Węgiel – co warto wiedzieć wraz z początkiem sezonu grzewczego?

Ludzie palą węglem, bo to najtańsze paliwo...

Szum medialny ostatnich tygodni nt. węgla, a konkretnie jego rodzajów, wartości opałowej czy ceny uświadomił, że chociaż jest to surowiec od lat wykorzystywany w polskich domach, to nasza wiedza na jego temat jest nadal niewystarczająca. Eksperci Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie przygotowali zestawienie najważniejszych informacji nt. węgla, szczególnie przydatne dla gospodarstw domowych wykorzystujących ten surowiec jako główne źródło ciepła podczas sezonu grzewczego.

Każdy węgiel, jak wszystkie paliwa stałe, składa się z trzech podstawowych części, które decydują o jego przydatności do spalania w danym typie kotła (paleniska): substancji organicznej, substancji mineralnej, wilgoci. Najważniejszą częścią węgla jest substancja organiczna, którą tworzą związki chemiczne składające się z kilku głównych pierwiastków: C (węgla), H (wodoru), O (tlenu), N (azotu) i siarki (S). Substancja mineralna (nieorganiczna) traktowana jest jako balast, który podczas procesu spalania węgla ulega przekształceniu w tzw. popiół czyli stałą pozostałość po procesie spalania. Wilgoć zawarta w węglu również jest niekorzystna, gdyż część ciepła powstałego w procesie spalania jest zużywana na jej odparowanie.

Węgle dzielimy na brunatne i kamienne, z tym że w gospodarstwach domowych powinno się używać jedynie tych ostatnich. Węgle brunatne ze względu na swoje niekorzystne właściwości tj. bardzo wysoką zawartość wilgoci, popiołu czy siarki oraz niską kaloryczność przy dużej zawartości części lotnych powinny być stosowane jedynie przez energetykę zawodową. Z podobnych powodów wykluczone powinny być odpady z przeróbki węgla takie jak muły czy odpady węglowe.

Węgle kamienne różnią się pomiędzy sobą składem chemicznym (pierwiastkowym) i wynikającymi z tego właściwościami. Polska norma wyróżnia 11 typów węgla (niektóre typy podzielone są jeszcze na podtypy) różniących się pomiędzy sobą stopniem uwęglenia (metamorfizmu), składem chemicznym, właściwościami i zastosowaniem. Ze względu na kierunek wykorzystania węgle kamienne możemy podzielić na trzy główne grupy:

• węgle koksowe przeznaczone do produkcji koksu (typy 34, 35, 36, 37, 38 – są to węgle o średnim stopniu uwęglenia),
• węgle energetyczne przeznaczone dla elektrowni, elektrociepłowni, ciepłowni i tzw. palenisk specjalnych (typy 31, 32, 33 – węgle nisko uwęglone; 41, 42 – węgle o wysokim stopniu uwęglenia),
• węgle dla gospodarstw domowych – odbiorców indywidualnych (typy 31, 32 i 33 – węgle o niskim stopniu uwęglenia).

Nie da się w sposób wizualny wiarygodnie ocenić paliwa, do tego konieczne jest wykonanie przynajmniej podstawowych analiz, do których zaliczyć należy kaloryczność paliw, zawartość wilgoci i popiołu. Z punktu widzenia oceny przydatności paliwa pomocne będzie określenie zawartości części lotnych oraz spiekalności. Kolejnym kluczowym elementem jest sortyment paliwa czyli jego rozdrobnienie, które ma decydujący wpływ w jakim palenisku można je użytkować. Należy zaznaczyć, że dla prawidłowego procesu spalania istotny wpływ ma także stan techniczny kotła oraz jego jakość (klasa kotła).

Zawartość części lotnych
Jest kluczowym parametrem do oceny i klasyfikacji paliwa stałego. Opisuje zdolność do rozkładu paliwa podczas ogrzewania bez dostępu powietrza i jest miarą stopnia uwęglenia paliwa. Podczas spalania parametr ten ma kluczowe znaczenie dla przebiegu procesu, ponadto decyduje o długości płomienia (ze wzrastającą zawartością części lotnych wydłuża się płomień) oraz podatności do spalania. Paliwa o małej zawartości części lotnych są mniej reaktywne i trudniej się spalają. Wynika to z mechanizmu spalania paliw stałych, który przebiega dwuetapowo tj. najpierw dochodzi do rozkładu części masy paliwa i intensywnego spalenia powstałych lotnych produktów, a następnie ma miejsce bezpłomieniowe dopalanie pozostałej części organicznej paliwa (tzw. karbonizatu).

Jeśli podczas spalania paliwa nie zapewni się odpowiednich warunków (dopływ powietrza, czas przebywania i temperatura w palenisku) to pierwszy etap jest głównie odpowiedzialny za generowanie zanieczyszczeń emitowanych w trakcie spalania węgla tj. pyły, tlenek węgla, węglowodory w tym rakotwórcze, dioksyny itd.

