Kotły na biomasę

Kotły na biomasę cieszą się dużą popularnością ze względu na to, że zapewniają niskie koszty ogrzewania a ich praca jest przyjazna dla środowiska. Nowoczesne źródła ciepła tego typu cechuje wiele rozwiązań, gwarantujących bezpieczeństwo i komfort użytkowania instalacji grzewczej.

Ogólny podział kotłów na biomasę dzieli je na urządzenia jednopaliwowe i wielopaliwowe. W kotłach jednopaliwowych przewiduje się spalanie biomasy o określonych właściwościach fizyko-chemicznych, składzie pierwiastkowym lub gabarytach paliw. Chodzi tutaj o kotły zaprojektowane z myślą o spalaniu np. drewna opałowego, słomy czy pelletu. Z kolei kotły wielopaliwowe cechuje możliwość spalania różnego rodzaju paliw stałych. Użytkownik zyskuje więc elastyczność w zakresie rodzaju i gabarytu paliw z biomasy.
Inny podział kotłów dzieli je na urządzenia z górnym spalaniem, dolnym spalaniem oraz kotły zgazowujące drewno. Uwzględniając formę występowania w przyrodzie biomasę można podzielić na biomasę stałą, ciekłą (etanol, metanol i inne frakcje olejów roślinnych) i gazową – biogaz (np. gaz błotny). Bardzo często wykorzystuje się przy tym drewno o niskiej jakości technologicznej i odpadowe, a także odchody zwierząt, osady ściekowe, słomę, makuchy i inne odpady produkcji rolniczej. Biomasa to również wodorosty uprawiane specjalnie w celach energetycznych, a także odpady organiczne np. wysłodki buraczane, łodygi kukurydzy, trawy, lucerny, oleje roślinne oraz tłuszcze zwierzęce.

Zalety kotłów na biomasę

Jako najważniejsze zalety kotłów na biomasę należy wymienić stosowanie rozwiązań efektywnych i przyjaznych dla środowiska. Trzeba mieć na uwadze niskie koszty zakupu paliwa, które w przypadku rolnictwa może być pozyskane z własnych źródeł. Biomasa w porównaniu z paliwa kopalnymi cechuje się niższą emisją SO2, NOx i CO oraz neutralnym bilansem CO2.
Nowoczesne piece do spalania biomasy wykorzystują zaawansowane urządzenia sterujące, które nadzorują nie tylko proces podawania paliwa ale również spalanie. Uwzględniając zadaną temperaturę i wydatek wody sterownik dopasowuje intensywność procesu spalania pod kątem ilości doprowadzonego paliwa i powietrza (sonda lambda) oraz natężenia przepływu nośnika ciepła poprzez odpowiednią pracę pomp obiegowych. Ważne jest również zapewnienie sterowania układem podawania paliwa do miejsca spalania.
Komfort użytkowania kotła zapewnia zasobnik paliwa. W praktyce najczęściej zastosowanie znajdują podajniki tłokowe, ślimakowe i szufladowe.

Etapy spalania biomasy

Np. w piecach zgazowujących drewno proces termiczny rozkładu biomasy w palenisku obejmuje trzy etapy – suszenie, zgazowanie, dopalanie węgla drzewnego. Tym sposobem w zależności od zastosowanego rozwiązania wyróżnia się w kotłach odrębne strefy, które odpowiadają poszczególnym etapom pracy.
Suszenie wykorzystuje wstępne podgrzanie biomasy wprowadzonej do komory, przez co wilgoć jest odparowana. Np. w piecach zgazowujących drewno po suszeniu szybki wzrost temperatury paliwa do ok. 250°C inicjuje proces zgazowania i zapłonu a powstający gaz drzewny dopala się w ostatniej fazie spalania.
Komorę spalania bardzo często wykonuje się z ogniotrwałego betonu. Nadmuch powietrza jest podzielony na powietrze pierwotne oraz dwa strumienie powietrza wtórnego. Ważna jest przy tym automatyczna regulacja wykorzystująca sondę lambda.

