Opracował Grzegorz Czerski Ocena jakości spalania w urządzeniach gazowych oraz emisji składników szkodliwych 1. Jakość spalania i bezpieczeństwo użytkowników urządzeń gazowych Podczas użytkowania urządzeń gazowych obok czynników ekonomicznych (zużycia gazu) zwraca się też uwagę na ochronę środowiska naturalnego. Przyjmuje się zasadę, że mniejsze zużycie energii poprzez lepsze jej wykorzystanie prowadzi również do mniejszej emisji spalin a wiec i zawartych w nich substancji szkodliwych. Kolejnym ważnym aspektem jest fakt, iż pomimo coraz szerszego stosowania nowoczesnych rozwiązań w urządzeniach gazowych nadal w mieszkaniach w nie wyposażonych dochodzi do dużej liczby wypadków zatruć produktami spalania, w tym niestety także śmiertelnych. Największym zagrożeniem dla użytkowników urządzeń gazowych w pomieszczeniach mieszkalnych jest możliwość zatrucia tlenkiem węgla. Niedocenionym ciągle problemem jest też spadek koncentracji tlenu w pomieszczeniach z urządzeniami gazowymi. O ile poprawił się stan bezpieczeństwa jak chodzi o zagrożenie wybuchem gazu, to wypadki związane z oddziaływaniem tlenku węgla oraz spadkiem zawartości tlenu w atmosferze pomieszczeń nadal występują bardzo często. Ze względu na ich ilość (kilkaset rocznie), zatrucia CO kończące się zgonem zaliczyć można do jednej z głównych przyczyn śmiertelnych wypadków w naszym kraju a problem ten uznać jako zjawisko o charakterze społecznym. Szczególnie niebezpieczne są gazowe przepływowe ogrzewacze wody z otwartą komorą spalania usytuowane zazwyczaj w pomieszczeniach (najczęściej łazienkach) o małej kubaturze i często niedostatecznym napływie powietrza. Największa ilość wypadków ma miejsce w wielokondygnacyjnych budynkach mieszkalnych, ze względu na małe kubatury pomieszczeń a także niewystarczającą wentylację. W ostatnich latach niebezpieczeństwo zatruć CO narasta w związku z prowadzonymi działaniami termomodernizacyjnymi obejmującymi m. in. nadmierne uszczelnianie okien, co powoduje niewystarczający napływ powietrza potrzebnego do spalania gazu. Tlenek węgla powstaje w urządzeniach gazowych podczas niezupełnego spalania. W trakcie wdychania jest on wchłaniany przez płuca do krwiobiegu, gdzie wiąże się trwale z hemoglobiną tworząc tzw. karboksyhemoglobinę (COHb). Efektem tego jest niedotlenienie mózgu, co przy dużym stężeniu CO w powietrzu lub jego długotrwałym wchłanianiu prowadzi do utraty świadomości, a nawet zgonu. Bezbarwny, bezwonny tlenek węgla wiąże się 40 razy łatwiej z krwią niż tlen. Dopuszczalne stężenie tlenku węgla w pomieszczeniach mieszkalnych wynosi 10 mg/m dla czasu ekspozycji 0 minut i mg/m dla 4 h ekspozycji, czyli odpowiednio 0,008 % vol. i 0,007 % vol. Źródła nie podają wartości stężenia śmiertelnego, natomiast można przyjąć wartości przekraczające 0,05 % za bardzo niebezpieczne. Spadek koncentracji tlenu powodowany jest zużywaniem go w procesie spalania przy niedostatecznym dopływie powietrza do pomieszczenia, jak też ewentualnym napływem spalin do pomieszczenia. Dopuszczalne minimalne stężenie tlenu w pomieszczeniu mieszkalnym wynosi 19,5 %, natomiast jako tzw. stężenie śmiertelne przyjmuje się poziom 1 %. Do określenia jakości powietrza często wykorzystuje się stężenie CO a jako dopuszczalny poziom przyjmuje się 0 ppm (0,1 % vol.). Należy podkreślić, iż zarówno w przypadku oddziaływania CO jak i niedoboru tlenu
