Kotły na paliwa stałe

Analizując literaturę z zakresu ogrzewnictwa, można spotkać się z wieloma definicjami urządzenia, jakim jest kocioł. W najprostszy sposób można powiedzieć, że jest to „urządzenie służące do spalania paliw stałych, ciekłych lub gazowych w celu podgrzania nośnika ciepła, w odróżnieniu od pieca, który oddaje ciepło bezpośrednio do otoczenia”.

Kocioł na paliwo stałe jest urządzeniem przeznaczonym do ogrzewania pomieszczeń i przygotowania ciepłej wody użytkowej. Ciepło wytwarzane jest poprzez spalanie paliw stałych (zrębki, pellet, węgiel kamienny), a następnie rozprowadzane poprzez wodny system centralnego ogrzewania. Z racji obowiązujących obecnie restrykcji dotyczących efektywności energetycznej i ograniczenia niskiej emisji, kotły dopuszczalne obecnie na rynek muszą spełniać wymagania określone w rozporządzeniu (UE) 2019/2024 dotyczącym ekoprojektu oraz polskiej normy PN-EN 303:5:2012. Dodatkowo przy wyborze urządzenia grzewczego należy zwrócić uwagę na lokalne uchwały antysmogowe, które zakazują lub w znacznym stopniu ograniczają eksploatację kotłów na paliwa stałe.

Podział kotłów

Literatura przedmiotu podaje różne klasyfikacje kotłów na paliwa stałe. Najczęstszym parametrem determinującym przynależność kotła do danej klasy jest jego moc. Na tej podstawie wyróżnia się kotły:

• małej mocy, do 50 kW,
• średniej mocy, 50–500 kW,
• dużej mocy, wyższej niż 500 kW.

Ze względu na rodzaj spalanego paliwa można wyróżnić:

• kotły na węgiel kamienny (ekogroszek, kotły miałowe),
• kotły na drewno i zrębki (w tym kotły zgazowujące),
• kotły na pellet.

Kolejne kryterium podziału opiera się o materiał, z jakiego wykonana jest konstrukcja. Tutaj wyróżnić możemy:

• kotły żeliwne – odznaczające się dużą odpornością na korozję i żywotnością wynoszącą nawet 25 lat. Ich zaletą jest budowa członowa, która w przypadku awarii urządzenia umożliwia wymianę jedynie uszkodzonego elementu bez konieczności wymiany całego kotła. Ich największą wadą jest wrażliwość na gwałtowne zmiany temperatury.
• kotły stalowe – które co prawda odznaczają się mniejszą odpornością na korozję i krótszą żywotnością, natomiast są odporne na gwałtowne zmiany temperatury. Dodatkowo są to konstrukcje stale modernizowane, przez co osiągają one wyższe sprawności niż np. kotły żeliwne. Kotły konstrukcji stalowej są obecnie najbardziej rozpowszechnione na rynku.

Ze względu na sposób dostarczania paliwa kotły dzieli się na:

