Riziká spojené s prevádzkovaním kotlov na alternatívne palivá

Prof. Ing. Josef Reitšpís, PhD., Katedra bezpečnostného manažmentu, Fakulta špeciálneho inžinierstva, ŽU v Žiline

Doc. Ing. Libor Gašpierik, CSc., Katedra bezpečnostného manažmentu, Fakulta špeciálneho inžinierstva, ŽU v Žiline

Doc. Ing. Jana Müllerová, PhD., Katedra technických vied a informatiky, Fakulta špeciálneho inžinierstva, ŽU v Žiline

Úvod

Technologický rozvoj vždy čelil skutočnosti, že môže vyvolať závažné nehody, pretože priemyslová výroba, skladovanie, preprava a ďalšie činnosti sú často spojené s veľkým množstvom energie a látok v procese, ktoré môžu mať veľmi nepriaznivé dopady na človeka i prostredie okolo neho. Všetky ľudské činnosti sú spojené s nebezpečenstvom a neurčitosťami rôzneho pôvodu a preto človek bol a vždy bude konfrontovaný s možnosťou, že výsledky jeho činov nebudú odpovedať zamýšľaným. Nepochybne nie je žiaducim stavom byť vystavený riziku, avšak vystavenie sa riziku je protiváhou technologických a technických výhod súčasnosti.

Pravdepodobnosť špecifického nežiaduceho javu, ktorý sa vyskytne počas špecifickej periódy alebo za špecifických okolností, sa označuje ako riziko. Môže sa jednať buď o frekvencie, tzn. počet udalostí vyskytujúcich sa v časovej jednotke, alebo o špecifické udalosti nasledujúce predchádzajúce udalosti, v závislosti na okolnostiach [2], [3], [9], [10], [11], [13].

Kotle sú energetické spaľovacie zariadenia, ktoré cez zabudovaný tepelný výmenník odovzdávajú, prostredníctvom prúdiacich horúcich spalín, teplo uvoľnené spaľovaním teplonosnému médiu [6], [8]. Teplonosným médiom sa následne vykurujú jednotlivé miestnosti, či priestory budov, technologické zariadenia a pod. Súčasný trh s teplovodnými kotlami ponúka veľmi široký rad konštrukcií zdrojov tepla na spaľovanie biopalív. Ich konštrukcie sú závislé od použitého paliva, stupňa automatizácie a tepelného výkonu. Od toho sa potom odvíjajú i požiadavky na bezpečnú prevádzku.

Medzi základné konštrukčné časti kotlov na pevné palivo patria:

• kúrenisko - časť teplovodného kotla na pevné palivo, ktoré pozostáva z roštu a zo spaľovacieho priestoru,
• rošt - súčasť teplovodných kotlov na pevné palivo pre spaľovanie paliva vo vrstve, prípadne na odstraňovanie pevných nespáliteľných zvyškov z kúreniska,
• spaľovacia komora - vnútorný priestor kotla, kde dochádza k spaľovaniu najmä prchavých zložiek paliva,
• zásobník paliva - priestor, v ktorom je umiestnené palivo,
• rozvody primárneho a sekundárneho vzduchu - prieduchy vo vnútri kotla, ktorými sa privádza spaľovací vzduch do primárnej zóny (zvyčajne pod rošt) a sekundárnej zóny (do spaľovacej komory) spaľovania,
• kotlové teleso - súčasť teplovodného kotla zvarená z oceľových plechov, v ktorej sa ohrieva teplonosná látka,
• popolník - priestor v kotle na pevné palivo, kde sa zhromažďujú pevné nespáliteľné zvyšky, ktoré prepadávajú cez rošt alebo sú roštom vynesené do popolníkovej zásuvky,
• spalinové cesty - priestory vo vnútri kotla na usmernenie spalín, odchádzajúcich do komína,
• výmenník tepla - časť kotla, v ktorej odovzdávajú spaliny teplo teplonosnej látke, zvyčajne rúrkovými, jedno až trojťahovými výmenníkmi tepla,
• čistiace otvory - otvory pre čistenie spalinových ciest a výmenníkov tepla.

Voľba výkonu kotla je závislá od tepelno-technických vlastností vykurovaného objektu, prípadne od technologických požiadavkou na vykurovanie. Pre vykurovanie rodinných domov v súčasnosti, kedy sa klade dôraz na nízku energetickú spotrebu budov, sú postačujúce teplovodné kotle o výkonoch v rozsahu od 10 do 50 kW. Pri vyberaní konkrétneho teplovodného kotla je potrebné vychádzať zo základných parametrov, ktoré musí uvádzať každý výrobca týchto zariadení. Do skupiny základných parametrov teplovodných kotlov patria:

• Maximálny dovolený pracovný tlak, čo je najvyšší tlak, pri ktorom je prevádzka kotla bezpečná.
• Maximálna dovolená teplota - maximálna teplota, pri ktorej kotol môže pracovať za normálnych prevádzkových podmienok pri nastavení teploty vody na bezpečnostnom zariadení a pri podmienkach stanovených výrobcom.
• Prevádzková teplota - rozsah teploty, pri ktorej kotol môže pracovať za normálnych prevádzkových podmienok pri nastavení teploty vody na bezpečnostnom zariadení a pri podmienkach stanovených výrobcom.
• Menovitý tepelný výkon - maximálny kontinuálny výkon uvedený výrobcom pre použité palivo.
• Minimálny tepelný výkon - minimálny kontinuálny výkon uvedený výrobcom pre každý druh paliva.
• Tepelný príkon - množstvo tepla za jednotku času vstupujúce do vykurovacieho kotla v palive, a ktoré je dané výhrevnosťou paliva.
• Účinnosť kotla - pomer užitočného tepelného výkonu k tepelnému príkonu.
• Ťah - tlakový rozdiel medzi statickým tlakom vzduchu v mieste inštalácie kotla a statickým tlakom odvádzaných spalín.
• Teplota vystupujúcich spalín - teplota meraná na výstupe spalín z kotla.
• Tlaková strata na strane vody - tlaková strata pri prechode kotlom nameraná na vstupe a výstupe z kotla, pri prietoku teplonosného média, ktorý zodpovedá menovitému tepelnému výkonu kotla.
• Čas horenia - pri ručnom prikladaní je to čas horenia od maximálnej náplne paliva po základnú úroveň horiaceho paliva na rošte.