najbardziej narażone są osoby starsze, chorzy lub dzieci, co oznacza, że w ich przypadku już przy niższych stężeniach CO i wyższych tlenu dochodzi do utraty przytomności i śmierci. Wpływ zawartości tlenku węgla na organizm człowieka przedstawiono w tablicy 1. Przy nagłym narażeniu na działanie wysokich stężeń jedynie osłabienie i zawroty głowy mogą poprzedzać mdlenie i zapaść. Tablica 1. Wpływ zawartości tlenku węgla na organizm człowieka [1]. Zawartość CO w powietrzu w % obj. Czas wchłaniania Objawy zatrucia 0,0 godziny lekki ból głowy 0,04 0,08 0,1 0, 0,4 1 godziny czołowy ból głowy,5,5 godziny rozległy ból głowy 45 minut zawroty głowy, nudności i konwulsje godziny utrata przytomności 0 minut bóle i zawroty głowy, mdłości godziny śmierć 5 10 minut bóle i zawroty głowy, mdłości 0 minut śmierć 1 minuty bóle i zawroty głowy 10 15 minut śmierć 1,8 1 minuty śmierć Skutecznym sposobem eliminacji wypadków zatruć CO, przy jednoczesnym nie rezygnowaniu z użytkowania gazu, jest stosowanie urządzeń gazowych z zamkniętą komorą spalania. Tego typu urządzenia całkowicie eliminują możliwość pojawienia się w pomieszczeniu produktów spalania mogących zawierać toksyczny tlenek węgla. Dodatkowym atutem tego rozwiązania jest ich wyższa efektywność energetyczna. Urządzenia takie umożliwiają ograniczenie ilości emitowanych spalin.. Urządzenia gazowe z zamkniętą komorą spalania Urządzenia gazowe podzielone są na typy w zależności od sposobu doprowadzania powietrza i odprowadzania spalin: typ A powietrze jest pobierane a spaliny odprowadzane do pomieszczenia, w którym się znajduje urządzenie gazowe, typ B powietrze pobierane jest z pomieszczenia a spaliny odprowadzane na zewnątrz, typ C powietrze do spalania pobierane jest z zewnątrz pomieszczenia a spaliny również odprowadzone są na zewnątrz. Ponieważ urządzenia gazowe z otwartą komorą spalania (typ A i B) mogą wywierać istotny, niekorzystny wpływ na skład atmosfery gazowej pomieszczeń, w których się znajdują, w krajach
Europy Zachodniej od wielu lat stosowane są urządzenia z zamkniętą komorą spalania wyposażone w nowoczesne systemy kominowe. Charakteryzują się one nowoczesnymi rozwiązaniami konstrukcyjnymi, wysoką efektywnością energetyczną oraz bezpieczeństwem i komfortem użytkowania. Stosowanie takich urządzenia eliminuje ryzyko przedostania się produktów spalania (mogących zawierać toksyczny tlenek węgla) do pomieszczenia mieszkalnego. Ponieważ powietrze do spalania dostarczane jest spoza mieszkania, istotnie ogranicza to ryzyko spadku koncentracji tlenu w pomieszczeniu a jednocześnie obniża wymaganą ilość powietrza wentylacyjnego i związane z tym straty ciepła. Przyczynia się też to do poprawy warunków zdrowotnych mieszkańców, w tym także eliminacji czynników alergotwórczych związanych z ograniczeniem emisji pary wodnej występującej w spalinach tradycyjnych urządzeń gazowych. Urządzenia tego typu charakteryzują się ponadto wysoką efektywnością energetyczną wynikającą ze: wstępnego podgrzewania powietrza w przewodzie powietrzno-spalinowym, wysokiej sprawności wymienników ciepła oraz dostosowania ilości pobieranej wody do potrzeb użytkownika. Urządzenia te mogą bezpiecznie pracować nawet w nadmiernie uszczelnionych mieszkaniach (a z takimi przy stosowanej obecnie stolarce okiennej i drzwiowej mamy coraz częściej do czynienia), a także przy słabym ciągu kominowym wytwarzanym przez kanał spalinowy (dzięki zastosowaniu w nich wentylatora) lub przy braku komina (możliwość odprowadzania spalin przez ścianę boczną). Urządzenia gazowe z zamkniętą komorą spalania wymagają stosowania nowoczesnych systemów kominowych (przewody powietrzno-spalinowe). Ze względu na sposób doprowadzania powietrza do spalania i odprowadzania spalin na zewnątrz, urządzenia z zamkniętą komorą spalania podzielić można na dwa główne rodzaje (rys. 1): - urządzenia w których doprowadzenie powietrza i odprowadzenie spalin odbywa się koncentrycznym