• kotły z załadunkiem ręcznym (zasypowe) – z reguły są to małe jednostki o niskich mocach, w granicach od kilku do kilkudziesięciu kW. Ich konstrukcja może być bardzo prosta (dotyczy starszych konstrukcji, które jeszcze są w użytkowaniu) i umożliwiają spalanie różnego rodzaju paliw stałych oraz ich mieszanek. Niekiedy mogą one pracować bez zasilania elektrycznego, wykorzystując ciąg kominowy. Cechują się najniższą sprawnością energetyczną i najwyższymi wskaźnikami emisji. Natomiast obecnie produkowane kotły z załadunkiem ręcznym są bardziej zaawansowane technicznie – spełniają aktualne wymagania energetyczno-emisyjne (pracują z wysokimi sprawnościami, przy niskich emisjach zanieczyszczeń) i dedykowane są już do spalania danego paliwa stałego. Jednak w myśl uchwały antysmogowej dla Małopolski, do obiegu dopuszczone są wyłącznie kotły zgazowujące, ze względu na ich niską emisję zanieczyszczeń. Pozostałe urządzenia zasypowe, ze względu na zmienne parametry pracy, a co za tym idzie, brak możliwości zapewnienia stałych parametrów emisyjnych, nie są dopuszczone do sprzedaży. W przypadku urządzeń istniejących, spełniających wymagania 5 klasy, możliwe jest ich użytkowanie do końca ich żywotności, bez konieczności wymiany. Współczesne kotły zasypowe, pracujące efektywnie i z niskimi emisjami zanieczyszczeń, wymagają w instalacji bufora ciepła. Wśród konstrukcji zasypowych można wyróżnić:
  • kotły ze spalaniem w całej objętości złoża – często są jeszcze użytkowane w wielu domach ze względu na prostszą konstrukcję i niższą cenę. Proces spalania przebiega szybko i jest trudny w sterowaniu. Jest on koordynowany przy użyciu mechanicznego miarkownika ciągu regulującego dopływ powietrza do paleniska lub poprzez nadmuch powietrza przez wentylator. Takie instalacje posiadają zazwyczaj jeden lub dwa ciągi spalinowe. Największymi wadami tego typu rozwiązań jest ich niska sprawność, rzadko przekraczająca 60% oraz konieczność częstego zasypywania kotła paliwem, a także wysokie emisji szkodliwych substancji do atmosfery, wielokrotnie przewyższające obecne wymagania. Obecnie kotły tego typu nie występują już na rynku, niemniej jednak w wielu domostwach są jeszcze użytkowane. W nieustalonych stanach pracy (rozpalanie, dokładanie paliwa) są wysoce emisyjnym źródłem ciepła. Niedopalanie części lotnych ze spalanego paliwa powoduje wysokie emisje oraz obniża sprawność spalania.
  • kotły ze spalaniem dolnym – posiadają bardziej skomplikowaną konstrukcję, przez co duża część tych urządzeń pozwala na spełnienie obecnych wymagań energetyczno-emisyjnych, zawartych w normie PN-EN 303-5:2012, dotyczących klasy 5. Najczęściej współpracują z danym rodzajem paliwa stałego, tj. węglem kamiennym lub drewnem kawałkowym. Konstrukcja umożliwia spalanie załadowanego do komory zasypowej paliwa w porcjach – pali się część paliwa znajdująca się w danej chwili bezpośrednio na ruszcie. Po wypaleniu się kolejna porcja paliwa opada grawitacyjnie do momentu wyczerpania się zasypu. Takie rozwiązanie pozwala na lepsze dopalenie paliwa, a zastosowanie dłuższego obiegu spalin pozwala na lepszy odbiór ciepła. Komora spalania takich kotłów często jest wypełniona szamotem lub innym materiałem ceramicznym, co podnosi temperaturę spalania w komorze spalania i redukuje emisję zanieczyszczeń. Niektóre z obecnie dostępnych na rynku kotłów pracują z ciągiem naturalnym (z miarkownikiem ciągu), ale większość posiada wymuszony przepływ powietrza za pomocą wentylatorów nadmuchowych lub coraz częściej wentylatorów wyciągowych, które pozwalają na precyzyjną regulację procesu spalania.
  • kotły zgazowujące na drewno – posiadają specjalnie skonstruowaną komorę spalania przystosowywaną do zgazowania drewna (załadowywanego do komory załadowczej w postaci polan). Charakteryzują się najwyższymi sprawnościami pracy oraz najniższymi emisjami zanieczyszczeń.
• kotły automatyczne (z automatycznym podawaniem paliwa) – są to kotły wyposażone w zaawansowane systemy sterowania i automatyki, które stale kontrolują ilość podawanego paliwa i dostosowują intensywność procesu spalania w zależności od bieżącego zapotrzebowania. Ich konstrukcja umożliwia spalanie paliwa z wysoką sprawnością, nawet podczas pracy z niską mocą nominalną. Do tej grupy zalicza się kotły z palnikami retortowym, rynnowymi i rurowymi. Można tutaj wyróżnić:
  • kotły na węgiel kamienny sortymentu groszek, umożliwiające automatyczne spalanie węgla. Kotły tego typu rozpalane są w sposób manualny. W przypadku gdy nie ma zapotrzebowania na ciepło pracują w tzw. podtrzymaniu żaru. Ze względu na znaczną zawartość popiołu w węglu (od 7 do 15%) wymagają częstszego czyszczenia i odpopielania.
  • kotły na pellety umożliwiają zarówno automatyczne podawanie paliwa, jak i automatyczne jego rozpalanie (za pomocą niewielkiej grzałki podgrzewającej powietrze, które następnie rozpala pellet znajdujący się na ruszcie), dzięki czemu pellet zużywany jest tylko w momencie zapotrzebowania na ciepło. Ze względu na nieznaczną zawartość popiołu w pelletach (zwykle nieprzekraczającą 1%) odpopielanie można wykonywać rzadziej. W wielu występujących na rynku konstrukcjach kotłów na pellety wymiennik ciepła posiada mechanizmy automatycznego czy też półautomatycznego czyszczenia, co znacznie ułatwia eksploatację i utrzymuje wysoką sprawność wymiany ciepła. Kotły na pellety wymagają najmniejszej obsługi w porównaniu do innych kotłów na paliwa stałe. Na rynku występują różne konstrukcje palników w kotłach na pellety. Ze względu na sposób podawania paliwa na ruszt można wyróżnić palniki retortowe (z podawaniem pelletu od dołu, palniki z bocznym podawaniem paliwa oraz palniki wrzutowe). Odpopielanie palników na pellety zwykle przebiega z wykorzystaniem wentylatora nadmuchowego (strumień powietrza zdmuchuje popiół z palnika), ale wiele konstrukcji ma dodatkowe układy odpopielania w postaci np. paleniska w formie obracającej się rury (w której spalany pellet oraz popiół co jakiś czas są przesypywane), rusztu ruchomego czy tłoka odpopielającego.