Kotły na słomę i drewno

Warto zwrócić uwagę na kotły przeznaczone do spalania słomy w kostkach. Do typowego kotła można załadować jednorazowo od czterech kostek słomy o wymiarach 40 x 40 x 80 cm. Oprócz tego oferowane są kotły pozwalające ładować bele słomy o średnicy 120 cm.
Dużym uznaniem cieszą się trójciągowe kotły pozwalające na spalanie drewna opałowego. Dzięki odpowiednio zaprojekowanym płomieniówkom zmniejsza się opór przepływu spalin przy jednoczesnym ograniczeniu ilości powietrza wtórnego pod rusztem. Z kolei ilość powietrza wtórnego podawanego do części paleniskowej kotła zwiększa się. Należy podkreślić, że taka konstrukcja pozwala na poprawę skuteczności spalania i minimalizowanie powstawania smoły pogazowej. Jak wiadomo bardzo często powstaje ona przy spalaniu mocno rozdrobnionego drewna. Odpowiednie wymiary komory załadunkowej pozwalają spalać długie polana drewna.
Nowoczesne kotły na pellet bazują na palniku wrzutkowym do spalania pelletu a paliwo do palnika transportuje podajnik. Specjalne rozwiązanie zapewnia zgarnianie szklaki powstałej w procesie spalania. Zapalarka służy do rozpalania kotła a fotoelement kontroluje płomień. Niektóre piece wyposaża się w palnik rotacyjny zapewniający obrót komory spalania i czyszczenie palnika. Kotły do spalania pelletu mogą mieć również dodatkowe ruszty wodne.

Sterowniki

Nowoczesne sterowniki realizują funkcje związane z załączaniem/wyłączaniem kotła, rozpalaniem, regulacją wydajności spalania a co za tym idzie mocą pieca. Oprócz tego nadzorowane jest czyszczenie palnika i wymiennika ciepła. Można sterować nie tylko funkcjami wewnętrznymi kotła ale również pracą urządzeń zewnętrznych łącznie z koordynacją dodatkowych źródeł ciepła. Przydatne rozwiązanie stanowi nadzorowanie pracy kilku obiegów grzewczych i przygotowania c.w.u. Optymalne spalanie zapewnia sonda lambda. Sterownik nadzoruje pomiar temperatury paliwa a w razie potrzeby uruchamiany jest system zapobiegający cofaniu płomienia do zbiornika paliwa.

Ruch spalin i powietrza

W nowoczesnych kotłach szereg rozwiązań przewiduje w odniesieniu do ruchu powietrza i spalin. Za odpowiedni ruch spalin odpowiada wentylator zamontowany na ciągu spalin – najczęściej na czopuchu kotła. Podciśnienie panujące w kotle powoduje, że do pomieszczenia nie przedostają się spaliny.
Z kolei płomień zasilający palenisko może być swobodnie kształtowany poprzez wentylator zamontowany na ciągu dostarczania powietrza. Sterowanie zapewnia płynną regulację wydajności pracy kotła a to przekłada się na precyzyjne regulowanie mocy grzewczej.

Nowoczesne palniki

Np. w kotłach na pellet zastosowanie znajdują palniki, które w połączeniu z innymi urządzeniami samoczynnie dopasowują pracę do bieżącego zapotrzebowania na ciepło. Ciekawe rozwiązanie techniczne stanowią palniki ze zmienną geometrią. Temperatura pracy palnika jest nadzorowana za pomocą sterownika. Dzięki rozpalaniu paliwa z uwzględnieniem określonych faz wyeliminowano ryzyko powstawania wybuchów a czyszczenie kotła wykonuje się podczas jego pracy. Jeżeli dojdzie do zaniku napięcia zasilania to po jego powrocie kocioł będzie pracował w oparciu o wcześniejsze ustawienia. Należy zwrócić uwagę na niską bezwładność cieplną kotła zarówno przy starcie jak i przy zatrzymywaniu. Ważna jest przy tym wysoka sprawność przy małej emisyjności.