przewodem (I), - urządzenia, w których doprowadzenie powietrza i odprowadzanie spalin odbywa się dwoma niezależnymi przewodami (II). Rys. 1. Sposoby doprowadzania powietrza do spalania i odprowadzania spalin do urządzeń z zamkniętą komorą spalania: I system koncentryczny; II system rozdzielny. Wśród urządzeń z zamkniętą komorą spalania wyróżnia się konstrukcje, w których odprowadzanie spalin i pobieranie powietrza odbywa się grawitacyjnie (zwykle są to urządzenia o małej mocy), ale najczęściej wymuszone jest przez wentylator (tzw. urządzenia turbo ). Urządzenia z
wentylatorem wymagają energii elektrycznej do zasilania, co wiąże się również z dodatkowymi kosztami eksploatacji. W urządzeniach wyposażonych w wentylator pobór powietrza odbywa się poprzez króciec ssawny wentylatora, a odprowadzanie spalin poprzez króciec tłoczny (rys. ). W układzie spalinowym występuje więc nadciśnienie, co wymaga zapewnienia odpowiedniej szczelności przewodu spalinowego. W pomieszczeniach mieszkalnych urządzenia gazowe z zamkniętą komorą spalania stosuje się do wytwarzania c.w.u. oraz dla potrzeb ogrzewania. Coraz częściej stosowane są kotły gazowe dwufunkcyjne, które równocześnie wykorzystywane są w systemach centralnego ogrzewania oraz do wytwarzania ciepłej wody użytkowej. Do urządzeń gazowych z zamkniętą komorą spalania należą również kotły kondensacyjne, w których dzięki odpowiedniej konstrukcji wymiennika ciepła oraz dostatecznie niskiej temperaturze wody powracającej z układu grzewczego uzyskuje się prawie całkowite wykroplenie pary wodnej ze spalin. Dzięki temu sprawność kotła odniesiona do wartości opałowej przekracza %. Rys.. Schemat konstrukcyjny urządzenia gazowego z zamkniętą komorą spalania: 1 przewód powietrzno-spalinowy; wentylator; wymiennik ciepła, 4 palnik, 5 układ sterowania, reduktor gazu. Jak już wspomniano urządzenia gazowe z zamkniętą komorą spalania wymagają stosowania nowoczesnych systemów kominowych zwanych też przewodami powietrzno-spalinowymi. Systemy powietrzno-spalinowe mogą być stosowane zarówno w budynkach jednorodzinnych jak i
wielokondygnacyjnych. W przypadku domów jednorodzinnych najczęściej stosuje się pojedynczy przewód powietrzno-spalinowy, natomiast w wielokondygnacyjnych budynkach mieszkalnych zazwyczaj podłącza się kilku urządzeń gazowych do zbiorczego sytemu kominowego (rys. ). Oprócz tradycyjnego odprowadzania spalin przez komin może się ono również odbywać bezpośrednio przez ścianę budynku, z tym że przepisy w Polsce ograniczają maksymalną moc urządzeń do 1 kw dla domów jednorodzinnych wolnostojących oraz do 5 kw dla pozostałych budynków. Rys.. Zbiorczy system powietrzno-spalinowy. W systemach powietrzno-spalinowych wykorzystuje się dwa podstawowe rozwiązania: układy koncentryczne lub rozdzielne, z tym że najczęściej wykorzystywane są układy koncentryczne (rys. 4). Rys. 4. Koncentryczny przewód powietrzno-spalinowy. System koncentryczny jest najbardziej efektywnym energetycznie układem odprowadzania spalin z urządzeń z zamkniętą komorą spalania. W takim przypadku system powietrzno-spalinowy pełni rolę przeponowego wymiennika ciepła (rys. 5), w którym płynące do urządzenia powietrze w przeciwprądzie do spalin odbiera od nich ciepło. Stosowanie koncentrycznych przewodów poprawia
