Hearth foorumi Hearth foorumi. Klikkaa kuvaa
Puulämmitys foorumi Puulämmitys foorumi .Klikkaa kuvaa

Keskuslämmityskattiloiden historiaa

Ensimmäisten puukattiloiden polttoainesäiliö oli osana keskuslämmityskattilaa, jolloin palamisprosessin alkuvaiheita tapahtui jo varastosäiliössä. Kuivuminen ja ensimmäiset vaiheet pyrolyysistä tuottivat happamia nesteitä, minkä vuoksi säiliön piti olla hapon kestävää terästä ja rakenteen vesijäähdytetty.

Palakooltaan pienillä polttoaineilla (esimerkiksi hakkeella) kattila ei toiminut kovin hyvin, jos käytössä oli sama arinaratkaisu kuin haloille. Puulastut alkoivat lämmön vaikutuksesta pyrolysoitua nopeasti ja kaasua syntyi yleensä enemmän kuin laitteessa pystyttiin polttamaan. Palamattomat aineet tiivistyivät lämmönsiirtopinnoille ja likasivat ne. Tämän vuoksi enää lähinnä pituudeltaan yli 0,5 metrin halot säilötään kattilan polttoainesäiliössä.

Suomessa pilkkeitä polttava yläpolttokattila on yleisin omakotitalojen lämmityksessä. Hintatekijä on keskeinen kattilan valintaan vaikuttava asia ja yläpolttokattilan yksinkertainen rakenne mahdollistaa kattilan rakentamisen halvalla. Kaksoispesäkattiloita on käytössä jonkin verran, mutta puunpoltto on niissä yleensä tilapäistä. Keski-Euroopassa myytävät kattilat ovat lähes poikkeuksetta käänteispalokattiloita. Kattilan korkea hinta on estänyt kattiloiden yleistymisen Suomessa.

Keskulämmityskattiloiden kehitys

Keskuslämmityskattiloiden kehitystä ohjaa nykyisellään kysyntä, johon Suomessa vaikuttaa muun muassa kattilan hinta. Kotitalouksien lämmityskattiloille on ehdotettu Suomessakin päästöraja-arvoja, jotka edellyttäisivät polttotekniikan kehittämistä.

Suuntaa-antavana kehityksenä voidaan pitää Keski-Euroopan kattilavalmistajien käyttämiä ratkaisuja, jotka perustuvat suomalaisia määräyksiä tiukempiin päästömääräyksiin. Erityisesti Itävallassa ja Saksassa pientalojen pilkekattiloiden hyötysuhde on saatu kehitettyä korkeaksi ja päästöt pieniksi. Toimintaperiaatteena näissä kattiloissa on poikkeuksetta käänteispolttomenetelmä.

Muita eroavaisuuksia suomalaisiin kattiloihin ovat muun muassa jälkipalotilan muuraus, kaksinkertaiset luukut, integroitu savukaasuimuri, teollinen muotoilu sekä palamisprosessin jatkuva mittaus ja säätö.

Tulevaisuudessa lämmityskattiloiden päästöjä tullaan madaltamaan ja turvallisuutta lisäämään. Mahdollisesti myös erilaiset polttoaineiden yhdistelmät voivat yleistyä. Esimekiksi öljy-puu-kaksoispesäkattilan rinnalle on tullut pelletti-pilke-kaksoispesäkattila.

Lähteet:


Tuomi, S. 2013: Selvitys rakennusten biokattilalämmittäjien energiatehokkuusneuvonnan toteuttamiseksi ja neuvonnan vaikutusten arvioimiseksi. Motiva Oy.

Tissari, J. (toim.). 2005. Puun polton pienhiukkaspäästöt. Loppuraportti 31.8.2005. Kuopion yliopiston ympäristötieteiden laitosten monistesarja. Kuopio.

Wahlroos, L. 1979. Kotimaiset polttoaineet ja keskuslämmityskattilat. T:mi Energiakirjat. Kokemäki.

Alapalokattila

Alapalokattilassa palaminen tapahtuu nimensä mukaisesti kattilan tai puupinon alaosassa. Polttoaine on säiliössä, jonka pohjan muodostaa arina. Polttoilmaa imetään savupiipun tai savukaasupuhaltimen avulla arinan ja kaasun palotilassa olevien sekundäärisuuttimien läpi.

Alapalokattilassa polttoainekasan alle muodostuu voimakas hiillos, joka loppuun palaessaan tippuu arinan läpi tuhkatilaan. Mahdolliset kekäleet palavat arinan läpi menevän primääri-ilman avulla loppuun.