Klasy kotłów

Rosnące oczekiwania społeczne dotyczące ograniczenia niskiej emisji i wzrostu efektywności energetycznej urządzeń grzewczych wykorzystujących paliwa stałe powodują wprowadzanie coraz to bardziej restrykcyjnych norm europejskich i krajowych dotyczących tego problemowego tematu. Z tego względu kotły obecnie wprowadzane na polski rynek muszą spełniać wymagania kryteriów energetyczno-emisyjnych przedstawionych w normach (w szczególności w normie PN-EN 303-5:2012) i rozporządzeniach. Kotły wprowadzane na rynek europejski muszą spełniać wymagania zapisane w rozporządzeniach wykonawczych dla kotłów zasilanych paliwem stałym do dyrektywy ramowej Parlamentu Europejskiego i Rady 2009/125/WE w zakresie wymogów dotyczących ekoprojektu. Zawarte w niej wymogi, na mocy rozporządzenia Komisji Europejskiej nr 2015/1189 z dnia 28 kwietnia 2015 roku, obowiązują w całej UE od 1 stycznia 2020 roku. Wszystkie kotły o mocy do 500 kW wprowadzane do obiegu muszą więc spełniać standardy w niej zawarte. Rozporządzenie to nie dotyczy kotłów do ogrzewania wyłącznie ciepłej wody użytkowej, kotłów kogeneracyjnych na paliwa stałe i kotłów na biomasę niedrzewną. Powyższa dyrektywa wprowadza graniczne wartości sezonowych emisji dla pyłów, gazowych zanieczyszczeń organicznych, tlenków węgla, a także tlenków azotu. Dodatkowo dyrektywa określa minimalną sezonową efektywność energetyczną kotłów wprowadzanych na rynek. Pomimo iż standardy zawarte w wyżej wymienionej dyrektywie weszły w życie w 2020 roku, to jednak władze lokalne niektórych województw zdecydowały się na wprowadzenie jej wymogów wcześniej. Tak się stało w przypadku województwa małopolskiego, gdzie na mocy ustawy antysmogowej obowiązują one od dnia 1 lipca 2017 roku.

