Węgiel kamienny

Składa się on z substancji palnej, którą stanowią węgiel, wodór i siarka, oraz balastu — wilgoci i popiołu. Znajdują się w nim też tlen i azot. Podstawowym składnikiem jest węgiel, którego zawartość — od 60% do 95% — decyduje o wartości opałowej. Od zawartości wodoru, wynoszącej około 2–5%, zależy łatwość zapłonu. Siarka, w ilości około 1–5%, występuje w związkach organicznych, siarczanowych i pirytach. Jest ona składnikiem niepożądanym, ze względu na szkodliwe działanie produktu jej spalania — powstający dwutlenek siarki wskutek nadmiaru powietrza utlenia się do trójtlenku siarki, który w połączeniu z parą wodną zawartą w spalinach daje kwas siarkowy wywołujący już w niskich temperaturach korozję powierzchni ogrzewalnych. Polskie węgle kamienne zawierają od 5% do 35% wilgoci i popiołu — im jest ich więcej w paliwie, tym niższa jest jego wartość opałowa. Ponadto popiół utrudnia spalanie, a unoszony przez spaliny zanieczyszcza środowisko. Temperatura zapłonu węgla kamiennego zależy od zawartości części lotnych w paliwie
i przy ponad 30% ich udziale wynosi 300–350°C.

Węgle kamienne energetyczne, w zależności od ich wartości opałowej (Q_i^r), zawartości popiołu (A^r) i siarki (S_t^r), podzielone są na klasy handlowe oznaczane trzema liczbami — Q_i^r/A^r/S_t^r. Niektóre kopalnie wprowadziły dodatkowo zawartość wilgoci całkowitej (W_t^r). Wartość Q_i^r wyrażana jest w MJ/kg, a pozostałe wielkości w procentach. Dla przykładu: wartość opałowa węgla klasy 19/12/10/22 wynosi minimum 19 MJ/kg, zawartość popiołu — maksymalnie 12,04%, siarki — maksymalnie 1,00% (przemnażana jest przez 10), wilgoci całkowitej — średnio 22%.

W tabeli 1 przedstawiono najważniejsze parametry charakteryzujące dostępne na naszym rynku, wybrane sortymenty węgla kamiennego.

TABELA 1. PODSTAWOWE WŁAŚCIWOŚCI WYBRANYCH SORTYMENTÓW WĘGLA KAMIENNEGO

¹ Ko — kostka; ² Gr — gruby; ³ O — orzech; ⁴ Gk — groszek; ⁵ M — miał

Paliwa gazowe

Gaz ziemny
Stanowi źródło energii najbardziej przyjazne dla środowiska. Od dłuższego czasu obserwuje się wzrost zainteresowania tym paliwem. Podstawowym składnikiem gazu ziemnego jest metan (w wysokometanowym stanowi 90%, a w zaazotowanym — 50%), ale znajdują się w nim również wyższe węglowodory (głównie etan, propan, butan) oraz azot i dwutlenek węgla. Praktycznie nie występują w nim siarka i metale ciężkie, dzięki czemu podczas spalania nie tworzy się dwutlenek siarki i nie ma stałych odpadów.

Gazy płynne (LPG)
Umożliwiają gazyfikację obszarów, na których brak sieci gazowej. Do gazów płynnych zaliczany jest propan-butan techniczny. Paliwo to nie jest jednorodne, jednakże dla uproszczenia traktuje się je jako mieszaninę dwuskładnikową, w której udział wagowy propanu może wynosić od 25% do 50%, a butanu 75% do 50%. Ogólnie można przyjąć, że pierwszy z nich odpowiada za ciśnienie gazu i jest czynnikiem "napędowym", natomiast drugi podwyższa wartość opałową mieszaniny. Ważne jest dobranie gazu płynnego o odpowiedniej proporcji propanu i butanu, w zależności od warunków jego wykorzystywania. Butan przestaje odparowywać w temperaturze około –0,5°C, a zatem mogą zaistnieć poważne trudności w wykorzystaniu tej mieszaniny zimą.

Innym gazem płynnym jest propan techniczny. Paliwo to składa się w około 90% z propanu, resztę stanowią inne węglowodory. Propan techniczny w naszych warunkach klimatycznych łatwo odparowuje (proces ten zanika dopiero w temperaturze około –42°C), dzięki czemu zapewniona jest ciągłość zasilania odbiorników.

Gazów płynnych nie można magazynować w pojemnikach znajdujących się poniżej poziomu terenu.

Najważniejsze parametry wybranych grup paliw gazowych stosowanych w gospodarce zestawiono w tabeli 2.

TABELA 2. PODSTAWOWE WŁASNOŚCI WYBRANYCH PALIW GAZOWYCH

Oleje opałowe

Otrzymywane są głównie z ropy naftowej, ale mogą powstawać też w wyniku przeróbki węgli lub łupków bitumicznych. W ostatnich latach zużycie olejów opałowych stale wzrasta, mają bowiem wysoką wartość opałową, są łatwe w transporcie i składowaniu, ułatwiają zautomatyzowanie opalania, upraszczają dozór i obsługę.