Alapalokattilan eduiksi voidaan katsoa polttoaineen esilämmitys ja tehokas poltto. Vesivaipan ja palavan polttoaineen lämmittämä polttoaine on alhaalla kuivaa, mikä helpottaa syttymistä. Varastossa olevista puista pyrolysoituvat kaasut joutuvat kulkemaan palotilan läpi, jolloin ne palavat loppuun luovuttaen lämpöenergiaa. Alapalokattila on polton tehokkuuden kannalta hyvä kiinteän polttoaineen kattilatyyppi.

Kattilassa syntyviä ongelmia voi aiheutua polttoaineesta tai palamisprosessin epäonnistumisesta. Polttoaineen pitää olla tasalaatuista, jotta se täyttää koko siilon. Jos polttoaine on karkeaa, pitää täyttövaiheessa lisätä vetoa, jotta savu ja tuli eivät pääse leviämään kattilahuoneeseen.

Huonosti tapahtuvassa polttoprosessissa pyrolyysikaasut voivat päästä lieskapesän ohi palamatta. Silloin energiasisältö jää hyödyntämättä, lämpöpinnat likaantuvat ja syntyy päästöjä.

Lähde:

Wahlroos, L. 1979. Kotimaiset polttoaineet ja keskuslämmityskattilat. T:mi Energiakirjat. Kokemäki.

Yläpalokattila

Palaminen tapahtuu yläpolttokattilassa polttoainekasan päällä. Palamisen periaate on sama kuin avotulessa ja keskeiset ongelmat liittyvät polttoaineen lisäämisestä syntyvään palamisprosessin keskeytymiseen. Kattilassa ei ole polttoainevarastoa vaan polttoaine lisätään kattilaan panoksittain.

Kasan päällä olevat puut palavat ja alemmat kuivuvat sekä kaasuttavat haihtuvia ainesosiaan. Puhdas ja tehokas poltto edellyttää, että alta tulevat kaasut kulkevat liekin läpi syttyen ja palaen.
Kaksoispesäkattilassa oleva yläpalokattila on usein kattilan sivusta täytettävä, jolloin puut lisätään keon päälle. Luukun avaaminen päästää palotilaan ylimääräistä ilmaa, joka heikentää hyötysuhdetta viilentällä savukaasuja.

Puhtaan ja tehokkaan palamisen kannalta uudet puut olisi järkevintä lisätä vasta hiilloksen päälle. Hehkuvasta hiilloksesta ei enää irtoa kaasuuntuvia aineita. Jos puut lisätään palavien puiden päälle siten, että liekit tukehtuvat, pääsevät alhaalta tulevat pyrolyysikaasut läpi palamatta. Uudet puut kuivuvat pesässä nopeasti ja alkavat pyrolysoitua. Kestää kuitenkin hetken ennen kuin lämpötila on noussut riittävästi puiden syttymiseen.

Lähde:

Wahlroos, L. 1979. Kotimaiset polttoaineet ja keskuslämmityskattilat. T:mi Energiakirjat. Kokemäki.

Käänteispalokattila

Käänteispalokattilan periaate muistuttaa alapalokattilaa, ja sitä pidetäänkin alapaloperiaatteen parannuksena. Erityisesti kaasujen jälkipoltto on hallitumpaa. Käänteispalokattilassa palaminen tapahtuu polttoainetäytöksen alaosassa ja liekit menevät alaspäin keraamisen arinan läpi. Polttoaine valuu painovoimaisesti arinalle sitä mukaan, kun se palaa panoksen alaosasta. Arinan alla on vapaa tila, jossa pyrolyysikaasut poltetaan sekundääri-ilmalla.

Arinan alla on tuhkatila, johon tuhka ja palamaton hiili tippuvat. Tuhkatilan päällä olevalla kaasujen poltolla pystytään varmistamaan hiilen palaminen loppuun. Primäärinen ilmansyöttö tulee arinan päällä olevaan polttoaineeseen. Kattilan korkea lämpötila edellyttää kestäviä materiaaleja ja erityisesti arinarakenne on kovilla. Esimerkiksi polttoaineen huono syöttö voi siirtää palamisen arinan yläpuolelle, jolloin kovin lämpö osuu arinaan.

