SPALOVÁNÍ DŘEVA

1. Vlhkost dřeva

Vlhkost dřeva má zásadní vliv na výhřevnost dřeva, neboť voda má velké výparné teplo (potřeba tepla na přeměnu vody ve vodní páru), s rostoucím obsahem vody se snižuje energetický zisk.

Vlhkost dřeva lze vyjadřovat jako hmotnostní procento vody k celkové hmotnosti vlhkého dřeva. V dřevařském průmyslu se vlhkost dřeva vyjadřuje jako hmotnostní procento vody k hmotnosti suchého dřeva.

Při takovémto způsobu vyjádření pak může vyjít vlhkost i vyšší než 100%. Například při 60% vlhkosti (to je stále ještě reálně se vyskytující hodnota) vychází podle "dřevařského" vzorce hodnota vlhkosti 150%, což vypadá na pohled trochu nelogicky.

Před použitím je tedy třeba dřevo nechat alespoň částečně vyschnout. Všeobecně se doporučuje vlhkost pod 30% a za optimální se považuje vlhkost do 20% protože té lze ještě dosáhnout běžným sušením pod přístřeškem.

Graf závislosti výhřevnosti biomasy na obsahu vody


Z grafu je patrné, jak je výhřevnost dřeva závislá na vlhkosti.

2. Složení dřeva

Z chemického hlediska je rostlinná biomasa, tedy i dřevo, tvořena řadou různých sloučenin; ze spalitelných látek mají největší význam celulóza, lignin a pryskyřice. Z nespalitelných látek je pro výhřevnost dřeva významný obsah především vody a dále pak obsah anorganických látek, které tvořící popel.
Celulóza - je nejvýznamnější složka dřeva; je to základní stavební materiál rostlinných buněk. Z chemického hlediska jde o polysacharid složený z velkého počtu navzájem spojených molekul glukózy.

struktura celulózy


Celulóza je hygroskopická; snadno přijímá vodu a vlhne. V suchém stavu je velmi stálá; existuje nicméně řada mikroorganismů, které ji umějí rozložit na jednoduché cukry a energeticky využít (tyto mikrobiální procesy se uplatňují při hnití nebo tlení dřeva). Vzhledem k tomu, že v celulóze připadá na každý atom uhlíku jeden atom kyslíku, je výhřevnost suché celulózy jen asi 18MJ/kg.
Lignin - je významnou složkou dřeva stromů; jednou z jeho funkcí je mechanické zpevnění buněčných stěn a také tvoří součást kapilár, které v rostlině vedou vodu a živiny. Tvoří zhruba třetinu hmotnosti dřeva.

Tabulka obsahu jednotlivých složek ve dřevu

druh dřeva	Celulóza	Lignin
měkké dřevo	45%	30%
tvrdé dřevo	42%	20%

Z chemického hlediska je lignin komplikovaný polymer respektive směs polymerů. Není tvořen ze sacharidů jako celulóza, ale převážně z aromatických alkoholů. Díky tomu není tak hydrofilní (navlhavý) a má i trochu větší výhřevnost než celulóza. Při nedokonalém spalování (pyrolýze) dřeva se z něj uvolňují různé aromatické sloučeniny; např. methoxyfenoly jako je syringol, který je údajně nejvíce zodpovědný za charakteristickou vůni uzeného masa nebo guajakol, který přispívá k jeho chuti.

Struktura ligninu


Pryskyřice - je obsažena ve dřevě jehličnatých stromů a je tvořena převážně směsí uhlovodíků (terpeny). Vzhledem k tomu, že uhlovodíky mají znatelně větší výhřevnost než celulóza nebo lignin, má dřevo jehličnatých stromů obsahujících pryskyřici o trochu větší výhřevnost než dřevo listnatých stromů.

3. Procesy probíhající při hoření dřeva

Významnou vlastností dřeva (a obecně všech forem biomasy) je značný podíl takzvané prchavé hořlaviny. Při zahřátí na teplotu přes 200 °C dochází k rozkladu a tvorbě hořlavých plynů. V důsledku toho, hoří dřevo dlouhým plamenem což trochu komplikuje konstrukci topenišť na jeho spalování. Do plamene se totiž musí přivést dostatečné množství vzduchu a musí dojít k jeho promíšení, aby mohly všechny těkavé složky vyhořet. K tomu je také třeba dostatečná teplota, plamen se nesmí příliš ochladit.

Obsah prchavé hořlaviny v různých druzích paliva:

palivo	výhřevnost [MJ/kg]	prchavá hořlavina [%]
koks	28,5	1,5
černé uhlí	28	20
hnědé uhlí	17	55
dřevo	18	75
sláma	16	80

Další nepříjemnou vlastností dřeva je obsah vody; to souvisí jednak s jeho vznikem (rostliny vždy obsahují velký podíl vody) a jednak s hygroskopičností hlavní komponenty dřeva -celulózy. Vysušené dřevo opět snadno zvlhne, když je v prostředí s vysokou vlhkostí vzduchu. Obsah vlhkosti ve dřevě má, jak bylo uvedeno výše, zcela zásadní vliv na jeho výhřevnost. Třeba uhlí může při skladování zmoknout, aniž by došlo k nějakému významnému snížení jeho výhřevnosti; spalováním dřeva v mokrém stavu ovšem ztratíme významnou část tepla, které je v něm obsažené.