Kotle je možné rozdeliť podľa rôznych kritérií, napríklad podľa spôsobu prívodu spaľovacieho vzduchu rozoznávame zdroje tepla:

• s prirodzeným prívodom spaľovacieho vzduchu,
• s núteným prívodom spaľovacieho vzduchu pomocou ventilátora.
• Podľa spôsobu dodávania paliva je možné zdroje tepla rozdeliť na:
• kotle s ručnou obsluhou,
• kotle s automatickým riadením.

Teplovodné kotle s ručnou obsluhou

Kotle s ručnou obsluhou sú charakteristické tým, že nakladanie paliva do kotla sa uskutočňuje manuálne. Vo väčšine prípadov sa ako palivo používa kusové drevo vo forme polien. Pri malých kotloch sa palivo dodáva do kúreniska cez horné nakladacie dvierka alebo nakladacie dvierka umiestnené z prednej strany kotla, ktoré je z hľadiska obsluhy menej namáhavé.

Prívod spaľovacieho vzduchu je realizovaný buď na základe prirodzeného ťahu komína alebo pomocou ventilátorov. Použitie ventilátorov pre prívod spaľovacieho vzduchu má výhodu v tom, že prívod spaľovacieho vzduchu, a tým i proces spaľovania paliva, nie je závislý na vonkajších poveternostných podmienkach, ktoré do značnej miery ovplyvňujú ťah komína.

Teplovodné kotle s automatickým riadením

Kotle s automatickým riadením sú schopné regulovať nielen tepelný výkon, resp. i proces spaľovania, ale dokážu riadiť i prívod paliva. Automatická dodávka paliva si však vyžaduje odpovedajúcu formu paliva a preto sa u automatických kotlov najčastejšie využívajú drevné pelety a drevná štiepka. Z hľadiska systému spaľovania sa u automatických kotlov spaľujúcich biomasu najčastejšie objavuje roštové spaľovanie a spaľovanie so spodným a priečnym prívodom paliva. Zapaľovanie a odstraňovanie popola môže byť buď automaticky alebo to zabezpečuje obsluha.

Ku koncu minulého storočia došlo k rozvoju manažérstva rizika, čo bolo okrem iného podmienené i zložitejšími ekonomickými podmienkami a zostrujúcou sa konkurenciou. Komplexný pohľad na manažérstvo rizika je uvedený v STN 01 0380 Manažérstvo rizika (AS/NZS 4360:1999).

Táto norma poskytuje všeobecný návod na určovanie a zavádzanie procesu manažérstva rizika, ktorý obsahuje určenie súvislostí, identifikáciu, analýzu, vyhodnotenie, zaobchádzanie, komunikáciu a trvalé monitorovanie rizika.

Manažérstvo rizika sa pokladá za integráciu súčasnej dobrej manažérskej praxe. Je to iteratívny proces skladajúci sa z krokov, ktoré svojou postupnosťou umožňujú zlepšovanie pri rozhodovaní.

Manažérstvo rizika alebo rizikový manažment, je termín používaný na označenie logickej a systematickej metódy určovania súvislostí, identifikovania, analýzy, vyhodnotenia, zaobchádzania, monitorovania a oznamovania rizika súvisiaceho s akoukoľvek činnosťou, funkciou alebo procesom spôsobom, ktorý organizáciám umožní minimalizovať straty a maximalizovať príležitosti. Manažérstvo rizika sa zaoberá aj identifikáciou príležitostí, ako aj vylučovaním alebo znižovaním strát [1], [10], [12].

Technologické riziká sa v súčasnosti stále častejšie vzťahujú prakticky ku všetkým ľudským činnostiam a samozrejme sem patrí i energetický sektor. Hlavnými objektmi, ktoré sú vystavené riziku, sú človek a životné prostredie, ktoré zahŕňa flóru a faunu, ekosystém, vzduch, vodu a pôdu v okolí technologického zariadenia. Pri prevádzkovaní teplovodných kotlov existuje niekoľko zdrojov rizík individuálneho i skupinového, resp. spoločenského charakteru. Individuálne riziko prijíma iba osoba nachádzajúca sa v blízkosti zdroja rizika. Spoločenskému riziku je vystavená skupina osôb ovplyvnených udalosťou. Je vyjadrené ako vzťah medzi frekvenciou a počtom ľudí, ktorí v danej populácii pri realizácii určitého rizika budú určitým spôsobom poškodení.

Výskyt rizík pri nesprávnej manipulácii v prevádzke teplovodných kotlov

Prvým predpokladom správnej funkcie teplovodného kotla je dodržanie predpísaného zapojenia tohto zariadenia, ktoré je dané príslušnými predpismi a normami a taktiež odporúčaním samotných výrobcov teplovodných kotlov, ktorí najlepšie vedia čomu je potrebné sa pri montáži vyhnúť a na čo je nutné klásť dôraz. Tu dochádza k prvému problému zo strany niektorých spotrebiteľov, ktorý v snahe o ušetrení finančných prostriedkov pri montáži a zapojovaní teplovodného kotla, vedome ignorujú odporúčanie výrobcov a nenamontujú predpísané konštrukčné zariadenia, ktoré sú súčasťou technických opatrení pre prevenciu a ochranu pred krízovými situáciami. Toto takzvané „ušetrenie“ často vedie v lepšom prípade k zníženiu životnosti kotla, v horšom prípade k havarijnej situácii kotla.

