Proces hoření dřeva

Rychlost hoření paliva přímo určuje okamžitý tepelný výkon ohniště. S ním souvisí teplota dosažená v ohništi, velikost komínové ztráty a také vytváření podmínek pro dokonalé vyhoření paliva, zajišťující minimální produkci škodlivin.

Charakteristika procesu

Proces hoření kusového dřeva v ohništi má cyklický charakter. Cyklus začíná přiložením dávky paliva na dohořívající zbytky předchozí dávky a končí přiložením dávky následující. Z pohledu uživatele patří, vedle tepelného výkonu, k nejvýznamnějším parametrům procesu délka cyklu, rozhodující o četnosti přikládání. Tři kilogramy suchého dřeva dokážeme snadno spálit na otevřeném ohništi za čtvrt hodiny. Úlohou ohniště krbu a kamen je zajistit, aby tytéž tři kilogramy dřeva hořely nejméně hodinu (což odpovídá průměrnému tepelnému výkonu cca 10 kW) při minimální produkci škodlivin a aby se poté přiložená nová dávka paliva spolehlivě vznítila. Reálný průběh cyklu je vedle konstrukce ohniště ovlivňován kvalitou a množstvím přiloženého paliva a vzduchovým režimem. Pro kvalitativní hodnocení průběhu spalovacího cyklu má rozhodující význam průběh rychlosti hoření paliva, která přímo určuje okamžitý tepelný výkon spalovacího procesu.

Průběh rychlosti hoření je ovlivněn rychlostí vyhořívání. Je zřejmé, že čím je vyhořívání rychlejší, tím větší je rychlost hoření (stejně tak tepelný výkon procesu) a tím kratší doba trvání jednoho cyklu (vzroste četnost přikládání). Konečným důsledkem je pak cyklicky silně kolísavý tepelný výkon spalovacího zařízení a při obvyklém konstrukčním provedení s přibližně konstantním množstvím do ohniště dodávaného spalovacího vzduchu také cyklicky proměnlivá koncentrace kyslíku v zóně hoření s opakujícími se stavy jeho lokálního nedostatku v časové oblasti inflexního bodu křivky vyhořívání.

V ideálním případě je úbytek hořlaviny paliva v průběhu cyklu lineární a odpovídá mu pak konstantní rychlost hoření. V takovém případě je snadné zajistit konstantní vzduchový režim a minimalizovat tak produkci spalitelných škodlivin, tj. oxid uhelnatý a v menší míře pak nespálené uhlovodíky. V případě, že ve spalovacím prostoru je nedostatečné množství spalovacího vzduchu (kyslíku), uhlík nemá možnost shořet dokonale na oxid uhličitý, ale zreaguje pouze na oxid uhelnatý, prochází ohništěm a následně se objeví ve spalinách a tvoří jejich nežádoucí složku. Nespálený oxid uhelnatý ve spalinách je značně toxický a také zvyšuje ztrátu chemickým nedopalem ve spalinách, protože neshoří na oxid uhličitý a nepředá tak svou využitelnou energii.

To, že se dřevo tak snadno zapaluje v porovnání s jinými palivy, např. uhlím, má důvod právě ve vysokém podílu kyslíku ve dřevě. Hoření dřeva je charakterizováno dvěma základními fázemi. V první fázi dochází k sušení dřeva, uvolnění prchavé hořlaviny a jejímu následnému vyhoření (přibližně 80 až 85 % hořlaviny dřevní hmoty je představováno prchavou hořlavinou). Další a závěrečnou fází je hoření fixního uhlíku (dohoření tuhého zbytku dřeva). Cílem je zajistit, aby všechny uvolněné hořlavé plyny dokonale shořely.

Čím více se reálný průběh spalovacího cyklu přiblíží ideálnímu průběhu,
tím vyrovnanější bude tepelný výkon, tím menší bude potřebná četnost přikládání
a tím menší bude také produkce škodlivin.

Obr. 1 Rychlost hoření a vzduchový režim

Jak ovlivňuje průběh rychlosti hoření vzduchový režim v ohništi a produkci škodlivin naznačuje obr. 1. Průběh rychlosti hoření paliva v období jednoho cyklu, odvozený z křivky vyhořívání, představuje rovněž průběh okamžité potřeby spalovacího vzduchu v ohništi, neboť rychlost hoření a spotřeba spalovacího vzduchu jsou spolu úzce svázány jednoduchými spalovacími rovnicemi. Zjednodušeně řečeno, pro spálení jednoho kilogramu dřeva je zapotřebí přivést do ohniště teoreticky čtyři metry krychlové vzduchu, tj. 4,8 kg spalovacího vzduchu. Ohniště pro spalování kusového dřeva jsou obvykle vybavena jednoduchou ruční regulací přívodu vzduchu do ohniště a dodávka vzduchu je proto obvykle víceméně konstantní (průtok se může lišit v závislosti na měnícím se tahu v komíně).

