O ogniu

Zróbmy doświadczenie. Połóżmy na warstwie żaru dwa grube, okrągłe kawałki drewna układając je sztorcem do frontu, tak by widzieć przekrój. Po pewnym czasie pojawi się żar od spodu, ale również w szczelinie pomiędzy szczapami.

Teraz trochę teorii. Proces spalania drewna można podzielić na dwa etapy o różnych wymaganiach. Pierwszy etap to piroliza, czyli zgazowanie drewna. W tym etapie ważna jest temperatura, tlen może być w niedomiarze, potrzeba go tylko tyle by wytworzyć potrzebną temperaturę – im większa, tym lepiej. Drugi etap to spalanie gazów. Tu kluczem jest wystarczająca ilość tlenu.

Widocznym znakiem pirolizy jest żar, tam ubywa masy drewna gdzie jest żar. Płomienie omywające szczapy nie wytwarzają żaru. Górna powierzchnia naszych szczap, nawet po dłuższym czasie, pozostaje nietknięta. Natomiast żarzy się dolna powierzchnia i bok w szparze między nimi. Dlaczego?

Jeśli ciało ma temperaturę rzędu 1000oC to przekazuje energię do zimnego otoczenia głównie na drodze promieniowania, rola konwekcji i przewodzenia staje się minimalna. W szparze od dołu straty energii przez promieniowanie w cząstce żaru są rekompensowane przez promieniowanie żaru dolnego. Podsumowując - dwie gorące powierzchnie zbliżone do siebie nie tracą energii na drodze promieniowania, bo nawzajem się ogrzewają. To zjawisko można nazwać „efektem szczelinowym". Zachodzi ono również w szparze pionowej między kawałkami drewna. Generalnie bliskość innego żarzącego się kawałka poprawia bilans energetyczny. Dlatego w wygasającym ognisku, aby lepiej się paliło zgarniamy ku sobie żarzące się kawałki drewna.

Jeżeli obrócimy naszą tlącą się od dołu szczapę o 180 stopni (do góry dolnym żarem) po chwili żar od góry i z boku skierowanego na zewnątrz gaśnie, co znaczy, że radykalnie pogorszył się bilans energetyczny tej powierzchni, choć otoczona jest przez unoszące się płomienie, ale to źródło ciepła nie rekompensuje strat na drodze własnego promieniowania. W miejsce starego żaru pojawia się nowy od spodu i w szczelinie.

Rysunek 1 Po obróceniu szczapy żar skierowany do góry i na zewnątrz gaśnie

Jak wykorzystać w praktyce powyższą teorię? Najlepiej użyć do tego brykiety. Mają kształt zbliżony do cegieł więc zbudujmy z nich dwa pionowe murki rozdzielone szczeliną. Doprowadźmy nawiew powietrza tylko do tej szczeliny. Uzyskamy coś na kształt palnika: dynamicznie nawiewane powietrze łatwo rozżarza obie powierzchnie szpary, tam w wysokiej temperaturze następuje intensywna piroliza, a powstałe gazy spalają się w buchających ze szczeliny do góry płomieniach.

Istotna jest duża dynamika tych procesów, szybki przepływ gazów ułatwia dostęp tlenu do odpowiednio rozgrzanych cząstek drewna. To zjawisko można zaobserwować dmuchając w żar ogniska, na tej zasadzie działały też miechy kowalskie.

Wszystkie gatunki drewna mają bardzo podobny skład chemiczny: zawartość węgla waha się od 49% do 51% suchej masy. Oznacza to, że potencjał energetyczny drewna nie zależy od gatunku. Energia pochodzi z utleniania węgla, którego jest tyle samo. Obserwowane w praktyce różnice w „wartości opałowej" pochodzą z innych niż chemia obszarów. Najważniejszym parametrem w praktyce jest budowa fizyczna (gęstość) i wilgotność drewna. Tu poszczególne gatunki różnią się istotnie, np. wysuszenie szczap dębu do 20% wilgotności, wymaga czasu 3 razy dłuższego, niż podobnych wymiarowo szczap topoli (dla grubych dębowych szczap to ok. 3 lata). Drewno suszone na powietrzu, pod dachem, nigdy nie osiągnie niższej wilgotności niż 20%.