sprawność urządzeń gazowych od do 5 %. Dodatkową zaletą koncentrycznych przewodów powietrzno-spalinowych jest skuteczne izolowanie przewodu spalinowego, co praktycznie eliminuje ryzyko przedostawania się spalin do pomieszczeń mieszkalnych. Rys. 5. Schemat działania koncentrycznego systemu spalinowego.. Emisja składników szkodliwych podczas spalania gazu Procesy spalania paliwa, w tym gazu ziemnego są najważniejszym źródłem zanieczyszczeń emitowanych do atmosfery. Wszystkie składniki spalin za wyjątkiem pary wodnej, tlenu i azotu są uważane z zanieczyszczenia. Główne zanieczyszczenia znajdujące się w spalinach to: dwutlenek węgla, tlenki siarki i azotu, a w przypadku spalania paliw stałych również pyły. Ponadto dochodzi do emisji substancji śladowych takich jak: substancje organiczne (TOC), wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne (WWA), lotne związki organiczne (LZO), dioksyny i furany (PCDDs i PCDFs), fenol i jego homologii, niemetale i metale ciężkie (ołów, rtęć). W przypadku gazu ziemnego mamy do czynienia głównie z emisją CO, NO x, SO z tym że w porównaniu z innymi paliwami gaz ziemny wypada bardzo korzystnie (rys ). Stosunkowo mała emisja CO wynika ze składu gazu ziemnego (korzystny udział wodoru w stosunku do węgla) oraz jego wysokiej kaloryczności, z kolei bardzo niska emisja tlenków siarki wynika z faktu, że gaz po wydobyciu jest odsiarczany. Antropogenna emisja CO uważna jest za głównego sprawcę efektu cieplarnianego, z kolei tlenki siarki i azotu odpowiedzialne są za powstawania kwaśnych deszczy. Ponadto tlenki siarki sprzyjają powstawaniu tzw. smogu londyńskiego a tlenki azotu smogu fotochemicznego, oba te związki oddziałują również niekorzystnie na organizmy żywe
Rys.. Porównanie emisji zanieczyszczeń powstających podczas spalania różnych paliw. 4. Wpływ współczynnika nadmiaru powietrza na prace urządzeń gazowych Podczas spalania paliw gazowych bardzo ważną rolę odgrywa współczynnika nadmiaru powietrza, co obrazuje rys. 7. Rys. 7. Wpływ współczynnika nadmiaru powietrza na jakość spalania oraz efektywność energetyczną urządzeń gazowych []. Wzrost jego wartości powoduje obniżenie temperatury spalania, co skutkuje niekorzystnym obniżeniem sprawności i pożądanym zmniejszeniem emisji tlenków azotu. W przypadku ilości powstającego podczas spalania tlenku węgla, zarówno zbyt wysoka wartość jak i niska jest
niekorzystna. Dla zbyt małych wartości współczynnika nadmiaru powietrza mamy do czynienia z niezupełnym spalaniem, z kolei jego duże wartości skutkują wychłodzeniem płomienia i wzrostem zawartości tlenku węgla w splinach. Istnieje więc pewien optymalny przedział wartości współczynnika nadmiaru powietrza, który dla najczęściej spotykanych w urządzeniach gazowych palników inżekcyjnych powinien wynosić 1,4 1,8. 5. Pomiar jakości spalania i wyznaczanie emisji składników szkodliwych Badania dotyczące jakości spalania polegają na pomiarze zawartości tlenku węgla w suchych spalinach. W przypadku emisji składników szkodliwych wyznacza się emisję tlenków azotu i siarki oraz dwutlenku węgla w odniesieniu do jednostki paliwa oraz pozyskiwanej energii. Do oceny jakości spalania oraz emisji wykorzystuje się analizator spalin. Podczas badania spaliny pobiera za pomocą sondy analizatora, którą umieszcza się w odpowiedniej odległości od wylotu rury spalinowej. Podczas pomiarów do urządzenia dostarcza się gaz sieciowy a następnie ustawia odpowiednie obciążenie cieplne palnika. Po ustabilizowaniu się pracy urządzenia mierzy się zawartość CO, CO, O, NO x i SO w spalinach przy pomocy analizatora spalin. Końcowe rezultaty są wynikami uśrednionymi z kilku pomiarów. Uzyskane wyniki przelicza się na spaliny suche i nierozcieńczone powietrzem. 5.1. Jakość spalania Dla oceny jakości spalania w urządzeniach gazowych najważniejsze jest stężenie CO w spalinach, które nie może przekraczać 0 ppm w suchych, nierozcieńczonych powietrzem spalinach. Stężenie CO oblicza się ze wzoru: CO ( CO ) N ( CO) M [% obj.] (1) ( CO ) M gdzie: (CO) M i (CO ) M zmierzone stężenia w spalinach podczas badania jakości spalania [% obj.]