BADANIE MOŻLIWOŚCI WYKORZYSTANIA KATALIZATORA WE WKŁADACH
KOMINKOWYCH NA PALIWO STAŁE
Zbigniew Kosma
1a, Rafał Kalbarczyk
1b, Bartosz Piechnik
1c1 Instytut Mechaniki Stosowanej i Energetyki, Uniwersytet Technologiczno-Humanistyczny
w Radomiu
azbigniew.kosma@uthrad.pl, br.kalbarczyk@uthrad.pl, cb.piechnik@uthrad.pl
Streszczenie
W pracy przedstawiono wyniki badań dotyczących możliwości zastosowania katalizatora spalin we wkładach kominkowych na paliwo stałe. Badania eksperymentalne polegały na umieszczeniu katalizatora bezpośrednio na wylocie spalin z wkładu kominkowego. Badania przeprowadzono przy kilku różnych nastawach kanałów doprowa- dzających powietrze pierwotne. Wprowadzone modyfikacje w konstrukcji wkładu kominkowego spowodowały wie- lokrotne obniżenie emisji tlenku węgla.
Słowa kluczowe: katalizator, spalanie katalityczne, wkład kominkowy, emisja CO
INVESTIGATION OF THE APPLICABILITY OF A CATALYST IN FIREPLACE INSERTS FOR SOLID FUEL
Summary
The paper presents results of research concerning the applicability of the catalyst in fireplace inserts for solid fuel. Experimental studies consisted in placing the catalyst directly in the exhaust outlet from the fireplace insert.
The tests were performed for various configurations of the channels supplying primary air. The modifications in the design of the fireplace inserts resulted in substantial reduction of carbon monoxide emission.
Keywords: catalyst, catalytic combustion, fireplace insert, CO emission
1. WSTĘP
Zapotrzebowanie na kominki jest ogromne i ciągle rośnie. Tak samo jak coraz bardziej udoskonalane są samochody, które osiągają coraz większą moc przy coraz mniejszej emisji zanieczyszczeń i mniejszym zużyciu paliwa, tak samo wkłady kominkowe, piece akumula- cyjne oraz inne urządzenia grzewcze wymagają coraz to lepszych udoskonaleń dla zwiększenia ich sprawności przy jednoczesnym zmniejszeniu ilości paliwa użytego do wytworzenia ciepła oraz ograniczeniu emisji szkodli- wych gazów, zwłaszcza tlenku węgla.
Tlenek węgla (CO) powstaje w wyniku procesów niecałkowitego spalania w paleniskach [1]. W niedużym stężeniu w powietrzu (Najwyższe Dopuszczalne Stęże-
nie, NDS = 30 mg/m3) CO jest trujący, natomiast efekt dłuższej ekspozycji organizmów żywych na jego małe stężenie nie jest dobrze poznany [2]. Najbardziej wraż- liwy na działanie tlenku węgla jest mózg. Ze względu na ok. 300 razy większe powinowactwo do hemoglobiny niż tlen, zatrucie tym gazem powoduje powstanie karbok- syhemoglobiny (HbCO), czyli dość trwałego połączenia hemoglobiny z tlenkiem węgla, przejawiającego się niezdolnością do przyłączania tlenu, a tym samym uniemożliwiającego transport tlenu z płuc do tkanek, co prowadzi do ich niedotlenienia.
Spodziewanym rezultatem badań jest uzyskanie od- powiedzi, w jakim stopniu można obniżyć zawartość
tlenku węgla powstającego podczas procesu spalania w urządzeniach grzewczych typu kominek dzięki zasto- sowaniu katalizatora spalin.
Poprzez katalizator rozumie się tu urządzenie będą- ce elementem układu wylotowego, stosowane standar- dowo w katalizie, której zadaniem jest obniżenie ilości szkodliwych związków w spalinach.
2. MODYFIKACJA WKŁADU KOMINKOWEGO
Wkład kominkowy, w którym zastosowano kataliza- tor, wykonany jest ze stali kotłowej P265GH o grubości ścianek 4 mm. Spaliny zostały wyprowadzone do góry.
Uchylne drzwiczki frontowe wkładu posiadają prze- szklenie wykonane z szyby żaroodpornej oraz elementy zamykające i uszczelniające. Piec wyposażony jest w przesłonę regulującą dopływ powietrza pierwotnego do komory spalania, natomiast kurtyna powietrzna realizowana jest poprzez rozszczelnienie górnej części drzwiczek. Spaliny powstałe podczas procesu spalania przepływają przez katalizator i przylegają do warstwy aktywnej bloku katalitycznego, gdzie następują reakcje utleniania i redukcji szkodliwych związków (rys. 1).