Woda w palonym drewnie ma podwójnie niekorzystny wpływ. Po pierwsze część energii z utleniania węgla musi być użyta do odparowania wody, która ma bardzo duże ciepło parowania. Po drugie istotnie obniża to temperaturę spalania (pirolizy), w efekcie część cząstek nie zostaje zgazowana i spalona. Skutkiem jest dym, smog i mniejsza sprawność.

W tym kontekście widoczne są zalety brykietów – ich wilgotność wynosi poniżej 10%, czyli poziom nieosiągalny dla drewna suszonego na powietrzu. Według naszych pomiarów brykiety, niezależnie od sposobu palenia, dają tańszą energię, niż uzyskana z drewna opałowego. W przeliczeniu na wagę brykiety są droższe od drewna o kilkanaście procent, ale pozwalają uzyskać energię większą o kilkadziesiąt procent (30% do 60% w zależności od sposobu palenia). Konsekwencją jest też znacznie mniej spalin, co znaczy, że są one ważnym sposobem na walkę ze smogiem. Zaletą jest też łatwość magazynowania, brykiety są pakowane w prostokątne paczki zabezpieczone folią lub kartonem przez co bardzo zwolniony jest proces ciągnięcia wilgoci z powietrza. Jako czyste mogą być magazynowane w garażu czy nawet w domu, wymagają znacznie mniej miejsca i magazynowanie jest znacznie łatwiejsze. Po brykietach pozostaje wielokrotnie mniej popiołu niż po paleniu drewnem.

Nasze badania prowadzone były w kominku z płaszczem wodnym o pojemności ok. 400 litrów. Jest to palenisko umieszczone wewnątrz stalowego zbiornika z wodą. Od frontu palenisko ma drzwiczki z szybą, od spodu ruszt i popielnik, przez który nawiewane jest powietrze. Całość, dobrze zaizolowana, jest podłączona do klasycznego komina. Na zbiorniku zamontowane są 3 termometry na różnych poziomach. Za miarę uzyskanej energii przyjęliśmy wzrost średniej temperatury w zbiorniku. Pomiary były prowadzone metodą porównawczą, czyli wyniki były porównywane ze standardem określonym przez pomiar energii z typowego palenia suchymi szczapami grabowymi (po rocznym suszeniu).

Badania były prowadzone przez dwa sezony grzewcze. W zeszłym roku wykonaliśmy ok. 20 pomiarów, w tym roku ok 50 pomiarów. Obecnie skupiamy się na paleniu brykietami typu PDJ, wymiary 10*15*6cm, waga ok. 0,83 kg/szt.

Przykładowy sposób palenia brykietami:

Na dolnym ruszcie zatkajmy gliną zewnętrzne szczeliny zostawiając otwory tylko w środkowej części rusztu. Wyżej zbudujmy dwa murki z brykietów szczelnie ułożonych, dociśniętych do siebie. Między murkami zostawmy szparę o szerokości 6 cm dołem i ok. 2 cm górą. Nawiewy w dolnej blasze rozmieszczone są wzdłuż tej szczeliny. Wewnątrz szczeliny rozpalmy ogień. W konsekwencji powstanie grota o rozżarzonych ścianach, wzajemnie na siebie promieniujących, a to owocuje wysoką temperaturą w komorze. Piroliza drewna następuje głównie na tej wewnętrznej powierzchni, a powstałe gazy buchają ku górze.

 

Kluczem dla uzyskania dobrego wyniku i dobrej sprawności jest utrzymanie tej konfiguracji przez większość czasu palenia. Pomaga temu pochylenie do środka obu murków. Spalając się od środka z czasem tracą stabilność, ale oparłszy się o siebie nadal stoją. Do stabilizacji konstrukcji używamy wygiętych z grubego drutu 5mm obejm z rozpórką (rys. 3).

