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.