Rys. 1. Wkład kominkowy z zamontowanym katalizatorem Podstawową zaletą katalitycznego dopalania jest
możliwość uzyskania niskiej temperatury procesu w zakresie 240 ÷ 450 °C [3].
Katalizator (rys. 2) montowany jest na stałe na wy- locie wkładu kominkowego (1) za pomocą obejmy mocującej (5). Cała konstrukcja katalizatora umiesz- czona jest powyżej szybra (4). Blok katalityczny (2) spoczywa na specjalnych mocowaniach (3), które w skuteczny sposób zapobiegają jego przemieszczaniu.
Komin katalizatora, mocowania bloku katalitycznego oraz obejma wykonane są ze stali konstrukcyjnej S235JR.
Rys. 2. Sposób montażu katalizatora na wylocie wkładu kominkowego
Podczas badań prowadzonych w laboratorium za- kładowym firmy Kratki.pl wykorzystano metaliczny katalizator (rys. 3) zbudowany na bazie metalowego bloku katalitycznego, którego ściany kanałów zostały pokryte cienką warstwą aktywną, w której skład wcho- dzą metale szlachetne, takie jak platyna, rad i pallad.
Na 1cm2 bloku katalitycznego przypada 25 kanałów.
Rys. 3. Blok katalityczny wykorzystany do modyfikacji wkładu kominkowego
W przypadku niedrożności bloku katalitycznego ist- nieje możliwość jego wymiany. Czynność tę realizuje się dzięki zainstalowaniu w kominie katalizatora drzwiczek rewizyjnych, montowanych za pomocą śrub (rys. 4).
Drzwiczki dodatkowo uszczelnione są sznurem grafito- wym.
Rys. 4. Sposób wymiany bloku katalitycznego
3. STANOWISKO BADAWCZE I PRZEBIEG BADAŃ
Badania zostały przeprowadzone na stanowisku ba- dawczym znajdującym się w laboratorium firmy Krat- ki.pl. Stanowisko wyposażone jest w stalowy komin o średnicy dobranej do średnicy czopucha. W kanale spalinowym znajduje się przesłona regulująca wielkość ciągu kominowego. W odcinku pomiarowym usytuowa- ne są gniazda do osadzenia sond pomiarowych.
Z dwóch stron wokół badanego wkładu kominkowe- go umieszczone są ściany izolacyjne wykonane wg.
normy PN-EN 13240: 2008 [4] (rys. 5) pokryte czarną matową farbą – do zdalnego pomiaru temperatury za pomocą kamery termowizyjnej lub pirometru.
Jako paliwa do badań użyto drewna opałowego ka- wałkowego o wilgotności 16%, wartości opałowej w stanie roboczym 16094 kJ/kg (grab), długości polan 350 mm w ilości obliczonej zgodnie z zapisami normy PN-EN 13240: 2008.
Spaliny były próbkowane w sposób ciągły. Układ odprowadzania gazów spalinowych do automatycznej stacji analizatora składał się z: sondy pomiarowej i przewodu łączącego, rejestratora temperatury, termo- elementów typu K do pomiaru temperatury spalin i temperatury w laboratorium oraz mikromanometru do pomiaru ciągu kominowego. Przepływ wody przez płaszcz był mierzony za pomocą wodomierza. Przepływ był tak wyregulowany, aby różnica temperatur na króćcach wynosiła nie więcej niż 20OC. Podstawowy skład spalin oznaczony był metodami referencyjnymi za pomocą analizatora Siemens Ultramat23. Układ archi- wizacji danych rejestrował dane w interwale 1 sekundy.
Na stanowisku badawczym przeprowadzano cztery następujące po sobie czynności:
1. Rozpalenie i utworzenie warstwy żaru – 30 min, 2. Badanie wstępne – regulacja nastaw powietrza
nadmuchiwanego i ciągu kominowego przez 60 min,
3. Pierwsze badanie mocy nominalnej – 60 min, 4. Drugie badanie mocy nominalnej – 60 min.
4. WYNIKI BADAŃ
EKSPERYMENTALNYCH
Przedstawione wyniki badań dotyczą zarówno stan- dardowego wkładu kominkowego, jak i wkładu wyposa- żonego w katalizator spalin.