Rozróżnia się oleje opałowe lekkie i ciężkie. Lepkość kinematyczna tych pierwszych, mierzona w temperaturze 20°C, nie przekracza 12 mm²/s, dlatego też nie muszą być one ogrzewane przed doprowadzeniem do palników. Natomiast oleje ciężkie o dużej lepkości wymagają ciągłego podgrzewania, gwarantującego utrzymanie optymalnej temperatury, zarówno w zbiornikach magazynujących, jak i instalacjach doprowadzających paliwo do palnika.

Ze względu na niższą cenę, do ogrzewania upraw pod osłonami najczęściej stosuje się olej opałowy ciężki C-3. Jego najważniejsze właściwości zostały scharakteryzowane na stronie 10.

Zapas oleju opałowego gromadzony jest w zamkniętych, nadziemnych lub podziemnych zbiornikach spełniających określone wymagania ochrony przeciwpożarowej i bezpieczeństwa pracy. Pojemność zbiorników wynika z zalecanego czasu magazynowania paliwa, na przykład dla mocy: do 100 kW — 1 rok, 100–1000 kW — 8,5–3,5 miesiąca i powyżej 1000 kW — 6–2 miesięcy.

Koszty użycia paliw konwencjonalnych

W celu umożliwienia porównania różnych paliw wprowadzono tak zwany równoważnik energii jednostkowej. Odpowiada on energii spalania 1 kg węgla kamiennego o wartości opałowej 29 300 kJ/kg (7000 kcal/kg lub 8,14 kWh/kg). Jeśli przyjąć, że energia uzyskana ze spalania 1 kg węgla kamiennego wynosi 1,00, to współczynnik przeliczeniowy dla 1 kg ropy naftowej ma wartość około 1,45, a dla 1 m³ gazu ziemnego — około 1,08.

Gdy porównuje się kotły na paliwa stałe, ciekłe i gazowe, można stwierdzić, że pierwsze z wymienionych sprawiają więcej trudności w regulacji procesu spalania, mają niższe sprawności i emitują do atmosfery dość duże ilości zanieczyszczeń, które trudno neutralizować. Coraz ostrzejsze wymagania dotyczące środowiska sprawiają, że konieczna staje się instalacja urządzeń oczyszczających spaliny, co podnosi znacznie koszty inwestycyjne i eksploatacyjne. Należy jednakże dodać, że najnowsze konstrukcje kotłów opalanych węglem stwarzają jednak mniej kłopotów, w tym pozwalają na dłuższą, bezobsługową pracę. Kotły na paliwa ciekłe i gazowe są efektywniejsze oraz zdecydowanie mniej uciążliwe dla środowiska. Zastosowana w nich automatyka i technika sterowania minimalizuje zużycie paliwa, daje komfort użytkowania zapewniając bezpieczeństwo i długi czas pracy.

W tabeli 3 zestawiono dla indywidualnych gospodarstw koszty energii cieplnej, uzyskiwanej z różnych nośników. Na podstawie tych danych można stwierdzić, że najtańszym źródłem energii w indywidualnych gospodarstwach są drewno i węgiel kamienny, a najdroższym — energia elektryczna.

TABELA 3. KOSZT ENERGII CIEPLNEJ Z RÓŻNYCH NOŚNIKÓW ENERGII, WG CEN
Z KWIETNIA 2002 R.

* w cenie paliwa nie uwzględniono kosztów transportu i kosztów zagospodarowania odpadów
Źródło: T. Dziedzic, R. Wojtowicz, Koszty energii cieplnej z różnych źródeł,
"Rynek Instalacyjny", nr 9, 2002 r.

W ostatnim okresie w Polsce obserwuje się, że ceny węgla kamiennego stale rosną. Obecnie cena tego paliwa dla elektroenergetyki wynosi około 37 USD/t i jest wyższa od ceny światowej wynoszącej około 33 USD/t.

Z uwagi na zmiany jednostkowych cen paliw na rynku wydaje się, że korzystne tutaj będzie podanie prostych zależności pozwalających przeprowadzać odpowiednie obliczenia. I tak, jednostkowy koszt energii użytkowej ken w zł/kWh można wyznaczyć z wzoru:

gdzie k oznacza cenę jednostkową paliwa (w zł/kg, zł/l, zł/m³), H — jego wartość opałową (w kWh/kg, kWh/l, kWh/m³), a h — sprawność kotła. Wielkość h jest bezwymiarowa, ale może być ona podawana w % (wówczas otrzymany wynik należy pomnożyć przez 100).
Jeśli roczne zapotrzebowanie na ciepło obiektu wynosi Q (w kWh/rok), to roczne zapotrzebowanie na paliwo B wyrażone w zależności od jego rodzaju (w kg/rok,
l/rok lub m³/rok) można oszacować z zależności:

Znajomość jednostkowego kosztu energii ken pozwala obliczyć roczny koszt paliwa Kp (w zł/rok) ze wzoru: 

Należy tutaj zauważyć, że do tak oszacowanych kosztów trzeba doliczyć, zwłaszcza w przypadku węgla i paliw ciekłych, koszty transportu, magazynowania, utylizacji odpadów i obsługi.