Węgiel to z pewnością gorący temat tego roku, a z pewnością również początku przyszłego. W ostatnich miesiącach zamiast apelacji o zaprzestaniu jego wydobycia i spalania, skupiamy się na cenach, dostępności i rodzajach. Wszystko za sprawą kryzysu energetycznego. A skoro szybko węgla się nie pozbędziemy, warto poznać go bliżej. Który rodzaj węgla ma najwyższą kaloryczność? Co emituje najmniej zanieczyszczeń? Jak wybrać paliwo odpowiednie dla kotła? Zestawienie najważniejszych informacji przygotowali eksperci Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie.

Charakterystyka węgla

Z jednej strony wiemy, że decydując się na spalanie paliw stałych emitujemy CO2 i pogarszamy już  słabą jakość powietrza. Jednak z drugiej strony nie możemy dopuścić do wykluczenia energetycznego i skazywać kogokolwiek na mieszkanie w zimnym domu. Dlatego dopóki węgiel jest w grze, warto go lepiej poznać. Tym zajęli się eksperci Akademii Górniczo Hutniczej, którzy nie skupili się na wydobyciu czy dostępności węgla, ale właśnie na jego właściwościach. Opisał je Tadeusz Dziok z Wydziału Energetyki i Paliw Akademii AGH Górniczo-Hutniczej w Krakowie

Węgiel, jak wszystkie paliwa stałe, składa się z trzech podstawowych części, które decydują o jego przydatności do spalania w danym typie kotła: 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 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. 

Węgiel to paliwo przeszłości. W ciągu 6 lat wycofano wiele nowych inwestycji węglowych

Podział węgla

Węgle dzielimy na brunatne i kamienne. Węgle brunatne ze względu na swoje niekorzystne właściwości (bardzo wysoką zawartość wilgoci, popiołu czy siarki oraz niską kaloryczność przy dużej zawartości części lotnych) nie powinny być stosowane przez osoby prywatne, a jedynie przez energetykę zawodową. Z podobnych powodów wykluczone powinny być odpady z przeróbki węgla takie jak muły czy odpady węglowe.

Węgle kamienne różnią się między sobą składem chemicznym (pierwiastkowym) i wynikającymi z tego właściwościami. Polska norma wyróżnia 11 typów węgla (niektóre typy podzielone są jeszcze na podtypy) różniących się między 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 jakości 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 tzw. 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).

Portugalia staje się czwartym krajem w Europie, który całkowicie eliminuje węgiel

Zawartość części lotnych

Kluczowym parametrem do oceny i klasyfikacji paliwa stałego jest zawartość części lotnych. 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 (Q_s) i wartość opałową (Q_i). 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.

• Czytaj także: Portugalia staje się czwartym krajem w Europie, który całkowicie eliminuje węgiel

Spiekalność

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

Zawartość wilgoci

Zawartość wilgoci w 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 oraz 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.

Kocioł na pellet, czy pompa ciepła – co wybrać?

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.

źródło: Akademia Górniczo-Hutnicza w Krakowie

Artykuł stanowi utwór w rozumieniu Ustawy 4 lutego 1994 r. o prawie autorskim i prawach pokrewnych. Wszelkie prawa autorskie przysługują swiatoze.pl. Dalsze rozpowszechnianie utworu możliwe tylko za zgodą redakcji.