Druhým problémom, ktorý môže nastať, je nesprávna manipulácia s kotlom, resp. prevádzkovanie kotla. V štatistikách sa uvádza, že asi iba 35 % spotrebiteľov si podrobne prečíta a naštuduje celý návod na obsluhu všetkých zakúpených zariadení. Spotrebitelia v praxi pri ovládaní rôznych technických zariadení, vrátanie teplovodných kotlov, často využívajú tzv. metódu monte — carlo (pokus — omyl), ktorá býva príčinou následných porúch. Teplovodné kotle musia pracovať v predpísaných prevádzkových parametroch, aby sa predišlo napr. vyšľahnutiu plameňa z kúreniska, vypadnutí žeravých častíc z kúreniska alebo zlému odťahu spalín. Z tohto dôvodu je dôležité, aby sa v kúreniskách dimenzovaných na určitý druh paliva, ľubovoľne palivá nezamieňali [7].

U teplovodných kotlov malých výkonov, ktoré sú obsluhované ručne, sa môžu vyskytnúť nasledujúce rizikové situácie:

• vyšľahnutie plameňa pri doplňovaní paliva do zásobníka,
• prasknutie zvarov kotlového telesa,
• explózia v dôsledku nárastu tlaku nad maximálnu prevádzkovú hodnotu pri neodoberaní tepla,
• poškodenie kotlového telesa v dôsledku nízkoteplotnej korózie,
• vznietenie a vyhorenie komína v dôsledku zvýšenej tvorby sadzí a ich následného usadzovania na stenách komínového telesa,
• popálenie obsluhy pri kontaktu ruky s ovládacími prvkami tepovodného kotla.
• U automatických teplovodných kotlov sa môžu vyskytnúť nasledujúce krízové situácie:
• prasknutie zvarov kotlového telesa,
• zapálenie paliva v zásobníku alebo v sklade s palivom v dôsledku prenesenia ohňa z kúreniska cez závitovkový dopravník,

Riziko nesprávnej manipulácie pri doplňovaní paliva

U teplovodných kotlov s ručným dávkovaním paliva môže dôjsť k vyšľahnutiu plameňa pri otvorení prikladacích dvierok za účelom doplnenia paliva do zásobníka. Táto riziková situácia môže nastať pri nedostatočnom vyvetraní zásobníka paliva alebo pri príliš rýchlom utlmení horenia kotla, kedy dôjde ku zhasnutiu plameňa. V dôsledku toho hrozí nebezpečenstvo vznietenia spalín nahromadených v násypnej šachte a následné vyšľahnutie plameňa z kotla, ktoré môže spôsobiť popálenie obsluhy teplovodného kotla. Toto nebezpečenstvo je väčšie pri prikladaní paliva do kotla, v ktorom zostáva už iba malé množstvo paliva. Z tohto dôvodu je vhodnejšie palivo do kotla prikladať ešte pred tým než palivo celkom vyhorí [7].

Prípadnému riziku uniknutia spalín pri otvorení prikladacích dvierok pri doplňovaní paliva do kotla a eliminovať tak nebezpečenstvo popálenia, je možné predísť podľa nasledujúceho postupu:

• pomaly sa uzatvorí prívod primárneho a sekundárneho spaľovacieho vzduchu tak, aby sa neprerušilo horenie paliva v kotly — kotol by sa mal dostať do režimu minimálneho tepelného výkonu,
• v okamihu, kedy je kotol prevádzkovaný na minimálny výkon, sa čiastočne pootvoria prikladacie dvierka na cca 30 sekúnd, aby mohlo dôjsť k vyvetraniu násypnej šachty od nahromadených spalín,
• po uplynutí tejto doby je vhodné opatrne vizuálne skontrolovať či je násypná šachta dostatočne vyvetraná,
• v prípade, že sa v násypnej šachte ešte nachádza malé množstvo spalín, je vhodne ešte niekoľko sekúnd počkať kým budú dymové splodiny vyvetrané,
• následne je možné prikladacie dvierka celkom otvoriť a doplniť palivo, maximálne však iba toľko, aby bolo možné prikladacie dvierka bezpečne a tesne uzatvoriť,
• po uzatvorení a zaistení dvierok sa klapky pre prívod primárneho a sekundárneho spaľovacieho vzduchu nastavia do pôvodnej polohy.

Uvedený bezpečný postup doplňovania paliva do zásobníka, resp. násypnej šachty, by mal dodávať každý výrobca teplovodného kotla na tuhé palivo v návode na obsluhu.

Riziko porušenia konštrukcie kotlového telesa

Výroba teplovodných kotlov vychádza predovšetkým zo zváračských prác. Vzhľadom k tomu, že teplovodný kotol je tlaková nádoba, musia byť všetky zvary veľmi kvalitné. Výrobcovia kotlov musia byť v rámci zváračských prác oboznámení s normou EN 287-1 a EN 287-2.

Táto norma uvádza prídavné zváracie materiály a zváracie spoje a procesy pre dané hrúbky materiálu. Treba sa vyhýbať kútovým zvarom, lemovým zvarom a podobným zvarovým spojom v miestach, kde pri výrobe a prevádzke nastávajú veľké ohybové namáhania. Počas prevádzky sú kotlové telesá namáhané tepelnou únavou v koróznom prostredí kotolnej vody a pary. Vplyvom tepelnej rozťažnosti materiálov, pôsobia na všetky zvary kotlového telesa axiálne, resp. šmykové napätia. Minimálna hrúbka steny materiálu sa určuje s ohľadom na hodnotu maximálneho prevádzkového tlaku a menovitého výkonu a s ohľadom na vlastnosti materiálu. V norme sú uvedené hrúbky materiálu pri použití uhlíkových ocelí a nehrdzavejúcich ocelí pre biogenické a fosílne druhy paliva pre rozsah výkonov do 100 kW a od 100 kW do 300 kW. Taktiež sú v norme uvedené minimálne hrúbky stien pri použití liatiny.

