Proces horenia dreva

Rýchlosť horenia paliva priamo určuje okamžitý tepelný výkon ohniska. S ním súvisí teplota dosiahnutá v ohnisku , veľkosť komínovej straty a tiež vytváranie podmienok pre dokonalé vyhorenie paliva, zaisťujúce minimálnu produkciu škodlivín.

Charakteristika procesu

Proces horenia kusového dreva v ohnisku má cyklický charakter. Cyklus začína priložením dávky paliva na dohorievajúce zvyšky predchádzajúcej dávky a končí priložením dávky nasledujúcej. Z pohľadu užívateľa patrí, vedľa tepelného výkonu, k najvýznamnejším parametrom procesu dĺžka cyklu, rozhodujúca o početnosti prikladania. Tri kilogramy suchého dreva dokážeme ľahko spáliť na otvorenom ohnisku za štvrť hodiny. Úlohou ohniska krbu a kachlí je zabezpečiť, aby tie isté tri kilogramy dreva horeli najmenej hodinu (čo zodpovedá priemernému tepelnému výkonu cca 10 kW) pri minimálnej produkcii škodlivín a aby sa potom priložená nová dávka paliva spoľahlivo vznietila. Reálny priebeh cyklu je mimo  konštrukcie ohniska ovplyvňovaný kvalitou a množstvom priloženého paliva a vzduchovým režimom. Pre kvalitatívne hodnotenie priebehu spaľovacieho cyklu má rozhodujúci význam priebeh rýchlosti horenia paliva, ktorá priamo určuje okamžitý tepelný výkon spaľovacieho procesu.

Priebeh rýchlosti horenia je ovplyvnený rýchlosťou vyhárania. Je zrejmé, že čím je vyháranie rýchlejší, tým väčšia je rýchlosť horenia (rovnako tak tepelný výkon procesu) a tým kratšia doba trvania jedného cyklu (vzrastie frekvencia prikladania). Konečným dôsledkom je potom cyklicky silne kolísavý tepelný výkon spaľovacieho zariadenia a pri obvyklom konštrukčnom prevedení s približne konštantným množstvom do ohniska dodávaného spaľovacieho vzduchu aj cyklicky premenlivá koncentrácia kyslíka v zóne horenia s opakujúcimi sa stavmi jeho lokálneho nedostatku v časovej oblasti inflexného bodu krivky vyhárania.

V ideálnom prípade je úbytok horľaviny paliva v priebehu cyklu lineárne a zodpovedá mu potom konštantná rýchlosť horenia. V takom prípade je ľahké zabezpečiť konštantný vzduchový režim a minimalizovať tak produkciu spáliteľných škodlivín, tj oxid uhoľnatý a v menšej miere potom nespálené uhľovodíky. V prípade, že v spaľovacom priestore je nedostatočné množstvo spaľovacieho vzduchu (kyslíka), uhlík nemá možnosť zhorieť dokonale na oxid uhličitý, ale zreaguje len na oxid uhoľnatý, prechádza ohniskom a následne sa objavia v spalinách a tvoria ich nežiaduce zložku. Nespálený oxid uhoľnatý v spalinách je značne toxický a tiež zvyšuje stratu chemickým ,,nedopalom,, v spalinách, pretože nezhorí na oxid uhličitý a neodovzdá tak svoju využiteľnú energiu.

To, že sa drevo tak ľahko zapaľuje v porovnaní s inými palivami, napr uhlím, má dôvod práve vo vysokom podiele kyslíka v dreve. Horenie dreva je charakterizované dvoma základnými fázami. V prvej fáze dochádza k sušenie dreva, uvoľnenie prchavej horľaviny a jej následnému vyhorenia (približne 80 až 85 % horľaviny drevnej hmoty je predstavované prchavou horľavinou). Ďalšiou a záverečnou fázou je horenie fixného uhlíka (dohorenie tuhého zvyšku dreva). Cieľom je zabezpečiť, aby všetky uvoľnené horľavé plyny dokonale zhoreli.

Čím viac sa reálny priebeh spaľovacieho cyklu priblíži ideálnemu priebehu,
tým vyrovnanejší bude tepelný výkon, tým menšia bude potrebná frekvencia prikladania
a tým menšia bude aj produkcia škodlivín.

Obr. 1 Rychlost horenia a vzduchový režim

Ako ovplyvňuje priebeh rýchlosti horenia vzduchový režim v ohnisku a produkcii škodlivín naznačuje obr 1. Priebeh rýchlosti horenia paliva v období jedného cyklu, odvodený z krivky vyhárania, predstavuje tiež priebeh okamžitej potreby spaľovacieho vzduchu v ohnisku, pretože rýchlosť horenia a spotreba spaľovacieho vzduchu sú spolu úzko zviazané jednoduchými spaľovacími rovnicami. Zjednodušene povedané, pre spálenie jedného kilogramu dreva je potrebné priviesť do ohniska teoreticky štyri metre kubické vzduchu, tj 4,8 kg spaľovacieho vzduchu. Ohniská pre spaľovanie kusového dreva sú zvyčajne vybavené jednoduchou ručnou reguláciou prívodu vzduchu do ohniska a dodávka vzduchu je preto zvyčajne viac-menej konštantná (prietok sa môže líšiť v závislosti na meniacom sa ťahu v komíne).