. (CO ) N maksymalne stężenie dwutlenku węgla w suchych nierozcieńczonych powietrzem spalinach [% obj.], wyznaczane na podstawie zależności: CO ( CO ) N [% obj.] () tn tn CO tn N gdzie: CO tn, N tn teoretyczna objętość CO, N w nierozcieńczonych spalinach powstających ze spalenia 1 m gazu ziemnego [jednostka jak poniżej]: tn CO tn N n i 1 B [ i x ] [ CO ] [ N] 0,79 Lt m CO m gazu m N m gazu gdzie: [CO ] zawartość dwutlenku węgla w gazie [% obj.] [N ] zawartość azotu w gazie [% obj.] [x i ] zawartość procentowa i-tego składnika palnego w gazie [%] B współczynnik stechiometryczny określający powstającą ilość moli CO dla poszczególnych składników gazu [-] () (4)
B CH 4 C H C H 8 C 4 H 10 Wartość 1 4 Zapotrzebowanie na tlen i powietrze do spalania można obliczyć na podstawie wzorów: O t n i 1 A L t O t 1 L rz L t [ i x ] [ O ] m O m gazu m powietrza m gazu m powietrza m gazu gdzie: O t teoretyczna ilość tlenu do spalenia 1 m gazu ziemnego [jednostka jak poniżej] L t teoretyczna ilość powietrza do spalenia 1 m gazu ziemnego [jednostka jak poniżej] L rz rzeczywiste ilość powietrza do spalania 1 m gazu ziemnego [jednostka jak powyżej], [O ] zawartość tlenu w gazie [% obj.] zmierzony współczynnik nadmiaru powietrza [-] A współczynnik stechiometryczny dla poszczególnych składników palnych gazu [-] A CH 4 C H C H 8 C 4 H 10 wartość,5 5,5 (5) () (7) Podczas wszystkich badań wykonuje się dodatkowo pomiary współczynnika nadmiaru powietrza nazywanego również liczbą powietrza, którego wartość wyznacza się na podstawie wzoru: 1 [-] (8) 1 O s gdzie: O s zawartość tlenu w suchych nierozcieńczonych spalinach [% obj.]. 5.. Emisja składników szkodliwych W przypadku urządzeń gazowych wyznaczamy emisję CO, CO, NO x i SO. Emisja CO Objętość powstającego CO przy spaleniu 1 m gazu ziemnego wyznacza się następującej zależności: ( CO ) M ss CO m CO (9) m gazu gdzie: (CO ) M zmierzone stężenie CO w suchych spalinach [% vol.], ss objętość spalin suchych powstających podczas spalania 1m gazu ziemnego, którą wyznacza się na podstawia następujących wzorów: t t t ss CO N O t tn CO CO m spalin m gazu m CO m gazu (10) (11)
t N [ N] 0,79 Lrz Lt m N m gazu t O 0,1 1 m O (1) m gazu gdzie: t CO, t N t O teoretyczna objętość CO, N oraz O w spalinach powstających ze spalenia 1 m gazu ziemnego [jednostka jak wyżej]. Masę emitowanego CO w odniesieniu do masy paliwa można obliczyć przy pomocy wzoru: (1) m CO gdzie: CO gęstość CO [kg/m ] g gęstość gazu [kg/m ] CO CO g kg CO (14) kg gazu Emisję w odniesieniu do uzyskiwanej energii oblicza się na postawie wzoru: E gdzie: H i wartość opałowa paliwa [KJ/m ] m CO g CO 10 Hi sprawność urządzenia gazowego [-] kg CO (15) GJ Emisja CO, NO x oraz SO Objętość powstającego CO, NO x oraz SO wyznacza się następujących zależności: ( CO) M ss m CO CO (1) 10 m gazu ( NOx ) M ss NOx m NO x 10 (17) m gazu ( SO ) M ss SO m SO 10 (18) m gazu gdzie: (CO) M (NO x ) M (SO ) M zmierzona zawartość CO, NO x oraz SO w suchych spalinach [ppm]. Masę emitowanych CO, NO x oraz SO w odniesieniu do masy paliwa można obliczyć przy pomocy wzorów: CO CO mco 0 g CO (19) g kg gazu m m NOx SO 0 0 NOx SO g g NOx SO g NO x (0) kg gazu g SO (1) kg gazu
a emisję w odniesieniu do uzyskiwanej energii oblicza się na postawie wzorów: E E E CO NOx SO mco g 10 Hi mnox g 10 Hi mso g 10 H i g CO GJ () g NOx () GJ g SO (4) GJ Literatura 1. Instalacje gazowe na paliwa gazowe, Cobo-Profil, Warszawa 00. Zajda R., Tymiński B. Instalacje i urządzenia gazowe. Projektowanie, wykonywanie, odbiór i eksploatacja, Centrum Szkolenia Gazownictwa, Warszawa, 1999