Na rysunku 1 przedstawiono wymagania co do minimalnych sprawności dla kotłów w zależności od ich klasy wg PN-EN 303-5. Rysunek ten pokazuje jak duże są różnice w sprawności pomiędzy kotłami starszej generacji (spełniających np. wymagania 1 klasy), a kotłami współczesnymi – spełniającymi wymagania 5 klasy. Im wyższe sprawności, tym niższe zużycie paliwa, a co za tym idzie także koszty ogrzewania.

Rysunek 1. Przebieg sprawności kotłów w zależności od klasy i mocy kotła wg PN-EN 303-5 (opracowanie własne autora na podstawie PN-EN 303:5)

Koszty inwestycyjne

Ceny kotłów 5 klasy, spełniających wymagania ekoprojektu na paliwa stałe, z racji różnorodności modeli i zastosowanych rozwiązań, wahają się od ok. 6000 zł w przypadku urządzeń zasypowych na węgiel kamienny do ok. 20 000 zł w przypadku nowoczesnych, automatycznych kotłów zasilanych przede wszystkim pelletem.

Do kosztów kotłowni na paliwa stałe dodatkowo należy doliczyć niezbędne wyposażenie takie jak pompki obiegowe, zawory mieszające, grzejniki oraz komin. Średnio cena kompletnej kotłowni dla domu jednorodzinnego o powierzchni ok. 150 m² wynosi ok. 30 000–35 000 zł^.

Koszty eksploatacji

W przypadku kotłów na paliwo stałe zdecydowanie największa część kosztów determinowana jest ceną i zużyciem paliwa. W tym wypadku im większa powierzchnia ogrzewana i słabsza izolacja budynku, tym więcej paliwa będzie należało zakupić, aby zachować komfort cieplny w budynku. Od 2021 roku zaczęło obowiązywać rozporządzenie w sprawie warunków technicznych, określające maksymalne zapotrzebowanie na energię pierwotną na cele ogrzewania. Zgodnie z WT 2021 wynosi ono 70 kWh/m²/rok. Obecnie koszt wytworzenia 1 kWh ciepła z ekogroszku o wartości opałowej ok. 26 MJ/kg i sprawności urządzenia 80%, zakładając cenę za tonę 1400 zł, wynosi ok. 0,24 zł. Z dobrej jakości pelletu (18 MJ/kg, 1100 zł/t) będzie to ok. 0,26 zł. Dla porównania koszt 1 kWh energii przy ogrzewaniu gazem to obecnie (stan na 2021 rok) średnio ok. 0,26 zł, a powietrzną pompą ciepła w taryfie G12 ok. 0,19 zł.

Wpływ na jakość powietrza

W wyniku spalania paliw stałych w nieefektywnych pozaklasowych kotłach grzewczych do atmosfery dostaje się duża ilość substancji szkodliwych, do których m.in. zaliczamy: tlenki węgla, siarki, azotu, a także cząstki stałe w każdej postaci. Największą uwagę przykuwa emisja pyłów. Jak wynika z badań, największy wpływ na poziom jego stężenia w powietrzu ma niska emisja. Szczególnie niebezpieczne są subfrakcje pyłu PM₁₀ i PM_2,5. To właśnie w nich zawarte są metale ciężkie, jak np. kadm, ołów czy arsen. Dodatkowo na ich powierzchni znajdują się zaadsorbowane i zaasocjowane toksyny, do których zaliczyć można wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne (WWA), furany oraz dioksyny.

Według statystyk zawartych w Krajowym Programie Ochrony Powietrza (KPOP), sektor komunalno-bytowy odpowiadał za 86% emisji pyłów w strefach, gdzie w latach 2010–2014 występowały znaczne przekroczenia stężeń PM₁₀ i PM_2,5.