4.1. BADANIE I – WKŁAD KOMINKOWY BEZ KATALIZATORA
Urządzenie grzewcze na tym etapie zostało przeba- dane w konfiguracji jak na rys. 5. Jest to standardowy wkład kominkowy z płaszczem wodnym. Do komory paleniska zostało doprowadzone powietrze pierwotne pod popielnik.
Rys. 5. Standardowy wkład kominkowy bez katalizatora W tabeli 1 przedstawiono warunki w jakich zostały przeprowadzone pomiary. Uzyskano uśrednione wartości temperatury spalin oraz uśrednioną procentową zawar- tość tlenku, dwutlenku węgla i tlenu w powstałych podczas procesu spalania spalinach. Wykres na rys. 6 przedstawia graficzną interpretację zawartości tlenu i tlenku węgla z dwóch badań. Na wykresie można zauważyć kilka różnych faz spalania drewna. W pierw- szej fazie następuje odparowanie znajdującej się w drewnie wody. W komorze spalania pojawia się duża ilość tlenu. Następna faza to odgazowanie części lot- nych. Podczas tej fazy wzrasta poziom tlenku węgla po czym następuje zapłon i wypalanie się powstałego gazu.
Końcowa faza to spalanie pozostałego węgla drzewnego – zawartość tlenku węgla maleje, a tlenu rośnie.
Uzyskane wyniki przeliczono wg procedury oblicze- niowej zawartej w pkt. A6 normy PN-EN13240:2008 i umieszczono w tabeli 2. Średnia sprawność cieplna
wkładu kominkowego wyniosła 82,6% natomiast emisja CO przeliczona na 13% tlenu wyniosła 0,88%.
Tabela 1. Uśrednione wyniki pomiarów przebiegu procesów spalania dla wkładu kominkowego bez katalizatora
Wyszczególnienie Symbol Jednostka Wartość
Paliwo Masa paliwa B kg 7,5
Wartość opałowa(analityczna) Qai kJ/kg 16503
Powietrze
Temperatura otoczenia tot oC 24,9
Wilgotność względna Φ % 79
Ciśnienie barometryczne pb mm Hg 762
Spaliny (wartości uśrednione)
Temperatura tsp oC 174,5
CO2 ZCO2 % 10,51
O2 ZO2 % 10,46
CO ZCO % 1,16
Rys. 6. Przebieg procesów spalania dla wkładu kominkowego bez katalizatora
Tabela 2. Uśrednione wyniki obliczeń przebiegu procesu spalania dla wkładu kominkowego bez katalizatora Wyszczególnienie Symbol Jednostka Wartość
Wielkości cieplne
Średnia moc cieplna całkowita P kW 28,4
Moc cieplna obiegu wodnego Pw kW 14,6
Moc cieplna przekazana do pomieszczenia PSH kW 13,8
Średni strumień masy paliwa B kg/h 7,5
Średni strumień masy spalin M g/s 21,2
Względna strata kominowa qa % 10,5
Względna strata niezupełnego spalania qb % 6,9
Średnia sprawność cieplna Η % 82,6
Emisja CO (przeliczone na 13% O2) ECO g/mn3 11,16
CO (przeliczone na 13% O2) ECO% % 0,88
Uwaga: Obliczenia zostały wykonane zgodnie z procedurą obliczeń zawartą w pkt. A6 normy PN-EN13240:2008
4.2. BADANIE II – WKŁADKOMINKOWY Z KATALIZATOREM
W tabelach 3 i 4 oraz na rys. 7 zostały zaprezento- wane wyniki uzyskane podczas badania zmodyfikowa- nego wkładu kominkowego wyposażonego w katalizator spalin (rys.1). Pomiary przeprowadzono w niemal
identycznych warunkach jak w przypadku badań stan- dardowego wkładu kominkowego. Zastosowanie katali- zatora spowodowało znaczne obniżenie emisji tlenku węgla do 0,16% Średnia sprawność cieplna wyniosła 81,8%.