Bude-li nastavena tak, aby při požadovaném přebytku vzduchu odpovídala průměrné rychlosti hoření, budou v průběhu cyklu existovat dvě oblasti s nadbytkem vzduchu (na počátku a na konci cyklu) a jedna oblast s nedostatkem vzduchu v okolí inflexního bodu (IB) křivky vyhořívání a tedy maximální rychlosti hoření. Tato oblast je charakterizována maximální produkcí spalitelných škodlivin. Nastavením regulace přívodu spalovacího vzduchu do ohniště na vhodně zvolený přebytek vzduchu lze rozsah oblasti s nedostatkem vzduchu minimalizovat, ovšem za cenu zvýšení komínové ztráty a snížení účinnosti.

Obr. 2 Vzduchové poměry cyklu

Konkrétněji představuje popisovaný stav obr. 2, který vychází z výsledků jednoho prováděného testu. Při jmenovitém výkonu kamen byly spalovány 3 kg dřeva s obsahem vody 10 %, průměrná hodnota přebytku vzduchu byla 2,5. Tomu odpovídá průměrná dodávka spalovacího vzduchu do ohniště po celou dobu trvání cyklu 0,47 m³/min. Maximální rychlosti hoření bylo dosaženo zhruba v desáté minutě cyklu, její hodnota byla 0,12 kg/min a odpovídá ji spotřeba vzduchu 1,12 m³/min.Oblast nedostatku vzduchu a oblast se zvýšenou produkcí spalitelných škodlivin je vymezena body 1 a 2, leží mezi šestou a třicátou třetí minutou cyklu. Téměř půlhodinová zvýšená produkce spalitelných škodlivin (produktů nedokonalého spalování) byla kompenzována mírným zvýšením účinnosti.

Obr. 3 „Lineární“ úbytek paliva

Uvedené skutečnosti jednoznačně ukazují na přednosti cyklu s pozvolným úbytkem hořlaviny a opravňují požadavek co nejvíce přiblížit průběh křivky vyhořívání průběhu lineárnímu. Do jaké míry je to reálné ukazují křivky vyhořívání na obr. 3. Byly získány při experimentu se spalováním jednotlivých polen (do vyhřátého ohniště byl vždy přiložen jediný kus dřeva) o hmotnosti 0,95; 1,6 a 1,9 kg. Nepochybně bude v těchto případech rychlost hoření v celém průběhu cyklu vyrovnanější a seřízení vzduchového režimu snazší. Není však snadné zajistit trvale stabilní spalovací proces s jediným hořícím polenem v ohništi. O stabilitě hoření rozhoduje celková tepelná bilance a rozhodující vliv zde má množství a teplota přiváděného spalovacího vzduchu, tepelná kapacita ohniště a vlhkost spalovaného dřeva. Obecně lze říct, že podstatně lepší podmínky pro hoření jediného polena v ohništi nabízí ohniště s regulovatelným a dostatečně malým přívodem spalovacího vzduchu a velkým objemem žhavého popela na dně.

Uživatel krbu, nebo kamen může při běžném provozu ovlivňovat dva rozhodující parametry spalovacího procesu: kvalitu paliva a vzduchový režim. Do pojmu „kvalita paliva“ je nutné zahrnout vedle obvyklého látkového složení (s důrazem na obsah vody) také velikost jednotlivých kusů, určující měrný reakční povrch. Ten v případě heterogenních reakcí významnou měrou rozhoduje o rychlosti hoření.

Regulace spalovacího procesu v ohništi řízením dodávky spalovacího vzduchu
je přirozeným a nejjednodušším způsobem jak ovlivňovat proces hoření.

U průmyslových roštových kotlů je tak regulován tepelný výkon, v případě krbů a kamen spalujících kusové dřevo je situace odlišná díky nepravidelné, cyklické dodávce paliva do ohniště. Podmínky spalovacího procesu se v průběhu cyklu mění a tak jedinou možností, jak ovlivňovat v průběhu cyklu spalovací proces, je regulace dodávky spalovacího vzduchu do ohniště. Jako referenční veličina se nabízí teplota spalin na výstupu z kamen, nebo obsah kyslíku ve spalinách tamtéž.

Moderní regulační systém s elektronickou řídící jednotkou a snímačem teploty spalin není problém instalovat. Průběhy rychlosti hoření ukazují zvýšení maximální rychlosti hoření při vyšším přebytku vzduchu zhruba o polovinu a současně poměrně významný posun maxima směrem k počátku cyklu (tzn. rychlejší zapálení paliva). Snížení přebytku vzduchu přineslo zvýšení účinnosti kamen z 67 na 78 %, teplota spalin na výstupu poklesla z 251 na 184 °C.