Vo zvaroch, ktoré vznikajú technikou ručného oblúkového zvárania, sa vyskytujú defekty výrobného pôvodu. Predovšetkým sa jedná o defekty typu: neprievar koreňa (obr.1), zavarená troska, studené spoje medzi húsenicami a studené spoje na strane kotlového telesa.

Trhliny vznikajú v dôsledku dlhodobej prevádzky a ich vznik je do značnej miery závislý na výskyte výrobných defektov. Pre posúdenie vzniku trhlín, predikcii ďalšieho vývoja a prijatí adekvátnych opatrení je dôležité poznať veľkosť a rozloženie defektov vo zvare a napätosť zvarového spoja. Trhliny zistené pri revízii kotlového telesa sa odstraňujú odbrusovaním materiálu poškodeného trhlinami, pričom sa môžu objaviť vnútorné defekty, ktoré sa musia takisto odstrániť. Po úprave skosených hrán vznikajú drážky, ktoré sa vyvárajú do pôvodného tvaru. Tento spôsob opravy má však hneď niekoľko nevýhod. Ponajprv je nutné pri úprave skosu odbrúsiť značný objem materiálu. Samotné brúsenie je zdĺhavé a zväčšenú drážku je potom nutné vyplniť zvarovým kovom. Ďalšou nevýhodou je skutočnosť, že sa zvára v oblasti s vysokou koncentráciou napätia. Vhodnejším spôsobom opravy trhlín je zosilnenie zvaru (obr.2).

Obr.1. Neprevarený koreň zvaru	Obr.2. Varianty zosilnenia zvaru

Zosilnením zvaru sa dosiahne vytvorenie bariéry proti narastaniu trhlín. V novom zvare v spodných vrstvách totiž vznikne tlakové pnutie, ktoré blokuje rozvoj trhlín. Zosilnením zvaru sa ďalej zabezpečí zväčšenie vzdialenosti medzi čelom trhliny a vonkajším povrchom. Ďalšou prednosťou je skutočnosť, že sa zvára v oblasti, ktorá vykazuje podstatne nižšiu napätosť. Tento spôsob opravy je možné použiť preventívne, na základe výsledku defektoskopickej kontroly a posúdení životnosti zvaru.

V prípade, že sa zistené defekty neodstránia, po relatívne krátkom čase prevádzky dôjde k opakovanému vzniku trhlín a proces odstraňovania a vzniku trhlín sa tak opakuje. Navyše opakované odstraňovanie trhlín môže viesť k zníženiu hrúbky steny pod výpočtovou hrúbku. Najvhodnejším riešením je zosilnenie zvaru v čase, kedy ešte nedošlo k rozvoji trhlín.

Životnosť a prevádzková spoľahlivosť kotlového telesa sa zaisťuje kombináciou pevnostných výpočtov a revíziou. Revízia sa zameriava na výskyt závažných defektov na vnútornom povrchu plášťa, u pozdĺžnych a obvodových zvarov, v miestach uchytenia vnútornej vstavanej konštrukcie, zvary nátrubkov a iných zváraných častí kotlového telesa, ktoré ohrozujú prevádzkovú schopnosť spaľovacích zariadení.

Výrobcovia kotlov musia každý vyrobený kotol podrobiť 24-hodinovej tlakovej záťažovej skúške, kedy sa zisťuje kvalita zvarov kotlového telesa, ako i tesnosť. Ďalšiu skúšku, ktorá sa vykonáva u typovej vzorky teplovodného kotla, je skúška preťaženia. Ak kotlové teleso úspešne prejde tlakovou skúškou, prípadne skúškou preťaženia, mali by byť zvary kvalitné.

Riziko explózie pri prekročení maximálneho prevádzkového tlaku

Vykurovacie médium, (u teplovodných vykurovacích systémov je to voda) vplyvom zvyšovania teploty zväčšuje objem. Zmenu objemu vplyvom nárastu teplôt vo vykurovacom systéme zachytáva expanzná nádoba, ktorá musí byť dimenzovaná s predpísanou bezpečnostnou rezervou a je neprípustné, aby bola do vykurovacieho systému zapojená expanzná nádrž s menším objemom, ako bolo nadimenzované. Dodržaný musí byť i navrhnutý minimálny priemer poistného potrubia, ktoré prepája vykurovaciu sústavu s expanznou nádobou. Okrem expanznej nádoby musí byť vykurovací systém vybavený poistným ventilom. Jeho úlohou je pri zvýšení tlaku nad určitú medzu vypustiť prebytočné médium zo systému (uzatvorený systém), aby sa tak predišlo jeho roztrhnutiu v niektorom mieste (zvyčajne v najslabšom mieste vykurovacieho systému). Najčastejšie umiestnenie poistného ventilu je priamo na kotly. Väčšina poisťovacích ventilov využíva jednej alebo niekoľkých pružín, ktoré pritláčajú záklopku k vypúšťaciemu otvoru. Napätie pružín a tým i tlak, pri ktorom má dochádzať k otvoreniu ventilu je zvyčajne možné meniť, avšak musia byť dodržané normou predpísané hodnoty.

Kritická situácia môže nastať v prípade výpadku elektrickej energie. Výpadok elektrickej energie spôsobí, že obehové čerpadlo zapojené do systému prestane zabezpečovať dodávku vykurovacej vody z kotla do vykurovacieho systému. Tzn. že vykurovacia voda prestane vo vykurovacom systéme cirkulovať a teplota a tlak vykurovacej vody v kotly začne narastať. Ak je vo vykurovacom systéme zapojený teplovodný kotol s automatickým riadením, vybavený regulátorom teploty, vymedzovačom bezpečnej teploty a automatickým dodávaním paliva, regulačné zariadenie zaznamená nárast teploty v kotly a systém dodávky paliva sa okamžite odpojí.