Palamisen vaatima tulipesän alipaine (veto) on varmistettu yleensä savukaasupuhaltimella, mikä mahdollistaa myös palamisen tarkemman hallinnan ilman säädön avulla. Kalliin hintansa vuoksi käänteispalokattila ei ole kovin yleinen Suomessa. Sen sijaan Keski-Euroopassa käänteispalokattilaa käytetään yleisesti.

Lähteet:

Tissari, J. (toim.). 2005. Puun polton pienhiukkaspäästöt. Loppuraportti 31.8.2005. Kuopion yliopiston ympäristötieteiden laitosten monistesarja. Kuopio.

Wahlroos, L. 1979. Kotimaiset polttoaineet ja keskuslämmityskattilat. T:mi Energiakirjat. Kokemäki.

Stokeripoltin

Hakkeelle ja pelletille on kehitetty poltinlaitteisto, joka muodostuu erillisestä varastosäiliöstä, ruuvisiirtimestä ja polttimesta. Ruuvisyötteistä menetelmää kutsutaan stokeriksi. Menetelmää on käytetty muun muassa höyryvetureissa, joissa polttoaine siirrettiin hiilivaunuista ruuvilla pesään (engl. "stock" varasto). Nykyisellään stokeripolttimeksi kutsutaan kokonaisuutta, jossa on ruuvi, polttoainesäiliö ja poltinosa. Stokeripoltinta käytetään laajasti eri teholuokissa.

Poltinrakenne vaihtelee polttoaineen mukaan. Hakkeella se on usein pieni kiinteä arina ja pelletillä alta syötettävä kuppi. Yleensä stokeripoltin on irrotettavissa kattilasta, jotta poltin voidaan puhdistaa.

Stokeripolttimessa polttoaine palaa kuten yläpalokattilassa, mutta keskeiset ongelmakohdat pystytään välttämään tasaisella polttoaineen syötöllä. Jos polttoaineen syöttö tapahtuu altapäin, se ei aiheuta samanlaista palamisen keskeytymistä kuin yläpalokattilassa. Pellettipolttimissa yhtenä toimintaperiaatteena on pellettien tiputtaminen polttokaukaloon. Koska pelletti on kuivaa polttoainetta, syöttö tasaista ja pienissä erissä tapahtuvaa, palaminen on tehokasta.

Lähde:

Työtehoseura ry

Etupesäpoltin

Etupesän kaasutusperiaate on ollut pitkään käytössä. Yksi kyseiseen tekniikkaan perustuva sovellus oli autoissa käytetty häkäpönttö. Keskuslämmityskattiloissa etupesäpolttimella pystyttiin vaihtamaan öljy kiinteään biopolttoaineeseen vain poltinrakenne vaihtamalla. Vanhan vesikattilan öljypoltinluukkuun liitettiin etupesäpoltin, jolloin kattilaa ei tarvinnut vaihtaa. Etupesän aiheuttama vetovastus tosin edellytti joko piipun pidennystä tai savukaasuimuria.

Etupesäpoltin muodostuu arinasta ja kattilaan johtavasta tulikanavasta. Kiinteä polttoaine kaasutetaan arinalla eli poltetaan vähällä hapella. Polttoaine palaa epätäydellisesti ja palokaasut ohjataan tulikanavaan. Tulikanavaan syötetään sekundääri-ilmaa, joka sytyttää kaasun. Varsinainen palaminen tapahtuu yleensä kattilan tulipesässä. Öljynpolttoon nähden savukaasuja muodostuu huomattavasti enemmän, muun muassa kosteuden takia.

Lähde:

Wahlroos, L. 1979. Kotimaiset polttoaineet ja keskuslämmityskattilat. T:mi Energiakirjat. Kokemäki.

Kaksoispesäkattila

Kaksoispesäkattilalla on perinteisesti tarkoitettu öljyn ja pilkkeen polttoon soveltuvaa kattilaa. Öljy on ollut pääpolttoaine ja puulla on lämmitetty silloin, kun lämmön tarve on ollut vähäisempää. Markkinoilla on myös pelletti-puukaksoispesäkattiloita.

Kaksoispesäkattilassa kummallakin polttoaineella on oma pesänsä. Savukaasujen poiston vuoksi vain toisessa pesässä kerrallaan voi olla tuli. Kattila on mitoitettu öljyn mukaan, eikä puuta poltettaessa kattilasta ole mahdollista saada vastaavaa tehoa. Puun polton hyötysuhde on usein huono.

Lähteet:

Työtehoseura ry

Wahlroos, L. 1979. Kotimaiset polttoaineet ja keskuslämmityskattilat. T:mi Energiakirjat. Kokemäki.