (WWA, takim jest m.in. b(a)p) obniża się po prostu je spalając, a to wymaga min. 2 sekund przebywania tych substancji w temp. min. 800st.C i w atmosferze min. 6% tlenu (źródło, strona 223). Być może zadecydowały różnice w ilości gazów i skłonności do formowania się WWA w zależności od temperatur w palenisku, a może powietrze wtórne nie trafiło tam, gdzie powinno. Brak danych, które pozwalałby dokładniej zgadywać.

Co jest pewne: kocioł miałowy, mimo że również nie został fabrycznie przewidziany do spalania drewna, nie zanotował takich wzrostów emisji b(a)p jak pozostałe kotły z nadmuchem. Może to być kwestia zarówno ilości powietrza wtórnego (miał potrzebuje go więcej niż grubsze węgle, bo spala się bardziej "gazowo") jak i miejsc jego podania.

Skąd wzrost emisji b(a)p w kotle miałowym rozpalonym na miale zgodnie z instrukcją – od góry? Trzeba zajrzeć do pełnego raportu, gdzie w tabeli nr 2 podano stężenie tlenu w spalinach przy rozpaleniu miałowca od góry: 2,77% – najmniej spośród wszystkich prób; znaczy to, że kocioł pracował na skrajnym niedoborze powietrza, czyli rzecz prawdopodobnie wynika z błędów obsługi. Ten sam rodzaj kotła na badaniach certyfikacyjnych w tym samym instytucie osiągnął dużo lepsze wyniki.
Miałowiec to jedyny przypadek wzrostu b(a)p przy spalaniu od góry węgla. To on zaniża średni spadek emisji b(a)p do zaledwie 25%. Średni spadek emisji b(a)p z jego pominięciem wynosiłby dla węgla -70%.

Wynik z niniejszego badania dla kotłów zasypowych na naturalnym ciągu w zestawieniu ze wskaźnikami emisji ze wspomnianego wyżej badania tego samego instytutu.

Mimo swoich niedostatków badania te wypełniają istotną lukę w stanie wiedzy na temat efektów rozpalania od góry węgla kamiennego – pokazują znaczące spadki emisji pyłów i b(a)p. Jednocześnie wynika z nich, że spalanie drewna w kotłach węglowych z nadmuchem nie jest dobrym pomysłem, ponieważ nie są one konstrukcyjnie do tego przystosowane i zależnie od metody palenia emitują albo więcej pyłów, albo więcej b(a)p.

W mojej ocenie w/w raport jest bardziej interesującym przyczynkiem niż pełnowartościową publikacją naukową, ponieważ nie ma tutaj próby dojścia do przyczyn takich a nie innych wyników, a pomiary mocno odstające pozostawiono bez komentarza czy wyjaśnienia – jeśli nie uderzało to w palenie od góry. Ponadto:

  • wybór urządzeń grzewczych do badań sprawia wrażenie przypadkowego, nie odzwierciedla w pełni popularnych typów kotłów pracujących w polskich kotłowniach,
  • z raportu wynika, że przeprowadzono zaledwie po jednej próbie każdego z wariantów, więc duży wpływ na efekty mógł mieć przypadek lub dyspozycja operatora,
  • w raporcie pomijane są domniemane zalety rozpalania od góry, za to usilnie podkreślane są wady rzeczywiste tej metody jak również przypisuje się tej metodzie wszelkie inne problemy, jakie mogą w kotłowni wystąpić, a niekoniecznie wynikają wprost z metody palenia,
  • stosowane są podwójne standardy: spadek mocy urządzenia rozpalanego od góry jest usilnie podkreślany, podczas gdy spadek mocy miałowca rozpalanego od dołu – nie został skomentowany,
  • podkręca się do absurdu oczekiwania wobec efektów palenia od góry porównując emisje z wymogami ekoprojektu, by – po stwierdzeniu, że są od tych wymogów dalekie – zanegować rzecz po całości; nikt rozsądny nigdzie na świecie takich oczekiwań nie wysuwał.

Negatywny stosunek Krakowskiego Alarmu Smogowego jak i IChPW do wszelkich prób czystszego palenia był znany na długo przed tymi badaniami. Wynika to podobno z obawy, jakoby czystsze palenie w starych kotłach i piecach miało spowolnić lub zastąpić proces wymiany tych urządzeń na nowoczesne. To nonsens przynajmniej z dwóch powodów:

  • wymiana starych urządzeń na nowoczesne pełza z powodu astronomicznych cen nowoczesnych kotłów oraz ich wysokich wymagań co do paliwa (które jest drogie a przy wzmożonym popycie jeszcze podrożeje),
  • wszelkie badania, jakie od początku przytaczamy, wskazywały na 50-80% redukcję emisji dzięki rozpalaniu od góry, a trzeba jeszcze wziąć poprawkę, że nie wszyscy się dobrowolnie do tego zastosują, więc tezy o zastępowaniu nowoczesnych urządzeń rozpalaniem od góry są nieuprawione.