Rysunek 2 Obejmy z drutu

Rozpalanie. Najprościej jest rozpalić ogień stawiając w szczelinie kilka maleńkich szczapek drewna. Od ślizgających się płomieni łatwo zajmują się brykiety. Prawidłowy dym powinien być w pełni bezbarwny i przezroczysty. Nad kominem ma być widoczny tylko ruch powietrza, ale całkowicie przezroczystego. Poza dymem znakiem jakości pirolizy i spalania jest popiół. Póki ogień pali się tylko w szczelinie jej spód pozostaje zupełnie czysty. Po całym cyklu pozostaje niewielka ilość popiołu, ale powstaje on na końcu procesu, gdy w mniej korzystnej konfiguracji dopalają się żarzące się ostatnie węgielki.

Rysunek 3 Pomiary efektywności różnych paliw i sposobów palenia.

Skala na osi pionowej oznacza procentową relację uzyskanej energii do standardu, za 100% przyjęto efekt palenia powietrzno-suchymi szczapami grabowymi. Poziome kreski to wielkość średniej dla danej serii. Ilość paliwa była określana wagowo.

Wysokie wartości na wykresie dla wierzby mogą być mylące. Były to próby palenia cienkich patyków wierzbowych z plantacji, bez przetworzenia. Dobra efektywność nie jest cechą tego gatunku drewna, ale skutkiem małej wilgotności – pozyskane z plantacji gałęzie oddano do suszarni i w efekcie miały wilgotność ok. 8%.

Uwagi.

1. Pomiary prowadziliśmy w kominku z płaszczem wodnym i tylko do nich się odnoszą. Jest bardzo duża różnica między paleniem w kominku chłodzonym powietrzem, a wodnym. W kominku z płaszczem wodnym i dużym zbiornikiem wody (buforem) ważna jest ilość uzyskanej energii, a nie czas jej uzyskania. W konsekwencji lepiej jest palić dużym ogniem, relatywnie krótko, bo energia jest magazynowana w zbiorniku służącym za magazyn ciepła. W stosowanych przez naszą firmę układach zbiornik ma taką pojemność, by przechować energię na dobę. W typowych kominkach powietrznych stosuje się technikę długiego palenia, małym ogniem, tzw. „kiszenia ognia". Jest to spalanie w niskiej temperaturze, mało sprawne i skutkujące dużą ilością dymu. O takim paleniu nie mamy dużo wiedzy, może tylko to, że ilość sadzy w kominach gwałtownie się zmniejszyła gdy od nich odeszliśmy. Sprawność kominków powietrznych jest prawdopodobnie mniejsza o co najmniej 20% od kominków z płaszczem wodnym.
2. Jeśli wartość energetyczna drewna nie zależy od gatunku, a tylko od budowy fizycznej i wilgotności, to po zmieleniu, wysuszeniu i sprasowaniu w procesie produkcji, wartość energetyczna brykietów powinna być identyczna niezależnie od gatunku drewna, z którego zostały wykonane, byle miały tę samą wilgotność. I jedno i drugie jest biomasą o bardzo podobnym składzie chemicznym.
3. Spalanie biomasy jest technologią „słoneczną", czystą z punktu widzenia ekologii. Biomasa rośnie czerpiąc energię ze słońca w procesie fotosyntezy. Ilość dwutlenku węgla pochłoniętego w czasie wzrostu jest identyczna do wydzielanej przy spalaniu. Jest to ten sam proces tylko w odwrotnym kierunku.
    