Kotły zgazowujące drewno

Kotły zgazowujące drewno wykorzystują proces spalania drewna przebiegający dwuetapowo. W pierwszej kolejności w komorze wsadowej dochodzi do niecałkowitego spalenia drewna przy ograniczonym dostępie powietrza. W ten sposób powstają gazy, które dopalają się w komorze wtórnej. Kocioł dla prawidłowej pracy wymaga utrzymania odpowiednio wysokiej temperatury. Stąd też woda krążąca po instalacji nie może mieć zbyt niskiej temperatury aby nie doprowadzić do wychłodzenia komory i zatrzymania procesu zgazowania. Z kolei utrzymywanie temperatury czynnika roboczego na poziomie 70–80°C w całym sezonie grzewczym powodowałoby przegrzewanie pomieszczeń i konieczność cyklicznej pracy kotła. W efekcie kocioł zgazowujący drewno najczęściej współpracuje z buforem ciepła i zaworem mieszającym. Takie rozwiązanie zapewnia utrzymanie odpowiednio wysokiej temperatury czynnika krążącego w piecu a do obwodów grzewczych trafi a woda o odpowiedniej temperaturze. Bufor ciepła o pojemności 10 litrów/ m2 powierzchni domu jest w stanie skumulować ciepło zapewniając ogrzanie domu przynajmniej na kilka godzin po wygaszeniu kotła.

Biogazownie

Biogazownia stanowi instalację przeznaczoną do produkcji biogazu wytworzonego z biomasy roślinnej, biologicznego osadu ze ścieków, odpadów poubojowych, organicznych odpadów (np. z przemysłu spożywczego) oraz odchodów zwierzęcych. W Polsce największym uznaniem cieszą się biogazownie wykorzystujące osady ściekowe z komunalnych oczyszczalni ścieków. Typowa instalacja tego typu bazuje na zbiorniku wstępnym, układzie dozowania, komorze fermentacyjnej (tzw. fermentorze), a także zbiorniku magazynowym dla przefermentowanego substratu. Ponadto na instalację biogazowni składa się również zbiornik biogazu.
Zbiornik wstępny odpowiada za wstępne gromadzenie substratów płynnych, z kolei poprzez układ dozowania dostarczane są do biogazowni substraty stałe. Substraty znajdujące się w fermentatorze nie mają dostępu do światła i są one podgrzewane do temperatury ok. 38- 40°C. W takich warunkach materiał jest rozkładany przez mikroorganizmy. Z kolei specjalne mieszadła automatyczne odpowiadają za mieszanie masy. Proces fermentacji jest nadzorowany przez system sterowania łącznie z analizowaniem zawartości organicznych i siarkowodoru. W efekcie końcowym powstaje biogaz, w skład którego wchodzi metan. Dla zapewniania trwałości i wytrzymałości fermentator wykonuje się ze stali szlachetnej o podwyższonej odporności na działanie wysokiej temperatury i siarkowodoru. Substrat, który jest przefermentowany przepompowuje się do magazynu. Z tego miejsca jest on pobierany do dalszego użycia. W rolnictwie resztki tego typu po wysuszeniu mogą być wykorzystywane jako suchy nawóz. Wytworzony biogaz gromadzi się na szczycie zbiornika stanowiąc paliwo do zasilania pieca.
W nowoczesnych piecach do spalania biomasy przewiduje się szereg rozwiązań, które poprawiają komfort użytkowania oraz zwiększają sprawność kotła. Źródła ciepła tego typu bardzo często znajdują zastosowanie w rolnictwie, gdzie na potrzeby produkowania ciepła wykorzystuje się np. słomę czy biogaz.