Graniczne wartości emisji zanieczyszczeń, jakie mogą być emitowane z komina w trakcie spalania zostały określone w normie PN-EN 303-5 i Rozporządzeniu Ministra Rozwoju z dnia 1 sierpnia 2018 roku w sprawie wymagań kotłów na paliwo stałe, a także od 1 stycznia 2020 roku obowiązują wymagania określone w Rozporządzeniu Komisji Europejskiej 2015/1189 dla kotłów na paliwa stałe. Na rysunkach 2, 3 oraz 4 przedstawiono w jaki sposób zmieniały się graniczne wartości emisji dla tlenku węgla, lotnych związków organicznych oraz pyłu wraz z kolejną wyższą klasą kotła. Należy wziąć pod uwagę także fakt, że w wielu obecnie jeszcze eksploatowanych kotłach pozaklasowych emisje rzeczywiste mogą być znacznie większe od tych granicznych dla kotłów klasy 1. Należy także pamiętać, że obecnie w handlu są wyłącznie spełniające wymagania ekoprojektu.

Graniczna emisja tlenku węgla w zależności od klasy kotła dla kotła na biopaliwo stałe o mocy cieplnej mniejszej niż 50 kW wg PN-EN 303-5:2002 i PN-EN 303-5:2012

Graniczna emisja lotnych związków organicznych w zależności od klasy kotła dla kotła na biopaliwo stałe o mocy cieplnej mniejszej niż 50 kW wg PN-EN 303-5:2002 i PN-EN 303-5:2012

Rysunek . Graniczna emisja lotnych związków organicznych w zależności od klasy kotła dla kotła na biopaliwo stałe o mocy cieplnej mniejszej niż 50 kW wg PN-EN 303-5:2002 i PN-EN 303-5:2012

481x289px

Rysunek . Graniczna emisja pyłu w zależności od klasy kotła dla kotła na biopaliwo stałe o mocy cieplnej mniejszej niż 50 kW wg PN-EN 303-5:2002 i PN-EN 303-5:2012

W tabeli 1 przedstawiono maksymalne sezonowe emisje zanieczyszczeń (liczone jako średnia ważona dla emisji przy pracy kotła z mocą nominalną i minimalną) dla kotłów spełniających wymagania ekoprojektu.

Tabela 1. Graniczne sezonowe emisje zanieczyszczeń wg rozporządzenia Komisji Europejskiej 2015/1189 dla kotłów na paliwa stałe (ecodesign)

Zanieczyszczenie	Ręczne podawanie paliwa [mg/m3] dla O2ref 10%	Automatyczne podawanie paliwa [mg/m3] dla O2ref 10%
Tlenek węgla (CO)	700	500
Organiczne zanieczyszczenia gazowe (OGC)	30	20
Pył	60	40
Tlenki azotu (NOx) wyrażone jako ekwiwalent dwutlenku azotu (NO2)	Kotły na paliwa kopalne – 350 mg/m3
	Kotły na biomasę – 200 mg/m3

Obecnie wśród kotłów na paliwa stałe dominują kotły na biopaliwa stałe. Głównie są to kotły z automatycznym podawaniem paliwa na pellety. Są to urządzenia, które wymagają niewiele uwagi w zakresie ich obsługi. Do czynności, które muszą być wykonywane co kilka dni do prawidłowego działania kotła należy zaliczyć uzupełnianie paliwa, a rzadziej usuwanie popiołu. Są także możliwości techniczne całkowitej automatyzacji pracy kotłowni na pellet z wykorzystaniem sezonowego magazynu pelletów, układu transportu pelletów z magazynu sezonowego do zasobnika przykotłowego, układu oczyszczania wymiennika i popielnika. Kotły z załadunkiem ręcznym na drewno wymagają cyklicznego dokładania paliwa do komory załadowczej, niemniej jednak gdy w instalacji zamontowany jest bufor ciepła (wszystkie obecnie dostępne kotły zasypowe powinny współpracować z tym urządzeniem), komfort eksploatacji takiego kotła jest nieporównywalnie wyższy niż dla starszych konstrukcji ze spalaniem w całej objętości złoża.

Jak przedstawiono powyżej kotły starszych generacji (klas 1, 2, 3, a przede wszystkim kotły pozaklasowe) charakteryzują się wysokimi emisjami zanieczyszczeń, a także niskimi sprawnościami cieplnymi, co przekłada się na wyższe koszty eksploatacji. Z tych względów kotły te powinny zostać zastąpione współczesnymi urządzeniami grzewczymi.