Traktujemy rozpalanie od góry jako pierwszą pomoc na dym i smród, i przedszkole czystego palenia. Widzimy, jak to ludzi "wciąga" i przy zakupie kolejnego kotła szukają takiego, który fabrycznie spala czysto, bo już zobaczyli, że tanie i nieuciążliwe ogrzewanie polega na czystym spalaniu a nie na pchaniu do pieca wszystkiego, co się nie rusza i jest tanie/darmowe. Nowoczesne czyste kotły na tanie i dostępne paliwa to jest przyszłościowa droga, ale zanim się na takie przesiądziemy, każdy może od zaraz poprawić kulturę palenia w swoim obecnym kotle, czym zlikwiduje przynajmniej najbardziej uciążliwą część emisji.

Czemu sami nie zlecimy badań?

Od kilku lat – niemalże od początku istnienia portalu – poszukiwałem sposobów, by zlecić przebadanie efektów rozpalania od góry w profesjonalnym laboratorium. Nic z tego jak dotąd nie wyszło.

O jakie kwoty chodzi? Początkowo myślałem, że wystarczające byłoby zlecenie badań na wzór atestacyjnych, czyli jeden nowy kocioł rozpalony raz tak, a raz tak. To byłby koszt "tylko" ok. 15 tys. zł. Teraz widzę, że byłoby to dalece za mało. Dla maksymalnie pełnego obrazu sytuacji trzeba by przebadać przynajmniej kilkanaście różnych kotłów najlepiej w miejscu i warunkach ich codziennej pracy. Bez min. 50 tys. zł nie ma co do tematu podchodzić. I nie, żadne uczelnie nie zrobią tego dużo taniej niż komercyjne laboratoria, bo to wymaga stosownego sprzętu, czasu i nakładu pracy fachowców, więc swoje będzie kosztować jeśli ma być wykonane profesjonalnie.

  • Próbowaliśmy uzbierać przynajmniej część funduszy wśród ludzi. Chwała wszystkim, co dorzucili się do zbiórki – niestety uzyskana kwota jest daleka od potrzeb.
  • Próbowaliśmy znaleźć jakieś "dotacje" bo przecież każdy laik powie: "to proste, weźcie dotacje". NIE MA. Chcesz ładować ludziom łopatą do głów, że smog jest i jest tak bardzo zły? Proszę bardzo, tu jest garniec ze złotem na te cele. Chcesz udowodnić, że jest prosty sposób, by smogu było mniej? Sorry, to nam do żadnej szufladki nie pasuje.
  • Próbowaliśmy poprosić o wsparcie różnych producentów kotłów. Odpowiedzialność społeczna fauny w tym bajorze, z największymi rybami włącznie, jest gdzieś w mule poniżej dna.
  • Próbowaliśmy poprosić o wsparcie kopalnie. Biedakom brakowało wtedy do pierwszego.
  • Próbowaliśmy poprosić o wsparcie sprzedawców węgla. Tu zdarzały się chęci, ale możliwości nie wystarczyło.

Co do sensu jakichkolwiek badań na obecną chwilę... One nigdy nie były potrzebne zwykłym ludziom. W kotłowni liczy się efekt: oszczędzone paliwo, zlikwidowane problemy, cieplej w domu. Natomiast ci, co aktywnie zwalczają czystsze palenie, nie potrzebują do tego wyników rzetelnie i miarodajnie przeprowadzonych badań. Ich motywacją jest albo ideologia walki z węglem jako takim, albo nieco naiwne dążenie do szybkiej wymiany wszystkich starych urządzeń grzewczych na nowoczesne. To drugie jest bardzo słuszne – naiwne dlatego, że z uwagi na koszty i skalę problemu, nierealne do szybkiego wdrożenia. A wcale nie musimy siedzieć w dymie i smrodzie do czasu, aż wszyscy będą mieli nowoczesne kotły. Właśnie dlatego bawimy się w półśrodki, bo podczas gdy wymiana kotłów dająca 100% efektu pełza, zmiana nawyków dająca ok. 50% efektu pójdzie co najmniej truchtem, bo kosztuje nieporównanie mniej.

Poza okopanymi obozami "za" i "przeciw" jest jeszcze całe mnóstwo ludzi "pomiędzy": nieobeznanych w temacie, dla których wyniki rzetelnych badań mogłyby być przekonującym argumentem. Dlatego jeśli ktoś ma pomysł, jak tego typu badania doprowadzić do skutku – zapraszam do kontaktu.

Badania zagraniczne

Większość badań dotyczy pieców na drewno i kominków, bowiem to drewno jest podstawowym paliwem stałym w większej części Europy. Wyjątkiem jest RPA, która leży na węglu.

RPA

Badania przeprowadzone w RPA wykazują spadek emisji pyłów o ~85% dzięki zastosowaniu rozpalania od góry. Na tej podstawie przeprowadzono w tym kraju szeroko zakrojoną kampanię informacyjną promującą tę metodę palenia. Badania przeprowadzono na takich urządzeniach, jakie są tam stosowane – prostych piecach kuchennych dosłownie wykonywanych ze starych wiader, co sprawia, że wyniki nie są do przełożenia 1:1 na naszą sytuację, ale dają jakieś pojęcie o efektach rozpalania od góry.