Ak je však do vykurovacieho systému zapojený teplovodný kotol s ručným dávkovaním paliva, tzn. že kotol nedisponuje odpojiteľným systémom dodávky paliva, musí byť konštrukcia kotla vybavená zariadením na rozptyl maximálneho tepelného výkonu. Úlohou takého bezpečnostného zariadenia je ochladiť vykurovaciu vodu v kotly a zamedziť tak vzniku prípadných havarijných stavov. Norma ako ochranu proti prehriatiu vykurovacej vody u teplovodných kotlov na pevné palivá s ručným dávkovaním paliva predpisuje tzv. bezpečnostný výmenník tepla, resp. bezpečnostnej batérie [56]. Bezpečnostný výmenník tepla alebo iné zariadenia na rozptyl prebytočného tepla musia zabezpečiť, že maximálna teplota vykurovacej vody v kotle nedosiahne na hodnotu 110 °C. Bezpečnostný výmenník tepla alebo prietokový ohrievač musí zabezpečiť prenos tepla bez dodatočnej pomoci a nároku na prívod vonkajšej energie. Nesmie sa používať ako ohrievač prevádzkovej vody, ale len ako bezpečnostný výmenník tepla. Bezpečnostný výmenník tepla musí byť napojený na zdroj tlakovej vody, nie na zdroj vody, ktorý je napojený na čerpadlo. V prípade vypnutia elektrickej energie by nebol k dispozícii prietok vody. Prietok vody cez bezpečnostný výmenník sa zabezpečí pomocou bezpečnostného ventilu, ktorý sa otvára na základe priamočinného ovládania. Ventil by sa mal otvoriť pri teplote 95 °C a zohriata voda z bezpečnostného výmenníka sa odvádza do kanalizácie.

Počas chladenia kotol automaticky prechádza do útlmového režimu. V prípade, že by kotol proti prehriatiu nebol zabezpečený, tzn. že bezpečnostný výmenník tepla by v kotle nebol zabudovaný, došlo by prekročeniu maximálnej prevádzkovej teploty a súčasne i k prekročeniu maximálneho prevádzkového tlaku. V takom prípade by musel zareagovať poistný ventil a vypustiť zo systému prebytočnú vodu, aby nedošlo k poškodeniu riadiacej jednotky, prípadne i kotlového telesa. Aby sa takýmto kritickým situáciám predchádzalo, predpisuje norma u teplovodných kotlov na pevné paliva s ručným dávkovaním paliva vyššie uvedené bezpečnostné zariadenia.

Ak bezpečnostný systém teplovodného automatického kotla umožní v prípade výpadku elektrickej energie iba čiastočné odpojenie systému dodávky paliva, musí byť kotol vybavený regulátorom teploty a zariadením na rozptyl zvyšného tepla. Toto bezpečnostné zariadenie funguje podobne ako bezpečnostný výmenník tepla u teplovodných kotlov s ručným dávkovaním paliva.

Riziká spojené s odvodom spalín

Najväčším problémom súčasnosti z pohľadu odvodu spalín od tuhých palív sú drevosplyňujúce kotly. Podstata ich spaľovania je založená na základnej myšlienke, že nehorí samotné drevo, ale drevoplyn uvoľnený pri určitej teplote z drevnej hmoty. Hlavný problém je spojený s tým, že príslušný komín nie je dimenzovaný pre odvod spalín zo splyňovacieho kotla a často nevyhovuje ani po stránke materiálového vyhotovenia. Samotné technické požiadavky drevosplyňujúcich kotlov na komínovú techniku sú spojené s prílišnou tvorbou sadzí, resp. prílišným dechtovaním komína. Riziko z pohľadu prílišnej tvorby sadzí, resp. z dechtovania komína sú eliminované dokonalosťou spaľovania. K zvýšenej tvorbe sadzí dochádza najmä pri nedokonalom spaľovaní, kedy je proces horenia regulovaný prívodom spaľovacieho vzduchu v závislosti od momentálnej potreby tepla (škrtenie horenia).

Pri určení vhodného komínového telesa, či už po stránke materiálového vyhotovenia alebo dimenzie (svetlosti) je dôležité poznať samotný spotrebič na tuhé palivo, i jeho parametre, tzn. menovitý a minimálny tepelný výkon, jeho účinnosť, teplotu spalín do komína a hmotnostný tok spalín.

Teplota 1000 °C zodpovedá skúšobnej teplote, ktorej pri preukazovaní zhody výrobku musí vyhovieť každé komínové teleso s deklarovanou vlastnosťou odolnosti voči vyhoreniu sadzí. Čím je hrubšia vrstva sadzí v komíne, tým je dlhší čas ich vyhorenia a ekvivalentne k tomu je i vyššia teplota v komíne, to znamená, že v prípade dĺžky vyhorenia sadzí v komíne cca 6 hodín, teplota v komíne dosahuje rádovo až 1600 °C, ktorej už neodolá žiaden materiál v súčasnosti používaný na výstavbu komínového telesa. V prípade takého požiaru môžu hasiči už len zabrániť rozšíreniu požiaru z komína na okolité materiály a čiastočne tak zmierniť materiálne škody. Riziko vyhorenia sadzí nespočíva iba v samotnom nevymetaní komínového telesa, ale veľmi dôležité je i jeho konštrukčné vyhotovenie a spôsob kúrenia v spotrebiči.

Riziko prehorenia do zásobníku alebo skladu paliva

Pri automatických prevádzkach teplovodných kotlov, kedy je palivo vo forme drevnej štiepky alebo drevných peliet zo zásobníkov do kotla dopravované prostredníctvom závitovkových dopravníkov a podavačov, musia byť tieto kúreniská s automatickým dávkovaním paliva vybavené bezpečnostnými zariadeniami proti spätnému zapáleniu. Tieto bezpečnostné zariadenia sa zvyčajne umiestňujú medzi vynášací a dávkovací závitovkový dopravník v priestore tzv. dopravníkového medzistupňa k tomu, aby sa oheň v prípade požiaru nerozšíril cez dávkovací a vynášací závitovkový dopravník do skladu paliva. Z tohto dôvodu je potrebné prinajmenšom použiť systém protipožiarnej vody, ktorá v prípade požiaru zaplaví závitovkový dopravník pre dávkovanie paliva (obr. 3) [5], [7].