Tabela 3. Uśrednione wyniki pomiarów przebiegu procesów spalania dla wkładu kominkowego z katalizatorem Wyszczególnienie Symbol Jednostka Wartość
Paliwo Masa paliwa B kg 7,55
Wartość opałowa(analityczna) Qai kJ/kg 16503
Powietrze
Temperatura otoczenia tot oC 26,7
Wilgotność względna φ % 75
Ciśnienie barometryczne pb mm Hg 762
Spaliny (wartości uśrednione)
Temperatura tsp oC 237,1
CO2 ZCO2 % 9,6
O2 ZO2 % 11,7
CO ZCO % 0,19
Rys. 7. Przebieg procesów spalania dla wkładu kominkowego z katalizatorem
Tabela 4. Uśrednione wyniki obliczeń przebiegu procesów spalania dla wkładu kominkowego z katalizatorem Wyszczególnienie Symbol Jednostka Wartość
Wielkości cieplne
Średnia moc cieplna całkowita P kW 28,1
Moc cieplna obiegu wodnego Pw kW 13,6
Moc cieplna przekazana do pomieszczenia PSH kW 14,5
Średni strumień masy paliwa B kg/h 7,55
Średni strumień masy spalin m g/s 25,75
Względna strata kominowa qa % 17,5
Względna strata niezupełnego spalania qb % 1,33
Średnia sprawność cieplna η % 81,1
Emisja CO (przeliczone na 13% O2) ECO g/mn3 1,94
CO (przeliczone na 13% O2) ECO% % 0,16
5. PODSUMOWANIE
Procesy spalania są największym źródłem zanie- czyszczeń powietrza. Takie powszechnie znane terminy, jak efekt cieplarniany, kwaśne deszcze i dziura ozonowa odnoszą się do negatywnych, ubocznych efektów spala- nia paliw. To wielkie wyzwanie dla technologii spalania, żeby, odpowiadając zapotrzebowaniu na potrzeby rynku, zmniejszyć negatywne oddziaływanie na środo- wisko naturalne.
W artykule przedstawiono wyniki badań kominka, w którym bezpośrednio na wylocie wkładu kominkowe- go umieszczono katalizator spalin. Spowodowało to ponad pięciokrotne zmniejszenie emisji tlenku węgla przy jednoczesnym zachowaniu wysokiej sprawności procesu spalania. W przypadku badania wkładu z katalizatorem należało sztucznie podwyższyć ciąg kominowy, aby był zgodny z wymogami określonymi w normie PN-EN 13240.
Przebiegi emisji CO z katalizatorem dla pierwszego i drugiego palenia (Rys. 7) różnią się, ponieważ badania były prowadzone przy różnych nastawach kanałów doprowadzających powietrze pierwotne. Strata komino- wa wyliczona na podstawie pomiarów z wykorzystaniem katalizatora jest wyższa, ponieważ kominek podczas badania wstępnego został wygrzany w większym stop- niu niż podczas badania standardowego wkładu bez katalizatora.
Generalnie przy wykonywaniu badań eksperymen- talnych kominka nie ma możliwości przeprowadzenia dwóch identycznych paleń.
Badane urządzenie grzewcze spełnia restrykcyjne normy: BimSchV 1, BimSchV 2, PN–EN 13240 (Tabe- la 5).
W dalszej części prac związanych z wykorzystaniem katalizatora spalin we wkładach kominkowych przepro- wadzone zostaną testy, w których jako paliwo użyty zostanie brykiet drzewny.
Tabela 5. Dopuszczalne wartości emisji i mocy cieplnej wg normy PN-EN 13240 Zasadnicze cechy Postanowienia normy
PN-EN 13240:2008 Uwagi Badane urządzenie
Emisja produktów spalania
4.2.1; 4.2.2; 4.2.3;
4.2.4; 4.2.5; 4.2.6;
4.2.7; 4.2.8; 4.2.9;
4.2.10; 4.2.11; 5.1;
5.2.6; 6
dopuszczalna wartość graniczna
CO< 1,0 %
Spełnia
Moc cieplna / efektyw-
ność energetyczna 6.3;6.4 do 6.8
dopuszczalna wartość graniczna
≥ 50 %
Spełnia
Artykuł powstał w ramach Programu Operacyjnego Innowacyjna Gospodarka, Działanie 1.4, Wsparcie projektów celowych – Prace badawczo – rozwojowe w firmie Kratki.pl celem zdobycia przewagi konkurencyjnej.
Literatura
1. Recknagel H., Sprenger E., Schramek E. R.: Kompendium wiedzy: ogrzewnictwo, klimatyzacja, ciepła woda, chłodnictwo. Wrocław: Omni Scala, 2008.
2. Zakrzewski S. F.: Podstawy toksykologii środowiska. Warszawa: PWN, 1995.
3. Kordylewski W.: Spalanie i paliwa. Wrocław: Wyd. Pol. Wrocł., 2005.
4. PN-EN 13240: 2008 Ogrzewacze pomieszczeń na paliwa stałe. Wymagania i badania.