Badania z RPA, porównanie emisji pyłów w przeliczeniu na 1MJ uzyskanego ciepła: węgiel kamienny rozpalany od dołu (pierwsza kolumna od lewej), węgiel kamienny rozpalany od góry (druga kolumna).

Niemcy

W Niemczech metodę rozpalania od góry przebadał instytut Technologie- und Forderzentrum Straubing. W swojej publikacji na temat poprawnej obsługi pieców na drewno opisuje i zaleca rozpalanie od góry.

Portugalia

Badania z Portugalii dotyczące spalania drewna (sosny i buka) pokazują spadek emisji pyłów od kilkunastu procent do nieco ponad połowy (zależnie od gatunku drewna). Dotyczą spalania w zamkniętym piecyku bez dopływu powietrza wtórnego, co ogólnie nie jest najkorzystniejszym scenariuszem spalania drewna.

W badaniach portugalskich badano emisje pyłów przy pracy na różnych mocach, wpływ powietrza wtórnego a także metody rozpalania. Słupki czarne to wyniki dla drewna bukowego, słupki "cętkowane" to wyniki dla sosny. Pierwszy od prawej zestaw kolumn dotyczy rozpalania od dołu, drugi od prawej – rozpalania od góry.

Szwajcaria

Badania szwajcarskie (2008) dotyczące spalania drewna w piecu na drewno, piecu kaflowym i murowanym kominku wykazują spadek emisji pyłów dzięki rozpalaniu od góry o 50-80%. Podobne wnioski prezentują nieco wcześniejsze (2007) szwajcarskie badania porównawcze różnych niskoemisyjnych metod spalania drewna. Kolejna ze szwajcarskich publikacji opisuje wpływ bardzo wielu czynników na emisje zanieczyszczeń ze spalania drewna i również konkluduje, że rozpalanie od góry daje dobre efekty.

Emisje przy rozpalaniu od góry (oben - szary kolor) i od dołu (unten – czerwony) wg badań szwajcarskich podane dla trzech faz palenia: rozpalania, normalnej pracy i wygaszania. Wykresy po lewej to dane z pięciu pomiarów, po prawej – z pojedynczego. Autorzy podkreślają możliwą ogromną zmienność emisji w zależności od wiedzy operatora. Gros emisji przypada na czas rozpalania, gdzie rozpalanie od góry jest wyraźnie lepsze, stąd metoda ta wygrywa pod względem całkowitej emisji.

Najszerszy zakres miały w/w badania z 2007 roku. Przebadano w nich kilkanaście różnego rodzaju kotłów, pieców i kominków w warunkach rzeczywistych. Nacisk położono na etap rozpalania, ponieważ to wtedy (przy nieprawidłowym jego wykonaniu) występują najwyższe emisje. Opracowano "wzorcową rozpałkę", która zapewnia szybki i pewny start – to dosłownie parę szczap suchego drewna + podpałka kominkowa.

Przeprowadzono dwie serie pomiarowe. Po pierwszej z nich konsultowano wyniki z producentami urządzeń i tam, gdzie nie uzyskano od razu znaczącej poprawy, poszukiwano sposobów na zmniejszenie emisji – co następnie weryfikowano w drugiej serii pomiarowej.

Na podstawie tych badań podjęto w Szwajcarii akcję promocji technik poprawnego palenia – Fair Feuern. Jest to akcja na poziomie rządów tamtejszych krajów związkowych przy współpracy producentów drewna i kominków, zdunów, kominiarzy i organizacji społecznych takich jak LuftAus z Winterthur.

Porównanie emisji pyłów przy spalaniu drewna od dołu (lewo) i od góry (prawo).

Porównanie emisji pyłów przy spalaniu drewna od dołu (lewo) i od góry (prawo). Źródło: podsumowanie szwajcarskich badań, 2008, str. 28

Porównanie emisji

Porównanie emisji pyłów kolejno w piecu na drewno, piecu kaflowym i kominku przy paleniu od dołu (pomarańczowe słupki) oraz przy paleniu od góry (szare słupki). Źródło: badania szwajcarskie z 2008 roku.

Norwegia

Norweski instytut SINTEF promuje rozpalanie od góry od 2010 roku a w jednej ze swych publikacji podaje, że metoda ta obniża emisję pyłów dwukrotnie w małych piecach oraz nawet sześciokrotnie w przypadku dużych pieców na drewno i pieców kaflowych. O rozpalaniu od góry i aprobacie dla tej metody ze strony SINTEF-u wspomina też autor książki "Porąb i spal".

Mongolia

Na dokładkę dokumentacja z badań mongolskiego pieca węglowego, w którym zastosowana metoda spalania End-Lit Cross-Draft (ELCD) (wariant wspomnianego niżej palenia kroczącego) poskutkowała spadkiem emisji pyłów PM2.5 o 83%. Nie jest to klasyczne rozpalanie od góry, ale przykład ten pokazuje, że da się spalać węgiel dużo czyściej w pozornie prostych acz przemyślanych urządzeniach.