Zásobník s protipožiarnou vodou sa otvára termomechanickým ovládačom v okamihu, kedy je prekročená kritická teplota meraná snímačom teploty na dávkovacom dopravníku. Prítok vody do zásobníka musí byť zaistený stále, i v prípade výpadku elektrického prúdu. Nevýhodou tohto systému je, že ventily môžu postupne začať prepúšťať vodu, čo samozrejme ovplyvní kvalitu privádzaného paliva (zväčšená vlhkosť paliva).

Obr. 3. Systém s požiarnou vodou proti spätnému zapáleniu paliva v závitovkovom dopravníku

Aj napriek popísanému bezpečnostnému systému existuje riziko, že sa protipožiarna voda nespustí a spätný plameň sa predsa len dostane do skladu paliva (snímač teploty nezistí žiadne prekročenie teploty). Preto je vhodné uvedený protipožiarny systém kombinovať s inými poistnými systémami, ako je napr. uzatváracia klapka (obr..4) ovládaná termomechanickým ovládačom bez napojenia na elektrický prúd alebo turniketový bezpečnostný systém (obr. 5) [5], [7].

Dokonalému uzatvoreniu uzatváracej klapky však môžu zabrániť usadeniny. Nevýhodou turniketového systému je zasa náchylnosť k zablokovaniu dodávky paliva v dôsledku uviaznutia cudzieho telesa v rotačnom mechanizme. Naopak vzpriečené častice dreva sa bezproblémovo pomocou ostrých lopatiek v turnikete rozdrvia.

Obr. 4. Systém s uzatváracou klapkou proti spätnému zapáleniu paliva v závitovkovom dopravníku

Obr. 5. Systém s turniketom proti spätnému zapáleniu paliva v závitovkovom dopravníku

Na obr. 6 [7] je schematicky uvedený bezpečnostný systém proti spätnému zapáleniu paliva v závitovkovom dopravníku, ktorý vychádza z kombinácie zásobníka protipožiarnej vody s turniketovým bezpečnostným systémom.

Obr. 6. Bezpečnostný systém proti spätnému zapáleniu paliva v závitovkovom dopravníku so zásobníkom protipožiarnej vody a turniketovým bezpečnostným systémom

Výstupu horľavých a jedovatých plynov do priestoru kotolne sa môže zabrániť stálym podtlakom v kúrenisku. To sa dosiahne napríklad cez podtlak v spaľovacom priestore, ktorý zároveň podporuje prúdenie primárneho vzduchu cez rozžeravené lôžko paliva a okrem toho umožňuje nastavenie nemenných podmienok horenia nezávislých na ťahu komína.

Riziko vzniku nízkoteplotnej korózie

Prevádzku, životnosť a funkciu, teplovodného kotla veľmi podstatne ovplyvňuje použité palivo. Je potrebné používať suché palivo s vlhkosťou do 20 %, ktoré zabezpečuje lepšie prevádzkové parametre. Čím suchšie palivo sa v kotle spaľuje, tým vyššiu účinnosť kotol dosahuje a zároveň sa predlžuje aj jeho životnosť. Veľmi dôležitým parametrom, ktorý rovnako významne ovplyvňuje životnosť kotla je minimálny výkon kotla, ktorý predstavuje zabezpečenie minimálneho odberu tepla vo výške asi 30 % menovitého výkonu kotla. Pri nedodržaní predpísaných teplotných parametrov sa zasa môže vyskytnúť nízkoteplotná korózia, ktorá je najväčšou slabinou najmä splyňovacích kotlov.

Nízkoteplotná korózia vzniká v prípade poklesu teploty vratnej vody. Ak teplota poklesne, dochádza k nízkoteplotnej kondenzácii, pri ktorej sa síra obsiahnutá v palive premieňa na kyselinu sírovú a oxidy dusíka na kyselinu dusičnú. Tieto dve látky pôsobia na konštrukciu kotla veľmi korozívne. Tým sa znižuje jeho životnosť a rastú náklady na údržbu alebo opravy. Avšak v prípade, že konštrukcia kotla je riešená tak, že steny splyňovacej komory nie sú priamo ochladzované vratnou vodou, je možné vzniku nízkoteplotnej korózie predísť, resp. zabrániť.

Riziko popálenia z dôvodu vysokej povrchovej teploty kotla

Priemerná povrchová teplota kotlových dvierok a krytu čistiaceho otvoru na strane obsluhy nesmie presahovať izbovú teplotu o viac ako 100 °C. Povrchová teplota na vonkajšej strane čela kotla nesmie presahovať izbovú teplotu o viac ako 65 °C. Povrchová teplota činných povrchov a každej ovládacej časti teplovodného kotla, ktorá môže prísť do styku s rukou pri prevádzkovaní kotla nesmie presiahnuť izbovú teplotu o viac, ako 35 °C pri kovoch a podobných materiáloch, o viac ako 45 °C pri porceláne a o viac ako 60 °C pri plastoch [4]. V prípade, že teploty činných povrchov prekračujú uvedené hodnoty teplôt, je výrobca kotlov povinný ku kotlu dodávať ochranné rukavice.

Riziká vyplývajúce z potenciálnych možností biomasy

Slovensko disponuje množstvom dendromasy, ale značná časť tohto potenciálu sa nachádza v ťažko dostupných terénoch a chránených lokalitách národných parkov. To samozrejme znižuje možnosti ťažby a následné spracovávanie dendromasy pre energetické účely (spaľovanie). Preto sa na energetické účely využíva hlavne odpadové drevo z lesného hospodárstva, úpravy parkov, sadov a z drevospracujúceho priemyslu. Preč je však doba, kedy kôra, hobliny, piliny, odrezky a pod. boli odpadom, na ktorého odstránenie museli spracovatelia dreva uvoľniť určité finančné prostriedky. Tento odpadový materiál sa v súčasnosti stal lukratívnou energetickou surovinou, pričom jeho kvalita už nie je až tak dôležitá. Moderné kotle o vysokých výkonových triedach dnes dokážu spáliť i veľmi znečistený materiál s vysokým obsahom vody.