Oddzielnym zagadnieniem jest wykorzystanie tzw. paliw bezdymnych, czyli paliw stałych po obróbce termicznej ograniczającej do minimum pierwszą fazę spalania, do których zaliczyć można koks opałowy, tzw. błękitny węgiel itd. Należy jednak pamiętać, iż paliwa tego typu, będę trudniej ulegać spalaniu.

Kaloryczność
Stosujemy dwa pojęcia dla oceny kaloryczności: ciepło spalania (Qs) i wartość opałową (Qi). Ciepło spalania wyraża maksymalną ilość energii (ciepła) jaką można uzyskać w wyniku spalania próbki paliwa i ten parametr oznaczany jest laboratoryjnie w urządzeniu zwanym kalorymetrem. W praktyce ilość energii (ciepła), którą uzyskuje się ze spalania węgla w kotłach jest mniejsza i określana poprzez wartość opałową. W przypadku węgli stosowanych do opalania palenisk domowych ich wartość opałowa powinna być większa niż 20 MJ/kg.

Spiekalność
Spiekalność jest to właściwość powodująca, że podczas ogrzewania węgiel ulega uplastycznieniu a następnie zestaleniu, co prowadzi do powstania spieczonej i wytrzymałej stałej pozostałości (karbonizatu). Zbyt duża spiekalność jest niepożądana w przypadku węgli energetycznych. Może powodować powstawanie spieków na ruszcie.

Zawartość wilgoci
Zawartość wilgoci w pozyskiwanym (wydobywanym) naturalnym paliwie stałym kształtuje się na bardzo różnym poziomie. Dla przykładu: w świeżo wydobytym torfie może stanowić nawet do 90%, w świeżo ściętym drzewie około 50%, w węglach brunatnych do 55%, a w węglach kamiennych do kilkunastu, z tym że w drobnych frakcjach może dochodzić nawet do dwudziestu paru procent. Wilgoć obniża kaloryczność paliwa.

Zawartość substancji mineralnej
Większa ilość substancji mineralnej mierzonej najczęściej poprzez badanie zawartości popiołu w paliwie obniża kaloryczność i w efekcie wydajność i sprawność cieplną palenisk, a także generuje większą emisję tlenków siarki. Ponadto ilość emitowanych pyłów podczas spalania jest również powiązana z zawartością substancji mineralnej. Niekorzystny skład i zakres temperatur topliwości substancji mineralnej pogarsza warunki pracy palenisk powodując zatykanie rusztów, powstawanie nalepów na ścianach grzewczych palenisk i kotłów, straty niecałkowitego spalenia itd.

Sortyment węgla
W przypadku spalania paliw stałych (w tym węgli), bardzo ważny jest właściwy dobór kotła
w zależności od rozmiaru ziaren paliwa. Prowadzenie efektywnego, stabilnego procesu spalania w kotłach domowych wymaga stosowania paliw stałych o możliwie najwyższych parametrach użytkowych. Jednym z takich wymagań jest wielkość ziaren, niepożądane są frakcje drobne i pyliste. Stąd też dla konsumentów domowych przeznaczone są węgle o większych wymiarach ziaren, czyli tzw. sortymenty grube takie jak groszek, kostka, orzech (wielkość ziaren 5 ÷ 200 mm). Spalanie węgla o małej wielkości ziaren powoduje wiele trudności. Przykładem takiego paliwa jest miał węglowy, którego uziarnienie wynosi 1 ÷ 31,5 mm. Miał węglowy w porównaniu do węgli o większych wymiarach ziaren odznacza się wyższą zawartością popiołu, wilgoci i siarki oraz niższą kalorycznością.

Skutkuje to większym zużyciem paliwa i większą emisją zanieczyszczeń. Niewielki wymiar ziaren miału węglowego powoduje jego przepadanie przez ruszt w palenisku, co skutkuje dużymi stratami paliwa. Może również następować wywiewanie drobnych cząstek z paleniska, co zwiększa emisję pyłów. Dodatkowo mała wielkość ziaren skutkuje niestabilnością procesu spalania i zwiększoną emisją związków organicznych, które mogą ulegać niecałkowitemu spaleniu. Problemy takie nie są obserwowane przy stosowaniu węgla o większych wymiarach ziaren. W najpowszechniej stosowanych w Polsce paleniskach rusztowych powinno się spalać paliwa sortowane (czyli np. groszek lub orzech). Również nowoczesne kotły niskoemisyjne (V klasy) wymagają stosowania paliw o ściśle określonym sortymencie.

Tadeusz Dziok - Wydział Energetyki i Paliw Akademii AGH Górniczo-Hutniczej w Krakowie