Ak bude nastavená tak, aby pri požadovanom prebytku vzduchu zodpovedala priemernej rýchlosti horenia, budú v priebehu cyklu existovať dve oblasti s nadbytkom vzduchu (na začiatku a na konci cyklu) a jedna oblasť s nedostatkom vzduchu v okolí inflexného bodu (IB) krivky vyhárania a teda maximálnej rýchlosti horenia. Táto oblasť je charakterizovaná maximálnou produkciou spáliteľných škodlivín. Nastavením regulácie prívodu spaľovacieho vzduchu do ohniska na vhodne zvolený prebytok vzduchu možno rozsah oblasti s nedostatkom vzduchu minimalizovať, avšak za cenu zvýšenia komínové straty a zníženie účinnosti.

Obr. 2 Vzduchové pomery cyklu

Konkrétnejšie predstavuje popisovaný stav obr. 2, ktorý vychádza z výsledkov jedného vykonávaného testu. Pri menovitom výkone pece boli spaľované 3 kg dreva s obsahom vody 10 %, priemerná hodnota prebytku vzduchu bola 2,5. Tomu zodpovedá priemerná dodávka spaľovacieho vzduchu do ohniska po celú dobu trvania cyklu 0,47 m3/min. Maximálna rýchlosť horenia sa dosiahla približne v desiatej minúte cyklu, jej hodnota bola 0,12 kg / min a zodpovedá jej spotreba vzduchu 1,12 m³/min. Oblast nedostatku vzduchu a oblasť so zvýšenou produkciou spáliteľných škodlivín je vymedzená bodmi 1 a 2, leží medzi šiestou a tridsiatou tretou minútou cyklu. Takmer polhodinová zvýšená produkcia spáliteľných škodlivín (produktov nedokonalého spaľovania) bola kompenzovaná miernym zvýšením účinnosti.

Obr. 3 „Lineárny“ úbytok paliva

Uvedené skutočnosti jednoznačne ukazujú na prednosti cyklu s pozvoľným úbytkom horľaviny a oprávňujú požiadavku čo najviac priblížiť priebeh krivky vyhárania priebehu lineárnemu. Do akej miery je to reálne ukazujú krivky vyhárania na obr 3. Boli získané pri experimente so spaľovaním jednotlivých polien (do vyhriateho ohniska bol vždy priložený jediný kus dreva) o hmotnosti 0,95; 1,6 a 1,9 kg. Nepochybne bude v týchto prípadoch rýchlosť horenia v celom priebehu cyklu vyrovnanejšia a nastavenie vzduchového režimu jednoduchšie. Nie je však ľahké zaistiť trvalo stabilný spaľovací proces s jediným horiacim polenom v ohnisku. O stabilite horenia rozhoduje celková tepelná bilancia a rozhodujúci vplyv tu má množstvo a teplota privádzaného spaľovacieho vzduchu, tepelná kapacita ohniska a vlhkosť spaľovaného dreva. Všeobecne možno povedať, že podstatne lepšie podmienky pre horenie jediného polená v ohnisku ponúka ohnisko s regulovateľným a dostatočne malým prívodom spaľovacieho vzduchu a veľkým objemom žeravého popola na dne.

Užívateľ krbu, alebo kachieľ môže pri bežnej prevádzke ovplyvňovať dva rozhodujúce parametre spaľovacieho procesu: kvalitu paliva a vzduchový režim. Do pojmu "kvalita paliva" je nutné zahrnúť mimo  obvyklého látkového zloženia (s dôrazom na obsah vody) aj veľkosť jednotlivých kusov, určujúce merný reakčný povrch. Ten v prípade heterogénnych reakcií významnou mierou rozhoduje o rýchlosti horenia.

Regulácia spaľovacieho procesu v ohnisku riadením dodávky spaľovacieho vzduchu je prirodzeným a najjednoduchším spôsobom ako ovplyvňovať proces horenia.

U priemyselných roštových kotlov je tak regulovaný tepelný výkon, v prípade krbov a kachlí spaľujúcich kusové drevo je situácia odlišná vďaka nepravidelnej, cyklickej dodávke paliva do ohniska. Podmienky spaľovacieho procesu sa v priebehu cyklu menia a tak jedinou možnosťou, ako ovplyvňovať v priebehu cyklu spaľovací proces, je regulácia dodávky spaľovacieho vzduchu do ohniska. Ako referenčná veličina sa ponúka teplota spalín na výstupe z kachlí, alebo obsah kyslíka v spalinách tamtiež.

Moderný regulačný systém s elektronickou riadiacou jednotkou a snímačom teploty spalín nie je problém inštalovať. Priebehy rýchlosti horenia ukazujú zvýšenie maximálnej rýchlosti horenia pri vyššom prebytku vzduchu zhruba o polovicu a súčasne pomerne významný posun maxima smerom k začiatku cyklu (tzn. rýchlejšie zapálenie paliva). Zníženie prebytku vzduchu prinieslo zvýšenie účinnosti pece z 67 na 78 %, teplota spalín na výstupe klesla z 251 na 184 °C.