Z tohto dôvodu musia prevádzkovatelia najmä veľkých kotolní spaľujúcich biomasu, napojených na sústavu centrálneho zásobovania tepla, často hľadať iné zdroje paliva. Možnosťou je využívanie fytomasy na spaľovanie, ale toto je tiež spojené s určitými rizikami a problémami. V prvom rade je potrebné kvalitnú a úrodnú poľnohospodársku pôdu využívať pre pestovanie kultúrnych potravinárskych rastlín. Poľnohospodári zatiaľ nemajú dostatočné skúsenosti s pestovaním odporúčaných tzv. energetických rastlín a ich pozberovým spracovaním. Okrem toho energetické rastliny neprinášajú také výnosy, ako deklarovali výskumné ústavy a okrem toho nespáliteľné zložky, ktoré obsahujú majú nízku teplotu topenia, čo je príčinou spekania popola a zanášania spaľovacích zariadení. A tak sa stále častejšie hovorí o zakladaní plantáží s rýchlorastúcimi drevinami, i keď monokultúrne plantáže môžu mať určitý negatívny dopad na ekosystém.

Avšak ani pestovanie rýchlorastúcich drevín nie je úplne bez rizík Veľkoplošné pestovanie rýchlorastúcich drevín najskôr vyžaduje pokusný rast, pretože nie každej odrode, či klonu sa z hľadiska nadmorskej výšky darí v danej lokalite. Veľmi dôležitá je i metodika pestovania. Medzi širokou verejnosťou prevláda predstava, že sa do pripravenej pôdy zasadia sadenice rýchlorastúcich drevín, a že za 5 až 6 rokov stačí prísť s motorovou pílou a plantáž pozotínať. Za uvedeného predpokladu by sa mohlo stať, že na mieste vysadenej plantáže rýchlorastúcich rastlín by po piatich rokoch rástla iba burina. Vysadené dreviny totiž v prvom roku vyžadujú zvýšenú starostlivosť a plantáž je potrebné kultivovať. V opačnom prípade ich zahubí okolitá burina. Vzhľadom na nutnosť obhospodarovania a kultivácie rýchlorastúcich drevín, je potrebné vhodne zvoliť rozmiestnenie jednotlivých sadeníc. To samozrejme záleží na dostupnej kultivačnej technike, ktorou je možné obhospodarovať najmä priestor medzi riadkami. Obhospodarovanie sadeníc v riadkoch je v prvom roku spravidla manuálne, pretože pri použití pesticídov hrozí zničenie i sadeníc rýchlorastúcich drevín.

V Slovenskej republike zatiaľ veľké skúsenosti s pestovaním rýchlorastúcich drevín nie sú. V susednej Českej republike majú s pestovaním lepšie skúseností. Za približne 7 ročné obdobie tu bolo testovaných niekoľko odrôd topoľov a vŕb, pričom bolo zistené, že najvyššie výnosy dáva topoľ (množstvo sušiny120 t·ha^-1). Topole sú menej náchylné na choroby a na poškodzovanie škodcami na rozdiel od vŕb, ktoré sú podstatne „chutnejšie“ pre divú zver, ktorá na nich spôsobuje značné škody. Pre úplnú samostatnosť v získavaní paliva pre svoju kotolňu na biomasu (celkový výkon 9 MW) by bolo potrebné osadiť asi 500 ha.

Zhrnutie bezpečnostných a konštrukčných požiadaviek na kotle

Kotle musia byť ohňovzdorné a prevádzkovo bezpečné [4], [14]. Musia byť vyrobené z nehorľavých materiálov a odolné proti deformáciám tak, že musia odolať namáhaniam vznikajúcim počas normálnej prevádzky. Teplonosná látka sa nesmie ohriať na nebezpečnú hodnotu a do priestoru, kde je kotol umiestnený, nesmú unikať plyny v nebezpečnom množstve. Plameň nesmie pri správnej činnosti kotla vyšľahovať von a nesmie vpadávať žeravý popol. Musí byť zabránené vzniku nebezpečných koncentrácií horľavých plynov v spaľovacej komore a spalinovode. Horľavé materiály sú prípustné len v prípade, ak sa tieto časti nachádzajú mimo kotla.

Kotol musí byť navrhnutý tak, aby pri bežnej činnosti v súlade s pokynmi výrobcu nespôsoboval nadmerný hluk. Spaľovacia komora a priechody plynu musia byť konštrukčne riešené tak, aby nedochádzalo k prípadnému nadmernému hromadeniu horľavých plynov. Výhrevné povrchy kotlov musia byť zo strany prúdiaceho plynu riešené tak, aby boli v dostatočnej miere sprístupnené, čo by umožňovalo ich odpovedajúce čistenie mechanickými alebo aj chemickými rozpúšťadlami. Zároveň musí byť k dispozícii dostatočné množstvo zariadení na čistenie konštrukčných súčastí kotlov.

Ďalej sa musí zabezpečiť jednoduchá kontrola plameňa alebo horenia na rošte. Táto kontrola môže byť zabezpečená aj cez dvierka plnenia paliva. Otvory na skrutky a podobné časti, ktoré sa používajú na spojenie snímateľných častí, nesmú zasahovať do priestoru, v ktorom prúdi voda. Toto neplatí pre puzdrá meracích, kontrolných a zabezpečovacích prístrojov.