   wzrost: CO2 + en. słoneczna → C + O2
   spalanie: C + O2 → CO2 + en. cieplna
    
   Ta zasada jest też prawdziwa, gdy biomasa np. trawa czy gałęzie rozkładają się „gniją" same w naturze. Bilans dwutlenku węgla jest zawsze taki sam. Różnica jest jedna – jeśli drewno spalimy w piecu możemy uzyskać i wykorzystać energię.
   Biomasa jest jedynym znanym sposobem dowolnie długiego magazynowania energii słonecznej. Jako ciało stałe możemy drewno przechowywać, aż wybierzemy czas jego spalenia, czyli odzyskania energii. Od tysięcy lat drewno, które rośnie głównie w ciepłej części roku służy do ogrzewania w zimie. Dlatego w interesie publicznym jest rozwijanie sektora produkcji i spalania biomasy jako sposobu wyparcia paliw kopalnych. Niestety ta metoda jest ograniczona ilością ziemi. Gdyby gmina Piaseczno zamieniła w plantację biomasy wszystkie grunty rolne pokryło by to tylko kilkanaście procent zapotrzebowania gminy na energię, ale ta naturalna „technologia" jest o 3 do 5 rzędów wielkości tańsza od wszystkich innych wymyślonych przez człowieka. W konsekwencji przed innymi powinniśmy wykorzystać ją w takim stopniu w jakim to tylko możliwe. Kopenhaga, która jest światowym liderem w wyścigu o wyeliminowanie emisji CO2, do swych elektrociepłowni importuje olbrzymie ilości biomasy.
4. Biomasa do celów energetycznych powinna być hodowana na plantacjach. Plantacje wierzby dają 4 razy większy plon niż przyrost masy w naszych lasach.
5. Wypracowana metoda palenia jest skuteczna w pierwszym okresie, ale później, gdy w palenisku jest żar, a brak ognia już prawdopodobnie nie.
6. Do regulacji szybkości spalania używaliśmy tylko szybru górnego. Zmienia on opór przepływu w kominie, a tym samym podciśnienie w komorze spalania. Rozpalamy przy otwartym szybrze, po chwili, gdy płomienie już ostro buchają przymykamy szyber tak by miały tylko pionowy kierunek i nie buchały na boki. Kontrolą czy nie zamknęliśmy za bardzo jest jakość dymu - czy jest przezroczysty? W ten sposób zwalnia się spalanie tak bardzo, jak można bez zmniejszenia jakości, czyli pełnego dopalenia gazów i cząstek palnych.
7. W badaniach używaliśmy blachę dolną wykonaną z łatwej w użyciu cienkiej blachy dekarskiej. Po kilku próbach nie nadawała się ona do dalszego używania, choć wydaje się ona znacznie mniej nagrzewać niż przy klasycznym paleniu drewnem. Będziemy testować wycięty laserem ruszt z blachy o grubości 4mm oraz profesjonalne ruszty żeliwne wykonane według naszego projektu. Inna koncepcja to wykorzystanie płytek szamotowych. Przetestowanie trwałości rusztu to ostatni, niewykonany jeszcze etap badań, ale ich wyniki publikujemy już dziś, bo skończyła się zima i przyszedł czas zakupu paliwa na przyszły sezon.
8. Impulsem do badań była obserwacja, że nasi klienci często wolą domy ogrzewane gazem od wyposażonych w kominek z płaszczem wodnym i zbiornikiem ciepła i to pomimo blisko dwukrotnie wyższych kosztów ogrzewania gazem. Powodem jest wygoda, za którą niektórzy gotowi są zapłacić. Ale jest to krótkowzroczny kierunek. Gaz jest paliwem kopalnym tak jak ropa czy węgiel. Za kilkanaście lat trzeba będzie od gazu odejść. Natomiast domy ogrzewane kominkiem (biomasą) w zakresie energii cieplnej już dziś są zero-emisyjne. Zamysł był taki by najpierw poprawić sprawność palenia w kominkach, potem namówić mieszkańców naszych osiedli na wspólne, zorganizowane zakupy hurtowe znormalizowanego paliwa (brykietów), a na koniec we współpracy z wybranym ich producentem zakontraktować dla naszych osiedli biomasę do produkcji brykietów u plantatorów wierzby. To domknęłoby ekologiczną ewolucję naszych domów. Energia elektryczna ze słońca, za pośrednictwem fotowoltaiki i magazynu w ogólnej sieci, energia cieplna ze słońca, za pośrednictwem fotosyntezy i magazynu w hodowanej biomasie – całość bezdyskusyjnie zero-emisyjna.
9. Rozpoczęliśmy prace nad wykorzystaniem zasady palnika szczelinowego w kominkach powietrznych. Głównym celem jest walka ze smogiem.

Jacek Koziński
Laboratorium Dworku Polskiego
8 kwietnia 2021