Při spalování dřeva probíhají následující procesy:

Při zahřívání nejprve nastane odpařování vody, která je ve dřevě přítomná. Protože dřevo má poměrně špatnou tepelnou vodivost a voda má vysoké výparné teplo, dochází u větších kusů dřeva k tomuto procesu ještě dlouho potom, kdy dřevo již na povrchu hoří. Odpařování vody spotřebuje mnoho tepla a velmi efektivně dřevo chladí. Teprve po odpaření vody proto ve vysušené zóně vzroste teplota a začne docházet k uvolňování dalších prchavých látek (např. pryskyřice) a k tepelnému rozkladu (pyrolýza) jednotlivých látek ze kterých se dřevo skládá. Vzniká směs hořlavých plynů a na roštu zbývá dřevěné uhlí. Udává se, že uvolněná prchavá hořlavina (plyny) v sobě nese přes polovinu energie ve dřevě obsažené. Hořlavé plyny se vzduchem přiváděným pod rošt (primární vzduch) hoří ve formě dlouhého plamene (primární spalování). Při tom ale nedojde ke spálení všech spalitelných složek, protože k tomu zpravidla není dostatek kyslíku nebo dostatečně vysoká teplota. Pokud je pod rošt přiváděn nadbytek vzduchu, tak se plamen příliš ochladí a část hořlaviny se vyloučí ve formě sazí (uhlík). Když je kyslíku málo, tak zase nemůže dojít k úplnému spálení (oxidaci až na oxid uhličitý). V každém případě to znamená, že ztratíme část energie v palivu obsažené. Z tohoto důvodu je třeba zajistit aby spalovací komora v níž hoření probíhá měla dostatečně vysokou teplotu t.j. aby byla rozumně tepelně izolována a do plamene se v určité vzdálenosti nad roštem přimíchává takzvaný sekundární vzduch, který umožní dohoření zbylých, dosud nespálených, plynů. Tím se uvolní i zbylá energie v palivu obsažená a do komína pak odchází jen oxid uhličitý, vodní pára a dusík. Vzdušný dusík se spalování prakticky neúčastní; pokud je ovšem teplota plamene dostatečně vysoká dochází v určité míře k reakci dusíku a kyslíku za vzniku směsi oxidů dusíku; tato reakce je z hlediska energetického nevýznamná, nicméně velmi zásadní je z hlediska emisí (oxidy dusíku jsou považovány za škodlivé emise).

Právě délka plamene a nutnost zajistit jeho vysokou teplotu znamená nutnost používat větší ohniště a teplosměnné plochy umístit až za koncem plamene, aby plamen zbytečně neochlazovaly, jinak se tvoří saze, které je zanášejí a pochopitelně se tím také snižuje účinnost spalování.

Na roštu zbývající žhavé uhlí se spaluje pomaleji a nevytváří už dlouhý plamen; v zásadě je jeho spalování analogické jako třeba u koksu. Zpravidla při tom vzniká z části oxid uhelnatý, který se spálí až v místě přívodu sekundárního vzduchu. Pokud došlo k uvolnění veškerých těkavých složek a v topeništi zůstává již jen dřevěné uhlí, je možné snadno regulovat výkon kotle v poměrně širokém rozsahu změnou v přívodu primárního vzduchu.

Zajistit, aby spalování probíhalo výše uvedeným způsobem není v malých topeništích vůbec jednoduché. U velkých kotlů je více možností jak zamezit přílišnému ochlazování plamene a jak dokonale dávkovat do plamene vzduch potřebný k optimálnímu spalování. Např. u kotlů s výkonem 1MW jsou plameny zhruba 5m dlouhé, do horní části plamene se přidává ještě terciární vzduch a celý systém dávkování vzduchu je řízen počítačem na základě údajů o složení spalin a obsahu kyslíku.

Dobře vyřešené spálení prchavé hořlaviny je proto důležitou podmínkou dosažení vysoké účinnosti při topení dřevem ve všech jeho formách.

Při spalování dřeva se tvoří také velmi jemný polétavý popílek, který může zanášet kouřové tahy a teplosměnné plochy. Mnohé, zvláště velké, kotle mají proto různá důmyslná zařízení na odstraňování popílku z povrchu tepelného výměníku (lamel) kotle. U malých kotlů se zpravidla spokojíme s občasným ručním vyčištěním. Většina popela zůstává nicméně na roštu a obecně platí, že ve srovnání s běžným hnědým uhlím produkuje spalování dřeva jen málo popela. Popel je navíc možno využít jako hnojivo na zahradu (má velký obsah draslíku).