Spojenia musia byť ľahko prístupné a umiestnené tak, že funkcia každého z nich je adekvátne zabezpečená. Pripájanie potrubí závitovými rúrkami nad DN 50 sa neodporúča a pripojenie závitovými rúrkami s menovitým priemerom nad DN 80 nie je dovolené. Okrem štandardných prírub sa musia na prírubové pripojenia dodávať spárované príruby a tesnenia. Kotol musí mať najmenej jednu prípojku na plnenie a jednu na vypúšťanie vykurovacej vody, pričom táto prípojka môže byť aj spoločná. Veľkosť prípojky musí byť najmenej G 1“ pri menovitom tepelnom výkone do 70 kW a G ³/₄“ pri menovitom tepelnom výkone nad 70 kW [4], [14].

Každý kotol musí mať prípojky pre reguláciu teploty, obmedzovač teploty a teplomer s minimálnym pripojovacim rozmerom G 1“. Ak sa ovládacie zariadenie dodáva s kotlom, tieto požiadavky neplatia. Umiestnenie prípojok musí zaručovať zaznamenávanie teploty vody v kotle s dostatočnou presnosťou. Ak sú ďalšie prípojky na bezpečnostné zariadenia, ako tlakový spínač, manometer, odpájanie beztlakovej vody alebo bezpečnostný ventil, musia byť, najmä bezpečnostný ventil, zosúladené s výkonom kotla.

Všetky kotly musia mať tepelnú izoláciu. Tepelná izolácia musí odolávať normálnemu teplotnému a mechanickému namáhaniu. Musí byť z nehorľavého materiálu a pri bežnej prevádzke nesmie dymiť.

Násypka kotla musí byť konštruovaná tak, aby umožňovala voľný pohyb paliva a bol zabezpečený čas horenia. Výrobca kotlov musí zabezpečiť minimálny čas spaľovania pri kotloch s ručným dodávaním paliva pri menovitom tepelnom výkone 2 hodiny pre biogenické palivá a 4 hodiny pre fosílne palivá. V kotloch s automatickým dodávaním paliva musí byť čas spaľovania najmenej 6 hodín.

Objem popolníka musí byť primeraný času horenia, najmenej však 12 hodín pri použití vyhradeného paliva a menovitom tepelnom výkone, pri uvažovaní neobmedzeného množstva vzduchu pod roštom.

Pre spaľovanie voliť biomasu, ktorá je dostupná v danej lokalite a v čo najmenšej miere narúša životné prostredie.

Literatúra

• [1] BABINEC, F.: Management rizika. Loss Prevention & Safety Promotion. Učení texty, Slezská Universita v Opavě, Ústav matematiky, Brno, 2005, 93 s.
• [2] BERNATÍK, A.: Případová studie hodnocení rizik závažných havárií v malých a středních podnicích, In 15
• [3] DANIHELKA, P.: Analysis and Management of Industrial Risks, VŠB — TU Ostrava, 2002, ISBN 80-248-0084-5
• [4] JANDAČKA, J. - MIKULík, M.: Technológie pre zvyšovanie energetického potenciálu biomasy. Jozef Bulejčík, 010 01 Mojš, Žilina, 2007, s. 110, ISBN 978-80-969595-4-9
• [5] JANDAČKA, J. - MALCHO, M. - MIKULík, M.: Technológie pre prípravu a energetické využitie biomasy. Jozef Bulejčík, 010 01 Mojš, Žilina, 2007, s. 222, ISBN 978-80-969595-3-2
• [6] JANDAČKA, J. - MALCHO, M. - MIKULÍK, M.: Ekologické aspekty zámeny fosílnych palív za biomasu. Jozef Bulejčík, 010 01 Mojš 94, Žilina 2008, 228 s., ISBN 978-80-969595-5-6
• [7] MÜLLEROVÁ, J. - MIKULÍK, M.: Risk and crisis situations in gasification boilers operation. In.: 8^ht international scietific conference Proceedings of Technology Systéme Operation 07, Prešov 2007, p. 154-156, ISBN 978-80-8073-900-3
• [8] OCHODEK, T. - KOLONIČNÝ, J. - BRANC, M.: Ekologické aspekty záměny fosilních paliv za biomasu, VŠB TU Ostrava, 2007, ISBN 978-80-248-1595-4
• [9] PALEČEK, M.: Identifikace a hodnocení rizik [CD-ROM]. VÚBP Praha, 2007, 44 s., ISBN 978-80-86973-30-2
• [10] PALEČEK, M. - BUMBA, J. - KELNAR, L. - SLUKA, V.: Postupy a metodiky analýz a hodnocení rizik pro účely zákona č. 353/1999 Sb., o prevenci závažných havárií. Praha 2000, 211 s. Dostupné z internetu: http://www.vubp.cz/html_oppzh/metodiky/postmetanalyzduben2005.pdf
• [11] Reitšpís, J. a kol.: Manažérstvo bezpečnostných rizík. Žilina 2004, 296 s., ISBN 80-8070-328-0
• [12] ŠIMÁK, L.: Manažment rizík. Žilinská univerzita v Žiline, 2004, 116 s. Dostupné z internetu: http://fsi.uniza.sk/kkm/publikacie/mn_rizik.pdf
• [13] SLUKA, V.: Výkladový terminologický slovník některých pojmů používaných v analýze a hodnocení rizik pro účely zákona o prevenci závažných havárií. VÚBP Praha, 2007, 55 s. Dostupné z internetu: http://www.vubp.cz/html_oppzh/metodiky/vykladovy_slovnik_brezen05.pdf.
• [14] STN EN 303-5. Vykurovacie kotly. Časť 5: Vykurovacie kotly na tuhé palivá dodávané ručne a automaticky, s menovitým výkonom do 300 kW. Terminológia, všeobecné požiadavky, skúšanie a označovanie.
• [15] GAŠPIERIK, L. — MULLEROVÁ, J. — MIKULÍK, M. : Rizika a výhody obnoviteľných zdrojov energie. Fakulta technologická, Univerzita T. Baťu v Zlíne. U. Hradište 2007.